一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸系統裝置，該裝置包含控制臺（1）、I/O接口（2）、四個電磁閥（5、8、11、14）、四個固態繼電器（3、7、10、12）、兩通氣控閥（16）、三通變向氣控閥（20）、三個氣體流量計（4、9、19），兩個氮氣瓶（13、15）、超極化氣體采樣袋（17）、密封有機玻璃盒（18）和氧氣瓶（6）。由控制臺通過I/O接口控制固態繼電器通斷電磁閥，電磁閥開關氣控閥控制人體每次吸入和呼出氣體的狀態。本發明結構簡單，控制方便，能使人體在非麻醉狀態下可以精確地吸入并呼出恒定體積的超極化氣體，可多次呼吸并重復采樣。
【專利說明】一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于超極化氣體磁共振成像和波譜領域，更具體涉及一種超極化氣體呼吸裝置，還涉及呼吸過程控制，適用于超極化氣體的核磁共振成像和波譜。
【背景技術】
[0002]核磁共振成像作為一種無放射性、無侵入式的成像技術在醫院中廣泛地用來診斷腦部疾病、肌肉損傷等相關部位的病變等。但是，在肺部疾病的診斷方面顯的十分無力，因為現在商用的核磁共振成像儀主要是以質子為檢測核，而肺部主要是由肺泡組成的空腔結構，質子的密度很低導致核磁共振的信號十分低。因此，常規的核磁共振成像(以質子為觀察核的磁共振影像)不能得到肺部的磁共振影像。
[0003]近年來，利用激光光泵和自旋交換技術極化惰性氣體的方法提高核磁共振信號的方式得到了極大關注。核磁共振信號的強度(S)與原子核的極化度(Ptl)相關，質子核在磁場中由波爾茲曼分布決定的熱平衡極化度，而經過激光光泵和自旋交換技術的方法得到的惰性氣體核的極化度，比質子核熱平衡的極化度高10000倍以上，而肺部的質子密度與組織的密度相比低三個量級左右，因此，利用激光光泵和自旋交換技術產生的非平衡核自旋極化惰性氣體的核磁共振信號作為造影劑的方式可以獲得肺部的磁共振成像。
[0004]目前，在人體肺部的超極化惰性氣體的成像主要方式為:將激光光泵極化器上收集到極化的惰性氣體轉移到聚四氟乙烯材質的采樣袋(Tedlar)中，然后受試人體將袋中氣體吸入肺中，屏氣并在磁共振成像儀上進行成像。這種方式雖然可以得到肺部的圖像，但是不能保證每次人體都能吸入相同體積的超極化惰性氣體，也不能保證每次采樣時人體肺部內氣體的體積相等。因此限制了超極化惰性氣體在人體肺部成像上的應用和定量分析，特別是需要多次重復采樣才能得到參數的信息，例如肺部的擴散測量、肺部換氣功能(Fractional Ventilation)等的定量分析。
[0005]相對于超極化惰性氣體在人體的肺部成像，動物的肺部成像可以實現重復性吸入等量的超極化惰性氣體，可以得到相比于一次吸氣更高質量的磁共振成像，以及需要多次吸入氣體才能測量的擴散等參數。這是因為動物在超極化惰性氣體成像時一般為麻醉狀態，通過插管方法和呼吸機控制動物的呼入和呼出的氣體量、以及屏氣和采樣，實現每次采樣時吸入等量的超極化惰性氣體。但是,對于人體的超極化惰性氣體磁共振成像，出于人體安全和舒適度的考慮，一般是在清醒狀態下進行自主呼吸。因此，每次吸入和呼出的氣體體積比較難控制。
[0006]目前已有的呼吸機或者呼吸系統，(I)對于動物，通常需要麻醉后，通過監測肺部的氣體壓力或者通過氣體限流器用高壓的方式給氣，使其被動的吸入和呼出氣體；(2)常規的用于人體的呼吸機，可以實現人體定量的氣體吸入，但是，一般也是通過壓力的方式使人體被動的呼吸，但是不能實現等量的呼出氣體。
