CN111199785A - 一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统，包括：采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，得二维影像数据；根据二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；根据三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型；根据三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制得人体体外呼吸模型；获取呼吸量和呼吸频率；根据呼吸量和呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和人体体外呼吸模型，得人体体外呼吸系统，通过本发明的上述方法获得用于仿真真实人体呼吸状态的人体体外呼吸系统，解决现有技术中给药剂量测量装置在评价药物颗粒个体给药剂量时准确性不足的问题。

Description

一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，特别是涉及一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统。

背景技术

慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)是一种常见的以持续性呼吸道症状和气流受限为特征的疾病，呼吸道症状和气流受限是由有毒颗粒或气体导致的气道和/或肺泡异常引起的。最新的流行病学调查数据显示全球约有1.745亿人(2.4％)患有慢阻肺，中国40岁及以上人群慢阻肺患病率达13.7％，慢阻肺现已成为国内甚至全球第三大死亡原因。吸入疗法是世界卫生组织和欧美推荐的治疗慢性阻塞性肺病(COPD)的首选方法，肺部吸入给药因能直达病变部位，是目前最为理想的给药途径。吸入制剂的体外评价是保证药物颗粒在给药后释放的药物剂量准确的主要方法。

德国Copley公司是公认的世界领先吸入器设备制造商，其研发的给药剂量测量装置采用理想标准口喉模型模拟给药，采用调节多级碰撞仪气流流量模拟人体呼吸道流动过程，从而量化药物颗粒物呼吸道内的给药剂量。该装置的口喉模型采用加拿大Alberta大学气溶胶研究室开发的理想Alberta口喉模型，该模型是基于目标人群口喉形态学结构提出，与真实人体口喉结构具有显著差异，导致药物颗粒在上呼吸道的迁移有别于真实人体，从而影响下呼吸道剂量预测结果。此外，该装置采用多级碰撞仪替代人体呼吸道，模拟呼吸道逐级气流流量变化，获得下呼吸道给药剂量。但是，人体呼吸道解剖学结构与目标个体年龄、性别、患病程度密切相关，个体间呼吸道解剖学结构的显著差异使得药物颗粒在目标人体呼吸道内的运动过程发生改变，导致目标个体对颗粒物给药剂量需求的差异性。因此，采用上述装置在评价药物颗粒在不同目标个体呼吸道内的给药剂量时，其准确性不足。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统，解决现有技术中给药剂量测量装置在评价药物颗粒个体给药剂量时准确性不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种人体体外呼吸系统的建立方法，所述建立方法包括：

采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，获得目标个体的二维影像数据；

根据所述二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；所述三维实心模型包括面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管和肺腔；

根据所述三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型；

根据所述三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制得人体体外呼吸模型；

获取待受试者的呼吸量和呼吸频率；

根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统；所述人体体外呼吸系统用于仿真真实人体呼吸状态。

可选的，所述获取待受试者的呼吸量和呼吸频率，具体包括：

获取所述待受试者吸入或呼出的气量；

获取所述待受试者的呼吸频率；

根据所述气量和所述呼吸频率，采用公式MV＝VT×f确定所述呼吸量，其中，MV表示待受试者的呼吸量，VT表示待受试者吸入或呼出的气量，f表示待受试者的呼吸频率。

可选的，所述根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统，具体包括：

将所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口连接；

根据所述呼吸量和所述呼吸频率，调节所述呼吸气流模拟器，利用人体体外呼吸模型仿真人体体外呼吸特征，使仿真得到的人体体外呼吸特征与待受试者的实际的呼吸特征一致，获得所述人体体外呼吸系统。

可选的，所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口通过聚四氟乙烯管连接。

一种人体体外呼吸系统的建立系统，所述建立系统包括：

二维影像数据获取模块，用于采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，获得目标个体的二维影像数据；

三维实心模型生成模块，用于根据所述二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；所述三维实心模型包括面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管和肺腔；

三维空心模型确定模块，用于根据所述三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型；

人体体外呼吸模型制作模块，用于根据所述三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制得人体体外呼吸模型；

呼吸量和呼吸频率获取模块，用于获取待受试者的呼吸量和呼吸频率；

人体体外呼吸系统获取模块，用于根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统；所述人体体外呼吸系统用于仿真真实人体呼吸状态。

