跨学科实践之肋间肌呼吸模型创新制作

沈敏　程智峤

关键词：跨学科实践；肋间肌呼吸模型；创新制作

文章编号：1003-7586（2024）01-0044-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

呼吸运动是人类生命活动中不可或缺的一部分。人体通过呼吸运动，将氧气吸人体内，同时将二氧化碳排出体外。呼吸运动是维持人类生命的基本活动之一。研究呼吸运动可了解人体呼吸系统的运作机制，包括吸气、肺部的气体交换以及呼气的过程等。在医学领域，研究呼吸运动对于诊断和治疗呼吸系统疾病，特别是增加肺通气量、减轻呼吸损耗、改善呼吸功能等方面有积极意义。

在呼吸运动学习和研究过程中，通过模型制作，可以更直观地理解呼吸运动的过程和原理。呼吸模型是指用来模拟人体呼吸过程的装置。常见的呼吸模型包括肋间肌呼吸模型和膈肌呼吸模型。膈肌呼吸模型通过薄膜模拟膈肌的上升和下降来实现，肋间肌呼吸模型通过模拟肋间肌的收缩和舒张来实现，模型能较全面地展示呼吸运动时胸腔各部位的变化。本文采用充气塑料袋、气球、电动气泵、气压传感器等器材制作肋间肌呼吸模型。

1模型制作的研究过程

1.1肋间肌呼吸模型制作原理及初步方案

人类通过肋间肌的收缩和舒张来实现呼吸运动。在吸气时，肋间肌收缩，使胸骨向上向外移动，从而增大胸腔的容积，气压变小，外部氧气等进入肺部。在呼气时，肋间肌舒张，使胸骨向下向内移动，从而减小胸腔的容积，气压变大，使二氧化碳等从肺部呼出。肋间肌模型需要模拟肋间肌、胸骨和肺的相互协作，复现呼吸运动。上述原理可以通过下面的基础版模型展现，如图1所示。

基础版模型的创新性在于采用双层塑料袋来模拟肋间肌收缩与舒张导致的胸腔的容积变化。

首先，双层塑料袋的内层塑料袋模拟胸腔，内层塑料袋内有一定量的空气。内层塑料袋的气体具有压缩性，当施加压力时，气体的体积减小，而当压力减小时，气体的体积增大。内外两层塑料袋间同样存在气体，而内外层之间气体的气压决定着内层塑料袋即胸腔内的气体是压缩还是扩张。

通过在双层塑料袋之间插入吸管，人为地充气和抽气，产生气压变化，类似于肋间肌收缩和舒张，从而导致内层塑料袋体积变化，因此能够模拟呼吸时胸腔容积变化状态。气球放置在内层塑料袋，模拟肺部，气球内部与外界连通。当人为充气时，内层塑料袋体积变小，内部气压增大，气球变瘪，模拟人体呼气时肺部收缩。当人为抽气时，内层塑料袋体积变大，内部气压减小，气球胀大，模拟人体吸气时肺部扩张。螺旋弹簧铁丝放置在内层塑料袋，模拟肋骨，内层塑料袋体积变化时也能导致螺旋弹簧铁丝发生形变，类似于肋骨的收缩与舒张。

1.2模型的优化与改进

上述模型能够对呼吸运动进行简单的演示，但存在模型外观简陋，吸气、呼气需要人工操作，“胸腔”内气压变化不能直观显示等问题，对于后续进一步研究改善呼吸功能作用不大。针对这些情况，我们除了在结构上进行了改进，还对模型进行了数字化改造，引入了Arduino控制板、电动气泵及气压传感器、液晶显示屏等数字化器材，增加了通气控制模块、监测以及显示界面两部分组件，丰富了模型的展现方式和内涵。

模型改进设计方案导图如图2所示。

1.2.1通气控制模块

用电动气泵代替人工充气和吸气，采用Arduino控制板来控制气泵的充气和吸气，可以预先设定气泵的气量以及充气和吸气的时间，也可以通过外接按键实现呼气和吸气的切换，见图3。模块器件：气流量为3.0L/min的气泵2只，硅胶气管接不同接口对应吸气及呼气、PWM数字开关、自锁按键开关、三通电磁阀门、Arduino UNO R3主控板和拓展板、SV电压输入。实施步骤：①气泵、PWM数字开关、自锁按键开关的GVS管脚分别连接Arduino控制板上的3、8、9、10的GVS管脚。②硅胶气管连接气泵和三通电磁阀门。③代码控制读取开关按下，8号管脚吸气泵运行，开关弹起触发10号管脚的PWM开关转换成充气模式，9号管脚的充气泵工作，加载代码到主控板。通气控制部分程序流程图如图4所示。

