针对振荡呼吸测量的模型研究

针对振荡呼吸测量的模型研究

摘要

呼吸系统疾病是威胁人类健康的主要病因之一。呼吸阻抗的测定对于一些肺部疾病，如慢性阻塞性肺疾病（COPD），的诊断分级有重要意义。强迫振荡技术（FOT）是近年来发展起来的一项肺功能检测技术，其利用系统辨识的思想，通过外加强迫振荡信号对呼吸系统进行探测，并获取阻抗信息。本文将围绕不同模型对振荡呼吸测量法检测呼吸系统特征参数的影响开展研究，通过强迫振荡信号的选取、呼吸系统生理模型的选取，以及阻抗的估计算法是实现强迫振荡法测量呼吸阻力。

本文主要研究工作如下：

1.根据呼吸系统的生理结构背景，建立了多个不同复杂度的自主呼吸集中参数仿真模型，有效模拟了自主呼吸状态下的力学特征；将仿真结果与文献资料中结果对比，验证本文模型符合呼吸系统生理学、呼吸力学等基本理论。

2. 选取不同的强迫振荡信号，如正弦波信号、矩形波信号等，研究不同强迫振荡信号作用于人体呼吸系统的生理响应，以及不同层次模型对强迫振荡信号的响应。

3.研究呼吸阻抗辨识算法，以及其对呼吸力学特征的提取效果。基于不同复杂程度的呼吸系统，对其运用最小二乘法进行参数估计，实现呼吸阻抗的辨识。

关键字：强迫振荡，呼吸系统，参数估计，系统辨识

Abstract

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目录

1  绪论 1

   1.1研究背景和意义 1

   1.2研究现状分析 1

   1.3研究方案 4

   1.4研究内容及工作安排 5

2 自主呼吸模型的建立 7

   2.1自主呼吸预实验 7

     2.1.1 呼吸运动 7

     2.1.2 预实验 7

   2.2呼吸系统建模原理 8

     2.2.1 呼吸系统相关参数 9

     2.2.2 Simulink介绍 10

   2.3自主呼吸不同复杂程度建模 11

     2.3.1 自主呼吸动力来源 11

     2.3.2 三种不同的自主呼吸模型 12

   2.4本章小结 15

3 自主呼吸模型验证 16

   3.1 自主呼吸模型参数设置 16

   3.2 不同模型的呼吸力学特征描述 16

   3.3 自主呼吸模型验证 19

     3.3.1 呼吸系统生理学 19

     3.3.2 自主呼吸模拟结果 21

   3.4 本章小结 22

4 强迫振荡模拟 23

   4.1 强迫振荡原理介绍 23

     4.1.1 强迫振荡技术分类 23

     4.1.2 强迫振荡阻抗分析 24

     4.1.3强迫振荡信号介绍 25

   4.2 强迫振荡模拟后输出 26

   4.3 本章小结 27

5 呼吸阻抗辨识及模型验证 28

   5.1 参数估计 28

     5.1.1 参数估计——最小二乘法原理 28

     5.1.2 最小二乘法的相关应用 31

   5.2 模型参数估计 31

   5.3 参数估计结果与分析 38

   5.4 本章小结 38

结果及讨论 39

致谢 40

参考文献 41

附录 44

   附录 A  Simulink呼吸系统建模 44

   附录B  呼吸系统口端阻力 47