本发明专利技术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系统作为中间介质分别连接气溶胶发生系统与气溶胶监测系统、气溶胶发生系统与真实人体上呼吸道模型入口，测量系统用精度高于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。本发明专利技术能有效测定人体上呼吸道流场气溶胶颗粒的沉积率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及生物医学工程、卫生防护防疫技术与装备、人-机-环境系统工程和呼吸流体力学等
，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。
技术介绍
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；呼吸系统，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、尘肺等呼吸系统疾病恶化，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系统在心率、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；神经系统，带有铅的小颗粒(粒径1μm)在肺泡内沉积后极易进入血液系统，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，导致高级神经系统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、呼吸系统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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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系统、气溶胶监测系统、气路系统和测量系统；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；所述气溶胶发生系统由气溶胶发生器、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；所述气溶胶监测系统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；所述气路系统包括真空泵、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；所述测量系统用精度可达0.1mg的电子天平，用来测定实验前后模型各部分的重量。本专利技术通过集成真实人体上呼吸道实验模型、气溶胶发生系统、气溶胶监测系统、气路系统和测量系统，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是本专利技术整体结构示意图；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是本专利技术真实人体上呼吸道模型示意图；图3是本专利技术气溶胶发生系统示意图；图4是本专利技术气溶胶监测系统示意图；图5是本专利技术气路系统示意图；图6是本专利技术电子天平示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。如附图1所示，本专利技术硬件系统包括真实人体上呼吸道模型、气溶胶发生系统、气溶胶监测系统和气溶胶测量系统。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，所述气溶胶发生系统包括气溶胶发生器(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，所述气溶胶监测系统包括粒径谱仪(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，所述气路系统包括混合舱室(4)、高效过滤器(本文档来自技高网...
【技术保护点】
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、气溶胶发生系统、气溶胶监测系统、气路系统和测量系统；所述气路系统作为中间介质，分别连接气溶胶发生系统和模型入口、气溶胶发生系统与气溶胶监测系统；所述测量系统作为单独的系统使用。
【技术特征摘要】
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、气溶胶发生系统、气溶胶监测系统、气路系统和测量系统；所述气路系统作为中间介质，分别连接气溶胶发生系统和模型入口、气溶胶发生系统与气溶胶监测系统；所述测量系统作为单独的系统使用。2.根据权利要求1之一所述的实验装置，其特征在于，所述气溶胶发生系统由气溶胶发生器、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，所述气溶胶监测系统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，所述气路系统包括真空泵、真空舱室、电磁阀、流量计、比例调节阀和高效过滤器；所...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓娟，徐新喜，沙洪，李福生，孙栋，于俊兰，赵伟，孙道才，白光振，
申请(专利权)人：中国医学科学院生物医学工程研究所，中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所，中国人民解放军第二九一医院，
类型：发明
国别省市：天津;12
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。