可选的，所述呼吸量和呼吸频率获取模块具体包括：

气量获取单元，用于获取所述待受试者吸入或呼出的气量；

呼吸频率获取单元，用于获取所述待受试者的呼吸频率；

呼吸量确定单元，用于根据所述气量和所述呼吸频率，采用公式MV＝VT×f确定所述呼吸量，其中，MV表示待受试者的呼吸量，VT表示待受试者吸入或呼出的气量，f表示待受试者的呼吸频率。

可选的，所述人体体外呼吸系统获取模块具体包括：

连接单元，用于将所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口连接；

人体体外呼吸系统获取单元，用于根据所述呼吸量和所述呼吸频率，调节所述呼吸气流模拟器，利用人体体外呼吸模型仿真人体体外呼吸特征，使仿真得到的人体体外呼吸特征与待受试者的实际的呼吸特征一致，获得所述人体体外呼吸系统。

可选的，所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口通过聚四氟乙烯管连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统，包括：采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，得二维影像数据；根据二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；根据三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型；根据三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制得人体体外呼吸模型；获取待受试者的呼吸量和呼吸频率；根据呼吸量和呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和人体体外呼吸模型，建立人体体外呼吸系统，通过本发明的上述方法获得用于仿真真实人体呼吸状态的人体体外呼吸系统，解决现有技术中给药剂量测量装置在评价药物颗粒个体给药剂量时准确性不足的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种人体体外呼吸系统的建立方法的流程图；

图2为本发明实施例健康成年男性呼吸过程胸腔以上区域的CT断层扫描图；

图3为本发明实施例基于图2的二维阈值提取图；

图4为本发明实施例基于健康成年男性二维影像数据的三维模型实体提取；

图5为本发明实施例人体体外呼吸系统的结构示意图；

图6为本发明实施例基于图5的全尺寸人体体外呼吸系统的模型；

图7为本发明实施例一种人体体外呼吸系统的建立系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统，解决现有技术中给药剂量测量装置在评价药物颗粒个体给药剂量时准确性不足的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种人体体外呼吸系统的建立方法的流程图，如图1所示，本发明所述建立方法包括：

S1：采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，获得目标个体的二维影像数据。

具体的，为重建目标人群呼吸系统形态学结构特征，采用电子计算机断层扫描(CT)技术对目标个体头部至胸腔进行断层扫描，快速、便捷地获得目标个体高精度面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管及肺部的主、侧、俯视断面影像，准确再现不同性别、年龄、健康状况等因素下目标人群呼吸系统解剖学结构差异。通过各部分断面影像灰度值差异判定不同器官结构阈值范围，建立不同目标区域的独立蒙版，在各层蒙版上根据目标器官灰度值差异，结合各器官解剖学结构，调节阈值范围，使目标器官在断面影像中最大范围的被标记显示。基于医学影像分割算法并结合人工逐层细化处理，最大限度地获得完整精细的面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管及肺腔二维影像数据。

S2：根据所述二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；所述三维实心模型包括面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管和肺腔。

具体的，基于移动立方的三维重建算法生成面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管及肺腔的三维实心模型。

S3：根据所述三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型。

具体的，药物颗粒通常经由口腔吸入呼吸道内，为再现药物颗粒在人体呼吸道内的暴露过程，在三维实心模型的基础上建立符合真实人体形态学结构的药物颗粒输送通道，即符合真实人体形态学结构的三维空心模型，本发明保留三维实心模型几何边界，向外拓展2.0mm厚度边界，呼吸系统内部均做空心化处理，鼻腔和口腔依据真实人体可分别作为气流入口；肺腔预留呼吸气流模拟器连接端口，依据用户需求布置药物颗粒测量端口，由于肺腔内部气流分布不均匀，采样位置尽量避免位于流态高速变化区，因此通常可布置于肺腔底部，颗粒物测量端口可通过聚四氟乙烯管连接颗粒物采样设备获得穿透上呼吸道进入肺腔的悬浮药物颗粒剂量，肺腔可分和作为采样腔，用于量化肺腔内壁面的药物颗粒沉积剂量，悬浮剂量和沉积剂量的总和即为该目标个体下呼吸道实际给药剂量。

