文摘

肺泡地区,包括数以百万计的肺泡,肺是最重要的一部分。然而,气流行为和粒子沉积在该地区并不完全理解,因为复杂的几何结构和复杂的运动。尽管近期调查使用3 d计算机模拟提供了一些有价值的信息,一个现实的大气粒子动力学分析腺泡的地区仍然缺乏。所以,为了获得更好的物理洞察力,生理上的启发整个腺泡的模型已经被开发。具体地说,气囊(即。,alveoli) were attached as partial spheroids to the bifurcating airway ducts, while breathing-related wall deformation was included to simulate actual alveolar expansion and contraction. Current model predictions confirm previous notions that the location of the alveoli greatly influences the alveolar flow pattern, with recirculating flow dominant in the proximal lung region. In the midalveolar lung generations, the intensity of the recirculating flow inside alveoli decreases while radial flow increases. In the distal alveolar region, the flow pattern is completely radial. The micron/submicron particle simulation results, employing the Euler–Lagrange modeling approach, indicate that deposition depends on the inhalation conditions and particle size. Specifically, the particle deposition rate in the alveolar region increases with higher inhalation tidal volume and particle diameter. Compared to previous acinar models, the present system takes into account the entire acinar region, including both partially alveolated respiratory bronchioles as well the fully alveolated distal airways and alveolar sacs. In addition, the alveolar expansion and contraction have been calculated based on physiological breathing conditions which make it easy to compare and validate model results with in vivo lung deposition measurements. Thus, the current work can be readily incorporated into human whole-lung airway models to simulate/predict the flow dynamics of toxic or therapeutic aerosols.

1。介绍

肺泡地区包括数以百万计的肺泡专门设计允许在正常呼吸过程中有效的气体扩散(1]。流动行为和粒子沉积在肺泡地区还没有完全理解,因为复杂的几何结构(2,3]。理解流和粒子的行为是很重要的,因为吸入肺泡地区气溶胶沉积在肺泡可以导致严重的肺部疾病(4- - - - - -6]。治疗药物的目标(7,8),预测气流和颗粒沉积在肺泡地区是必要的治疗肺部疾病以及drug-aerosol系统性地区转移。

尽管肺腺泡的地区是最至关重要的部分,只有有限的信息是可用的关于其几何,因为它无法理解。电流限制在获得这些微米结构的详细图片也限制详细的流体质点动力学研究[5,9]。类似于导电区域,腺泡的地区由重复分叉肺泡管和肺泡周围安排管道(10,11]。每个肺泡可以近似为一个球体状的杯(12),与一个开放气道,紧密围绕肺泡导管为了优化肺泡表面积(11]。这些肺泡隔着薄薄一层叫做隔组织含有大量的血管(10]。几项研究已经使用肺投分析腺泡的几何结构,和报道肺泡拓扑变化从研究研究1,10- - - - - -14]。最近,微x射线计算机断层扫描(ct机)已经被用于研究形态和几何结构的啮齿动物肺腺泡的航空公司(14,15]。腺泡的航空公司的三维(3 d)重建高分辨率CT图像显示肺泡拓扑的不规则性质但相似球状拓扑结构(13]。肺泡的多边形空间结构也提出几项研究[4,16- - - - - -19]。然而,随着这些囊的形状,很难评估的分岔特性肺泡管,它可能无法复制部分蜂窝状的过渡呼吸细支气管。此外,最近的研究表明,肺泡的拓扑特性可能不是重要的在远端航空和囊17,20.]。

传统上一直认为肺泡低雷诺数流动区域是完全可逆的。然而,这种假设在丸吸入后重新检验的实验Heyder et al。21]中显示,不可逆转的对流混合存在于周围肺气道。这可能会导致高粒子沉积的吸入肺部深处。尽管证据显示腺泡的气流的对流混合,这些体内实验无法提供详细的信息关于轨迹和当地沉积粒子在亚毫米肺泡结构。作为一种替代方法,数值分析,基于简化的肺泡配置,仍然强调突出的肺泡地区流动特性,包括再循环和混沌混合(22]。这些早期研究结果再次证实了基于附加实验和数值结果5,13,23,24]。然而,它仍然是不清楚的肺泡结构微级变化呼吸(25]。几种解释提出了解释机制;然而,不存在共识26]。常见的假设是以下:(1)各向同性球状肺泡的扩张;(2)扩张形状交替变化;(3)招聘和derecruitment肺泡;(4)各向异性折叠-就像形状变化(27,28]。研究指出,变形肺泡主要为肺容积的变化,虽然航空和管道的变形有明显降低的影响(29日]。

