CN103356196A

CN103356196A - 一种真实人体上呼吸道模型流场压力测量实验装置

Info

Publication number: CN103356196A
Application number: CN2013103432750A
Authority: CN
Inventors: 徐新喜; 李福生; 刘志国; 孙栋; 赵秀国; 谭树林; 刘亚军; 高振海
Original assignee: Institute of Medical Equipment Chinese Academy of Military Medical Sciences
Current assignee: Institute of Medical Equipment Chinese Academy of Military Medical Sciences
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种能够测量稳态和瞬态两种情况下人体上呼吸道模型流场内不同位置压力大小和变化的测量实验装置。本发明所述实验装置包括真实人体上呼吸道模型、气路***和压力探测***；所述真实人体上呼吸道模型包括口腔、悬雍垂、咽部、会厌、喉部、声门、梨状窝、气管和前三级支气管；所述气路***由第一真空气路和第二真空气路组成；所述压力探测***由压力探针、数据采集***和计算机组成；所述压力探针置入真实人体上呼吸道模型不同部位；所述数据采集***分别与压力探针和计算机相连接。本发明能够更加精确地测定人体上呼吸道模型流场气流运动特性并能将人体上呼吸道内不同部位的压力大小和变化情况实时显示出来。

Description

一种真实人体上呼吸道模型流场压力测量实验装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程和呼吸流体力学技术领域，具体地说，是涉及适合人体上呼吸道模型流场测量的一种测量实验装置。

背景技术

压力探测技术是一种用来测定微***中压力大小和变化的技术。其最初被设计用于直接测定巨型藻类细胞的膨压。随着操作装置的进一步微型化和精密化，后来被应用于测定普通高等植物细胞膨压及其他水分关系参数。该技术的发展建立在一系列相应的流体物理理论基础上。目前压力探针技术已成为植物生理学和生态学领域研究中的多用途技术，可以直接测定导管或管胞中的压力。

人体上呼吸道是呼吸***的重要组成部分，是人体与外界环境进行气体交换的主要通道。气体进入肺取决于两方面因素的相互作用：一是推动气体流动的动力；二是阻止其流动的阻力。前者必须克服后者，方能实现肺通气，正如心室射血的动力必须克服循环***的阻力才能推动血液流动一样。

气体进出肺是由大气和肺泡气之间存在着压力差的缘故。在自然呼吸条件下，此压力差产生于肺的张缩所引起的肺容积的变化。可是肺本身不具有主动张缩的能力，它的张缩是由胸廓的扩大和缩小所引起，而胸廓的扩大和缩小又是由呼吸肌的收缩和舒张所引起。当吸气肌收缩时，胸廓扩大，肺随之扩张，肺容积增大，肺内压暂时下降并低于大气压，空气就顺此压差而进入肺，造成吸气（inspiration）。反之，当吸气肌舒张和（或）呼气肌收缩时，胸廓缩小，肺也随之缩小，肺容积减小，肺内压暂时升高并高于大气压，肺内气便顺此压差流出肺，造成呼气（expiration）。呼吸肌收缩、舒张所造成的胸廓的扩大和缩小，称为呼吸运动。目前，人体上呼吸道压力的监测包括：气道压的监测、胸膜腔压的监测和内源性呼吸末正压的监测，而研究表明，在呼吸道内的不同位置进行压力的测量则意义更加显著，能够准确地推断出呼吸障碍发生的部位。

人体上呼吸道气流运动为等温、不可压缩流动，多数情况下是层流或者低雷诺数的湍流流动。同时，人体上呼吸道结构较为复杂，形状也极为不规则，在真实的人体开展上呼吸道内不同位置压力测量工作极为困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，通过制备真实的人体上呼吸道模型，提供一种能够测量稳态和瞬态两种情况下人体上呼吸道模型流场内不同位置压力大小和变化的测量实验装置。

本发明真实人体上呼吸道模型流场压力测量实验装置，通过下述技术方案予以实现，所述实验装置包括真实人体上呼吸道模型、气路***和压力探测***；

所述真实人体上呼吸道模型包括口腔、悬雍垂、咽部、会厌、喉部、声门、梨状窝、气管和前三级支气管；所述口腔进口简化为圆形，口腔腔体为拱形，口腔的进口沿水平方向；所述悬雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁处，高为6.14mm；所述模型咽部形状为矢状位大于冠状位，咽部和口腔底部平滑连接；所述喉部下方有声门开口，会厌在咽的内部突起，会厌与声门通过管型连接，会厌至少距离咽部底部20mm；所述梨状窝位于喉部底端两侧；所述声门与气管平滑连接；所述模型主气管分别连接两个一级支气管，每个一级支气管分别连接两个二级支气管，每个二级支气管分别连接长度和数目不同的三级支气管，主气管长134.69mm，各级支气管长短不一，所述二级支气管支气管和三级支气管相对于主气管非对称分布；

