CN113012545A

CN113012545A - 一种模拟人体呼吸流动的装置

Info

Publication number: CN113012545A
Application number: CN202110165950.XA
Authority: CN
Inventors: 朱振山; 琚亚平; 张楚华
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2041-02-05
Also published as: CN113012545B

Abstract

本公开揭示了一种模拟人体呼吸流动的装置，包括：控制单元、驱动单元和呼吸模拟单元，其中；所述控制单元用于根据人体呼吸流量曲线控制驱动单元输出的驱动力；所述驱动单元用于驱动呼吸模拟单元对人体呼吸流动进行模拟；所述呼吸模拟单元用于对人体呼吸流动进行模拟，并输出呼吸边界条件。本公开能够将不同人群在不同状态下的呼吸流动数据输出为实验测量的边界条件。

Description

一种模拟人体呼吸流动的装置

技术领域

本公开属于生物力学技术领域，特别涉及一种用于模仿人体呼吸流动的装置。

背景技术

人体呼吸流动实验通过PIV和LDV等高精度的测量仪器，将人体呼吸流动过程精确和直观的展示出来，是人体呼吸流动研究的重要途径，对人体呼吸流动的认识以及相关理论深入的研究具有重要意义。而能够精确模仿人体呼吸流动的装置是人体呼吸流动实验的关键。

现有的人体呼吸流动装置均采用极度简化的方法为呼吸流动实验提供正弦曲线的实验边界条件，而人类是不可能呼吸出如此机械化的呼吸流动曲线。

现有的精确模仿人体呼吸流动的装置能够为呼吸流动实验提供高精度的、各种类型的人体呼吸流动的实验边界条件。此装置通过PLC编程可模仿从婴儿到成年人的各种呼吸运动，比如平静呼吸、轻微运动呼吸、剧烈运动呼吸等。在人体呼吸实验领域，具有广泛的应用前景。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种模拟人体呼吸流动的装置，能够为呼吸流动实验提供高精度、各种类型的人类呼吸流动实验边界条件。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种模拟人体呼吸流动的装置，包括：控制单元、驱动单元和呼吸模拟单元，其中；

所述控制单元用于根据人体呼吸流量曲线控制驱动单元输出的驱动力；

所述驱动单元用于驱动呼吸模拟单元对人体呼吸流动进行模拟；

所述呼吸模拟单元用于对人体呼吸流动进行模拟，并输出呼吸边界条件。

优选的，所述控制单元包括PLC控制器，用于将人体呼吸流量曲线编程为驱动单元可执行的转速曲线。

优选的，所述驱动单元包括电机和连接机构，连接结构将电机输出的旋转力矩转化为可供呼吸模拟单元进行呼吸模拟运动的力矩。

优选的，所述呼吸模拟单元包括活塞组件。

优选的，所述连接机构包括曲轴连杆。

优选的，所述活塞组件包括活塞和密封的活塞缸，活塞在驱动单元的作用下在活塞缸内进行往复运动模拟人体呼吸。

优选的，所述装置还包括减速机，所述减速机与电机连接，以增强电机的输出扭矩。

优选的，所述装置还包括气泡去除装置。

优选的，所述装置还包括工质存储器。

优选的，所述电机包括伺服电机和步进电机。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、更加符合人体真实呼吸流动情况，有助于深入了解人体呼吸道内的呼吸流动过程和认识呼吸道疾病的发生、发展机理，对于诊断和治疗呼吸道疾病均具有重要的理论参考和实际应用价值。

2、以往的类似装置只能提供一种工况，且为正弦式的呼吸流动实验边界条件。本公开可以通过编程，将不同人群在不同状态下的呼吸流动数据输出为实验测量的边界条件，人群如婴幼儿、成年人和呼吸道疾病患者，状态如休息状态、轻度运动、中度运动和剧烈运动。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种模拟人体呼吸流动的装置结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的曲轴连杆和活塞运动的关系示意图；