除了气流,几项研究已经表明,粒子运输和沉积在肺泡航空公司影响肺泡壁运动(30.,31日),主要是影响亚微米粒子(32]。在这些调查,发现肺泡中的粒子沉积模式主要是异构;然而,肺泡入口环粒子沉积的重要网站(32,33]。同样,异质粒子沉积在管道和肺泡壁在多代分叉肺泡模型(34,35]。然而,集中粒子沉积在分岔脊发现,显示肺泡气管分叉的意义(36- - - - - -38]。最近,3 d空间肺泡模型用于肺泡气道模拟(4,5,17,20.,39- - - - - -41]。肺泡航空公司都使用重复开发的空间多面体单元假设等于肺泡和互连的面孔形成肺泡导管中删除。大多数的模拟进行了假设均匀通风在肺泡;然而,各向异性通风由于异构肺泡壁扩张也可能导致肺泡流的混沌性质(39]。尽管三维空间的多面体模型可以适应多个蜂窝状的导管,这些模型不能解释气道分岔的变化。此外,这些模型没有预测显示整个肺腺泡的沉积;因此,他们没有注册研究沉积在全部肺模型中,除了Khajeh-Hosseini-Dalasm和最长的(41]。台最近,微流控芯片实验室的模型腺泡的一代已经开发研究肺泡的有节奏的运动,以及它对肺泡的影响流型和粒子运输(42,43]。初步结果显示流线交叉粒子由于重力和扩散的主要影响,导致特定站点沉积根据粒子大小。

本研究的目的是开发一个完整的人类腺泡的气道模型来模拟和分析微米/亚微米粒子运输/沉积在这些低肺气道。当前的腺泡的模型模拟了inhalation-exhalation过程,即。,肺泡的扩张和收缩运动。因此,它可以复制所有生理呼吸模式。此外,当前的综合模型考虑了每个气道代肺泡组织的动态变化。特别有趣的是肺泡壁变形之间的相互作用和粒子沉积由于重力和二次流。正如前面提到的,全面的腺泡的模型可以方便地纳入人类全部肺气道模型来模拟/预测吸入有毒的命运或治疗气溶胶。

2。方法

2.1。几何模型

综合腺泡的模型,球形肺泡被附加到三分岔单位(TBUs),在肺泡分离的最小距离,以便扩张,代表独立的肺泡(图的隔膜1)。肺泡的球形,汉森的选择是基于观察和Ampaya12)和哈丁和罗宾逊(13]。的圆柱投影腔用于锚管的球形肺泡。最后的肺泡有3/4球体的形状。部分球体与颈部任意组装管道,使肺泡表面的脖子打开管。一个小窝可以用四个参数来描述:肺泡半径(AR),颈部半径(NR)、肺泡深度(D),管道直径(DD)(图1(e))。几何形态学研究假设验证了使用人类肺和图像(图1(b) -1(e)) ((13])。一般来说,初始维度(时间t= 0,或者功能余气量(FRC))肺泡给出的表1(44]。根据吸入条件,肺泡半径和肺泡深度可能随时间变化;然而,肺泡的脖子和气道管被认为是刚性的。这种假设是基于先前的调查指出,在浅呼吸条件下,变形肺泡主要为肺容积的变化,虽然航空和管道的变形的肺泡(相比要小得多29日]。每个模型的管道直径是基于扩展韦贝尔的对称肺癌模型。肺泡的大小并没有随代;然而,管道直径的变化与肺一代被认为是数量。此外,每个肺泡的变形范围取决于气道的一代数量,导致肺泡大小的变化对气道的一代。这些肺泡设计进一步修改的三分岔单位(TBUs)为了代表肺泡气道代于16至18日和19日至21日。双分支单元(DBU)被用来代表气道代22和23个。这个设计的腺泡的航空公司遵循对称的两个分支结构在许多报道lung-cast研究[10,11,45,46]。第一个TBU表示部分蜂窝状的呼吸或过渡的航空公司。关于管道尺寸和细节给出了每一代的肺泡数量(44]。而不是使用单独的肺泡,quasispherical肺泡(封闭囊)是用来表示一代23。23的总量^{理查德·道金斯}代是守恒模型中通过创建一个部分球体与一代相同的总量23(即。与17个肺泡管)。此前报道,在终端肺泡航空,肺泡的界定是不明显,即。他们,而形成集群,从而降低表面区域。此外,最近的研究报道更大尺寸的终端肺泡(47]。最后组装人类人类肺腺泡和图像如图1。在之前的分析之后,每一代只有一个TBU建模和19 - 21世代TBU DBU的22日至23日被安装在一个门店的上一代48- - - - - -50]。

