本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程、衛(wèi)生防護(hù)防疫技術(shù)與裝備、人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程、呼吸流體力學(xué)及個(gè)人呼吸防護(hù)等技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著全球工業(yè)化的加速發(fā)展，大氣污染使呼吸系統(tǒng)疾病成為一種常見病、多發(fā)病，可吸入顆粒物(指空氣動力學(xué)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(tǒng)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(huán)境。空氣中的可吸入顆粒物通過呼吸作用進(jìn)入人體后，一部分沉積在人體呼吸系統(tǒng)的傳導(dǎo)部分，即鼻、咽、喉、氣管、主支氣管和肺內(nèi)的多級細(xì)支氣管；另一部分則會進(jìn)入肺腺泡區(qū)，大量的沉積使肺部病變，影響呼吸功能，并進(jìn)一步穿透肺泡壁進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，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(rèn)識到吸入給藥是治療上述疾病的有效方式。肺部吸入制劑因使用方便、起效迅速、避免了肝臟的首過效應(yīng)，減少全身給藥可能產(chǎn)生的不良反應(yīng)和藥物過量使用等優(yōu)點(diǎn)成為目前廣泛關(guān)注的治療呼吸系統(tǒng)疾病的方法。吸入制劑進(jìn)入人體后，沉積在上呼吸道的藥物大部分通過纖毛的運(yùn)動被排出體外，只有沉積在肺腺泡中的藥物才能進(jìn)入血循環(huán)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(qū)的沉積量。因此，建立肺部可吸入顆粒物沉積體外測量實(shí)驗(yàn)裝置，具有巨大的科學(xué)研究價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

上呼吸道顆粒物沉積可以通過計(jì)算機(jī)模型和ct掃描建立實(shí)體模型的方法進(jìn)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濕作用，且無法測量人體細(xì)末支氣管和肺泡區(qū)域的沉積。

肺腺泡是呼吸作用的主要區(qū)域，占呼吸系統(tǒng)體積的90％，測量各種呼吸、環(huán)境、疾病影響等條件下顆粒物肺腺泡沉積并發(fā)現(xiàn)沉積規(guī)律十分必要。對該部分的測量目前主要采用實(shí)驗(yàn)動物或志愿者實(shí)際測試的方法，但成本高昂，實(shí)驗(yàn)周期長、對人體副作用大。由于肺腺泡區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較小，尚無法通過ct掃描方式建立實(shí)體模型。中國專利cn104050321a描述了一種肺泡顆粒物運(yùn)行軌跡的計(jì)算機(jī)模型，對肺泡進(jìn)行了大量的簡化。但模擬結(jié)果是基于理想邊界條件的假設(shè)，屬于計(jì)算機(jī)仿真范疇，所獲得數(shù)據(jù)不是基于實(shí)驗(yàn)所得，通常需要實(shí)體模型進(jìn)一步驗(yàn)證，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有限。

中國專利cn102750859a采用了彈性硅膠材料制成了一種模擬肺通氣的裝置，調(diào)節(jié)硅膠材料彈性模量與人體肺部相近，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)呼吸過程，無法進(jìn)行可吸入顆粒物在肺腺泡區(qū)沉積實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下：

一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器1-2，標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器1-2分別通過管道與單向進(jìn)氣閥1-3連接；單向進(jìn)氣閥1-3通過管道與連接加濕器1-4的管道匯合后的總管道1-14貫穿透明實(shí)驗(yàn)容器1-10的蓋體，與設(shè)置在透明實(shí)驗(yàn)容器1-10內(nèi)部的肺腺泡實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?-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(gè)模擬16級支氣管2-3連接，每個(gè)模擬16級支氣管2-3通過第二y型三通2-4與2個(gè)模擬17級支氣管2-5連接，每個(gè)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(shè)置有接口3-1,接口3-1的外壁上設(shè)置有環(huán)狀凸起3-2，模擬肺腺泡3-3與接口3-1活動連接并通過環(huán)狀凸起3-2固定；透明實(shí)驗(yàn)容器1-10的底部通過管道與模擬呼吸泵1-11連接；透明實(shí)驗(yàn)容器1-10上設(shè)置有壓力計(jì)1-8；呼氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)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(shè)置有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(shè)置在透明實(shí)驗(yàn)容器1-10的一側(cè)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明可以提供不同粒徑、呼吸方式、環(huán)境濕度和病理?xiàng)l件下的可吸入顆粒物沉積率的體外測量。實(shí)驗(yàn)人員采用本發(fā)明有望揭示肺腺泡區(qū)顆粒物的沉積規(guī)律和影響因素，探索肺部疾病的成因、發(fā)展、預(yù)防、靶向治療及可吸入療法的優(yōu)化，并用于代替實(shí)驗(yàn)動物或志愿者進(jìn)行藥物療效分析和新藥物開發(fā)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意圖。

