一種真實人體上呼吸道模型流場氣溶膠沉積測量方法及實驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種真實人體上呼吸道模型流場氣溶膠沉積測量方法及實驗裝置，其特征在于，由真空泵、真空艙室、電磁閥、流量計、比例調(diào)節(jié)閥和高效過濾器組成的氣路系統(tǒng)作為中間介質(zhì)分別連接氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)與氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)、氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)與真實人體上呼吸道模型入口，測量系統(tǒng)用精度高于0.1mg的電子天平，測量時先啟動氣溶膠發(fā)生器并通氮氣，將氣溶膠引入儲存箱后用粒徑質(zhì)譜儀測量粒子濃度及粒徑分布，開啟真空泵模擬人的吸氣過程，計時并定時監(jiān)測氣溶膠，一小時后關(guān)閉實驗裝置，分解模型并用電子天平進行模型、高效過濾器中濾膜的稱重以及清洗后模型的再稱重，計算氣溶膠沉積率。本發(fā)明能有效測定人體上呼吸道流場氣溶膠顆粒的沉積率。
【專利說明】
一種真實人體上呼吸道模型流場氣溶膠沉積測量方法及實 驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程、衛(wèi)生防護防疫技術(shù)與裝備、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程和呼 吸流體力學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及適合人體上呼吸道模型流場氣溶膠沉積測量的 一種測量方法及實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 呼吸，是生物機體和外界氣體交換的活動，同樣呼吸也是人類賴以生存的最基本 的生理活動。人們在日常生活中，無論是工業(yè)勞動還是環(huán)境保護，呼吸到的氣體常常是一種 混合有多成份的、有一些細小的粒子（固體或液體比如塵懸浮于其中的氣溶膠體。它們在 人體上呼吸道內(nèi)輸運、沉積，而其中的病毒氣溶膠會嚴重危害到人們的健康。研究可吸入氣 溶膠顆粒物在呼吸過程中在呼吸道各部位呼吸器官中的沉積率（沉積分數(shù)），及其劑量健 康效應(yīng)問題，意義顯著。針對這一問題，國內(nèi)外研究人員采用數(shù)值仿真方法和實驗方法進行 了卓有成效的研究。
[0003] 在TSP中，粒徑大于10 ym(dp > 10 μπι)的顆粒在空中會在重力作用下自然沉降 形成降塵。而PMw則附著在大氣中對流層上部，需要幾天或數(shù)十天才能沉降到地面，漂浮范 圍近至幾公里，遠至上千公里。因此，PM 1。是大氣中最常見的污染物。
[0004] 大氣中的可吸入氣溶膠顆粒PM1。主要經(jīng)過呼吸道進入人體，并進行沉積，對人體 的健康具有最直接的危害。主要影響方面有包括：肺功能，有損于肺部呼吸氧氣的能力：使 肺泡中的巨噬細胞的吞噬功能和生存能力下降，導(dǎo)致肺部排除污染物的能力下降；呼吸系 統(tǒng)，引起上呼吸道感染，使鼻炎、慢性咽炎、慢性支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫、塵肺等呼吸 系統(tǒng)疾病惡化，甚至引起哮喘等過敏性疾病的矽肺、石棉肺、肺氣腫等肺病；心血管疾病，由 顆粒物引起的心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)在心率、心率變異、血粘度等方面的改變能增加突發(fā)心肌 梗死的危險；神經(jīng)系統(tǒng)，帶有鉛的小顆粒（粒徑1 μπι)在肺泡內(nèi)沉積后極易進入血液系統(tǒng)， 大部分與紅細胞結(jié)合，小部分形成鉛的磷酸鹽和甘油磷酸鹽，然后進入肝、肺、腎和腦，幾周 