2.2。壁运动和边界条件

肺泡表面的壁运动成立,这样呼吸机制由于负面肺泡压力也可以复制。肺泡是假定变形各向同性的。,balloon-like with preserving shape, while the deformation rates determine the inhalation and exhalation flow rates [26,27,29日]。体积的增加或减少的肺泡产生压差或分别由空气中,允许任何现实的仿真波形。根据流速,肺泡的变形向量估计出所需的体积变化。例如,从最初的功能余气量体积的增加(FRC)可以使用以下方程: 在哪里在FRC肺泡体积,f的体积分数是球冠代表一个小窝(f= 0.75)和肺泡囊(f= 0.97)微分体积的增加是由于径向扩张 。

假设的对称的两个分支结构肺,吸入流量通过任何一代将口腔入口的流量测量的数量除以一代航空公司。这可以表示如下: 在哪里是在口腔入口质量流量,质量流量通过气道的一代吗 , 是在口腔入口体积流率,通过气道体积流率的一代吗 。

如前所述,通过肺泡生成气流速率变形和变形速率随当地TBU。肺泡的总数是84,182年,25岁,在TBU 4月16月19 - 21日,22日和23日分别及其对应的每TBU肺泡体积分数为0.03,0.25,0.27和0.45。肺泡在每个TBU变形为了生产的一小部分口腔吸入流量等于总的流量乘以TBU肺泡体积分数。这可以在数学上使用 在哪里的瞬时体积TBU在任何时间吗t,在FRC TBU的体积,然后呢气道产生的体积吗 。内的肺泡体积分数TBU表示使用比例 。

此外,单个肺泡壁变形可以估计分数除以体积流率每TBU TBU的肺泡的数量。瞬时流量在一个特定的肺一代对于任何给定的吸入条件可以预先确定的,因此相应的肺泡变形可以估计通过求解方程(3) 。图1(f)显示肺容积的变化对一个呼吸周期以及对应的径向位移向量在每个肺肺泡代。呼吸条件包括15升分钟的流量,吸入段2 s,和一个相应的潮汐卷(电视)的500毫升。肺泡被建模的收缩后的反向路径扩展卷原始FRC卷在一个相同的应变率,假设各向同性体积膨胀/收缩,即。微不足道的几何磁滞。

在先前的研究,有节奏的膨胀和收缩的肺在本质上是假定为几何自相似的(19]。表面活性剂的存在还能帮助肺泡扩张和收缩以同样的速度。液体表面张力的控制表面活性剂和非线性弹性的肺组织禁止肺泡的扩张超越一个特定的半径(51]。为了复制肺泡的生理呼吸运动,肺泡的变形限制在一个指定半径增加肺泡。这最后一个半径估计基于自相似性的假设。平均成人FRC的3000毫升和6000毫升的肺活量,增加最大肺泡半径估计初始半径的0.26倍(图1(f))。肺泡膨胀测量值与假定的近距离值(26]。是非常难以衡量的应力-应变关系的肺泡在不同水平的通货膨胀。非线性动力学和肺泡组织液体衬层和肺泡内表面活性剂的存在可能会限制后肺泡壁初始的拉伸扩张(52]。所以,在目前的研究中,这种效应被假设在500毫升的潮汐模拟卷,膨胀率减少到一半由于strain-stiffening生物组织。一旦肺泡变形达到了最大容量,肺泡的利率远代23增加比例,以满足所需的全部吸入流量。类似的行为已经注意到在从over-distended肺泡与重新分配数量减少合规大肺泡(26,53]。

