基于计算流体力学的一种新方法模拟真实人体内哮喘发作机理

摘要

哮喘是严重危害人类健康的慢性呼吸道疾病之一，是当今因呼吸道疾病死亡的主要原因之一，其增长速率随着人类社会的工业化不断进步而不断提高，在中国等发展中国家，发展速度更快。但是，哮喘疾病的病因和发生机理至今仍未能彻底解释清楚，有证据表明，哮喘是肺部气道发生炎症后，化学因素与力学因素相综合后的结果。因此，了解呼吸道的正常力学结果和阐述力学因素在哮喘发生的过程中所起的作用就显得尤为重要。
　　肺部作为人体的呼吸器官，每时每刻都在不停的运动，其是一个人体中重要的承载力的器官。其病生理状态下的力学特性具有重要的临床医学价值和基础研究价值，但肺内气道结构异常复杂，并且真实人体呼吸道病理过程的难以人工监测，因此计算流体工具便成为模拟分析人体气道正常及各种病态变化过程越来越重要的研究手段和工具。
　　计算流体力学（Computational Fluid Dynamics CFD）作为有限元分析方法的一种，主要求解的是纳维-斯托克（Nave-StokesN-S）方程，即将整个流体、燃烧等过程分散为多个在微小尺度内关于基本流体的假设成立的方程，并最终联立求解的过程。是用计算机和离散化的数值计算方法对流体问题进行模拟并分析的方法，其是作为现代分析并设计飞机等工具的主要手段。
　　本文基于真实人体的呼吸道CT数据，使用MIMICS软件进行处理，建立了具有几何细节的呼吸道3D几何模型，对比CT机所建模型原型，校正了我们的几何模型。在输出标准化格式模型文件之后，使用计算流体工具ANSYS-CFX分析气道内部及表面压力，气流速度的变化情况，并提出了一种新的方法模拟哮喘病发病机理，即将多条气道相继关闭作为边界条件，气道内流场变化情况。得出隶属不同子主支气道的小气道，对于统一的边界条件变化不相一致，并且迅速关闭的小气道可能会诱发周围相邻气道的闭合，从而引起气道内所谓“雪崩现象”，使得哮喘得以发生。

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1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究的现状

1.3 本文研究的目的和内容

1.4 技术路线

2 真实人体下呼吸道数据获取

2.1 引言

2.2 CT的主要结构

2.3 扫描方法

2.4 结果

2.5 讨论

2.6 小结

3 MIMICS重建呼吸道三维模型

3.1 引言

3.2 MIMICS的主要模块

3.3 重建方法

3.4 结果

4 气道3D模型四面体网格重划分

4.1 引言

4.2 导入模型文件并精细网格划分

4.3 精细网格模型生成

5 计算流体力学及3D气道几何模型有限元数值模拟

5.1 引言

5.2 气道模型的导入和边界条件的设置

5.3 气道模型计算结果

5.3 气道模型计算结果取样分析

5.4 讨论

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 后续和展望

致谢

参考文献

附 录