一种流体食物模拟滑移装置

本实用新型涉及一种流体食物模拟滑移装置，属于仿生机械设计技术领域。

背景技术：

吞咽困难是消化道疾病和神经肌肉疾病的常见并发症，特别是在老年人群体中比较常见，致使患者不能安全有效地开展食物在食道内蠕动输送。针对患者的吞咽困难程度，通过改善食品的材质特性，施以相对安全的食物，是解决吞咽困难患者饮食的重要辅助手段，但鉴于人体吞咽系统结构的复杂性，尤其是神经系统控制的食道结构环状肌肉层的蠕动收缩，难以获取吞咽时食物流动等相关数据，不易观察到食物在食道中的滑移行为情况，阻碍食品材质对吞咽过程影响的研究以及功能食品的开发。

为了研究食道蠕动过程中食物的流动特性，研发人员研制出一些仿生食道装置，提供体外试验环境，但是，当前的食道装置大多为刚性结构，无法准确的模拟食道的蠕动，部分软体仿生食道结构较为简单，不能有效的运输流体食物，而大部分食物块的运动，例如粥类食物、番茄酱、花生酱和玉米糊等，在食道中呈现出非牛顿流体的特性，因此，研究食道蠕动过程中非牛顿流体食物的运输状态变得尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种流体食物模拟滑移装置，能够获得流体食物在食道蠕动过程中的流动特性，进而改善吞咽患者的生活质量；技术方案包括仿生食道，仿生食道的外壁环绕有用于推挤仿生食道的气腔，气腔为位于同一圆弧上的多腔室结构。

进一步地，还包括：腔室壳体，包覆于气腔外壁；食道加压端盖，同轴设置在腔室壳体的一端；气路板，环形阵列于腔室壳体的外壁上，与气腔的入口相连接，用于控制软体食道壁径向变形收缩运动。

进一步地，所述腔室壳体中嵌入有多层气腔，每一层气腔设有至少三个，且沿着腔室壳体内壁环形阵列设置。

进一步地，每个气路板对应每层气腔设有通气孔，通气孔处引出有气管，气管用于向气腔内输入气体。

进一步地，所述食道加压端盖上也设有通气孔，食道加压端盖上的通气孔上引出气管，该气管连接有比例阀。

进一步地，仿生食道还包括与腔室壳体相连通的细软管和u型管，细软管、u型管用于检测流体食物流出流量和流率。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供的仿生食道流体食物滑移装置，基于食道蠕动的作用机制，开展仿生食道结构的优化设计，选取合适的硅胶材料为仿生食道的原材料，通过仿真深入研究仿生食道的腔室分布及数量、腔室角度等参数对其形变的影响，发现仿生食道结构为三腔室且腔室夹角为90°结构的形变性能较优。

本方案中，采用3d打印技术和模具浇注方法制备了仿生食道。食道蠕动实质上是食道壁连续的径向收缩，所制备的仿生食道具备径向收缩的能力，仿生食道结构的材料能够在压力下产生较大的变形，通过相应的结构转化为所需的径向收缩行为，从而挤压仿生食道内部的流体食物；所制备仿生食道能够通过电气比例阀主动控制食道壁的收缩状态，所制备的仿生食道可通过控制食道壁的收缩状态来调节食道蠕动波的波幅和传播速度，从而通过仿生食道流体食物滑移装置来模拟不同吞咽状态下食道蠕动运输流体食物。

附图说明

图1为流体食物滑移装置的结构示意图，其中，1-1是立体图，1-2是剖视图；

图2为食道加压端盖示意图；2-1、2-2、2-3分别为食道加压端盖的不同角度的视图；

图3为压力差-流量关系图；

图4为腔室气压-流量关系图。

图中，1、软体食道壁；2、腔室壳体；3、气路板；4、通气孔；5、食道加压端盖；6、食道入口加压孔；7、物料入口；8、密封塞。

具体实施方式

合理的仿生食道结构是影响食道壁径向收缩的关键因素，基于食道蠕动的作用机制，开展仿生食道结构的优化设计，即选取硅橡胶材料为仿生食道的原材料，并获取该材料的特征参数，建立有限元仿真分析仿生食道腔室结构尺寸对仿生食道收缩性能的影响，综合食道内壁收缩形状、应力分布和食道壁径向收缩程度这三个方面对比分析不同仿生食道结构的优异，发现仿生食道结构为三腔室且腔室夹角为90°结构的形变性能较优。

本发明实现了对仿生食道结构的优化设计，让仿生食道具备最佳的径向收缩能力，本发明结构简单操作方便，便于在仿生食道内壁中增设测量装置，能对相关食品及医疗行业提供有效相关数据。