[0007]另外，鑒于超極化惰性氣體的特殊性，使用時，一方面需要人體定量的吸入氣體，另一方面需要保持惰性氣體的極化度。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是在于針對現有技術存在的上述問題，提供一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置。該裝置包含控制臺、I/o接口，四個電磁閥、四個固態繼電器、兩通氣控閥、三通變向氣控閥、三個氣體流量計、兩個氮氣瓶、超極化氣體采樣袋、密封有機玻璃盒和氧氣瓶。本裝置結構簡單，控制方便，能使人體在非麻醉狀態下可以精確地吸入并呼出恒定體積的超極化氣體，保證每次在吸入超極化氣體的時候肺部內的氣體體積是恒定的，可多次呼吸并重復采樣。
[0009]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置，該裝置包含控制臺、I/o接口，四個電磁閥、四個固態繼電器、兩通氣控閥、三通變向氣控閥、三個氣體流量計、兩個氮氣瓶、超極化氣體采樣袋、密封有機玻璃盒和氧氣瓶；第一電磁閥的出氣口通過管道與第一氣體流量計的進氣口連通，第一氣體流量計接有氣體出口管道，第一電磁閥的進氣口經三通管道分別與三通變向氣控閥的接口 A和第二電磁閥的出氣口連通，第一電磁閥的控制端與第一固態繼電器的輸出端連接，第二電磁閥的進氣口通過管道與第三氣體流量計的出氣口連通，第三氣體流量計的進口通過管道與氧氣瓶連通，第二電磁閥的控制端與第二固態繼電器的輸出端連接，第三電磁閥的進氣口通過管道與第一氮氣瓶連接，出氣口通過管道與三通變向氣控閥的接口 A連通，第三電磁閥的控制端與第三固態繼電器的輸出端連接，第四電磁閥的進氣口通過管道與第二氮氣瓶連通，出氣口與兩通氣控閥的控制氣接口連接，第四電磁閥的控制端與第四固態繼電器的輸出端連接，超極化氣體采樣袋放在密封有機玻璃盒子內，超極化氣體采樣袋通過管道與兩通氣控閥的進氣口連通，密封有機玻璃盒子通過管道與第二氣體流量計的進氣口連通，第二氣體流量計接有氣體出口管道，兩通氣控閥的出氣口通過管道與三通變向氣控閥的接口 B連通，三通變向氣控閥接有呼吸管道，I/O接口的輸入端與控制臺的輸出端連接，I/O接口的輸出端分別與第一固態繼電器、第二固態繼電器、第三固態繼電器和第四固態繼電器以及第一氣體流量計、第二氣體流量計和第三氣體流量計的輸入端連接。
[0010]上述超極化氣體采樣袋中裝有超極化氣體。
[0011 ] 上述超極化氣體為氙氣、氦氣或者氪氣。
[0012]上述超極化氣體采樣袋、兩通氣控閥、三通變向氣控閥以及管道均采用聚四氟乙烯材料。
[0013]將本發明用于非麻醉狀態下人體超極化氣體的呼吸方法，該方法包含以下步驟: 超極化氣體采用超極化氙氣。
[0014]本發明裝置開始工作時，三通變向氣控閥連通超極化氣體管道、呼吸管道，兩通氣控閥打開，人體肺部吸存儲在采樣袋中的超極化氙氣，儲存在采樣袋內的超極化氙氣的減少會引起采樣袋的體積改變，由于整個有機玻璃盒是密閉的，第二氣體流量計的一端和密封的有機玻璃盒相連，一端通過第二氣體出口管道到空氣，二者壓力相同，因此超極化氣體采樣袋內的超極化氙氣的改變量可以通過第二氣體流量計精確測量，當氣體流過第二氣體流量計的體積為500ml時，由控制臺控制關閉兩通氣控閥，這時存儲在采樣袋內的超極化氙氣不再流出，人體肺部不能繼續吸入氣體，進入屏氣模式，此時肺部氣體體積不變，對人體肺部內的超極化氙氣進行采樣。
[0015]采樣結束后，三通變向氣控閥變向連通呼吸管道和氧氣呼吸管道，第一電磁閥打開，人體通過呼吸管道主動呼氣，當氣體經過第一氣體流量計的體積達到500ml時，由控制臺控制關閉第一電磁閥，同時使三通變向氣控閥變向連通超極化氣體管道和呼吸管道，人體肺部呼氣結束。
