CN114791269A - 一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，通过聚焦纹影组件和模型展示组件，基于人体真实口喉模型和呼吸过程中的真实状态。采用非球面反射镜的设计，非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性，极大地提升了纹影系统的均匀性和分辨率，保证了纹影系统的分辨率；对市场实施可能性和经济效益预测分析：非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性，系统的分辨率正比于系统的口径，反比于系统的焦距，长焦系统具有更高的分辨率，有一定的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及气体成像技术领域，具体涉及一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备。
背景技术
气流流动状态通常是看不见的，因此很难知道气流是如何运行的，并且误差的可能性很大。在许多研究中，没有试图将气流可视化，只绘制了我们认为气流行为的概念草图。这在一定程度上是因为传统上很难清晰地看到气流。大多数传统的流动可视化方法都需要在空气中植入示踪粒子，如烟、雾以及中性漂浮肥皂泡等。Daws(1970)进行了这类经典研究。不幸的是，他描述的许多流动现象无法在他的照片中明确地看到。特别是，示踪粒子与流动中的热差异无关，因此人们观察到的往往取决于粒子的引入方式。光流可视化不涉及示踪粒子，而是通过一束光束，然后检查该光束是否因温差而扭曲。这是因为空气的光学折射率随温度呈线性变化。在几种可能的方法中，这里采用的是纹影技术。
针对室内空气中折射率梯度较弱的情况，采用精密凹面镜的实验室纹影仪已成为最重要的可视化技术。在20世纪，纹影技术作为空气动力学和风洞测试的关键工具而流行起来，主要应用于工程和物理学，但它也几乎应用于科学技术的每一个分支。专门针对建筑和健康科学领域，纹影光学可用于定性评价个性化通风提供的气流。在这里可以有效地用于在这种室内情况下对人体周围的气流进行可视化，非侵入式且不需要示踪气体或空气中的颗粒。由于空气温度的实时变化，它通过使光学相位梯度可见来实现这一点。
Alsaad使用大型纹影镜对个性化送风气流进行定性研究，调查分层环境中人体志愿者的热羽流，纹影可视化结果表明，个性化送风提供的低湍流能够穿透包围人体模型的热对流边界层，为吸入提供清洁空气。Craven用于确定呼出气流的分散和分布特征，以便准确预测在疾病传播。XuC应用纹影技术来表征人体呼气，提出了分别预测呼气速度和向上的新方法。TangJW使用具有实时非侵入性纹影成像技术对真实人类志愿者进行实验，证明戴口罩的重要性，以减少人类咳嗽时空气传播感染的可能性。TangJW通过跟踪单个湍流涡流的计算机化方法分析单次咳嗽的高速纹影视频，证明了排出气流的非侵入式测速。结果表明，人类咳嗽会向周围空气喷射出快速湍流喷射，但佩戴外科口罩或N95口罩可以通过阻止喷射(N95口罩)的形成，或将其重新引导到空气中来阻止这种传播空气感染的自然机制危害较小的方向(外科口罩)。因此，纹影系统使观察到呼吸热羽流的流动特征成为可能，与数值模拟结果可以相呼应证，证明模拟的准确性。
综上，人体呼吸系统外部气流分布的研究在较多方面需要进行完善。本申请主要从以下几个方面入手：(1)选用真实扫描的呼吸系统结构和人体皮肤轮廓；(2)考虑人体真实呼吸过程设定边界条件；(3)采用数值模拟与纹影观测实验验证相结合的手段开展研究。另外，现有的纹影设备多用于科研和工业用途，通常采用一体式的带镜头的相机作为成像系统。这样的镜头由包括多个镜片的一组镜片组成，结构较复杂、成本较高，导致纹影仪的成本较高，对纹影仪的普及造成限制，并且现有的纹影光学设备大多是球面设计，球面反射镜的球差等像差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，将实验用设备集成化，形成一体化设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，包括聚焦纹影组件；
以及与所述聚焦纹影组件相连接的模型展示组件；
所述聚焦纹影组件包括：凹面反射镜、纹影头及两组水平支架；其中，所述凹面反射镜和所述纹影头分别安装在所述水平支架上；
所述模型展示组件包括：模型显示器、网格划分器、数值模拟器、边界层优化器及后处理器。
优选的，所述凹面反射镜的直径403mm或406mm、焦距为2000mm。
