流固耦合作用下真实人体上呼吸道气溶胶扩散沉积的仿真与实验

３６卷３期　２０１７年６月　中　国　生物　医学　工程学报　Ｖ０１．３６　Ｎｏ．３　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕｎｅ　２Ｏｌ７　流固耦合作用下真实人体上呼吸道　气溶胶扩散沉积的仿真与实验　徐新喜　孙　栋　赵秀国　李福生。　刘亚军　３００１６１）　（军事交通运输研究所，天津３００１６１）　０１４０４０）　（军事医学科学院卫生装备研究所，国家生物防护装备工程技术研究中心，天津。（中国人民第２９１医院，内蒙古包头摘　要：通过构建真实人体上呼吸道三维规范模型，运用大涡模拟数值方法和Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ随机轨道模型，对考虑流　固耦合作用时循环呼吸模式下上呼吸道内气溶胶的扩散沉积进行数值仿真，分析气流涡结构演化对气溶胶扩散的　影响，并通过实验对气溶胶在人体上呼吸道的沉积率进行测量，验证仿真方法的正确性。结果表明：循环吸气时，　Ｏ．３　ｍ气溶胶颗粒比６．５　ｍ气溶胶颗粒更容易通过上呼吸道而进入更深层次的支气管；循环呼气时，部分进入　上呼吸道的颗粒在呼出气流夹带下，在气道中折返、回旋、沉积，而有些则从口腔中呼出；Ｏ．３和６．５　ｍ气溶胶颗粒　在咽、喉以及气管内沉积较多，而在口腔内沉积较少；６．５　ｍ气溶胶颗粒在上呼吸道不同部位的沉积率明显高于　０．３　ｍ气溶胶；流固耦合作用时咽部、喉部的壁面形变可缓冲气流冲击，气溶胶颗粒在咽喉部位的沉积率有所下　降；大粒径气溶胶颗粒沉积受惯性碰撞影响较大，而小粒径气溶胶颗粒沉积受湍流扩散及涡流夹带的影响较大。　关键词：人体上呼吸道；涡结构演化；气溶胶；扩散沉积；流固耦合作用　中图分类号：Ｒ３１８　文献标志码：Ａ　文章编号：０２５８．８０２１（２０１７）０３—０３０８－０８　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｏｌ　ｉｎ　Ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　Ｈｕｍａｎ　Ｕｐｐｅｒ　Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　Ｔｒａｃｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ．Ｓｏｌｉｄ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉ０ｎ　Ｘｕ　Ｘｉｎｘｉ　Ｓｕｎ　Ｄｏｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｘｉｕｇｕｏ　Ｌｉ　Ｆｕｓｈｅｎｇ　Ｌｉｕ　Ｙａｊｕｎ　’（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ；　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１６１，Ｃｈｉｎａ）　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＭｉｌｉｔａｒｙ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１６１，Ｃｈｉｎａ）　（Ｎｏ．２９１　Ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｏｆＰｅｏｐｌｅ’　Ｌｉｂｅｒａｔｉｏｎ　Ａｒｍｙ，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０４０，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｅｄｄｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ　ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｍｏｄｅｌ　ｗｉｔｈ　３　Ｄ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ—ｓｏｌｉｄ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｙｃｌｉｃ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｐａｔｔｅｒｎ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ｗａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ａｎｄ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　０．３　Ｉｘｍ　ｗｅｒｅ　ｍｏｒｅ　ｌｉｋｅｌｙ　ｔｏ　ｐａｓｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ａｎｄ　ｍｏｖｅ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｂｒｏｎｃｈｕｓ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　６．