实施例1：

一种流体食物滑移装置，包括仿生食道，仿生食道的外壁环绕有气腔，气腔为位于同一圆弧上的多腔室结构；仿生食道为三腔室且相邻两仿生食道腔室之间的夹角取值范围85-95°；本实施例中，仿生食道的腔室夹角为90°。

在气腔外还包覆有圆筒状的腔室壳体2，气腔环形阵列于腔室壳体2内壁，仿生食道与腔室壳体2同轴设置，且仿生食道被气腔包围。气腔设有多层，每层气腔设有至少三个。腔室壳体2的外壁上环形阵列若干气路板3，气路板3与气腔的入口相连接，每个气路板3对应每层气腔设有通气孔4，通气孔4处引出有气管，气管用于向气腔内输入气体。因此气路板3用于控制软体食道壁1径向变形收缩运动。

在腔室壳体2的一端同轴设置有食道加压端盖5。食道加压端盖5上也设有通气孔4，食道加压端盖5上的通气孔4上引出气管，该气管连接有比例阀。在食道加压端盖5上还设有物料入口7，物料入口7设于食道加压端盖5的偏心位置，物料入口7还配有密封塞8，以便进料和封死腔室。

仿生食道还包括固定于腔室壳体2一端的细软管，细软管背离腔室壳体2的一端连接有u型管，u型管用于检测流体食物流出流量和流率。

实施例2：

本实施例提供一种食道蠕动工况下流体食物吞咽方法，为了展开仿生食道结构下流体食物的运输过程研究，所制作的仿生食道装置采用气驱动控制，由空气压缩机，气动三联件，精密调压阀组成的气路系统提供气源，由arduinouno开发板，电气比例阀，数字压力传感组成控制系统分别调整六层腔室的输入气压，要保证仿生食道结构能完成较好的蠕动运动，电气比例阀需按顺序依次控制六层腔室运动，并将腔室气压转换为食道壁的径向位移，同时，加压端盖的通气孔4与比例阀的输出孔通过pu管相连，且需要单独的电气比例阀来控制，利用数字压力传感器监测其气压大小，通过加工和调试了基于仿生食道蠕动的食物滑移装置，改变腔室气压的大小可以调整食道壁的径向位移，调节比例阀的输入信号，当电气比例阀输出口气压为10、20、30·80kpa，其径向位移随腔室气压值变化关系如表1：

表1

所设计的仿生食道结构具备良好的蠕动性能，其食道壁的最大径向位移与腔室气压呈线性关系。同时，通过调整食道加压端盖5的输入气压可控制食道两端压力差，调整腔室的输入气压可控制食道壁的蠕动波幅，改变流体食物配比可制作不同粘度的流体食物，便于深入研究流体食道两端压力差、食道蠕动压力幅值、食物的物化参数等对其运输特性的影响。

实施例3：

仿生食道结构下流体食物的运输过程研究，仿生食道滑移装置与实施例2的不同之处在于，由五个电气比例阀分别输入气压到五层腔室，要保证仿生食道结构能完成较好的蠕动运动，电气比例阀需按顺序依次控制五层腔室运动，一个电气比例阀控制食道端盖加压气压，电气比例阀由arduino开发板提供电压信号，食道压力差分别为97340pa(颈段压力差)和1330pa(胸腹段压力差)，考虑到控制精度，对应食道端盖输入压力控制为100kpa和0kpa。选取粘度参数为366pa·s的玉米糊作为非牛顿流体食物，同时食道壁腔室压力为100kpa。考虑到充气反应需要的时间与仿生食道变形的响应时间，每层腔室输气时间为一秒，即第一个电气比例阀从开始输出气压到第二个比例阀开始输出气压的时间间隔为一秒，整个控制过程需要5秒。设置食道端盖输出气压分别为0、25、50、75、100kpa，仿生食道装置的玉米糊流量如图3所示。

实施例4：

仿生食道结构下流体食物的运输过程研究，仿生食道滑移装置由五个电气比例阀分别输入气压到五层腔室，电气比例阀需按顺序依次输入气压控制五层腔室运动，一个电气比例阀控制食道端盖加压气压，电气比例阀由arduino开发板提供电压信号。食道的环状肌肉收缩力受年龄影响较大，老人和儿童的环状肌肉收缩力均低于正常成年人的食道收缩能力，探究食道收缩能力对食道运输能力的影响，仿生食道蠕动波幅的变化由腔室气压控制，即腔室气压的比例阀输出气压为100、80、60、40kpa，选取粘度参数为366pa·s的玉米糊作为非牛顿流体食物充满食道内部，分别在食道端盖高压力差100kpa和低压差0kpa条件下，考虑到充气反应需要的时间与仿生食道变形的响应时间，每层腔室输气时间为一秒，即第一个电气比例阀从开始输出气压到第二个比例阀开始输出气压的时间间隔为一秒，整个控制过程需要5秒。实验结果如图4所示。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。