CN209625584U - 一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，包括：假人本体、体温控制装置、呼吸模拟装置和若干颗粒物检测装置；体温控制装置安装于假人本体；呼吸模拟装置包括3D打印呼吸道和人工模拟肺；3D打印呼吸道设置于假人本体内部，模拟肺设置于假人本体外部，通过气体输送皮管与呼吸道相连接；若干颗粒物检测装置分别安装在呼吸模拟装置的3D打印呼吸道的底部容积内和假人本体的口鼻处以及假人本体1米外的环境中。本实用新型能够模拟人体表面及内部的发热温度，可较大限度地还原真实情况下的人体微环境；还可模拟人体的呼吸特征；可用于模拟检测颗粒污染物环境下人体呼吸区微环境和呼吸道内颗粒污染物的浓度。

Description

一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人

技术领域

本实用新型属于呼吸暖体假人技术领域，特别涉及一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人。

背景技术

暖体假人是指具有人体外形，能够模拟人体散热情况的仪器设备，主要被用于室内环境舒适度的评价和服装热阻的测试等场所。利用暖体假人代替真人做实验研究可客观地、***地评价热环境以及预测人体对热环境的生理反应。且在一些比较恶劣、危险的实验环境条件下，利用真人做实验危险系数较高，人身安全得不到保证，就需要用假人代替真人做实验，提高实验安全性。现有的各种暖体假人一般仅进行人体温度的模拟，均不涉及人体呼吸特性的模拟，针对目前严重的环境污染问题，要将暖体假人应用于室内环境质量的检测，完成环境污染物的人体吸入暴露评估，就亟需开展呼吸暖体假人的开发工作。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，以解决上述存在的技术问题。本实用新型的呼吸暖体假人能够模拟人体表面发热温度，还原真实情况下的人体温度分布状况以及人体热羽流对环境的影响；还可模拟人体的呼吸特征，再现人体呼吸气流对人体微环境的影响；可用于模拟检测颗粒污染物环境下人体微环境及呼吸道内颗粒污染物吸入暴露浓度；检测结果可为判断颗粒污染物环境对真实人体呼吸道的影响提供较可靠的数据基础和理论指导。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，包括：假人本体、体温控制装置、呼吸模拟装置和若干颗粒物检测装置；体温控制装置安装于假人本体，用于控制调节假人本体体表的温度分布再现人体热羽流对颗粒物吸入暴露的影响；呼吸模拟装置包括：3D打印呼吸道和人工模拟肺；3D打印呼吸道设置于假人本体内，人工模拟肺设置于假人本体外；人工模拟肺通过气体输送皮管与3D打印呼吸道相连接，用于为3D打印呼吸道提供稳定持续的呼吸气流，整个呼吸模拟装置用于模拟人体正常呼吸特征；若干颗粒物检测装置分别安装在呼吸模拟装置的3D打印呼吸道的底部容积内和假人本体的口鼻处以及假人本体1米外的环境中，分别用于检测颗粒污染物的3D打印呼吸道暴露浓度、假人本体微环境浓度以及假人本体所处外界环境的浓度。

进一步的，假人本体包括假人壳体和模拟皮肤层；模拟皮肤层敷设在假人壳体外；体温控制装置包括：加热线圈；加热线圈设置在假人壳体和模拟皮肤层之间。

进一步的，假人壳体由玻璃钢纤维材料制成；模拟皮肤层由织物纤维材料制成。

进一步的，体温控制装置包括：温度控制器、温度检测装置和加热装置；温度控制器的信号接收端与温度检测装置的信号输出端相连接，温度检测装置能够监测假人本体的温度；温度控制器的信号输出端与加热装置相连接，加热装置能够使假人本体升温。

进一步的，加热装置为硅橡胶加热线圈或电热丝，硅橡胶加热线圈或电热丝与温度控制器相连接；温度检测装置为温度感应探头。

进一步的，硅橡胶加热线圈均匀地缠绕在假人壳体的头部、躯干和四肢，通过温度控制器能够控制硅橡胶加热线圈产生热量分区加热整个假人壳体；温度控制器的前端与带有感应装置的温度感应探头相连接，温度控制器的终端为PLC控制电路。