５　ｕｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｏｆ　ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｅｎｔｅｒｉｎｇ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｔｒａｃｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｌａｔｉｏｎ　ｆｌｏｗ　ｒｅｔｕｒｎｅｄ，ｃｏｎｖｏｌｕｔｅｄ　ｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｔ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｔａｋｅｎ　ｏｕｔ　ｏｆ　ｍｏｕｔｈ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｚｅｓ　ｏｆ　０．３　ｍ　ａｎｄ　６．５　Ｉｘｍ　ｗａｓ　ｈｉｇｈ　ｉｎ　ｔｈｒｏａｔ　ａｎｄ　ｔｒａｃｈｅａ，ａｎｄ　ｌｏｗ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｕｔｈ．Ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　６．５　ｍ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｚｏｎｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｉ：１０，３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８—８０２１．２０１７．０３．００７　收稿日期：２０１６￣５－２５，录用日期：２０１６－１２－３０　基金项目：国家自然科学基金（３１０７０８３２）　通信作者（Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ），Ｅ　ｍａｉｌ：ｘｕｘｘｌ＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ　３期　徐新喜，等：流固耦合作用下真实人体上呼吸道气溶胶扩散沉积的仿真与实验　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ｗａｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　０．３　ｍ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ—ｓｏｌｉｄ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｉｒｆｌｏｗ　ｉｍｐａｃｔ　ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｒ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗａｓ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｉｍｐａｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌｅｒ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗａｓ　ｍｏｒｅ　ｌｉｋｅｌｙ　ｔｏ　ｂｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｄｄｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ；ｖｏｒｔｅｘ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；ａｅｒｏｓｏｌ；ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｆｌｕｉｄ—　ｓｏｌｉｄ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　引言　近年来，ＳＡＲＳ、甲型流感病毒以及严重雾霾等　以气溶胶形式通过人体上呼吸道引发的呼吸系统　疾病越来越受到全社会的广泛关注。有学者研究　分析了人体上呼吸道内气溶胶的整体扩散状态及　其沉积模式　，但尚不清楚呼吸流湍流转捩过程　中气溶胶扩散的转捩行为。事实上，受呼吸模式、　呼吸道结构特点等因素的影响，人体上呼吸道内的　呼吸气流运动不仅存在着涡流现象，而且存在着由　层流向湍流过渡以及由大尺度涡结构向小尺度涡　结构过渡的湍流转捩过程　；在湍流转捩过程中，　不同尺度涡结构演化会导致其夹带气溶胶颗粒的　能力发生变化，从而影响颗粒的运动轨迹及滞留程　度，直至最终影响沉积状态。因此，有必要从涡结　构演化的微观层次研究气溶胶扩散及其转捩行为，　为揭示病毒气溶胶扩散沉积与呼吸道疾病之间的　关系以及药物气溶胶治疗呼吸道疾病的作用机理　提供科学依据。　