一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于非麻醉状态下人体超极化气体呼吸系统装置，该装置包含控制台（1）、I/O接口（2）、四个电磁阀（5、8、11、14）、四个固态继电器（3、7、10、12）、两通气控阀（16）、三通变向气控阀（20）、三个气体流量计（4、9、19），两个氮气瓶（13、15）、超极化气体采样袋（17）、密封有机玻璃盒（18）和氧气瓶（6）。由控制台通过I/O接口控制固态继电器通断电磁阀，电磁阀开关气控阀控制人体每次吸入和呼出气体的状态。本发明结构简单，控制方便，能使人体在非麻醉状态下可以精确地吸入并呼出恒定体积的超极化气体，可多次呼吸并重复采样。
【专利说明】一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置
【技术领域】
[0001]本发明属于超极化气体磁共振成像和波谱领域，更具体涉及一种超极化气体呼吸装置，还涉及呼吸过程控制，适用于超极化气体的核磁共振成像和波谱。
【背景技术】
[0002]核磁共振成像作为一种无放射性、无侵入式的成像技术在医院中广泛地用来诊断脑部疾病、肌肉损伤等相关部位的病变等。但是，在肺部疾病的诊断方面显的十分无力，因为现在商用的核磁共振成像仪主要是以质子为检测核，而肺部主要是由肺泡组成的空腔结构，质子的密度很低导致核磁共振的信号十分低。因此，常规的核磁共振成像(以质子为观察核的磁共振影像)不能得到肺部的磁共振影像。
[0003]近年来，利用激光光泵和自旋交换技术极化惰性气体的方法提高核磁共振信号的方式得到了极大关注。核磁共振信号的强度(S)与原子核的极化度(Ptl)相关，质子核在磁场中由波尔兹曼分布决定的热平衡极化度，而经过激光光泵和自旋交换技术的方法得到的惰性气体核的极化度，比质子核热平衡的极化度高10000倍以上，而肺部的质子密度与组织的密度相比低三个量级左右，因此，利用激光光泵和自旋交换技术产生的非平衡核自旋极化惰性气体的核磁共振信号作为造影剂的方式可以获得肺部的磁共振成像。
[0004]目前，在人体肺部的超极化惰性气体的成像主要方式为:将激光光泵极化器上收集到极化的惰性气体转移到聚四氟乙烯材质的采样袋(Tedlar)中，然后受试人体将袋中气体吸入肺中，屏气并在磁共振成像仪上进行成像。这种方式虽然可以得到肺部的图像，但是不能保证每次人体都能吸入相同体积的超极化惰性气体，也不能保证每次采样时人体肺部内气体的体积相等。因此限制了超极化惰性气体在人体肺部成像上的应用和定量分析，特别是需要多次重复采样才能得到参数的信息，例如肺部的扩散测量、肺部换气功能(Fractional Ventilation)等的定量分析。
[0005]相对于超极化惰性气体在人体的肺部成像，动物的肺部成像可以实现重复性吸入等量的超极化惰性气体，可以得到相比于一次吸气更高质量的磁共振成像，以及需要多次吸入气体才能测量的扩散等参数。这是因为动物在超极化惰性气体成像时一般为麻醉状态，通过插管方法和呼吸机控制动物的呼入和呼出的气体量、以及屏气和采样，实现每次采样时吸入等量的超极化惰性气体。但是,对于人体的超极化惰性气体磁共振成像，出于人体安全和舒适度的考虑，一般是在清醒状态下进行自主呼吸。因此，每次吸入和呼出的气体体积比较难控制。
[0006]目前已有的呼吸机或者呼吸系统，(I)对于动物，通常需要麻醉后，通过监测肺部的气体压力或者通过气体限流器用高压的方式给气，使其被动的吸入和呼出气体；(2)常规的用于人体的呼吸机，可以实现人体定量的气体吸入，但是，一般也是通过压力的方式使人体被动的呼吸，但是不能实现等量的呼出气体。
[0007]另外，鉴于超极化惰性气体的特殊性，使用时，一方面需要人体定量的吸入气体，另一方面需要保持惰性气体的极化度。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置。该装置包含控制台、I/o接口，四个电磁阀、四个固态继电器、两通气控阀、三通变向气控阀、三个气体流量计、两个氮气瓶、超极化气体采样袋、密封有机玻璃盒和氧气瓶。本装置结构简单，控制方便，能使人体在非麻醉状态下可以精确地吸入并呼出恒定体积的超极化气体，保证每次在吸入超极化气体的时候肺部内的气体体积是恒定的，可多次呼吸并重复采样。