进一步的，3D打印呼吸道的形状根据人体呼吸道CT扫描结果确定，由光敏树脂通过3D打印构建；人工模拟肺包括：止回阀、输出阀、气泵和控制装置；气泵通过吸入管道和呼出管道与模拟呼吸道连通，吸入管道上设置有止回阀，呼出管道上设置有输出阀；止回阀、输出阀和气泵的信号接收端分别与控制装置的信号输出端相连接。

进一步的，颗粒物检测装置包括颗粒物浓度传感器、单片机、时序控制器、实时显示器以及数据存储模组；单片机的信号接收端通过时序控制器连接颗粒物浓度传感器的信号输出端，颗粒物浓度传感器用于采集环境、假人微环境区及呼吸道内的颗粒物浓度数据；单片机的信号输出端连接实时显示器的信号接收端，实时显示器用于将检测的颗粒物浓度数据进行实时显示；单片机的信号输出端连接数据存储模组的信号接收端。

进一步的，颗粒物浓度传感器为数字式通用颗粒物浓度传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的呼吸暖体假人通过呼吸模拟装置和体温控制装置可模拟人体的呼吸特征和体温分布特征；呼吸暖体假人置于污染环境中，通过颗粒物检测装置可检测假人本体微环境和模拟呼吸道内的颗粒污染物浓度，进而可以研究颗粒污染物环境对人体呼吸道的影响，研究结果可为人体吸入暴露评估提供可靠的数据支持和理论指导。本实用新型的呼吸暖体假人可实现模拟人体呼吸和人体体温；将颗粒物检测装置和模拟呼吸道有机结合，可模拟研究人体在恶劣的颗粒污染物环境下，颗粒污染物在呼吸道内的吸入暴露浓度；可模拟比较不同粒径的颗粒污染物在呼吸道的暴露浓度的区别；可用于研究室内空气品质及室内环境对人体吸入暴露的影响等问题。

进一步的，加热装置用于为假人壳体和模拟皮肤层提供热量；一般为保证加热均匀需要在假人壳体上贴附铝箔，但铝箔的辐射率和实际人体辐射率相差较大，为改善假人辐射换热准确性，在假人壳体和加热装置以外敷设模拟皮肤层；将加热装置设置在假人壳体和模拟皮肤层之间可避免加热电线裸露容易造成安全隐患；也可降低加热装置热损失，使加热装置不必要的热耗散在可接受的范围内，保证温度和功率反馈的准确性。

进一步的，假人壳体参照真人形态设计，假人壳体由玻璃钢纤维材料制成，具有较好的导热性能；模拟皮肤层采用织物纤维材料，可使表面发射率与人体皮肤相当；二者结合可以较好的模拟人体体表特征，可进一步提高模拟检测的精确性和可靠性。

进一步的，温度检测装置能够检测假人本体的温度，温度检测装置将检测结果传输给温度控制器；温度控制器通过控制加热装置，可实时控制调整假人本体的温度，可使假人本体的温度保持在需要的温度范围。

进一步的，温度控制器的前端与带有感应装置的温度感应探头相连接，温度控制器的终端为PLC控制电路，温度感应探头检测温度后，经控制电路反馈，通过PLC控制可达到较精确的实时控制调节假人本体温度的目的；温度感应探头分别设置于假人本体的腔体内部和壳体表面不同分区控温处；设置于假人本体内腔中的温度感应探头与温度控制器相连接，用于感应假人内部的温度及其变化；设置于假人壳体外表面的温度感应探头与温度控制器相连接，用于感应假人不同分区的体表温度及其变化；控制电路均可经过电源适配器与常规电源连接，便于操作。

