通过流体 - 结构相互作用分析吸入人气通风中的应力和流动特性

抽象的

更好地理解人类气道中的应力和流动特性对于许多临床应用是非常重要的，如气溶胶药物治疗、吸入毒理学和气道重塑过程。选择基于ICRP气管-支气管模型的第3 ~ 5代气道的分岔几何模型，分析了气道在吸入过程中的流动特性和应力。建立计算模型，研究气道组织弹性对气道应力和流动特性的影响。采用流固耦合分析的有限元方法，研究了吸气过程中气道内流动特性和应力的瞬态响应。模拟结果表明，组织柔韧性对最大风速、气道压力和壁面剪切应力的影响分别为2%、7%和6%左右。模拟结果还表明，各向异性和各向同性材料模型对气道应力的差异在25-52%范围内。本研究结果表明，将正交异性组织特性纳入气道流动特性和应力的计算模型中是非常重要的。

1.介绍

人类呼吸气道中的流动特性对于研究从气溶胶药物治疗到吸入毒理学以及气道中的气体交换的许多应用中的颗粒运输非常重要。由于即使在子宫中，由于气氛都是复杂的机械环境，更好地了解对气道的压力和菌株以及它们对航道的影响也很重要。这种复杂的机械环境继续影响和改变健康和患病的成熟气道[1］．已经开发了许多体内和体外模型来研究机械应力对气道的影响。这些模型的结果表明，高峰气道压力导致气道散，细胞因子炎症介质的水平增加[2那3.］．此外，高气道压力会导致气道上皮层厚度增加[4.那5.］．由于在真实环境中很难通过实验测量气流特性(气流速度、气道压力和壁面剪切应力)和气道应力，因此计算模型可以提供有用的气道流动特性和应力信息。

许多研究人员已经开发出计算模型来研究气道中的气流和颗粒沉积[6.-12.，包括呼吸道疾病的影响，例如肿瘤[6.-10.]，哮喘[11.]，狭窄[13.]和慢性阻塞性肺疾病(COPD) [12.那14.］．肉体形状的影响[15.]及软骨环[16.还研究了。然而，假设气道的刚性并且不能从气流中的流体力变形或扩散，因此开发了这些模型。通常，气道是柔性的，并且由许多软组织组成。它们也可以在吸入期间的气流扩张[17.］．文献综述表明，目前还没有考虑气道组织柔韧性对气道流动和组织特性影响的计算模型。

在本研究中，采用流体 - 结构相互作用（FSI）分析以及有限元方法来研究吸入期间气道中的流动特性和应力分布。正交性和各向同性材料模型均用于代表气道灵活地研究气道中的应力分布。还比较了流体分析和FSI分析之间的结果。

2.材料和方法

通过求解具有边界条件的两组耦合控制方程，研究了吸气过程中气流与气道的瞬态相互作用。气流和气道的控制方程简述如下。

2.1。气流的控制方程

瞬态气流的控制方程是在移动网格上的Navier-Stokes方程，假设不可压缩的流量。这些方程管辖群众和动量保护原则，并使用爱因斯坦重复指数公约进行了描述[18.］．

质量守恒定律 动量守恒 在这些方程,表示移动网格位置，是公制张镜确定转换，即局​​部计算控制量大小，是流体密度，流体压力，是流体粘度，和是流体速度。

２.２.航空控制方程

吸入过程中气道运动的控制方程是随时间变化的结构方程，下面使用爱因斯坦的重复指数约定描述[19.］．

运动方程 构成关系 在上式中，是每个方向上的应力，身体力量，是密度，和位移,弹性张量是多少是每个方向的应变。

２.３.计算方法

流体压力对结构的影响是显著的，特别是如果结构是灵活的，如人类气道。有限元软件ANSYS [20.的方法来求解流固耦合问题。通过连续求解气流和气道的控制方程，可以得到流固耦合问题的求解方法。在每个时间步长，算法首先求解气流方程，得到流体压力。然后利用流体压力作为外力求解气道方程的位移。再次求解气流方程，得到气道位移改变流体边界后的流体压力。这个循环一直持续到每个时间段的流体压力和气道置换收敛为止(见图)1)．