2.3。数值方法

我们之前后,通过实验验证的流体质点动力学建模(49],肺泡流体流动模拟是解决三维n - s方程对移动网格使用一个非定常不可压缩层流解决user-enhanced商业CF-PD包(排名,版本从ANSYS 15, Inc .);Canonsburg, PA)。粒子运输是使用拉格朗日方法建模假设稀释粒子悬浮。每个粒子的主要力拖动(Schiller-Naumann阻力系数)和重力(54]。微米粒子的区域沉积在人类航空公司可以量化的沉积分数(DF):

为了减少计算所需的努力和资源模拟完整的牙槽模型,每个独立TBU / DBU模拟。在进口这些TBUs / DBUs,开放,即。,夹带,应用边界条件。开放边界条件,应用恒压,将允许在两个方向上流动。它将确保生理呼吸机制(空气被吸在灵感和空气被推在过期)是执行。墙变形向量(取决于当地TBU / DBU)是应用于肺泡表面,其余的气道壁被假定为刚性。TBUs的出口,质量流量边界条件执行的方式出口流量问_D由于肺泡壁运动和流量问_一个在一起导致进气流量问_G(即。,flow rate per generation). The no-slip boundary condition was invoked at the wall boundaries (duct and alveoli) so that the fluid velocity matches with the wall velocity at the fluid wall interface. User-defined CFX Expression Language (CEL) functions were used to apply the wall deformation vector. In order to study the effects of inhalation and exhalation conditions on alveolar flow pattern, transient breathing profile with constant oral inhalation flow rates were assumed. Simulations were conducted for rest (15 LPM) breathing conditions with inhalation periods of 2 s and 4 s, corresponding to tidal volumes (TVs) of 500 ml and 1000 ml (Figure1(f))。一个简单的呼吸波形被选为了比较模型的预测与实验数据集在quasiconstant科目吸入和呼出气流率。很明显,通过控制肺泡壁位移,可以模拟任何吸入波形,这意味着该模型能够模拟实际的呼吸模式。

几何模型网状利用ANSYS的ICEM, Inc . (Canonsburg, PA)。流体域的一代人蜂窝状的模型和TBUs离散使用四面体元素有三棱柱层。棱柱层添加了准确捕捉附近墙上的梯度,而DBU流体域仅由四面体元素。网格收敛性研究,以确保电网独立结果通过比较在不同横截面速度以及区域粒子沉积的价值观。增加1.5倍的元素数量显示,只有不到1%的这些结果的差异。最后一代人网,single-alveolated和multialveolated模型有100 k和280 k元素而TBUs有200万个元素。为了避免大元素变形导致负体积,用于23粗网格^{理查德·道金斯}的一代。DBU的最终网有400 k元素。

颗粒均匀分布在进口一个初始速度是一样的进气速度。(即出口测量。,particle distributions) from the upper TBU outlets were exported at each time step to become the inlet condition for the next generation TBU, and the process was continued for all TBUs/DBU attached later on. During the exhalation phase, particle tracking starts from the suspended position at the end of inspiration, while the particles exiting the TBUs or DBUs were randomly injected into one of the outlets of the upper TBU, i.e., the outlets of the parent unit are considered as a single-injection plane from which the exited particles are reinjected. 20,000 particles per second were injected at the inlet of TBU 16–18. Particles were assumed to deposit on the walls on contact. Increasing the number of particles by a factor of 2 showed less than a 2% difference in the total acinar deposition results.

