文摘
本研究旨在探讨结构和功能改变的影响在严重哮喘粒子沉积,利用计算流体动力学(CFD)模型。气道几何模型两个健康受试者和两个严重的哮喘病患者是从计算机断层扫描(CT)图像重建的。科目的流量边界条件获得的图像配准占地区严重的哮喘病患者的功能改变。过渡的大涡模拟(LES)模型和湍流流动应用于模拟气流,然后粒子运输模拟执行2.5,5、10μ米粒子使用CFD-predicted流场。与健康受试者相比,严重的哮喘病患者有一个较小的风量降低叶和一个更大的风量的变化改变上部叶。这两个严重的哮喘病患者小气道循环(Cr),但其中一人有一个显著减少水力直径()。在严重的哮喘病患者,上部叶的大风量变化导致更多的粒子上叶,尤其是小的2.5μ米粒子。结构变化来衡量Cr和与更高的粒子沉积有关。被发现是最重要的指标影响的具体位置粒子沉积。这项研究表明CT-based的关系结构和功能改变与流和质点动力学严重哮喘。
1。介绍
哮喘是病态的特征结合表型的气流阻塞,支气管高反应性和气道炎症1]。然而,哮喘的结构和功能变化如何影响流动结构和粒子沉积仍有待调查。成像研究哮喘,通风缺陷和气道结构变化研究了利用核磁共振影像(MRI),正电子发射断层扫描(PET)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT) [2- - - - - -4]。此外,通过定量ct (QCT)成像,几项研究[5- - - - - -8)具有显著的改变如减少气道直径以及增加壁厚和空气滞留。尽管QCT可以提供结构测量航空节段航空公司(~ 2毫米),量化的本地功能变量仍然是有限的。
图像配准技术已经被匹配的图像利用提供功能信息在不同的通胀水平(9]。登记derived-variables验证是通过比较通风地图来自不同成像模式(10]。此外,这种技术已经显示出优势当描述病变的肺功能变化11,12]。例如,一项研究使用这项技术来区分气道与实质表型在慢性阻塞性肺疾病(COPD) (11]。我们最近表明,体积变化严重的哮喘肺是优先小基底附近地区和较小的体积变化与风量变化补偿在顶端区域(12]。我们还表明,严重的哮喘病患者的特点是减少气道直径和非圆形状,与健康和长程哮喘病患者(13]。
计算流体动力学(CFD)技术已被用于分析流动特性和粒子口供在人类肺(14]。关于哮喘肺的CFD模拟,研究[15]显示改变粒子的口供与哮喘哮喘发作之前和之后,和另一项研究16]在一秒用力呼气量(FEV相关1支气管扩张剂之前和之后),CFD-based阻力。然而,他们两人对抛物线速度概要气管区域和统一的压力边界条件QCT-resolved结束分支,根据Reynolds-averaged n - s方程(跑)模型或层流假设。Heenan et al。17)和Jayaraju et al。18)CFD模拟使用了模型与实验结果相比,结论提供了不准确的预测流结构和粒子沉积。另一方面,最长et al。19和田等。20.)表明,低雷诺数号码- - - - - -近似与壁面修正改善粒子沉积的预测。有5个哮喘病患者,Vinchurkar et al。21)也表现出良好的气溶胶交付协议之间的成像进行CFD方法和体内实验数据。与此同时,支持者et al。22)表明,肺叶的分布风量变化的SPECT和QCT之间是一致的,所以他们都强调科目的CFD模拟中边界条件的重要性。
