CN113465873B - 一种模拟呼吸道内部流动的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟呼吸道内部流动的实验装置，包括：实验模块、流量测量模块、数据采集模块、控制模块，其中，实验模块包括呼吸道模型，呼吸道模型为透明模型，包括上呼吸道结构和多级肺部气管结构，其中，多级肺部气管结构的末端均连接下游集气腔，每一级肺部气管结构的出口处均设置有电控阀门；流量测量模块与下游集气腔连接；数据采集模块包括旋转移动机构和安装在其上的摄像单元；控制模块分别与电控阀门、旋转移动机构、摄像单元和流量测量模块连接。本实施例的实验装置能更精确的模拟人体气道内空气流动和气溶胶沉积的现象，为评估和改进雾化治疗效果，定制气道病变患者的个性化治疗方案，提供直接技术支持。
Description
技术领域
本发明属于医学实验装置技术领域，具体涉及一种模拟呼吸道内部流动的实验装置。
背景技术
药物的雾化吸入是呼吸疾病治疗的手段之一，理论上比静脉和口服用药更为直接有效。实践过程中，雾化药物的低输送效率成为制约其治疗效果的主要因素。据统计，吸入的雾化药物中，只有约10％-15％沉积在上呼吸道和3级支气管的目标区域。研究表明，多种因素会影响雾化药物的沉积效率，例如，药物气溶胶粒子的尺寸、形状、浓度，输送气流的速度、湍流度等。呼吸道内含气溶胶粒子的多相流动测量与分析，对于提高雾化药沉积效率、提升治疗效果具有非常重要的作用。在人体呼吸道内直接进行相关实验测量具有难以逾越的技术困难，因此，相关实验研究均在呼吸道实验装置内开展。
常见的呼吸道实验装置包括空气进口、雾化器、混合室、实验段、过滤器、数据采集装置、流量计和真空泵，工作在连续抽吸状态。其中，实验段流道形状是基于上呼吸道和肺部气道的简化模型，难以反映上呼吸道和肺部气道的真实形状和细微结构，而且，实验段的多个气流出口(气道分支)采用同一压力条件，不符合真实肺部气道的流动边界条件，另外，在实验过程中，只能测量每条气流通路内的整体的沉积效率，无法获得复杂气道内的局部沉积效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种模拟呼吸道内部流动的实验装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种模拟呼吸道内部流动的实验装置，包括：实验模块、流量测量模块、数据采集模块和控制模块，其中，
所述实验模块包括呼吸道模型，所述呼吸道模型为透明模型，包括上呼吸道结构和多级肺部气管结构，其中，多级所述肺部气管结构的末端均连接下游集气腔，每一级所述肺部气管结构的出口处均设置有电控阀门，以实现对所述肺部气管结构的出口压力的调节；
所述流量测量模块与所述下游集气腔连接，用于测量所述呼吸道模型内的总气流量；
所述数据采集模块用于采集所述呼吸道模型任意位置的图像信息，包括旋转移动机构和安装在其上的摄像单元；
所述控制模块分别与所述电控阀门、所述旋转移动机构、所述摄像单元和所述流量测量模块连接。
在本发明的一个实施例中，所述呼吸道模型根据患者医学CT影像，采用光敏树脂材料通过3D打印制备得到。
在本发明的一个实施例中，所述呼吸道模型的空气进口为喇叭型的收缩通道，以实现对吸入空气的整流。
在本发明的一个实施例中，所述喇叭型的收缩通道内设置有滤网，用于对吸入的空气进行过滤。
在本发明的一个实施例中，所述实验模块还包括雾化器，所述雾化器与所述空气进口连接，用于对吸入的空气进行雾化。
在本发明的一个实施例中，所述实验模块还包括真空泵，所述真空泵与所述下游集气腔连接，所述真空泵工作在连续抽吸状态，用于将所述呼吸道模型内的空气抽出排入大气。
在本发明的一个实施例中，所述旋转移动机构包括云台和安装在所述云台上的移动结构，其中，所述云台用于实现水平旋转；所述移动结构上安装有所述摄像单元，所述移动结构用于实现所述摄像单元的上下移动和左右移动。
在本发明的一个实施例中，所述摄像单元包括SCMOS相机和LED光源，所述LED光源为环形LED灯带，所述SCMOS相机位于所述环形LED灯带内。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的模拟呼吸道内部流动的实验装置，在每一级肺部气管结构的出口处均设置有电控阀门，以实现对肺部气管结构的出口压力的调节，提供更接近真实环境的边界条件，而且同级肺部气管结构的出口处采用同一阀门进行控制，保证了同级气道出口压力相同。
2.本发明的模拟呼吸道内部流动的实验装置，呼吸道模型为根据患者医学CT影像，采用光敏树脂材料通过3D打印制备得到的透明模型，几何特征与结构细节与真实气道完全相同，进而能更精确的模拟人体气道内空气流动和气溶胶沉积的现象。