在以往的研究中，Ｎｅｌｓｏｎ等曾利用ＣＴ扫描技　术和计算流体力学对睡眠障碍患者术前术后咽腔　内的气流组织进行了研究　１２］，Ｇｅｍｉｃ等运用大涡模　拟的方法对人体上呼吸道前１７级支气管模型内气　流进行了仿真¨　，Ａｌｅｃｋ等曾对鼻腔至支气管模型　内的颗粒运输沉积进行了仿真研究　１４］，Ｍａｒｉａ等对　微米级颗粒和纳米级颗粒在人体上呼吸道第４级到　第１５级支气管内的颗粒沉积状况进行了研究　，　笔者也曾引用ＡＲＬＡ（Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｌｂｅｒｔａ）和Ｓｔａｐｌｅｔｏｎ的口喉模型、Ｗｅｉｂｅｌ的支气管　模型分析了人体上呼吸道内气溶胶扩散沉积的状　态¨“　，但上述研究所用模型不能反映中国人体上　呼吸道的真实结构，也并未考虑上呼吸道壁面的弹　性作用，更没有深层次地探讨涡结构演化对于气溶　胶颗粒扩散沉积的影响机理，对研究我国人体呼吸　道疾病的预防控制存在一定的局限性。为此，笔者　开展了中国人体上呼吸道呼吸流涡结构演化、压力　和剪应力循环变动以及与气溶胶扩散转捩关系的　系统研究。利用多对象ＣＴ扫描、图像融合处理和　三维图像重建等技术，构建了我国真实人体上呼吸　道三维规范模型，运用大涡模拟数值方法和　Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ随机轨道模型，对考虑流固耦合作用时　循环呼吸模式下上呼吸道内气溶胶的扩散沉积进　行了数值仿真，分析了气溶胶颗粒的扩散轨迹，探　讨了气流涡结构演化对气溶胶扩散的影响机理，并　通过实验对气溶胶在人体上呼吸道内的沉积量与　沉积率进行了测量，验证了仿真方法的正确性。通　过研究，揭示了在上呼吸道内气流涡结构演化影响　下气溶胶颗粒的扩散过程，发现了气溶胶的环状轨　迹、波状轨迹和螺旋状轨迹，为研究气溶胶颗粒的　靶向沉积提供了新的思路；通过分析流固耦合作用　下不同粒径气溶胶颗粒在呼吸道不同部位的沉积　率变化，进一步探索了气溶胶颗粒的扩散沉积规　律，为临床使用药物气溶胶治疗呼吸道疾病提供了　方案建议。　１　方法　１．１真实人体上呼吸道三维规范模型　采用ＧＥ　ＬＩＧＨＴＳＰＥＥＤ　ＶＣＴＸＴ　６４型多层螺旋　ＣＴ机，对多名志愿者的上呼吸道进行水平位与冠状　位连续扫描；扫描结束后，应用多层螺旋ＣＴ机自带　的软件，将获得的ＤＩＣＯＭ影像学数据转化为一系列　ＢＭＰ格式的图像。然后，运用三维重建技术、高级　图像处理技术以及模型规范化处理技术，对ＣＴ扫　描数据进行处理，构建了包括口腔一咽一喉一气管一三　级支气管在内的真实人体上呼吸道三维规范模　型¨　，如图】所示。　１．２流固耦合力学模型控制方程　１．２．１流体控制方程　采用大涡模拟方法，模拟人体上呼吸道呼吸流　流场，其基本控制方程由Ｎ—Ｓ方程经滤波处理后得　到，张量形式¨　为　３１Ｏ　中　国生物医图１　真实人体上呼吸道三维规范模型　Ｆｉｇ．１　３Ｄ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　丝：０　（１　Ｏｘｉ　堕＋堕三：一　亚＋　Ｏｔ　ａ　；Ｐ　ａ　ｉ　堕——十一＋　里［　　（２）　ａｘｉＯｘｉ　Ｏｘｙ　式中，　为流体速度的大尺度分量（ｉ，Ｊ＝１，２，３），　为流体压力的大尺度分量，Ｐ表示流体密度，　表示　运动黏度。　１．２．２固体控制方程　假设人体上呼吸道壁面为均匀各向同性的线　弹性体（而非传统的刚性壁面），即服从胡克定律的　薄壁弹性模型，其厚度为１．６５　ｍｍ，密度为　１　０６０　ｋｇ／ｍ　，弹性模量为０．９　ＭＰａ，泊松比为　０．４［ｔｏ］。固体（呼吸道壁面）控制方程可表达为　７・　：Ｐ　ｏ　（３）　式中，　为上呼吸道壁应力张量，ｐ　为上呼吸道壁密　度，ｏ　为上呼吸道壁加速度。　１．２．３流固耦合界面控制方程　人体上呼吸道流固耦合交界面上应当满足　ｄ　＝ｄｆ　ｏｒ　・　＝　ｆ・ｎｆ　＝　ｆ　（４）　式中，ｄ为位移，ｎ为边界法向，下标Ｓ和ｆ分别表示　固体和流体。　１．３气溶胶扩散轨迹控制方程　１．３。１气溶胶颗粒运动方程　采用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ随机轨道模型，对人体上呼吸　道内的气溶胶运动扩散进行求解分析，将颗粒项离　散为颗粒，通过求解颗粒运动方程得出颗粒在　流域中的轨迹。单颗粒的力平衡方程可以根据牛　顿第二定律　。　表达为　学工程学报　３６卷　～　＝老　ｇ　ｆ、　１一　１＋Ｆ。Ｐｐ，　　（５）　式中，ｕ。　表示ｉ方向的颗粒速度，Ｆ　为ｉ方向的颗粒　单位质量外力，ｕ　为ｉ方向的流体相速度，　为流体　动力黏度，Ｐ为空气密度，ｄ　为颗粒直径，Ｐ　为颗粒　密度，Ｒｅ为颗粒雷诺数，Ｃ。为曳力系数，ｇ　为ｉ方　向的速度加速度分量，Ｆ。　为ｉ方向的颗粒单位质量　Ｓａｆｆｍａｎ升力。　１．３．２颗粒一涡相互作用模型　在颗粒一涡相互作用模型中，颗粒与涡相互作用　时间△￡选取涡生存时间ｔ　与颗粒涡穿越时间ｔ　。　中的较小值　，有　Ａｔ＝ｒａｉｎ（ｔ　ｔ　）　（６）　式中，涡生存时间ｔ　＝２ｔ　，ｔ　为湍流拉格朗日时间　尺度。　对于线性各向同性湍流模式，ｔ　＝Ｃ　，其中　ｃ　取值为０．１５；对于非线性各向异性湍流模式，　ｆ　＝Ｃ　，其中ｃ　取值为１，　为法向雷诺　应力。　颗粒涡穿越时间为　丁　ｌ“一ｕｌ／）　（７）　。　式中，　为涡长度尺度。　１．４数值仿真方法　基于流固耦合力学模型，采用商用计算流体动　力学仿真软件Ｆｌｕｅｎｔ，对低强度循环呼吸模式（呼吸　流量３０　Ｌ／ｍｉｎ，人口边界假定速度均匀分布，气流　１　速度为　ｉｎ（￣ｔ／２）ｍ／ｓ，呼吸频率１５￣／ｍｉｎ、　吸气／呼气持续时间均为２　Ｓ）下人体上呼吸道三维　规范模型内的气溶胶颗粒扩散沉积进行数值模拟。　