进一步的，呼吸模拟装置可模拟人不同状态下的呼吸情况；模拟呼吸道是根据真实人体呼吸道CT扫描结果，结合3D打印技术使用光敏树脂重建的人体上呼吸道实物模型，具有与真实人体上呼吸道相同的几何边界，能够完整且准确的还原呼吸道内流场状况与颗粒物在人体上呼吸道内运动特征；模拟肺工作时，控制装置控制气泵抽气时间和抽气量，气泵通过连接止回阀的吸入管道将外部空气抽入，控制装置关闭止回阀并打开输出阀，气泵通过输出阀将气体从呼出管道输出，以此实现模拟肺模拟人体呼吸的全过程；需要进一步说明的是：本实用新型的模拟呼吸道模型是根据真实人体呼吸道CT扫描结果，结合3D打印技术使用光敏树脂重建的人体上呼吸道实物模型。与以往研究中常使用的简化呼吸道模型或局部呼吸道模型不同，本实用新型的呼吸道模型具有与真实人体上呼吸道相同的几何边界，能够完整且准确的还原呼吸道内流场状况与颗粒物在人体上呼吸道内运动特征，特别是对喉部结构的还原使得实验中可以准确的反映湍流与过渡流的存在对颗粒物在呼吸道内运动的影响，提高了实验测量结果的真实性与可靠性。本实用新型的呼吸模拟装置中，通过控制装置控制气泵可以产生不同频率和强度的呼吸气流，更接近人体实际呼吸气流的变化规律，能够更准确的反映人体不同活动状态下的呼吸流量变化情况，从而可在呼吸道模型内营造出更加接近人体真实条件下的气流流场，可使模拟检测实验中颗粒污染物在上呼吸道模型中的暴露量更接近人体的真实值，具有较可靠的参考价值。

进一步的，单片机连接时序控制器，时序控制器连接颗粒物浓度传感器，采集外部环境、人体呼吸区和假人呼吸道的颗粒物浓度数据；单片机连接实时显示器，对所检测的颗粒物浓度数据进行实时显示，便于直观的观测；单片机连接数据存储模组，保存所采集的颗粒物浓度数据，用于后续分析研究。也就是颗粒物浓度传感器获取的浓度值会存入单片机的RAM中的，同时时钟芯片通过串口与单片机通讯，数据每次一个字节从时钟送出，这时主机开始将获取颗粒物浓度值和时间数据，在时序控制器作用下利用总线将数据传送到实时显示器中进行显示，并存储在数据存储卡里，便于后期数据处理；另外现有对颗粒物在呼吸道暴露机理的研究中，常用到计算机仿真模拟等方法，本实用新型能为颗粒物在呼吸道暴露情况的研究提供计算仿真模拟所需的基础数据。

进一步的，传感器选用数字式通用颗粒物浓度传感器，该传感器基于激光散射原理，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成质量浓度；其测量范围为0.3～1.0微米，1.0～2.5微米，2.5～10微米，单次响应时间小于1s，主要输出为单位体积内各浓度颗粒物质量以及个数，其中颗粒物个数的单位体积为0.1升，质量浓度单位为：微克/立方米，采集数据可靠性较高。颗粒物浓度传感器的激光散射原理为根据不同粒径大小的颗粒物经过光散射后形成脉冲波形宽度不同，可以检测出单位体积内不同粒径的颗粒物数量。

附图说明

图1是本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人的整体连接结构示意框图；

图2是本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人的整体结构示意图；

图3是本实用新型中3D打印呼吸道的结构示意图；

图4是本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人壳体上的温度区域划分示意图；

图5是本实用新型的人工模拟肺的原理示意图；

图6是本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人的颗粒物浓度传感器的电路连接示意图；

图7是本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人的颗粒物浓度传感器的全引脚结构示意图；

图8是本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人的操作方法的流程示意框图；

在图2和图5中，1、3D打印呼吸道；2、硅橡胶加热线圈；3、人工模拟肺；4、颗粒物检测装置；5、实时显示器；6、止回阀；7、控制装置；8、输出阀；9、气泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参考图1，本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，包括：假人本体、体温控制装置、呼吸模拟装置和若干颗粒物检测装置4。体温控制装置直接与假人本体相连接，作用于假人本体不同划分区域位置；呼吸模拟装置中的3D打印呼吸道嵌入在假人本体中，颗粒物检测装置4在假人本体内部及人体周围多处设置。假人本体可根据志愿者的形体特征，利用Tractus 3D打印机制作标准人体模型，用于再现真实的人体形体特征。呼吸道模型是根据志愿者的呼吸道CT扫描结果，使用医学软件MaterialiseMimics 17进行呼吸道的三维重建，结合3D打印技术重塑的具有与真实人体上呼吸道相同几何边界的光敏树脂呼吸道实物模型。

假人本体包括假人壳体和模拟皮肤层；假人壳体由玻璃钢纤维材料制成；模拟皮肤层由织物纤维材料制成。假人壳体参照真人形态设计，假人壳体由玻璃钢纤维材料制成，具有较好的导热性能；模拟皮肤层采用织物纤维材料，可使表面发射率与人体皮肤相当；二者结合可以较好的模拟人体体表特征，可进一步提高模拟检测的精确性和可靠性。模拟皮肤层敷设在假人壳体外；体温控制装置包括加热装置；加热装置设置在假人壳体和模拟皮肤层之间。