3所示。结果与讨论

3.1。肺泡流型

气流通过一个蜂窝状的管的有节奏的扩张和收缩速度取决于肺泡。流模式通过不同代的TBUs 16 - 19 - 21 TBUs, DBUs 22日至23日在吸入吸入流量的15升分钟图所示2。放大视图肺泡内流流线和速度矢量也显示出来。结果表明,空气肺泡的近端肺泡航空公司强烈循环大大降低速度相比,管流。因此,只有很小一部分的管流进入肺泡;然而,剪切流生成再循环的肺泡口地区在肺泡腔。周围肺泡管的存在与肺泡拉力产生的肺泡壁运动产生的挠度少量的管道流入肺泡腔。在近端肺泡航空,肺泡腔的大小管直径相比要少得多。因此,管道空气进入肺泡的数量也较低。然而,TBUs内循环流强度的变化被发现。一个如图2,肺泡内的速度矢量在一代17显示了旋转流而流的肺泡内代18展品混合radial-recirculating流场。这是由于降低了剪切流管道。随着代数量的增加,流除以一半进而通过管道,因此减少了剪切流循环肺泡流,从而增加了径流进入肺泡。19 - 21 TBUs流特征表明,肺泡内的循环流的强度下降,而径向流正在增加。因此,内流代21个主要是径向的肺泡。因此,预期的传质远端肺肺泡管将增加几代人。在DBUs -肺泡内的流型是完全径向。肺泡囊扩张模型代表一代23产生更大比例的吸入流量进入肺部,这样流入肺泡囊完全径向。这些远端肺的雷诺数区域的假定吸入流量下15升分钟很低;因此,它可以假定流拟定的。 The flow characteristics during exhalation were almost identical to the inhalation phase, other than that the direction of the flow was reversed. At the distal generations, the radial flow was directed from the alveolar cavity into the duct. Similarly, the direction of the recirculating flow in the proximal alveolar cavities was reversed with the change in phase. During the flow reversal from inhalation to exhalation, unsteady flow characteristics were not evident which may be due to the low inhalation flow rate.

3.2。粒子运输和沉积

轨迹的粒子直径2μ米到10μm是使用完整的腺泡的模型模拟。重力是假定的负面的z方向(图1)。粒子沉积在吸入阶段结果如图3。粒子沉积显著影响粒子的大小和潮汐卷。沉积分数粒度和潮气量增加。有一个指数lower-micron-size粒子沉积增加,随着粒径的增加5以上μ米,沉积的增加减少。除了2μ米,超过50%的粒子沉积在吸入阶段本身。尽管总沉积趋势显示与粒径增加,节段沉积不同的气道代。与粒径粒子沉积增加近端肺泡地区(代16 - 18),增加了微米颗粒大小较低,与上层微米颗粒大小和减少midalveolar地区,但减少颗粒大小在远端肺泡地区。结果还表明,随着潮汐体积的增加,越来越多的粒子被拖入远端肺气道,因此这些远端肺代的沉积增加。沉积粒子的数量高于midalveolar航空公司比其他气道代。近端肺泡地区沉积(代16 - 18)是恒定的,对所有的吸入条件考虑。结果表明,粒子沉积的增加与吸入潮气量的增加主要是由于沉积在远端增加肺泡航空公司。

在呼气阶段的粒子沉积的结果如图所示4。沉积分数降低粒径和体积与潮汐变化不大。吸入阶段相反,在呼气相粒子沉积高midalveolar航空公司和远端肺泡航空公司。Lower-micron-sized粒子有更高的沉积和远端航空中期,当较大的微米颗粒沉积在近端航空公司本身。这可以归因于更高的暂停微米粒子在近端大航空公司。这些悬浮粒子主要是颗粒被吸入吸入在最后阶段。由于吸入流量低,他们到达midalveolar航空公司,在呼气,这些粒子倾向于存款的近端肺泡航空公司由于沉积。类似于吸入阶段,低微米粒子的数量到达远端与潮气量,因此航空公司增加沉积在这些航空公司。

的位置3μ米粒子在指定时间和流量水平在吸气和呼气阶段15升分钟和潮汐卷1000毫升如图5。粒子是在进口在吸入阶段,不断注入和粒子跟踪,直到他们被沉积或呼出。多数粒子的迁移与管流在传输通过降低肺代。粒子前0.2秒内到达二级TBU;然而,由于流速降低,1 s后粒子渗透到DBU面前。粒子的运输和沉积明显受重力的影响。代数量的增加,更多的粒子被发现进入肺泡腔面向在重力的方向向量。随着时间的推移,少量的粒子被发现进入肺泡的近端。这些粒子主要是注射接近低气道表面增加了机会进入肺泡。很明显,从图,在吸入潮气量的增加,更多的颗粒倾向于到达远端肺泡代。 The 3 μ米particle-front达到19代在0.15秒,而5μm particle-front花更少的时间达到相同的一代。这是由于引力就越高。在呼气阶段,粒子被拉回上肺代。粒子出现肺泡内退出是由于肺泡的收缩运动。然而,粒子的轨迹在吸入呼出相比是不同的,由于重力的影响。地心引力在呼气阶段导致了粒子的粒子居留时间增加,因此沉积分数更高。