其中，流体域使用大涡模拟数值方法，气溶胶颗粒　轨迹使用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ轨迹模拟法，气流和气溶胶颗　粒为双向耦合，考虑湍流耗散，曳力函数模型使用　Ｓｈｉｌｌｅｒ．Ｎａｕｍａｎｎ模型。模型人口边界假定速度均匀　分布，出口边界假定相对压力为０，壁面采用无滑移　壁面边界条件。仿真计算在ＩＢＭ　Ｍ／Ｔ—Ｍ　６２２３一Ｉ２Ｃ　工作站上进行，具有２个３．０　ＧＨｚ　ＣＰＵ，２．０　ＧＢ内　存，循环呼吸模式的计算时间步长设置为Ａｔ＝　０．０００　５，计算得到１～８　０００步、每隔１０步的流场发　展过程数据以及气溶胶扩散轨迹数据。上呼吸道　３期　徐新喜，等：流同耦合作川下真实人体上呼吸道　Ｃ溶胶扩散沉积的仿真　ｊ实验　壁面采用壳网格，边界层采用三棱柱网格，流场采　散性气溶胶来模拟人体吸人气溶胶，人体卜呼吸道　实验模型根据真实人体上呼吸道三维规范模型（见　１），采用激光快速成型技术和树脂材料制备　而成。　用四面体网格，网格数量为ｌ５０×１０　。病毒气溶胶　的粒径范围通常在０．０ｌ５～０．４５０　ｍ之间，而药物　气溶胶的粒径范围通常在１．０～６．５　Ｉ，ｚｉｎ之间，选取　粒径为０．３、６．５　ｍ的典型颗粒来分别代表病毒气　建立人体上呼吸道模型气溶胶沉积实验装置，　溶胶和药物气溶胶，气溶胶密度为９１２　ｋｇ／ｍ　。　１．５　实验验证方法　主要包括人体上呼吸道实验模型、气溶胶发生系　统、气溶胶监测系统、气路系统和测量系统，实验装　置如图２所示。　实验采用气溶胶发生器ＣＭＡＧ一３４７５产生的单　图２实验装置。　Ｉ　ａ）示意图；（ｂ）实物照片　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ．　（ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｒａｗｉｎｇ；（ｂ）Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ　实验前，在人体Ｌ呼吸道模型内部壁面涂抹硅　６）取ｆ１｛呼吸道模型，将其分解成所需的单独部　分，通过称重的方法，获得气溶胶在呼吸道模型不　同邓位的沉积量和沉积率　油，以模拟呼吸道内壁的黏性，使颗粒沉积在其初　始的沉积位置，尽量减小其反弹。具体实验方法　如下：　１）通过气溶胶发生器产生气溶胶，首先在一个　混合窀内与经过高效过滤器过滤的干燥空气充分　混合，达到所需浓度后吸人呼吸道模型，使气溶胶　颗粒进入模型内的状态与仿真模拟情况尽量一致。　２　结果　２．１　循环呼吸模式下气溶胶的扩散轨迹　呼吸流量３０　Ｌ／ｒａｉｎ时，人体上呼吸道模型内　粒径分别为０．３和６．５　ｍ的气溶胶颗粒在吸气终　ｒ时刻的部分颗粒（颗粒数为５０）轨迹如图３所示　２）在气溶胶混合室和呼吸道模型口腔处，分别　放置气溶胶采样探头，测量相应的气溶胶浓度。　３）呼吸道模型的每个支气管末端，分别与过滤　可以看出，与６．５　ｍ的气溶胶颗粒相比，多数　０．３　ｍ的气溶胶颗粒通过了口腔、咽喉、气管，Ｉ咋没　’有沉　到上呼吸道内；受气流组织结构的影响，颗　粒的运动轨迹在Ｌ呼吸道内的不同部位时刻变化；　器、流量计、流量调节阀、真空泵相连接。　４）调节流量阀和真空泵来控制呼吸流量，根据　采样流量和颗粒粒径分布来确定采样时问。　通过对比颗粒轨迹和涡量分布可以看出，大多数气　溶胶颗粒在上呼吸道内的涡量集中区通过。此外，　在咽邸上方、喉部后侧以及气管后部出现了混合有　环状轨迹和波状轨迹的螺旋状轨迹。　５）进入呼吸道模型但没有沉积到模型壁衙的　气溶胶沉积在过滤器的过滤膜Ｊ二，实验结束后通过　称重，得到沉积在过滤膜上的气溶胶沉积量。　中　国　生物　医　学　Ｔ程学报　３６卷　ａｅｌｆｏｓｏＩ．ＰａｔｔｉｃＩｅ　Ｔ　ｒ　『ｌ｛ｅ■ＰＴ｛……ｂ”　ａｅｒｏｓｏＩ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｔ　ｒ　ｆ　ＰＴ　１……ｌ】　删　三　（ｂｌ　图４　呼气终了时刻上呼吸道模型内气溶胶颗粒的　图３吸气终了时刻上呼吸道模型内气溶胶颗粒的　扩散轨迹。（ａ）０．３　颗粒；（ｂ）６．５　颗粒　扩散轨迹。（ａ）０．３　颗粒；（ｂ）６．５　颗粒　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｄｉｆｕｓｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｄｉｆｕｓｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｅｘｈａｌａｔｉｏｎ．（ａ）０．３　ＩＩｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；（ｂ）６．５　ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ．（ａ）０．３　【ＩＩ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；（ｂ）６．５　【ｎ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｍ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　响过程，其中（ａ）显示了口喉部位气流发生转捩时　呼气终了时刻粒径分别为０．