CN105982734A - 一种真实人体上呼吸道模型流场气溶胶沉积测量方法及实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真实人体上呼吸道模型流场气溶胶沉积测量方法及实验装置，其特征在于，由真空泵、真空舱室、电磁阀、流量计、比例调节阀和高效过滤器组成的气路***作为中间介质分别连接气溶胶发生***与气溶胶监测***、气溶胶发生***与真实人体上呼吸道模型入口，测量***用精度高于0.1mg的电子天平，测量时先启动气溶胶发生器并通氮气，将气溶胶引入储存箱后用粒径质谱仪测量粒子浓度及粒径分布，开启真空泵模拟人的吸气过程，计时并定时监测气溶胶，一小时后关闭实验装置，分解模型并用电子天平进行模型、高效过滤器中滤膜的称重以及清洗后模型的再称重，计算气溶胶沉积率。本发明能有效测定人体上呼吸道流场气溶胶颗粒的沉积率。

Description

一种真实人体上呼吸道模型流场气溶胶沉积测量方法及实验装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程、卫生防护防疫技术与装备、人-机-环境***工程和呼吸流体力学等技术领域，具体地说，是涉及适合人体上呼吸道模型流场气溶胶沉积测量的一种测量方法及实验装置。

背景技术

呼吸，是生物机体和外界气体交换的活动，同样呼吸也是人类赖以生存的最基本的生理活动。人们在日常生活中，无论是工业劳动还是环境保护，呼吸到的气体常常是一种混合有多成份的、有一些细小的粒子(固体或液体比如尘悬浮于其中的气溶胶体。它们在人体上呼吸道内输运、沉积，而其中的病毒气溶胶会严重危害到人们的健康。研究可吸入气溶胶颗粒物在呼吸过程中在呼吸道各部位呼吸器官中的沉积率(沉积分数)，及其剂量健康效应问题，意义显著。针对这一问题，国内外研究人员采用数值仿真方法和实验方法进行了卓有成效的研究。

在TSP中，粒径大于10μm(dp＞10μm)的颗粒在空中会在重力作用下自然沉降形成降尘。而PM₁₀则附着在大气中对流层上部，需要几天或数十天才能沉降到地面，漂浮范围近至几公里，远至上千公里。因此，PM₁₀是大气中最常见的污染物。

大气中的可吸入气溶胶颗粒PM₁₀主要经过呼吸道进入人体，并进行沉积，对人体的健康具有最直接的危害。主要影响方面有包括：肺功能，有损于肺部呼吸氧气的能力：使肺泡中的巨噬细胞的吞噬功能和生存能力下降，导致肺部排除污染物的能力下降；呼吸***，引起上呼吸道感染，使鼻炎、慢性咽炎、慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿、尘肺等呼吸***疾病恶化，甚至引起哮喘等过敏性疾病的矽肺、石棉肺、肺气肿等肺病；心血管疾病，由颗粒物引起的心脏自主神经***在心率、心率变异、血粘度等方面的改变能增加突发心肌梗死的危险；神经***，带有铅的小颗粒(粒径1μm)在肺泡内沉积后极易进入血液***，大部分与红细胞结合，小部分形成铅的磷酸盐和甘油磷酸盐，然后进入肝、肺、肾和脑，几周后进入骨内，导致高级神经***紊乱和器官调节失能，表现为头疼、头晕、嗜睡和狂躁严重的中毒性脑病；癌症的发生，可吸入颗粒物所吸附的多环芳香烃化合物是对人体健康危害最大的环境三致(致癌、致突变、致残)物质，其中苯并(a)芘能诱发皮肤癌、肺癌和胃癌；炎症，刺激肺部，导致肺部出现急性炎症，表现为中性粒细胞大量局部渗出；胎儿和儿童的生长发育，可导致胎儿增重缓慢，影响儿童的生长发育和免疫功能。同时能导致心血管疾病、呼吸***疾病和其他疾病的敏感体质患者的过早死亡。

最初研究可吸入颗粒物在人体呼吸道内的沉积分数采用的是实验的方法，包括活体试验和离体实验。总体而言，实验方法能够较准确地测得人体吸入的颗粒物在呼吸道内沉积分数和总体分布，但因无法探明呼吸道内颗粒物的扩散方式和运动轨迹等，且实验费用比较昂贵，未能被广大研究人员采纳。目前，因数值模拟方法价格低廉，颗粒物在呼吸道内的运动轨迹等一目了然，其仍为国内外广为流行的呼吸道颗粒沉积研究方法。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气溶胶颗粒沉积测量工作极为困难。

正是在这一背景下，利用制备的包括从口腔到前三级支气管在内的真实人体上呼吸道实验模型，构想一种真实人体上呼吸道模型流场气溶胶沉积测量方法并研制实验装置。

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，配备气溶胶发生器、粒子计数器、真空泵和电子天平等，提供一种能够测量人体上呼吸道模型流场内气溶胶沉积量和沉积率的测量方法及实验装置。

