How to Institute the Inhaled Anesthetic Computer Model<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

朱涛 Tao Zhu 医学博士
刘进 Jin Liu 教授
李崎 Qi Li
四川大学华西医院麻醉科，四川 610041
Department of Anesthesiology and Critical Care Medicine, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu, Sichuan, 610041

ABSTRACT

Only we are familiar with the theory and clinical technology of inhaled anesthesia, could we take its advantage in the clinical practice. Using the computer model in the clinical assisted instruction is more excellent than in the traditional instruction. This paper will discuss the relative issues of the inhaled anesthetic computer model.
　Key Words: Inhaled anesthesia; Computer model; Computer assisted instruction

　　一、 为什么要建立吸入麻醉的计算机模型
　　所谓吸入麻醉就是将麻醉气体或麻醉蒸汽吸入肺内，经肺泡进入血液循环，到达中枢神经系统而产生的全身麻醉。吸入麻醉由于容易控制、安全有效而成为现代麻醉中最常用的一种麻醉方法。
　　从19世纪中叶施行吸入麻醉以来，吸入麻醉在欧美等国已经得到充分的发展。吸入麻醉在其不断发展的过程中，除了有新的麻醉药发现外，更重要的是吸入麻醉的药理学、药效学以及药代动力学的研究有了长足的进展，同时随着新的仪器的出现，有关吸入麻醉技能的生理学和物理学的知识也有了显著的提高。因此，只有掌握这些先进的理论基础以及相应的临床技能，吸入麻醉的安全性以及优越性才能体现于临床。


　　临床教学的主要目的是使医学院毕业生转化为成熟的临床医师，也是低年资临床医生自身不断提高的一种方法。在这一过程中，临床医师通过指导性临床实习和实际观察，锻炼独立工作的能力。但在这一过程中，学生无权对病人作独立处理，对危重病人则更是如此，这对于一个学生能力的培养则是一种限制。另外在不同的医院遇到的患者和病种都会有一定的差别，这也影响对学生和临床医生进行必要的临床训练。如果在教学和训练中应用计算机，就可以在一定程度上弥补这种不足。
　　利用计算机编程来模拟临床实际可以不知疲倦地、随时随地通过显示器出现在学生面前，此为计算机辅助教学（Computer assisted instruction, CAI）。这一过程的可重复性，能更多地适应学生的不同接受能力。CAI利用人及人以外的资源，以达到最优化教学之目的。CAI的特点包括：
　　1. 交互式：可以使学生与计算机之间保持连续的“实时”对话；
　　2. 高效率：学生可以利用计算机储存的各种信息进行查询和检索，是一种高效主动学习方法；
　　3. 实践性：学生可以对计算机所模拟的临床情况进行各种处理，观察处理后的反应；
　　4. 个别化：其可以根据不同的学习对象设计出相应的软件；
　　5. 共享性：同一个教学内容可以在网络间相互传递。
　　同时计算机的模拟程序可把学生处理问题的全过程都客观地记录下来，供指导医生评价和分析。这些优点在传统的教学方式中是难以具备的。如Attia等人^[1]研制的心肺复苏模型，其不仅生动、形象，并结合相应的考题，根据回答结果给予评分，对教学效果进行评价。
　　利用计算机来模拟病人只是计算机辅助教学的一部分，麻醉领域的计算机模拟还包括对药代动力学、药效学以及麻醉机械装置的模拟。这种模拟不仅用于教学，还可用于现象的分析和解释，以及仪器的验证。
　　一般而言能够以数学公式表示的现象常常可以用计算机进行模拟，而且如果公式是正确的，模拟的运行过程就非常接近于实际的情况。与传统的实验方法相比，计算机的模型可以很方便地改变实验的参数、实验的对象，从而节省了大量的人力、物力和财力。
　　由于吸入麻醉药的药代动力学遵循一定的规律，因此人们比较容易将其模型化。吸入麻醉的计算机模型主要是提供给临床医师在非临床的情况下模拟临床情况，获得对吸入麻醉药的药效学及药代动力学的了解。目前建立的各种吸入麻醉的计算机模型，有一个共同的特点：了解吸入麻醉药的吸收，分布以及代谢等一系列过程即吸入麻醉的药代动力学。