本研究的主要目的是调查严重哮喘肺的功能和结构变化如何影响流动结构和粒子口供。本研究进一步评价临床应用CFD的本地化热点。根据我们现有的以人群为基础的分析(8,12,13),严重的哮喘病患者的特点是移位的大叶性风量变化从较低的叶上部叶,减少气道循环(Cr),减少水力直径()。繁殖区域风量变化时,我们采用图像配准技术科目的边界条件。接下来,以反映与气道等特性Cr和 ,我们使用一个曲面拟合方法从1 d骨架3 d CT-resolved航空公司(23]。然后我们进行计算流体质点动力学模拟来获得当地的粒度分布和沉积。实现的主要目标,在本研究中三个主要组件(1)繁殖区域风量变化,(2)量化与气道功能,和(3)量化本地粒子分布和沉积。
2。方法
2.1。人类被试
成像研究和协议获取QCT图像在肺活量(TLC)和功能余气量(FRC)批准的机构审查委员会(IRB)匹兹堡大学的多中心严重哮喘研究计划的一部分(SARP) [24]。四个人类受试者使用在这项研究中,其中两个受试者健康和两个受试者被严重的哮喘(表1)。通过GE螺旋CT图像被vct - 64片扫描切片厚度为0.625毫米。主要用于定义标准包括严重哮喘与口服皮质类固醇和大剂量吸入糖皮质激素治疗,除了一些微小的标准(24]。至少一个主要和两个小标准都要求列为严重哮喘患者。CT扫描获得在仰卧位,和3 d, 1 d骨架,肺,和叶分段使用阿波罗软件(维达诊断,珊瑚镇,爱荷华州)。
2.2。流模拟和边界条件
过滤后的连续性和不可压缩n - s方程阅读 在哪里 , , , ,和过滤速度矢量、流体密度、过滤压力、流体运动粘度和subgrid-scale湍流涡粘性(25),分别。采用大涡模拟(LES)模型来解决laminar-transitional-turbulent流在中央航空公司。的属性和设置为1.12公斤/米3和1.64×105米2分别/ s。特有的伽辽金有限元法(26)是采用离散化(1)和(1 b)。一个温和steady-inspiratory流量为3.27×104米3/ s(≈20升/分钟)实施的进口条件,是相当于正弦波形的峰值流量与潮汐卷500毫升,一段4.8秒。雷诺数(Re)气管范围从1300年到1700年在给定的流量和个人气管大小两个健康和两个严重的哮喘患者。
图1(一)显示了一个流程图从图像分割和注册一个现实的CFD模拟。首先,图像配准技术(9)是用来估计当地的风量变化之间的薄层色谱和FRC在肺实质(上面一行),和一维(1 d)中心线(CL)获得的树结构体积填充法(27)桥梁三维(3 d)解决结束分支和肺实质(中间行)。风量变化以实质是总结CT-resolved结束分支来估算区域流量比率。流量比率,抛物线的速度基本上是强加在CT结束分支。最后,一个曲面拟合方法(23]连同Gmesh [28)是用来适应初始CL-based 3 d表面几何CT-segmented气道表面和构造一个CL-CT-based气道几何模型(底下一行)。由此产生的模型捕获与气道等特性Cr和 。在这一步中,我们创建了一个合成的动荡29日]正上方声门的狭隘的地区,因为SARP研究[24)没有收集口咽扫描。最大紊流强度和涡流大小被设置为0.29和8毫米,分别模拟湍流流动CFD模拟中发现与口咽30.]。元素的数量范围从3.9到500万4例。时间步长为5.0×10−6s (h 1 h 2, SA - 1)和3.0×10−6被选出的年代(SA) 2)满足Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)数量小于1。
(一)
(b)
2.3。结构指标与气溶胶交付
Cr和可以与气流和颗粒交付直接相关。在这项研究中,我们测量了结构指标在31节段航空(图1 (b))。Cr是计算评估气道截面的椭圆度形状如下: 在哪里和平均直径和周长的气道。是计算如下: ,在哪里是气道的横截面积。接下来,为了评估气道狭窄的程度,是计算如下:
请注意,Cr减少气道腔变成椭圆形,减少气道狭窄占主导地位。Cr和减少严重哮喘患者与健康受试者相比,在以人群为基础的比较13]。在这项研究中,Cr减少在严重哮喘患者(SA) 1和SA 2),但是只有减少严重的哮喘(SA) 2)。结果,所带来的影响Cr和对粒子进行交付。
2.4。粒子模拟
比较粒子分布和沉积的特点,如制药气溶胶在健康受试者和严重的哮喘病患者,粒子运输使用LES-predicted气流场进行了分析。准稳定的气流场2.4年代的收集,例如,400数据集×0.006 s,初始2.4秒后气流字段。粒子模拟,拉格朗日粒子跟踪算法(31日)采用跟踪粒子轨迹如下: 在哪里 , ,和粒子速度、粒子密度和重力加速度。方程中,斯托克斯数(Stk)定义如下: 在哪里问,d, , ,和α分公司的流量、颗粒直径、流体动力学粘度,坎宁安的校正因子,分别和粒子与粒子之间的相互作用的因素。粒子传输模拟的详细描述可以发现在30.]。粒子模拟的开头,球形粒子均匀分布在一个圆柱体的半径10毫米的深度在气管进口4毫米。然后他们被释放9不同时期获得粒子沉积的统计平均值。粒子的数量设置为10000,三个不同的球形颗粒大小的2.5,5、10μm是选择在这个研究。气溶胶的大小选择使用干粉吸入器与一般的悬浮颗粒的分布(DPI)和软雾吸入器(重度)32]。这是调查气溶胶大小和气道结构之间的关系。粒子密度和平均自由程为1000公斤/米3和68海里。“粒子分布”、“沉积”,“海面”叶被定义为“粒子进入每个叶”,“那些存入3 d段每个叶”,和“那些退出3 d结束每个叶的树枝不存入3 d段”,分别。
3所示。结果
3.1。肺功能测试(击球)
表1显示了人口以及击球——和CT-based测量。支气管扩张剂进行健康受试者和严重的哮喘病患者获得最大肺功能,和CT扫描后获得支气管扩张剂因为SARP研究的目的是评估肺功能稳定的哮喘(33]。首先,基线和最大FEV1在两个健康受试者和FVC %预测值接近正常范围(~ 100%预测)。相比之下,FEV底线1%的预测值SA 1(34%)和SA) 2(40%)远小于正常范围(≥80%)。最大FEV1%(~ 46%)的股价预测价值2还是低甚至与支气管扩张剂。在同一个主题,最大FVC %预报值非常接近正常范围,导致FEV显著降低1/ FVC (38%)。因此,FEV底线1%的预测值SA 1和SA 2小值,但SA 1(38%的肺功能)相对比SA可逆2 (6%)。根据基线和最大击球,SA 2可能是重要的气道狭窄尽管支气管扩张剂,而航空公司1可能扩张支气管扩张剂的援助。
3.2。CT-Based结构和功能特点
我们比较结构的数量Cr和在两个健康受试者和两个严重哮喘患者(图2)。图2(一个)显示,Cr两个严重的哮喘病患者减少两名健康受试者相比。例如,Cr气管、元TriRUL、RLL7 RB6 RB9 + 10, LMB两个严重的哮喘病患者偏离这些相同的呼吸道健康受试者的片段。SA 1和SA 2都显著降低Cr,但只有SA 2展示了小得多的与海关1相比,h 2, SA在CT-resolved航空(图12 (b)),这也反映在击球时在postbronchodilator测量。减少的影响Cr以人民币和TriRUL评估之间的“商品1,HS 2”和“SA 1, SA 2”。接下来,狭隘的部门对粒子沉积的影响主要是评估与SA) 2。此外,SA 1和SA 2的特点是减少风量变化降低上肺、肺以及高风量变化与健康受试者相比,被量化的风量变化上叶在中低叶风量变化,也就是说, (图3)。
(一)
(b)
3.3。区域体积变化与粒度分布
