真实人体气管二叉管内吸入颗粒的沉积特性研究

真实人体气管二叉管内吸入颗粒的沉积特性研究 真实人体气管二叉管内吸入颗粒的沉积特 性研究 第42卷第6期 2008年6月 浙江大学学报(工学 版)JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)Vo1.42No.6 Jun,2008 真实人体气管二叉管内吸入颗粒的沉积特性研究 林江,胡桂林,樊建人,岑可法 (1.浙江科技学院轻工学院,浙江杭州310023;2.浙江大学能源清洁利用国家重点 实验室,浙江杭州310027) 摘要:为研究不同粒径颗粒在气管二叉管内沉积的特性,利用图像辨识技术,直接 处理医学CT扫描得到的人体 呼吸道原始图像数据,重建得到一个真实人体气管支气管的三维几何模型;采用 大涡模拟的描述该复杂几何 结构内的气体流动,并在拉格朗曰框架下跟踪颗粒的运动轨迹.数值计算得到了 真实人体气管二叉管内的气体流 动速度,压力和颗粒沉积的局部分布.统计了不同呼吸强度(15L/min和45L/min)下不同大小(1,5和10vm)的 颗粒在不同部位沉积数,结果明,颗粒在主气管内的沉积占据了重要的地位,模 型的几何结构,颗粒的大小,颗粒 的重力和呼吸强度等因素综合影响了颗粒的局部沉积效果. 关键词:颗粒沉积;气管;二叉管;大涡模拟 中图分类号:TK121;X513文献标识码:A文章编 号:1008—973X(2008)06—0994—04 Studyonthedepositioncharacteristicsofinhaled particleinarealhumantracheabifurcation LINJiang,HUGui—lin,FANJian—ren,CENKe,fa (1.SchoolofLightIndustry,ZhejiangUniversityofSaerueandTechnolegy,Hangzhou310 023,China; 2.StateKeyLaboratoryofClearEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou31002 7,China) Abstract:Inordertoinvestigatetheparticledepositioncharacteristicsinthetracheabifurcat ion,areal three—dimensionalgeometryofhumantrachea—bronchiwasrebuiltbydirectlydealingwithoriginalCT (computertomography)scannedrespiratorytractimagesusingimagerecognitiontechnol ogy.Largeeddy simulationwasusedtodescribethegasflowintheobtainedcomplexgeometrystructureand theparticles weretracedintheLagrangianframe.Thevelocityandpressureofairflow,localdepositiono fparticlesin therealhumantracheabifurcationwerecomputed.Theregionalparticledepositionnumbe rsofdifferent diameters(1,5,10um)underdifferentrespiratorystrength(15and45L/min)werecounted. Theresults indicatethattheparticledepositionmajorlyoccursinthetrachea.Theregionaldepositionis comprehensively affectedbythegeometrystructureofmodel,particlediameter,gravity,respiratorystrength andSOon. Keywords:particledeposition;trachea;bifurcation;largeeddysimulation 大气中的悬浮小颗粒是大气污染的一大主要因 素,被人体吸入后可能会引起气管炎,支气管炎和肺 气肿等呼吸道疾病,用气雾剂方法治疗呼吸道疾病 由于所需药剂量大大减小,并且可很大程度地减小 患者的痛苦,已被国际医学界广泛地采用.因此,深 入了解颗粒在呼吸道内的运动和沉积规律,不仅可 以为有效防止呼吸道疾病,还可以为准确地将药物 投掷到患病部位提供可靠的理论参考依据. 迄今为止,国内外已有不少研究人员从事过有 关二叉管内气流和颗粒运动的计算流体力学模拟研 究.然而,大多数采用的是低雷诺数?模型[1],标 准,模型[3和RNG,模型等来[4描述气体流 收稿日期:2007一Ol—l3.