优选的，所述纹影头包括可外触发频闪光源、分光棱镜及工业相机；所述分光棱镜连接在所述工业相机上。
优选的，所述凹面反射镜的反射面距离分光棱镜的水平距离是4000mm，且两者中心垂直；
垂直方向上分光棱镜的高度和凹面反射镜的中心高度相等。
优选的，所述模型显示器包括用于获得CT扫描图像的螺旋CT。
优选的，所述数值模拟器包括用于对网格数量进行稳态及非稳态计算器。
优选的，所述边界层优化器用于对非稳态状况下呼吸速度UDF和真实口腔黏膜边界层UDF进行编译，并将其成功导入并计算。
优选的，所述后处理器用于将得到的结果导入tecplot进行处理与分析。
综上所述，由于采用了上述技术，本发明的有益效果是：
本发明中通过聚焦纹影组件和模型展示组件，基于人体真实口喉模型和呼吸过程中的真实状态，采用数值模拟与纹影观测实验验证相结合的手段，揭示不同环境温湿度、不同呼吸状态、不同防护措施等条件下，人体呼吸射流的扩散特征，进一步探究飞沫在呼吸道外部的真实运动轨迹与演变过程。采用非球面反射镜的设计，非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性，极大地提升了纹影系统的均匀性和分辨率，保证了纹影系统的分辨率；对市场实施可能性和经济效益预测分析：非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性，系统的分辨率正比于系统的口径，反比于系统的焦距，长焦系统具有更高的分辨率，有一定的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明螺旋CT扫描模型结构示意图；
图3为本发明上呼吸道扫描示意图；
图4为本发明用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备的结构示意图；
图5为本发明工业相机的结构示意图；
图6为本发明模型展示组件的结构示意图；
图7为本发明方案1的纹影图像；
图8为本发明方案2的纹影图像；
图9为本发明方案3的纹影图像；
图10为本发明方案4的纹影图像；
图11为本发明方案5的纹影图像；
图12为本发明方案6的纹影图像
图13为本发明方案7的纹影图像；
图14为本发明方案8的纹影图像。
图中：
1、聚焦纹影组件；101、凹面反射镜；102、纹影头；103、水平支架；104、可外触发频闪光源；105、分光棱镜；106、工业相机；
2、模型展示组件；201、模型显示器；202、网格划分器；203、数值模拟器；204、边界层优化器；205、后处理器；206、螺旋CT；207、稳态及非稳态计算器。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-6所示的，一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，包括聚焦纹影组件1；以及与所述聚焦纹影组件1相连接的模型展示组件2；
所述聚焦纹影组件1包括：凹面反射镜101、纹影头102及两组水平支架103；其中，所述凹面反射镜101和所述纹影头102分别安装在所述水平支架103上；
所述凹面反射镜101的直径403mm或406mm、焦距为2000mm。所述纹影头102包括可外触发频闪光源104、分光棱镜105及工业相机106；所述分光棱镜105连接在所述工业相机106上。所述凹面反射镜101的反射面距离分光棱镜105的水平距离是4000mm，且两者中心垂直；垂直方向上分光棱镜105的高度和凹面反射镜101的中心高度相等。
所述模型展示组件2包括：模型显示器201、网格划分器202、数值模拟器203、边界层优化器204及后处理器205。
所述模型显示器201包括用于获得CT扫描图像的螺旋CT206，以及用于对CT扫描图像进行处理的Mimics软件。
所述网格划分器202包括用于导入人体三维真实模型的Fluentmeshing软件，以及对网格进行独立性验证器和选取最优网格数量模块。
所述数值模拟器203包括用于对网格数量进行稳态及非稳态计算器207，与前人的文献数据对比模块。所述边界层优化器204用于对非稳态状况下呼吸速度UDF和真实口腔黏膜边界层UDF进行编译，并将其成功导入并计算。所述后处理器205用于将得到的结果导入tecplot进行处理与分析。
基础数据测量，以健康的具体人为研究对象，通过实验手段，获取呼吸过程中的状态参数，包括：正弦特征、呼吸周期、气流速度、口鼻分配、环境温湿度、人体表面温度等基础数据。
纹影观测实验，搭建单反射镜的聚焦纹影组件1试验台，分别在12℃、18℃、24℃的工况下，对不同温度、不同呼吸状态、不同呼吸频率以及热羽流等因素进行观测实验，同时测量人体口鼻附近呼吸气流影响下的动态温湿度变化。
