[发明专利]基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量方法及实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程、卫生防护防疫技术与装备、人-机-环境系统工程和流体力学等技术领域，具体地说，是涉及适合人体上呼吸道气流流场测量的一种测量方法和实验装置。

背景技术

PIV技术作为研究各种复杂流场的一种基本手段已广泛应用于各种流动测量与显示，国内外已经有很多学者将这一测量技术应用于通风领域的研究。从定常到非定常、低速到高速、单相到多相，在同一时刻记录整个测量平面的有关信息，从而获得流动的瞬时速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等，很适合研究涡流、湍流等复杂流动结构的流场测量，可以实现对流体域进行全场、瞬态、无干扰测量。

人体呼吸系统的主要生理机能是在大气和血液之间交换氧气和二氧化碳，维持体内各级组织进行新陈代谢所需要的气体环境。人体上呼吸道是呼吸系统的重要组成部分，是人体与外界环境进行气体交换的主要通道。随着国际生物恐怖威胁的增加、大气环境的不断恶化以及卫生防护防疫技术的发展，对人体上呼吸道内气流运动研究的重要性已逐渐为人们所关注。国内外已有研究人员对人体上呼吸道流场进行了相关研究，并取得了一定成果。但是目前研究仍有局限：一是采用计算机仿真研究较多而实验研究较少；二是实验研究多数局限在单一口喉模型、鼻腔模型或支气管模型，缺乏对包括口腔到前三级支气管在内的完整人体上呼吸道模型的研究；三是所用模型大都为简化模型，概况起来主要体现在以下五个方面：1)均假设刚性壁面，没有考虑壁面弹性的影响；2)人体上呼吸道内的真实呼吸流是典型的流体-结构交互作用影响的过程，而进行这一流-固耦合问题的研究较少，缺乏对流-固耦合现象系统深入的认识；3)声门形状随呼吸流量发生变化，对上呼吸道内的气流运动具有重要的影响，然而声门形状动态连续随呼吸流量变化对下游气流结构的影响还没有完全弄清楚；4)现有研究在进行气流运动分析时均假设呼吸道壁面光滑，很少考虑软骨结构；5)人体肺部的非对称性是肺部模型的重要特点，目前针对这种非对称性影响的研究仍然较少，其对气流运动的影响尚未达成共识；四是国内外仅限于对整体气流组织形式的研究。

人体上呼吸道气流运动为等温、不可压缩流动，多数情况下是层流或者低雷诺数的湍流流动。同时，涡结构特征及其演化形式是上呼吸道气流运动现象的显著特点，呼吸气流运动受呼吸模式、呼吸道结构特点、壁面粘液等多因素的影响，经历由层流向湍流过渡以及由大尺度涡结构向小尺度涡结构过渡的湍流转捩过程，在湍流转捩过程中形成涡结构、流动分离、二次流等较为复杂的气流运动形式，其内部流场极为复杂。

正是在这一背景下，通过建立包括从口腔到前三级支气管在内的真实人体上呼吸道模型，构想一种基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量方法并研制实验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，通过建立真实的人体上呼吸道模型，配备真空泵、电磁阀、流量计、真空舱室、烟雾混合舱室等设备和器材，以及由激光器、CCD照相机、烟雾发生器和电脑等组成的PIV测试系统，提供一种能够测量稳态和瞬态两种情况下人体上呼吸道流场气流运动特性、涡结构特征及演化形式、剪应力变化及分布的测量方法及实验装置。

本发明人体上呼吸道流场测量实验装置，通过下述技术方案予以实现，所述实验装置包括真实人体上呼吸道模型、气路系统和PIV测试系统；

所述真实人体上呼吸道模型包括口腔、悬雍垂、咽部、会厌、喉部、声门、梨状窝、气管和前三级支气管；所述模型口腔进口简化为圆形，口腔腔体为拱形，口腔的进口沿水平方向；所述模型悬雍垂在口腔上壁靠近咽部前壁处，高为6.14mm；所述模型咽部形状不规则，矢状位大于冠状位，咽部和口腔底部平滑连接；所述模型喉部下方有声门开口，会厌在咽的内部突起，会厌与声门通过管型连接，会厌至少距离咽部底部20mm；所述梨状窝位于喉部底端两侧；所述模型声门与气管平滑连接；所述模型主气管分别连接两个二级支气管，二级支气管分别连接长度和数目不同的三级支气管，主气管长134.69mm，各级支气管长短不一，上述气管平滑连接而成，所述支气管相对于主气管非对称分布；；