跨學科實踐之肋間肌呼吸模型創新制作

沈敏　程智嶠

關鍵詞：跨學科實踐；肋間肌呼吸模型；創新制作

文章編號：1003-7586（2024）01-0044-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

呼吸運動是人類生命活動中不可或缺的一部分。人體通過呼吸運動，將氧氣吸人體內，同時將二氧化碳排出體外。呼吸運動是維持人類生命的基本活動之一。研究呼吸運動可了解人體呼吸系統的運作機制，包括吸氣、肺部的氣體交換以及呼氣的過程等。在醫學領域，研究呼吸運動對于診斷和治療呼吸系統疾病，特別是增加肺通氣量、減輕呼吸損耗、改善呼吸功能等方面有積極意義。

在呼吸運動學習和研究過程中，通過模型制作，可以更直觀地理解呼吸運動的過程和原理。呼吸模型是指用來模擬人體呼吸過程的裝置。常見的呼吸模型包括肋間肌呼吸模型和膈肌呼吸模型。膈肌呼吸模型通過薄膜模擬膈肌的上升和下降來實現，肋間肌呼吸模型通過模擬肋間肌的收縮和舒張來實現，模型能較全面地展示呼吸運動時胸腔各部位的變化。本文采用充氣塑料袋、氣球、電動氣泵、氣壓傳感器等器材制作肋間肌呼吸模型。

1模型制作的研究過程

1.1肋間肌呼吸模型制作原理及初步方案

人類通過肋間肌的收縮和舒張來實現呼吸運動。在吸氣時，肋間肌收縮，使胸骨向上向外移動，從而增大胸腔的容積，氣壓變小，外部氧氣等進入肺部。在呼氣時，肋間肌舒張，使胸骨向下向內移動，從而減小胸腔的容積，氣壓變大，使二氧化碳等從肺部呼出。肋間肌模型需要模擬肋間肌、胸骨和肺的相互協作，復現呼吸運動。上述原理可以通過下面的基礎版模型展現，如圖1所示。

基礎版模型的創新性在于采用雙層塑料袋來模擬肋間肌收縮與舒張導致的胸腔的容積變化。

首先，雙層塑料袋的內層塑料袋模擬胸腔，內層塑料袋內有一定量的空氣。內層塑料袋的氣體具有壓縮性，當施加壓力時，氣體的體積減小，而當壓力減小時，氣體的體積增大。內外兩層塑料袋間同樣存在氣體，而內外層之間氣體的氣壓決定著內層塑料袋即胸腔內的氣體是壓縮還是擴張。

通過在雙層塑料袋之間插入吸管，人為地充氣和抽氣，產生氣壓變化，類似于肋間肌收縮和舒張，從而導致內層塑料袋體積變化，因此能夠模擬呼吸時胸腔容積變化狀態。氣球放置在內層塑料袋，模擬肺部，氣球內部與外界連通。當人為充氣時，內層塑料袋體積變小，內部氣壓增大，氣球變癟，模擬人體呼氣時肺部收縮。當人為抽氣時，內層塑料袋體積變大，內部氣壓減小，氣球脹大，模擬人體吸氣時肺部擴張。螺旋彈簧鐵絲放置在內層塑料袋，模擬肋骨，內層塑料袋體積變化時也能導致螺旋彈簧鐵絲發生形變，類似于肋骨的收縮與舒張。

1.2模型的優化與改進

上述模型能夠對呼吸運動進行簡單的演示，但存在模型外觀簡陋，吸氣、呼氣需要人工操作，“胸腔”內氣壓變化不能直觀顯示等問題，對于后續進一步研究改善呼吸功能作用不大。針對這些情況，我們除了在結構上進行了改進，還對模型進行了數字化改造，引入了Arduino控制板、電動氣泵及氣壓傳感器、液晶顯示屏等數字化器材，增加了通氣控制模塊、監測以及顯示界面兩部分組件，豐富了模型的展現方式和內涵。

模型改進設計方案導圖如圖2所示。

1.2.1通氣控制模塊

用電動氣泵代替人工充氣和吸氣，采用Arduino控制板來控制氣泵的充氣和吸氣，可以預先設定氣泵的氣量以及充氣和吸氣的時間，也可以通過外接按鍵實現呼氣和吸氣的切換，見圖3。模塊器件：氣流量為3.0L/min的氣泵2只，硅膠氣管接不同接口對應吸氣及呼氣、PWM數字開關、自鎖按鍵開關、三通電磁閥門、Arduino UNO R3主控板和拓展板、SV電壓輸入。實施步驟：①氣泵、PWM數字開關、自鎖按鍵開關的GVS管腳分別連接Arduino控制板上的3、8、9、10的GVS管腳。②硅膠氣管連接氣泵和三通電磁閥門。③代碼控制讀取開關按下，8號管腳吸氣泵運行，開關彈起觸發10號管腳的PWM開關轉換成充氣模式，9號管腳的充氣泵工作，加載代碼到主控板。通氣控制部分程序流程圖如圖4所示。

