CN114495670A - 一种模拟人体呼吸装置及模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模拟人体呼吸装置及模拟方法，涉及呼吸模拟技术领域，包括上呼吸道模型和供气组件，上呼吸道模型内形成气流通道，气流通道对应上呼吸道模型的鼻腔部、口腔部分别连接有供气组件，供气组件通过流量调节元件连通气流通道，以分别调节上呼吸道模型口腔部、鼻腔部的气流流量；上呼吸道模型内沿气流通道设有多个测压元件；针对目前对上呼吸道状态进行模拟时与患者真实呼吸状态不符的问题，建立上呼吸道模型并将口腔部、鼻腔部分别连通供气组件，通过调节鼻腔部、口腔部的供气流量模拟患者不同占比的口呼吸，贴合患者真实呼吸状况，配合监测元件获取上呼吸道流体力学特征变化，以获取满足分析需求的数据。

Description

一种模拟人体呼吸装置及模拟方法
技术领域
本发明涉及呼吸模拟技术领域，具体涉及一种模拟人体呼吸装置及模拟方法。
背景技术
利用计算流体力学方法对上呼吸道相关疾病发展和治疗的物理机理进行研究，并取得了有效进展。但在其进行研究的过程中，对于通过粒子图像测速技术和或压力传感器等技术表征气溶胶颗粒在呼吸道中的区域沉积特征以及呼吸道流体动力学特征变化时，常常采用单一流量代替真实患者的周期性呼吸，将吸气和呼气的过程分离，或是仅采用鼻腔通道给予通气。
目前在对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征进行分析时，对于仅使用鼻腔呼吸的患者，开放口腔对上气道流动性影响很小，因此多采用忽略口腔的方式进行计算流体力学模拟。但在人体周期性呼吸状态下，患者存在多种口鼻呼吸形式，在分析各类上呼吸道疾病的空气动力学特征时，口呼吸及其占比在呼吸系统疾病中的作用不可忽略，因此，现有忽略口腔的流体力学模拟与患者真实呼吸状况不符，无法模拟不同口鼻呼吸状态而导致可靠性不足，难以满足分析需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种模拟人体呼吸装置及模拟方法，建立上呼吸道模型并将口腔部、鼻腔部分别连通供气组件，通过调节鼻腔部、口腔部的供气流量模拟患者不同占比的口呼吸，贴合患者真实呼吸状况，配合监测元件获取流体力学特征变化，以获取满足分析需求的数据。
本发明的第一目的是提供一种模拟人体呼吸装置，采用以下方案：
包括上呼吸道模型和供气组件，上呼吸道模型内形成气流通道，气流通道对应上呼吸道模型的鼻腔部、口腔部分别连接有供气组件，供气组件通过流量调节元件连通气流通道，以分别调节上呼吸道模型口腔部、鼻腔部的气流流量；上呼吸道模型内沿气流通道设有多个测压元件。
进一步地，所述气流通道和/或供气组件安装有流量计，以分别获取上呼吸道模型口腔部、鼻腔部的气流流量。
进一步地，所述上呼吸道模型包括喉咽部、口咽部、鼻腔部和口腔部，喉咽部、口咽部和鼻腔部内的气流通道依次连通，口腔部的气流通道连通口咽部的气流通道。
进一步地，所述上呼吸道模型内预设有测点，测点位置设置有多个安装有测压元件的测压孔。
进一步地，测压元件绕测点位置对应气流通道的环向依次间隔布置。
进一步地，所述供气组件包括阀组、管路和气泵，气泵通过管路连通阀组，阀组通过管路接入上呼吸道模型，以通过气泵在气流通道内形成气流。
进一步地，所述阀组包括通过气管依次连接的第一阀、第二阀、第三阀和第四阀，气泵一端通过气管接入第一阀和第二阀之间的气管，气泵另一端通过气管接入第三阀与第四阀之间的气管，第二阀与第三阀之间的气管还连接上呼吸道模型。
本发明的第二目的是提供一种人体呼吸模拟方法，利用如上所述的模拟人体呼吸装置，包括以下步骤：
上呼吸道模型鼻腔部、口腔部对应的供气组件工作，在气流通道内形成模拟呼吸气流；
分别测取鼻腔部、口腔部的气流流量，并获取气流通道内设定位置处的气流压力；
