呼吸道内颗粒物沉积的数值模拟

目的通过数值模拟方法研究人呼吸过程中吸入的颗粒物在呼吸道内的沉积规律及其影响因素。方法建立正常人呼吸道三维数值模型,模拟吸气过程中气流在呼吸道内的分布规律。在鼻孔或口等气流入口处释放颗粒,模拟悬浮颗粒物随着吸入气流在呼吸道内的沉积过程。同时改变颗粒物直径、密度、呼吸气流速率等参数,通过对比分析,研究颗粒物在呼吸道内沉积的影响因素。结果颗粒物在呼吸道内主要沉积在鼻阈、固有鼻腔气道中部、鼻咽部以及支气管内壁,并且颗粒物的沉积率随着其直径、密度、呼吸气流速率的增大而增加,几个参数对沉积率的影响程度也不相同。结论颗粒物在呼吸道内主要沉积在气道几何形状复杂或者气道走向剧烈改变的位置,颗粒物的直径、密度、呼吸气流速率均会影响到其在呼吸道内的沉积率。研究结果可为空气污染引发呼吸道疾病风险的临床评估提供数值依据。     

基于逆向工程的人体气道重建及其流场分析

目的 针对老年人气管萎缩导致整体气道尺寸变小的情况，研究狭窄气道重建及不同呼吸状态下空气流场对气道的影响。方法 运用Mimics建立人体气道的三维模型，利用计算流体动力学方法对气道内的流场进行仿真，分析并比较不同呼吸状态下气管内壁压强及其气流的分布状态。结果 在不同呼吸状态下，气管内壁压强数值在主气管内壁相对均匀，但在支气管狭窄段的气流入口处出现明显下降，在最狭窄的区域附近达到负压。气流速度从气管管道中心向边界层递减，流速在狭窄处达到最大值。气流穿过狭窄区域后产生涡流，且入口流速越大，正压和负压压强越大，狭窄处压降越明显，涡流现象越明显。结论 气道狭窄区域因负压造成继续收缩，会导致病人呼吸困难，而涡流会使气管壁受到气动剪切应力的影响可能损伤气道壁黏膜。因此，了解萎缩狭窄气道内的压强分布及流速分布情况，可为此类病变气道的临床诊治提供参考依据。     

非线性气道分级呼吸力学模型及健康成人自主呼吸模拟

现有的单腔室呼吸力学集中参数模型采用一个线性或非线性气阻元件描述整个气管-支气管树对气流的阻碍作用,忽略了各级气道具备不同的力学特性这一事实。因此,基于气管-支气管树的解剖结构及各级气道的力学特性,本文将人体呼吸道分为上气道、陷闭气道、小气道三部分,建立了多腔室、非线性气道分级的呼吸力学集中参数模型。该模型以呼吸肌为自主呼吸动力,模拟了健康成人的自主潮气呼吸过程。结果显示,本文所构建的自主呼吸模型的计算结果与人体呼吸生理过程较为吻合,并与已有文献的研究结果相似,提示本模型可用于呼吸系统病理生理研究。     

急性呼吸窘迫综合征患者下呼吸道内气流运动特性

目的应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)患者不同程度呼吸窘迫状态时下呼吸道内气流运动特性进行模拟研究。方法基于CT影像数据建立真实健康人体下呼吸道三维模型。采用标准k-ε湍流模型对下呼吸道内的气体流动进行数值模拟,分析下呼吸道内气流的速度、流量、压力以及壁面剪切应力等参数分布特点。结果拟合下呼吸道空气流动阻力与呼吸强度的函数关系;得到下呼吸道内空气流速、压力、壁面剪切应力的分布特点以及空气流量在各肺及各叶支气管的分配情况。结论通过CFD模拟分析可以获得更为详细的下呼吸道流场相关数据,为ARDS患者的临床治疗提供理论依据。     

流固耦合作用下人体上呼吸道内气流运动特性数值仿真研究

分析人体上呼吸道内流固耦合现象,深入认识上呼吸道内气流运动特性,对于研究气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩及沉积模式具有重要作用。运用流固耦合力学数值仿真方法,在呼吸流量为30 L/min的状态下,对人体上呼吸道内稳态气流运动特性进行数值模拟,系统分析流固耦合作用下上呼吸道壁面的形变特点、壁面剪切应力分布以及呼吸道内的气流运动特点。结果表明:在低强度稳态呼吸模式下,人体上呼吸道整体向后运动,三级支气管位移最大为4.99 mm,气管前壁面受到拉伸,后壁面受到压缩;口喉模型中受到的壁面剪应力较大,最大处可达30.34 Pa,气管支气管受到的壁面剪切应力较小;气流速度在声门处达到最大值7.85 m/s,在咽部外壁、气管外壁发生分离现象,气流在气管内壁形成局部高速区,支气管内气流在分叉处分离,靠近支气管内壁速度较高。     

