30、呼吸系统控制机制的计算建模

呼吸系统控制机制的计算建模

1. 引言

呼吸系统由一系列协同工作的解剖结构组成，其主要任务是将大气中的氧气输送到细胞，并排出新陈代谢产生的二氧化碳。为实现这一目标，多种主动和被动过程（机械、物理、化学或电气）完美协调，以完成空气进入肺部、氧气扩散到血液、气体运输到组织以及排出二氧化碳等过程。呼吸系统的控制机制调节所有这些过程，并使其适应内部或外部干扰以及病理生理状况。

历史上，呼吸系统的控制机制从呼吸力学和控制两个不同的角度进行研究，尽管在自然界中它们是相互整合的。从古代的盖伦对横膈膜和其他呼吸肌解剖结构的研究，到列奥纳多·达·芬奇对呼吸力学的探索，再到后来罗伯特·波义耳、罗伯特·胡克、约瑟夫·普里斯特利和安托万·拉瓦锡等科学家的实验和发现，人们对呼吸系统的认识不断深入。

20世纪中叶，随着数字计算机的出现和呼吸生理学的发展，第一批计算模型开始出现，试图整合呼吸生理学的两个方面。从那时起，呼吸生理学的计算模型在数量、多样性和复杂性上都有所增加。

2. 呼吸系统的控制机制

2.1 肺部和毛细血管水平的气体交换

呼吸是一个有节奏的机械过程，由中枢调节，通过横膈膜、腹部和胸廓的骨骼肌收缩和放松，控制气体进出基本通气单位（肺泡）。需要注意的是，呼吸与呼吸作用不同，呼吸作用是一个化学过程，通过将氧气和营养物质转化为二氧化碳和水为组织细胞提供能量。

哺乳动物通过呼吸系统和循环系统（通常被视为一个整体的心肺系统）来完成氧气摄取和二氧化碳排出的任务。呼吸系统在肺泡水平进行氧气和二氧化碳的交换，而循环系统负责运输细胞呼吸过程中消耗和产生的溶解在血液中的气体。

呼吸主要包括吸气和呼气两个阶段。