Model části dýchacího traktu člověka pro studium depozice aerosolu a způsob jeho výroby

Model of a part of human respiratory tract for aerosol deposition study and its fabrication procedure

Utility model

Užitný vzor se týká modelu části dýchacího traktu člověka pro zkoumání depozice aerosolu na vnitřních stěnách tohoto modelu, který zahrnuje větvenou vnitřní dutinu se vstupním otvorem pro vstup aerosolu a se soustavou výstupních otvorů pro výstup aerosolu. Užitný vzor se rovněž týká způsobu výroby uvedeného modelu. Model zahrnuje větvenou vnitřní dutinu se vstupním otvorem pro vstup aerosolu a se soustavou výstupních otvorů pro výstup aerosolu, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že model sestává ze soustavy navzájem rozebíratelně spojených segmentů společně vymezujících větvenou vnitřní dutinu. S výhodou je vnitřní dutina modelu pro napodobení tvaru dýchacího traktu člověka větvená prostorově a / nebo je povrch jeho vnitřní dutiny nepravidelně zvrásněný; nejlépe tvar jeho vnitřní dutiny a zvrásnění povrchu jeho vnitřní dutiny odpovídají tvaru vnitřní dutiny a zvrásnění povrchu vnitřní dutiny části dýchacího traktu alespoň jednoho člověka. Ve výhodném provedení jsou segmenty pro vzájemné rozebíratelné spojení opatřeny na svých styčných koncích spojovacími přírubami, na a / nebo v nichž jsou uspořádány spojovací prvky, zejména šrouby s maticemi, šroubové nebo pákové svorky a / nebo komplementární dvojice záchytného výstupku a oka. Pro vizuální kontrolu průběhu depozice aerosolu je výhodné, když alespoň některé ze segmentů jsou vyrobeny z částečně průhledného nebo alespoň průsvitného materiálu. Pro měření množství aerosolu, které prošlo celou vnitřní dutinou, případně neulpělo na stěnách vnitřní dutiny je na každý koncový segment zahrnující nejužší větve vnitřní dutiny modelu připojena sběrná koncovka, s níž koncový segment vytváří společnou dutinu, do níž jsou zaústěny výstupní konce nejužších větví koncového segmentu a která je propojena s výstupním otvorem ze sběrné koncovky. Nedostatky dosavadního stavu techniky řeší rovněž způsob výroby výše popsaného modelu, přičemž podstata spočívá v tom, že se počítačově vytvoří virtuální model, který se v počítači rozčlení na soustavu virtuálních segmentů uvedeného virtuálního modelu, načež se údaje o těchto virtuálních segmentech vloží do přístroje pro rapid prototyping a tímto přístrojem se vyrobí jednotlivé segmenty, které se následně navzájem pospojují pomocí spojovacích prvků. Technologie rapid prototyping spočívá v tom, že se požadovaný dílec na základě dat o virtuálním (v počítači uloženém) modelu vyrábí nanášením tenkých vrstev na základní desku, která po dokončení každé vrstvy klesne právě o tloušťku této vrstvy. Mezi druhy technologie rapid prototyping, které jsou vhodné pro výrobu jednotlivých segmentů patří metoda stereolitografická (SLA), metoda selektivního laserového slinování (SLS), metoda trojrozměrného tisku (3D printing), metoda modelování tavnou tryskou (fused deposition modelling) nebo metoda vytlačování a následného vytvrzování polymeru UV lampou (PolyJet). Pro zajištění co nejrealističtější podoby vnitřní dutiny výsledného modelu se virtuální model s výhodou vytvoří na základě dat získaných měřením tvaru vnitřní dutiny alespoň jednoho skutečného člověka. Segmenty od vstupního segmentu se vstupním otvorem až po segmenty obsahující čtvrtou generaci větvení vnitřní dutiny se s výhodou vyrobí stereolitografickou metodou z fotopolymerní pryskyřice a ostatní segmenty a / nebo sběrné koncovky se mohou vyrobit technologií vytlačování a následného vytvrzování průsvitného fotopolymeru UV lampou.

Geometry of the model of a part of human respiratory tract was created by combining two data sets: a geometry published by Schmidt et al., which contains airways from the trachea to 17th generation of branching, with a geometry of upper airways obtained by the CT at the St. Anna University Hospital in Brno. Obtaining full geometry using CT failed due to poor quality of images caused by movements generated by heartbeat. Only upper airways were applicable. Schmidt's model was obtained in the form of data containing the coordinates of nodes, links between them and branch diameters. The data were processed by "marching cube" algorithm into a vector model with polygonal net and the resulting model geometry was smoothed in the Rhinoceros (McNeel) software and stored in a stereolitographic format (STL). Only the part of the model from larynx to the 7th generation of branching was used for physical model fabrication. The model is devided into 22 segments to allow local deposition evaluation. It was preferable to directly fabricate segments of the model by a suitable type of rapid prototyping method for deposition measurements. Two different rapid prototyping methods were used and hence two different approaches were employed. First the envelope over the airway geometry from larynx to 4th generation of branching was created with a thickness of 1-5 mm, then the geometry was divided to segments and each segment was provided by flanges to assemble the segments by screws. This part of the model was fabricated by stereolithography method using the Viper machine from the 3D Systems Company. Thickness of one layer of the material 11 122 XC Watershed was 0.1 mm, what is the default setting. The machine allows printing of layers with thickness up to 0.02 mm. The segments from 4th to 7th generation were made up of two parts. The upper part contains the airway branching and the bottom part provides the down lead of airflow from the segment to one output. The segments have been produced on the Eden 250 machine from the Objet geometries company from FullCure material by Polyjet technology. The complete model of the lungs from larynx to the 7th generation of branching was created by joining of all segments together.

11.05.2010

21102

Vysoké učení technické, Brno, CZ