体温控制装置安装于假人本体，体温控制装置用于控制调节假人本体的温度。体温控制装置包括：温度控制器、温度检测装置和加热装置；温度控制器的信号接收端与温度检测装置的信号输出端相连接，温度检测装置能够监测假人本体的温度；温度控制器的信号输出端与加热装置的信号接收端相连接，加热装置能够使假人本体升温。加热装置为硅橡胶加热线圈2或者电热丝；硅橡胶加热线圈2或电热丝与温度控制器相连接；温度检测装置为温度感应探头。硅橡胶加热线圈2均匀地缠绕在假人壳体的头部、躯干和四肢，通过温度控制器能够控制硅橡胶加热线圈2产生热量加热整个假人壳体；温度控制器的前端与带有感应装置的温度感应探头相连接，温度控制器的终端为PLC控制电路。参考图4，假人本体全身划分多个独立区段，即：头部、颈部、胸部、前腹部、背部、臀部、左右上臂、左右前臂及手、左右大腿、左右小腿及足，其形态符合成年男子站立姿势，区段划分参考ASHARE手册相关说明；硅橡胶加热线圈2均匀地缠绕在假人壳体与模拟皮肤层之间，由铝箔胶带固定，通过温度控制器进行分区段温度控制，体表的每一部分的控制都是相对独立的，加热元件也是完全独立的。可采用两种模式对其进行控制，一种是控制每一部分的加热功率，监测各个部分的表面温度变化，一种是控制每一部分的表面温度，监测各个部分的加热功率变化；硅橡胶加热线圈2外层铺覆有织物皮肤外层。实际模拟检测实验过程中：温度控制器前端与带有感应装置的温度感应探头相连接，终端为PLC控制电路。硅橡胶加热线圈2通过加热线快速正负接头与温度控制器相连接，温度控制器的另一端经过电源适配器与常规电源连接。由温度控制器设置分区温度，经硅橡胶加热线圈2在假人表面加升温，由温度感应探头检验各分区温度是否达到设定参数，并反馈给PLC控制电路，最终维持假人表面各分区温度保持不变，可较真实的模拟人体体表温度特征。