3.本发明的模拟呼吸道内部流动的实验装置，使用透明模型和可视化化测量方法，通过数据采集模块可以采集呼吸道模型的任意位置的图像信息，从而得到呼吸气道任意位置的局部气溶胶沉积特性，为优化雾化用药提供直接支持。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种模拟呼吸道内部流动的实验装置结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种模拟呼吸道内部流动的实验装置结构示意图。
图标：10-实验模块；20-流量测量模块；30-数据采集模块；40-控制模块；101-呼吸道模型；1011-呼吸道结构；1012-肺部气管结构；1013-下游集气腔；1014-电控阀门；1015-滤网；102-雾化器；103-真空泵；301-旋转移动机构；302-摄像单元；3011-云台；3012-移动结构；3021-SCMOS相机；3022-LED光源。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种模拟呼吸道内部流动的实验装置进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请结合参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种模拟呼吸道内部流动的实验装置结构框图；图2是本发明实施例提供的一种模拟呼吸道内部流动的实验装置结构示意图。如图所示，本实施例的模拟呼吸道内部流动的实验装置，包括：实验模块10、流量测量模块20、数据采集模块30和控制模块40，其中，控制模块40分别与实验模块10、流量测量模块20和数据采集模块30连接，用于控制实验模块10、流量测量模块20和数据采集模块30完成呼吸道内部流动模拟实验和实验数据采集。
具体地，实验模块10包括呼吸道模型101，呼吸道模型101为透明模型，包括上呼吸道结构1011和多级肺部气管结构1012，其中，多级肺部气管结构1012的末端均连接下游集气腔1013，每一级肺部气管结构1012的出口处均设置有电控阀门1014，以实现对肺部气管结构1012的出口压力的调节。
在本实施例中，呼吸道模型101是根据患者医学CT影像，采用光敏树脂材料通过3D打印制备得到的。具体制备过程如下：首先获取患者的医学CT影像，其次，对患者的医学CT影像，通过软件进行重构，生成3D模型并导出，最后，通过3D打印，制成光敏树脂材料的透明模型。
本实施例的呼吸道模型为根据患者医学CT影像，采用光敏树脂材料通过3D打印制备得到的透明模型，几何特征与结构细节与真实气道完全相同，反映了患者上呼吸道和肺部气道的真实形状及细微结构，进而能更精确的模拟人体气道内空气流动和气溶胶沉积的现象。
需要说明的是，在本实施例中，呼吸道模型101包括上呼吸道和肺部的1～3级气管，肺部气管的每一个出口设置独立的电控阀门1014，在本实施例中，需要说明的是，电控阀门1014与控制模块40连接，通过控制模块40的控制信号调节电控阀门1014，可以提供更接近真实环境的边界条件。可选地，同级的肺部气管结构1012的出口处采用同一阀门进行控制，可以保证同级气道出口压力相同。
进一步地，如图2所示，呼吸道模型101的空气进口为喇叭型的收缩通道，以实现对吸入空气的整流。在喇叭型的收缩通道内设置有滤网1015，用于对吸入的空气进行过滤。
进一步地，实验模块10还包括雾化器102和真空泵103，其中，雾化器102与空气进口连接，用于对吸入的空气进行雾化，真空泵103与下游集气腔1013连接，真空泵103工作在连续抽吸状态，用于将呼吸道模型101内的空气抽出排入大气。
可选地，雾化器102可采用多种类型和工作原理的装置，例如超声、高流量氧气、压缩空气等，与医学治疗使用设备相同。
进一步地，流量测量模块20与下游集气腔1013连接，每一级肺部气管结构1012排出气体在下游集气腔1013汇合后，经由流量测量模块20测量呼吸道模型101内的总气流量。可选地，流量测量模块20为流量计，在本实施例中，流量计与控制模块40连接。
进一步地，数据采集模块30用于采集呼吸道模型101任意位置的图像信息，包括旋转移动机构301和安装在其上的摄像单元302。
具体地，旋转移动机构301包括云台3011和安装在云台3011上的移动结构3012，其中，云台3011用于实现水平旋转；移动结构3012上安装有摄像单元302，移动结构3012用于实现摄像单元302的上下移动和左右移动。
可选地，云台3011可以采用水平旋转角度为0°-350°的水平旋转云台，云台3011设置在下游集气腔1013的下方。