后進入骨內(nèi)，導(dǎo)致高級神經(jīng)系統(tǒng)紊亂和器官調(diào)節(jié)失能，表現(xiàn)為頭疼、頭暈、嗜睡和狂躁嚴重 的中毒性腦病；癌癥的發(fā)生，可吸入顆粒物所吸附的多環(huán)芳香烴化合物是對人體健康危害 最大的環(huán)境三致（致癌、致突變、致殘）物質(zhì)，其中苯并（a)芘能誘發(fā)皮膚癌、肺癌和胃癌； 炎癥，刺激肺部，導(dǎo)致肺部出現(xiàn)急性炎癥，表現(xiàn)為中性粒細胞大量局部滲出；胎兒和兒童的 生長發(fā)育，可導(dǎo)致胎兒增重緩慢，影響兒童的生長發(fā)育和免疫功能。同時能導(dǎo)致心血管疾 病、呼吸系統(tǒng)疾病和其他疾病的敏感體質(zhì)患者的過早死亡。
[0005] 最初研究可吸入顆粒物在人體呼吸道內(nèi)的沉積分數(shù)采用的是實驗的方法，包括活 體試驗和離體實驗?？傮w而言，實驗方法能夠較準確地測得人體吸入的顆粒物在呼吸道內(nèi) 沉積分數(shù)和總體分布，但因無法探明呼吸道內(nèi)顆粒物的擴散方式和運動軌跡等，且實驗費 用比較昂貴，未能被廣大研究人員采納。目前，因數(shù)值模擬方法價格低廉，顆粒物在呼吸道 內(nèi)的運動軌跡等一目了然，其仍為國內(nèi)外廣為流行的呼吸道顆粒沉積研究方法。人體上呼 吸道氣流運動為等溫、不可壓縮流動，多數(shù)情況下是層流或者低雷諾數(shù)的湍流流動。同時， 人體上呼吸道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，形狀也極為不規(guī)則，在真實的人體開展上呼吸道內(nèi)氣溶膠顆 粒沉積測量工作極為困難。
[0006] 正是在這一背景下，利用制備的包括從口腔到前三級支氣管在內(nèi)的真實人體上呼 吸道實驗?zāi)Ｐ停瑯?gòu)想一種真實人體上呼吸道模型流場氣溶膠沉積測量方法并研制實驗裝 置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，通過制備真實的人 體上呼吸道模型，配備氣溶膠發(fā)生器、粒子計數(shù)器、真空栗和電子天平等，提供一種能夠測 量人體上呼吸道模型流場內(nèi)氣溶膠沉積量和沉積率的測量方法及實驗裝置。
[0008] 本發(fā)明真實人體上呼吸道模型流場氣溶膠測量方法及實驗裝置，通過下述技術(shù)方 案予以實現(xiàn)，所述實驗裝置包括氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)；
[0009] 所述真實人體上呼吸道實驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)壁面涂抹硅油，以模仿真實呼吸道壁面粘性；
[0010] 所述氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)由氣溶膠發(fā)生器、高純氮氣組成；所述氣溶膠發(fā)生器為凝聚 式單分散氣溶膠發(fā)生器，可以產(chǎn)生濃度大于106個/cm3的高度單分散氣溶膠，且粒徑為 0. 1-8微米的球形和幾乎電中性的固體或液體粒子（取決于顆粒物的材料），顆粒物大小和 濃度可以改變；所述高純氮氣用以蒸發(fā)冷凝發(fā)生氣溶膠；
[0011] 所述氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)包括氣溶膠稀釋器和粒子計數(shù)器；所述氣溶膠稀釋器在高濃 度的氣溶膠分析時，能夠降低顆粒物的入口濃度，使顆粒物的入口濃度在儀器操作最敏感、 精度最高的范圍內(nèi)；所述粒子計數(shù)器對氣溶膠發(fā)生器發(fā)出的氣溶膠粒子進行采樣分析，測 定氣溶膠粒子粒徑分布范圍；
[0012] 所述氣路系統(tǒng)包括真空栗、真空艙室、電磁閥、流量計、比例調(diào)節(jié)閥和高效過濾器； 所述各元器件通過軟管相連接，連接處加裝喉箍并用熱熔膠進行密封，保證整個氣路具有 良好的氣密性；所述真空栗用以模仿人體肺部進行吸氣；所述流量計用以觀測流量；所述 調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)流量；所述高效過濾器將通過模型而未沉積的氣溶膠顆粒過濾下來；
