一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實驗系統的製作方法

2023-07-23 19:29:06 1

本發明屬於生物醫學工程、衛生防護防疫技術與裝備、人-機-環境系統工程、呼吸流體力學及個人呼吸防護等技術領域，具體地說，是涉及一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實驗系統。

背景技術：

隨著全球工業化的加速發展，大氣汙染使呼吸系統疾病成為一種常見病、多發病，可吸入顆粒物(指空氣動力學直徑<10μm的空氣懸浮顆粒物)在肺部的沉積是主要誘因之一。人體呼吸系統由呼吸道(鼻、咽、喉、氣管、支氣管)和肺組成。呼吸道的主要作用是氣體的通道，溝通肺與外界環境。空氣中的可吸入顆粒物通過呼吸作用進入人體後，一部分沉積在人體呼吸系統的傳導部分，即鼻、咽、喉、氣管、主支氣管和肺內的多級細支氣管；另一部分則會進入肺腺泡區，大量的沉積使肺部病變，影響呼吸功能，並進一步穿透肺泡壁進入人體血液循環系統，對人體健康造成巨大傷害。

另一方面，隨著對肺功能及哮喘、肺氣腫、慢性阻塞性肺病等疾病的深入了解，人們認識到吸入給藥是治療上述疾病的有效方式。肺部吸入製劑因使用方便、起效迅速、避免了肝臟的首過效應，減少全身給藥可能產生的不良反應和藥物過量使用等優點成為目前廣泛關注的治療呼吸系統疾病的方法。吸入製劑進入人體後，沉積在上呼吸道的藥物大部分通過纖毛的運動被排出體外，只有沉積在肺腺泡中的藥物才能進入血循環而被吸收。即要提高吸入給藥在肺部的生物利用度，必須提高其在肺腺泡區的沉積量。因此，建立肺部可吸入顆粒物沉積體外測量實驗裝置，具有巨大的科學研究價值和應用價值。

上呼吸道顆粒物沉積可以通過計算機模型和ct掃描建立實體模型的方法進行測量分析。專利cn204797996u介紹了一種稱重法測量人體上呼吸道顆粒物沉積的方法和裝置，有效地解決了人體上呼吸道顆粒物沉積模擬測量問題，但它沒有考慮上呼吸道對吸入空氣的加溼作用，且無法測量人體細末支氣管和肺泡區域的沉積。

肺腺泡是呼吸作用的主要區域，佔呼吸系統體積的90％，測量各種呼吸、環境、疾病影響等條件下顆粒物肺腺泡沉積並發現沉積規律十分必要。對該部分的測量目前主要採用實驗動物或志願者實際測試的方法，但成本高昂，實驗周期長、對人體副作用大。由於肺腺泡區結構複雜、尺寸較小，尚無法通過ct掃描方式建立實體模型。中國專利cn104050321a描述了一種肺泡顆粒物運行軌跡的計算機模型，對肺泡進行了大量的簡化。但模擬結果是基於理想邊界條件的假設，屬於計算機仿真範疇，所獲得數據不是基於實驗所得，通常需要實體模型進一步驗證，實際應用價值有限。

中國專利cn102750859a採用了彈性矽膠材料製成了一種模擬肺通氣的裝置，調節矽膠材料彈性模量與人體肺部相近，實現了彈性呼吸的模擬。雖然該專利提供了一種建立彈性肺腺泡模型的思路，但它僅能模擬再現呼吸過程，無法進行可吸入顆粒物在肺腺泡區沉積實驗。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實驗系統。

本發明的技術方案概述如下：

一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實驗系統，包括標準粒子發生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計數器1-2，標準粒子發生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計數器1-2分別通過管道與單向進氣閥1-3連接；單向進氣閥1-3通過管道與連接加溼器1-4的管道匯合後的總管道1-14貫穿透明實驗容器1-10的蓋體，與設置在透明實驗容器1-10內部的肺腺泡實驗模型1-9的模擬15級支氣管2-1連接，模擬15級支氣管2-1通過第一y型三通2-2與2個模擬16級支氣管2-3連接，每個模擬16級支氣管2-3通過第二y型三通2-4與2個模擬17級支氣管2-5連接，每個模擬17級支氣管2-5通過連接管2-6與模擬肺腺泡簇2-7連接，模擬肺腺泡簇2-7包括模擬肺泡管3-4，模擬肺泡管3-4上設置有接口3-1,接口3-1的外壁上設置有環狀凸起3-2，模擬肺腺泡3-3與接口3-1活動連接並通過環狀凸起3-2固定；透明實驗容器1-10的底部通過管道與模擬呼吸泵1-11連接；透明實驗容器1-10上設置有壓力計1-8；呼氣氣溶膠顆粒計數器1-6通過管道依次與單向排氣閥1-5和總管道1-14連接；設置有數據分析系統的計算機1-12分別與piv粒子示蹤儀1-13和模擬呼吸泵1-11電連接，piv粒子示蹤儀1-13設置在透明實驗容器1-10的一側。

本發明的優點：

本發明可以提供不同粒徑、呼吸方式、環境溼度和病理條件下的可吸入顆粒物沉積率的體外測量。實驗人員採用本發明有望揭示肺腺泡區顆粒物的沉積規律和影響因素，探索肺部疾病的成因、發展、預防、靶向治療及可吸入療法的優化，並用於代替實驗動物或志願者進行藥物療效分析和新藥物開發。