圖2為肺腺泡實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)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(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置以f9531標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置為例，它為市售。但并不限定本發(fā)明。

氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器為市售。

本發(fā)明根據(jù)weibela解剖學(xué)模型放大50倍確定肺腺泡毗鄰15-17級細(xì)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(xué)參數(shù)建立真實(shí)的人體肺腺泡模型，配備標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置、氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器、模擬呼吸泵、加濕器、piv粒子示蹤儀等，提供一種能夠測量人體肺腺泡區(qū)模型沉積率、沉積分布、單個(gè)肺泡沉積量、流場分布的測量實(shí)驗(yàn)裝置。

一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器1-2，標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置1-1和吸氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器1-2分別通過管道與單向進(jìn)氣閥1-3連接；單向進(jìn)氣閥1-3通過管道與連接加濕器1-4的管道匯合后的總管道1-14貫穿透明實(shí)驗(yàn)容器1-10的蓋體，與設(shè)置在透明實(shí)驗(yàn)容器1-10內(nèi)部的肺腺泡實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?-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(gè)模擬16級支氣管2-3連接，每個(gè)模擬16級支氣管2-3通過第二y型三通2-4與2個(gè)模擬17級支氣管2-5連接，每個(gè)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(shè)置有接口3-1,接口3-1的外壁上設(shè)置有環(huán)狀凸起3-2，模擬肺腺泡3-3與接口3-1活動連接并通過環(huán)狀凸起3-2固定；透明實(shí)驗(yàn)容器1-10的底部通過管道與模擬呼吸泵1-11連接；透明實(shí)驗(yàn)容器1-10上設(shè)置有壓力計(jì)1-8；呼氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)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(shè)置有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(shè)置在透明實(shí)驗(yàn)容器1-10的一側(cè)。

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

模擬肺腺泡和各級細(xì)末支氣管采用活動連接，可以拆解成單個(gè)單元，便于單獨(dú)分析。

標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置為兩相流氣溶膠發(fā)生器，可以產(chǎn)生濃度大于10⁶個(gè)/cm³的高度單分散氣溶膠，粒徑范圍為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(fā)明一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用：

使用本發(fā)明的一種人體肺泡氣溶膠沉積測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，加壓確定無泄漏；打開單向進(jìn)氣閥1-3，啟動標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置1-1，發(fā)生單分散聚苯乙烯微球，開啟吸氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器1-2，測量發(fā)生濃度，直至采樣濃度穩(wěn)定；設(shè)置模擬呼吸泵1-11達(dá)到實(shí)驗(yàn)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(huán)；打開單向排氣閥1-5，開啟呼氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器1-6，測量呼出氣溶膠濃度，記錄時(shí)間累計(jì)個(gè)數(shù)；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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?-9總顆粒物沉積率。系統(tǒng)工作時(shí)，通過加濕器1-4向氣溶膠加濕，壓力計(jì)1-8記錄壓力。在實(shí)驗(yàn)開始后，開啟piv粒子示蹤儀1-13，測量肺腺泡內(nèi)可吸入顆粒物運(yùn)動速度和流場；達(dá)到設(shè)定的呼吸循環(huán)次數(shù)后，依次關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置1-1、吸氣氣溶膠顆粒計(jì)數(shù)器1-2、模擬呼吸泵1-11、單向進(jìn)氣閥1-3；計(jì)算顆粒物在人體肺腺泡區(qū)總沉積率。

通過計(jì)算機(jī)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，并繪制呼吸流量曲線。

加濕器可向肺腺泡實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图訚?0％～100％。

piv粒子示蹤儀用于顯示和計(jì)算顆粒物在模擬肺腺泡簇內(nèi)各區(qū)域的運(yùn)動速度和軌跡。

本發(fā)明能夠模擬真實(shí)人體肺腺泡區(qū)生物力學(xué)及呼吸特征，實(shí)現(xiàn)人體肺腺泡區(qū)體外可吸入顆粒物運(yùn)動軌跡與沉積率測量。

設(shè)置有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)1-12和piv粒子示蹤儀1-13可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)內(nèi)顆粒物運(yùn)動軌跡、測量運(yùn)動參數(shù)。

單向閥確保氣溶膠運(yùn)動是單向的。

透明實(shí)驗(yàn)容器的蓋體能夠打開和關(guān)閉，安裝壓緊結(jié)構(gòu)確保關(guān)閉時(shí)實(shí)驗(yàn)容器氣密。

本發(fā)明的系統(tǒng)操作時(shí)，通過對不同呼吸頻率和呼吸深度的測量，可得到穩(wěn)態(tài)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(zhì)，可以模擬藥物吸入治療效果和藥物進(jìn)入肺泡后的分布擴(kuò)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(jìn)行肺部病變條件下可吸入顆粒物沉積的變化。