[0013] 所述測量系統(tǒng)用精度可達0.1 mg的電子天平，用來測定實驗前后模型各部分的重 量。
[0014] 本發(fā)明通過集成真實人體上呼吸道實驗?zāi)Ｐ?、氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)、 氣路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，能夠更加有效地測定人體上呼吸道模型流場氣溶膠顆粒的沉積情 況。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖中各編號代表：1為真實人體上呼吸道模型；2是粒徑譜儀；3是氣溶膠發(fā)生器； 4是混合艙室；5-13是高效過濾器；14-22、25是流量計；23、26是流量調(diào)節(jié)閥；27是真空栗。
[0017] 圖2是本發(fā)明真實人體上呼吸道模型示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明氣路系統(tǒng)示意圖；
[0021] 圖6是本發(fā)明電子天平示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0023] 如附圖1所示，本發(fā)明硬件系統(tǒng)包括真實人體上呼吸道模型、氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、氣 溶膠監(jiān)測系統(tǒng)和氣溶膠測量系統(tǒng)。
[0024] 附圖2所示為真實人體上呼吸道模型，模型包括口腔、懸雍垂、咽部、會厭、喉部、 聲門、梨狀窩、氣管和前三級支氣管；所述模型口腔進口簡化為圓形，口腔腔體為拱形，口腔 的進口沿水平方向，舌后區(qū)高度為33. 55mm ;所述模型懸雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁處， 高為6. 14_ ;所述模型咽部形狀不規(guī)則，矢狀位大于冠狀位，咽部和口腔底部平滑連接；所 述模型喉部下方有聲門開口，會厭在咽的內(nèi)部突起，會厭與聲門通過管型連接，會厭后區(qū)高 度41. 92mm ;所述模型梨狀窩位于喉部底端兩側(cè)；所述模型聲門與氣管平滑連接；所述模型 主氣管分別連接兩個二級支氣管，二級支氣管分別連接長度和數(shù)目不同的三級支氣管，主 氣管長134. 69mm，各級支氣管長短不一，上述氣管平滑連接而成，所述支氣管相對于主氣 管非對稱分布；所述模型基于正常人體上呼吸道CT掃描圖像，運用高級圖像處理技術(shù)對人 體上呼吸道模型進行規(guī)范化處理并進行三維重建，將重建后的真實人體上呼吸道模型數(shù)據(jù) 輸入到SPS600快速成形機，采用激光快速成型技術(shù)，制作透明的樹脂真實人體上呼吸道模 型。
[0025] 如附圖3所示，所述氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)包括氣溶膠發(fā)生器（3)和混合艙室（4)，所述 氣溶膠發(fā)生器和混合艙室之間通過軟管相連接。
[0026] 如附圖4所示，所述氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)包括粒徑譜儀（2)和混合艙室（4)，所述粒徑 譜儀和混合艙室之間通過軟管相連接，用以監(jiān)測發(fā)生的氣溶膠粒徑大小。