浙江大学学报l工学版)网 址:WWW.j0urnals.zju.edu.cn/eng 基金项目:浙江省自然科学基金重点资助项目(Z505050);中国博士后基金资助 项目(2006391043);浙江省博士后基金资助项目(2006一bsD31) 作者简介:林江(1963一),女,浙江宁波人,博士,教授,从事气固多相流数值模拟等 方面的研究.E—mail:melinj@163.corn 第6期 / 林江,等:真实人体气管二叉管内吸入颗粒的沉积特性研究 动,在拉格朗日框架下跟踪颗粒运动[1],由于没有 用到更高精度的模型,无法获得流动和沉积的瞬时 情况.在计算域几何模型方面,以往大多数采用的是 weibelA气管一支气管对称性模型_4j,或根据CT 扫描得到气管结构特性参数,如夹角,长度和管径 等,然后用相应的圆柱体来简化构造的几何模型L5, 而直接利用真实人体数据重建的几何模型很少 有报道_6]. 本研究利用图像辨识技术,直接处理真人医学 CT扫描得到的原始数据图像,重建得到了一个真 实的,数据完整的人体气管支气管的三维几何模型; 并采用更为精确的大涡模拟方法求解气流和颗粒运 动,了不同大小颗粒和不同呼吸强度对管壁局 部沉积的影响. 1模型描述 1.1几何模型 采用图像辨识技术,提取重建得到的三维气管 支气管的真实人体高精确度几何模型如图1所示, 原始数据的详细扫描参数和细节参见文献[6].由于 分辨技术的局限,目前暂时只得到了0,2级气管, 今后研究的一个重点是通过更高精度的方法提取更 多级的气管.从图1可以看到,在以往的研究中所用 的圆柱体简化的模型与真实气管存在较大误差,真 实气管管壁呈现明显的凹凸细节,并且主气管呈现 弯曲,左支气管和右支气管明显不对称,右支气管的 偏角小于左支气管. (a)简化气管模型(b)cT扫描图像重构气管模型 !一一望 a.3x, 3xf. 3xj[c+(+)],c2 式中:p为流体的密度;t是时问;是流体的平均速 度;z为坐标方向;i,J一1,2,3;P是流体微元体上的 平均压力;为流体黏性;湍流黏性,采用Smago— rinsky亚格子模式模拟: 一 (C.?).IsI一?2sS,(3) 其中:?为网格特征尺度,S为滤波后湍流黏性应变 变化率张量,C是模型常量,本文中取0.1. 对于颗粒相可以考虑为稀相,忽略颗粒之间的 相互作用,单个颗粒的运动方程可表示如下: 警一c.,,)+ mg+1.6(f0)mdIU—iIl(4) 式中:.为颗粒的质量,d.为颗粒直径,为颗粒 的速度,Co是颗粒的阻力系数,g为重力加速度.方 程右边3项分别为颗粒受到的Stokes阻力,重力和 Saffman升力. 对方程(4)进行积分可得到颗粒运动速度,进一 步可由下式跟踪颗粒的位置: 孥一(5)出 1.3边界条件和计算方法 假设在人口气流流量为定值(呼吸强度不随时 间变化),人流速度方向为主气管人口平面法向.一 分钟呼吸15次,即一个呼吸周期为4S.支气管出口 为压力出口边界,压力为零,其余变量的梯度为零. 颗粒的投人速度和方向与人流气流相同,颗粒在与壁 面接触时记为沉积,不再进行下一步的跟踪计算,这 也和实际中大多数颗粒与气管壁相碰时的情况相符. 计算中使用2.5万,3.0万和3.5万左右的网 格进行测试,结果表明3.0万左右的计算结果可以 满足计算精度.气流速度和压力的耦合计算采 用SIMPLEC算法进行,每迭代计算10次流场进行 一 次颗粒的跟踪计算.时间步长为5ms. 图1气管一支气管几何模型 FJg.1G.metym.d中,气流基本上顺着轴线从主气管向支气管流,最后 从第2级支气管出口流出,进一步进入肺的深处.受 气管弯曲和复杂几何形状影响,主气管流动有冲击 管壁左侧的现象,由于分叉处是阻流面,也可以看到 气流冲击的现象.由于几何结构的非对称性,气流速 度在第1级左右支气管内分布明显不对称,速度值 在分叉后呈现先减小后增大,主要是由分叉后气管 总流通面积增大了,模型中速度最大值出现在第1 左支气管管径最小位置处.第2级右支气管出口的 气流速度大于相应的第2级左支气管的气流速度, 因此其气流量也占有相对更重要的地位. 图3为Q一45L/rain吸气终了时刻气管一支气 管内压力分布.由于主气管弯曲和气管表面的凸凹 不平,主气管内的压力分布就比较复杂:在分叉夹角 处的压力值大于周围管处的压力值,这主要是由于 该处为阻流面;压力的最小值出现在左支气管横截 面积最小的位置;右支气管的压力高于左支气管.除 在阻流面压力呈现由入口到出口逐渐下降的趋势. 图2气管一支气管内的速度矢量分布 Fig.2Velocityvectorintrachea—bronchia 图3Q=45L/min气管一支气管内的压力分布 Fig.3Pressuredistributionintracheabronehiaunder Q一45L/rain 2.2颗粒的运动沉积 图4为颗粒粒径为1,5和10iTI的颗粒在不同 呼吸强度Q一15L/min和Q一45L/rain时沉积在 (eJQ=41~/min85urn(t3Q4~/ming1” 图4颗粒沉积位置示意图 Fig.4Sketchmapof.particledepositionposiuon 管壁的位置图,颜色较深的颗粒表示沉积在前壁,颜 色较浅的颗粒表示沉积在后壁.