基于计算流体动力学的人体气道内空气流动研究

摘要

气道是人类机体与外界环境之间气体交换所必须的通道，理解生理和病理状态下的气道的通气功能具有重要科学与临床意义。目前，利用多排CT，一次屏气扫描即可获得全肺高分辨率薄层解剖结构图像。然而，多排CT获取的气道结构数据无法明确反映高级生理（通气）功能。计算流体动力学（Computational fluid dynamics，CFD）是一种利用计算机和离散化求解流体力学问题的方法，可用于研究空气在人体气道中的流动情况。
　　本文利用CFD方法研究了人体气道内的空气流动。首先，构建了理想、三维、二分叉、对称气道树模型，研究了模型中的速度和压力分布，考察了相似比、分叉角度和支气管平面翻转角度对空气流动的影响。然后，针对4名左肺动脉吊带(Leftp ulmo naryartery sling, LPAS)患者，从CT图像中提取气管和主支气管，建立结构模型，根据体重和入口面积确定个性化的入口流速，从而计算出LPAS患者气管和支气管中的空气流速、壁面压力、壁面剪切应力的分布。另外，利用单向流固耦合方法，研究了流动作用下LPAS患者气道壁面的变形和应力分布。最后，基于CT图像提取的多级气道（128个出口）结构模型，研究了瞬态情况下的空气流动。
　　主要结果包括:(1)在理想气道树模型中速度和压力分布一般是对称的，但从第四级支气管开始不均匀;内下支气管内的流速小于外上支气管;改变分叉角度和支气管平面翻转角将提高压降。(2)对于LPAS患者，由于气管和（或）主支气管的狭窄，压降可达78.9-914.5 Pa，远远高于正常控制受检者(0.7 Pa);左右主支气管的质量流量比与出口面积不相关，可能的原因是C形气管便于空气流入左主支气管（在惯性力的作用下）;与正常对照相比，LPAS患者气道中的速度、壁面压力和壁面剪切应力分布更加不均匀，在狭窄处可观察到高流速、低壁面压力和高壁面剪切应力。(3) LPAS患者气道的壁面变形和等效应力是正常对照者的50-900和90-100倍，气管移动的方向与气管形状有关，与净支反力相反;速度和壁面厚度对变形和应力的影响是非线性的。(4)对于本研究中的健康对象，气道中各时相流线都比较光滑顺畅，没有发现明显涡流;气道通气效率非常高。吸气相的最大压降等于22.85 Pa，呼气相的最大压降等于7.59 Pa;壁面压力分布相对均匀，但吸气相和呼气相的规律不同;壁面剪切应力非常小，在吸气相和呼气相的峰值基本相等，约为3.02 Pa;吸气相和呼气相中气体混合的模式不同;吸气相流量百分数与呼气相流量百分数相差不大，与各肺叶体积比成正比。
　　可见，基于CT影像提取的气道结构模型结合个体化的入口边界条件，CFD可以提供更多关于气道内空气流动的定量化信息，包括速度、压降、壁面压力、壁面剪切应力、气道壁面变形等。这些定量化信息将能帮助人们认识生理和病理情况下的气道通气功能，通过与结构信息相关联，从而揭示不同呼吸道疾病的发病机理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 人体肺部和气道的结构与功能

1．1．1 肺部结构与功能

1．1．2 气道的结构与功能

1．2 计算流体动力学

1．2．1 CFD简介

1．2．2 CFD流程

1．2．3 流体控制方程

1．2．4 流体计算方法

1．2．5 求解算法

1．3 研究现状

1．4 本文研究内容

第2章 理想化的6级气道树空气动力学仿真分析

2．1 概述

2．2 引言

2．3 模型和方法

2．3．1 理想几何模型

2．3．2 网格划分

2．3．3 求解过程

2．4 结果与讨论

2．4．1 速度和压力

2．4．2 参数的影响

2．5 结论

2．6 本章小结

第3章 LAPS患者的空气动力学仿真分析

3．1 概述

3．2 引言

3．3 数据和方法

3．3．1 数据

3．3．2 方法

3．3．3 模拟计算

3．4 结果

3．4．1 结构特征，压降及主流量

3．4．2 壁面压力，速度和壁面剪切应力

3．5 讨论

3．6 结论

3．7 本章小结

第4章 LAPS的流体固耦合分析

4．1 概述

4．2 引言

4．2．1 流固耦合的控制方程

4．2．2 流固耦合求解方法

4．3 数据和方法

4．4 求解过程

4．5 结果

4．5．1 流速

4．5．2 壁面变形和应力变化

4．5．3 反作用力

4．5．4 入口流速，壁厚和杨氏模量对流动的影响

4．6 讨论

4．7 结论

4．8 本章小结

第5章 人体气道树内空气流动的瞬态动力学仿真

5．1 数据和方法

5．1．1 数据

5．1．2 方法

5．2 结果分析与讨论

5．2．1 不同时相流动速度、壁面压力和壁面剪切应力

5．2．2 气体混合机理与各肺叶流量分布

5．2．3 主要参数在不同时相的变化

5．2．4 不同时相、不同截面上的流动速度分布

5．3 结论

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间学术成果