m a s t e rd i s s e r t a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ep a r t i c l et r a n s p o r ta n d d e p o s i t i o ni nh u m a n t r a c h e o b r o n c h i a l a i r w a y s a p p l i c a n t ：q 墜堅i ：y 望望 m a j o r ：e 塾g i 衛(wèi)星皇i 墜g ! 塾竺堡壘! 塾y 墨i 璺 s u p e r v i s o r ：! ：q ! 壘墨璺q 墜竺望2q i ：照q 望g a s s o c i a t e dp r o f e s s o rl i uw e i w e i s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 1 s c h o o lo f e n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 26m 4 5m腫ji9iijl哪y 原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不 包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我 共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在論文中作了明確的說明。 作者簽名：逛至么日期：_ 二邊l 年上月上日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文， 允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時授權(quán)中國科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫， 并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。 作者躲蛆聊簽名摯吼業(yè)年肛日 摘要 流行病學(xué)研究結(jié)果表明，大氣環(huán)境中顆粒物濃度增加與呼吸系統(tǒng) 及心腦血管等疾病的入院率及死亡率密切相關(guān)。毒理學(xué)研究表明，通 過呼吸作用進入人體的顆粒物通過一系列行為( 沉積、吸收等) 對人體 健康產(chǎn)生影響。在呼吸系統(tǒng)內(nèi)的沉積是顆粒物對人體健康產(chǎn)生影響的 前提，且顆粒物在肺部的沉積越深，產(chǎn)生的危害就越大?？梢?，研究 顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)傳輸與沉積對于定量研究顆粒物的暴露風(fēng)險 和劑量健康效應(yīng)非常重要。另外，對呼吸系統(tǒng)等疾病的治療，目前最 有發(fā)展前途的方法是吸入式治療法。而如何使吸入式藥物顆粒盡可能 多地到達這類疾病患者的病變部位，以提高吸入式療法的治療效果， 是目前研究顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)傳輸與沉積重要目的之一。 本文建立了三種呼吸道模型：( 1 ) g 3 g 6 級健康共面支氣管模型， ( 2 ) g 3 一g 6 級非共面支氣管模型，( 3 ) g 3 g 6 級阻塞支氣管模型。通過 數(shù)值模擬來研究其內(nèi)流場及顆粒物運動規(guī)律。分別采用歐拉法和拉格 朗日法來研究空氣流動與顆粒物運動，其控制方程分別為三維穩(wěn)態(tài) n s 方程和牛頓第二定律方程。選擇雷諾數(shù)、顆粒物粒徑以及沉積機 理作為顆粒物沉積的主要影響因素，通過計算得出模型中空氣流場的 分布特性和顆粒物沉積規(guī)律。通過改變這些影響因素來計算三種模型 內(nèi)流場與顆粒物沉積形態(tài)的變化特點，從而得到這三種模型結(jié)構(gòu)對流 場和顆粒物沉積特性的影響規(guī)律。 研究表明，主流和二次流對顆粒物的沉積形態(tài)有很大的影響；不 同粒徑顆粒物沉積效率隨雷諾數(shù)的變化趨勢不同，沉積機理也有所不 同；顆粒物在三種模型內(nèi)的沉積效率隨雷諾數(shù)以及粒徑變化的趨勢比 較一致；受結(jié)構(gòu)的影響，三種模型內(nèi)流場的分布不同，顆粒物的局部 沉積形態(tài)也不一樣；阻寒性呼吸道疾病患者在采用吸入式治療時，當(dāng) 呼吸速率比較低時，不利于顆粒藥物的靶向傳輸，但有利于降低患病 部位對顆粒污染物的暴露風(fēng)險，而當(dāng)呼吸速率比較高時，顆粒藥物的 粒徑越大靶向性越好，且存在一個粒徑使得顆粒藥物的靶向傳輸最好。 