大鼠鼻腔内流场及气味吸收模式的数值模拟研究

摘要

大鼠作为实验室最常用的实验动物之一，常被用来做嗅觉神经科学的研究。嗅觉的产生起源于鼻腔，它强烈地依赖于呼吸时鼻腔内的空气流动与鼻粘膜对气味的吸收模式特征。而鼻腔内的空气流动与气味吸收模式又在一定程度上取决于鼻腔本身的结构特征。
　　为了研究大鼠呼吸时鼻腔内的气流场与气味吸收模式，以及鼻腔气道的宽度改变对其鼻腔内的气流场及气味吸收模式的影响，本文首先基于大鼠鼻腔气道的MRI扫描图像重建出一个大鼠的鼻腔气道模型，然后采用计算流体力学方法模拟了大鼠在生理范围内的三种不同呼吸速率条件下的鼻腔内的气流场模式以及三种不同溶解性气味在鼻腔内的气味吸收模式，特别定量考查了在嗅上皮区域的上述模式。然后对MRI图像中的鼻腔气道进行人为的加宽并重建出另一个具有较宽气道的大鼠模型气道模型，继续采用与第一个大鼠鼻腔同样的方法与条件模拟了宽气道鼻腔模型内的气流场与气味吸收模式。最后定量比较了两个鼻腔模型内尤其是嗅上皮区域的气流场与气味吸收模式的差异。
　　模拟结果展现了不同呼吸速率条件下大鼠鼻腔内的气流场特点：包括吸气时鼻腔内具有“之”字形流线，而呼气时“之”字形流线偏少；用力吸气时有更多的气流进入嗅上皮区域等。以及不同溶解性气味在鼻腔粘膜内的吸收模式特点：包括不易溶于水的气味在鼻粘膜内的吸收量少，并且吸收通量从鼻腔上游至下游的梯度小；而易溶于水的气味在鼻粘膜内的吸收量大，并且吸收通量从上游至下游的梯度大，以至于气味分子难以传输到位于鼻腔下游的嗅上皮区域，必须用力吸气才有气味到达嗅上皮区域。
　　而鼻腔气道宽度少量扩张后引起了大鼠鼻腔模型内的流场与气味吸收模式的明显变化。仅仅34μm的气道宽度扩张就引起大鼠鼻腔内整体平均速度下降约10％，而在嗅上皮区域平均速度增加约12％，进入嗅上皮区域的气流量增加约3％。对于气味在鼻粘膜内的吸收影响则根据气味溶解性、鼻腔位置以及吸气速率的不同有很大差别，其中引起的最大吸收差异达到一个数量级。
　　这些气味在两个鼻腔模型内吸收模式的巨大差异可能会导致鼻腔对气味的嗅觉识别产生明显差异。从而说明，早期文献中基于铸造法构造的大鼠鼻腔模型因其会导致鼻腔气道的扩张，基于其的模拟结果可能会与实际生理情况有较大偏差。为了利用大鼠来更精确的研究鼻腔的生理功能特别是嗅觉功能，构建一个更精确的大鼠鼻腔气道的几何模型是非常有必要的。

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1 绪论

1.1 本课题的研究背景与意义

1.2 本课题的历史与研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 CFD数值模拟方法简介

2.1 前处理

2.2 CFD数值求解

2.3 后处理

2.4 小结

3 大鼠鼻腔内稳态流场的模拟

3.1 引言

3.2 鼻腔气道的图像获取与模型重建

3.3 网格划分与鼻腔特征区域定义

3.4 控制方程与边界条件

3.5 计算插值方法及收敛条件

3.6 网格独立性检验

3.7 结果

3.8 讨论

3.9 小结

4 气味在大鼠鼻腔内的吸收模拟

4.1 引言

4.2 控制方程与边界条件

4.3 计算插值方法及收敛条件

4.4 结果

4.6 讨论

4.7 小结

5 气道宽度改变对鼻腔内流场及气味吸收的影响

5.1 引言

5.2 两个气道宽度不同的鼻腔模型准备

5.3 边界条件、计算插值方法与收敛条件

5.4 结果

5.5 讨论

5.6 小结

6 总结

6.1 本文的主要研究内容与结论

6.2 本文的主要创新点

6.3 下一步可开展的工作

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录