依据获取的气流流量、气流压力数据，得到上呼吸道模型的流体力学特征。
进一步地，调节鼻腔部、口腔部的气体流量，分配鼻腔和口腔呼吸流量的比例，以模拟不同程度的口呼吸。
进一步地，依据患者上呼吸道三维扫描数据建立上呼吸道模型，并依据上呼吸道解剖结构选择测压元件安装位置。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
(1)针对目前对上呼吸道状态进行模拟时与患者真实呼吸状态不符的问题，建立上呼吸道模型并将口腔部、鼻腔部分别连通供气组件，通过调节鼻腔部、口腔部的供气流量模拟患者不同占比的口呼吸，贴合患者真实呼吸状况，配合监测元件获取上呼吸道流体力学特征变化，以获取满足分析需求的数据。
(2)通过调整口腔、鼻腔对应的气流比例，模拟不同患者的口鼻呼吸状态，弥补了鼻呼吸和口呼吸交叉融合在呼吸系统疾病影响中的空白，辅助研究周期性呼吸状态下各类上呼吸道疾病的空气动力学特征，从而分析口呼吸及其占比对上呼吸道内气流的影响，满足验证数值仿真模拟的可靠性。
(3)通过建立上呼吸道模型结合口鼻呼吸流量的调整，能够模拟不同患者的呼吸条件，提高了试验工况对患者真实呼吸状况的反映程度，能够准确的模拟呼吸道流体动力学变化，增强计算机流体力学模拟的可靠性评估，辅助临床医生诊断和治疗相关疾病。
(4)建立实际上呼吸道模型进行试验，在上呼吸道模型的测点位置布置测压元件，采集各个测点位置的压强，与流体力学模拟结果进行比对，验证计算机模拟的可靠性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1或2中模拟人体呼吸装置的结构示意图。
图中，1、第一阀，2、第二阀，3、第三阀，4、第四阀，5、气泵，6、流量计，7、控制器，8、电源，9、上呼吸道模型，10、鼻腔部测点，11、鼻咽部测点，12、口咽部测点，13、喉咽部测点。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1所示，给出一种模拟人体呼吸装置。
如图1所示的模拟人体呼吸装置，用于对人体周期性呼吸状态下上呼吸道的气流状态进行模拟，并对上呼吸道内部气流通道的多个位置进行压力监测，获取不同口呼吸、鼻呼吸比例下上呼吸道内部的气流数据，以模拟患者不同状态下的呼吸数据。
由于临床患者呼吸疾病的复杂性，往往存在口鼻呼吸共用的情况，需要在模拟鼻呼吸的同时，模拟口呼吸。结合图1，模拟人体呼吸装置主要包括供气组件和上呼吸道模型9，对应口呼吸和鼻呼吸的状态，在本实施例中，为上呼吸道模型9的口腔部、鼻腔部分别配置供气组件，即上呼吸道模型9的鼻腔部连通有至少一个供气组件，口腔部连通有至少一个供气组件，通过不同的供气组件分别在口腔部、鼻腔部内形成气流，并能够分别进行调整，模拟不同的呼吸状态。
具体的，上呼吸道模型9内形成气流通道，气流通道对应上呼吸道模型9的鼻腔部、口腔部分别连接有供气组件，在一个供气组件给予鼻腔部气流的同时，还能够给予口腔部气流，模拟出口鼻呼吸共用的情况。
供气组件通过流量调节元件连通气流通道，以分别调节上呼吸道模型9口腔部、鼻腔部的气流流量；通过分配口腔部、鼻腔部气流流量的比例，模拟不同严重程度的口呼吸。
如图1所示，在分配口腔部、鼻腔部气流流量比例的同时，还可以关闭口腔部对应的供气组件，形成仅使用鼻腔呼吸的状况，也可以关闭鼻腔部对应的供气组件，形成仅使用口腔呼吸的状况，根据不同的需求，对其进行相应的流量调整，根据不同的模拟需求，进行气体流量比例的调节。
通过调整口腔、鼻腔对应的气流比例，模拟不同患者的口鼻呼吸状态，弥补了鼻呼吸和口呼吸交叉融合在呼吸系统疾病影响中的空白，辅助研究周期性呼吸状态下各类上呼吸道疾病的空气动力学特征，从而分析口呼吸及其占比对上呼吸道内气流的影响，满足验证数值仿真模拟的可靠性。