２.４.计算域

这项研究主要集中在气道代3至5上有两个原因。首先，这些气道在与近代相比时，这些气道几代人具有较少的软骨板和无环;因此，气道可以被认为是平滑的[21.］．其次，这些气道的直径不会随肺体积的函数而改变，但取决于空气通道的透气压力[17.］．第3代至第5代气道几何尺寸(见图)2）在本研究中使用的是基于ICRP [22.每一代的气管支气管几何形状和气道厚度均基于Habib等人的测量结果[23.］．分叉的分叉角为70^°基于Horsfield和Cumming的形态学[24.］．对应的分岔的几何直径、长度和厚度如表所示1．该模型的表面几何形状基于由Heistracher和Hofmann建议的生理学现实的分叉（PRB）模型构建[25.］．这种双分支几何结构之前在Longest和Vinchurkar的一项研究中实现了[26.]，该评价过渡和湍流流动对刚性气道中粒子沉积的影响。

2.5。计算模型和边界条件

在ANSYS中建立了分岔的计算域[20.］．由于对称性，只构造了一半的域。固体域是有限厚度的气道，流体域是气道内空气的体积。固体元素，BRICK45 [20.，表示固体域，流体单元FLUID142 [20.[用于代表流体结构域。采用结构六面向网格来提供高质量的气流解决方案，如最长和vinchurkar所示[27.[Vinchurkar和最长[28.］．在固体和流体结构域对啮合独立性研究进行，以确认已经使用足够的元素来表示固体和流体域。最大压力和速度的变化用作流体结构域的收敛标准，并且最大位移和von误胁迫的变化用作固体结构域的收敛标准。当这些标准的变化小于4％时获得了融合模型。进行了网状独立性研究，与赵和利伯的实验相比，来自气道生成4的有限元模型的气流速度[29.］．在模拟和实验结果之间获得了良好的一致性[30.］．数字3.显示了进一步用于预测应力分布分析的收敛网格。

流体域的入口边界条件为正常吸入时的波形[31.］．将相应的压力施加在流体结构域的出口处[32.]（见图4.)．假设空气的性质是27岁的人^°C.假设气道具有密度为1365.6千克/米的均匀材料^3.[33.]，杨氏度的弹性模量在130.89kPa的纵向方向上的弹性模量[34.]，周长杨氏弹性模量为74.07 kPa [35.，泊松比为0.45 [35.］．在固体结构域的两个入口和出口上施加零位移边界条件，以表示来自其他组织和器官的气道的束[36.］．在流体 - 结构界面中定义了无滑动边界条件（见图3.)．

2.6。方法的分析

本研究计算了气流速度、气道压力和气道应力。吸入过程中气道的压力来自流体剪切力和气道压力。吸入过程中的流体剪切力在气道表面产生壁面剪切应力(WSS)。WSS是由流体粘度引起的壁面切向应力，与横向速度梯度有关[37.］．相反，气道压力作用在正常方向上的气道中，横跨气道的厚度产生应力。来自气道压力的应力是全部的正常和剪切应力分布。在这项研究中，通过纵向和莫斯应力分析了气道中的应力分布。Von Mises应力是所有方向的平均压力，并且与扭曲材料的形状有关。如果von误解压力大于其屈服强度，则任何材料都会屈服[38.］．

分析了气道组织灵活性对流动速度，气道压力和WSS的影响，假设气道是刚性或柔性的。对于刚性模型，仅在流体域上进行分析。在这种情况下的分叉像刚性管一样，不能通过气流的流体力变形;因此，气道没有压力。对于灵活的模型，对液体和固体结构域进行分析。在这种情况下的分叉作为柔性管，其可以通过来自气流的流体力而变形。因此，在该分析中考虑了气道中的应力。FSI分析[20.为柔性模型实现。

为了研究组织柔性对气道应力分布的影响，采用正交各向同性和各向同性材料模型进行了模拟。对于正交各向异性材料模型，在本节中描述了气道的特性2.5.被使用了。与正交材料模型相比，杨氏弹性模量为130.89 kpa [34.，泊松比为0.45 [35.]用于各向同性材料模型。

3.结果与讨论

对于柔性模型的气流速度，气道压力，WSS，纵向应力和Von误声应胁迫的分布仅具有正向材料模型作为柔性和刚性模型的分布类似。还讨论了组织柔韧性对气流速度，气道压力和WSS的影响以及材料模型对纵向和莫斯应力的影响。

3.1。气流速度

气流峰值时气道内的流速分布如图所示5.．峰值气流期间的最大气流速度为3.692米/秒。整个G3的高气流速度。G4的内侧侧的气流速度高于G4的侧面，因为分叉后的次流动向G4的内侧侧移动。G3和G4的气流速度是对称的;但是G5中的速度配置文件不对称。由于G4的内侧侧的高气流速度，分支G5M中的气流速度高于分支G5L中的气流速度。