S4：根据所述三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制作人体体外呼吸模型。

具体的，三维空心模型定制完成后，将输出的stl文件输入数据3D打印机，采用立体光固化成型法(Stereo lithography Appearance)制作体外3D模型。该技术加工速度快，生产周期短，可选择不同种类液态光敏树脂材料以适应不同的研究目的，其中非透光材料制作的模型耐热性较好(热变形温度大于50℃)且不易变形，除适用于实验室，也便于运输携带，为环境温度较高的实际测量提供了保障；高透光材料采用进口光敏树脂材料，后期结合手工打磨处理，即使在细小部位也能实现良好的透光性能，契合药物颗粒物可视化研究需求，除用于药物颗粒下呼吸道剂量评价，也可用于颗粒在人体呼吸道内的迁移路径追踪。

S5：获取待受试者的呼吸量和呼吸频率；具体包括：

获取所述待受试者吸入或呼出的气量；

获取所述待受试者的呼吸频率；

根据所述气量和所述呼吸频率，采用公式MV＝VT×f确定所述呼吸量，其中，MV表示待受试者的呼吸量，VT表示待受试者吸入或呼出的气量，f表示待受试者的呼吸频率。

具体的，通过肺功能仪测量目标个体的肺功能参数。预先准备好肺功能检测仪，目标个体取立位，上鼻夹，含口器与肺功能仪相连，待受试者状态平静后，采集受试肺功能参数。准备好后令受试者平静呼吸，测量受试者每次吸入或呼出的气量VT(mL)(潮气量)，同时检测平静呼吸时受试者每分钟呼吸频率f(次/min)，由此计算呼吸量MV＝VT×f(mL/min)。检查每次测试记录图形，判定有无停顿、换气、漏气或者其他可能影响结果的异常，并记录。每位受检者至少测试3次，以三次计算获得的呼吸量平均值计为结果。将目标个体的呼吸量和平稳呼吸时的呼吸频率作为呼吸参数微控制模块的输入参数。

S6：根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统；所述人体体外呼吸系统用于仿真真实人体呼吸状态；具体包括：

将所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口连接；

根据所述呼吸量和所述呼吸频率，调节所述呼吸气流模拟器，利用人体体外呼吸模型仿真人体体外呼吸特征，使仿真得到的人体体外呼吸特征与待受试者的实际的呼吸特征一致，获得所述人体体外呼吸系统。

具体的，基于目标个体呼吸频率和呼吸量，通过呼吸气流模拟器精确控制呼吸频率及呼吸量，实现对人体呼吸特征的模拟。该步骤通过高性能的微控制器及先进的PWM控制技术，用于将嵌入式微控制模块输出的原始PWM信号进行转换，从而实现气泵电机的刹车、悬空、正反转和调速。气泵作为呼气和吸气的动力源实现人体的呼吸过程变化调节，显示器用于显示MCU实时呼吸参数的值以及通过参数调节板调节呼吸参数时；参数调节板通过呼吸频率加按键、呼吸频率减按键、呼吸量加按键、呼吸量减按键、运行/停止按键和装置总开关，对呼吸频率和呼吸量进行调节，并将其反馈至嵌入式微控制模块。该系统控制调节精度高，稳定性好，响应快。通过代替原始恒定流量的方式，使气体流量符合正弦规律曲线，更加真实的反应真实人体呼吸特点。将该呼吸气流模拟器与个性化呼吸道模型肺腔预留的呼吸气流端口相连接，还原人体体外呼吸特征，使其呼吸流量和呼吸频率与目标人体相似，从而准确表征药物颗粒物在人体呼吸道内的暴露过程。人体呼吸道模型和呼吸气流模拟器之间采用聚四氟乙烯管连接，该材料粘附性极低，滑动性好，极大程度降低了颗粒物在连接管内沉降引起的测量误差。且该材料抗湿耐腐蚀，具有优秀的耐热性能，能够适应不同场合的使用需求。管道和设备的连接处均用卡扣固定，确保密闭性良好。

优选的，所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口通过聚四氟乙烯管连接。

举例进行说明

该案例目标个体为成年健康男性，该系统主要实现的功能为5级以下呼吸道吸入剂量的评价，由于人体面部形态学结构影响其周围流场分布，因此该系统包括该名男性面部细节，具体实现方法及应用细节如下：