图3是本公开另一个实施例提供的三种潮气量人体所对应的边界条件曲线示意图；

图4是本公开另一个实施例提供的成年人在平静呼吸时的真实的呼吸流量曲线与采用PIV测量***精确测量本装置输出结果的对比示意图。

具体实施方式

下面将参照附图1至图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种模拟人体呼吸流动的装置，包括：控制单元、驱动单元和呼吸模拟单元，其中；

本实施例中，控制单元可根据由肺量计测量获得的人体呼吸流量曲线编写相应的控制程序，并转换为可由驱动单元执行的转速曲线。驱动单元在控制单元的控制下驱动呼吸模拟单元模拟人体呼吸流动，从而能够为人体呼吸流动实验提供精确的各种呼吸状态下的呼吸实验边界条件。

另一个实施例中，所述控制单元包括PLC控制器，用于将人体呼吸流量曲线编程为驱动单元可执行的转速曲线。

本实施例中，提取转速周期曲线上一定数量的离散点的，并根据离散点编写相应的PLC程序。驱动单元在PLC控制器的控制下驱动呼吸模拟单元模拟人体呼吸流动，从而能够为人体呼吸流动实验提供精确的各种呼吸状态下的呼吸实验边界条件。

需要说明的是，人体呼吸流量曲线可以是处于任何年龄段的人体的呼吸曲线，也可以是同一人体在不同状态下(例如平静状态、轻度运动状态、剧烈运动状态等)的呼吸流量曲线。

另一个实施例中，所述驱动单元包括电机和连接机构，连接结构将电机输出的旋转力矩转化为可供呼吸模拟单元进行呼吸模拟运动的力矩。

本实施例中，连接机构通常选用曲轴连接，通过曲轴连杆，能够将电机输出的旋转力矩转化为活塞的往复运动，同时将作用于曲轴上的转矩转化为活塞对外输出的力矩。其中，图2展示了曲轴连杆和活塞运动的关系，如图2所示，当偏心距为a的曲轴以ω的角速度逆时针旋转时，活塞将会以速度V向下运行，根据余弦定理可得：

经过Δt时刻，角度变为θ+Δt·ω，活塞离曲轴的距离b变为b+Δt·V，而曲轴的偏心距a和连杆长度c均为常数。将上式两边同时乘以2ab，并关于时间t求导可得：

2acosθ·V-2ab·sinθ·ω＝2b.V (2)

整理上式可得曲轴角速度ω和活塞反复运动速度V的关系式：

式(3)中，活塞和曲轴轴心的距离b可以通过余弦定理求得：

通过PLC的精确控制，当活塞进行一次往复运动，曲轴无需像输出正弦曲线那样旋转一周，而只需从初始位置S向下旋转到位置R，为呼吸流动实验提供吸气阶段的边界条件；然后曲轴反向转动到初始位置S，输出呼气阶段的边界条件。当研究对象的潮气量改变时，图2中的位置R会随潮气量减小沿着图2中圆周向上移动或随潮气量增大沿着图2中圆周向下移动。示例性的，图3描述了本装置输出的成年人在400-600ml(400ml表示成年人处于平静状态，500ml表示成年人处于轻微运动状态，600ml表示成年人处于剧烈运动状态)潮气量范围内的边界条件曲线，其中，横轴上方表示人体吸气运动，横轴下方表示人体呼气运动。当潮气量随时间发生变化时，曲轴的转速也随之改变，进而带动活塞进行不同频率的往复运动，并输出如图3所示的边界条件曲线。

另一个实施例中，所述活塞组件包括活塞和密封的活塞缸，活塞在驱动单元的作用下在活塞缸内进行往复运动模拟人体呼吸。

本实施例中，如图2所示，通过PLC程序精确控制，活塞进行一次往复运动，曲轴无需像输出正弦曲线那样旋转一周，而只需从初始位置S向下旋转到位置R，输出吸气阶段的边界条件；然后曲轴反向转动到初始位置S，输出呼气阶段的边界条件。当研究对象为青少年时，图中位置R会跟随青少年较小潮气量沿着图中圆周向上移动；当研究目标从休息状态转变为运动状态时，曲轴每一时刻的转速都会根据呼吸流量曲线的改变而改变。

