基于分叉管路的對稱特征模擬肺內物質輸運.pdf

1、研究呼吸過程肺部顆粒物的沉積及氣體傳輸特性對于評估人體健康至關重要。例如，發(fā)生火災時，人處于高濃度煙氣環(huán)境中，有毒有害煙氣隨呼吸進入人體呼吸道，當有害物質到達人體呼吸功能的肺腺泡區(qū)，可穿過氣血屏障進入血液，嚴重危害人體健康。有毒有害煙氣進入肺部的深度和濃度，直接影響人在火災中的存活時間。另一方面，吸入療法是利用藥物顆粒在肺內病變區(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，近年來被認為是一種很有前途的治療

2、方式。本文基于多級分叉特征的健康成年人肺部模型，通過對模型的合理簡化及邊界條件的改進，改善了數值模擬的效率，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顆粒沉積及氣體傳輸特性。本文數值模擬采用多物理場耦合軟件COMSOL Multiphysics4.3a。
　　首先，利用本課題前人建立的二維八級肺腺泡模型，研究了屏氣狀況下重力方向對肺腺泡內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、站立和平躺兩個狀態(tài)。研究表明：不同的重力方向對肺腺泡內的整體沉積率基本沒有影響，但對分級沉積率有影響，相對于人站立時的豎直重力方向，人在平躺狀況下能增加特定區(qū)域的分級沉積率。
　　其次，基于Weibel-A肺部模型，通過對稱簡化原則建立二維4-23級健康成年人全肺模型，研究了全肺內不同呼吸方式對氣體傳輸的影響。研究表明：氣體在肺部擴散非?？?，在第一個吸氣周期就能到達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、、深呼吸的對比發(fā)現，高頻呼吸和平靜呼吸傳輸速度相當，深呼吸擴散更快；通過循環(huán)呼吸和屏氣呼吸的對比發(fā)現，屏氣能減緩肺部氣體傳輸，這一現象在平靜呼吸時最明顯；通過對比不同方式的屏氣呼吸發(fā)現，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分叉網絡中粒子沉積計算量巨大的難點，基于此提出粒子加倍算法，改進對多級分叉網絡中粒子傳輸和沉積特性的模擬。并且對所提出的粒子加倍算法進行了詳細分析