3.3。总腺泡的沉积与体内测量和比较

总粒子沉积在一个完整的呼吸周期结果绘制在图6(一)。留在固体悬浮颗粒物的数量在第一吸入周期总数的3.75%粒子注入2μm和小于0.05%为其他粒子大小。很明显的结果,潮气量的增加和/或颗粒直径的增加将导致更高的沉积在腺泡的模型。

考虑extra-thoracic和气管支气管的地区的沉积,肺泡地区粒子沉积分数可以近似的模型预测沉积使用关系 。根据这些报道体内测量(55extra-thoracic地区沉积分数)( ),气管支气管的区域( )(平均实验extra-thoracic地区沉积值( ),气管支气管的区域( )报告(55]),空气的体积分数来休息在肺泡地区( ),和目前的模型预测沉积 ,我们翻译的模型预测沉积 ,DF肺泡地区。这DF值比较与实验测量牙槽沉积(图6 (b))[55,56]。模型预测沉积结果遵循类似的趋势,与体内肺泡沉积测量协议(55]。轻微的肺泡overprediction沉积上微米粒径范围(约10μ米)可以是低估的,因为体内粒子沉积在上呼吸道。其他体内测量显示更高的沉积和大型主题变化上大约10微米粒子μm extra-thoracic和气管支气管的沉积(56]。考虑到测量人类肺泡之间存在显著的主体间变异性沉积数据(56),目前的模型提供了很好的近似人类腺泡的地区的沉积。

沉积粒子的位置在综合肺泡模型吸入1000毫升的潮汐卷图所示7。结果表明,大部分的粒子沉积在重力矢量的方向和沉积主要是本地化的粒子进入肺泡开放在重力的方向向量。的沉积趋势3μ米和5μ米粒子是相似的。

正如前面提到的,完整的腺泡的模型开发的这项研究是一个解剖学上启发人类肺泡模型肺航空公司代表八代,使用蜂窝状的分支管状模型,模拟一个完整的人类腺泡的地区。其中,第一个三代部分蜂窝状的肺气道,剩下的完全蜂窝状的。在目前的腺泡模型中,每个三分岔的肺泡数量单位(TBU)是84年,182年,25岁,在16和4月19 - 21日,22日,23日,分别。TBU之一是每级建模与质量流量边界条件在未解决的途径。具体地说,在腺泡的模型有一个TBU代表代16 - 22日至23日DBUs 8月19 - 21日TBUs,六十四。因此,肺泡腺泡模型的总数是3396。在对称的肺模型中,将会有2¹⁵类似的腺泡,这将导致超过1.11亿肺泡肺在目前的模型。如果17个人肺泡23^{理查德·道金斯}代,表示为一个球体被认为是,将会有7492肺泡腺泡的模型。对于对称肺模型,将会有超过2.45亿肺泡肺。这些数字是在近距离最近的估计总数的肺泡在人类的肺1]。最近的数值研究利用多基因肺泡模型(41)表明,最小数量的完全蜂窝状的航空公司(通常是三个)可以预测现实的粒子沉积的结果,即,添加额外的代总腺泡的沉积影响可以忽略不计。因此,当前的模型是合理准确代表一个完整的腺泡的模型,同时计算效率。在这项研究中,我们使用的比率肺泡流在口腔气流入口,等于每一代的部分肺泡体积。这种方法便于当前腺泡的模型合并到人类全部肺气道模型,来模拟/预测吸入有毒的命运或治疗气溶胶(48]。

前代肺泡模型假定均匀肺泡气道变形而不考虑应变率的变化与生成和肺泡数量的每一代(19,35,41]。模型从目前的研究结果表明,肺泡流随气道生成和吸入流量。肺泡的位置决定了alveolus-wall变形速率和对流混合的数量。肺泡变形速率在当前模型依赖于通过TBUs质量流率和每个TBU肺泡体积分数。因此,当前模型捕获数量发电肺泡与气道流动特性的变化对每一代的肺泡数量。