3.2。气道压力和von mises压力

在峰值气流时气道压力和von Mises应力的分布如图所示6.．峰值气流时最大气道压力为−3.209 Pa。在G3开始和分叉处观察到高气道压力。撞击第一个分支的气流比撞击第二个分支的气流有更大的动量(更高的速度)，因此撞击G3和G4第一个分支时的压力比撞击G4和G5第二次分支时的压力高约2倍。由气道压力引起的气道von Mises应力在G3和分支开始时较高。G5M分支的von Mises应力高于G5L分支。峰值气流时的最大von Mises应力为1142 Pa。

3.3。墙面剪切应力（WSS）和纵向应力

在峰值气流期间气道和气道纵向应力的壁剪切应力（WSS）的分布如图所示7.．WSS最大值为0.4185 Pa，出现在分叉处，因为这些位置的速度梯度最高。G4内侧WSS高于G4外侧WSS, G5M WSS高于G5L。当将高WSS的位置与Longest和Vinchurkar先前研究的粒子沉积位置进行比较时[26.，我们可以看到粒子沉积在高WSS位置(见图)8.)．气道中由气道压力引起的纵向应力在WSS高的地方被观察到较高。峰值气流时的最大纵向应力为−1497 Pa。纵向应力的负值表明气流峰值时气道长度减小。

3．4．组织灵活性的影响

数字9.显示在吸入期间组织柔性对气流速度，气道压力和WSS的影响。从该图可以看出，组织柔性影响每个流动特征到不同程度。气道压力和WSS受组织柔性的显着影响。气流速度，气道压力和WSS的柔性和刚性模型之间的最大差异分别为2％，7％和6％。柔性模型的气流速度高于前0.9秒的刚性模型，因为由于气道内的负压引起的气道。然而，柔性模型的气流速度低于最后0.9秒的刚性模型，因为气道由于气道内的正压而扩增。来自柔性模型的气道压力低于在整个吸入过程中的刚性模型的压力。气道组织的运动降低了气道压力，并且在峰值气流中的柔性和刚性模型之间的最大差异是最高的。与刚性墙壁相关的气道压力的增加表明，气道的人们，例如老年人[39.或哮喘患者[40在正常的吸入过程中会经历较高的气道压力。组织灵活性降低WSS在前0.9秒;然而，它在最后0.9秒增加了WSS。本研究中组织灵活性对WSS的影响与Leung等人之前对腹主动脉瘤(AAA)的研究结果相似[41.和Torii等人[42.还有斯科蒂和菲诺[43.］．它们的结果表明，组织柔韧性可以增加或减少WSS，对AAA几何体积的影响高度依赖于WSS。

3．5．材料模型的影响

数字10.显示了材料模型对纵向和von误解应力的影响。从正交材料模型的纵向应力低于整个吸入的各向同性材料模型，因为各向同性材料模型比正交材料模型更硬。两种材料模型之间的纵向应力的差异在22-52％的范围内。观察到两种材料模型之间的差异在峰值气流附近最低。从正交材料模型的von误判压力高于前0.9秒的各向同性材料模型的压力;然而，来自正交材料模型的von误判压力低于过去0.9秒的各向同性材料模型的压力。Von Mises压力的两种材料模型之间的差异在25-28％的范围内。在峰值气流附近观察到最大差异。

4.限制

在这项研究中，气道几何形状基于理想化的ICRP [22.]对称模型。然而，由Horsfield等人的研究。[44.显示气道直径和分支气道不对称。此外，本研究假设气道的材料特性是线性的。Ito等人的研究[45.和Smith等人[46.表明气道具有粘弹性特性和非线性动力学行为。需要进一步研究气道直径、分支角和气道特性对气道内流动特性和应力的影响。

5。结论

在本研究中，使用具有FSI算法的有限元方法，在本研究中分析了气道一代3至5内的气流速度，气道压力，WSS和应力。进行分析以研究吸入期间组织柔性和材料模型对气道中的流动特性和应力的影响。仿真结果表明，组织柔韧性降低了气道压力和改变的气流速度和WSS。仿真结果还表明，气道的材料模型显着影响了气道的应力。本研究的结果突出了将组织柔性以及正交性能掺入的重要性，以实现用于研究气道中的流动特性和应力的计算模型。

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