附圖說明

圖1為本發明的示意圖。

圖2為肺腺泡實驗模型結構示意圖。

圖3為模擬肺腺泡管和模擬肺腺泡局部剖面示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。

本發明標準粒子發生裝置以f9531標準粒子發生裝置為例，它為市售。但並不限定本發明。

氣溶膠顆粒計數器為市售。

本發明根據weibela解剖學模型放大50倍確定肺腺泡毗鄰15-17級細末支氣管的直徑、長度、分支角度、肺泡尺寸以及j.y.wang的肺泡生物力學參數建立真實的人體肺腺泡模型，配備標準粒子發生裝置、氣溶膠顆粒計數器、模擬呼吸泵、加溼器、piv粒子示蹤儀等，提供一種能夠測量人體肺腺泡區模型沉積率、沉積分布、單個肺泡沉積量、流場分布的測量實驗裝置。

一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實驗系統，包括標準粒子發生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計數器1-2，標準粒子發生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計數器1-2分別通過管道與單向進氣閥1-3連接；單向進氣閥1-3通過管道與連接加溼器1-4的管道匯合後的總管道1-14貫穿透明實驗容器1-10的蓋體，與設置在透明實驗容器1-10內部的肺腺泡實驗模型1-9的模擬15級支氣管2-1連接，模擬15級支氣管2-1通過第一y型三通2-2與2個模擬16級支氣管2-3連接，每個模擬16級支氣管2-3通過第二y型三通2-4與2個模擬17級支氣管2-5連接，每個模擬17級支氣管2-5通過連接管2-6與模擬肺腺泡簇2-7連接，模擬肺腺泡簇2-7包括模擬肺泡管3-4，模擬肺泡管3-4上設置有接口3-1,接口3-1的外壁上設置有環狀凸起3-2，模擬肺腺泡3-3與接口3-1活動連接並通過環狀凸起3-2固定；透明實驗容器1-10的底部通過管道與模擬呼吸泵1-11連接；透明實驗容器1-10上設置有壓力計1-8；呼氣氣溶膠顆粒計數器1-6通過管道依次與單向排氣閥1-5和總管道1-14連接；設置有數據分析系統的計算機1-12分別與piv粒子示蹤儀1-13和模擬呼吸泵1-11電連接電連接，所述piv粒子示蹤儀1-13設置在透明實驗容器1-10的一側。

模擬肺腺泡可以選用其彈性模量、泊松比與肺泡生物力學參數一致的天然乳膠，例如：型號cy50x2，僅是舉例，並不對其進行限定。

模擬肺腺泡和各級細末支氣管採用活動連接，可以拆解成單個單元，便於單獨分析。

標準粒子發生裝置為兩相流氣溶膠發生器，可以產生濃度大於106個/cm3的高度單分散氣溶膠，粒徑範圍為0.1μm-8μm，球形，顆粒物大小和濃度可以改變。

模擬呼吸泵為活塞式。

本發明一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實驗系統的使用：

使用本發明的一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實驗系統，加壓確定無洩漏；打開單向進氣閥1-3，啟動標準粒子發生裝置1-1，發生單分散聚苯乙烯微球，開啟吸氣氣溶膠顆粒計數器1-2，測量發生濃度，直至採樣濃度穩定；設置模擬呼吸泵1-11達到實驗需要的壓力和流量周期，開啟模擬呼吸泵1-11，開始記錄呼吸循環；打開單向排氣閥1-5，開啟呼氣氣溶膠顆粒計數器1-6，測量呼出氣溶膠濃度，記錄時間累計個數；吸入濃度和呼出濃度的差值與吸入濃度的比值即為肺腺泡實驗模型1-9總顆粒物沉積率。系統工作時，通過加溼器1-4向氣溶膠加溼，壓力計1-8記錄壓力。在實驗開始後，開啟piv粒子示蹤儀1-13，測量肺腺泡內可吸入顆粒物運動速度和流場；達到設定的呼吸循環次數後，依次關閉標準粒子發生裝置1-1、吸氣氣溶膠顆粒計數器1-2、模擬呼吸泵1-11、單向進氣閥1-3；計算顆粒物在人體肺腺泡區總沉積率。

通過計算機控制模擬呼吸泵，可以測量模擬呼吸頻率、潮氣量、殘氣量、壓差和呼吸流量，並繪製呼吸流量曲線。

加溼器可向肺腺泡實驗模型加溼50％～100％。

piv粒子示蹤儀用於顯示和計算顆粒物在模擬肺腺泡簇內各區域的運動速度和軌跡。

本發明能夠模擬真實人體肺腺泡區生物力學及呼吸特徵，實現人體肺腺泡區體外可吸入顆粒物運動軌跡與沉積率測量。

設置有數據分析系統的計算機1-12和piv粒子示蹤儀1-13可實時顯示系統內顆粒物運動軌跡、測量運動參數。

單向閥確保氣溶膠運動是單向的。

透明實驗容器的蓋體能夠打開和關閉，安裝壓緊結構確保關閉時實驗容器氣密。

本發明的系統操作時，通過對不同呼吸頻率和呼吸深度的測量，可得到穩態呼吸模式不同呼吸流量氣溶膠在模型中的沉積情況。通過改變氣溶膠性質，可以模擬藥物吸入治療效果和藥物進入肺泡後的分布擴散情況。通過改變支氣管形狀和肺泡形狀、尺寸、厚度、彈性模量可進行肺部病變條件下可吸入顆粒物沉積的變化。