粒子沉积位置突出主要沉积在肺泡气道分岔。虽然沉积是占主导地位的机制影响粒子沉积在腺泡的地区,粒子沉积的沉积趋势表明热点在分岔脊重力的方向取向。在重力方向目前的研究是固定的,最近的调查(41)表明,重力方向的总腺泡的沉积是独立的;然而,沉积热点受到它的影响35]。

模型结果表明,光微米粒子在2μm是不完全驱逐了在一个吸入周期和每个吸入周期后,悬浮粒子可能达到更深层次的轴向位置,而重粒子(≥3μ米)倾向于存款或一个吸入周期内退出。剩下的数量的粒子悬浮在气道模型的第一个吸入周期是大约3.75%的总粒子注入2μm和小于0.05%为其他粒子大小。正如所料,粒子的数量仍然悬浮在域粒径增加和减少吸入潮汐卷(19,35]。这表明一旦smaller-micron-sized粒子到达肺泡地区,它可能不是完全驱逐出在一个吸入周期和它可能仍然在更长时期内提供更高的粒子停留时间。这些结果是有价值的见解为靶向治疗气溶胶远端肺区域。

4所示。结论

全面、生理激发腺泡的模型可以有效地模拟了生理呼吸机制,可以预测当地肺泡流型和粒子沉积的变化。仿真结果表明,肺泡流模式取决于肺泡的位置。主要循环流动结构注意到近端肺代肺泡内,而循环流的强度增加而径向流减少midalveolar肺代。在远端肺泡,气流完全径向。粒子模拟结果表明,微球沉积取决于吸入条件和颗粒大小。粒子沉积速率增加高吸入肺泡地区潮汐卷和粒子直径。当潮气量增加,更多的颗粒被拉到远端肺气道,因此这些远端肺代的沉积增加。无论潮气量、粒子沉积在近端部分肺泡地区(即。,generations 16 to 18) is constant, and the number of particles deposited is higher in the midalveolar airways compared to other airway generations. Contrary to the deposition results during the inhalation phase, particle deposition during exhalation is higher when the tidal volume is lower. This can be attributed to the large number of suspended particles depositing during the exhalation phase in the upper alveolar airways. The key mechanism for micron particle deposition in the alveolar lung airways is due to gravitational effects. However, the interplay between the breathing-induced wall motion and sedimentation significantly increases particle deposition.

5。模型的局限性和未来的工作

会议的主要目标是开发一个预测建模框架和提供计算机仿真结果大气粒子流动的生理激发了整个腺泡的模型。目前,只有一个TBU水平平面,即。连接下一个阶段时,它是旋转。然而,它已经注意到重力矢量的取向影响沉积热点;因此,可能需要更详细的分析研究当地的影响气道取向对粒子沉积的重力向量。而相对较大的运输和沉积纳米颗粒可以适应目前的模型,将专注于纳米粒子与一个单独的分析d_p< 100海里的全部肺气道仿真项目。有许多不确定性肺泡管生物力学,例如,最近的研究指出,肺泡变形是各向异性26]。因此,进一步的分析需要考虑颈部和管道各向异性变形。此外,模拟不同的吸入条件考虑主题变化资料将在未来进行呼吸。

本研究的局限性包括对称的假设肺泡航空公司以及肺泡的形状和大小。尽管人类lung-cast和组织研究表明,存在牙槽尺寸和拓扑结构的变化(11,12),最近的调查表明,这些变化在肺泡拓扑可能不会显著影响远肺泡粒子运输(30.];然而,它可能是重要的上牙槽航空公司(17,20.]。的确,用适当的修改这样的肺泡拓扑结构和规模的变化可能被纳入当前的腺泡的模型。肺泡的结构性变化仍在辩论中。达到一个统一的假设,需要进一步的调查。此外,我们将建立在当前的建模框架研究的影响叶的腺泡的沉积量,使用比例模型代表不同肺叶。一个单独的分析也将专注于肺癌病理条件的影响,如肺气肿、肺泡气流动力学和颗粒沉积。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者报告没有利益冲突。

确认

作者欣然承认使用ANSYS, Inc . (Canonsburg, PA)软件,基于NCSU-ANSYS专业的合作伙伴关系。