本发明真实人体上呼吸道模型流场气溶胶测量方法及实验装置，通过下述技术方案予以实现，所述实验装置包括气溶胶发生***、气溶胶监测***、气路***和测量***；

所述真实人体上呼吸道实验模型内壁面涂抹硅油，以模仿真实呼吸道壁面粘性；

所述气溶胶发生***由气溶胶发生器、高纯氮气组成；所述气溶胶发生器为凝聚式单分散气溶胶发生器，可以产生浓度大于106个/cm³的高度单分散气溶胶，且粒径为0.1-8微米的球形和几乎电中性的固体或液体粒子(取决于颗粒物的材料)，颗粒物大小和浓度可以改变；所述高纯氮气用以蒸发冷凝发生气溶胶；

所述气溶胶监测***包括气溶胶稀释器和粒子计数器；所述气溶胶稀释器在高浓度的气溶胶分析时，能够降低颗粒物的入口浓度，使颗粒物的入口浓度在仪器操作最敏感、精度最高的范围内；所述粒子计数器对气溶胶发生器发出的气溶胶粒子进行采样分析，测定气溶胶粒子粒径分布范围；

所述气路***包括真空泵、真空舱室、电磁阀、流量计、比例调节阀和高效过滤器；所述各元器件通过软管相连接，连接处加装喉箍并用热熔胶进行密封，保证整个气路具有良好的气密性；所述真空泵用以模仿人体肺部进行吸气；所述流量计用以观测流量；所述调节阀用来调节流量；所述高效过滤器将通过模型而未沉积的气溶胶颗粒过滤下来；

所述测量***用精度可达0.1mg的电子天平，用来测定实验前后模型各部分的重量。

本发明通过集成真实人体上呼吸道实验模型、气溶胶发生***、气溶胶监测***、气路***和测量***，能够更加有效地测定人体上呼吸道模型流场气溶胶颗粒的沉积情况。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图中各编号代表：1为真实人体上呼吸道模型；2是粒径谱仪；3是气溶胶发生器；4是混合舱室；5-13是高效过滤器；14-22、25是流量计；23、26是流量调节阀；27是真空泵。

图2是本发明真实人体上呼吸道模型示意图；

图3是本发明气溶胶发生***示意图；

图4是本发明气溶胶监测***示意图；

图5是本发明气路***示意图；

图6是本发明电子天平示意图。

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、气溶胶发生***、气溶胶监测***和气溶胶测量***。

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；所述模型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；所述模型悬雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁处，高为6.14mm；所述模型咽部形状不规则，矢状位大于冠状位，咽部和口腔底部平滑连接；所述模型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；所述模型梨状窝位于喉部底端两侧；所述模型声门与气管平滑连接；所述模型主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，所述气溶胶发生***包括气溶胶发生器(3)和混合舱室(4)，所述气溶胶发生器和混合舱室之间通过软管相连接。

如附图4所示，所述气溶胶监测***包括粒径谱仪(2)和混合舱室(4)，所述粒径谱仪和混合舱室之间通过软管相连接，用以监测发生的气溶胶粒径大小。

如附图5所示，所述气路***包括混合舱室(4)、高效过滤器(5-13)、流量计(14-22、25)、流量调节阀(23和26)、真空舱室(24)以及真空泵(27)；所述混合舱室与气溶胶发生器、粒径谱仪和人体上呼吸道模型相连；所述高效过滤器分别与三级支气管末端连接，之后连接流量计和流量调节阀；所述真空舱室用于模拟人体肺部呼吸；所述真空舱室和真空泵之间加装流量计和流量调节阀。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24用来模仿人体肺部；所述流量调节阀为用以实现人体循环呼吸的流量控制及控制气路开关阀门；所述流量计用以观测流量；所述流量调节阀。

如附图6所示，所述测量***包括电子天平，用以对分解后的模型进行测量。

所述人体上呼吸道模型流场气溶胶沉积测量方法及实验装置，通过对不同呼吸频率的测量，可得到稳态呼吸模式不同呼吸流量气溶胶在模型中的沉积情况。具体实现如下详述：

目前世界公认的三种稳态呼吸模式是：休息状态(呼吸流量30L/min)、中等运动状态(呼吸流量60L/min)、剧烈运动状态(呼吸流量90L/min)。本文中实验测量在稳态呼吸模式、呼吸流量分别为30L/min、60L/min和90L/min条件下进行，即保证模型的入口流量保持恒定。通常情况下，病毒的粒径范围在0.015-0.45μm之间，而药物气溶胶的粒径范围通常在1-6.5μm之间，研究中选取粒径为0.3μm、6.5μm的颗粒分别代表病毒气溶胶颗粒和药物气溶胶颗粒，颗粒密度为912kg/m³，真空泵模拟人体肺部吸气的抽吸时间为1小时。