[0027] 如附圖5所示，所述氣路系統(tǒng)包括混合艙室（4)、高效過濾器（5-13)、流量計 (14-22、25)、流量調(diào)節(jié)閥（23和26)、真空艙室（24)以及真空栗（27);所述混合艙室與氣溶 膠發(fā)生器、粒徑譜儀和人體上呼吸道模型相連；所述高效過濾器分別與三級支氣管末端連 接，之后連接流量計和流量調(diào)節(jié)閥；所述真空艙室用于模擬人體肺部呼吸；所述真空艙室 和真空栗之間加裝流量計和流量調(diào)節(jié)閥。各器件通過軟管連接，連接處加裝寶塔接頭和喉 箍，保證整個氣路具有良好的密封性；所述真空栗用來提供氣源，使真空艙室形成相對真空 狀態(tài)；所述真空艙室24用來模仿人體肺部；所述流量調(diào)節(jié)閥為用以實現(xiàn)人體循環(huán)呼吸的流 量控制及控制氣路開關(guān)閥門；所述流量計用以觀測流量；所述流量調(diào)節(jié)閥。
[0028] 如附圖6所示，所述測量系統(tǒng)包括電子天平，用以對分解后的模型進行測量。
[0029] 所述人體上呼吸道模型流場氣溶膠沉積測量方法及實驗裝置，通過對不同呼吸頻 率的測量，可得到穩(wěn)態(tài)呼吸模式不同呼吸流量氣溶膠在模型中的沉積情況。具體實現(xiàn)如下 詳述：
[0030] 目前世界公認的三種穩(wěn)態(tài)呼吸模式是：休息狀態(tài)（呼吸流量30L/min)、中等運動 狀態(tài)（呼吸流量60L/min)、劇烈運動狀態(tài)（呼吸流量90L/min)。本文中實驗測量在穩(wěn)態(tài)呼 吸模式、呼吸流量分別為30L/min、60L/min和90L/min條件下進行，即保證模型的入口流量 保持恒定。通常情況下，病毒的粒徑范圍在〇. 015-0. 45 μ m之間，而藥物氣溶膠的粒徑范圍 通常在1-6. 5 μ m之間，研究中選取粒徑為0. 3 μ m、6. 5 μ m的顆粒分別代表病毒氣溶膠顆粒 和藥物氣溶膠顆粒，顆粒密度為912kg/m3,真空栗模擬人體肺部吸氣的抽吸時間為1小時。
[0031] 氣溶膠顆粒的種類、沉積部位以及沉積數(shù)量和濃度，決定了其對人體的危害程度 或治療效果。目前，文獻中常用的評價氣溶膠顆粒在人體上呼吸道內(nèi)各部位沉積的一個指 標便是沉積率（deposition fraction) DF，表達式為：
[0032]
[0033] 式中，Npart為上呼吸道中某一部位的氣溶膠顆粒的沉積數(shù)量，Nall為進入人體上呼 吸道內(nèi)所有氣溶膠顆粒的數(shù)量。而在氣溶膠沉積實驗中，氣溶膠顆粒沉積數(shù)量往往難以獲 得，因此本文采用稱重的方法來計算氣溶膠顆粒的沉積率，其計算公式為：
[0034]
[0035] 式中，mpart為沉積到上呼吸道中某一部位的氣溶膠顆粒的質(zhì)量，mall為進入人體上 呼吸道內(nèi)所有氣溶膠顆粒的質(zhì)量。
[0036] 實驗后，將模型分解為口腔、咽、喉、氣管和支氣管五個部分，并分別進行稱重，高 效清洗后再進行稱重，便可得每個部位氣溶膠顆粒的沉積量，進而求得每個部位的氣溶膠 顆粒沉積率。
[0037] 如附圖1所示，實驗步驟如下：
[0038] (1)啟動氣溶膠發(fā)生器，通氮氣，將發(fā)生的氣溶膠引入氣溶膠儲存箱中；
[0039] (2)粒徑質(zhì)譜儀測量儲存箱中氣溶膠粒子的濃度及粒徑分布情況；
[0040] (3)開啟真空栗，利用真空栗的抽吸作用模擬人的吸氣過程，同時開始計時；
[0041] (4)定時用粒徑質(zhì)譜儀對儲存箱中的氣溶膠進行監(jiān)測；
[0042] (5) -小時后關(guān)閉真空栗、氣溶膠發(fā)生器和氮氣；
[0043] (6)分解模型，取出高效過濾器中濾膜，分別對模型、濾膜進行稱重；
[0044] (7)高效清洗分解后的模型，再進行稱重；
[0045] (8)分析計算測量結(jié)果。
【主權(quán)項】
