CN107271337B - 一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验*** - Google Patents
一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***，标准粒子发生装置和吸气气溶胶颗粒计数器分别通过管道与单向进气阀连接；单向进气阀通过管道与连接加湿器的管道汇合后的总管道贯穿透明实验容器的盖体，与设置在透明实验容器内部的肺腺泡实验模型连接，透明实验容器的底部通过管道与模拟呼吸泵连接；透明实验容器上设置有压力计；呼气气溶胶颗粒计数器通过管道依次与单向排气阀和总管道连接；设置有数据分析***的计算机分别与PIV粒子示踪仪和模拟呼吸泵电连接，PIV粒子示踪仪设置在透明实验容器的一侧。本发明可以提供不同粒径、呼吸方式、环境湿度和病理条件下的可吸入颗粒物沉积率的体外测量。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程、卫生防护防疫技术与装备、人-机-环境***工程、呼吸流体力学及个人呼吸防护等技术领域，具体地说，是涉及一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***。
背景技术
随着全球工业化的加速发展，大气污染使呼吸***疾病成为一种常见病、多发病，可吸入颗粒物(指空气动力学直径<10μm的空气悬浮颗粒物)在肺部的沉积是主要诱因之一。人体呼吸***由呼吸道(鼻、咽、喉、气管、支气管)和肺组成。呼吸道的主要作用是气体的通道，沟通肺与外界环境。空气中的可吸入颗粒物通过呼吸作用进入人体后，一部分沉积在人体呼吸***的传导部分，即鼻、咽、喉、气管、主支气管和肺内的多级细支气管；另一部分则会进入肺腺泡区，大量的沉积使肺部病变，影响呼吸功能，并进一步穿透肺泡壁进入人体血液循环***，对人体健康造成巨大伤害。
另一方面，随着对肺功能及哮喘、肺气肿、慢性阻塞性肺病等疾病的深入了解，人们认识到吸入给药是治疗上述疾病的有效方式。肺部吸入制剂因使用方便、起效迅速、避免了肝脏的首过效应，减少全身给药可能产生的不良反应和药物过量使用等优点成为目前广泛关注的治疗呼吸***疾病的方法。吸入制剂进入人体后，沉积在上呼吸道的药物大部分通过纤毛的运动被排出体外，只有沉积在肺腺泡中的药物才能进入血循环而被吸收。即要提高吸入给药在肺部的生物利用度，必须提高其在肺腺泡区的沉积量。因此，建立肺部可吸入颗粒物沉积体外测量实验装置，具有巨大的科学研究价值和应用价值。
上呼吸道颗粒物沉积可以通过计算机模型和CT扫描建立实体模型的方法进行测量分析。专利CN204797996 U介绍了一种称重法测量人体上呼吸道颗粒物沉积的方法和装置，有效地解决了人体上呼吸道颗粒物沉积模拟测量问题，但它没有考虑上呼吸道对吸入空气的加湿作用，且无法测量人体细末支气管和肺泡区域的沉积。
肺腺泡是呼吸作用的主要区域，占呼吸***体积的90％，测量各种呼吸、环境、疾病影响等条件下颗粒物肺腺泡沉积并发现沉积规律十分必要。对该部分的测量目前主要采用实验动物或志愿者实际测试的方法，但成本高昂，实验周期长、对人体副作用大。由于肺腺泡区结构复杂、尺寸较小，尚无法通过CT扫描方式建立实体模型。中国专利CN 104050321A描述了一种肺泡颗粒物运行轨迹的计算机模型，对肺泡进行了大量的简化。但模拟结果是基于理想边界条件的假设，属于计算机仿真范畴，所获得数据不是基于实验所得，通常需要实体模型进一步验证，实际应用价值有限。
中国专利CN 102750859 A采用了弹性硅胶材料制成了一种模拟肺通气的装置，调节硅胶材料弹性模量与人体肺部相近，实现了弹性呼吸的模拟。虽然该专利提供了一种建立弹性肺腺泡模型的思路，但它仅能模拟再现呼吸过程，无法进行可吸入颗粒物在肺腺泡区沉积实验。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***。
本发明的技术方案概述如下：
