基于计算流体动力学的人体气道内空气流动研究

发布时间：2017-05-01 15:01

  本文关键词：基于计算流体动力学的人体气道内空气流动研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：气道是人类机体与外界环境之间气体交换所必须的通道,理解生理和病理状态下的气道的通气功能具有重要科学与临床意义。目前,利用多排CT,一次屏气扫描即可获得全肺高分辨率薄层解剖结构图像。然而,多排CT获取的气道结构数据无法明确反映高级生理(通气)功能。计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)是一种利用计算机和离散化求解流体力学问题的方法,可用于研究空气在人体气道中的流动情况。本文利用CFD方法研究了人体气道内的空气流动。首先,构建了理想、三维、二分叉、对称气道树模型,研究了模型中的速度和压力分布,考察了相似比、分叉角度和支气管平面翻转角度对空气流动的影响。然后,针对4名左肺动脉吊带(Left pulmonary artery sling, LPAS)患者,从CT图像中提取气管和主支气管,建立结构模型,根据体重和入口面积确定个性化的入口流速,从而计算出LPAS患者气管和支气管中的空气流速、壁面压力、壁面剪切应力的分布。另外,利用单向流固耦合方法,研究了流动作用下LPAS患者气道壁面的变形和应力分布。最后,基于CT图像提取的多级气道(128个出口)结构模型,研究了瞬态情况下的空气流动。主要结果包括：(1)在理想气道树模型中速度和压力分布一般是对称的,但从第四级支气管开始不均匀；内下支气管内的流速小于外上支气管；改变分叉角度和支气管平面翻转角将提高压降。(2)对于LPAS患者,由于气管和(或)主支气管的狭窄,压降可达78.9-914.5 Pa,远远高于正常控制受检者(0.7 Pa)；左右主支气管的质量流量比与出口面积不相关,可能的原因是C形气管便于空气流入左主支气管(在惯性力的作用下)；与正常对照相比,LPAS患者气道中的速度、壁面压力和壁面剪切应力分布更加不均匀,在狭窄处可观察到高流速、低壁面压力和高壁面剪切应力。(3)LPAS患者气道的壁面变形和等效应力是正常对照者的50-900和90-100倍,气管移动的方向与气管形状有关,与净支反力相反；速度和壁面厚度对变形和应力的影响是非线性的。(4)对于本研究中的健康对象,气道中各时相流线都比较光滑顺畅,没有发现明显涡流；气道通气效率非常高。吸气相的最大压降等于22.85 Pa,呼气相的最大压降等于7.59 Pa；壁面压力分布相对均匀,但吸气相和呼气相的规律不同；壁面剪切应力非常小,在吸气相和呼气相的峰值基本相等,约为3.02 Pa；吸气相和呼气相中气体混合的模式不同；吸气相流量百分数与呼气相流量百分数相差不大,与各肺叶体积比成正比。可见,基于CT影像提取的气道结构模型结合个体化的入口边界条件,CFD可以提供更多关于气道内空气流动的定量化信息,包括速度、压降、壁面压力、壁面剪切应力、气道壁面变形等。这些定量化信息将能帮助人们认识生理和病理情况下的气道通气功能,通过与结构信息相关联,从而揭示不同呼吸道疾病的发病机理。
【关键词】：CT 计算流体动力学 气道 气流
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R816.4
【目录】：

• 中文摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 人体肺部和气道的结构与功能12-13
• 1.1.1 肺部结构与功能12
• 1.1.2 气道的结构与功能12-13
• 1.2 计算流体动力学13-23
• 1.2.1 CFD简介13-14
• 1.2.2 CFD流程14-15
• 1.2.3 流体控制方程15-17
• 1.2.4 流体计算方法17-18
• 1.2.5 求解算法18-23
• 1.3 研究现状23
• 1.4 本文研究内容23-25
• 第2章 理想化的6级气道树空气动力学仿真分析25-32
• 2.1 概述25
• 2.2 引言25-26
• 2.3 模型和方法26-28
• 2.3.1 理想几何模型26
• 2.3.2 网格划分26-27
• 2.3.3 求解过程27-28
• 2.4 结果与讨论28-30
• 2.4.1 速度和压力28-29
• 2.4.2 参数的影响29-30
• 2.5 结论30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 LAPS患者的空气动力学仿真分析32-46
• 3.1 概述32
• 3.2 引言32-33
• 3.3 数据和方法33-35
• 3.3.1 数据33
• 3.3.2 方法33-34
• 3.3.3 模拟计算34-35
• 3.4 结果35-42
• 3.4.1 结构特征,压降及主流量35-38
• 3.4.2 壁面压力,速度和壁面剪切应力38-42
• 3.5 讨论42-44
• 3.6 结论44-45
• 3.7 本章小结45-46
• 第4章 LAPS的流体固耦合分析46-55
• 4.1 概述46
• 4.2 引言46-48
• 4.2.1 流固耦合的控制方程47
• 4.2.2 流固耦合求解方法47-48
• 4.3 数据和方法48-49
• 4.4 求解过程49
• 4.5 结果49-53
• 4.5.1 流速49-50
• 4.5.2 壁面变形和应力变化50-51
• 4.5.3 反作用力51
• 4.5.4 入口流速,壁厚和杨氏模量对流动的影响51-53
• 4.6 讨论53
• 4.7 结论53-54
• 4.8 本章小结54-55
• 第5章 人体气道树内空气流动的瞬态动力学仿真55-68
• 5.1 数据和方法55-57
• 5.1.1 数据55
• 5.1.2 方法55-57
• 5.2 结果分析与讨论57-66
• 5.2.1 不同时相流动速度、壁面压力和壁面剪切应力57-60
• 5.2.2 气体混合机理与各肺叶流量分布60-63
• 5.2.3 主要参数在不同时相的变化63-64
• 5.2.4 不同时相、不同截面上的流动速度分布64-66
• 5.3 结论66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第6章 总结与展望68-72
• 6.1 总结68-70
• 6.2 展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-78
• 攻读学位期间学术成果78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 齐守良;岳勇;朱辰坤;郭启勇;;一种人体气道树快速自动提取算法的设计[J];东北大学学报(自然科学版);2013年02期

  本文关键词：基于计算流体动力学的人体气道内空气流动研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：339102