1. 一種真實人體上呼吸道模型流場氣溶膠沉積測量實驗裝置，其特征在于，所述實驗 裝置包括真實人體上呼吸道實驗?zāi)Ｐ?、氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測量 系統(tǒng)；所述氣路系統(tǒng)作為中間介質(zhì)，分別連接氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)和模型入口、氣溶膠發(fā)生系統(tǒng) 與氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)；所述測量系統(tǒng)作為單獨的系統(tǒng)使用。2. 根據(jù)權(quán)利要求1之一所述的實驗裝置，其特征在于，所述氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)由氣溶膠 發(fā)生器、高純氮氣組成；所述氣溶膠發(fā)生器為凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生器，可以產(chǎn)生濃度大 于106個/cm 3的高度單分散氣溶膠，且粒徑為0. 1-8微米的球形和幾乎電中性的固體或液 體粒子，粒徑大小取決于顆粒物的材料，所述顆粒物大小和濃度能夠改變；所述高純氮氣用 以蒸發(fā)冷凝發(fā)生氣溶膠。3. 根據(jù)權(quán)利要求1之一所述的實驗裝置，其特征在于，所述氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)包括氣溶 膠稀釋器和粒子計數(shù)器；所述氣溶膠稀釋器在高濃度的氣溶膠分析時，能夠降低顆粒物的 入口濃度，使顆粒物的入口濃度在儀器操作最敏感、精度最高的范圍內(nèi)；所述粒子計數(shù)器對 氣溶膠發(fā)生器發(fā)出的氣溶膠粒子進行采樣分析，測定氣溶膠粒子粒徑分布范圍。4. 根據(jù)權(quán)利要求1之一所述的實驗裝置，其特征在于，所述氣路系統(tǒng)包括真空栗、真空 艙室、電磁閥、流量計、比例調(diào)節(jié)閥和高效過濾器；所述真空栗、真空艙室、電磁閥、流量計、 比例調(diào)節(jié)閥和高效過濾器之間依次通過軟管相連接，連接處加裝喉箍并用熱熔膠進行密 封，保證整個氣路具有良好的氣密性；所述真空栗用以模仿人體肺部進行吸氣；所述流量 計用以觀測流量；所述調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)流量；所述高效過濾器將通過實驗?zāi)Ｐ投闯练e的 氣溶膠顆粒過濾下來。5. 根據(jù)權(quán)利要求1之一所述的實驗裝置，其特征在于，測量系統(tǒng)用精度可達0. lmg的電 子天平，用來測定實驗前后模型各部分的重量。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的實驗裝置，其特征是，所述氣溶膠顆粒沉積在實驗?zāi)Ｐ偷墓?壁上，通過分解并清洗模型進行稱重的方法，來計算顆粒的沉積量和沉積率。7. -種根據(jù)權(quán)利要求4之一的實驗裝置進行氣溶膠沉積測量的方法，其特征在于，包 括以下步驟： (1) 啟動氣溶膠發(fā)生器，通氮氣，將發(fā)生的氣溶膠引入氣溶膠儲存箱中； (2) 粒徑質(zhì)譜儀測量儲存箱中氣溶膠粒子的濃度及粒徑分布情況； (3) 開啟真空栗，利用真空栗的抽吸作用模擬人的吸氣過程，同時開始計時； (4) 定時用粒徑質(zhì)譜儀對儲存箱中的氣溶膠進行監(jiān)測； (5) -小時后關(guān)閉真空栗、氣溶膠發(fā)生器和氮氣； (6) 分解模型，取出高效過濾器中濾膜，分別對模型、濾膜進行稱重； (7) 高效清洗分解后的模型，再進行稱重； (8) 分析計算測量結(jié)果。
【文檔編號】G01N15/04GK105982734SQ201510038609
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月27日
【發(fā)明人】鄧娟, 徐新喜, 沙洪, 李福生, 孫棟, 于俊蘭, 趙偉, 孫道才, 白光振
【申請人】中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所, 中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所, 中國人民解放軍第二九醫(yī)院, 中國人民解放軍第二九一醫(yī)院