1.2.2氣壓測量和顯示

增加胸腔內部氣壓測量及顯示，通過采用氣壓傳感器和液晶顯示器如圖5所示，可以直觀看出胸腔輪廓變化引起的氣壓變化，從而導致肺部的收縮和擴張，為以后量化監測和調整氣壓打下了基礎。模塊器件：選用了BMP388氣壓傳感器（即溫度和氣壓傳感器）、LCD1602 SV藍屏模塊、Arduino UNO R3主控板和拓展板、USB6-16V電壓供電。實施步驟：①BMP388氣壓傳感器接UNO R3拓展板I2C接口。②LCD1602 5V藍屏模塊接UNO R3拓展板I2C數據接口，電源和地線接對應接口。代碼控制讀取氣壓初始值，循環測量氣壓減去氣壓初始值，得到氣壓變化值顯示在顯示器上。

氣壓測量及顯示部分程序流程圖如圖6。

1.2.3胸腔結構

胸腔結構采用胸骨模型代替螺旋彈簧鐵絲，使實驗系統更加形象生動。但更換成較為美觀的PVC材質的胸骨后，由于彈性變差，通過充氣和吸氣形成胸腔的體積變化對胸骨的影響變小，PVC材質的形變遠小于原有的螺旋彈簧鐵絲。為了增加形變效果，嘗試多種方式對胸骨進行改造，比如增大肋骨的縱向間距，使用多種彈性系數的彈簧、不同厚度和寬度的彈簧鋼片替代部分肋骨，增加彈性。最終選擇了寬度和肋骨接近，厚度為0.05 mm的彈簧鋼片，效果最好，如圖7所示。模塊器件：PVC胸骨骨架、彈簧片、三通管、氣球。實施步驟：①將胸骨骨架進行適當的切割，部分替換成彈簧片。②三通管的2個管套2只紅色氣球。③雙層塑料袋利用封口器改造成胸腔形狀。④插入進氣管。⑤將氣壓傳感器模塊固定在胸骨內部。⑥三通接口管處與塑料袋進行密封。

2模型制作過程中的思考和展望

肋間肌呼吸模型有助于人們研究改善呼吸功能。對于呼吸困難或者呼吸有障礙的人士，如需增加肺通氣量，需要根據患者的呼吸頻率及時輔助通氣和出氣，這些都需要我們在這個模型的基礎上繼續研究和思考。

通過模型制作的過程，大家也逐步意識到氣體作為物質存在的一種形態，具有以下主要特征。

特征1：可壓縮性。相比于液體和固體，氣體具有更高的可壓縮性。由于氣體分子之間的間距較大，它們可以被壓縮或膨脹。

特征2：擴散性。氣體分子具有高度的運動能力，它們可以自由移動并擴散到容器中的所有空間。這是因為氣體分子之間的相互作用力較弱，使得它們能夠在容器內快速混合和擴散。因此，如果后續要研究給患者輔助通氣，必須考慮整個氣路的密封性，否則氣體擴散后，通氣效果會不佳。

特征3：可以解釋壓力和體積的關系。當溫度保持不變時，氣體的壓力與其體積成反比。這意味著當氣體的體積減小時，氣體分子集中，氣體單位面積壓力增大；而當氣體的體積增大時，氣體分子分散，氣體單位面積壓力減小。因此，如果患者呼吸功能弱，輔助通氣時必須對氣體加壓，才能確保更多的氣體進入肺部，增加肺通氣量。

特征4：可以解釋溫度和體積的關系。當壓力保持不變時，氣體的體積與其絕對溫度成正比。這意味著當氣體的溫度升高時，其體積增大；而當氣體的溫度降低時，其體積減小。因此，我們后續研制的各種與氣體有關的設備，都必須保證工作在一定的溫度范圍內進行，否則在高溫時有爆炸危險。

模型制作過程中，為了使模型更加美觀、方便展示，計劃將雙層塑料袋替換成內層塑料袋+外層亞克力展示盒。但制作過程中發現，裝置的密封性問題難以解決，亞克力盒體積較大，充氣難以達到氣壓引起內層塑料袋收縮的效果，氣球鼓起效果不明顯。

所以，模型制作不僅要美觀，更要學科。利用各科學知識，有機融合，才能達到最佳效果，同時還要注意安全，以防意外發生。

3創新點

綜上所述，本模型采用雙層塑料袋+氣球的多層次的氣壓變化和傳遞，直觀地模擬了呼吸運動中肋間肌的收縮和舒張、胸腔變化，模型材料方便易得，實驗操作符合預期。同時引入了Arduino開源電子平臺，構建了一個交互式、數字化的實驗模型，豐富了模型的內容和呈現方式，實現了模型的可知、可控、可擴展，有助于進一步深入研究改善呼吸功能。