　　二、 如何建立一个吸入麻醉的计算机模型
　　（一） 建立计算机模型的基本原则
　　1. 假设：由于人们认识事物的能力都是有限的，因此在大多数的情况下，建立一个模型的过程中都要作出种种的假设：
　　（1） 模型中所使用的变量之间是可知的直线或曲线的关系；
　　（2） 模型只能在一定的范围中有效地模拟实际情况；
　　（3） 一个模型常常只能解决一个或几个相关的问题，而不能包罗万象。
　　2. 类比：可以说类比是建立模型所必须的一个最基本的原则，所谓类比就是通过比较的手段，找出不同事物之间的相似之处。例如在建立吸入麻醉的计算机模型时，我们通常将吸入麻醉药在麻醉环路以及体内的转运过程类比物理上的流体力学问题。
　　3. 数学模拟：由于不同但可类比的系统之间存在着共性，当我们用数学公式的方法来描述其种一种现象时，就可以用一个相同或相似的数学公式来表示上述的两个不同的系统，此时应该说建立了上述两个系统的数学模型。如上述的通过相关的流体力学的数学公式来解决吸入麻醉药的转运。
　　如果用来描述的数学公式是正确的，同时公式中各系数所代表的含义也非常清楚，此时就可以运用计算机来模拟上述两个系统，并通过改变其中的系数，使计算机模型表现实际情况。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　（二） 建立吸入麻醉计算机模型的必备条件^[2]
　　1. 将吸入麻醉药在人体内的吸收、分布以及代谢的过程，转化成数学的模型，并将该数学模型中的每一步以数学公式的形式加以表示；
　　2. 利用适当的计算机编程语言将上述的数学公式转化成相应的计算机程序，即相应的计算机模型。该部分常常需要有计算机专业知识的人员参与。

　　（三） 建立吸入麻醉计算机模型的假设条件
　　1. Mapleson's 描述^[3]；即身体组织根据血流量和组织本身质量分成4种类型的组织即通常所说的4室模型，后被Eger修正为5室模型^[4]。室与室之间的吸入麻醉药交换是通过血流来实现的；
　　2. 而这种室与室之间交换的数学描述是建立在物质守恒的原则之上的；
　　3. 对于任何一种吸入麻醉药，假设其对于每种组织都有相对唯一的组织/气分配系数^[5]；
　　4. 血液循环和气体交换是连续的，同时还会对吸入麻醉药的摄取及呼末麻醉药浓度的升高产生影响。

　　三、 吸入麻醉代动力学数学公式的推导
　　运用计算机模拟吸入麻醉最多的就是其药代动力学，或所谓的摄取和分布模型。为了便于使用数学公式来分析、比较和说明吸入麻醉药的药代动力学规律，从而进一步地使用计算机模型来模拟吸入麻醉药的药代动力学，就必须摒弃具体的解剖位置和生理功能的界限，将人体中对吸入麻醉药转运速度和分布相似的部分合并组成模型的基本单位，即室。不同的室代表了身体的不同部位。从某种意义上说，模型中室的划分越细，其运行结果越接近于实际情况，目前在建立的计算机模型中，已经出现了14室的模型^[2]。同时我们还必须知识代表各组织室的容量和其相应的灌流量，如表1所示（其中：BW为体重，Q为心输出量）
　　基于上述的已知条件，目前有两种方法来数学模拟吸入麻醉药的药代过程：
　　（一）Rigg's原理
　　Rigg's原理是指：在任一时间间隔内，进入一给定室的物质必须等于离开室的物质加上补入（或减去-摄取）室内的物质，如下图及公式所示：

　　说明：其中Cin为进入给定室的药物浓度；V表示相应的流量；Cw表示给定室的药物浓度；Vw表示给定室的容量；Cout为药物出室时的浓度；Qother表示其他的补入药物。
　　其相应的公式如下：
　　
　　根据吸入麻醉药在体内的转运过程，通过上述公式我们可以推导出吸入麻醉在相应室的浓度变化。
　　（二）时间常数（τ）原理
　　时间常数（τ）是指：当以一定的流量（F）灌注一定容量（V）的组织或容器的时，当容器中的气体已有63.2%被进入的气体所占据的时间（分），称之为1个时间常数。用公式表示为：τ=V/F。
　　在吸入麻醉中，除了呼吸环路和肺泡组织外，其他的室包含的是机体组织而不是气体。而对于这些非气体的组织（T），该时间常数除了跟组织容量（V_T）和组织的血流量（BF_T）有关外，还与麻醉药的组织/气分配系数（λ_T/G）有关。此时的τ_T=V_T/BF_T*λ_T/G。对于多个串联的室模型而言，总的时间常数是各室时间常数的和即：τ_总=τ₁+τ₂+τ₃。
　　这样对于任何时间t，容器内的浓度（P₁）与给予浓度（P_DEL）之间的关系可以用以下的公式表示：PI=P_DEL*（1-e^-t/τ），其中e为自然对数。
　　时间常数的原理与Rigg's原理相比，前者是建立在恒定浓度和流量的基础上，因此该原理相对简单，但是与实际相比有较大的误差。
　　最后有必要强调的是，目前大多数的吸入麻醉药的计算机模型都是通过假设正常的心血管系统而得出的结论。这就意味着，在心血管系统异常的情况下，模型中使用的公式以及模型运行的结果就不能被采用。另外与静脉麻醉药常常以浓度单位表示不同的，对于吸入麻醉药室与室之间的关系以分压表示，这些压力同时也是驱使吸入麻醉药在不同室之间相互直接扩散的动力。此时扩散就不完全受组织灌注量的影响^[7]。

