專利名稱：基于piv技術(shù)的人體上呼吸道流場測量實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及生物醫(yī)學(xué)工程、衛(wèi)生防護防疫技術(shù)與裝備、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程和流體力學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及適合人體上呼吸道氣流流場測量的一種測量實
驗裝置。
技術(shù)背景 PIV技術(shù)作為研究各種復(fù)雜流場的一種基本手段已廣泛應(yīng)用于各種流動測量與顯示，國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者將這一測量技術(shù)應(yīng)用于通風(fēng)領(lǐng)域的研究。從定常到非定常、低速到高速、單相到多相，在同一時刻記錄整個測量平面的有關(guān)信息，從而獲得流動的瞬時速度場、脈動速度場、渦量場和雷諾應(yīng)力分布等，很適合研究渦流、湍流等復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)的流場測量，可以實現(xiàn)對流體域進行全場、瞬態(tài)、無干擾測量。人體呼吸系統(tǒng)的主要生理機能是在大氣和血液之間交換氧氣和二氧化碳，維持體內(nèi)各級組織進行新陳代謝所需要的氣體環(huán)境。人體上呼吸道是呼吸系統(tǒng)的重要組成部分，是人體與外界環(huán)境進行氣體交換的主要通道。隨著國際生物恐怖威脅的增加、大氣環(huán)境的不斷惡化以及衛(wèi)生防護防疫技術(shù)的發(fā)展，對人體上呼吸道內(nèi)氣流運動研究的重要性已逐漸為人們所關(guān)注。國內(nèi)外已有研究人員對人體上呼吸道流場進行了相關(guān)研究，并取得了一定成果。但是目前研究仍有局限一是采用計算機仿真研究較多而實驗研究較少；二是實驗研究多數(shù)局限在單一口喉模型、鼻腔模型或支氣管模型，缺乏對包括口腔到前三級支氣管在內(nèi)的完整人體上呼吸道模型的研究；三是所用模型大都為簡化模型，概況起來主要體現(xiàn)在以下五個方面1)均假設(shè)剛性壁面，沒有考慮壁面彈性的影響；2)人體上呼吸道內(nèi)的真實呼吸流是典型的流體-結(jié)構(gòu)交互作用影響的過程，而進行這一流-固耦合問題的研究較少，缺乏對流-固耦合現(xiàn)象系統(tǒng)深入的認識；3)聲門形狀隨呼吸流量發(fā)生變化，對上呼吸道內(nèi)的氣流運動具有重要的影響，然而聲門形狀動態(tài)連續(xù)隨呼吸流量變化對下游氣流結(jié)構(gòu)的影響還沒有完全弄清楚；4)現(xiàn)有研究在進行氣流運動分析時均假設(shè)呼吸道壁面光滑，很少考慮軟骨結(jié)構(gòu)；5)人體肺部的非對稱性是肺部模型的重要特點，目前針對這種非對稱性影響的研究仍然較少，其對氣流運動的影響尚未達成共識；四是國內(nèi)外僅限于對整體氣流組織形式的研究。人體上呼吸道氣流運動為等溫、不可壓縮流動，多數(shù)情況下是層流或者低雷諾數(shù)的湍流流動。同時，渦結(jié)構(gòu)特征及其演化形式是上呼吸道氣流運動現(xiàn)象的顯著特點，呼吸氣流運動受呼吸模式、呼吸道結(jié)構(gòu)特點、壁面粘液等多因素的影響，經(jīng)歷由層流向湍流過渡以及由大尺度渦結(jié)構(gòu)向小尺度渦結(jié)構(gòu)過渡的湍流轉(zhuǎn)捩過程，在湍流轉(zhuǎn)捩過程中形成渦結(jié)構(gòu)、流動分離、二次流等較為復(fù)雜的氣流運動形式，其內(nèi)部流場極為復(fù)雜。正是在這一背景下，通過建立包括從口腔到前三級支氣管在內(nèi)的真實人體上呼吸道模型，構(gòu)想一種基于P IV技術(shù)的人體上呼吸道流場測量方法并研制實驗裝置