關(guān)鍵詞可吸入顆粒物，c f d ，g 3 g 6 模型，顆粒藥物傳輸 a bs t r a c t a c c o r d i n gt oe p i d e m i o l o g i c a ls t u d y , t h ei n c r e a s e o fa i r b o r n e p a r t i c l e p o l l u t i o ni sh i g h l ya s s o c i a t e dw i t ht h ei n c r e a s eo f o c c u r r e n c ea n dm o r t a l i t yo f p u l m o n a r ya n dc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e s p u l m o n a r yt o x i c o l o g ys h o w st h a tt h e i n h a l e dp a r t i c l e sc a nd oh a r mt oh u m a nh e a l t hb ys e r i e so fb e h a v i o r s ，s u c ha s d e p o s i t i o na n da b s o r p t i o n h u m a nr e s p i r a t o r ys y s t e m i st h em a i nw a yt o e x p o s et ot h ep a r t i c u l a t em a t t e r , p a r to f w h i c hc a nb ed e p o s i t e di nt h eh u m a n l u n ga i r w a y s a n dt h e nc a u s es o m ea d v e r s eh e a l t he f f e c t s ，s u c ha sc h r o n i c o b s t r u c t i v ep u l m o n a r yd i s e a s e s ( c o p d ) a n da s t h m a o nt h eo t h e rh a n ds i d e ， i n h a l i n ga e r o s o lt h e r a p yi sr e c o g n i z e da sam o s tp r o m i s i n gr o u t ef o rt r e a t i n g t h er e s p i r a t o r yd i s e a s e sw o r l d w i d e h o w e v e r , i t ss t i l lu n k n o w nh o wt ot a r g e t t h ea e r o s o ld r u gt ot h ed i s e a s es i t e sa n di m p r o v et h et r e a t m e n te f f e c t t h u s k n o w l e d g eo fp a r t i c l et r a n s p o r ta n dd e p o s i t i o ni nh u m a nr e s p i r a t o r ys y s t e mi s e s s e n t i a lf o rq u a n t i t a t i v e l yu n d e r s t a n d i n gt h ee x p o s u r er i s ka n dd o s e h e a l t h e f f e c to f p a r t i c l e s ，a sw e l la sf o ri m p r o v i n g t h ei n h a l i n gt h e r a p ye f f i c a c y c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e di nt h e t r i p l e b i f u r c a t i o ng e o m e t r yr e p r e s e n t i n gt h eh u m a nt r a c h e o b r o n c h i a lt r e et o m a k et h es t u d y t h r e em o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d ，t h e ya r eh e a l t h yp l a n a r , h e a l t h yn o n p l a n a ra n do b s t r u c t i v ep l a n a rt r i p l e - b i f u r c a t i o na i r w a y m o d e l s d e r i v e df r o mt h e3 mt o6 mg e n e r a t i o no fw e i b e la ( 19 6 3 ) m o d e l e u l e ra n d l a g r a n g em e t h o d sw e r es e l e c t e dt os i m