３和６．５　ｍ的部　涡结构演化与气溶胶扩散的关系，（ｂ）、（ｃ）分别显　分颗粒（颗粒数为５０）轨迹如图４所示。可以看出，　示了咽喉、气管部位涡结构演化与气溶胶扩散的　部分进入Ｌ呼吸道内的颗粒在呼出气流的夹带下，　关系。　在气道中折返、回旋、沉积，而有些则从口腔中呼　从图５（ａ）可以看出，部分颗粒进入口腔后，受　出。在折返的过程中，由于颗粒对呼出气流的跟随　到气流转捩过程的影响，开始出现绕涡管运动的轨　性较好，折返的轨迹主要集中在呼气阶段涡量集中　迹，这些轨迹大多分布在口腔的中后部；随着气流　的区域。此外，部分颗粒在咽喉部及口腔的上方，　在咽喉部位转捩到湍流阶段，气溶胶颗粒也完成了　同样出现了混合有环状轨迹和波状轨迹的螺旋状　口腔中的扩散转捩过程，其运动轨迹也开始随着更　轨迹。　高强度涡结构的演化而发生变化。从图５（ｂ）、（ｃ）２．２涡结构演化对气溶胶扩散转捩的影响　可以看出，处在不同位置的颗粒受涡结构影响具有　涡结构特征及其演化是上呼吸道气流运动的　不同的轨迹，离涡核较远的颗粒受涡结构旋转的离　显著特征，也是影响气溶胶颗粒在上呼吸道内扩散　心作用被甩至涡的边缘，而且同时受横向涡结构和　沉积的重要因素。图５显示了人体上呼吸道内涡结　纵向涡结构的共同影响，导致部分颗粒具备了混合　构演化对病毒气溶胶（０．３　ｍ颗粒）扩散转捩的影　有环状轨迹和波状轨迹的螺旋状轨迹。其中，当颗　　３期　徐新再，等：流同耦合作用　真实人体上呼吸道气溶胶扩散沉积的仿真与实验　４３０ｅ・００３　０２９ｅ＋００３　６２７ｅ　００３　２２５ｅ＋００３　８２３ｅ＋００３　４　Ｉｃ　００３　０ｌ９ｅ＋００３　６ｌ　７ｅ＋００３　２ｌ　５ｅ＋００３　８ｌ　３ｅ　００３　４Ｉ１ｅ　００３　０１Ｏｅｔ００３　６０８ｅ＋００３　２０６ｅ＋００３　０３８ｅ＋００２　０ｌＯｅ＋Ｏ０２　Ｏ００ｅ　Ｏ０（３　图５涡结构演化对气溶胶颗粒扩散转捩的影响。《ａ）口喉部位；（ｂ）咽喉部位：（Ｃ）气管部位　Ｆｉｇ－５　Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．（ａ）Ｍｏｕｔｈ；（ｂ）Ｔｈｒｏａｔ　（Ｃ）Ｔｒａｃｈｅａ　１‘，ｊ＋＋ｃ　ｃ　ｃ　ｅ　ｃ　ｃ　ｃ　ｃ　０　ｃ　Ｐ　，“ｉ｛｛十十十＋ｊ　一｛７ｑ　十＋；、１一　＋，＿８８　９　十１＋＋、‘　１、十＋ｆ；４，ｃ　ｃ口｛＋＋４７　＿ｉ十　、’ｃ　ｃ　　　粒的运动超ｆｌｆ一个大涡的范围时，为波状轨迹；颗　ＨＨ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　ｒ，１　＿ｌ＾，．　．：；，　１　－　．　Ｈ¨Ｈ　Ｋ　Ｈ¨　ｎ　１．１．１　．；　成沉积；二是由于咽喉部位几何结构复杂，导致气　流在咽喉部位的湍流强度较强，且产生了异常复杂　粒没有超出大涡的范围时，为环状轨迹　２．３　循环呼吸模式下气溶胶沉积仿真分析　的涡量分布，致使气溶胶颗粒的湍流扩散增多，沉　积率也相对较高。此外，可以看ｆ“６．５　ｍ的气溶　胶颗粒在上呼吸道不同部位的沉积率要明　高于　（８）　衡量气溶胶颗粒存人体Ｊ二呼吸道内各部位沉　积的指标是沉积率ＤＦ　，其表达式为　Ⅳ　ＤＦ＝　Ｉｌ　×１００％　０．３　ｍ气溶胶颗粒的沉积率，这说明较大的气溶胶　颗粒在上呼吸道内沉积的几率要大于较小气溶胶　颗粒的几率，而较小的气溶胶颗粒则更容易通过人　体　呼吸道进入支气管甚至肺泡内。　式中，Ⅳ…　为某一部位的气溶胶颗粒沉积数量，Ⅳ　为上呼吸道所有气溶胶颗粒的总数量。　在气溶胶沉积实验中，由于颗粒数量往往难以　获得，所以通常通过称重来计算气溶胶颗粒的沉积　率，有　ｍ　槲　ＤＦ＝　ｍａ１１　×１００％　（９　１　嚣　式中，ｍ　为沉积到上呼吸道中某一部位的气溶胶　颗粒的质量，ｍ　为进人人体上呼吸道内所有气溶　胶颗粒的总质量。　２．３．１　同粒径对气溶胶颗粒沉积的影响　图６　呼吸流量３０　Ｌ／ｍｉｎ气溶胶沉积军仿真结果　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　３０　Ｌ／ｍｉｎ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｆｌｏｗ　图６为呼吸流量３０　Ｌ／ｍｉｎ时粒径分别为０．３　和６．５　Ｉｘｍ的气溶胶颗粒在人体上ｎ乎吸道不同部位　沉积率的数值仿真结果。可以看出，一方向气溶胶　颗粒在人体Ｌ呼吸道内各部位的沉积率虽然受粒　径的影响有所不同，但沉积模式却非常相似，表现　２．３．２流固耦合作用对气溶胶颗粒沉积的影响　冈７、８分别为考虑流同耦合作Ｊ『Ｊ（弹性壁面）　和未考虑流同耦合作川（刚性壁而）时０．３和　６．５　ｍ气溶胶颗粒　人体卜呼吸道不同部位沉积　率的数值仿真结果　Ｉ１ｒ以看｝｛Ｉ，　流『嗣耦合作川　下，０．３　ｍ气溶胶颗粒　叫部、喉部以及气管内沉　为气溶胶颗粒在咽、喉以及气管内沉积较多，而在　口腔内沉积较少；另一方面６．５　Ｉｘｍ的气溶胶颗粒　在上呼吸道不同部位的沉积率要明　高于０．３　Ｉｘｍ　气溶胶颗粒的沉积率，这说明较大的气溶胶颗粒在　上呼吸道内沉积的几率要大于较小气溶胶颗粒的　几率，而较小的气溶胶颗粒则更容易通过人体上呼　吸道进入支气管甚至肺泡内。分析其原冈，一是南　于气流在咽喉部位产生两次射流，气溶胶颗粒在高　速气流的夹带下惯性碰撞增多，冲击上气道壁面造　积率有所下降，而在支气管部位沉积率有所＿ｌ：升；　６．５　ｔｚｍ气溶胶颗粒在嘲部、喉部沉积率有所下降，　在气管部位沉积率彳『所Ｉ　升。