(1)对该目标个体呼吸系统进行CT断层扫描，扫描位置为胸腔以上全部区域，获得该健康成年男性呼吸过程的原始二维影像，如图2所示。通过鼻腔、口咽、呼吸道及肺腔的灰度值判定其阈值范围，通过影像分割算法实现二维影像数据快速分割，并对数据逐层细化处理，获得完整精细的面部、鼻腔、咽喉、中心气道、前五级支气管以及左右肺叶的二维影像数据，如图3所示。基于移动立方的三维重建算法生成各部位的三维实心模型，如图4所示。

(2)将实心模型的stl文件导入个性化体外呼吸系统定制模块，在原有边界基础上营造2.0mm边界厚度，内部做空心化处理，获得具有呼吸系统通路的中空体外呼吸系统，如图5所示。鼻腔、口腔、支气管末端按照实际人体结构做开孔处理，肺部两侧预留外凸式长10.0mm连接孔，便于外接呼吸气流模拟器模拟人体吸气运动。肺腔预留颗粒物剂量测量通路，用于测量肺腔内部悬浮颗粒物浓度、粒径分布等参数，连接孔为外凸式，长10.0mm，为减小气流流动变化对采样的影响，采样孔位置为肺底部曲率最小处，即肺腔底部中心位置；肺腔为可拆卸结构，通过在左右两侧肺叶布置采样点，获得肺腔内部颗粒物沉积剂量，结合颗粒物悬浮剂量，计算该目标个体下呼吸道颗粒物吸入剂量。

将上述设计完成的述三维空心模型据转化为3D打印机适用格式，适用格式为stl、obj，本发明使用stl格式。将定制的体外呼吸系统数据信息输入3D打印机，打印出该目标个体面部、鼻腔、咽喉、中心气道、前五级支气管以及左右肺叶的立体结构模型，如图6所示。根据用户需求，该系统后期拟用于颗粒物可视化研究，因此案例中体外测量装置材料选择为高透光进口光敏树脂，经国标检测，该材料表面粗糙度0.02mm，常温湿下，流过样品表面的气流速度为0.4m/s时，表面静电电量0.012μC，具有优秀的光滑度和低静电电量。

通过肺功能仪测量该名成年男性肺功能参数，采用鼻夹固定鼻腔，含口器与肺功能仪相连，确保仅用口部吸气。令受试者平静呼吸，测量受试者每次吸入或呼出的气量(潮气量)，同时检测平静呼吸时受试者每分钟呼吸频率，获得该名成年男性的呼吸量。每次测试记录图形，确定无停顿、换气、漏气或者其他可能导致结果异常的影响。每位受检者至少测试3次，以测定的平均值计为结果。将目标个体的呼吸量和呼吸频率作为呼吸参数微控制模块的输入参数。

(3)基于目标个体呼吸频率和呼吸量对应调节呼吸气流模拟器参数，精确控制呼吸频率及呼吸量，实现对人体呼吸特征的模拟。通过高性能的微控制器及先进的PWM控制技术，控制气泵的正反转及调速来实现人体的呼吸过程，产生周期正弦呼吸曲线。

将该呼吸气流模拟器与个性化呼吸道模型肺腔预留的呼吸气流端口相连接，还原人体体外呼吸特征，使其呼吸流量和呼吸频率与目标人体相似，从而准确表征药物颗粒物在人体呼吸道内的暴露过程。人体呼吸模型和呼吸气流模拟器之间采用聚四氟乙烯管连接，该材料粘附性极低，滑动性好，极大程度降低了颗粒物在连接管内沉降引起的测量误差。管道和设备的连接处均用卡扣固定，确保密闭性良好。

左右肺腔上部连接孔分别连接两根聚四氟乙烯管，通过三通汇合后与呼吸气流模拟器的呼气侧相连，同时，左右肺腔下部采样孔同样连接两根管路，通过三通混合后再经由另一个三通将气流分成两路，一路连接呼吸气流模拟器吸气侧，另一路与颗粒物测量设备相连，实现肺腔内部颗粒物浓度实时测量，最终获得5级以下呼吸道颗粒物剂量。

图7为本发明实施例一种人体体外呼吸系统的建立系统的结构示意图，如图7所示，本发明还提供一种人体体外呼吸系统的建立系统，所述建立系统包括：

二维影像数据获取模块201，用于采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，获得目标个体的二维影像数据；

三维实心模型生成模块202，用于根据所述二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；所述三维实心模型包括面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管和肺腔；