对于所布置的供气组件，在其运行时，需要对上呼吸道模型9内气流通道的气流流量进行监测，因此，在气流通道和/或供气组件安装有流量计6，以分别获取上呼吸道模型9口腔部、鼻腔部的气流流量，结合供气组件对气流通道内的气流流量进行准确控制。
如图1所示，供气组件包括阀组、管路和气泵5，气泵5通过管路连通阀组，阀组通过管路接入上呼吸道模型9，以通过气泵5在气流通道内形成气流。
具体的，阀组包括通过气管依次连接的第一阀1、第二阀2、第三阀3和第四阀4，气泵5一端通过气管接入第一阀1和第二阀2之间的气管，气泵5另一端通过气管接入第三阀3与第四阀4之间的气管，第二阀2与第三阀3之间的气管还连接上呼吸道模型9。
结合图1，为了实现对气泵5工作状态和阀启闭状态的控制，供气组件的所有阀和气泵5接入控制器7，并通过控制器7连接电源8，通过控制器7对阀启闭、气泵5运行的控制，从而为上呼吸道模型9提供气流。同时，气泵5可以选用单向直流无刷鼓风机，结合管路形成气流，阀可以选用电磁阀，通过电磁阀的开启状态，使得供气组件形成不同的气流供应状态，从而在上呼吸道模型9内形成不同的呼气、吸气状态，满足模拟呼吸状态的需求。
如图1，鼻腔部和口腔部对应的供气组件结构相同，在本实施例中以鼻腔部对应的供气组件为例进行介绍，第一阀1和第四阀4一侧连接的管道与大气相通，另一侧通过管道分别于第二阀2和第三阀3相连接，单向直流无刷鼓风机一侧与第一阀1、第二阀2之间的管道相接，另一侧与第三阀3、第四阀4之间的管道相接。当第一阀1和第三阀3同时打开时，此时第二阀2和第四阀4关闭，模拟吸气过程；当第二阀2和第四阀4同时打开时，此时第一阀1和第三阀3关闭，模拟呼气过程。
同时，在本实施例中，流量调节元件集成于气泵5即单向直流无刷鼓风机中，流量调节元件选用流量调节器，根据单向直流无刷鼓风机自带的流量调节器调节呼吸流量的大小，同时，流量调节器一侧与控制器7相接，控制流量的周期性变化方式。
可以理解的是，根据鼻腔和口腔部位的热敏电阻实际获取患者平静清醒休息状态下、运动过程中和睡眠状态下的呼吸数据，将呼吸频率以及呼吸模式的相关程序写入控制器7，设置人体呼吸周期函数，模拟多种真实人体呼吸模态，供气组件为上呼吸道模型9供给气流，并能够通过数据采集模块输出实时同步的呼吸流量和呼吸频率。
对于上呼吸道模型9，上呼吸道模型9包括喉咽部、口咽部、鼻腔部和口腔部，喉咽部、口咽部和鼻腔部内的气流通道依次连通，口腔部的气流通道连通口咽部的气流通道。上呼吸道模型9内沿气流通道设有多个测压元件，所述上呼吸道模型9内预设有测点，测点位置设置有多个安装有测压元件的测压孔，测压元件沿测点位置对应气流通道的环向依次布置；测压元件可以选用压力传感器，压力传感器连接数据采集模块，从而获取气流通道内不同测点处的气流压力状态。
在本实施例中的上呼吸道模型9可以采用患者锥形束CT或者磁共振影像数据经过三维重建后3D打印形成，也可以根据所需参数进行设计建模，通过在呼吸道模型表面设置多个测压孔，结合压力传感器和数据采集模块输出各个测压位点的压强，可与计算机流体力学模拟结果进行对比，验证计算机模拟的可靠性。
需要指出的是，上述测压孔的选择是根据上呼吸道解剖结构(由鼻腔、鼻咽、口咽和喉咽四部分组成)决定的。在不同的解剖部位分别选取测压位点，相邻测压位点之间间距1-1.5cm，鼻腔部位的测压孔沿着鼻腔侧壁放置，鼻咽、口咽和喉咽的测压孔沿着呼吸道后壁设置。鼻腔部测点10、鼻咽部测点11、口咽部测点12和喉咽部测点13的位置如图1所示。
同时，在本实施例中，根据临床影像数据辨别呼吸道主要狭窄或阻塞的位置作为测点，然后在其前、后、左、右分别设置1个测压孔。可以理解的是，也可以在建模过程中，主动建立狭窄或阻塞位置，并在此位置选取测压位点，进行主动的压力测量。
