一种头部运动下考虑呼吸、讲话、咳嗽和喷嚏的呼吸模拟系统

技术领域

本发明涉及呼吸模拟技术领域，更具体的说是涉及一种头部运动下考虑呼吸、讲话、咳嗽和喷嚏的呼吸模拟系统。

背景技术

无毒无害的示踪气体可以作为衡量室内污染物去除速率的首选替代指标物，包括可替代呼吸气溶胶以实现定量的时变分析。由于人约90％以上的时间工作在室内环境，因此为有效控制室内环境下的污染物对人的暴露危害尤为重要，尤其是在流行病爆发期间。

目前，在衡量室内污染物时，通常需要真人参与暴露实验，但由于个体差异和实验条件的不可控性，使得真人暴露实验的数据可能存在偏差，导致结果不可靠；同时有可能会对参与者的健康造成严重威胁。

因此，为真实还原环境内人群特征，同时避免真人参与暴露实验，本申请提供了一套呼吸模拟器搭载运动头模系统以全尺度模拟气体释放。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种头部运动下考虑呼吸、讲话、咳嗽和喷嚏的呼吸模拟系统，目的是考虑实际场景下的人体的口鼻释放特征，提供稳态气流，以真实还原环境内人群特征。

将所需浓度的气体均匀且稳定的输入至呼吸模拟系统中。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种头部运动下考虑呼吸、讲话、咳嗽和喷嚏的呼吸模拟系统，包括浓度控制箱，所述浓度控制箱具有进气口和出气口，进气口连接气体释放单元，出气口连接呼吸模拟单元；

所述浓度控制箱内部安装有气体扰动装置，并分布设有多个气体传感器；

所述气体扰动装置与气体传感器均电连至控制终端，同时所述控制终端分别与气体释放单元和呼吸模拟单元相连；

且所述呼吸模拟单元包括依次相连的呼吸模拟器和运动头模，所述运动头模置于室内环境舱中。

进一步地，所述气体释放单元包括钢瓶和释放控制装置，所述释放控制装置与控制终端相连。

进一步地，所述浓度控制箱具有可拆卸结构，以便于气体扰动装置和气体传感器的安装与维护。

进一步地，所述气体扰动装置为多角度旋转的风扇；所述风扇有多个，并对称设置；

所述气体传感器均匀布设于浓度控制箱中，且位于浓度控制箱中心位置的气体传感器通过支撑架固定。

进一步地，所述进气口周边设置多个气体单向阀。

进一步地，所述呼吸模拟器通过连通管与运动头模相连，所述连通管外围缠绕电热线，用于加热模拟人体呼出气体的温度。

进一步地，所述呼吸模拟单元内置于室内环境舱中，所述室内环境舱中布设有监测传感器，所述监测传感器与控制终端相连。

进一步地，工作过程包括：

S1、预先连通气体释放单元与浓度控制箱，通过控制终端控制气体释放单元进行气体释放；同时，启动气体扰动装置；

S2、通过控制终端监测气体传感器的工作状态以及浓度控制箱中气体实时浓度；

S3、预设呼吸模拟单元参数，当气体实时浓度达到预设标准时，连通浓度控制箱和呼吸模拟单元，使气体按所需标准进行释放。

进一步地，预设呼吸模拟单元参数包括设置呼吸模拟器的参数和运动头模的参数，

所述呼吸模拟器参数包括：单次潮气量和呼吸频率；

所述运动头模的参数包括：运动模式的次数和转动角度，以及呼吸模式。

进一步地，讲话、咳嗽和喷嚏的气体释放特征遵循实测曲线，且模拟讲话时，最大速度为4m/s；模拟咳嗽时，单个周期为0.5秒，最大速度可设置为8m/s；模拟喷嚏时，单个周期为0.5秒，最大速度可设置为20m/s。

经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种头部运动下考虑呼吸、讲话、咳嗽和喷嚏的呼吸模拟系统，与现有技术相比，本发明通过搭配气体钢瓶、释放控制装置及传感器可定量提供固定浓度且稳定的气体，并输出到呼吸模拟单元，同时设置风扇扰动气体进一步使其充分混合；

此外，本申请可充分考虑实际场景下的人体的口鼻释放特征，真实还原环境内人群特征，从而避免真人参与暴露实验，本申请公开的呼吸模拟系统对室内环境质量控制、感染暴露风险评估、暖通空调设计和室内空间设计具有重要意义。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明头部运动下呼吸模拟系统结构框图；

