肺部气体扩散1D/0D模型的呼吸场景敏感性分析与最优性研究：从Bohr-Haldane效应到多目标优化

这篇研究提出了一种非线性耦合1D模型，整合了支气管树气体传输、O2/CO2扩散及Bohr-Haldane效应，通过胸膜压力驱动模拟健康与运动状态下的呼吸动力学。相比传统0D模型，该模型天然涵盖气体混合时空延迟，并探索了呼吸模式（如周期T、吸呼比IE、压力振幅Pinsp）对动脉CO2分压（Pa,CO2）和肺扩张的调控机制，揭示了健康呼吸可能优化多目标（低能耗、最小容积变化及Pa,CO2稳态）的生理策略。

　　

Highlight

肺部形态计量1D模型

肺部被建模为对称二分叉树结构，包含N=24级分支（图2）。前16级为支气管树，后8级为肺泡区（acini），气体交换在此发生。每级支气管几何参数（长度、直径）遵循Weibel数据，形成典型的"喇叭形"截面扩张。

结果

1D模型在健康标准呼吸场景下表现出色：

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  参数敏感性分析显示，Bohr-Haldane效应显著影响O₂/CO₂耦合扩散；

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  运动状态下模型成功复现CO₂洗脱曲线；

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  对比0D模型时，1D模型因包含传输延迟而更精准预测P_a,CO2波动。

讨论

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  时间延迟的生理意义：1D模型自然捕捉的气体传输延迟，解释了0D模型需人工校准延迟参数的局限性；

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  最优呼吸场景：标准呼吸模式可能同时最小化呼吸功、肺扩张幅度，并将P_a,CO2稳定在40 mmHg附近；

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  临床转化瓶颈：当前模型未考虑气道塌陷等病理状态，但可通过整合患者特异性形态数据拓展应用。

结论与展望

本研究建立的1D-0D耦合系统为呼吸调控提供了新范式，未来可结合实时医学影像优化个体化通气策略。

（注：翻译保留原文小标题层级，专业术语如acini译为"肺泡区"并标注英文，符号如P_a,CO2严格保留格式，省略文献引用标识）