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置，该装置包含控制台、I/o接口，四个电磁阀、四个固态继电器、两通气控阀、三通变向气控阀、三个气体流量计、两个氮气瓶、超极化气体采样袋、密封有机玻璃盒和氧气瓶；第一电磁阀的出气口通过管道与第一气体流量计的进气口连通，第一气体流量计接有气体出口管道，第一电磁阀的进气口经三通管道分别与三通变向气控阀的接口 A和第二电磁阀的出气口连通，第一电磁阀的控制端与第一固态继电器的输出端连接，第二电磁阀的进气口通过管道与第三气体流量计的出气口连通，第三气体流量计的进口通过管道与氧气瓶连通，第二电磁阀的控制端与第二固态继电器的输出端连接，第三电磁阀的进气口通过管道与第一氮气瓶连接，出气口通过管道与三通变向气控阀的接口 A连通，第三电磁阀的控制端与第三固态继电器的输出端连接，第四电磁阀的进气口通过管道与第二氮气瓶连通，出气口与两通气控阀的控制气接口连接，第四电磁阀的控制端与第四固态继电器的输出端连接，超极化气体采样袋放在密封有机玻璃盒子内，超极化气体采样袋通过管道与两通气控阀的进气口连通，密封有机玻璃盒子通过管道与第二气体流量计的进气口连通，第二气体流量计接有气体出口管道，两通气控阀的出气口通过管道与三通变向气控阀的接口 B连通，三通变向气控阀接有呼吸管道，I/O接口的输入端与控制台的输出端连接，I/O接口的输出端分别与第一固态继电器、第二固态继电器、第三固态继电器和第四固态继电器以及第一气体流量计、第二气体流量计和第三气体流量计的输入端连接。
[0010]上述超极化气体采样袋中装有超极化气体。
[0011 ] 上述超极化气体为氙气、氦气或者氪气。
[0012]上述超极化气体采样袋、两通气控阀、三通变向气控阀以及管道均采用聚四氟乙烯材料。
[0013]将本发明用于非麻醉状态下人体超极化气体的呼吸方法，该方法包含以下步骤: 超极化气体采用超极化氙气。
[0014]本发明装置开始工作时，三通变向气控阀连通超极化气体管道、呼吸管道，两通气控阀打开，人体肺部吸存储在采样袋中的超极化氙气，储存在采样袋内的超极化氙气的减少会引起采样袋的体积改变，由于整个有机玻璃盒是密闭的，第二气体流量计的一端和密封的有机玻璃盒相连，一端通过第二气体出口管道到空气，二者压力相同，因此超极化气体采样袋内的超极化氙气的改变量可以通过第二气体流量计精确测量，当气体流过第二气体流量计的体积为500ml时，由控制台控制关闭两通气控阀，这时存储在采样袋内的超极化氙气不再流出，人体肺部不能继续吸入气体，进入屏气模式，此时肺部气体体积不变，对人体肺部内的超极化氙气进行采样。
[0015]采样结束后，三通变向气控阀变向连通呼吸管道和氧气呼吸管道，第一电磁阀打开，人体通过呼吸管道主动呼气，当气体经过第一气体流量计的体积达到500ml时，由控制台控制关闭第一电磁阀，同时使三通变向气控阀变向连通超极化气体管道和呼吸管道，人体肺部呼气结束。
[0016]呼气结束后，三通变向气控阀变向连通氧气呼吸管道和管道，打开第二电磁阀，人体肺部通过呼吸管道、氧气呼吸管道主动吸入由氧气瓶提供的氧气，当经过第三气体流量计的氧气体积为500ml时，操作控制台关闭第二电磁阀，同时使三通变向气控阀变向连通超极化气体管道和呼吸管道，人体肺部进入屏氧阶段。
[0017]屏氧结束后，三通变向气控阀变向连通管道和氧气呼吸管道，第一电磁阀打开，人体肺部通过呼吸管、氧气呼吸管道呼气，当气体经过第一气体流量计的体积达到500ml时，由控制台控制关闭第一电磁阀，同时使三通变向气控阀变向连通超极化气体管道和呼吸管道，人体肺部呼气结束。
[0018]本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果:
1、人体在非麻醉状态下可以精确地吸入恒定体积的超极化气体，可以呼出相同体积的气体，使用现有的呼吸机或者呼吸系统，人体不能在清醒状态下精确体积的吸入和呼出相同体积的气体；
2、人体在非麻醉状态下精确的吸入恒定体积的氧气和呼出相同的气体体积，可以保证每次在吸入超极化气体的时候肺部内的气体体积是恒定的。
[0019]3、呼吸系统可以实现单次吸入超`极化气体进行成像，也可以实现多次重复吸入等量的超极化气体进行由单次吸气不能实现的扩散张量成像。
[0020]4、定量吸氧和定量呼气能够同时保证成像的参与者在多次吸超极化气体的情况下保证血氧水平和生理状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置结构示意图。
