肺腺泡內(nèi)三維流場特性及細(xì)顆粒物沉積的數(shù)值模擬研究.pdf

1、可吸入顆粒物在人體進(jìn)行呼吸的過程中會隨空氣進(jìn)入人體，并沉積在呼吸道表面，對人體呼吸系統(tǒng)造成危害。近年來，隨著環(huán)境空氣污染越來越嚴(yán)重，呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病等的發(fā)病率和死亡率也急劇增加，特別是細(xì)顆粒物會隨著氣流進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的肺腺泡區(qū)并沉積在此，甚至?xí)┩阜闻荼谶M(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而影響心臟、大腦等重要器官，危害非常大。此外，可吸入療法作為目前很有發(fā)展前途的治療呼吸系統(tǒng)疾病的方法，對于如何使可吸入藥物顆粒物更有效的到達(dá)病灶區(qū)，提高治

2、療效果也值得研究。因此，研究肺腺泡區(qū)細(xì)顆粒物的沉積對肺部疾病的預(yù)防、治療及可吸入療法的發(fā)展都具有重要意義。
　　目前，由于人體肺腺泡部位的真實生理結(jié)構(gòu)具有尺度?。ㄎ⒚琢考墸?，肺泡數(shù)量多（3-4億），結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，通過實驗手段（如CT掃描）難以對其進(jìn)行探測，目前僅存在組織學(xué)上的平面切片圖形。此外，人體在呼吸過程中肺泡是變化的，這也增加了數(shù)值模擬的難度。
　　本文在呼吸生理學(xué)和人體肺腺泡結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，以Weibel A模型

3、為基礎(chǔ)，通過假設(shè)和簡化，建立了三維肺腺泡幾何模型，通過動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)肺泡的動態(tài)變化。對空氣流動和顆粒的傳輸分別采用歐拉法和拉格朗日法進(jìn)行研究，其控制方程分別為氣體流動的 N-S方程和牛頓第二定律方程，在多物理場耦合軟件COMSOL4.3a平臺上對三種不同呼吸狀態(tài)下的空氣流動和顆粒沉積進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。主要研究了肺腺泡區(qū)的整體流場特性，不同呼吸狀態(tài)與不同肺腺泡級數(shù)肺泡內(nèi)的流線形態(tài)，對0.05-3μm范圍內(nèi)不同顆粒粒徑、不同密度及不同呼吸

4、周期下的顆粒沉積率進(jìn)行了統(tǒng)計分析。
　　研究結(jié)果表明，三維肺腺泡內(nèi)的模擬換氣量與真實呼吸換氣量在同一數(shù)量級，肺內(nèi)壓降隨肺腺泡級數(shù)的增加而減??；通過對不同級數(shù)肺泡內(nèi)的流線形態(tài)進(jìn)行觀察對比，可知肺泡內(nèi)的流線形態(tài)僅與肺泡所處的肺腺泡級數(shù)有關(guān)，即僅與肺腺泡的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，流線形態(tài)隨著肺腺泡級數(shù)的增加呈現(xiàn)從循環(huán)狀向放射狀的變化。在忽略布朗力情況下，顆粒沉積率隨顆粒粒徑的增大而增大；重力沉降對1-3μm的顆粒沉積率影響較大，對0.05-0.5

5、μm顆粒沉積率的影響可忽略。顆粒密度對0.05-0.5μm顆粒沉積率的影響可忽略，1-3μm顆粒沉積率隨密度的增大呈線性增大。0.5μm、1μm、2μm顆粒的沉積率隨呼吸時間的增大呈線性增大。
　　將本文三維模型下顆粒物的沉積率和文獻(xiàn)中二維模型沉積率進(jìn)行對比，得出三維模型中顆粒物的沉積率整體高于二維模型的結(jié)論，引入顆粒沉積增長率分析了不同模型對不同粒徑顆粒沉積率影響的大小，發(fā)現(xiàn)三維肺腺泡模型對大粒徑顆粒物沉積率的影響大于對粒徑小的