典型男性OSAHS患者上气道气流运动特性的数值模拟

目的 研究典型男性阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合症（OSAHS）患者在平静呼吸时上气道气流运动特性,以及气流对软腭和悬雍垂作用的动力特点。方法 基于患者CT影像数据建立可靠的上气道流场几何模型,以临床睡眠监测数据作为数值模拟边界条件的依据,采用低雷诺数的湍流模型计算获得一个完整呼吸周期内上气道气流运动规律。结果OSAHS患者在呼吸过程中,上气道气流流动形式有显著差异。在吸气阶段,上气道腔内流速可达9.808 m/s,最大负压可达-78.856 Pa,鼻腔顶部出现局部回流,软腭受到的最大气流压力为-10.884 Pa,悬雍垂受到的最大气流压力为-51.946 Pa,气流对软腭和悬雍垂造成的最大剪切应力分别为78和311 mPa。在呼气阶段,上气道腔内最大流速为10.330 m/s,最大负压为-51.921 Pa,口咽部和鼻腔顶部均出现局部回流,且口咽部顺时针回流现象显著,软腭受到的最大气流压力为2.603 Pa,悬雍垂受到的最大气流压力为-18.222 Pa,软腭和悬雍垂受到的最大剪切应力分别为51和508 mPa。结论 口咽部是易塌陷的部位,一个呼吸循环过程的数值模拟可以捕捉到上气道流场显著的回流特征,上气道回流直接影响软腭和悬雍垂所受的力,同时也关系到患者呼吸的流畅程度。     

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道流体动力学模型的建立

 背景：对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上呼吸道内气体流动情况进行分析有助于进一步了解上呼吸道解剖结构与功能间的相互关系,从而认识阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的发病机制。 目的：建立阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道三维形态及流体动力学模型,为研究阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道气流动力学特征,探讨其发病机制奠定基础。 方法：对1名男性中度阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的上气道行CT扫描,将以DICOM格式存储的扫描数据导入Mimics 10.01软件中进行处理,得到上气道三维模型。通过ANSYS ICEM CFD14.0对三维模型进行网格划分后,用 ANSYS 14.0-Fluid Dynamics对上呼吸道内部流场进行数值模拟,获得上气道气流场相关信息。 结果与结论：建立了完整的上气道三维形态及流体动力学模型,共得到上气道网格数为1 751 940个单元,节点数为303 981个节点,上呼吸道内最大流速为11.087 m/s位于咽腔狭窄区域腭咽下界处。上气道流体动力学模型符合人体的生物力学特点,为以后进一步研究阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上呼吸道气流动力学特征奠定了基础。     

上气道内流动现象与压力分布模拟

目的用计算流体力学模拟的方法和体外模型实验的手段,研究呼吸时真实结构的上气道内的流动状态和压力分布,同时验证数值模拟模型的准确性。方法首先基于磁共振图像,借助Mimics软件重建上气道三维结构。在此真实几何结构基础上,建立上呼吸道内流动的有限元分析模型,以及制作相应的实体模型。模拟并测量呼吸流量为200、400和600 m L/s时的情况,并将数值模型预测的壁面压力分布与实测结果比较。结果如果气道内气流流量相同,吸气时气道两端的压差比呼气时大,即吸气时气道阻力比呼气时大。不同点压力分布的数值计算结果与实体模型测量结果一致。数值模拟结果表明,吸气时气道悬雍垂以及会厌后的舌后区域流动速度较高,悬雍垂下舌后区有涡旋产生。呼气时矢状位鼻咽顶端靠近后壁处,冠状位鼻咽、会厌下口咽处均有涡旋产生。结论数值模型可以准确地模拟上气道的流动状态和压力分布,直观地反映上气道内流动特点。作为非侵入式的工具,气道模型和数值模拟可以在探索阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea,OSA)的发病机制和有效治疗方法的过程中发挥重要作用。     