鉴于区域风量变化,粒子分布评估三个不同大小的粒子(图3)。2.5μ米粒子, (上部叶的粒子分布比中下游叶)的比例接近风量变化( ),因为小颗粒可能会跟随气流流线。接下来,随着粒径的增加下降部分原因是颗粒的惯性效应可以很容易地沿着流向低叶。总的来说,SA 1和SA 2有增加粒子分布上叶与HS 1和HS 2相比,符合风量变化的蚀变分布在严重的哮喘患者。此外,粒子分布上叶严重哮喘患者与减少颗粒大小变得更明显。
3.4。循环和粒子沉积
在和TriRUL区域(图元1 (b)粒子口供相比),我们两个健康受试者没有椭圆形状和两个严重的哮喘病患者椭圆形状,因为SA 1和SA 2表现出显著下降Cr在人民币和TriRUL(表2)。选择的两个严重哮喘患者(83°和88°)也有类似的分岔角度两个健康受试者(90°和91°)元,预计类似的粒子口供Stk数量的相同范围。在表2,SA的TriRUL 1是最大的四个主题之一,但是略小于1 HS和HS 2由于减少了Cr。图4(一)显示了SA的增加粒子沉积在TriRUL 1和SA 2,与海关1和HS 2在同一Stk的父分支(元)。注意,比较基于同一Stk进行了数字控制流量的影响和气道狭窄。图5在TriRUL也显示粒子沉积的分布。因此,增加粒子沉积在严重的哮喘病患者可能是由于减少气道Cr。
(一)
(b)
(c)
(一)
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3.5。收缩与粒子沉积
粒子沉积效率基于Stk的树枝数字,女儿RB9 + 10的分支和LB10数据绘制4 (b)和4 (c),分别。图6(一)(约RB9 + 10)和图6 (b)(约LB10)显示粒子口供SA 2缩小和椭圆形的航空公司。与海关1相比,h 2, SA 1, Stk增加SA 2由于气道狭窄,因为Stk成正比 与给定流量(见(5))。在5μ米粒子,粒子沉积效率达到60%和90%,RB9 + 10 LB10,分别。10μ米粒子,粒子沉积达到100%;因此大型粒子不能通风除了这些航空公司。这些结果表明,粒子沉积会非常敏感,减少气道直径由于气道收缩(参见数据6(一)和6 (b))。我们进一步研究了流动结构、壁面切应力和压降LB10(图6 (c))。在这种气道,constriction-induced射流,更高的壁面切应力和大压降同时观察到。
(一)
(b)
(c)
4所示。讨论
我们先前的研究[8,12)表明,风量变化较小的降低叶,较大的上部叶严重哮喘患者与健康受试者相比。此外,严重的哮喘病患者被较小的结构特征Cr和 。在这项研究中,我们集中在结构和功能改变的影响在严重的哮喘病患者粒子口供温和的吸气流动条件下(~ 20升/分钟)。这两个严重哮喘患者肺功能改变表现为大 比两个健康受试者。两山1和SA 2小%预测值在基线肺功能和显示小Cr,而只有SA 2主题小%最大肺功能和显示较小的预测在CT-resolved地区。这个观察暗示支气管扩张剂可以帮助恢复缩小了航空公司,但它可能不会恢复非圆形气道形状。这强调的重要性研究气道形状除了气道直径粒子交付。在这项研究中,SA 1和SA 2是用来评估的影响Cr对粒子沉积,SA 2是用来评估的影响对粒子沉积。
首先,调查的特点对吸入粒子沉积在严重哮喘患者重要药品(21,34),空气中的细菌,或空气污染物。叶的小颗粒的分布与风量分布(图是相一致的3)。随着粒子大小、粒子的交付来降低叶可能会增加,因为增加大粒子的惯性效应。当目标与治疗的气溶胶,理解粒子分布的机制将是至关重要的。例如,如果降低大叶性支气管需要针对一些特定的主题,相对较大的气溶胶应该治疗。然而,一个还应该考虑尺寸的有针对性的分支,因为更大的气溶胶不能送到小航空公司更高的一代。