u l a t et h ea i r f l o wp a t t e ma n dp a r t i c l e t r a j e c t o r yr e s p e c t i v e l y t h r e ed i m e n s i o n a ln - se q u a t i o n sa n d n e w t o n ss e c o n d l a ww e r et a k e na st h ec o n t r o le q u a t i o n s r e y n o l d sn u m b e r ，p a r t i c l ed i a m e t e r , a n dd e p o s i t i o nm e c h a n i s m sw e r ec h o s e na st h em a j o rf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e t h ea i r f l o ws t r u c t u r ea n dp a r t i c l ed e p o s i t i o np a t t e r n t h u si nt h i sp a p e r , t h e i n f l u e n c e so ft h e s ef a c t o r so nt h et h r e ep h y s i c a lm o d e l sw e r ec o m p u t e da n d a n a l y z e db yc h a n g i n gt h er e y n o l d sn u m b e r ，p a r t i c l ed i a m e t e ra n dd e p o s i t i o n m e c h a n i s m s r e s e a r c hs h o w st h a ta c h i e v e m e n to ft h ea i r f l o ws t r u c t u r ei st h eb a s i c k n o w l e d g ef o ru n d e r s t a n d i n gt h ep a r t i c l et r a n s p o r ta n dd e p o s i t i o np a t t e r n s a i r f l o ws t r u c t u r e s ，i n c l u d i n ga x i a lv e l o c i t ya n ds e c o n d a r yv e l o c i t y , c a n i n f l u e n c et h ep a r t i c l ed e p o s i t i o np a t t e r n s p a r t i c l e sm a i n l yd e p o s i ta tt h ei n n e r l i w a l lo ft h et u b e sw h i c he x p e r i e n c et h eh i g h e ra x i a lf l o wr a t ea n ds t r o n g e r i n w a ms e c o n d a r yv e l o c i t y f o rp a r t i c l e si n d i f f e r e n td i a m e t e r s ，d e p o s i t i o n e m c i e n c i e s ( d e ) a r ei nd i f f e r e n ti n c r e a s i n gt e n d e n c i e s ，a n dt h ed e p o s i t i o n m e c h a n i s m sa r ed i f f e r e n t f o rt h et h r e ed i f f e r e n tp h y s i c a lm o d e l s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fa i r f l o wa n dp a r t i c l ed e p o s i t i o na r ed i s t i n c t l yd i f f e r e n tf r o m e a c ho t h e r , d u et ot h ed i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n s f o rp a t i e n t so fo b s t r u c t i v e a i r w a y s ，e g c h r o n i co b s t r u c t i v ep u l m o n a r yd i s e a s e s ( c o p d ) ，t h ee f f i c a c yo f t h e i n h a l i n gt h e r 印y i s h i g h l y a f f e c t e db yt h ea e r o s o ld i a m e t e ra n dt h e r e s p i r a t o r yr a t e k e yw o r d s p a r t i c u l a t em a t t e r , g 3 一g 6a i r w a ym o d e l ，c f d ，d r u g d e l i v e r y n i 目錄 摘要】 a b s t r a c t i i 第一章緒論1 1 1 研究背景。