鼻腔气道结构对鼻腔加温加湿功能影响的数值模拟

目的研究鼻腔气道结构的变化对鼻腔加温加湿功能的影响。方法选取9例正常人和2例鼻中隔偏曲患者(术前术后)作为研究对象,建立鼻腔的三维有限元模型,数值模拟鼻腔气道中的气流分布、气流温度和湿度,并对比正常人与病患、术前与术后的数值模拟结果。结果鼻腔气道宽敞一侧气流体积流率相对较大,加温加湿效果差;狭窄一侧加温效果相对较好。对于正常人,鼻腔对吸入气流加温加湿的部位主要位于前端;对于病患,则要取决于鼻腔的气道结构。结论鼻腔气道结构影响鼻腔对吸入气流的加温加湿效果,鼻腔气道结构的几何参数如鼻腔气道壁面积、鼻腔体积可以用来衡量鼻腔对气流的加温加湿效果。     

人体上呼吸道中气流涡结构特征数值仿真研究

目的研究上呼吸道内涡结构特征及其演化形式,深入认识上呼吸道内气流运动特性,对于分析气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩以及沉积模式具有重要作用。方法应用大涡模拟的方法,对人体在低强度呼吸条件下上呼吸道内的气流涡结构及其运动特性进行了数值仿真研究,讨论了人体口喉模型以及气管支气管内的涡结构演化过程和涡结构特征。结果气流在咽部、喉部形成两次射流,导致气流在咽部和喉部出现两个主要的涡量增长区,咽喉部位形成扁平涡,在靠近气管中心偏向前壁的位置出现一个"类壁弯涡",气管内出现了以接近对称的反向旋转涡对;G0气管末端的涡量由壁面向中心处扩展,并随着流动向G1支气管内延伸,各级支气管中涡量并不是对称分布的。结论涡结构特征及其演化形式是上呼吸道内气流运动的显著特点,气道结构特点是引起不同尺度涡结构演化的主导因素。     

OSAHS患者自然睡眠期呼吸模式对上气道流场的影响

目的分析阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)患者自然睡眠时平静呼吸和呼吸暂停期不同压力边界条件和呼吸模式对气道内气体的流动和生理状态的影响。方法创建OSAHS患者仰卧位自然睡眠状态,并采集CT数据建立三维上气道有限元模型。临床测量患者睡眠期喉腔压力作为边界条件,考虑鼻吸鼻呼、鼻吸口呼、口吸鼻呼、口吸口呼4种典型呼吸模式进行流体力学仿真。结果睡眠期OSAHS患者的呼吸气流呈非稳定、有涡、双向流动,压力边界以及呼吸模式对气体流动的影响明显。用口呼吸与用鼻呼吸相比,气体的最大流速有所升高,压降主要集中在口腔,吸气时升高约30%,呼气时升高1倍。结论采用OSAHS患者自然睡眠期CT数据建模并以临床喉腔压力作为边界条件进行有限元仿真具有意义,研究结果有助于了解OSAHS患者真实自然睡眠状态下的上气道流场特性。     

鼻腔结构矫正手术对OSAHS患者上气道流场影响的数值分析

目的研究伴鼻腔结构异常的OSAHS患者经鼻腔结构矫正手术后,气道结构形态的改变对患者整个上气道流场分布以及软腭运动姿态的影响。方法基于患者手术前后CT影像学数据,建立上气道及软腭三维有限元模型,采用流固耦合的方法模拟手术前后上气道流场特性及软腭的运动情况。结果手术矫正了异常的鼻腔结构形态,鼻腔及整个上气道阻力明显下降。术后软腭的肥厚水肿明显缓解,其游离缘的运动幅度减小。软腭运动幅度随弹性模量的减小而增大。术后的模拟结果与文献报道的正常人实验与模拟结果接近。结论鼻腔结构矫正手术改变了上气道结构,影响了气流流场的分布和软腭的运动姿态;不同病理生理状态下,软腭弹性模量的变化对其运动姿态有影响。     

Effects of nasal pathologies on obstructive sleep apnea

Increased airway resistance can induce snoring and sleep apnea, and nasal obstruction is a common problem in snoring and obstructive sleep apnea (OSA) patients. Many snoring and OSA patients breathe via the mouth during sleep. Mouth breathing may contribute to increased collapsibility of the upper airways due to decreased contractile efficiency of the upper airway muscles as a result of mouth opening. Increased nasal airway resistance produces turbulent flow in the nasal cavity, induces oral breathing, promotes oscillation of the pharyngeal airway and can cause snoring.     

