具有多级可调节呼吸道结构的气溶胶颗粒沉积实验系统

1.本发明属于气溶胶弥散沉积和呼吸毒理学领域，具体涉及一种具有多级可调节呼吸道结构的气溶胶颗粒沉积实验系统。


背景技术：

2.随着经济的高速发展，部分城市出现了区域性大气颗粒物污染现象，气溶胶污染日益成为大气污染控制的关键及难点。气溶胶是大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，其化学成分复杂、性质多变。根据气溶胶成分、浓度、粒径的不同，导致其对人体危害强度也有所不同。足够高的浓度的气溶胶将对人类的健康产生威胁。存在于空气中的气溶胶还能传播真菌和病毒，可能会导致地区性疾病的流行和爆发。气溶胶的成分是主要的致病因子，决定其是否有毒有害和致病种类。气溶胶的危害程度随其浓度的增加而增加，浓度越高，危害越大；且随着气溶胶粒径的减小，其越易在人体内滞留或被人体吸收。经研究表明，当量直径不超过10μm的气溶胶可进入气管或支气管，甚至是深度呼吸道和肺泡。气溶胶的吸入会不同程度的导致人体发生纤维化、炎症、组织变性、感染等病变，导致传染病、过敏病、肺癌等疾病，对人体造成不可估量的伤害。了解气溶胶颗粒在呼吸道中的运输、运动和沉积是预测和帮助预防呼吸道疾病的首要步骤。
3.目前，肺部呼吸道气溶胶沉积实验模型主要有两种：真实尺寸实验模型和局部放大实验模型。其中，真实尺寸实验模型具有能够反映各种不同人体和不同年龄段的实际肺部呼吸道的优点，但是限于ct扫描精度的问题，只能反映出有限的呼吸道级数。同时，放大模型按比例对结构放大，方便对下级呼吸道的气流流动和气溶胶颗粒传输、沉积进行研究，但是目前已有的放大模型实验研究中，放大模型大部分为包含多级呼吸道的一体化模型，无法准确观察各级呼吸道的具体气流流动和气溶胶颗粒分布情况。同时，有研究表明气溶胶颗粒在呼吸道的主要沉积位置位于呼吸道分岔处，且体外呼吸道分级放大模型，其模型在呼吸道分岔处使用三通管，用螺纹的方式进行连接，旋转角度固定不可调。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种具有多级可调节呼吸道结构的气溶胶颗粒沉积实验系统，用于解决上述现有技术存在的问题。本发明原理简单，操作方便，可反复使用。多级呼吸道模型可以重现流体和颗粒运输的系统性，尺寸按照经典weibel a模型设计，该模型经过验证，能够有效反映呼吸道中的流体特性，有助于提高研究准确性。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有多级可调节呼吸道结构的气溶胶颗粒沉积实验系统，该系统包括：雾化气溶胶发生器、高效过滤器、第一三通接口、第二三通接口、第三三通接口、气控单向阀、空气过滤干燥器、粒度仪、气溶胶采集装置、呼吸泵和计算机控制系统；
6.所述雾化气溶胶发生器、第一三通接口、空气过滤干燥器、第二三通接口、气溶胶采集装置、第三三通接口和呼吸泵依次连接，所述呼吸泵与所述雾化气溶胶发生器均与计
算机控制系统连接；所述第一三通接口、第二三通接口和第三三通接口的第三通道端分别连接有高效过滤器、第一粒度仪和第二粒度仪，且连接处均安装有气控单向阀；
7.所述气溶胶采集装置分为上方腔室和下方腔室；
8.所述上方腔室内设置多级呼吸道模型；所述多级呼吸道模型为可拆卸的三级树状分岔结构，分为第一级呼吸道、第二级呼吸道和第三级呼吸道，其中第一级呼吸道与所述气溶胶采集装置顶部开口连通，第三级呼吸道的八条分支与下方腔室相连接；
9.所述下方腔室的顶部留有八个开口，与第三级呼吸道的八条分支连接，所述下方腔室的一侧设有开口，与第三三通接口连接。
10.进一步地，所述气溶胶采集装置由pmma材料制成。
11.进一步地，所述多级呼吸道模型中，第一级呼吸道、第二级呼吸道和第三级呼吸道尺寸根据实验情况依照人体实际解剖数据放大相应倍数确定。