所述气路***由第一真空气路和第二真空气路组成；第一真空气路包括第一真空泵和第一真空舱室，所述第一真空泵与第一真空舱室之间连接第一电磁阀和第一通过流量计，第一真空舱室分别连接第三电磁阀和第一流量调节阀，第一流量调节阀通过分别设置第三流量计和第四流量计的管路与三级支气管末端连接；第二真空气路包括第二真空泵和第二真空舱室，所述第二真空泵与第二真空舱室之间连接第二电磁阀和第二流量计，第二真空舱室通过依次设置第四电磁阀、第二流量调节阀和第五流量计的管路与真实人体上呼吸道模型入口连接；

所述压力探测***由压力探针、数据采集***和计算机组成；所述压力探针置入真实人体上呼吸道模型不同部位；所述数据采集***分别与压力探针和计算机相连接；所述计算机用来控制压力探针的工作时间和采集时序。

所述模型左侧二级支气管长度大于右侧二级支气管，所述模型左右两侧靠下的三级支气管长度分别大于同侧靠上的三级支气管长度，所述每个三级支气管的支气管长短不相同。

所述模型右侧靠上的二级支气管连接三个三级支气管，其他二级支气管各连接两个长度不同的三级支气管。

本发明通过集成真实人体上呼吸道模型、气路控制***及压力探测***，能够更加精确地测定人体上呼吸道模型流场气流运动特性并能将人体上呼吸道内不同部位的压力大小和变化情况实时显示出来。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明真实人体上呼吸道模型示意图；

图3是本发明气路***示意图；

图4是本发明压力测量***示意图；

图5是本发明模拟吸气阶段压力测量示意图；

图5-2是光纤的结构及传光原理；

图6是本发明模拟呼气阶段压力测量示意图。

图中：1、真实人体上呼吸道模型；2、压力探测***；3、第一真空泵；19、第二真空泵；4、第一电磁阀；7、第三电磁阀；20、第二电磁阀；25、第四电磁阀；5、第一流量计；9-17、第三和第四流量计；21、第二流量计；24、第五流量计；6、第一真空舱室；22、第二真空舱室；8、第一流量调节阀；23、第二流量调节阀；18是计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如附图1所示，本发明硬件***包括真实人体上呼吸道模型、气路***和压力测量***三大部分。

附图2所示为真实人体上呼吸道模型，模型包括口腔、悬雍垂、咽部、会厌、喉部、声门、梨状窝、气管和前三级支气管；所述口腔进口简化为圆形，口腔腔体为拱形，口腔的进口沿水平方向，舌后区高度为33.55mm；所述悬雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁处，高为6.14mm；所述咽部形状不规则，矢状位大于冠状位，咽部和口腔底部平滑连接；所述喉部下方有声门开口，会厌在咽的内部突起，会厌与声门通过管型连接，会厌后区高度41.92mm；所述梨状窝位于喉部底端两侧；所述声门与气管平滑连接；所述主气管分别连接两个一级支气管，每个一级支气管分别连接两个二级支气管，二级支气管分别连接长度和数目不同的三级支气管，主气管长134.69mm，各级支气管长短不一，上述气管平滑连接而成，所述支气管相对于主气管非对称分布；所述模型基于正常人体上呼吸道CT扫描图像，运用高级图像处理技术对人体上呼吸道模型进行规范化处理并进行三维重建，将重建后的真实人体上呼吸道模型数据输入到SPS600快速成形机，采用激光快速成型技术，制作透明的树脂真实人体上呼吸道模型。

如附图3所示，所述气路***包括第一和第二真空泵3和19、第一和第二真空舱室6和22、电磁阀4、7、20和25；流量计5、9-17、21和24；第一和第二流量调节阀8和23以及计算机18；所述第一真空泵与第一真空舱室之间连接第一电磁阀和第一通过流量计，第一真空舱室分别连接第三电磁阀和第一流量调节阀，第一流量调节阀通过分别设置第三流量计和第四流量计的管路与三级支气管末端连接；第二真空气路包括第二真空泵和第二真空舱室，所述第二真空泵与第二真空舱室之间连接第二电磁阀和第二流量计，第二真空舱室通过依次设置第四电磁阀、第二流量调节阀和第五流量计的管路与真实人体上呼吸道模型入口连接。各器件通过软管连接，连接处加装宝塔接头和喉箍，保证整个气路具有良好的密封性；所述真空泵用来提供气源，使真空舱室形成相对真空状态；所述真空舱室6用来模仿人体肺部；所述电磁阀为常闭型控制气路开关；所述流量计用以观测流量；所述流量调节阀用以实现人体循环呼吸的流量控制。