单侧上颌骨 全切除术后上呼吸道气 流动力学特征

目的通过计算机数值模拟方法,研究单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道吸气相气流动力学特征。方法基于3例单侧上颌骨肿瘤患者术后的CT图像,三维重建患者的上呼吸道结构,利用计算流体力学方法对气流流动进行数值模拟。结果获取患者术后上呼吸道吸气相气流流动趋势,气流在缺损侧鼻腔发生流动分离,在整个缺损腔形成低速大尺度漩涡。结论 3例单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流整体流动模式大体一致,说明这类患者呼吸模式具有共性。单侧上颌骨全切除术造成上呼吸道结构改变,扰乱了上呼吸道气流流动模式,影响了患者的上呼吸道生理功能。单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流数值模拟有助于解释患者出现的鼻腔干燥、结痂、分泌物堆积等症状和体征。     

Effects of single-sided inferior turbinectomy on nasal function and airflow characteristics

Knowledge of airflow characteristics in the nasal cavity is essential to understanding the physiologic and pathologic aspects of nasal breathing. Airflows inside post-surgery models were investigated both experimentally and numerically to simulate the inferior turbinectomy. The left cavities of all three models are normal and right cavity is modified by (1) excision of the head of the inferior turbinate, (2) resection of the lower fifth of the inferior turbinate, and (3) resection of almost the entire inferior turbinate. Thin-slice CT (computed tomography) data (0.6mm deep) and meticulous refinement of the model surface by over a decade-long collaboration between engineers and an experienced ENT doctor resulted in the creation of sophisticated nasal cavity models. After numerical experiments and validation by comparison with the PIV results, the CFD code using the Reynolds stress turbulent model and variable temperature boundary condition on the mucosal wall was chosen as the proper numerical framework. Both global quantities (pressure drop, flow rate ratio, total wall heat transfer) and local changes (velocity, temperature, humidity, pressure gradient, and wall shear stress) were numerically investigated. The turbinectomy obviously altered the main stream direction. The flow rate in the upper airway near the olfactory slit decreased in models (1) and (3). This may weaken the olfactory function of the nose. Fluid and thermal properties that are believed to be related with physiology and prognosis are dependent on turbinate resection volume, position, and manner. Widening of the inferior airway does not always result in decreased flow resistance or wall heat transfer. The gains and losses of inferior turbinectomy were considered by analysis of the post-surgery model results. Nasal resistance was increased in model (1) due to sudden airway expansion. Nasal resistance increased and the wall heat transfer decreased in model (3) due to sudden airway expansion and excessive reduction of the mucosal wall surface area. Local shear stress and pressure gradient levels were increased in models (1) and (3).     

Numerical analysis of micro- and nano-particle deposition in a realistic human upper airway

A computational model was developed for studying the flow field and particle deposition in a human upper airway system, including: nasal cavity, nasopharynx, oropharynx, larynx and trachea. A series of coronal CT scan images of a 24 year old woman was used to construct the 3D model. The Lagrangian and Eulerian approaches were used, respectively, to find the trajectories of micro-particles and concentration of nano-particles. The total and regional deposition fractions of micro/nanoparticles were evaluated and the major hot spots for the deposition of inhaled particles were found.     

基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置的构建

目的针对人体上呼吸道气流运动形成涡结构、流动分流、二次流等特点,研制基于粒子图像测速（particle image velocimetry, PIV）技术的人体上呼吸道流场测量实验装置,为开展人体上呼吸道流场特性实验研究提供平台。方法 基于完整人体上呼吸道医学扫描图像制备透明的实物模型,通过选择合适的气路系统,结合二维PIV系统搭建整套实验装置,并利用该装置对人体上呼吸道流场速度进行初步实验,将实验结果和数值仿真结果进行对比。结果呼吸流量为30 L/min稳态呼吸模式下,实验装置测得的气流在口腔上部有涡结构的形成,口腔下部贴近舌苔上部及口腔中部的气流速度较高,其他部位气流速度较低,与数值仿真结果较为一致。结论 基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置合理可行,运行可靠,可用于人体上呼吸道内气流组织形式和涡量分布等测量,并能够实现对数值仿真的验证。