[0016]呼氣結束后，三通變向氣控閥變向連通氧氣呼吸管道和管道，打開第二電磁閥，人體肺部通過呼吸管道、氧氣呼吸管道主動吸入由氧氣瓶提供的氧氣，當經過第三氣體流量計的氧氣體積為500ml時，操作控制臺關閉第二電磁閥，同時使三通變向氣控閥變向連通超極化氣體管道和呼吸管道，人體肺部進入屏氧階段。
[0017]屏氧結束后，三通變向氣控閥變向連通管道和氧氣呼吸管道，第一電磁閥打開，人體肺部通過呼吸管、氧氣呼吸管道呼氣，當氣體經過第一氣體流量計的體積達到500ml時，由控制臺控制關閉第一電磁閥，同時使三通變向氣控閥變向連通超極化氣體管道和呼吸管道，人體肺部呼氣結束。
[0018]本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果:
1、人體在非麻醉狀態下可以精確地吸入恒定體積的超極化氣體，可以呼出相同體積的氣體，使用現有的呼吸機或者呼吸系統，人體不能在清醒狀態下精確體積的吸入和呼出相同體積的氣體；
2、人體在非麻醉狀態下精確的吸入恒定體積的氧氣和呼出相同的氣體體積，可以保證每次在吸入超極化氣體的時候肺部內的氣體體積是恒定的。
[0019]3、呼吸系統可以實現單次吸入超`極化氣體進行成像，也可以實現多次重復吸入等量的超極化氣體進行由單次吸氣不能實現的擴散張量成像。
[0020]4、定量吸氧和定量呼氣能夠同時保證成像的參與者在多次吸超極化氣體的情況下保證血氧水平和生理狀態。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置結構示意圖。
[0022]圖中:1_控制臺；2-1/0接口 ；3_第一固態繼電器；4_第一氣體流量計；5_第一電磁閥；6_氧氣瓶；7_第二固態繼電器；8_第二電磁閥；9_第三氣體流量計；10-第三固態繼電器；11_第三電磁閥；12_第四固態繼電器；13_第一氮氣瓶；14_第四電磁閥；15_第二氮氣瓶；16-兩通氣控閥；17-超極化氣體采樣袋；18_密封的有機玻璃盒；19-第二氣體流量計；20_三通變向氣控閥。
[0023]圖2為將本發明用于非麻醉狀態下人體超極化氣體的呼吸方法流程圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明作進一步的說明:
一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置，該裝置包含控制臺1，I/o接口 2，四個電磁閥5、8、11、14，四個固態繼電器3、7、10、12，兩通氣控閥16，三通變向氣控閥20，三個氣體流量計4、9、19，兩個氮氣瓶13、15，超極化氣體采樣袋17，密封有機玻璃盒18和氧氣瓶6 ;第一電磁閥5的出氣口通過管道與第一氣體流量計4的進氣口連通，第一氣體流量計4接有氣體出口管道，第一電磁閥5的進氣口經三通管道分別與三通變向氣控閥20的接口 A和第二電磁閥8的出氣口相連,第一電磁閥5的控制端與第一固態繼電器3的輸出端連接，第二電磁閥8的進氣口通過管道與第三氣體流量計9的出氣口相連，第三氣體流量計9的進氣口通過管道與氧氣瓶6連通，第二電磁閥8的控制端與第二固態繼電器7的輸出端連接，第三電磁閥11的進氣口通過管道與第一氮氣瓶13連接，出氣口通過管道與三通變向氣控閥20的控制氣接口相連，第三電磁閥11的控制端與第三固態繼電器10的輸出端連接，第四電磁閥14的進氣口通過管道與第二氮氣瓶15連通，出氣口與兩通氣控閥16的控制氣接口連接，第四電磁閥14的控制端與第四固態繼電器12的輸出端連接，超極化氣體采樣袋17放在密封有機玻璃盒子18內，超極化氣體采樣袋17通過管道與兩通氣控閥16連通，密封有機玻璃盒子18通過管道與第二氣體流量計19的進氣口連通，第二氣體流量計19接有氣體出口管道，兩通氣控閥16的出氣口通過管道與三通變向氣控閥20的接口 