分析原　，一方而，　主要足由于考虑流同耦合作『１】时，咽部、喉部的壁　面形变缓冲了气流的冲击，使气流速度有所降低，　３ｌ４　中　国　生　物　医　学　程学报　颗粒的惯性碰撞有所减少，两种粒径的气溶胶颗粒　在咽喉部位的沉积率均有所下降；另一方面，流固　耦合作用导致人体上呼吸道整体发生偏转，气管、　支气管部位偏转较大，导致６．５　ｍ气溶胶颗粒在　气管处沉积率明显提高，且有多数气溶胶沉积于气　管前壁；此外，０．３　ｍ气溶胶颗粒在气管部位沉积　率并未升高，这也印证了０．３与６．５　ｍ气溶胶的沉　积机理有所差异，６．５　ｍ气溶胶的沉积主要依靠惯　性碰撞，而０．３　ｍ气溶胶受湍流扩散、涡流夹带等　因素的影响更多。　图９　呼吸流量３０　Ｌ／ｒａｉｎ气溶胶沉积率的实验结果　Ｆｉｇ．９　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　３０　Ｌ／ｒａｉｎ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｆｌｏｗ　３　讨论　以往的研究　中，关注点往往侧重于气溶胶颗　粒在上呼吸道内各部位的沉积率，比较关注气溶胶沉　积的“果”，而本研究则更为深入地探讨了气溶胶在　呼吸道内的扩散过程，即分析了气溶胶沉积之前的　“因”，特别是揭示了在上呼吸道内气流涡结构演化　图７流固耦合作用对０．３．＾ＪｌＩ气溶胶沉积的影响　Ｆｉｇ．７　Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ・ｓｏｌｉｄ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｚｅｓ　ｏｆ　０．３　ｐＪｎ　影响下气溶胶颗粒的扩散过程，并发现了气溶胶的环　状轨迹、波状轨迹和螺旋状轨迹，为进一步研究气溶　胶颗粒的靶向沉积提供了新的思路和方法。　人体的上呼吸道结构极其复杂，而且具有很多　独特的非规律性（如壁面弹性、软骨结构、声门形状　等）。本研究采用多份中国成年男性上呼吸道ＣＴ　扫描数据，利用图像高级处理和规范化技术得到三　瓣　维模型，在几何形状真实性和结构特征完备性方面　与中国人体上呼吸道更为接近，同时又考虑了壁面　弹性作用的影响，避免了以往研究对模型的大量简　化和假设，使研究成果更加接近真实状态。但是，　这也仅是对人体上呼吸道结构弹性更为逼真的一　种简单假设，在软骨结构、声门形状变化等方面仍　有进一步研究的必要。　蜉　图８流固耦合作用对６．５　ｔｏｎ气溶胶沉积的影响　Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｚｅｓ　ｏｆ　６．５　ｐｍ　笔者在以往研究　川的基础上，更为深入地探　讨了流固耦合作用对气溶胶颗粒沉积的影响，分析　了流固耦合作用下气溶胶颗粒在咽部、喉部沉积率　有所下降的原因，即壁面形变缓和了气流的冲击，　２．４循环呼吸模式下气溶胶沉积实验分析　对呼吸流量３０　Ｌ／ｍｉｎ时粒径为０．３和６．５　ｍ　的气溶胶颗粒在呼吸道模型内各部位的沉积量进　行了测量，并据此计算了沉积率，结果如图９所示。　可以看出，气溶胶颗粒主要在喉部、气管支气管中　沉积，其中在喉部沉积最多，沉积模式及分布规律　与图６所示的仿真结果基本一致，说明所建立的模　使气流速度有所降低，并通过分析６．５和０．３　ｍ气　溶胶颗粒在流固耦合作用下沉积率变化的差异，进　一步揭示了不同粒径气溶胶颗粒沉积的机理：　６．５　ｍ气溶胶颗粒主要是惯性碰撞，而０．３　Ｉｘｍ气　溶胶颗粒主要受湍流扩散及涡流夹带的影响。　从气溶胶颗粒的扩散沉积规律来看，越细微的　颗粒越容易穿过人体上呼吸道进入到细支气管和　肺泡；但是在从口腔至前３级支气管之间的呼吸道　型和数值仿真方法正确合理。　３期　徐新喜，等：流固耦合作用下真实人体上呼吸道气溶胶扩散沉积的仿真与实验　３ｌ５　部分，较大颗粒更容易沉积，也沉积更多。因此，在　临床治疗时，若病灶发生位置比较靠近上部气管，　则建议使用粒径相对较大的药物气溶胶，若病灶位　置比较靠近下部支气管时，则建议使用粒径相对较　小的药物气溶胶。　４　结论　本研究通过构建真实人体上呼吸道三维规范　模型，运用大涡模拟数值方法和Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ随机轨　道模型，对考虑流固耦合作用时循环呼吸模式下上　呼吸道内气溶胶的扩散沉积进行了数值仿真，分析　了气流涡结构演化对气溶胶扩散的影响，并通过实　验对气溶胶在人体上呼吸道的沉积率进行了测量，　验证了仿真方法的正确性。结果表明：循环吸气　时，０．３　ｍ气溶胶颗粒比６．５　ｍ气溶胶颗粒更容　易通过上呼吸道进入更深层次的支气管；循环呼气　时，部分进入上呼吸道的颗粒在呼出气流夹带下，　在气道中折返、回旋、沉积，而有些则从口腔中呼　出；０．３和６．５　ｍ气溶胶颗粒在咽、喉以及气管内　沉积较多，而在口腔内沉积较少；考虑流固耦合作　用时，咽、喉部的壁面形变缓和了气流的冲击，气溶　胶颗粒在咽喉部位的沉积率有所下降；６．５　ｍ气溶　胶颗粒在上呼吸道不同部位的沉积率明显高于　０．３　ｍ气溶胶的沉积率；大粒径气溶胶颗粒沉积受　惯性碰撞影响较大，而小粒径气溶胶颗粒沉积受湍　流扩散及涡流夹带的影响较大。　