如附图4所示，所述压力***包括压力探针2和计算机18，所述脉冲激光器置于真实人体上呼吸道模型同侧；所述跨帧CCD相机正对真实人体上呼吸道模型压力探针置于真实人体上呼吸道模型内部不同部位；所述计算机用来控制压力探针的工作时序和数据采集***，对测得的数据进行显示。

基于压力探针技术的人体上呼吸道模型流场压力测量方法及实验装置的实验方法，通过对不同呼吸模式、呼吸频率的测量，分别得到稳态呼吸模式和循环呼吸模式下人体上呼吸道流场气流运动特性、压力的分布和变化形式。具体实现如下详述：

如附图5所示，吸气阶段稳态实验时，电磁阀4通电，开启第一真空泵3，通过第一流量计5来观察第一真空舱室6被抽出的气体，待第一真空舱室6形成相对真空后，令电磁阀4断电同时关闭第一真空泵3；然后令电磁阀25通电，令第一流量调节阀8保持恒定开度，通过流量计（9-17）观察从人体上呼吸道模型入口处进入到模型内气体的流量，打开计算机18中数据采集界面，使压力探针开始工作并将数据传入到计算机当中；所述压力探针为光纤压力探针，其基本原理为：

光纤是一种传输光的细丝，它能够将进入光纤一端的光线传输到光纤的另一端。通常光纤由两层光学性质不同的材料组成，光纤的结构及传光原理如图5-2所示。光纤的中间部分是导光的纤芯，纤芯的周围是包层。包层的折射率n₂略小于纤芯的折射率n₁，它们的相对折射率差Δ(Δ＝1-n₂/n₁)一般为0.005-0.140。通常在包层外面还有一层起支撑保护作用的套层。

光纤传光的基础是光的全内反射。当光线以入射角θ进入光纤的端面时，在端面处发生折射，设折射角为θ′，然后光线以角入射至纤芯与包层的界面。当

角大于纤芯与包层间的临界角

时，即

则射入的光线在光纤的界面上发生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端。实际工作光纤可能弯曲，只要仍满足全反射定律，光线仍继续前进。由于光纤具有一定柔软性，很容易使光线“转弯”，这给传感器的设计带来了极大的方便。

根据斯乃尔折射定律

设当

达到临界角时的入射角为θ_c，由式（1）和（2）可得

n₀sinθ_c＝(n₁ ²-n₂ ²)^1/2

式中，n₀sinθ_c称为光纤的数值孔径，用NA表示。它表示当入射光从折射率为n₀的外部介质进入光纤时，只有入射角θ_c的光才能在光纤中传播。否则，光线会从包层中逸出而产生漏光。NA是光纤的一个重要参数，NA值越大，光源到光纤的耦合效率越高。光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率，与光纤的几何尺寸无关。

如附图6所示，呼气阶段稳态实验时，电磁阀20通电，开启第二真空泵19，通过流量计来观察第二真空舱室21被抽出的气体，待第二真空舱室21形成相对真空后，令电磁阀20断电同时关闭第二真空泵19；然后令电磁阀7通电，令第二流量调节阀23保持恒定开度，通过流量计24观察从人体上呼吸道模型支气管末端进入到模型内气体的流量，打开计算机18中数据采集界面，使压力探针开始工作并将数据传入到计算机当中，下同吸气阶段实验步骤。

瞬态呼吸实验时，根据一般的生理常识，人每分钟的呼吸次数为15-20次左右，因此一个呼吸周期约为4秒。我们假定在一个呼吸周期内呼气和吸气的过程分别为2秒，并假定气流速度是时间的正弦函数。利用第一和第二流量调节阀8和23均按正弦变化来调节整个气路气流形式，因二者均可实现正弦波的半个周期，而气流方向相反，故呼吸周期可实现完整的正弦波形式。因此，瞬态呼吸实验重复以上步骤，只要通过调节流量调节阀按正弦变化并控制每次呼吸的时间即可实现。

Claims

1.一种真实人体上呼吸道模型流场压力测量实验装置，其特征是，所述实验装置包括真实人体上呼吸道模型、气路***和压力探测***；

2.根据权利要求1所述的真实人体上呼吸道模型流场压力测量实验装置，其特征是，所述模型左侧二级支气管长度大于右侧二级支气管，所述模型左右两侧靠下的三级支气管长度分别大于同侧靠上的三级支气管长度，所述每个三级支气管的支气管长短不相同。

3.根据权利要求1所述的真实人体上呼吸道模型流场压力测量实验装置，其特征是，所述模型右侧靠上的二级支气管连接三个三级支气管，其他二级支气管各连接两个长度不同的三级支气管。