图2为本发明浓度控制箱三维透视图；

图3为本发明浓度控制箱顶视图；

图4为本发明浓度控制箱正视图；

图5为本发明浓度控制箱右视图；

图6为本发明头部运动下呼吸模拟系统结构示意图。

附图说明

1—亚克力板、2—可拆卸亚克力面板、3—气体传感器、4—信号转换器、5—硅橡胶气体单向阀、6—进气口、7—出气口、8—支撑架、9—信号接入孔、10—信号线、11—风扇

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。

本发明实施例公开了一种头部运动下考虑呼吸、讲话、咳嗽和喷嚏的呼吸模拟系统，充分考虑了实际应用中口鼻释放随头部运动特征变化而变化的特征，并保证了释放气体的均匀和稳定性。具体地，本申请通过设置不同活动水平(浓度释放量)时的上下点头和左右摇头的频率来反应气体的时空分布特征，以用于指导通风口(排风口)设计，以便于提升环境内换气次数，提高空气品质。同时对浓度控制箱内的充分混合时的气体浓度进行监测，基于箱内浓度衰减特征可及时通过气瓶及释放控制器进行补充。

本实施例中，为了控制释放浓度的均一性，搭配了气体钢瓶、释放控制装置及传感器来定量处理，并通过密闭良好的浓度控制箱作为低浓度大容量的储存源，来实现固定浓度且稳定的输出到呼吸模拟系统，同时，在箱子内放置气体扰动装置，以扰动气体使其充分混合。

一种示例性的实施例中，头部运动下呼吸模拟系统结构图参照图1，其中，模拟系统包括浓度控制箱，浓度控制箱的结构图图2-5所示；

浓度控制箱具有进气口6和出气口7，

进气口6连接气体释放单元，出气口7连接呼吸模拟单元；

所述浓度控制箱内部安装有气体扰动装置，并分布设有多个气体传感器；

所述气体扰动装置与气体传感器均电连至控制终端，同时控制终端分别与气体释放单元和呼吸模拟单元相连；

且所述呼吸模拟单元包括依次相连的呼吸模拟器和运动头模，所述运动头模置于室内环境舱中。

本实施例中，浓度控制箱为由亚克力板1组装粘黏成封闭空间体，通过对浓度控制箱的箱体做密封处理，使其基于箱内气体传感器实测结果，渗漏系数低至0.02h-1，即通过降低箱内漏量，减小浓度稳定所需时间。

进一步，浓度控制箱具有可拆卸结构，本实施例中，在浓度控制箱左右两侧分别设置有可拆卸亚克力面板2，以便于气体扰动装置和气体传感器的安装与维护以及箱内设备的送入和取出，同时保证了气密性要求。

本发明中，箱内气体扰动装置为多角度旋转的风扇11；其中风扇11有多个，并对称设置，以实现均匀混合和满足系统长时间运行需要；同时，气体传感器3均匀布设于浓度控制箱中，用于实时监测浓度控制箱中气体浓度；本申请中，如图1所示，气体传感器3分散布设于浓度控制箱的各结构面上，对于浓度控制箱中心位置的气体传感器则通过支撑架8固定，多个气体传感器3共同连接至信号转换器4，并使信号转换器4通过信号线10穿过信号接入孔9将数据传输至控制终端；同时，一种优选实施例中，使风扇11也连接至控制终端，以便于对风扇进行远程控制。

此外，进气口6周边设置多个气体单向阀5。本实施例中，气体单向阀5设置8个，以保证空气流仅流入，箱内气体不可向外流出；

进一步地，本实施例中，参照图6，气体释放单元包括钢瓶和释放控制装置，释放控制装置与控制终端相连，通过释放控制装置可调节浓度控制箱体内的气体浓度，使其保持稳定。

呼吸模拟单元包括呼吸模拟器和运动头模，呼吸模拟器包括接口段和流出段，接口段连接浓度控制箱的接口处做密封处理，流出段通过连通管与运动头模相连。其中，连通管外围缠绕铜电热线，头模与三维人模型配合并缠绕电阻丝加热处理，用于加热模拟人体呼出气体的温度。