[0022]图中:1_控制台；2-1/0接口 ；3_第一固态继电器；4_第一气体流量计；5_第一电磁阀；6_氧气瓶；7_第二固态继电器；8_第二电磁阀；9_第三气体流量计；10-第三固态继电器；11_第三电磁阀；12_第四固态继电器；13_第一氮气瓶；14_第四电磁阀；15_第二氮气瓶；16-两通气控阀；17-超极化气体采样袋；18_密封的有机玻璃盒；19-第二气体流量计；20_三通变向气控阀。
[0023]图2为将本发明用于非麻醉状态下人体超极化气体的呼吸方法流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步的说明:
一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置，该装置包含控制台1，I/o接口 2，四个电磁阀5、8、11、14，四个固态继电器3、7、10、12，两通气控阀16，三通变向气控阀20，三个气体流量计4、9、19，两个氮气瓶13、15，超极化气体采样袋17，密封有机玻璃盒18和氧气瓶6 ;第一电磁阀5的出气口通过管道与第一气体流量计4的进气口连通，第一气体流量计4接有气体出口管道，第一电磁阀5的进气口经三通管道分别与三通变向气控阀20的接口 A和第二电磁阀8的出气口相连,第一电磁阀5的控制端与第一固态继电器3的输出端连接，第二电磁阀8的进气口通过管道与第三气体流量计9的出气口相连，第三气体流量计9的进气口通过管道与氧气瓶6连通，第二电磁阀8的控制端与第二固态继电器7的输出端连接，第三电磁阀11的进气口通过管道与第一氮气瓶13连接，出气口通过管道与三通变向气控阀20的控制气接口相连，第三电磁阀11的控制端与第三固态继电器10的输出端连接，第四电磁阀14的进气口通过管道与第二氮气瓶15连通，出气口与两通气控阀16的控制气接口连接，第四电磁阀14的控制端与第四固态继电器12的输出端连接，超极化气体采样袋17放在密封有机玻璃盒子18内，超极化气体采样袋17通过管道与两通气控阀16连通，密封有机玻璃盒子18通过管道与第二气体流量计19的进气口连通，第二气体流量计19接有气体出口管道，两通气控阀16的出气口通过管道与三通变向气控阀20的接口 B相连，三通变向气控阀20接有呼吸管道，I/O接口 2的输入端与控制台I的输出端连接，I/O接口 2的输出端分别与第一固态继电器3、第二固态继电器7、第三固态继电器10和第四固态继电器12以及第一气体流量计4、第二气体流量计19和第三气体流量计9的输入端连接。
[0025]上述超极化气体采样袋17中装有超极化气体。
[0026]上述超极化气体为氙气、氦气或者氪气。
[0027]上述超极化气体采样袋17、两通气控阀16、三通变向气控阀20以及管道均采用聚四氟乙烯材料。
[0028]将本发明用于非麻醉状态下人体超极化气体的呼吸方法，该方法包含以下步骤: 步骤1:控制台I给控制I/o接口 2发出指令，分别连通第四固态继电器12和第三固
态继电器10,第四电磁阀14和第三电磁阀11分别打开，由第二氮气瓶15和第一氮气瓶13提供的高压氮气分别驱动两通气控阀16打开和三通变向气控阀20连通两通气控阀16和人体之间的管道，人体通过管道主动吸入存储在采样袋17内的超极化氙气体，当控制台I监测到第二气体流量计19流过的体积为500ml时，发出指令通过第四固态继电器12控制的第四电磁阀14使两通气控阀16关闭，人体进入屏气阶段进行磁共振成像采样；
步骤2 (呼气过程):控制台I给控制I/O接口 2发出指令，分别连通第一、第三固态继电器3、10,控制第一、第三电磁阀5、11分别打开，由第一氮气瓶13提供的高压氮气驱动三通变向气控阀20连通电磁阀5和人体之间的管道，人体肺部通过呼吸管道主动呼出气体，当控制台I监测到第一气体流量计4流过的体积为500ml时，发出指令通过第一固态继电器3和第三固态继电器10分别控制第一电磁阀5和第三电磁阀11关闭，三通变向气控阀20连通两通气控阀16的出口和人体之间的管道，人体肺部呼气结束准备下一次吸气；
步骤3 (吸氧过程):控制台I给控制I/O接口 2发出指令，分别连通第二固态继电器7和第三固态继电器10,控制第二电磁阀8和第三电磁阀11分别打开，由第一氮气瓶13提供的高压氮气驱动三通变向气控阀20连通电磁阀8和人体之间的管道，人体肺部通过呼吸管道主动吸入由氧气瓶6提供的氧气，当控制台I监测到第三气体流量计9流过的气体体积为500ml时,发出指令通过第二固态继电器7和第三固态继电器10分别控制第一电磁阀5和第三电磁阀11关闭，三通变向气控阀20连通超极化气体管道和呼吸管道，人体肺部吸气结束准备下一次呼气；