　　四、 计算机模型的可信性及未来发展

　　开发吸入麻醉的计算机模型的一个主要的目的：通过对吸入麻醉药药代动力学的探究，可以更好理解其在临床上的应用。它为研究好的临床实践方法节省大量的时间、吸入麻醉药以及花费（财力）。就目前而言，新鲜气流对于吸入麻醉药吸入浓度的效应关系已经在异氟醚上得到了临床验证^[8]；另外不论从其相对值还是绝对值，人们也通过临床验证了异氟醚、七氟醚以及地氟醚的消耗情况；吸入麻醉药的药代动力学参数也分别通过测量人的呼末气浓度^[9]以及动物的脑中浓度^[10]而得到了验证；新的吸入麻醉由于其低溶解性，从药代动力学上讲可以比较容易并真正做到低流量的麻醉。
　　但是到目前为止，吸入麻醉药的计算机模型还存在着许多不足之处，其中一个主要的缺点是缺少吸入麻醉药的毒性以及药效学的性质，特别是对于如心输出量以及血流量的重要参数的影响。比如：就安氟醚的麻醉苏醒而言，计算机模型与临床实际比较，除了其苏醒时间外，其他的数据都已经被临床加以证实。在人体，其苏醒时间要比计算机模型快。当反观计算机模型时人们就发现了一种可能的原因：模型研究忽视了在安氟醚麻醉过程中心输出量以及肌肉血流量的降低。该模型经过这样的修正后，与临床研究达成了很好的吻合。
　　另外由于现在建立的吸入麻醉药的计算机模型主要只局限于一种吸入麻醉药，因此还不可能解决临床上的许多问题。但是我们相信随着计算机技术的发展以及我们对于吸入麻醉药更进一步的了解，未来建立的吸入麻醉药的计算机模型会从吸入麻醉药的药代动力学、药效学及毒理等诸多方面帮助我们了解和解决临床实际的问题。
　　最后，随着计算机技术及其硬件技术的提高，吸入麻醉药的计算机模型的智能化也会不断的提高，人机交互的界面也将越来越方便，越来越逼真，使用者会有一种身临其境的感觉。近年来出现的仿真教学以及视屏模拟教学等，可以说是向该方向迈出的可喜一步。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

参考文献
1. Attia RR, Miller EV, Kitz RJ. Teaching effectiveness cardiopulmonary resuscitation. Anesth Analg,1975,54:308.
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3. Mapleson WW. An electric analogue for uptake anf exchange of inert gases and other agents. J Appl Physiol,1963,18:197-204.
4. Eger E.I.II. A mathematical model of uptake and distribution, Uptake and distribution of anesthetic agents, Paper E.M.& Kitz R.J.,P72-103, New York, Mc Graw Hill Book Company, 1963
5. Jian-Xin Zhou, Jin Liu. The effect of temperature on solubility of volatile anesthetics in human tissues. Anesth Analg,2001,93:234-8.
6. Beneken JEW, Gravenstein N, Bampotang S, et al. Capnography and the bain circuit H: Validation of a computer model. J Clin Monit,1987,8:165-177.
7. Zwart A, Smith NT. Beneken JEW. Multiple model approach to uptake and distribution of halothane: The use of an analog computer. Comput Biomed Res,1972,5:228-238.
8. Deriaz H, Murat I. Agents halogenes et protoxyde d'azote, in Anesthesie-Reanimation Chirurgicale, Samii K, Ed, P203-212, Paris, Medecine-Sciences Flammarion, 1995
9. Carpenter RI, Eger E.I.II, Johnson BH, et al. Effect of anesthetic duration on inhaled anesthetic pharmacokinetics. Anesth Analg, 1986,65:526.
10. Yasuda N, Lockhart SH, Eger E.I.II., et al, Kinetics of desflirane, isoflurane and halathane in humans. Anesthesiology,1991,74:489-498.

　　朱涛，男，33岁，医学博士，现在四川大学华西医院博士后流动站工作。曾在新加坡中央医院麻醉科进修临床麻醉。目前的主要研究方向：围术期的医学信息系统以及与麻醉相关的计算机辅助教学。已发表论文十余篇。2002年获国家教委出国人员启动基金。E-mail 地址：xwtao_zhu@yahoo.com