人體呼吸道有限元模型及其對(duì)氣道局部收縮時(shí)氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算.pdf

1、支氣管哮喘是一種慢性的呼吸道疾病,正逐漸成為危害人類(lèi)身體健康的重大難題。尤其是在包括中國(guó)在內(nèi)的發(fā)展中國(guó)家發(fā)病勢(shì)頭上升迅猛,哮喘病導(dǎo)致的死亡率也日益增長(zhǎng),哮喘病給全世界造成的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)超過(guò)艾滋病和肺結(jié)核所造成的經(jīng)濟(jì)損失的總和。但哮喘病的病因與其發(fā)展機(jī)理至今還沒(méi)有得到完全的認(rèn)知。
　　哮喘以氣道結(jié)構(gòu)改變和氣道對(duì)收縮刺激因素的高反應(yīng)性為病理特征,即氣道重塑和氣道高反應(yīng)性。肺氣管具有十分復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu),包括各級(jí)分支不斷變化的直徑、長(zhǎng)度等

2、形態(tài)學(xué)變化,在正常與病理?xiàng)l件下,氣道各級(jí)結(jié)構(gòu)還會(huì)發(fā)生不均勻的收縮和擴(kuò)張,從而導(dǎo)致氣道中復(fù)雜的氣體流動(dòng)情況。盡管Weibel,Horsfield等對(duì)人類(lèi)肺形態(tài)和氣道解剖結(jié)構(gòu)做了大量研究,但如何將復(fù)雜的氣道幾何學(xué),氣道內(nèi)流動(dòng)的氣體與變動(dòng)的氣道壁進(jìn)行耦合,以建立人類(lèi)呼吸系統(tǒng)的計(jì)算生物力學(xué)模型,以模擬氣道內(nèi)氣體的流動(dòng)和物質(zhì)傳輸?shù)热跃哂刑魬?zhàn)性。
　　計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics CFD)是一種有限元

3、分析方法,主要求解的是納維-斯托克斯(Navier-Stokes N-S)方程,即將整個(gè)流體、燃燒等過(guò)程分散成在微小尺度內(nèi)關(guān)于基本流體假設(shè)成立的多個(gè)方程,并通過(guò)最終聯(lián)立求解的計(jì)算過(guò)程。是運(yùn)用計(jì)算機(jī)和離散化的數(shù)值分析計(jì)算方法對(duì)流體問(wèn)題進(jìn)行模擬并分析計(jì)算的方法。
　　本文根據(jù)Horsfield、Tawhai呼吸道氣道模型參數(shù),運(yùn)用AutoCAD、SolidWorks工程軟件,建立人類(lèi)呼吸道氣道理論模型,將理論模型結(jié)構(gòu)導(dǎo)入COMSOL

4、Multiphysics仿真系統(tǒng),并對(duì)G0氣道局部區(qū)域施加模擬局部收縮,通過(guò)對(duì)G0氣道流體入口速率與收縮內(nèi)徑阻塞范圍變化,運(yùn)用CFD進(jìn)行整個(gè)G0-G3氣道內(nèi)的流體流場(chǎng)分析與數(shù)值分析。數(shù)值模擬的結(jié)果表明,采用以上方法建立的呼吸道有限元理論模型,可以得到氣道收縮過(guò)程中呼吸道內(nèi)流體流速分布、流場(chǎng)線(xiàn)動(dòng)態(tài)變化、氣道管壁壓力分布,而當(dāng)呼吸道內(nèi)徑阻塞范圍超過(guò)1/3管徑和下呼吸道入口流體流速達(dá)到一定數(shù)值的時(shí)候,氣道的收縮區(qū)域內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)流體流場(chǎng)線(xiàn)回旋,同