步骤4:重复步骤2进行呼气，然后返回步骤1，进行循环直至停止采样。[0029]以上【具体实施方式】步骤中的气体体积假定设定量为500mL，在实际实验中可以根
据实验需要调整。
[0030]除超极化氙(131Xe和129Xe)气外，超极化气体也包括:超极化氦(3He)气，超极化氪(87Kr)气等。
[0031]超极化气体呼吸装置的工作过程分为四步，即:吸入超级化气体并屏气一呼出气体一吸入给定量的氧气一呼出气体。吸入超极化气体指的是在超级化气体呼吸系统的控制下人体主动吸入定量的超极化气体并屏气进行采样；采样结束后，在呼吸系统的控制下人体肺部主动呼出呼吸系统给定体积的气体；然后为了维持人体的正常的生理状态，在呼吸系统的控制下，人体肺部吸入呼吸系统设定的氧气体积；然后在呼吸系统的控制下，人体肺部呼出呼吸系统设定体积的气体，然后进入下一个气体循环。还可以根据实验的需要和人体的生理状态选择多次呼吸氧气、再吸入超极化氙气，也可以选择连续多次吸入超极化氙气、再采样、再呼吸氧气维持正常的生 理状态。
【权利要求】
1.一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置，其特征在于，该装置包含控制台(I)、I/O接口(2)、四个电磁阀(5、8、11、14)、四个固态继电器(3、7、10、12)、两通气控阀(16)、三通变向气控阀(20)、三个气体流量计(4、9、19)，两个氮气瓶(13、15)、超极化气体采样袋(17)、密封有机玻璃盒(18)和氧气瓶(6);第一电磁阀(5)的出气口通过管道与第一气体流量计(4)的进气口连通，第一气体流量计(4)接有气体出口管道，第一电磁阀(5)的进气口经三通管道分别与三通变向气控阀(20)的接口 A和第二电磁阀(8)的出气口连通，第一电磁阀(5)的控制端与第一固态继电器(3)的输出端连接，第二电磁阀(8)的进气口通过管道与第三气体流量计(9)的出气口连通，第三气体流量计(9)的进气口通过管道与氧气瓶(6)连通，第二电磁阀(8)的控制端与第二固态继电器(7)的输出端连接，第三电磁阀(11)的进气口通过管道与第一氮气瓶(13)连接，出气口通过管道与三通变向气控阀(20)控制气接口连通，第三电磁阀(11)的控制端与第三固态继电器(10)的输出端连接，第四电磁阀(14)的进气口通过管道与第二氮气瓶(15)连通，出气口与两通气控阀(16)的控制气接口连接，第四电磁阀(14)的控制端与第四固态继电器(12)的输出端连接，超极化气体采样袋(17)放在密封有机玻璃盒子(18)内，超极化气体采样袋(17)通过管道与两通气控阀(16)的进气口连通，密封有机玻璃盒子(18)通过管道与第二气体流量计(19)的进气口连通，第二气体流量计(19)接有气体出口管道，两通气控阀(16)的出口通过管道与三通变向气控阀(20)的接口 B连通，三通变向气控阀(20)接有呼吸管道，I/O接口(2)的输入端与控制台(I)的输出端连接，I/O接口(2)的输出端分别与第一固态继电器(3)、第二固态继电器(7)、第三固态继电器(10)和第四固态继电器(12)以及第一气体流量计(4)、第二气体流量计(19)和第三气体流量计(9)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一`种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置，其特征在于:所述的超极化气体采样袋(17)中装有超极化气体。
3.根据权利要求2所述的一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置，其特征在于:所述的超极化气体为氣气、氦气或者氪气。
4.根据权利要求1所述的一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置，其特征在于:所述的超极化气体采样袋(17)、两通气控阀(16)、三通变向气控阀以及管道均采用聚四氟乙烯材料。
【文档编号】A61M16/12GK103495251SQ201310301919
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】周欣, 李海东, 孙献平, 叶朝辉, 韩叶清, 张智颖 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所