呼吸模拟装置包括3D打印呼吸道1和人工模拟肺3；3D打印呼吸道1设置于假人本体内部、人工模拟肺3设置于假人本体外部，呼吸模拟装置用于模拟人体正常呼吸特征。呼吸模拟装置包括：3D打印呼吸道1和人工模拟肺3；3D打印呼吸道1的形状根据人体呼吸道CT扫描结果确定，3D打印呼吸道1由光敏树脂通过3D打印构建；人工模拟肺3包括止回阀6、输出阀8、气泵9和控制装置7；气泵9通过吸入管道和呼出管道与3D打印呼吸道1连通，吸入管道上设置有止回阀6，呼出管道上设置有输出阀8；止回阀6、输出阀8和气泵9的信号接收端分别与控制装置7的信号输出端相连接。参考图2至图5，具体模拟检测试验中，可综合CT扫描技术与3D打印技术两者优势，具体为将300张人体上呼吸道CT扫描图片，导入Materialise Mimics 17软件进行三维重建，使用光敏树脂材料将重建的呼吸道几何结构进行3D打印，获得的呼吸道模型是包含人体脸部、口腔、鼻腔、咽喉、气管和前4级支气管在内的人体上呼吸道和肺部容积实物模型，可实现对上呼吸道各区域几何边界的高度还原。人工模拟肺3实现方法：人工肺包括止回阀6、控制装置7、输出阀8、气泵9、四根呼吸管线。人工模拟肺3通过控制芯片进行控制泵机工作，气泵9通过皮胶管线e连接止回阀6下侧，止回阀6上侧管线d和中部管线a直接连接外部空气，气泵9另一侧连接管线f到输出阀8，输出阀8另一侧分成两根皮胶管线b、c至管线口连接至外部环境。当人工肺工作时，气泵9通过止回阀6的a、d管线将空气抽入气泵9，控制装置进行反应控制气泵9抽气时间和抽气量，并将气体输入管线f，此时止回阀6关闭，气体不能从a、d口输出，管线f通过输出阀8将气体分成两部分分别从b、c管线输出，以此实现人工肺模拟呼吸的全过程，其中皮质管线在管线口外有延长。呼吸模拟装置可模拟人不同状态下的呼吸情况，人工模拟肺3通过气体输送皮管与3D打印的呼吸道中的肺部的预留口相连接，一侧进气，一侧出气；3D打印呼吸道1是根据真实人体呼吸道CT扫描结果，结合3D打印技术使用光敏树脂重建的人体上呼吸道实物模型，具有与真实人体上呼吸道相同的几何边界，能够完整且准确的还原呼吸道内流场状况与颗粒物在人体上呼吸道内运动特征；人工模拟肺3工作时，控制装置控制气泵9抽气时间和抽气量，气泵9通过连接止回阀6的吸入管道将外部空气抽入，控制装置关闭止回阀6并打开输出阀8，气泵9通过输出阀8将气体从呼出管道输出，以此实现人工模拟肺3模拟人体呼吸的全过程；3D打印呼吸道1与人工模拟肺3相结合可进一步提高模拟检测的精确性和可靠性。需要进一步说明的是：本实用新型的模拟呼吸道模型是根据真实人体呼吸道CT扫描结果，结合3D打印技术使用光敏树脂重建的人体上呼吸道实物模型。与以往研究中常使用的简化呼吸道模型或局部呼吸道模型不同，本实用新型的呼吸道模型具有与真实人体上呼吸道相同的几何边界，能够完整且准确的还原呼吸道内流场状况与颗粒物在人体上呼吸道内运动特征，特别是对喉部结构的还原使得实验中可以准确的反映湍流与过渡流的存在对颗粒物在呼吸道内运动的影响，提高了实验测量结果的真实性与可靠性。本实用新型的呼吸模拟装置中，通过控制装置控制气泵可以产生不同频率和强度的呼吸气流，更接近人体实际呼吸气流的变化规律，能够更准确的反映人体不同活动状态下的呼吸流量变化情况，从而可在呼吸道模型内营造出更加接近人体真实条件下的气流流场，可使模拟检测实验中颗粒污染物在上呼吸道模型中的暴露量更接近人体的真实值，具有较可靠的参考价值。

若干颗粒物检测装置4分别安装在呼吸模拟装置的3D打印呼吸道1内和假人本体上，颗粒物检测装置4分别用于检测假人本体内微环境、3D打印呼吸道1内及假人本体所处外界环境的颗粒物浓度。颗粒物检测装置4包括颗粒物浓度传感器、单片机、时序控制器、实时显示器5以及数据存储模组；单片机的信号接收端通过时序控制器连接颗粒物浓度传感器的信号输出端，颗粒物浓度传感器用于采集环境和假人呼吸道的颗粒物浓度数据；单片机的信号输出端连接实时显示器5的信号接收端，实时显示器5用于将检测的颗粒物浓度数据进行实时显示；单片机的信号输出端连接数据存储模组的信号接收端。具体为单片机连接时序控制器，时序控制器连接颗粒物浓度传感器，采集外部环境和假人呼吸道的颗粒物浓度数据；单片机连接实时显示器5，对所检测的颗粒物浓度数据进行实时显示，便于直观的观测；单片机连接数据存储模组，即单片机连接带有tf数据存储卡的读写器，保存所采集的颗粒物浓度数据，用于后续分析研究。也就是颗粒物浓度传感器获取的浓度值会存入单片机的RAM中的，同时时钟芯片通过串口与单片机通讯，数据每次一个字节从时钟送出，这时主机开始将获取颗粒物浓度值和时间数据，在时序控制器作用下利用总线将数据传送到实时显示器5中进行显示，并存储在数据存储卡里，便于后期数据处理；具有高精度和高稳定的优点，另外现有对颗粒物在呼吸道暴露机理的研究中，常用到计算机仿真模拟等方法，本实用新型能为颗粒物在呼吸道暴露情况的研究提供计算仿真模拟所需的数据基础。颗粒物浓度传感器为自主研发的数字式通用颗粒物浓度传感器，参考图6和图7。根据控制需求编译程序嵌入单片机，有效缩小开发板体积，实现将传感器嵌入呼吸道模型的目的。MCU通过SET引脚向复位电路发射信号，通过R1电阻位置控制电平高低，实现数据采集；通过PMS5003的串口发送引脚TXD发出，由MCU的串口接收引脚接收数据，输送至LED屏，实现实时监控。