一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***，包括标准粒子发生装置1-1和吸气气溶胶颗粒计数器1-2，标准粒子发生装置1-1和吸气气溶胶颗粒计数器1-2分别通过管道与单向进气阀1-3连接；单向进气阀1-3通过管道与连接加湿器1-4的管道汇合后的总管道1-14贯穿透明实验容器1-10的盖体，与设置在透明实验容器1-10内部的肺腺泡实验模型1-9的模拟15级支气管2-1连接，模拟15级支气管2-1通过第一Y型三通2-2与2个模拟16级支气管2-3连接，每个模拟16级支气管2-3通过第二Y型三通2-4与2个模拟17级支气管2-5连接，每个模拟17级支气管2-5通过连接管2-6与模拟肺腺泡簇2-7连接，模拟肺腺泡簇2-7包括模拟肺泡管3-4，模拟肺泡管3-4上设置有接口3-1,接口3-1的外壁上设置有环状凸起3-2，模拟肺腺泡3-3与接口3-1活动连接并通过环状凸起3-2固定；透明实验容器1-10的底部通过管道与模拟呼吸泵1-11连接；透明实验容器1-10上设置有压力计1-8；呼气气溶胶颗粒计数器1-6通过管道依次与单向排气阀1-5和总管道1-14连接；设置有数据分析***的计算机1-12分别与PIV粒子示踪仪1-13和模拟呼吸泵1-11电连接，PIV粒子示踪仪1-13设置在透明实验容器1-10的一侧。
本发明的优点：
本发明可以提供不同粒径、呼吸方式、环境湿度和病理条件下的可吸入颗粒物沉积率的体外测量。实验人员采用本发明有望揭示肺腺泡区颗粒物的沉积规律和影响因素，探索肺部疾病的成因、发展、预防、靶向治疗及可吸入疗法的优化，并用于代替实验动物或志愿者进行药物疗效分析和新药物开发。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为肺腺泡实验模型结构示意图。
图3为模拟肺腺泡管和模拟肺腺泡局部剖面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明标准粒子发生装置以F9531标准粒子发生装置为例，它为市售。但并不限定本发明。
气溶胶颗粒计数器为市售。
本发明根据Weibel A解剖学模型放大50倍确定肺腺泡毗邻15-17级细末支气管的直径、长度、分支角度、肺泡尺寸以及J.Y.Wang的肺泡生物力学参数建立真实的人体肺腺泡模型，配备标准粒子发生装置、气溶胶颗粒计数器、模拟呼吸泵、加湿器、PIV粒子示踪仪等，提供一种能够测量人体肺腺泡区模型沉积率、沉积分布、单个肺泡沉积量、流场分布的测量实验装置。
一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***，包括标准粒子发生装置1-1和吸气气溶胶颗粒计数器1-2，标准粒子发生装置1-1和吸气气溶胶颗粒计数器1-2分别通过管道与单向进气阀1-3连接；单向进气阀1-3通过管道与连接加湿器1-4的管道汇合后的总管道1-14贯穿透明实验容器1-10的盖体，与设置在透明实验容器1-10内部的肺腺泡实验模型1-9的模拟15级支气管2-1连接，模拟15级支气管2-1通过第一Y型三通2-2与2个模拟16级支气管2-3连接，每个模拟16级支气管2-3通过第二Y型三通2-4与2个模拟17级支气管2-5连接，每个模拟17级支气管2-5通过连接管2-6与模拟肺腺泡簇2-7连接，模拟肺腺泡簇2-7包括模拟肺泡管3-4，模拟肺泡管3-4上设置有接口3-1,接口3-1的外壁上设置有环状凸起3-2，模拟肺腺泡3-3与接口3-1活动连接并通过环状凸起3-2固定；透明实验容器1-10的底部通过管道与模拟呼吸泵1-11连接；透明实验容器1-10上设置有压力计1-8；呼气气溶胶颗粒计数器1-6通过管道依次与单向排气阀1-5和总管道1-14连接；设置有数据分析***的计算机1-12分别与PIV粒子示踪仪1-13和模拟呼吸泵1-11电连接电连接，所述PIV粒子示踪仪1-13设置在透明实验容器1-10的一侧。
模拟肺腺泡可以选用其弹性模量、泊松比与肺泡生物力学参数一致的天然乳胶，例如：型号CY50X2，仅是举例，并不对其进行限定。
模拟肺腺泡和各级细末支气管采用活动连接，可以拆解成单个单元，便于单独分析。