从图可以看到,颗粒 的沉积具有明显的积聚性,即只是在一些区域有沉 积,而在某些区域基本上没有沉积发生;在各个工况 下,主气管开始段就有颗粒沉积,而且主气管的颗粒 沉积量比较明显这和利用WeibelA对称模型得到 的结果差别很大,主要是真实主气管几何结构的弯 曲导致颗粒很容易冲击管壁所致;此外,在主气管左 侧区域的颗粒沉积量明显小于右侧,特别是在主气 管一支气管分叉附近左侧管壁基本上没有颗粒沉积, 这一现象同样适用于与上一级支气管主轴偏角较大 的支气管分叉. 在第一级分又处,当Q一15L,/rain时小颗粒基 本上没有沉积(如图4(a),(b)),主要受气流黏性的 影响,而只有大颗粒(10m)在此有少量沉积(图4 (c)),此时重力和颗粒惯性的影响增大;相对而言, 当Q一45L/rain时,颗粒都有一定的沉积量,特别 是1m和10m的颗粒(图4(d),4(f)),受形状夹 角的影响,左右的沉积是有一定差异的.在第二级分 叉,各工况均有一定的颗粒沉积(图4),主要原因是 重力的方向与此时的管轴线夹角较大,此时颗粒主 要受惯性力和黏性力的影响,分叉处为阻流面,颗粒 a钙—D1I磊I 第6期林江,等:真实人体气管二叉管内吸入颗粒的沉积特性研究 容易在此处沉积.因此,颗粒的沉积受到几何形状, 呼吸强度,颗粒大小和重力等因素的共同影响. 为定量了解不同大小颗粒在不同呼吸强度下的 局部沉积情况,进行了区域划分的沉积颗粒数统计 分析.表1为颗粒在不同区域的沉积数,总喷人模型 的颗粒数为19200,区域划分如图5所示.可以发现, 图5区域划分示意图 Fig.5Partitionofcomputationdomain 颗粒的沉积在主气管占据了重要的位置,在8000 以上,最大达10765;而第一级分叉处沉积受到影响 因素较多,变化范围较大,从0到701,呼吸强度小 且颗粒粒径小的颗粒基本上不会在此沉积,只有粒 径大的颗粒会有少量沉积.相对于第二级分叉处(区 域4和8),颗粒在此都有很强的积聚沉积效应,主 要受阻流交叉面的影响为主,其中区域4从460到 953变化,区域8从394到1340变化.区域3的沉 积在101371大颗粒小呼吸强度时沉积很大,主要是 由于此时重力和惯性力占主导,而黏性力的影响小 得多,相应的小颗粒重力和惯性力的作用相对于黏 性力的影响优势不明显.对于大呼吸强度,黏性力的 效应增强,因此,颗粒大小的影响相对小得多.而在 区域7,当小呼吸强度时,小颗粒和大颗粒的沉积数 多,而中等大小的颗粒沉积数相对较少;当大呼吸强 度时,颗粒越大,颗粒的沉积越明显. 表1局部区域颗粒沉积数 Tab.1Particledepositionnumberinregionaldomain duringbreathingcycleEJ].JournalofAerosolScience, 3结语oo,3.:一1539. 本文从医学CT扫描得到的原始图片出发,重 构了一个真实人体气管一支气管的三维几何模型,采 用大涡模拟方法计算得到了气流场的三维分布,以 及颗粒的沉积局部分布情况,统计分析了不同呼吸 强度下不同大小的颗粒在模型中不同区域内的沉积 情况.结果表明颗粒在气管壁的沉积受几何形状,呼 吸强度,颗粒大小和重力等因素综合影响.研究结果 可为进一步分析气雾剂颗粒大小对治病效果和精确 定位提供可靠的依据. 参考文献(References): r门ZHAN0Z,KLEINSTREUERC,KIMCS.Gas—solid phaseflowinatriplebifurcationlungairwaymode TWO— [J].InternationalJournalofMultiphaseFlow,2002, 28:1021—1046. 『-2]MOSKALA,GRADONL.Temporaryandspatialdep— ositionofaerosolparticlesintheupperhumanairways [3]曾敏捷,胡桂林,樊建人.微颗粒在人体上呼吸道中运动 沉积的数值模拟EJ].浙江大学学报:工学版,2006,40 (7):1164—1167. ZENGMin-:ie,HUGui-lin,FANJian-ren.Numerical simulationotmicroparticlemovememand,depositionin humanupperrespi’ratory~racrEJ].JournalofZhejiang University:EngineeringScience,2006,4O(7):1164— 1167. - 4]MATIDAEA,FINLAYWH,LANGECF.Improved numericalsimulationofaerosoldepositioninanidealized mouth-throatEJ].JournalofAerosolScience,2004,35: 119. [5]NOwAKN,KAKADEP,ANNAPRAOADAA. Computationalfluiddynamlcssimulationofairflowand aerosoldepositioninhumanlungs[J].AnnalsofBio— medicalEngineering,2003,31:374—390. [6]林江,胡桂林,樊建人.细颗粒在气管二叉管内运动的 大涡模拟[G]//多相流学术年会论文集.重庆:中国工 程热物理学会,2006:586—590.