1 1 1 1 顆粒物的健康危害l 1 1 2 顆粒物對呼吸系統(tǒng)的影響3 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀8 1 3 本文的研究目的與內(nèi)容9 第二章呼吸系統(tǒng)中顆粒物的數(shù)值模擬方法1 1 2 1 空氣流動數(shù)值方法1 1 2 1 1 空氣流動方程1 1 2 1 2 空氣流動的數(shù)值模擬方法1 2 2 2 顆粒物傳輸與沉積模擬。1 2 2 2 1 顆粒物運動分析1 2 2 2 2 顆粒物的數(shù)值模擬方法1 3 2 2 3 顆粒物沉積評估參數(shù)1 3 2 3 誤差分析和模型驗證1 4 2 4 本章小結(jié)。16 第三章顆粒物在g 3 g 6 級共面健康呼吸道內(nèi)的數(shù)值模擬1 7 3 1g 3 g 6 四級共面健康呼吸道模型。1 7 3 2g 3 一g 6 四級共面健康氣管支氣管流場的模擬。1 9 3 2 1 空氣流動計算參數(shù)1 9 3 2 2 流場的模擬結(jié)果2 0 3 3 顆粒物傳輸與沉積的模擬結(jié)果2 2 3 3 1 雷諾數(shù)對不同粒徑顆粒物沉積效率的影響一2 2 3 3 2 沉積機理對不同粒徑顆粒物沉積效率的影響2 3 3 3 3 不同粒徑的顆粒物在模型中的沉積形態(tài)一2 8 3 3 4 雷諾數(shù)對不同粒徑顆粒物沉積分?jǐn)?shù)的影響。3 0 3 4 本章小結(jié)31 第四章顆粒物在g 3 g 6 非共面健康呼吸道內(nèi)的數(shù)值模擬3 2 i v 4 1g 3 g 6 四級非共面健康呼吸道模型3 2 4 2g 3 g 6 四級非共面健康氣管支氣管流場的模擬3 3 4 3 顆粒物傳輸與沉積的模擬結(jié)果3 5 4 3 1 雷諾數(shù)對不同粒徑顆粒物沉積效率的影響一3 5 4 3 2 顆粒物在非共面健康模型中的沉積形態(tài)3 6 4 3 3 不同粒徑顆粒物的沉積分?jǐn)?shù)3 7 4 4 本章小結(jié)3 9 第五章顆粒物在g 3 g 6 共面阻塞呼吸道內(nèi)的數(shù)值模擬4 0 5 1g 3 g 6 四級共面阻塞性氣管支氣管模型4 0 5 2g 3 g 6 四級共面阻塞性氣管支氣管流場的模擬一4 l 5 3 顆粒物傳輸與沉積的模擬結(jié)果4 4 5 3 1 雷諾數(shù)對不同粒徑顆粒物沉積效率的影響4 4 5 3 2 顆粒物在阻塞性模型中的沉積形態(tài)4 5 5 3 3 顆粒物在阻塞性模型中阻塞管的沉積分?jǐn)?shù)。4 6 5 4 本章小結(jié)4 7 第六章結(jié)論及展望4 9 6 1 全文總結(jié)4 9 6 2 研究展望5 0 參考文獻51 1 1 1 9 1 謝! ；7 攻讀碩士期間主要學(xué)術(shù)成果及參與的科研項目5 8 v 中南大學(xué)碩t 學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 研究背景 第一章緒論 近十年來，探索空氣污染與人類疾病之間關(guān)系的研究最受關(guān)注，且引起國際上的 最大爭議【l 】。目前世界各國廣泛采用的國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)( n a a q s ) 均以環(huán)境 空氣中的六種重要污染物( 臭氧、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、鉛、以及顆粒物) 作為評價城市環(huán)境質(zhì)量的依據(jù)。近年來，顆粒物( p m ) 已成為我國乃至世界各國城 市環(huán)境空氣中的首要污染物，受到人們的高度重視與廣泛關(guān)注，因為顆粒物不僅對全 球氣候與城市能見度產(chǎn)生負(fù)面作用，而且對人們的身體健康有直接影響。流行病學(xué)研 究結(jié)果表明：大氣環(huán)境中顆粒物濃度增加與呼吸系統(tǒng)及心腦血管等疾病的入院率及死 亡率密切相關(guān)。毒理學(xué)研究表明：通過呼吸作用進入人體的顆粒物通過一系列代謝行 為對人體健康產(chǎn)生影響。顆粒物健康效應(yīng)主要影響因素有三方面1 2 1 ：( 1 ) 暴露時間； ( 2 ) 顆粒物濃度；( 3 ) 顆粒物毒性。 1 1 1 顆粒物的健康危害 流行病學(xué)是研究顆粒物濃度水平與人類疾病( 特別是呼吸系統(tǒng)、心腦血管等相關(guān) 疾病) 的發(fā)病率及死亡率之間的相關(guān)性。