数值模拟研究，通过螺旋CT206对实验对象的外呼吸道及皮肤表面轮廓进行扫描成像，并建立正式三维模型，采用Fluentmeshing合理划分网格，根据基础数据所设定的边界条件，进行三维稳态数值模拟，研究不同环境温度、呼吸频率、呼吸方式条件下，人体呼吸射流特征规律；针对人体正弦呼吸规律特征，进行三维非稳态数值模拟，揭示周期性呼吸状态下人体呼吸射流的扩散特性。
通过螺旋CT206扫描，建立真实人体口喉模型，并采用Fluentmeshing技术对模型进行合理网格划分；
基于人体正弦呼吸特征，实现非稳态状况下呼吸速度UDF的编译、真实口腔黏膜边界层UDF的编译，并将其成功导入进行计算；
搭建纹影实验装置，实现精准控制，导出真实、清晰的特征图像。
数值模拟
建立模型：对志愿者进行螺旋CT206扫描，得到呼吸道CT扫描图像，通过CT图像处理软件Mimics获得基本模型；
模型建立过程如下：
1.CT扫描获取呼吸道几何模型
采用GE Lightspeed VCT 64型多层螺旋CT机,对志愿者的上呼吸道进行水平位与冠状位的连续扫描。扫描时志愿者仰卧、头颈部自然伸直。扫描结束后，将DICOM影像学数据导入至mimics软件(试用版)导出影像学数据，得到呼吸道完整模型。
2.建立完整人体模型
将螺旋扫描CT得到的呼吸道模型和下载的人体模型导入到Materialise Magics，将下载模型头部切割，并将其身体旋转、缩放、移动至头部对应位置。组合模型导入freeform中，使用雕刻笔将脖子和头部补充完整，此时得到完整的人体模型，但此时鼻腔被堵住。因此将完整的人体实体模型、头部初始模型重新导入Materialise中，利用布尔运算求并集的方式，将头部和鼻腔合并，得到完整的人体模型。
3.抽取流域
创建立方体，将立方体和建立好的完整模型合并，利用布尔运算减法抽取流域，得到计算流域。
划分网格：将已建好的人体三维真实模型导入Fluentmeshing软件，划分Poly非结构网格，并对网格进行独立性验证，选取最优网格数量；
数值模拟：选用最优的网格数量进行稳态及非稳态计算，通过与前人的文献数据对比，验证数学模型的正确性；在此基础上改变环境温度、呼吸方式和呼吸频率，分别进行计算；
边界层优化：对非稳态状况下呼吸速度UDF和真实口腔黏膜边界层UDF进行编译，并将其成功导入并计算；
后处理：将得到的结果导入tecplot进行处理与分析。
纹影观测实验
工作原理：纹影法又称施利伦(schlieren方法，是一种经典的光学显示技术。其基本原理是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度原理,将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来。把具有高时间分辨本领的高速相机与纹影法结合起来，便成为高速纹影法。该方法在轰爆与冲击波物理实验中，用于显示流场、冲击波阵面及在透明介质中的传播、观察高压力下自由表面的微物质喷射、界面上的波系状况、界面不稳定性以及高压下火花放电等弱冲击波的发展等，是一种有着广泛用途的光学测试技术。纹影系统按照光线通过被测流场区的形状，分为平行光纹影系统和锥形光纹影系统两大类，但二者成像原理相同。
系统组成：
凹面反射镜101:直径403mm或406mm；焦距F＝2000mm；
纹影头102:1个可外触发频闪光源104；1个分光棱镜105；1个小孔；1个刀片；1个工业相机106；
支架:积木式结构支架。
搭建及调节方法：
凹面反射镜101和纹影头102位置调节固定，将凹面反射和纹影头102分别固定在稳定的等高水平支架103或光学平台上，凹面镜的反射面距离纹影头102的分光棱镜105距离大概是2F(4000mm)距离。垂直方向上分光棱镜105的高度和反射镜的中心高度大致相等到桌面高度大概是250mm)。水平方向上让立方棱镜的中心垂直对射凹面反射镜101；
将光源接通电源并顺时针旋钮把亮度调节到最大，用一张白色纸张垂直放在立方棱镜出光扣附近可以看到反射镜返回的白色光斑；
沿着垂直光轴方向水平移动纹影头102让光斑进入到立方棱镜的中心，此时调节两个位移台旋钮，让光斑正好通过狭缝。
实施例2
对理想的口喉模型进行稳态模拟
建立理想的口喉模型，并根据前人已经有实验研究作为参照，对比不同模型的表现，将别人的计算结果和模拟数据对比分析，评估各个模型的优劣，确定数学模型。
设置不同网格数量，并对不同密度模型进行模拟，待计算收敛，取某参考线的温度值、湿度值进行对比，证明网格数计算；
对真实的口喉模型进行稳态模拟