B相連，三通變向氣控閥20接有呼吸管道，I/O接口 2的輸入端與控制臺I的輸出端連接，I/O接口 2的輸出端分別與第一固態繼電器3、第二固態繼電器7、第三固態繼電器10和第四固態繼電器12以及第一氣體流量計4、第二氣體流量計19和第三氣體流量計9的輸入端連接。
[0025]上述超極化氣體采樣袋17中裝有超極化氣體。
[0026]上述超極化氣體為氙氣、氦氣或者氪氣。
[0027]上述超極化氣體采樣袋17、兩通氣控閥16、三通變向氣控閥20以及管道均采用聚四氟乙烯材料。
[0028]將本發明用于非麻醉狀態下人體超極化氣體的呼吸方法，該方法包含以下步驟: 步驟1:控制臺I給控制I/o接口 2發出指令，分別連通第四固態繼電器12和第三固
態繼電器10,第四電磁閥14和第三電磁閥11分別打開，由第二氮氣瓶15和第一氮氣瓶13提供的高壓氮氣分別驅動兩通氣控閥16打開和三通變向氣控閥20連通兩通氣控閥16和人體之間的管道，人體通過管道主動吸入存儲在采樣袋17內的超極化氙氣體，當控制臺I監測到第二氣體流量計19流過的體積為500ml時，發出指令通過第四固態繼電器12控制的第四電磁閥14使兩通氣控閥16關閉，人體進入屏氣階段進行磁共振成像采樣；
步驟2 (呼氣過程):控制臺I給控制I/O接口 2發出指令，分別連通第一、第三固態繼電器3、10,控制第一、第三電磁閥5、11分別打開，由第一氮氣瓶13提供的高壓氮氣驅動三通變向氣控閥20連通電磁閥5和人體之間的管道，人體肺部通過呼吸管道主動呼出氣體，當控制臺I監測到第一氣體流量計4流過的體積為500ml時，發出指令通過第一固態繼電器3和第三固態繼電器10分別控制第一電磁閥5和第三電磁閥11關閉，三通變向氣控閥20連通兩通氣控閥16的出口和人體之間的管道，人體肺部呼氣結束準備下一次吸氣；
步驟3 (吸氧過程):控制臺I給控制I/O接口 2發出指令，分別連通第二固態繼電器7和第三固態繼電器10,控制第二電磁閥8和第三電磁閥11分別打開，由第一氮氣瓶13提供的高壓氮氣驅動三通變向氣控閥20連通電磁閥8和人體之間的管道，人體肺部通過呼吸管道主動吸入由氧氣瓶6提供的氧氣，當控制臺I監測到第三氣體流量計9流過的氣體體積為500ml時,發出指令通過第二固態繼電器7和第三固態繼電器10分別控制第一電磁閥5和第三電磁閥11關閉，三通變向氣控閥20連通超極化氣體管道和呼吸管道，人體肺部吸氣結束準備下一次呼氣；
步驟4:重復步驟2進行呼氣，然后返回步驟1，進行循環直至停止采樣。[0029]以上【具體實施方式】步驟中的氣體體積假定設定量為500mL，在實際實驗中可以根
據實驗需要調整。
[0030]除超極化氙(131Xe和129Xe)氣外，超極化氣體也包括:超極化氦(3He)氣，超極化氪(87Kr)氣等。
[0031]超極化氣體呼吸裝置的工作過程分為四步，即:吸入超級化氣體并屏氣一呼出氣體一吸入給定量的氧氣一呼出氣體。吸入超極化氣體指的是在超級化氣體呼吸系統的控制下人體主動吸入定量的超極化氣體并屏氣進行采樣；采樣結束后，在呼吸系統的控制下人體肺部主動呼出呼吸系統給定體積的氣體；然后為了維持人體的正常的生理狀態，在呼吸系統的控制下，人體肺部吸入呼吸系統設定的氧氣體積；然后在呼吸系統的控制下，人體肺部呼出呼吸系統設定體積的氣體，然后進入下一個氣體循環。還可以根據實驗的需要和人體的生理狀態選擇多次呼吸氧氣、再吸入超極化氙氣，也可以選擇連續多次吸入超極化氙氣、再采樣、再呼吸氧氣維持正常的生 理狀態。