传感器选用数字式通用颗粒物浓度传感器，该传感器基于激光散射原理，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成质量浓度；其测量范围为0.3～1.0微米，1.0～2.5微米，2.5～10微米，单次响应时间小于1s，主要输出为单位体积内各浓度颗粒物质量以及个数，其中颗粒物个数的单位体积为0.1升，质量浓度单位为：微克/立方米，采集数据可靠性较高。颗粒物浓度传感器的激光散射原理为根据不同粒径大小的颗粒物经过光散射后形成脉冲波形宽度不同，可以检测出单位体积内不同粒径的颗粒物数量。颗粒物浓度传感器负责PM1.0、PM2.5和PM10的采集，基于光散射原理，根据不同粒径大小的颗粒物经过光散射后形成脉冲波形宽度不同，可以检测出单位体积内不同粒径的颗粒物数量。颗粒物浓度传感器获取的浓度值会存入单片机的RAM中的，同时时钟芯片通过串口与单片机通讯，数据每次一个字节从时钟送出，这时主机开始将获取颗粒物浓度值和时间数据，在时序控制器作用下利用总线将数据传送到实时显示器5中进行显示，并存储在数据存储卡里，便于后期数据处理。为精确测量吸入暴露提供了良好的基础，对未来其他室内污染物的吸入暴露研究也具有参考价值。

本实用新型提供了一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人***，其包括：假人本体、置于假人外部的呼吸模拟装置、置于假人内表面和外表面的体温控制装置、置于假人体内和周围环境的颗粒物检测装置。本实用新型所能实现的功能包括：模拟并控制人体体温，模拟人的呼吸，比较3D打印呼吸道内不同粒径颗粒物暴露浓度的区别，比较所检测到的环境颗粒物浓度和3D打印呼吸道内的颗粒物暴露浓度。本实用新型的呼吸暖体假人包含较完整的人体体表结构及呼吸道模型，可进行真实的人体热负荷及呼吸模拟，再现体表热羽流对呼吸区微环境的影响。通过对该呼吸暖体假人的监控和参数采集，可得到客观的人体呼吸颗粒物暴露量参数，可用于各种热舒适、空气品质检测等试验及人体替代性试验，为工人工作环境的保证提供数据基础。

现有的各种暖体假人一般仅进行人体温度的模拟，均不涉及人体呼吸特性的模拟，使用带有呼吸道的呼吸暖体假人可复现人体呼吸气流、热羽流和周围通风气流耦合作用下的人体微环境中的气流特征；通过环境舱内的假人试验，研究不同类型、不同粒径、不同浓度条件下颗粒物的室内分布特征、传输规律，明确颗粒物在人体下呼吸道的暴露规律，结合颗粒物运动、沉降理论分析颗粒物类型、粒径、浓度差对下呼吸道暴露量的影响，确定颗粒物下呼吸道暴露量与环境平均浓度间的关系。结合通风试验，可阐明个性化通风与全面通风耦合作用下的人体微环境气流交互特征与室内颗粒物通风控制机理。最终研究结果可详细预测颗粒物的吸入暴露风险、吸入式气溶胶类药物的输送治疗效果及颗粒物的室内通风控制效果，并将对室内空气质量品质控制标准的制定与控制方法提供依据。

