基于CFD的COPD患者肺部氣道內(nèi)空氣流動特性研究.pdf

1、阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種具有氣流受限特征的肺部疾病，近年來已經(jīng)成為一種常見肺部的疾病。此疾病具有較高的發(fā)病率，，高死亡率以及治療效果不佳的特點(diǎn)，給患者本人及家庭帶來了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。臨床上利用肺功能檢查獲得肺氣管的部分評估參數(shù)，但對于獲取氣體在人體氣道內(nèi)的流速，壁面剪切應(yīng)力，流量在各級支氣管的分配等力學(xué)參數(shù)仍然存在缺陷。
　　本文的主要目的是考察COPD患

2、者氣道同健康人體氣道的差異。從形態(tài)學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)的角度揭示COPD疾病的發(fā)病機(jī)理。
　　本文引入了計算流體動力學(xué)（computed fluid dynamics，CFD）方法研究人體氣道空氣流動的流動特性，以CT掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，利用連續(xù)的，完整的斷層CT圖像通過Mimics軟件重建出人體氣道的三維幾何模型。并將幾何模型轉(zhuǎn)化成Xt格式文件后導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行模擬仿真。
　　本研究選取4例COPD患者和一例

3、健康研究對象作為對照組，假設(shè)氣道壁面為剛性壁面，空氣為牛頓氣體，結(jié)合個性化的呼吸參數(shù)，選用速度入口邊界條件，壓力出口邊界條件，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，獲得能反映空氣在氣管內(nèi)的流動特性的相關(guān)參數(shù)。包括空氣的流動速度，壁面壓力，壁面剪切力，氣道移動方向，流量分布等，通過分析以上參數(shù)揭示氣道的通氣功能。研究獲得的主要結(jié)果如下。
　　(1)同健康研究對象相比，COPD患者氣道均存在不同程度的扭曲變形。
　　(2)實(shí)現(xiàn)正常生理通氣功能

4、所需的壓降值更高。對于正常研究對象氣道內(nèi)壓降為2.20Pa，而對于COPD患者氣道壓降分別為14.2Pa，21.9Pa，17.89Pa，27.31Pa，遠(yuǎn)高于健康對照組。
　　(3)COPD患者氣道壁面壓力，壁面剪切應(yīng)力相對于健康對照組分布更加不均勻。
　　(4)COPD患者氣道狹窄區(qū)域內(nèi)有較高的流速，較低的壁面壓力，較高的壁面剪切應(yīng)力。
　　(5)最大壁面壓力出現(xiàn)在入口處。
　　(6)五個研究對象的右側(cè)出口面積