基于分叉管路的對(duì)稱特征模擬肺內(nèi)物質(zhì)輸運(yùn).pdf

1、研究呼吸過程肺部顆粒物的沉積及氣體傳輸特性對(duì)于評(píng)估人體健康至關(guān)重要。例如，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人處于高濃度煙氣環(huán)境中，有毒有害煙氣隨呼吸進(jìn)入人體呼吸道，當(dāng)有害物質(zhì)到達(dá)人體呼吸功能的肺腺泡區(qū)，可穿過氣血屏障進(jìn)入血液，嚴(yán)重危害人體健康。有毒有害煙氣進(jìn)入肺部的深度和濃度，直接影響人在火災(zāi)中的存活時(shí)間。另一方面，吸入療法是利用藥物顆粒在肺內(nèi)病變區(qū)域沉積的一種新型治療呼吸系統(tǒng)疾病的方法，由于它的高生物利用度和高效率的優(yōu)點(diǎn)，近年來被認(rèn)為是一種很有前途的治療

2、方式。本文基于多級(jí)分叉特征的健康成年人肺部模型，通過對(duì)模型的合理簡(jiǎn)化及邊界條件的改進(jìn)，改善了數(shù)值模擬的效率，研究在不同的呼吸狀態(tài)，如平靜呼吸、高頻呼吸、深呼吸以及屏氣呼吸狀況下肺內(nèi)顆粒沉積及氣體傳輸特性。本文數(shù)值模擬采用多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL Multiphysics4.3a。
　　首先，利用本課題前人建立的二維八級(jí)肺腺泡模型，研究了屏氣狀況下重力方向?qū)Ψ蜗倥輧?nèi)顆粒沉積特性的影響，豎直重力方向和水平重力方向分別代表人處于豎直

3、站立和平躺兩個(gè)狀態(tài)。研究表明：不同的重力方向?qū)Ψ蜗倥輧?nèi)的整體沉積率基本沒有影響，但對(duì)分級(jí)沉積率有影響，相對(duì)于人站立時(shí)的豎直重力方向，人在平躺狀況下能增加特定區(qū)域的分級(jí)沉積率。
　　其次，基于Weibel-A肺部模型，通過對(duì)稱簡(jiǎn)化原則建立二維4-23級(jí)健康成年人全肺模型，研究了全肺內(nèi)不同呼吸方式對(duì)氣體傳輸?shù)挠绊憽Ｑ芯勘砻鳎簹怏w在肺部擴(kuò)散非?？?，在第一個(gè)吸氣周期就能到達(dá)具有呼吸功能的肺腺泡區(qū)域；在循環(huán)呼吸狀況下，通過高頻呼吸、平靜呼吸

4、、深呼吸的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高頻呼吸和平靜呼吸傳輸速度相當(dāng)，深呼吸擴(kuò)散更快；通過循環(huán)呼吸和屏氣呼吸的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，屏氣能減緩肺部氣體傳輸，這一現(xiàn)象在平靜呼吸時(shí)最明顯；通過對(duì)比不同方式的屏氣呼吸發(fā)現(xiàn)，平靜屏氣呼吸氣體傳輸最慢，高頻屏氣呼吸次之，深屏氣呼吸傳輸最快。
　　最后，通過全肺模型引出了模擬多級(jí)分叉網(wǎng)絡(luò)中粒子沉積計(jì)算量巨大的難點(diǎn)，基于此提出粒子加倍算法，改進(jìn)對(duì)多級(jí)分叉網(wǎng)絡(luò)中粒子傳輸和沉積特性的模擬。并且對(duì)所提出的粒子加倍算法進(jìn)行了詳細(xì)分析