12.进一步地，所述第一级呼吸道、第二级呼吸道和第三级呼吸道的分支角度均为30
°
。
13.进一步地，所述第一级呼吸道、第二级呼吸道和第三级呼吸道的入口和分岔出口分别环形等距分布八个直径2mm，深度1mm孔位，且孔位均安装有直径2mm，厚度1mm的钕铁硼强磁铁。
14.进一步地，所述多级呼吸道模型由abs树脂材料制作。
15.进一步地，各级呼吸道之间用喉箍固定的方式进行连接。
16.本发明的有益效果如下：
17.本发明可以提供不同粒径、不同呼吸方式、不同级数呼吸道自由组合、不同呼吸道旋转角度条件下再现呼吸道分岔区域的气溶胶颗粒沉积的体外，以上实验系统原理简单，操作方便，可反复使用。
18.本发明采用可拆卸实验模型，将呼吸道设计成分级可拆卸，实现各级呼吸道之间的自由组装，从而解决现有体外实验模型通常为一体化模型，无法准确观察各级呼吸道的具体气流流动和气溶胶颗粒分布情况的问题。
19.本发明在各分级呼吸道接口处环形等距放置一定数量的钕铁硼强磁铁，实现各级呼吸道之间的旋转角度可调节，调节角度可控，能够模拟人体呼吸道多种旋转角度的复杂情况，从而实现多级呼吸道的气溶胶颗粒沉积模拟。
20.本发明注重还原呼吸道分岔区域，将各级呼吸道连接位置移至呼吸道直管段中部，满足气溶胶颗粒在呼吸道的主要沉积位置位于呼吸道分岔处的研究结论，实现气溶胶颗粒在人体呼吸道沉积与扩散的真实再现。
附图说明
21.图1为本发明一实施例中多级呼吸道气溶胶颗粒沉积实验系统总体结构示意图；
22.图2为本发明一实施例中多级呼吸道模型结构示意图；
23.图3为本发明一实施例中各级呼吸道剖面示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
25.如图1所示，本发明提供了一种具有多级可调节呼吸道结构的气溶胶颗粒沉积实验系统，包括：雾化气溶胶发生器1、第一三通接口2、第一气控单向阀3、高效过滤器4、空气过滤干燥器5、第二三通接口6、第二气控单向阀7、第一粒度仪8、气溶胶采集装置9、多级呼吸道模型10、软管11、第二粒度仪12、第三气控单向阀13、第三三通接口14、呼吸泵15、计算机控制系统16、喉箍17。
26.其中所述气溶胶采集装置9上方设有开口，所述开口通过管路连通到第二三通接口6；所述第二三通接口6一端连接到第二气控单向阀7，所述第二气控单向阀7连接到第一粒度仪8；所述第二三通接口6另一端连接到空气过滤干燥器5，所述空气过滤干燥器5连接到第一三通接口2，所述第一三通接口2一端通过第一气控单向阀3连接到高效过滤器4，所述第一三通接口2另一端连接到雾化气溶胶发生器1。所述气溶胶采集装置9下方连接至第三三通接口14，所述第三三通接口14一端连接到第三气控单向阀13，所述第三气控单向阀13连接到第二粒度仪12，所述第三三通接口14另一端连接到呼吸泵15，所述呼吸泵15与所述雾化气溶胶发生器1连接到计算机控制系统16。气溶胶采集装置由pmma材料制成，其中多级呼吸道模型由abs树脂材料制作。
27.如图2所示，所述气溶胶采集装置9分为上下两个腔室，所述上方腔室9-1在开口处连接多级呼吸道模型10；所述下方腔室9-2上侧留有八个开口，所述八个开口通过软管11连接到多级呼吸道模型10，所述下方腔室9-2一侧设有开口，所述开口连接至三通接口14。
28.如图3所示，多级呼吸到模型10包含可组装和拆卸的三级呼吸道10-1、10-2、10-3。
29.所述第一级呼吸道10-1的主管长度为8.7cm，所述第一级呼吸道10-1的主管直径为1.8cm，所述第一级呼吸道10-1的分支半径为4.05cm，所述第一级呼吸道10-1的分支半径为30
°