在每次测量前，对流量计6和压力传感器都进行校准和预热。由于吸气和呼气过渡转换过程中不可避免的影响这一时间节点的呼吸曲线和压力的变化，因此，选择收集吸气和呼气峰值以及接近峰值两侧的呼吸时间点对应的压力。在本实施例中，当呼吸曲线稳定后，以连续三个呼吸周期中获取的压力平均值与计算机模拟结果进行比较。
建立实际上呼吸道模型9进行试验，在上呼吸道模型9的测点位置布置测压元件，采集各个测点位置的压强，与流体力学模拟结果进行比对，验证计算机模拟的可靠性。
实施例2
本发明的另一典型实施方式中，如图1所示，给出一种人体呼吸模拟方法。
利用如实施例1中的模拟人体呼吸装置，并包括以下步骤：
依据患者上呼吸道三维扫描数据建立上呼吸道模型9，并依据上呼吸道解剖结构选择测压元件安装位置；
上呼吸道模型9鼻腔部、口腔部对应的供气组件工作，在气流通道内形成模拟呼吸气流；
分别测取鼻腔部、口腔部的气流流量，并获取气流通道内设定位置处的气流压力；
调节鼻腔部、口腔部的气体流量，分配鼻腔和口腔呼吸流量的比例，以模拟不同程度的口呼吸，同时获取气流通道内设定位置处的气流压力；
依据获取的气流流量、气流压力数据，得到上呼吸道模型9的流体力学特征。
通过建立上呼吸道模型9结合口鼻呼吸流量的调整，能够模拟不同患者的呼吸条件，提高了试验工况对患者真实呼吸状况的反映程度，能够准确的模拟呼吸道流体动力学变化，增强计算机流体力学模拟的可靠性评估，辅助临床医生诊断和治疗相关疾病。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟人体呼吸装置，其特征在于，包括上呼吸道模型和供气组件，上呼吸道模型内形成气流通道，气流通道对应上呼吸道模型的鼻腔部、口腔部分别连接有供气组件，供气组件通过流量调节元件连通气流通道，以分别调节上呼吸道模型口腔部、鼻腔部的气流流量；上呼吸道模型内沿气流通道设有多个测压元件。
2.如权利要求1所述的模拟人体呼吸装置，其特征在于，所述气流通道和/或供气组件安装有流量计，以分别获取上呼吸道模型口腔部、鼻腔部的气流流量。
3.如权利要求1所述的模拟人体呼吸装置，其特征在于，所述上呼吸道模型包括喉咽部、口咽部、鼻腔部和口腔部，喉咽部、口咽部和鼻腔部内的气流通道依次连通，口腔部的气流通道连通口咽部的气流通道。
4.如权利要求1所述的模拟人体呼吸装置，其特征在于，所述上呼吸道模型内预设有测点，测点位置设置有多个安装有测压元件的测压孔。
5.如权利要求4所述的模拟人体呼吸装置，其特征在于，测压元件绕测点位置对应气流通道的环向依次间隔布置。
6.如权利要求1所述的模拟人体呼吸装置，其特征在于，所述供气组件包括阀组、管路和气泵，气泵通过管路连通阀组，阀组通过管路接入上呼吸道模型，以通过气泵在气流通道内形成气流。
7.如权利要求6所述的模拟人体呼吸装置，其特征在于，所述阀组包括通过气管依次连接的第一阀、第二阀、第三阀和第四阀，气泵一端通过气管接入第一阀和第二阀之间的气管，气泵另一端通过气管接入第三阀与第四阀之间的气管，第二阀与第三阀之间的气管还连接上呼吸道模型。
8.一种人体呼吸模拟方法，其特征在于，利用如权利要求1-7任一项所述的模拟人体呼吸装置，包括以下步骤：
上呼吸道模型鼻腔部、口腔部对应的供气组件工作，在气流通道内形成模拟呼吸气流；
分别测取鼻腔部、口腔部的气流流量，并获取气流通道内设定位置处的气流压力；依据获取的气流流量、气流压力数据，得到上呼吸道模型的流体力学特征。
9.如权利要求8所述的人体呼吸模拟方法，其特征在于，调节鼻腔部、口腔部的气体流量，分配鼻腔和口腔呼吸流量的比例，以模拟不同程度的口呼吸。
10.如权利要求8所述的人体呼吸模拟方法，其特征在于，依据患者上呼吸道三维扫描数据建立上呼吸道模型，并依据上呼吸道解剖结构选择测压元件安装位置。
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