标准粒子发生装置为两相流气溶胶发生器，可以产生浓度大于106个/cm3的高度单分散气溶胶，粒径范围为0.1μm-8μm，球形，颗粒物大小和浓度可以改变。
模拟呼吸泵为活塞式。
本发明一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***的使用：
使用本发明的一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***，加压确定无泄漏；打开单向进气阀1-3，启动标准粒子发生装置1-1，发生单分散聚苯乙烯微球，开启吸气气溶胶颗粒计数器1-2，测量发生浓度，直至采样浓度稳定；设置模拟呼吸泵1-11达到实验需要的压力和流量周期，开启模拟呼吸泵1-11，开始记录呼吸循环；打开单向排气阀1-5，开启呼气气溶胶颗粒计数器1-6，测量呼出气溶胶浓度，记录时间累计个数；吸入浓度和呼出浓度的差值与吸入浓度的比值即为肺腺泡实验模型1-9总颗粒物沉积率。***工作时，通过加湿器1-4向气溶胶加湿，压力计1-8记录压力。在实验开始后，开启PIV粒子示踪仪1-13，测量肺腺泡内可吸入颗粒物运动速度和流场；达到设定的呼吸循环次数后，依次关闭标准粒子发生装置1-1、吸气气溶胶颗粒计数器1-2、模拟呼吸泵1-11、单向进气阀1-3；计算颗粒物在人体肺腺泡区总沉积率。
通过计算机控制模拟呼吸泵，可以测量模拟呼吸频率、潮气量、残气量、压差和呼吸流量，并绘制呼吸流量曲线。
加湿器可向肺腺泡实验模型加湿50％～100％。
PIV粒子示踪仪用于显示和计算颗粒物在模拟肺腺泡簇内各区域的运动速度和轨迹。
本发明能够模拟真实人体肺腺泡区生物力学及呼吸特征，实现人体肺腺泡区体外可吸入颗粒物运动轨迹与沉积率测量。
设置有数据分析***的计算机1-12和PIV粒子示踪仪1-13可实时显示***内颗粒物运动轨迹、测量运动参数。
单向阀确保气溶胶运动是单向的。
透明实验容器的盖体能够打开和关闭，安装压紧结构确保关闭时实验容器气密。
本发明的***操作时，通过对不同呼吸频率和呼吸深度的测量，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。通过改变气溶胶性质，可以模拟药物吸入治疗效果和药物进入肺泡后的分布扩散情况。通过改变支气管形状和肺泡形状、尺寸、厚度、弹性模量可进行肺部病变条件下可吸入颗粒物沉积的变化。
Claims (1)
1.一种人体肺泡气溶胶沉积测量实验***，包括标准粒子发生装置(1-1)和吸气气溶胶颗粒计数器(1-2)，其特征是所述标准粒子发生装置(1-1)和吸气气溶胶颗粒计数器(1-2)分别通过管道与单向进气阀(1-3)连接；单向进气阀(1-3)通过管道与连接加湿器(1-4)的管道汇合后的总管道(1-14)贯穿透明实验容器(1-10)的盖体，与设置在透明实验容器(1-10)内部的肺腺泡实验模型(1-9)的模拟15级支气管(2-1)连接，模拟15级支气管(2-1)通过第一Y型三通(2-2)与2个模拟16级支气管(2-3)连接，每个模拟16级支气管(2-3)通过第二Y型三通(2-4)与2个模拟17级支气管(2-5)连接，每个模拟17级支气管(2-5)通过连接管(2-6)与模拟肺腺泡簇(2-7)连接，模拟肺腺泡簇(2-7)包括模拟肺泡管(3-4)，模拟肺泡管(3-4)上设置有接口(3-1),接口(3-1)的外壁上设置有环状凸起(3-2)，模拟肺腺泡(3-3)与接口(3-1)活动连接并通过环状凸起(3-2)固定；透明实验容器(1-10)的底部通过管道与模拟呼吸泵(1-11)连接；透明实验容器(1-10)上设置有压力计(1-8)；呼气气溶胶颗粒计数器(1-6)通过管道依次与单向排气阀(1-5)和总管道(1-14)连接；设置有数据分析***的计算机(1-12)分别与PIV粒子示踪仪(1-13)和模拟呼吸泵(1-11)电连接，所述PIV粒子示踪仪(1-13)设置在透明实验容器(1-10)的一侧。
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