，所述第一级呼吸道10-1的分级直径为1.5cm，所述第一级呼吸道10-1的延伸长度为1.5cm，所述第一级呼吸道10-1的壁厚为0.3cm，所述第一级呼吸道10-1入口和分岔出口分别环形等距分布八个直径2mm，深度1mm孔位。
30.所述第二级呼吸道10-2的主管长度为1.86cm，所述第二级呼吸道10-2的主管直径为1.5cm，所述第二级呼吸道10-2的分支半径为4.94cm，所述第二级呼吸道10-2的分支半径为30
°
，所述第二级呼吸道10-2的分级直径为1.05cm，所述第二级呼吸道10-2的延伸长度为0.6cm，所述第二级呼吸道10-2的壁厚为0.3cm，所述第二级呼吸道10-2入口和分岔出口分别环形等距分布八个直径2mm，深度1mm孔位。
31.所述第三级呼吸道10-3的主管长度为1.11cm，所述第三级呼吸道10-3的主管直径为1.05cm，所述第三级呼吸道10-3的分支半径为2.35cm，所述第三级呼吸道10-3的分支半径为30
°
，所述第三级呼吸道10-3的分级直径为0.87cm，所述第三级呼吸道10-3的延伸长度为1.39cm，所述第三级呼吸道10-3的壁厚为0.3cm，所述第三级呼吸道10-3入口和分岔出口分别环形等距分布八个直径2mm，深度1mm孔位。所述各级呼吸道之间通过喉箍17固定连接。
32.如图3中a、b面所示，模型各级呼吸道出入口环形等距放置八个直径2mm，厚度1mm的钕铁硼强磁铁。
33.雾化气溶胶发生器，型号3475，可以产生浓度大于106个/cm3的单分散气溶胶液滴，粒径范围0.1到08μm
34.以上设计均基于人体真实肺呼吸道解剖学数据。通过该实验模型，可以系统性地进行流场及粒子沉积的研究，有助于更好地理解环境中的有害气溶胶对人体的侵害过程以
及气溶胶药物在肺部的传输和沉积机理。在一实施例中，提供了一种具有多级可调节呼吸道结构的气溶胶颗粒沉积实验系统，包括以下步骤：
35.模型连接后，计算机控制系统16开启雾化气溶胶发生器1，产生设定直径的气溶胶液滴，气溶胶液滴随着气流进入空气过滤干燥器5，产生高浓度单分散气溶胶颗粒，气溶胶液滴随着气流进入多级呼吸道模型10中的管道，开启第一粒度仪8，上端气溶胶颗粒发生浓度、粒径分布，直至浓度稳定，设置呼吸泵15呼吸模式，开启呼吸泵15，开启第二粒度仪12，下端气溶胶颗粒发生浓度、粒径分布，上段浓度和下端浓度的差值与上端浓度的比值即为呼吸道气溶胶颗粒沉积率。
36.在预设时间的特定呼吸条件下，多级呼吸道模型10内可收集到一定量气溶胶粒子。所述多级呼吸道模型可拆分为第一级呼吸道模型10-1、第二级呼吸道模型10-2和第三级呼吸道模型10-3。将拆卸后的模型独立进行称重，可以统计在不同呼吸模式下的不同位置的气溶胶沉积情况；可将多级呼吸道模型10中各级呼吸道旋转特定角度，以研究不同旋转角度分支情况下的呼吸道内气溶胶颗粒沉积情况；也可将拆卸后的特定某级呼吸道模型接入气溶胶采集装置9的上侧腔室中，以独立研究进出其模型管道内的粒子大小和沉积情况。
37.借助以上气溶胶颗粒沉积实验系统，可以统计不同的呼吸条件，不同的呼吸道旋转角度情况下吸入各级通道内的颗粒物数量，研究其在呼吸道内沉积分布情况和运输与沉积特性；借此进一步可指导可吸入药物的相关研究，如提高向病变位置输送药物的效率。
38.本发明实施例的具有多级可调节呼吸道结构的气溶胶颗粒沉积实验系统至少具有如下有益效果：以上实验系统原理简单，操作方便，可反复使用。以上实验系统，可研究多级呼吸道中的颗粒传输、沉积情况，也可统计各级通道内的颗粒大小和分布情况。通过改变呼吸道级数、旋转角度可以模拟特定区域气溶胶颗粒沉积情况。通过将各级呼吸道连接位置移至呼吸道直管段中部可注重还原呼吸道分岔区域，实现气溶胶颗粒在人体呼吸道沉积与扩散的真实再现
39.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。