CN111595739B - 人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统，涉及呼吸系统模拟技术领域。所述实验系统包括人体呼吸系统仿真模型、仿人呼吸仪、PIV监测装置、一腔室以及二腔室；所述人体呼吸系统仿真模型放置于二腔室内，通过呼吸管道与仿人呼吸仪连接；所述PIV监测装置设置于二腔室内，用于监测不同种类不同粒径范围颗粒物在人体呼吸系统中不同位置的流动速度。本发明可通过PIV监测装置的监测结果，确定不同颗粒物进入人体后的沉积机制以及不同粒径范围颗粒物在不同区域的流动速度，分析不同种类不同粒径颗粒物对人体的影响，从而确定对人体危害最大的颗粒物种类及粒径范围，进而有针对性的采取相应的工程除尘和呼吸防护措施。
Description
技术领域
本发明涉及呼吸系统模拟技术领域，具体涉及一种人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统。
背景技术
现有的工业场所，尤其是煤矿，其产尘量很大，可达8000-10000mg/m3，粉尘浓度超出国家职业卫生标准成百上千倍，从而导致大量处在此类工业场所的工人得了尘肺病。近十年的统计结果显示，我国每年新增职业性尘肺病患者2-3万例，其中半数以上为煤工尘肺，截止2018年底，累计尘肺病患95万。
针对这种情况，现今的工业场所大多使用煤层注水、喷雾除尘、水幕降尘等以湿式抑尘技术为主的降尘措施以及佩戴口罩等个体防护措施去保护工人的健康。然而，这些措施具有一定的盲目性，往往导致那些对人体危害不大的粉尘过滤掉了，而真正对人体危害最大的颗粒物却没能有效过滤，从而降低了防尘效果。
因此，鉴于以上问题，确定对人体危害最大的颗粒物种类及其粒径范围，进而有针对性的指导工程除尘和个体防护，显得尤为迫切和必要。
发明内容
根据本发明的目的提出的一种人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统，包括人体呼吸系统仿真模型、仿人呼吸仪、PIV监测装置、用于构造粉尘环境的一腔室以及用于放置人体呼吸系统仿真模型的二腔室。
所述仿人呼吸仪放置于一腔室内，通过呼吸管道与人体呼吸系统仿真模型连接，模拟人体于粉尘环境下的呼吸。
所述PIV监测装置设置于二腔室内，用于监测不同种类不同粒径范围颗粒物在人体呼吸系统中不同位置的流动速度。
优选的，所述人体呼吸系统仿真模型内设置有包括上呼吸道、气管以及分支气管在内的整个呼吸系统。
优选的，所述人体呼吸系统仿真模型还包括人头模型，所述人头模型、上呼吸道、气管以及分支气管相互之间可拆卸固定连接。
优选的，所述呼吸管道上设置有三通阀，所述三通阀其中两个接口连接于呼吸管道上，另一接口与一腔室内空气连通。
优选的，所述一腔室内还设置有产尘装置，所述产尘装置包括固体颗粒发生器以及设置于一腔室内四角处、用于吹动颗粒物使其保持悬浮的风扇，所述固体颗粒发生器上设置有用于调节产尘量大小的调节阀。
优选的，所述一腔室内还设置有用于监测粉尘浓度的粒子计数器。
优选的，所述PIV监测装置为TSI粒子成像测速系统，设置于人体呼吸系统仿真模型的两侧，包括用于安装脉冲激光器和相机的可旋转悬臂，旋转悬臂，即可进行监测角度调节。
与现有技术相比，本发明公开的人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统的优点是：
(1)本发明可通过PIV监测装置的监测结果，确定不同颗粒物进入人体后的沉积机制以及不同粒径范围颗粒物在不同区域的流动速度，分析不同种类不同粒径颗粒物对人体的影响，从而确定对人体危害最大的颗粒物种类及粒径范围，进而有针对性的采取相应的工程除尘和呼吸防护措施。
(2)本发明中的人体呼吸系统仿真模型包括人头模型、上呼吸道、气管以及分支气管，可实现对人体整个呼吸系统的模拟监测。
(3)本发明中使用固体颗粒发生器进行粉尘模拟，更加符合工程实际。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明的结构示意图。
图中的数字或字母所代表的零部件名称为：
1-人体呼吸系统仿真模型；2-仿人呼吸仪；3-PIV监测装置；4-一腔室；5-二腔室；6-固体颗粒发生器；7-风扇；8-粒子计数器；9-三通阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明较佳的实施例，对其结构进行了详细的剖析。
如图1所示的一种人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统，包括人体呼吸系统仿真模型1、仿人呼吸仪2、PIV监测装置3、一腔室4以及二腔室5。
人体呼吸系统仿真模型1包括相互之间可拆卸固定连接的人头模型、上呼吸道、气管以及分支气管，该人体呼吸系统仿真模型1放置于二腔室5内，通过呼吸管道与仿人呼吸仪2连接，在仿人呼吸仪2的作用下模拟呼吸。具体的，该人体呼吸系统仿真模型1所用材料是粗糙度、粘度系数与人体呼吸道相类似的透明的硅胶材料，其特征尺寸是由医学解剖人体呼吸系统各部位尺寸数据的统计分析获取，为了便于实验结束后，对各个部位的粉尘沉积量、粒径分布等粉尘沉积情况进行统计分析，将呼吸系统每个部件借助3D打印技术打印出来然后以可拆卸的形式组装起来，放置在二腔室5内，可实现对人体整个呼吸系统的模拟监测。