参考文献　［１］　Ｉｎｔｈａｖｏｎｇ　Ｋ，Ｃｈｏｉ　ＬＴ，Ｔｕ　Ｊｉｙｕａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｃｒｏｎ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｔｒａｃｈｅｏｈｒｏｎｃｈｉａｌ　ａｉｒｗａｙ　ｍｏｄｅｌ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｂｒｅａｔｈｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１０，　３２（１Ｏ）：１１９８—１２１２．　［２］　Ｈｕａｎｇ　Ｊｉａｎｈｕａ，Ｚｈａｎｇ　Ｌｉａｎｚｈｏｎｇ，Ｙｕ　Ｓｕｙｕａｎ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｉｃｒｏ－　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ｕｎｄｅｒ　ｓｔｅａｄｙ　ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐａｒｔｉｃｕｏｌｏｇｙ，２０１１，９（１）：３９－４３．　［３］　Ｘｉ　Ｊｉｎｘｉａｎｇ，Ｓｉ　Ｘｉｕｈｕａ，Ｋｉｍ　ＪＷ，ｅｔ　ａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒｆｌｏｗ　ａｎｄ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎａｓａｌ　ｃａｖｉｔｙ　ｏｆ　ａ　５一ｙｅａｒ－ｏｌｄ　ｃｈｉｌｄ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１１，４２（３）：１５６・１７３．　［４］　Ｍｏｒａｗｓｋａ　Ｌ，Ｊｏｈｎｓｏｎ　ＧＲ，Ｒｉｓｔｏｖｓｋｉ　ＺＤ，ｅｔ　ａ１．Ｓｉｚｅ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｉｔｅｓ　ｏｆ　ｏｒｉｇｉｎ　ｏｆ　ｄｒｏｐｌｅｔｓ　ｅｘｐｅｌｌｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｅｘｐｉｒａｔｏｒｙ　ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　２００９，４０（３）：２５６－２６９．　［５］　Ｒｏｓｔａｍｉ　ＡＡ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ：Ａ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ　Ｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ，２００９，２１　（４）：２６２－２９０．　［６］　Ｎａｇｅｌｓ　ＭＡ，Ｃａｔｅｒ　ＪＥ．Ｌａｒｇｅ　ｅｄｄｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　ａｎ　ａｓｙｍｍｅｔｉｒｃ　ｂｒａｎｃｈｉｎｇ　ａｉｒｗａｙ　ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００９，３１（９）：Ｉ１４８－１１５３．　［７］　Ｋｌｅｉｎｓｔｒｅｕｅｒ　Ｃ，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｅ．Ａｉｒ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　Ａｎｎｕａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１０，４２：３０１－３３４．　［８］　Ｗｏｌｆｇａｎｇ　ＡＷ，Ｔｉｍｏｎ　Ｒ．Ｆｌｕｉｄ・ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｌｏｗｅｒ　ａｉｒｗａｙｓ　ｏｆ　ＣＴ－ｂａｓｅｄ　ｌｕｎｇ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｆｏｒ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｆｌｕｉｄｓ，２００８，５７（５）：６５３￣７５．　［９］　徐新喜，赵秀国，谭树林，等．人体上呼吸道内气流运动特　性的数值模拟分析［Ｊ］．计算力学学报，２０１０，２７（５）：８８１－　８８６．　［１０］　Ｃｈｏｉ　ＬＴ，Ｔｕ　Ｊｉｙｕａｎ，Ｌｉ　Ｈｏｎｇｆｕ，ｅｔ　ａ１．Ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｉｎ　ａ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　ｈｕｍａｎ　ｄｏｕｂｌｅ　ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ　ａｉｒｗａｙ　ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ　Ｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ，２００７，１９（２）：１１７—１３１．　［１１］　孙栋，李福生，徐新喜，等．流固耦合作用下人体上呼吸道　内气流运动特性数值仿真研究［Ｊ］．