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，通過建立真實的人體上呼吸道模型，配備真空泵、電磁閥、流量計、真空艙室、煙霧混合艙室等設(shè)備和器材，以及由激光器、CCD照相機、煙霧發(fā)生器和電腦等組成的PIV測試系統(tǒng)，提供一種能夠測量穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況下人體上呼吸道流場氣流運動特性、渦結(jié)構(gòu)特征及演化形式、剪應(yīng)力變化及分布的測量實驗裝置。本實用新型人體上呼吸道流場測量實驗裝置，通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)，所述實驗裝置包括真實人體上呼吸道模型、氣路系統(tǒng)和PIV測試系統(tǒng)；所述真實人體上呼吸道模型包括口腔、懸雍垂、咽部、會厭、喉部、聲門、梨狀窩、主氣管、二級支氣管和三級支氣管；所述模型口腔進口簡化為圓形，口腔腔體為拱形，口腔的進口沿水平方向；所述模型懸雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁處，高為6. 14mm;所述模型咽部形狀不規(guī)則，矢狀位大于冠狀位，咽部和口腔底部平滑連接；所述模型喉部下方有聲門開口，會厭在咽的內(nèi)部突起，會厭與聲門通過管型連接，會厭至少距離咽部底部20mm ;所述梨 狀窩位于喉部底端兩側(cè)；所述模型聲門與氣管平滑連接；所述模型主氣管分別連接兩個二 級支氣管，二級支氣管分別連接長度和數(shù)目不同的三級支氣管，主氣管長134. 69mm，各級支氣管長短不一，上述氣管平滑連接而成，所述支氣管相對于主氣管非對稱分布；所述氣路系統(tǒng)包括真空泵、真空艙室、電磁閥、流量計、比例調(diào)節(jié)閥和煙霧混合艙室；第一真空氣路包括第一真空泵和第一真空艙室，所述第一真空泵與第一真空艙室之間連接電磁閥四和流量計四，第一真空艙室通過依次設(shè)置電磁閥五、第一比例調(diào)節(jié)閥和流量計五的管路分別與煙霧混合艙室和真實人體上呼吸道模型入口連接；第二真空氣路包括第二真空泵和第二真空艙室，所述第二真空泵與第二真空艙室之間連接第二電磁閥和第二通過流量計，所述第二真空泵與第二真空艙室之間連接電磁閥一和流量計一，第二真空艙室通過依次設(shè)置電磁閥二、第二比例調(diào)節(jié)閥、流量計二和流量計三的管路分別與三級支氣管末端連接，煙霧混合艙室通過設(shè)置電磁閥六、電磁閥七的管路分別與三級支氣管末端連接；所述PIV測試系統(tǒng)由脈沖激光器、跨幀CCD相機、同步控制器、煙霧發(fā)生器、示蹤粒子和電腦組成；所述脈沖激光器置于真實人體上呼吸道模型同側(cè)；所述跨幀CCD相機正對真實人體上呼吸道模型垂直置于脈沖激光器產(chǎn)生的片光源方向；所述同步控制器連接脈沖激光器、跨幀CCD相機和電腦；所述示蹤粒子置于氣溶膠發(fā)生器內(nèi)，氣溶膠發(fā)生器輸出端置于煙霧混合艙室內(nèi)。所述模型咽部為矢狀位大于冠狀位的不規(guī)則形狀。所述模型左側(cè)一級支氣管長度大于右側(cè)一級支氣管，所述模型左右兩側(cè)靠下的二級支氣管長度分別大于同側(cè)靠上的二級支氣管長度，所述三級支氣管的支氣管長短不同。所述模型右側(cè)靠上的二級支氣管連接三個三級支氣管，其他二級支氣管各連接兩個長度不同的三級支氣管。本實用新型通過集成真實人體上呼吸道模型、氣路控制系統(tǒng)及PIV測試系統(tǒng)，能夠更加精確地測定人體上呼吸道流場氣流運動特性并能人體上呼吸道內(nèi)的氣流渦結(jié)構(gòu)特征及其演化形式和剪應(yīng)力的變化及分布形式。