气溶胶颗粒的种类、沉积部位以及沉积数量和浓度，决定了其对人体的危害程度或治疗效果。目前，文献中常用的评价气溶胶颗粒在人体上呼吸道内各部位沉积的一个指标便是沉积率(deposition fraction)DF，表达式为：

$\mathrm{DF}\frac{N_{\mathrm{part}}}{N_{\mathrm{all}}}\×100\%$

式中，N_part为上呼吸道中某一部位的气溶胶颗粒的沉积数量，N_all为进入人体上呼吸道内所有气溶胶颗粒的数量。而在气溶胶沉积实验中，气溶胶颗粒沉积数量往往难以获得，因此本文采用称重的方法来计算气溶胶颗粒的沉积率，其计算公式为：

$\mathrm{DF}\frac{m_{\mathrm{part}}}{m_{\mathrm{all}}}\×100\%$

式中，m_part为沉积到上呼吸道中某一部位的气溶胶颗粒的质量，m_all为进入人体上呼吸道内所有气溶胶颗粒的质量。

实验后，将模型分解为口腔、咽、喉、气管和支气管五个部分，并分别进行称重，高效清洗后再进行称重，便可得每个部位气溶胶颗粒的沉积量，进而求得每个部位的气溶胶颗粒沉积率。

如附图1所示，实验步骤如下：

(1)启动气溶胶发生器，通氮气，将发生的气溶胶引入气溶胶储存箱中；

(2)粒径质谱仪测量储存箱中气溶胶粒子的浓度及粒径分布情况；

(3)开启真空泵，利用真空泵的抽吸作用模拟人的吸气过程，同时开始计时；

(4)定时用粒径质谱仪对储存箱中的气溶胶进行监测；

(5)一小时后关闭真空泵、气溶胶发生器和氮气；

(6)分解模型，取出高效过滤器中滤膜，分别对模型、滤膜进行称重；

(7)高效清洗分解后的模型，再进行称重；

(8)分析计算测量结果。

Claims (7)

1.一种真实人体上呼吸道模型流场气溶胶沉积测量实验装置，其特征在于，所述实验装置包括真实人体上呼吸道实验模型、气溶胶发生***、气溶胶监测***、气路***和测量***；所述气路***作为中间介质，分别连接气溶胶发生***和模型入口、气溶胶发生***与气溶胶监测***；所述测量***作为单独的***使用。

2.根据权利要求1之一所述的实验装置，其特征在于，所述气溶胶发生***由气溶胶发生器、高纯氮气组成；所述气溶胶发生器为凝聚式单分散气溶胶发生器，可以产生浓度大于106个/cm³的高度单分散气溶胶，且粒径为0.1-8微米的球形和几乎电中性的固体或液体粒子，粒径大小取决于颗粒物的材料，所述颗粒物大小和浓度能够改变；所述高纯氮气用以蒸发冷凝发生气溶胶。

3.根据权利要求1之一所述的实验装置，其特征在于，所述气溶胶监测***包括气溶胶稀释器和粒子计数器；所述气溶胶稀释器在高浓度的气溶胶分析时，能够降低颗粒物的入口浓度，使颗粒物的入口浓度在仪器操作最敏感、精度最高的范围内；所述粒子计数器对气溶胶发生器发出的气溶胶粒子进行采样分析，测定气溶胶粒子粒径分布范围。

4.根据权利要求1之一所述的实验装置，其特征在于，所述气路***包括真空泵、真空舱室、电磁阀、流量计、比例调节阀和高效过滤器；所述真空泵、真空舱室、电磁阀、流量计、比例调节阀和高效过滤器之间依次通过软管相连接，连接处加装喉箍并用热熔胶进行密封，保证整个气路具有良好的气密性；所述真空泵用以模仿人体肺部进行吸气；所述流量计用以观测流量；所述调节阀用来调节流量；所述高效过滤器将通过实验模型而未沉积的气溶胶颗粒过滤下来。

5.根据权利要求1之一所述的实验装置，其特征在于，测量***用精度可达0.1mg的电子天平，用来测定实验前后模型各部分的重量。

6.根据权利要求4所述的实验装置，其特征是，所述气溶胶颗粒沉积在实验模型的管壁上，通过分解并清洗模型进行称重的方法，来计算颗粒的沉积量和沉积率。

7.一种根据权利要求4之一的实验装置进行气溶胶沉积测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)启动气溶胶发生器，通氮气，将发生的气溶胶引入气溶胶储存箱中；

(2)粒径质谱仪测量储存箱中气溶胶粒子的浓度及粒径分布情况；

(3)开启真空泵，利用真空泵的抽吸作用模拟人的吸气过程，同时开始计时；

(4)定时用粒径质谱仪对储存箱中的气溶胶进行监测；

(5)一小时后关闭真空泵、气溶胶发生器和氮气；

(6)分解模型，取出高效过滤器中滤膜，分别对模型、滤膜进行称重；

(7)高效清洗分解后的模型，再进行称重；

(8)分析计算测量结果。