仿人呼吸仪2为Hans Rudolph 1101型仿人呼吸仪，放置于一腔室4内，可以模拟人体的呼吸情况，其组成部分中的电动传动杆前推模拟吸气过程，后拉模拟呼气过程，移动距离与每次呼吸量相对应，移动频率则与呼吸频率相一致。仿人呼吸仪2与人体呼吸系统仿真模型1连接的呼吸管道上设置有三通阀9，该三通阀9其中两个接口连接于呼吸管道上，另一接口与一腔室4内空气连通。呼气过程中，电动传动杆后拉产生的负压将一腔室4内的含尘空气由三通阀9第二接口运送至仿人呼吸仪2；吸气过程中，前推产生的压力将含尘气流由三通阀9第一接口压入人体呼吸系统仿真模型1，以此模拟人体的呼吸情况。
PIV监测装置3设置于二腔室5内，用于监测不同种类不同粒径范围颗粒物在人体呼吸系统中不同位置的流动速度。具体的，该PIV监测装置3为TSI粒子成像测速系统，包括TSI CCD型相机、Vlite-200型脉冲激光器和Insight 4G流场可视化系统，设置于人体呼吸系统仿真模型1两侧，其应用到人体模型上，就是用脉冲激光器配合相机镜头对人体呼吸系统的特定位置进行超高频率激光拍照，获取该位置的颗粒流动速度；对角度的调节则是将脉冲激光器和相机固定在一个可以旋转的悬臂上，脉冲激光器的探头和相机镜头方向保持一致，通过旋转悬臂可以实现对激光拍摄角度的调节。该PIV监测装置3为成熟技术，其结构和原理在此不做赘述。
一腔室4是由玻璃树脂板搭建而成的2m×2m×2m立方体测试室，用于提供产尘空间及放置仿人呼吸仪2。一腔室4内设置有产尘装置和用于监测粉尘浓度的粒子计数器8，为实验制造粉尘环境，提供实验条件。产尘装置包括可以模拟产生工业场所内不同种类及不同粒径范围粉尘颗粒的固体颗粒发生器6以及设置于一腔室4内四角处、用于吹动颗粒物使其保持悬浮的风扇7，固体颗粒发生器6上设置有用于调节产尘量大小的调节阀。固体颗粒发生器6保持常开状态，通过粒子计数器8的粉尘浓度监测结果，调节调节阀的开度大小，进行一腔室4内粉尘浓度调控。
二腔室5是由玻璃树脂板搭建而成的1.2m×1.2m×1.2m立方体测试室，用于隔绝粉尘及放置人体呼吸系统仿真模型1和PIV监测装置3，确保PIV监测装置3能够准确监测人体呼吸系统仿真模型1内粉尘状态，而不受到外部空间内粉尘颗粒的影响。
实验开始前，首先对人体呼吸系统仿真模型1的气管及各分支气管进行清洁、干燥及分段称重并作记录，然后组装好置于二腔室5。进行人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验时，开启固体颗粒发生器6，根据实验需要，向一腔室4提供不同种类及不同粒径范围的颗粒物，在仿人呼吸仪2的作用下，人体呼吸系统仿真模型1“吸入”含尘空气，含尘空气流经上呼吸道、气管及分支气管过程中，气流速率和方向会发生改变，相应的，呼吸系统各部位会发生颗粒物沉积现象。在实验过程中，通过使用PIV监测装置3监测不同呼吸流量下不同种类不同粒径范围颗粒物通过人体呼吸系统仿真模型1不同区域时的流动速度。同时，在不同暴露时间段后，对人体呼吸系统仿真模型1的气管及各分支气管进行分段拆解，对各段增加的粉尘沉积质量、粒径分布等情况进行统计分析，分析不同种类不同粒径颗粒物对人体呼吸系统的影响，确认对人体危害最大的颗粒物种类及粒径范围，进而有针对性的采取相应的工程除尘和呼吸防护措施。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统，其特征在于，包括人体呼吸系统仿真模型（1）、仿人呼吸仪（2）、PIV监测装置（3）、用于构造粉尘环境的一腔室（4）以及用于放置人体呼吸系统仿真模型（1）的二腔室（5）；
所述人体呼吸系统仿真模型（1）内设置有包括上呼吸道、气管以及分支气管在内的整个呼吸系统；
所述仿人呼吸仪（2）放置于一腔室（4）内，通过呼吸管道与人体呼吸系统仿真模型（1）连接，模拟人体于粉尘环境下的呼吸；
所述PIV监测装置（3）设置于二腔室（5）内，用于监测不同种类不同粒径范围颗粒物在人体呼吸系统中不同位置的流动速度；所述PIV监测装置（3）为TSI粒子成像测速系统，设置于人体呼吸系统仿真模型（1）的两侧，包括用于安装脉冲激光器和相机的可旋转悬臂，通过旋转可旋转悬臂，可进行监测角度的调节；
所述一腔室（4）内还设置有产尘装置以及用于监测粉尘浓度的粒子计数器（8）；所述产尘装置包括固体颗粒发生器（6）以及设置于一腔室（4）内四角处、用于吹动颗粒物使其保持悬浮的风扇（7），所述固体颗粒发生器（6）上设置有用于调节产尘量大小的调节阀。
2.根据权利要求1所述的人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统，其特征在于，所述人体呼吸系统仿真模型（1）还包括人头模型，所述人头模型、上呼吸道、气管以及分支气管相互之间可拆卸固定连接。
3.根据权利要求1所述的人体呼吸系统颗粒物沉积仿真模拟及监测实验系统，其特征在于，所述呼吸管道上设置有三通阀（9），所述三通阀（9）其中两个接口连接于呼吸管道上，另一接口与一腔室内空气连通。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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