通過流行病學(xué)研究得到顆粒物暴露濃度與健 康反應(yīng)之間關(guān)系曲線。近年來的流行病學(xué)研究結(jié)果均表明：( 1 ) 顆粒物暴露濃度與健 康反應(yīng)之間具有明顯的線性關(guān)系，即顆粒物濃度的線性增加或降低將導(dǎo)致疾病發(fā)病率 與死亡率的線性增加或降低；( 2 ) 顆粒物在很低濃度時仍具有健康效應(yīng)，即不存在閾 值濃度不導(dǎo)致健康反應(yīng)的最低濃度【l 。顆粒物暴露濃度與健康反應(yīng)關(guān)系為公共 健康評價、預(yù)測顆粒物濃度增加或降低帶來的健康效應(yīng)、制定國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 表1 1 顆粒物短期與長期暴露導(dǎo)致的死亡風(fēng)險增加率 a ) 短期暴露 中南大學(xué)碩t 學(xué)位論文第一章緒論 提供重要的科學(xué)參考與依據(jù)。根據(jù)顆粒物濃度與健康反應(yīng)之間的線性變化規(guī)律，人們 通常采用關(guān)系曲線的斜率暴露濃度每增加l o p g m 3 的死亡增加率來進行直觀 地比較、分析與計算顆粒物暴露濃度對健康反應(yīng)的影響程度。如表1 1 分別統(tǒng)計了近 年來美國及歐洲城市的顆粒物短期與長期暴露的死亡風(fēng)險增加百分率。a n d e r s o n 等人 1 5 】對歐洲2 9 個國家的短期顆粒物暴露健康反應(yīng)進行時間序列分析表明，p m l o 質(zhì)量濃 度每升高1 0 p g m 3 ，所有病因?qū)е碌牟∷缆侍岣? 6 ，其中心血管病死率提高0 9 ， 呼吸系統(tǒng)疾病病死率提高1 3 。s a m e t 等人【6 1 對美國2 0 個城市的短期顆粒物暴露健 康效應(yīng)進行時間序列分析表明，p m l o 質(zhì)量濃度每增加1 0 p g m 3 ，所有病因?qū)е碌牟∷?率提高o 5 1 ，其中因心血管和呼吸系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的死亡率均提高0 6 8 。d o c k e r y 等人r 7 】對美國6 個城市的稱其顆粒物暴露健康反應(yīng)進行隊列序列分析表明，p m 2 5 濃度 沒升高l o p g m 3 ，所有病因?qū)е碌乃劳雎试黾? 3 ，其中因心肺疾病和呼吸系統(tǒng)疾病 導(dǎo)致的死亡率均提高1 8 。美國癌癥協(xié)會a c s 對美國長期顆粒物暴露健康反應(yīng)進行 隊列分析，結(jié)果表明：p m 2 5 濃度每升高1 0 1 1 9 m 3 ，所有病因?qū)е碌乃劳雎?、心肺病?亡率和肺癌死亡率的危險性分別增加6 2 、9 3 、1 3 5 。 由上述數(shù)據(jù)可看出，長期隊列分析方法得到的死亡風(fēng)險增加率是短期時間序列法 的幾十倍?；跁r間序列的顆粒物短期健康反應(yīng)非常小，這樣每天由于高濃度顆粒物 暴露而導(dǎo)致的死亡人數(shù)就非常有限，表現(xiàn)出一種“收割 效應(yīng)( h a r v e s t i n ge f f e c t ) 一 一加速或提前那些瀕臨死亡的疾病患者的死亡風(fēng)險，最多提前幾天或幾周而已。這種 短期“收割效應(yīng)顯然不能解釋長期顆粒物暴露對人們壽命長度的宏觀影響【8 l 。 如何解釋上述流行病學(xué)研究得出的顆粒物濃度對人群健康的影響? 從毒理學(xué)角 度來看，探索顆粒物對人體健康的不利影響，首先必須確定對顆粒物毒性起關(guān)鍵作用 的物理或化學(xué)屬性。目前，顆粒物尺寸與化學(xué)組分受到人們高度重視，成為顆粒物毒 性的關(guān)鍵要素。 顆粒物粒徑( 磊) 的影響比較直觀， 容易理解。一方面，顆粒物越小，進入人 體呼吸系統(tǒng)的部位就越深，危害就越大， 甚至能夠穿透肺泡進入人體血液循環(huán)影 響心臟、大腦、神經(jīng)系統(tǒng)等重要部位1 9 1 。 如圖1 1 所示：( 1 ) 粗顆粒物p m 2 5 1 0 主 要沉積在咽喉與氣管等上呼吸系統(tǒng)；( 2 ) 細(xì)顆粒物p m l 2 5 可以進入支氣管等下呼 吸系統(tǒng)；( 3 ) 更細(xì)的顆粒物p m o 1 - l 則能 夠進入肺部；( 4 ) 超細(xì)顆粒物p m o 1 能夠 穿透肺泡進入血液循環(huán)系統(tǒng)。另一方面， 2 、厴= p m 2 ，s i o 儡一? p m i - 2 5 蜘卜： p m o i - i 大腦、神經(jīng)系統(tǒng)、血液v m o l 圖1 - 1 顆粒物粒徑與沉積部位的關(guān)系 中南大學(xué)碩t j 學(xué)位論文 第一章緒論 活性氧( r o s ) 1 l 氧化應(yīng)激 細(xì)胞損傷 l( 脂類、蛋白類、d n a ) ( 疾病癌癥) 圖l - 2 顆粒物致病過程( 左) 及活性氧自由基對細(xì)胞的氧化損傷( 右) 顆粒物越小，其比表面積越大，表面吸附的有毒化學(xué)組分就越多。 