上呼吸道内可吸入颗粒物运动及沉降的模拟研究

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摘要:建立了一个从人体口腔到前3 级支气管的上呼吸道3 维几何模型和流场计算模型以及可吸入颗粒物运动模型. 将数值模拟结果与相关的实验数据进行了对比,表明数值模拟结果与实验结果基本吻合. 在此基础上,在拉格朗日框架下追踪研究了可吸入颗粒物的运动轨迹,并统计了颗粒物在气道内不同部位的沉积分数;对人体上呼吸道内可吸入颗粒物的运动及沉积过程以及影响因素进行了分析. 结果表明,可吸入颗粒物在上呼吸道内不同部位的沉积与呼吸强度、颗粒物密度以及粒径等因素密切相关;高呼吸强度时颗粒物在气管内的沉积分数明显升高,且随粒径的增大呈下降趋势;颗粒物在喉部的沉积分数最大,可以达到35% 左右,但沉积分数受呼吸强度和粒径的影响相对较小;颗粒物在支气管内的沉积分数随粒径增大呈明显下降趋势;中小呼吸强度下颗粒物在支气管内的沉积分数明显高于高呼吸强度下的沉积分数. 研究成果可以为可吸入颗粒物对人体健康影响的研究以及医学中气溶胶吸入疗法的研究等提供一定的依据.
    可吸入颗粒物在人体呼吸系统内动力学行为的研究是气溶胶人体健康效应研究的重要组成部分[1 ~ 5]. 气溶胶粒子在人体呼吸系统内动力学行为的研究可以为医学上研究和治疗呼吸道疾病以及气溶胶吸入疗法的研究提供一定基础.
    近年来,国内外许多学者通过模拟试验和仿真的方法对可吸入颗粒物在人体呼吸道内不同部位处的沉积问题进行了研究,并取得了许多研究成果[6 ~ 11];但对完整的人体上呼吸道内可吸入颗粒物运动及沉积规律的研究还相对较少.
    本研究的创新性主要体现在建立了一个从口腔到前3 级支气管的较为完整的人体上呼吸道几何模型和计算模型;在此基础上,在拉格朗日框架下追踪研究了可吸入颗粒物在人体上呼吸道内的运动情况,探讨了颗粒物在人体上呼吸道内各部位的沉积状况,并对呼吸强度、颗粒粒径以及颗粒密度等因素对颗粒物在上呼吸道内沉积的影响进行了分析.
    本研究工作可以为可吸入颗粒物对人体健康影响的研究以及医学中气溶胶吸入疗法的研究提供一定的依据.
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