做CT检测，并根据其结果进行建模，对真实口喉模型进行网格划分，并对网格独立性进行验证；采用理想的口喉模型稳态模拟得到的数学模型进行计算；更改模拟工况，对不同工况进行计算；
对真实的口喉模型进行非稳态模拟
真实口喉模型稳态模拟收敛之后，在真实口喉模型的基础上进行非稳态模拟；更改模拟工况呼吸方式、外界温度、边界条件、呼吸状态，对不同工况进行计算；
纹影实验
以呼吸方式、外界温度、边界条件、呼吸状态为变量，进行纹影实验；实验方案如下表所示，对气流扩散情况进行研究，与相同条件下的模拟情况进行对比分析。
温度a＝12/18/24,表格中“1”表示是，“0”表示是否。
采用真实口喉模型，能够较真实的还原温湿度的分布状况，对病毒的传播和防控有意义；对真实口喉模型进行稳态计算，为非稳态计算奠定基础；对真实口喉模型进行非稳态计算，能够真实的还原人体呼吸系统外部温湿度的分布情况，分析病毒在不同温湿度条件下扩散情况；改变计算工况，对比得到不同条件下温湿度的变化及病毒扩散情况；纹影实验研究能够正确显示流体运动特点和主要变化趋势。
在12及18摄氏度情况下进行纹影实验，对不同温度同种呼吸状态的纹影进行对比分析，如图7-图14所示的，依次对应方案1-方案8，其中，左侧为12摄氏度情况下进行纹影实验的纹影图像、右侧为18摄氏度情况下进行纹影实验的纹影图像。
对以上实验进行分析，改变环境温度，控制其他变量相同，当环境温度在12摄氏度时，人体呼气气流温度与周围环境温差较大，紊流更加明显；而在18摄氏度时，呼气气流紊流程度比起18摄氏度小；可以得知，在低温环境下，呼吸对周围环境的扰动越大，若存在病毒，则病毒在空气中的传播更加复杂；
当病源咳嗽时，气流可以直接冲击易感者的呼吸区，若此时有易感者在附近，易感者呼吸区的热羽流会被影响，吸入的污染物浓度也将明显升高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
Claims (8)
1.一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：
包括聚焦纹影组件(1)；
以及与所述聚焦纹影组件(1)相连接的模型展示组件(2)；
所述聚焦纹影组件(1)包括：凹面反射镜(101)、纹影头(102)及两组水平支架(103)；其中，所述凹面反射镜(101)和所述纹影头(102)分别安装在所述水平支架(103)上；
所述模型展示组件(2)包括：模型显示器(201)、网格划分器(202)、数值模拟器(203)、边界层优化器(204)及后处理器(205)。
2.根据权利要求1所述的一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：所述凹面反射镜(101)的直径403mm或406mm、焦距为2000mm。
3.根据权利要求2所述的一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：所述纹影头(102)包括可外触发频闪光源(104)、分光棱镜(105)及工业相机(106)；所述分光棱镜(105)连接在所述工业相机(106)上。
4.根据权利要求3所述的一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：所述凹面反射镜(101)的反射面距离分光棱镜(105)的水平距离是4000mm，且两者中心垂直；
垂直方向上分光棱镜(105)的高度和凹面反射镜(101)的中心高度相等。
5.根据权利要求1所述的一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：所述模型显示器(201)包括用于获得CT扫描图像的螺旋CT(206)。
6.根据权利要求5所述的一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：所述数值模拟器(203)包括用于对网格数量进行稳态及非稳态计算器(207)。
7.根据权利要求6所述的一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：所述边界层优化器(204)用于对非稳态状况下呼吸速度UDF和真实口腔黏膜边界层UDF进行编译，并将其成功导入并计算。
8.根据权利要求7所述的一种用于呼吸道飞沫轨迹采集的高均匀高分辨纹影光学设备，其特征在于：所述后处理器(205)用于将得到的结果导入tecplot进行处理与分析。
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