三维空心模型确定模块203，用于根据所述三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型；

人体体外呼吸模型制作模块204，用于根据所述三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制得人体体外呼吸模型；

呼吸量和呼吸频率获取模块205，用于获取待受试者的呼吸量和呼吸频率；

人体体外呼吸系统获取模块206，用于根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统；所述人体体外呼吸系统用于仿真真实人体呼吸状态。

优选的，所述呼吸量和呼吸频率获取模块205具体包括：

气量获取单元，用于获取所述待受试者吸入或呼出的气量；

呼吸频率获取单元，用于获取所述待受试者的呼吸频率；

呼吸量确定单元，用于根据所述气量和所述呼吸频率，采用公式MV＝VT×f确定所述呼吸量，其中，MV表示待受试者的呼吸量，VT表示待受试者吸入或呼出的气量，f表示待受试者的呼吸频率。

优选的，所述人体体外呼吸系统获取模块206具体包括：

连接单元，用于将所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口连接；

人体体外呼吸系统获取单元，用于根据所述呼吸量和所述呼吸频率，调节所述呼吸气流模拟器，利用人体体外呼吸模型仿真人体体外呼吸特征，使仿真得到的人体体外呼吸特征与待受试者的实际的呼吸特征一致，获得所述人体体外呼吸系统。

优选的，所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口通过聚四氟乙烯管连接。

本发明提供了一种人体体外呼吸系统的建立方法及建立系统，所述人体体外呼吸系统，主要用于个体给药剂量评价。本发明主要由个性化的人体体外呼吸模型和呼吸气流模拟器两部分组成。人体体外呼吸模型是基于CT断层扫描和医学影像三维提取技术，高精度还原了目标个体面部、上呼吸道、主支气管及肺腔形态学特征，通过激光快速成型技术制作个性化的人体体外呼吸模型；呼吸气流模拟器通过对呼吸频率及呼吸量的精确控制，模拟人体呼吸特征，重现人体真实呼吸正弦规律曲线，呼吸频率和呼吸量可依据目标个体肺功能参数调节，适应不同人群肺功能差异需求。

本发明所建立的人体体外呼吸系统为“个性化”人体体外呼吸系统，可依据目标个体呼吸道形态学特性和肺功能参数自由定制，适应个体化用药需求。较之目前广泛采用的德国Copley公司仅包含理想口喉的吸入制剂测量设备，大幅提升呼吸道模型准确度自由度，同时，配合人体正弦呼吸曲线的呼吸气流模拟器，真实地反映药物颗粒物在呼吸道内的暴露过程，从而精准量化药物颗粒在目标个体下呼吸道的给药剂量，满足个体化用药需求。

本发明融合高精度CT扫描、医学影像三维提取与模型再造、微控制等前沿技术，基于目标个体呼吸道形态学结构和肺功能参数，研发“个性化”人体体外呼吸系统，首次针对不同中国目标个体，在多种颗粒物物性参数、人体肺功能参数、暴露模式等输入工况下，快速准确的量化符合目标个体呼吸特征的给药剂量。实现吸入制剂体外准确评价、优化药物颗粒物给药剂量极具价值。同时，直接满足了建筑、环境、制药等多领域的相关需求，具有极强的现实意义。

现有体外呼吸道评价模型主要基于欧美学者针对成年白人遗体解剖研发的“平均人”模型，未考虑不同年龄、性别、健康状况的目标个体呼吸道解剖学结构差异，导致评价药物颗粒在目标个体下呼吸道的给药剂量时准确度受限。本发明融合影像学、激光快速成型等前沿研究技术，研发了一种可用于评价药物颗粒在目标人体下呼吸道给药剂量的个性化人体体外呼吸系统，方便快速的建立包含鼻腔、口咽中心气道、支气管及肺腔的个性化体外呼吸系统，可根据用户需求预留外接呼吸孔和测量孔，为准确的量化药物颗粒在下呼吸道吸入剂量提供技术支撑，为吸入制剂体外评价及个体化用药大有裨益。同时，人体体外呼吸系统可同时耦合目标个体完整面部结构，对药物颗粒面部沉积剂量分布评价也具有参考价值。