我们之前发现严重哮喘患者Cr元是小得多的13),所以我们调查的影响小Cr对粒子沉积。Stk相同和类似的分岔角元,粒子的口供SA 1和SA 2在TriRUL大于健康受试者,这可能归因于小Cr。与小气道结构Cr可能增加的敏感性细菌炎症由于粒子沉积,这可能会增加气道壁厚。而SA 1和SA 2展示了小Cr,只有SA 2狭隘的航空公司,尤其是在较低的叶。粒子沉积效率的功能 基于Stk的数字,给定的流量。换句话说,气道收缩可能是最重要的结构特点与增加粒子沉积效率。因此,如果航空公司长期限制在一个主题,这个主题可能增加污染物的暴露,因此进一步降低气道直径以及气道炎症。机制在气道收缩、壁面切应力、压降、和粒子沉积可能是强耦合,描述图6 (c)。首先,constriction-induced高速创造高壁剪切应力与速度梯度在墙上。大的压降是需要克服大壁剪切应力。此外,constriction-induced高速度可能会导致增加粒子沉积由于粒子嵌入在狭隘的父母和女儿分支(数字6(一)和6 (b))。因此,高速度和小的可能导致大量Stk(见(5),导致增加了粒子沉积。
在这项研究中,我们只研究了两个健康受试者和两个严重的哮喘病患者,可以防止统计可靠性,因此CFD-based人口研究是必要的。然而,执行许多CFD模拟获得正态分布计算昂贵。我们最近进行了CT成像进行聚类分析,发现临床有意义的子组(35]。自聚类成员使用气道结构和肺功能,每个集群结构类似的气道和肺功能。我们相信这种方法使用聚类分析可能减少了样本的数量通过过渡intercluster研究主体研究的兴趣。在这项研究中,我们对气管相同的流量入口,由于缺乏科目的流量信息。如果科目的流量测量,我们将进一步改善健康受试者和严重的哮喘病患者之间的比较。此外,我们最近研究气道阻力与对称分支角度为吸气和呼气(20代36]。介绍了实证气道阻力模型来估计由于动能和粘性耗散压降。然而,我们还没有讨论气道阻力在这项研究中,因为航空公司的数量是有限的调查气道阻力。在未来,与现实的严重哮喘患者的气道阻力的研究多尺度航空公司将是可取的。
总之,我们应用一个高保真CFD模型结合CT图像气道模型来研究粒子沉积在健康和严重哮喘肺。图像配准技术的帮助下,与生理realistic-flow边界条件推导出基于风量区别两个肺CT图像相同的人类。像预期的那样从流量分布,粒子分布上叶在严重的哮喘病患者大,相对于健康受试者。使用更小的微粒时这一现象更加突出。在健康受试者和严重的哮喘病患者,随着粒子大小、粒子分布更向低叶的地区由于惯性效应。改变的气道Cr和被发现与粒子沉积有关。用同样的Stk、减少Cr增加粒子沉积。另一方面,减少了极大的提升了Stk,导致更大的沉积效率。狭隘的航空公司为高壁剪切应力,压降升高,显著增加粒子沉积。得出 ,铬、和应当仔细考虑目标与气溶胶。
信息披露
初步结果目前的手稿被描述成一个抽象在以下链接:http://meetings.aps.org/Meeting/DFD14/Session/E15.1。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢Drs。埃里克·霍夫曼,莎莉E文策尔和崔Jiwoong协助成像数据采集和分析。计算时间是由XSEDE和由国家超级计算和网络/韩国科学技术信息研究所的超级计算资源包括技术支持(ksc - 2017 s1 - 0021)。这项研究是由国家卫生研究院的基金支持部分U01 HL114494, R01 HL094315, S10 RR022421和部分基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部(NRF - 2017 r1d1a1b03034157)。