在本实施例中，移动结构3012包括上下移动部件和左右移动部件，例如，可选地，上下移动部件和左右移动部件均采用电动伸缩杆，如图2所示，上下移动的电动伸缩杆的一端固定在云台3011上，另一端与左右移动的电动伸缩杆连接，摄像单元302安装在左右移动的电动伸缩杆上。在本实施了中，云台3011以及两个电动伸缩杆均匀控制模块40连接。通过控制模块40的控制信号，控制云台3011转动，以及电动伸缩杆的伸缩运动，从而带动摄像单元302的运动，以实现采集呼吸道模型101任意位置的图像信息。
在其他实施例中，可选地，上下移动部件和左右移动部件也可采用螺母-丝杠或者螺母-丝杆机械结构，实现上下平移和左右平移。
需要说明的是，在本实施例中，可选地，摄像单元302位于呼吸道模型101的多级肺部气管结构1012形成的空间内部，便于在实验过程采集各级肺部气管结构1012任意部位的气道表面的气溶胶沉积图像信息。
进一步地，摄像单元302包括SCMOS相机3021和LED光源3022，LED光源3022为环形LED灯带，SCMOS相机3021位于环形LED灯带内。在本实施例中，SCMOS相机3021和LED光源3022均与控制模块40，通过控制模块40的控制完成对各级肺部气管结构1012任意部位的气道表面的气溶胶沉积图像信息的采集。
本实施例的模拟呼吸道内部流动的实验装置，使用透明模型和可视化化测量方法，通过数据采集模块可以采集呼吸道模型的任意位置的图像信息，从而得到呼吸气道任意位置的局部气溶胶沉积特性，而且根据患者医学CT影像通过3D打印制备得到的呼吸道模型，其几何特征与结构细节与真实气道完全相同，通过电控阀门的控制实现对肺部气管结构的出口压力的调节，提供更接近真实环境的边界条件，进而能更精确的模拟人体气道内空气流动和气溶胶沉积的现象，为评估和改进雾化治疗效果，定制气道病变患者的个性化治疗方案，提供直接技术支持。
应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种模拟呼吸道内部流动的实验装置，其特征在于，包括：实验模块(10)、流量测量模块(20)、数据采集模块(30)和控制模块(40)，其中，
所述实验模块(10)包括呼吸道模型(101)，所述呼吸道模型(101)为透明模型，包括上呼吸道结构(1011)和多级肺部气管结构(1012)，其中，多级所述肺部气管结构(1012)的末端均连接下游集气腔(1013)，每一级所述肺部气管结构(1012)的出口处均设置有电控阀门(1014)，以实现对所述肺部气管结构(1012)的出口压力的调节；所述呼吸道模型(101)根据患者医学CT影像，采用光敏树脂材料通过3D打印制备得到；
所述流量测量模块(20)与所述下游集气腔(1013)连接，用于测量所述呼吸道模型(101)内的总气流量；
所述数据采集模块(30)用于采集所述呼吸道模型(101)任意位置的图像信息，包括旋转移动机构(301)和安装在其上的摄像单元(302)；
所述控制模块(40)分别与所述电控阀门(1014)、所述旋转移动机构(301)、所述摄像单元(302)和所述流量测量模块(20)连接。
2.根据权利要求1所述的模拟呼吸道内部流动的实验装置，其特征在于，所述呼吸道模型(101)的空气进口为喇叭型的收缩通道，以实现对吸入空气的整流。
3.根据权利要求2所述的模拟呼吸道内部流动的实验装置，其特征在于，所述喇叭型的收缩通道内设置有滤网(1015)，用于对吸入的空气进行过滤。
4.根据权利要求2所述的模拟呼吸道内部流动的实验装置，其特征在于，所述实验模块(10)还包括雾化器(102)，所述雾化器(102)与所述空气进口连接，用于对吸入的空气进行雾化。
5.根据权利要求1所述的模拟呼吸道内部流动的实验装置，其特征在于，所述实验模块(10)还包括真空泵(103)，所述真空泵(103)与所述下游集气腔(1013)连接，所述真空泵(103)工作在连续抽吸状态，用于将所述呼吸道模型(101)内的空气抽出排入大气。
6.根据权利要求1所述的模拟呼吸道内部流动的实验装置，其特征在于，所述旋转移动机构(301)包括云台(3011)和安装在所述云台(3011)上的移动结构(3012)，其中，所述云台(3011)用于实现水平旋转；所述移动结构(3012)上安装有所述摄像单元(302)，所述移动结构(3012)用于实现所述摄像单元(302)的上下移动和左右移动。
7.根据权利要求1所述的模拟呼吸道内部流动的实验装置，其特征在于，所述摄像单元(302)包括SCMOS相机(3021)和LED光源(3022)，所述LED光源(3022)为环形LED灯带，所述SCMOS相机(3021)位于所述环形LED灯带内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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