圖I是本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；[0014]圖2是本實用新型真實人體上呼吸道模型示意圖；圖3是本實用新型氣路系統(tǒng)示意圖；圖4是本實用新型PIV測量系統(tǒng)示意圖；圖5是本實用新型模擬吸氣階段示意圖；圖6是本實用新型模擬呼氣階段示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步說明。如附圖I所示，本實用新型包括真實人體上呼吸道模型、氣路系統(tǒng)和PIV測試系統(tǒng)三大部分。圖2所示為真實人體上呼吸道模型，模型包括口腔41、懸雍垂、咽部42、會厭、喉部、聲門、梨狀窩43、主氣管44、二級支氣管45和三級支氣管46 ;所述模型口腔進口簡化為圓形，口腔腔體為拱形，口腔的進口沿水平方向，舌后區(qū)高度為33. 55mm;所述模型懸雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁處，高為6. 14mm ;所述模型咽部形狀不規(guī)則，矢狀位大于冠狀位，咽部和口腔底部平滑連接；所述模型喉部下方有聲門開口，會厭在咽的內(nèi)部突起，會厭與聲門通過管型連接，會厭后區(qū)高度41. 92mm ;所述模型梨狀窩位于喉部底端兩側(cè)；所述模型聲門與氣管平滑連接；所述模型主氣管44分別連接兩個二級支氣管45，二級支氣管分別連接長度和數(shù)目不同的三級支氣管46，主氣管長134. 69mm,各級支氣管長短不一，上述氣管平滑連接而成，所述支氣管相對于主氣管非對稱分布；所述模型基于正常人體上呼吸道CT掃描圖像，運用高級圖像處理技術(shù)對人體上呼吸道模型進行規(guī)范化處理并進行三維重建，將重建后的真實人體上呼吸道模型數(shù)據(jù)輸入到SPS600快速成形機，采用激光快速成型技術(shù)，制作透明的樹脂真實人體上呼吸道模型。如圖3所示，所述氣路系統(tǒng)包括第一真空泵25、第二真空泵2、第一真空艙室28、第二真空艙室5、電磁閥一 3、電磁閥二 6、電磁閥三16、電磁閥四26、電磁閥五29、電磁閥六32、電磁閥七39、流量計一 4、流量計二 8、流量計三15、流量計四27、流量計五31、第一比例調(diào)節(jié)閥30、第二比例調(diào)節(jié)閥7以及煙霧混合艙室17 ;第一真空氣路包括第一真空泵和第一真空艙室，所述第一真空泵與第一真空艙室之間連接電磁閥四26和流量計四27，第一真空艙室通過依次設(shè)置電磁閥五29、第一比例調(diào)節(jié)閥30和流量計五的管路分別與煙霧混合艙室和真實人體上呼吸道模型入口連接，與煙霧混合艙室連接的管路設(shè)置電磁閥三16 ;第二真空氣路包括第二真空泵和第二真空艙室，所述第二真空泵與第二真空艙室之間連接電磁閥一 3和流量計一 4，第二真空艙室通過依次設(shè)置電磁閥二 6、第二比例調(diào)節(jié)閥7、流量計二8和流量計三15的管路分別與三級支氣管末端連接，煙霧混合艙室通過設(shè)置電磁閥六32、電磁閥七39的管路分別與三級支氣管末端連接。各器件通過軟管連接，連接處加裝寶塔接頭和喉箍，保證整個氣路具有良好的密封性；所述真空泵用來提供氣源，使真空艙室形成相對真空狀態(tài)；所述真空艙室用來模仿人體肺部；所述電磁閥為常閉型控制氣路開關(guān)；所述流量計用以觀測流量；所述比例調(diào)節(jié)閥用以實現(xiàn)人體循環(huán)呼吸的流量控制；所述煙霧混合艙室用以存儲示蹤粒子并起緩沖作用。如附圖4所示，所述PIV測試系統(tǒng)包括脈沖激光器19、跨幀CXD相機21、同步控制器23、煙霧發(fā)生器18、示蹤粒子24和計算機22，所述脈沖激光器置于真實人體上呼吸道模型同側(cè)；所述跨幀CCD相機正對真實人體上呼吸道模型垂直置于脈沖激光器產(chǎn)生的片光源20方向；所述同步控制器連接脈沖激光器、跨幀CCD相機和電腦；所述示蹤粒子置于氣溶膠發(fā)生器內(nèi)，氣溶膠發(fā)生器輸出端置于煙霧混合艙室內(nèi)?；赑IV技術(shù)的人體上呼吸道流場測量實驗裝置的實驗方法，通過對不同呼吸模式、呼吸頻率的測量，分別得到穩(wěn)態(tài)呼吸模式和循環(huán)呼吸模式下人體上呼吸道流場氣流運動特性、渦結(jié)構(gòu)特征及演化形式、剪應(yīng)力變化及分布形式。