中国生物医学工程学　报，２０１２，３１（１）：８９－９５．　［１２］　Ｎｅｌｓｏｎ　Ｂ，Ｍｉｈａｉ　Ｍ，Ｇｏｕｔｈａｍ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｉｎ　ｐｈａｒｙｎｇｅａｌ　ａｉｒｆｌｏｗ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｌｅｅｐ・ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ　ｂｒｅａｔｈｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｌｅｅｐ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，２０１１，１２（１０）：９６６－９７４．　［１３］　Ｇｅｍｃｉ　Ｔ，Ｐｏｎｙａｖｉｎ　Ｖ，Ｃｈｅｎ　Ｙｕａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａｉｒｆｌｏｗ　ｉｎ　ｕｐｐｅｒ　１７　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｔｒａｃｔ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１１，４１（９）：２０４７－２０５４．　［１４］　Ａｌｅｃｋ　Ｈ，Ｐａｒａｓｋｅｖｉ　Ｋ，Ｃｏｓｔａｓ　Ｋ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｉｔｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＣＦＤ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，２８：２１　１－２１６．　［１５］　Ｍａｒｉａ　Ｃ，Ｄａｎｉｅｌａ　Ｆ，Ｍａｒｃｏ　Ｖ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｃｅｎｔｒａｌ　ａｉｒｗａｙｓ［Ｊ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ－Ｂ　／Ｆｌｕｉｄｓ，２０１２，３１：９１．１Ｏ１．　［１６］　徐新喜，孙栋，赵秀国，等．人体上呼吸道口喉呼吸流涡结　构演化对病毒气溶胶扩散的影响研究［Ｊ］．中国科学：生命　科学，２０１１，４１（１０）：１０００—１００７．　【１７］　赵秀国，徐新喜，孙栋，等．人体上呼吸道气流结构与气溶　胶沉积数值模拟［Ｊ］．系统仿真学报，２０１２，２４（８）：１５８２—　１５８７．　［１８］　孙栋，李功杰，李福生，等．人体上呼吸道模型三维重建及　规范化研究［Ｊ］．生物医学工程与临床，２０１２，１６（２）：１２７－　１３１．　［１９］　张兆顺，崔桂香，许春晓．湍流大涡数值模拟的理论和应用　［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８：７２－７６．　［２０］　Ｓｈｉ　Ｈｕａｗｅｉ，Ｋｌｅｉｎｓｔｒｅｕｅｒ　Ｃ，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｅ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｉｎｅａｉｌａ　ｐａｒｔｉｃａｌ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｎａｓａｌ　ｃａｖｉｔｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｗａｌｌ　ｅｒｕｓｈｈｅｓｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２ＯＯ７，３８（５）：３９８－４１９．　［２１］　Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ　Ｍ，Ａｎｄｏ　Ａ，Ｗｅｎｎｅｒｂｅｒｇ　Ｄ．Ｓｗｉｒｌｉｎｇ　ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｌａｄｅｎ　ｌｆｏｗｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａ　ｐｉｐｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ［Ｊ］．ＡＳＭＥ：Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９２，１１４（４）：６４８￣５６．　［２２］　Ｚｈｅｎｇ　Ｌｉ，Ｋｌｅｉｎｓｔｒｅｕｅｒ　Ｃ，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｅ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ　ｔｒａｃｈｅｏｂｒｏｎｅｈｉａｌ　ａｉｗｒａｙｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｉｎｓｐｉｒａｔｏｒｙ　ｆｌｏｗ　ｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００７，３８（６）：６２５・　６４３．