【權利要求】
1.一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置，其特征在于，該裝置包含控制臺(I)、I/O接口(2)、四個電磁閥(5、8、11、14)、四個固態繼電器(3、7、10、12)、兩通氣控閥(16)、三通變向氣控閥(20)、三個氣體流量計(4、9、19)，兩個氮氣瓶(13、15)、超極化氣體采樣袋(17)、密封有機玻璃盒(18)和氧氣瓶(6);第一電磁閥(5)的出氣口通過管道與第一氣體流量計(4)的進氣口連通，第一氣體流量計(4)接有氣體出口管道，第一電磁閥(5)的進氣口經三通管道分別與三通變向氣控閥(20)的接口 A和第二電磁閥(8)的出氣口連通，第一電磁閥(5)的控制端與第一固態繼電器(3)的輸出端連接，第二電磁閥(8)的進氣口通過管道與第三氣體流量計(9)的出氣口連通，第三氣體流量計(9)的進氣口通過管道與氧氣瓶(6)連通，第二電磁閥(8)的控制端與第二固態繼電器(7)的輸出端連接，第三電磁閥(11)的進氣口通過管道與第一氮氣瓶(13)連接，出氣口通過管道與三通變向氣控閥(20)控制氣接口連通，第三電磁閥(11)的控制端與第三固態繼電器(10)的輸出端連接，第四電磁閥(14)的進氣口通過管道與第二氮氣瓶(15)連通，出氣口與兩通氣控閥(16)的控制氣接口連接，第四電磁閥(14)的控制端與第四固態繼電器(12)的輸出端連接，超極化氣體采樣袋(17)放在密封有機玻璃盒子(18)內，超極化氣體采樣袋(17)通過管道與兩通氣控閥(16)的進氣口連通，密封有機玻璃盒子(18)通過管道與第二氣體流量計(19)的進氣口連通，第二氣體流量計(19)接有氣體出口管道，兩通氣控閥(16)的出口通過管道與三通變向氣控閥(20)的接口 B連通，三通變向氣控閥(20)接有呼吸管道，I/O接口(2)的輸入端與控制臺(I)的輸出端連接，I/O接口(2)的輸出端分別與第一固態繼電器(3)、第二固態繼電器(7)、第三固態繼電器(10)和第四固態繼電器(12)以及第一氣體流量計(4)、第二氣體流量計(19)和第三氣體流量計(9)的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的一`種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置，其特征在于:所述的超極化氣體采樣袋(17)中裝有超極化氣體。
3.根據權利要求2所述的一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置，其特征在于:所述的超極化氣體為氣氣、氦氣或者氪氣。
4.根據權利要求1所述的一種非麻醉狀態下人體超極化氣體呼吸裝置，其特征在于:所述的超極化氣體采樣袋(17)、兩通氣控閥(16)、三通變向氣控閥以及管道均采用聚四氟乙烯材料。
【文檔編號】A61M16/12GK103495251SQ201310301919
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月18日 優先權日:2013年7月18日
【發明者】周欣, 李海東, 孫獻平, 葉朝輝, 韓葉清, 張智穎 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所