具體實現(xiàn)如下詳述如附圖5所示，吸氣階段穩(wěn)態(tài)實驗時，電磁閥一 3通電，開啟第二真空泵2，通過流量計一 4來觀察第二真空艙室5被抽出的氣體，待第二真空艙室5形成相對真空后，令電磁閥一 3斷電同時關(guān)閉第二真空泵2 ;然后令電磁閥三16和電磁閥二 6通電，令第二比例調(diào)節(jié)閥7保持恒定開度，通過流量計二 8、流量計三15觀察從人體上呼吸道模型入口處進入到模型內(nèi)氣體的流量，打開激光器19并調(diào)整激光能量，形成片光源20來照射人體上呼吸道模型1，利用同步控制器23跨控制幀CCD相機21以垂直片光源方向?qū)蚀郎y區(qū)域，用示蹤 粒子24對光的散射作用，記錄下兩次脈沖激光曝光時粒子的圖像，形成整個待測區(qū)域的兩幅PIV底片(即一對相同待測區(qū)域、不同時刻的圖片)，并將所拍攝的圖像傳入計算機22中；采用圖像處理技術(shù)將所得圖像分成許多很小的區(qū)域(稱為查問區(qū))，使用自相關(guān)或互相關(guān)統(tǒng)計技術(shù)求取查問區(qū)內(nèi)粒子位移的大小和方向，脈沖間隔時間已設(shè)定，粒子的速度矢量即可求出；對查問區(qū)中所有粒子的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計平均可得該查問區(qū)的速度矢量，對所有查問區(qū)進行上述判定和統(tǒng)計可得出整個速度矢量場；所述PIV測試原理用公式表示為= '，
^AtxVv = ^^ 二 Vv，
>Aty式中，vx、vy為水質(zhì)點沿x、y方向的瞬時速度7、Vv為水質(zhì)點沿x、y方向的平均速度，At為測量的時間間隔；利用計算機22中的Insight軟件即可同時獲得吸氣時人體上呼吸道流場氣流渦結(jié)構(gòu)特征及其演化形式和剪應(yīng)力的變化及分布形式。如圖6所示，呼氣階段穩(wěn)態(tài)實驗時，電磁閥四26通電，開啟第一真空泵25，通過流量計四27來觀察第一真空艙室28被抽出的氣體，待第一真空艙室28形成相對真空后，令電磁閥四26斷電同時關(guān)閉第一真空泵25 ;然后令電磁閥五29和電磁閥六32、電磁閥七39通電，令第一比例調(diào)節(jié)閥30保持恒定開度，通過流量計五31觀察從人體上呼吸道模型支氣管末端進入到模型內(nèi)氣體的流量，打開激光器19并調(diào)整激光能量，形成片光源20來照射人體上呼吸道模型I，利用同步控制器23跨控制幀CXD相機21以垂直片光源方向?qū)蚀郎y區(qū)域進行拍攝，下同吸氣階段實驗步驟。瞬態(tài)呼吸實驗時，根據(jù)一般的生理常識，人每分鐘的呼吸次數(shù)為15次左右，因此一個呼吸周期約為4秒。我們假定在一個呼吸周期內(nèi)呼氣和吸氣的過程分別為2秒，并假定氣流速度是時間的正弦函數(shù)。利用第一比例調(diào)節(jié)閥30和第二比例調(diào)節(jié)閥7均按正弦變化來調(diào)節(jié)整個氣路氣流形式，因二者均可實現(xiàn)正弦波的半個周期，而氣流方向相反，故呼吸周期可實現(xiàn)完整的正弦波形式。因此，瞬態(tài)呼吸實驗重復(fù)以上步驟，只要通過調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥按正弦變化并控制每次呼吸的時間即可實現(xiàn)。