一种应用场景中，将呼吸模拟单元内置于室内环境舱中，室内环境舱中布设有监测传感器，监测传感器与控制终端相连，用于实时模拟用户的活动水平，利用示踪气体识别用户呼出的气体时空分布特征，从而指导通风口或排风口的设计。

本实施例中，呼吸模拟系统的工作过程主要包括：

S1、预先连通气体释放单元与浓度控制箱，通过控制终端控制气体释放单元进行气体释放；同时，启动气体扰动装置；

S2、通过控制终端监测气体传感器的工作状态以及浓度控制箱中气体实时浓度；

S3、预设呼吸模拟单元参数，当气体实时浓度达到预设标准时，连通浓度控制箱和呼吸模拟单元，使气体按所需标准进行释放。

一种实施例中，具体步骤如下：

步骤1：在浓度控制箱的内部，需安装气体传感器3、风扇11和信号转换器4，并将支撑架8固定在相应位置。在亚克力板顶面上，布置硅橡胶气体单向阀5。然后，将可拆卸的亚克力面板2安装在左右壁面上，并进行严密处理。最后，打开风扇11以产生气流搅动。

步骤2：在连接浓度控制箱与呼吸模拟单元之前，先断开它们之间的管线连接。然后，将气体钢瓶和浓度释放装置通过管线连接起来，并同时连接浓度释放装置和浓度控制箱。确保气体传感器3之间的管线连接无误，并在集中主机上检查气体传感器3是否就位并处于在线状态，确保后期准确的数据采集。

步骤3：首先，将电源连接到相应的设备上。然后，根据需要调整呼吸模拟器和运动头模的参数，确保它们相互匹配。上述参数包括单次潮气量(每次呼吸的气体量)、呼吸频率(每分钟的呼吸次数)、头模运动模式(上下点头或左右摇头)的次数和转动角度，以及口呼吸或鼻呼吸模式。其中，讲话特征与正常呼吸类似，其释放速度遵循实测曲线，最大速度为4m/s。对于突发性释放特征如咳嗽和喷嚏的单个周期分别为0.5秒和0.5秒，其最大速度可分别设置为8m/s和20m/s。通过调节呼吸模拟器的释放频率以及每次释放的气体量，可以模拟咳嗽和喷嚏的状态。具体的流量计算可通过对速度-时间曲线进行时间积分，然后乘以嘴部面积，得到流量值，并将其输入到呼吸模拟器中。

步骤4：使用胶布将浓度控制箱的出气口7接口进行密封，尽可能确保气体不会泄漏，打开气瓶阀门以供气体流入系统，然后，旋转调节器，调整浓度释放装置上的参数。将控制浓度设定为1000ppm，并设置输入流量为200mL/min。同时，将释放时间设置为5分钟，以便在指定时间内释放气体。在释放过程中，监测浓度控制箱内的气体浓度，并确保其保持在设定的1000ppm水平。

步骤5：观察集中主机中实时浓度的显示情况。当各位置处的浓度达到相互稳定状态(约10min)并且均匀分布时，可以连接浓度控制箱与呼吸模拟器的管线。如果在观察过程中发现浓度分布不均匀，则需要延长混合时间，继续让系统进行气体混合，直到各位置的浓度达到稳定且均匀分布。待观察的浓度达到稳定且均匀分布后，可进行浓度控制箱与呼吸模拟器之间的管线连接。

步骤6：在后端电脑的呼吸模拟系统控制界面上，点击开始运行按钮。此时，均一浓度的气体将通过透明管道以实测曲线的潮气量运送到运动头模。最终，气体将被释放到环境舱中。

步骤7：环境舱内监测传感器和浓度控制箱内气体传感器中的数据将同步传输至电脑，并为后期的后处理提供便利。试验者可以根据需要自行设定实验时间。

步骤8：当浓度控制箱内的气体浓度值低于设定值(1000ppm)的1％-2％时，实验者应该根据需要进行浓度补充。补充浓度的步骤包括调整设置浓度及设定流量，以确保浓度控制箱内的气体浓度维持在设定值附近。

步骤9：试验结束，关闭气瓶阀门，关闭呼吸模拟系统，关闭集中主机的电源，断开与集中主机连接的传感器管线。

步骤10：最后对实验结果进行数据后处理与绘图分析。

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。对于实施例公开的装置而言，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。

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或使用本发明。对这些实施例的多种修改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或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。