1.2.2气压测量和显示

增加胸腔内部气压测量及显示，通过采用气压传感器和液晶显示器如图5所示，可以直观看出胸腔轮廓变化引起的气压变化，从而导致肺部的收缩和扩张，为以后量化监测和调整气压打下了基础。模块器件：选用了BMP388气压传感器（即温度和气压传感器）、LCD1602 SV蓝屏模块、Arduino UNO R3主控板和拓展板、USB6-16V电压供电。实施步骤：①BMP388气压传感器接UNO R3拓展板I2C接口。②LCD1602 5V蓝屏模块接UNO R3拓展板I2C数据接口，电源和地线接对应接口。代码控制读取气压初始值，循环测量气压减去气压初始值，得到气压变化值显示在显示器上。

气压测量及显示部分程序流程图如图6。

1.2.3胸腔结构

胸腔结构采用胸骨模型代替螺旋弹簧铁丝，使实验系统更加形象生动。但更换成较为美观的PVC材质的胸骨后，由于弹性变差，通过充气和吸气形成胸腔的体积变化对胸骨的影响变小，PVC材质的形变远小于原有的螺旋弹簧铁丝。为了增加形变效果，尝试多种方式对胸骨进行改造，比如增大肋骨的纵向间距，使用多种弹性系数的弹簧、不同厚度和宽度的弹簧钢片替代部分肋骨，增加弹性。最终选择了宽度和肋骨接近，厚度为0.05 mm的弹簧钢片，效果最好，如图7所示。模块器件：PVC胸骨骨架、弹簧片、三通管、气球。实施步骤：①将胸骨骨架进行适当的切割，部分替换成弹簧片。②三通管的2个管套2只红色气球。③双层塑料袋利用封口器改造成胸腔形状。④插入进气管。⑤将气压传感器模块固定在胸骨内部。⑥三通接口管处与塑料袋进行密封。

2模型制作过程中的思考和展望

肋间肌呼吸模型有助于人们研究改善呼吸功能。对于呼吸困难或者呼吸有障碍的人士，如需增加肺通气量，需要根据患者的呼吸频率及时辅助通气和出气，这些都需要我们在这个模型的基础上继续研究和思考。

通过模型制作的过程，大家也逐步意识到气体作为物质存在的一种形态，具有以下主要特征。

特征1：可壓缩性。相比于液体和固体，气体具有更高的可压缩性。由于气体分子之间的间距较大，它们可以被压缩或膨胀。

特征2：扩散性。气体分子具有高度的运动能力，它们可以自由移动并扩散到容器中的所有空间。这是因为气体分子之间的相互作用力较弱，使得它们能够在容器内快速混合和扩散。因此，如果后续要研究给患者辅助通气，必须考虑整个气路的密封性，否则气体扩散后，通气效果会不佳。

特征3：可以解释压力和体积的关系。当温度保持不变时，气体的压力与其体积成反比。这意味着当气体的体积减小时，气体分子集中，气体单位面积压力增大；而当气体的体积增大时，气体分子分散，气体单位面积压力减小。因此，如果患者呼吸功能弱，辅助通气时必须对气体加压，才能确保更多的气体进入肺部，增加肺通气量。

特征4：可以解释温度和体积的关系。当压力保持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比。这意味着当气体的温度升高时，其体积增大；而当气体的温度降低时，其体积减小。因此，我们后续研制的各种与气体有关的设备，都必须保证工作在一定的温度范围内进行，否则在高温时有爆炸危险。

模型制作过程中，为了使模型更加美观、方便展示，计划将双层塑料袋替换成内层塑料袋+外层亚克力展示盒。但制作过程中发现，装置的密封性问题难以解决，亚克力盒体积较大，充气难以达到气压引起内层塑料袋收缩的效果，气球鼓起效果不明显。

所以，模型制作不仅要美观，更要学科。利用各科学知识，有机融合，才能达到最佳效果，同时还要注意安全，以防意外发生。

3创新点

综上所述，本模型采用双层塑料袋+气球的多层次的气压变化和传递，直观地模拟了呼吸运动中肋间肌的收缩和舒张、胸腔变化，模型材料方便易得，实验操作符合预期。同时引入了Arduino开源电子平台，构建了一个交互式、数字化的实验模型，丰富了模型的内容和呈现方式，实现了模型的可知、可控、可扩展，有助于进一步深入研究改善呼吸功能。