權(quán)利要求1.一種基于PIV技術(shù)的人體上呼吸道流場測量實驗裝置，其特征是，所述實驗裝置包括真實人體上呼吸道模型、氣路系統(tǒng)和Piv測試系統(tǒng)； 所述真實人體上呼吸道模型包括口腔、懸雍垂、咽部、會厭、喉部、聲門、梨狀窩、主氣管、二級支氣管和三級支氣管；所述模型口腔進口簡化為圓形，口腔腔體為拱形，口腔的進口沿水平方向；所述模型懸雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁處，高為6. 14mm ;所述咽部與口腔底部平滑連接；所述模型喉部下方有聲門開口，會厭在咽的內(nèi)部突起，會厭與聲門通過管型連接，會厭至少距離咽部底部20mm ;所述梨狀窩位于喉部底端兩側(cè)；所述聲門與氣管平滑連接；所述模型主氣管分別連接兩個二級支氣管，二級支氣管分別連接三級支氣管，主氣管長度為134. 69mm，上述氣管平滑連接而成，所述支氣管相對于主氣管非對稱分布； 所述氣路系統(tǒng)包括真空泵、真空艙室、電磁閥、流量計、比例調(diào)節(jié)閥和煙霧混合艙室 ’第一真空氣路包括第一真空泵和第一真空艙室，所述第一真空泵與第一真空艙室之間連接電磁閥四和流量計四，第一真空艙室通過依次設(shè)置電磁閥五、第一比例調(diào)節(jié)閥和流量計五的管路分別與煙霧混合艙室和真實人體上呼吸道模型入口連接；第二真空氣路包括第二真空泵和第二真空艙室，所述第二真空泵與第二真空艙室之間連接第二電磁閥和第二通過流量計，所述第二真空泵與第二真空艙室之間連接電磁閥一和流量計一，第二真空艙室通過依次設(shè)置電磁閥二、第二比例調(diào)節(jié)閥、流量計二和流量計三的管路分別與三級支氣管末端連接，煙霧混合艙室通過設(shè)置電磁閥六、電磁閥七的管路分別與三級支氣管末端連接； 所述PIV測試系統(tǒng)由脈沖激光器、跨幀CCD相機、同步控制器、煙霧發(fā)生器、示蹤粒子和電腦組成；所述脈沖激光器置于真實人體上呼吸道模型同側(cè)；所述跨幀CXD相機正對真實人體上呼吸道模型垂直置于脈沖激光器產(chǎn)生的片光源方向；所述同步控制器連接脈沖激光器、跨幀CCD相機和電腦；所述示蹤粒子置于氣溶膠發(fā)生器內(nèi)，氣溶膠發(fā)生器輸出端置于煙霧混合艙室內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PIV技術(shù)的人體上呼吸道流場測量實驗裝置，其特征是，所述模型咽部為矢狀位大于冠狀位的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PIV技術(shù)的人體上呼吸道流場測量實驗裝置，其特征是，所述模型左側(cè)一級支氣管長度大于右側(cè)一級支氣管，所述模型左右兩側(cè)靠下的二級支氣管長度分別大于同側(cè)靠上的二級支氣管長度，所述三級支氣管的支氣管長短不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PIV技術(shù)的人體上呼吸道流場測量實驗裝置，其特征是，所述模型右側(cè)靠上的二級支氣管連接三個三級支氣管，其他二級支氣管各連接兩個長度不同的三級支氣管。
專利摘要本實用新型公開了一種基于PIV技術(shù)的人體上呼吸道流場測量實驗裝置。本實用新型以真實人體上呼吸道模型為研究對象，利用真空泵的抽吸作用使氣體在模型內(nèi)形成通路，模擬人體肺的呼吸過程。在流場內(nèi)散播示蹤粒子，用激光器產(chǎn)生的片光源照射人體上呼吸道模型流場，并利用跨幀CCD相機以垂直片光源方向?qū)蚀郎y區(qū)域，根據(jù)示蹤粒子對光的散射作用，記錄下兩次脈沖激光曝光時粒子的圖像并傳送到計算機內(nèi)進行計算和分析，采用自相關(guān)或互相關(guān)算法求得人體上呼吸道模型流場內(nèi)流體的速度，同時獲得吸氣時人體上呼吸道流場氣流渦結(jié)構(gòu)特征及其演化形式和剪應(yīng)力的變化及分布形式。
文檔編號G01M9/06GK202494557SQ20112052450
公開日2012年10月17日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者劉亞軍, 劉志國, 孫棟, 徐新喜, 李福生, 譚樹林, 趙秀國, 高振海 申請人:中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所