本实用新型的工作过程及操作方法：

请参阅图8，本实用新型的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人的操作方法，具体步骤包括：

步骤1，将呼吸暖体假人置于待检测的环境中，打开体温控制装置，通过体温控制装置实现假人本体分区加热以模拟人体正常体温分布，等待假人温度稳定；

步骤2，打开呼吸模拟装置，调节分钟呼吸量和呼吸频率，模拟人体正常呼吸活动，等待呼吸状态稳定；

步骤3，通过设置在假人本体1米外的颗粒物检测装置检测环境中的颗粒污染物平均浓度值；

步骤4，通过安装在假人本体口鼻处的颗粒物检测装置检测人体微环境中的颗粒污染物浓度值；

步骤5，通过安装在呼吸道底部容积内的颗粒物检测装置，检测呼吸道内的颗粒污染物浓度；

步骤6，分析步骤3至步骤5获得的颗粒物浓度值，对比结果，完成对颗粒污染物人体吸入暴露的检测及影响因素分析。

上述呼吸暖体假人的操作方法适用于本实用新型的呼吸暖体假人，可用于模拟研究人体呼吸和呼吸道在颗粒污染物环境下的暴露情况，操作简便。步骤1的可控制的参数为人体体表温度和发热功率，步骤2的可控制的参数为呼吸频率和呼吸量，步骤3的可测量的参数为环境颗粒污染物浓度，步骤4和步骤5的可测量的参数为人体呼吸区颗粒污染物浓度以及人体下呼吸道颗粒物浓度暴露量，通过布置多个颗粒物检测装置，可对多个位置的环境参数进行实时监测，可模拟研究检测人体处于颗粒污染物环境时，呼吸道中颗粒污染物的暴露浓度。

Claims (9)

1.一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，包括：假人本体、体温控制装置、呼吸模拟装置和若干颗粒物检测装置(4)；

体温控制装置安装于假人本体，用于控制调节假人本体体表的温度分布，再现人体热羽流对颗粒物吸入暴露的影响；

呼吸模拟装置包括：3D打印呼吸道(1)和人工模拟肺(3)；3D打印呼吸道(1)设置于假人本体内，人工模拟肺(3)设置于假人本体外；人工模拟肺(3)通过气体输送皮管与3D打印呼吸道(1)相连通，用于为3D打印呼吸道(1)提供稳定持续的呼吸气流，整个呼吸模拟装置用于模拟人体正常呼吸特征；

若干颗粒物检测装置(4)分别安装在呼吸模拟装置的3D打印呼吸道(1)的底部容积内和假人本体的口鼻处以及假人本体1米外的环境中，分别用于检测颗粒污染物的呼吸道暴露浓度、假人本体微环境浓度以及假人本体所处外界环境的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，假人本体包括假人壳体和模拟皮肤层；模拟皮肤层敷设在假人壳体外；

体温控制装置包括：加热线圈；加热线圈设置在假人壳体和模拟皮肤层之间。

3.根据权利要求2所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，假人壳体由玻璃钢纤维材料制成；模拟皮肤层由织物纤维材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，体温控制装置包括：温度控制器、温度检测装置和加热装置；温度控制器的信号接收端与温度检测装置的信号输出端相连接，温度检测装置能够监测假人本体的温度；温度控制器的信号输出端与加热装置相连接，加热装置能够使假人本体升温。

5.根据权利要求4所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，加热装置为硅橡胶加热线圈(2)或电热丝，硅橡胶加热线圈(2)或电热丝与温度控制器相连接；温度检测装置为温度感应探头。

6.根据权利要求5所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，硅橡胶加热线圈(2)缠绕在假人壳体的头部、躯干和四肢，通过温度控制器能够控制硅橡胶加热线圈(2)产生热量，能够分区加热整个假人壳体；温度控制器的前端与带有感应装置的温度感应探头相连接，温度控制器的终端为PLC控制电路。

7.根据权利要求1所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，

3D打印呼吸道(1)的形状根据人体呼吸道CT扫描结果确定，由光敏树脂通过3D打印构建；

人工模拟肺(3)包括：止回阀(6)、输出阀(8)、气泵(9)和控制装置(7)；气泵(9)通过吸入管道和呼出管道与3D打印呼吸道(1)连通，吸入管道上设置有止回阀(6)，呼出管道上设置有输出阀(8)；止回阀(6)、输出阀(8)和气泵(9)的信号接收端分别与控制装置(7)的信号输出端相连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，颗粒物检测装置(4)包括颗粒物浓度传感器、单片机、时序控制器、实时显示器(5)以及数据存储模组；

单片机的信号接收端通过时序控制器连接颗粒物浓度传感器的信号输出端，颗粒物浓度传感器用于采集环境、假人微环境区及呼吸道内的颗粒物浓度数据；单片机的信号输出端连接实时显示器(5)的信号接收端，实时显示器(5)用于将检测的颗粒物浓度数据进行实时显示；单片机的信号输出端连接数据存储模组的信号接收端。

9.根据权利要求8所述的一种用于颗粒污染物人体吸入暴露检测的呼吸暖体假人，其特征在于，颗粒物浓度传感器为数字式通用颗粒物浓度传感器。