本发明有益效果：

1.本发明针对不同年龄、性别、健康状况等目标人群的个性化体外呼吸系统，可根据目标人群呼吸特征定制；

2.首次建立同时包含真实人体呼吸道和肺腔解剖学结构的体外呼吸系统，还原了真实人体呼吸气流通路，肺腔可拆卸结构和采样通路设计，可同时实现左右肺叶内悬浮颗粒物和沉积颗粒物剂量检测，获得准确的下呼吸道颗粒物给药剂量；

3.创新性将人体呼吸模型和呼吸气流模拟器相结合，根据目标个体呼吸参数精确控制，使其呼吸流量和呼吸频率与目标人体相似，通过模拟真实人体正弦呼吸曲线，准确表征药物颗粒物在人体呼吸道内的暴露过程。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种人体体外呼吸系统的建立方法，其特征在于，所述建立方法包括：

采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，获得目标个体的二维影像数据；

根据所述二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；所述三维实心模型包括面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管和肺腔；

根据所述三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型；

根据所述三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制得人体体外呼吸模型；

获取待受试者的呼吸量和呼吸频率；

根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统；所述人体体外呼吸系统用于仿真真实人体呼吸状态。

2.根据权利要求1所述的人体体外呼吸系统的建立方法，其特征在于，所述获取待受试者的呼吸量和呼吸频率，具体包括：

获取所述待受试者吸入或呼出的气量；

获取所述待受试者的呼吸频率；

根据所述气量和所述呼吸频率，采用公式MV＝VT×f确定所述呼吸量，其中，MV表示待受试者的呼吸量，VT表示待受试者吸入或呼出的气量，f表示待受试者的呼吸频率。

3.根据权利要求1所述的人体体外呼吸系统的建立方法，其特征在于，所述根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统，具体包括：

将所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口连接；

根据所述呼吸量和所述呼吸频率，调节所述呼吸气流模拟器，利用人体体外呼吸模型仿真人体体外呼吸特征，使仿真得到的人体体外呼吸特征与待受试者的实际的呼吸特征一致，获得所述人体体外呼吸系统。

4.根据权利要求2所述的人体体外呼吸系统的建立方法，其特征在于，所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口通过聚四氟乙烯管连接。

5.一种人体体外呼吸系统的建立系统，其特征在于，所述建立系统包括：

二维影像数据获取模块，用于采用计算机断层扫描技术对目标个体的头部至胸腔进行扫描，获得目标个体的二维影像数据；

三维实心模型生成模块，用于根据所述二维影像数据，采用移动立方的三维重建算法生成三维实心模型；所述三维实心模型包括面部、鼻腔、口咽、中心气道、支气管和肺腔；

三维空心模型确定模块，用于根据所述三维实心模型确定符合真实人体形态学结构的三维空心模型；

人体体外呼吸模型制作模块，用于根据所述三维空心模型，利用立体光固化成型法，采用三维打印机，以液态光敏树脂为材料，制得人体体外呼吸模型；

呼吸量和呼吸频率获取模块，用于获取待受试者的呼吸量和呼吸频率；

人体体外呼吸系统获取模块，用于根据所述呼吸量和所述呼吸频率，利用呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型，获得所述人体体外呼吸系统；所述人体体外呼吸系统用于仿真真实人体呼吸状态。

6.根据权利要求5所述的人体体外呼吸系统的建立系统，其特征在于，所述呼吸量和呼吸频率获取模块具体包括：

气量获取单元，用于获取所述待受试者吸入或呼出的气量；

呼吸频率获取单元，用于获取所述待受试者的呼吸频率；

呼吸量确定单元，用于根据所述气量和所述呼吸频率，采用公式MV＝VT×f确定所述呼吸量，其中，MV表示待受试者的呼吸量，VT表示待受试者吸入或呼出的气量，f表示待受试者的呼吸频率。

7.根据权利要求5所述的人体体外呼吸系统的建立系统，其特征在于，所述人体体外呼吸系统获取模块具体包括：

连接单元，用于将所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口连接；

人体体外呼吸系统获取单元，用于根据所述呼吸量和所述呼吸频率，调节所述呼吸气流模拟器，利用人体体外呼吸模型仿真人体体外呼吸特征，使仿真得到的人体体外呼吸特征与待受试者的实际的呼吸特征一致，获得所述人体体外呼吸系统。

8.根据权利要求7所述的人体体外呼吸系统的建立系统，其特征在于，所述呼吸气流模拟器和所述人体体外呼吸模型中的呼吸端口通过聚四氟乙烯管连接。

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