另一个实施例中，所述装置还包括减速机，所述减速机与电机连接，以增强电机的输出扭矩。

本实施例中，若电机因输出扭矩过小而难以驱动活塞组件，此时，需要通过减速机来减缓电机的转速以增加电机的输出扭矩。在实验中，一般会选用行星减速机，行星减速机是一种利用齿轮进行动力传达的机构，通过齿数少的小齿轮啮合齿数多的大齿轮，以达到减速和增加扭矩的目的。示例性的，若电机的输出额定功率为1kW，然而额定输出扭矩只有4N·m，减速机的减速比为1∶50，传动效率大约为75％，从而使得电机最终通过减速机输出的额定扭矩可达到4×50×0.75＝150N·m。

另一个实施例中，所述装置还包括气泡去除装置。

本实施例中，气泡去除装置配置有上、下两个阀门，中间为一个透明且拥有一定空间的透明腔体。在排除气泡过程中，首先，关闭下方阀门，打开上方阀门，从上方注入实验工质(常用的工质有甘油和水的混合物或者甘油、水和碘化钠的混合物)；其次，当在腔体中注入腔体体积一半实验工质后，关闭上方阀门，打开下方阀门；最后，开启动力***，随着动力***运转，管道壁面和实验模型内壁面附着气泡都会在动力***模仿人体一吸、一呼的过程中从壁面上脱落。此时预留在此装置上方腔体内的空气也会随着管道内压力的变化发生膨胀或被压缩，从而增加腔体内工质和下方管道内工质交互，极大增强下方管道内气泡通过竖直管道进入上方腔体的可能性。大量气泡由于浮力的影响进入腔体后不再返回下方管道中，经过大约十几个呼吸循环后，实验工质中的气泡均会被去除干净。通过将模型和管道内的气泡去除干净，能够为后期的实验测量提供良好的测量环境。

另一个实施例中，所述装置还包括工质存储装置。

本实施例中，工质存储装置主要包括量筒，其中存储有实验工质(具体成分前述实施例已给出)，能够检测和验证实验平台动力***输出的实验边界条件。通过连续记录量筒中最高和最低液位出现的时刻和位置，可以确定本公开所述装置输出的吸气时长、呼气时长、整个呼吸周期时长和输出的潮气量。

另一个实施例中，所述电机包括伺服电机和步进电机。

图4是成年人在平静呼吸时的真实的呼吸流量曲线与采用PIV测量***精确测量本装置输出结果的对比示意图。如图4所示，经过PIV测量***多次测量后确认，动力***实际输出实验边界条件的不确定度约为2％(不确定度分析是对测量不确定度的研究和估计，是指测量中由于各种因素造成的无法避免的测量误差，与实验测量中出现的失误不同，实验测量中伴随出现的不确定度无法被消除。)，可见，本公开所述装置能够提供精确的实验边界条件。

Claims

1.一种模拟人体呼吸流动的装置，包括：控制单元、驱动单元和呼吸模拟单元，其中；

2.根据权利要求1所述的装置，其中，优选的，所述控制单元包括PLC控制器，用于将人体呼吸流量曲线编程为驱动单元可执行的转速曲线。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动单元包括电机和连接机构，连接结构将电机输出的旋转力矩转化为可供呼吸模拟单元进行呼吸模拟运动的力矩。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述呼吸模拟单元包括活塞组件。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述连接机构包括曲轴连杆。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述活塞组件包括活塞和密封的活塞缸，活塞在驱动单元的作用下在活塞缸内进行往复运动模拟人体呼吸。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括减速机，所述减速机与电机连接，以增强电机的输出扭矩。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括气泡去除装置。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括工质存储器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电机包括伺服电机和步进电机。