顆粒物能夠?qū)е缕涞竭_部位或器官的炎癥或損傷引發(fā)疾病，在這個過程中，我們 認(rèn)為顆粒物尺寸大小主要決定“什么部位致病? ”，而顆粒物表面吸附的化學(xué)組分則 決定“為什么致病? 。 近年來，許多科學(xué)家都致力于探索大氣顆粒物( p m ) 對機體的毒性機制，雖然迄今 為止確切的損傷機制仍不清楚，但“氧化損傷理論 假說得到了大量實驗數(shù)據(jù)的支持 以及世界各國學(xué)者的普遍認(rèn)剛1 0 】，其中活性氧r o s ( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ) 與氧化 應(yīng)激o s ( o x i d a t i v es t r e s s ) 是顆粒物致病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。顆粒物化學(xué)組分( 特別是金屬 元素與有機成分) 在機體內(nèi)能夠產(chǎn)生活性氧r o s 一種活性很強的自由基( f r e e r a d i c a l ) ，通過誘導(dǎo)與催化多種化學(xué)反應(yīng)，破壞細(xì)胞膜與細(xì)胞質(zhì)中的脂類與蛋白質(zhì)及細(xì) 胞核中的遺傳物質(zhì)d n a ，從而造成細(xì)胞損傷或變異，導(dǎo)致疾病與癌癥【l l 】( 如圖1 2 所示) 。這種由于活性氧過量產(chǎn)生導(dǎo)致的機體損傷作用稱為氧化應(yīng)激o s 。 1 1 2 顆粒物對呼吸系統(tǒng)的影響 呼吸系統(tǒng)是人體接觸暴露顆粒污染物的主要途徑。顆粒物進人人體呼吸系統(tǒng)能夠 引起哮喘、慢性阻塞性肺病( c o p d ) 等呼吸系統(tǒng)疾病【1 2 1 ，而且顆粒物粒徑越小進人呼 吸系統(tǒng)部位越深，超細(xì)顆粒物甚至能夠穿透肺泡進人人體血液循環(huán)從而導(dǎo)致心腦血管 等相關(guān)疾病l i 川。近年來的流行病學(xué)研究已證實，顆粒物濃度增加與呼吸系統(tǒng)及心腦血 管相關(guān)疾病的發(fā)病率及死亡率具有很強的相關(guān)性【1 4 16 1 。顆粒物對人體健康的影響主要 取決于顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積部位與沉積量【1 7 1 。因此，研究顆粒物在人體呼吸 系統(tǒng)沉積對于定量研究顆粒物的暴露風(fēng)險( e x p o s u r er i s k ) 及劑量健康效應(yīng) ( d o s e h e a l t he f f e c t ) 非常重要。另一方面，顆粒物導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)疾病反過來又可 以采用藥物顆粒( d r u ga e r o s 0 1 ) 進行治療，臨床上使用顆粒狀藥物經(jīng)由呼吸道直接吸人 的方式被廣泛用于哮喘、糖尿病等疾病的治療【1 8 。2 1 】，而且具有無損傷、非侵入、效率 高、劑量小等優(yōu)點。因此，研究顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)沉積對于優(yōu)化藥物傳輸及靶向 3 中南丈學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 表1 - 2 成年人w e i b e la 對稱模型數(shù)據(jù) g e n e r a t i o n l ( c m )v t ( c m 3 )v a ( c m 3 ) n 0 ( o ) 0 1 2 0 0 03 0 5 001 l 4 7 6 01 1 2 502 21 9 0 03 9 704 30 7 6 01 5 208 41 2 7 03 4 601 6 51 0 7 03 3 003 2 60 9 0 03 5 30 6 4 7o 7 6 03 8 5o1 2 8 8 0 6 4 04 4 502 5 6 90 5 4 05 1 7o5 1 2 l o0 4 6 06 2 101 0 2 4 l l0 3 9 07 5 602 0 4 6 1 20 3 3 09 8 204 0 9 6 1 3 0 2 7 0 1 2 4 5 08 1 9 2 1 4 0 2 3 01 6 4 0 o1 6 3 8 4 1 5 0 2 0 02 1 7 003 2 7 6 8 1 60 1 6 5 2 9 7 006 5 5 3 6 1 7 0 1 4 l 4 1 8 0 6 31 3 1 0 7 2 1 8o 1 1 76 1 1 0 2 1 02 6 2 1 4 4 1 90 0 9 99 3 2 0 6 3 0 5 2 4 2 8 8 2 00 0 8 3 l3 9 5 02 2 0 510 4 8 5 7 6 2 l0 0 7 02 2 4 3 0 4 3 5 82 0 9 7 1 5 2 2 20 0 5 93 5 0 0 0 8 8 2 04 1 9 7 1 5 2 2 30 0 5 05 9 1 0 0 1 5 0 1 58 3 8 8 6 0 8 o 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 治療也具有重要的指導(dǎo)意義。顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)傳輸與沉積是相當(dāng)復(fù)雜的過程， 一方面，呼吸系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)與呼吸生理過程非常復(fù)雜，另一方面，呼吸系統(tǒng)內(nèi)部同時 存在空氣流動與顆粒物傳輸兩種過程。 人體呼吸系統(tǒng)可以采用w e i b e la 1 2 2 1 肺部對稱模型來描述( 表1 - 2 ) 2 3 1 ?？?、鼻、 圖1 4 人體呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模型 4 量-o囂疊基219墨一叁3蠢置?；? 中南大學(xué)碩e 學(xué)位論文第一章緒論 咽喉除外，從氣管支氣管到肺泡在結(jié)構(gòu)上可分為2 4 級( g e n e r a t i o n so 2 3 ) ，每一段氣 管末端都分成兩段子氣管。因此，氣管( t r a c h e a ) 的數(shù)量為l ，則第n 級子管的數(shù)量為 2 n 。表中，l 指各級管道長度，v 。指每級管腔的總體積，v 。則是每級肺泡的總體積。 0 為每個子氣管與其母管之間的夾角。從功能上人體呼吸系統(tǒng)可分為兩個區(qū)( 圖1 3 ) ： o 第o 1 6 級區(qū)域( g 0 g 1 6 ) 傳導(dǎo)區(qū)( c o n d u c t i n gz o n e ) 。該區(qū)域主要包括氣 管與支氣管，形如樹狀，因此也稱為氣管支氣管樹( t b ，t r a c h e o b r o n c h i a lt r e e ) 。 氣管與支氣管僅供氣體流動之用，不具備呼吸功能，不能進行氣體交換； o第1 7 2 3 級區(qū)域( g 1 7 - - g 2 3 卜呼吸區(qū)( r e s p i r a t o r yz o n e ) 。此區(qū)域存在大量的肺 泡和毛細(xì)血管進行氧氣和二氧化碳的交換，完成人體基本的呼吸作用，有時也稱 為肺泡區(qū)。 空氣中懸浮可吸入顆粒物能夠通過呼吸系統(tǒng)進入人體，基本經(jīng)歷以下幾個過程 ( 圖1 4 ) ： 消化。首先，比較大的顆粒物( d p 5 p m ) 在人體i z l 腔與鼻腔迅速沉積，隨后經(jīng) 人體吞咽進入消化道代謝排出體外，對人體健康危害極??； 沉積。比較小的顆粒物( 1 d p 5 肛m ) 根據(jù)粒徑從大到小依次在人體氣管支氣管 區(qū)( t b ) 與肺泡呼吸區(qū)( a l v e o l i ) 沉積； 呼出。更小的顆粒物( d p lr t m ) 或小顆粒物( d p 1 0 0 ，四個出口的流量分配比有如下大 小關(guān)系：面】 面2 面4 面3 。對于o u t l ( 即g 6 1 的出口) ，當(dāng)雷諾數(shù)低于5 0 0 時， 流量分配比廄】隨著雷諾數(shù)的增加而減小，而當(dāng)雷諾數(shù)大于5 0 0 ，流量分配比則不隨雷 諾數(shù)的變化而變化；對于o u t 2 ( i pg 6 2 的出口) ，在整個雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流量分配比 幣2 隨著雷諾數(shù)的增加而緩慢減小，且在r e = 1 5 0 0 時，面2 與幣】相等，當(dāng)1 5 0 0 r e 2 0 0 0 ，廄2 屙1 ；對于o u t 3 ，當(dāng)雷諾數(shù)低于5 0 0 ，流量分配比隨雷諾數(shù)的增加快速 增大，然后再以相對緩慢的速度隨雷諾數(shù)增加；對于o u t 4 ，流量分配比在 1 0 0 r e 2 0 0 0 范圍內(nèi)緩慢減小。可見模型內(nèi)流體的速度越大其受模型摩擦阻力越 大，使得流場分配越不均勻。 3 3 顆粒物傳輸與沉積的模擬結(jié)果 3 3 1 雷諾數(shù)對不同粒徑顆粒物沉積效率的影響 圖3 5 展示了同時考慮慣性沖擊與重力沉降兩種沉積機理時，不同雷諾數(shù)下顆粒 物的沉積效率與1 d p 1 0p m 粒徑范圍內(nèi)的變化關(guān)系。從圖中可以看出所有雷諾 數(shù)范圍內(nèi)顆粒物沉積效率的總體趨勢是：隨著顆粒物粒徑的增大而增大。這是因為該 粒徑范圍內(nèi)顆粒物的主導(dǎo)沉積機理( 即慣性沖擊和重力沉降) 是與顆粒物粒徑相關(guān)的。 中南大學(xué)碩t 學(xué)位論文第三章顆粒物在g 3 g 6 級共面健康呼吸道內(nèi)的數(shù)值模擬 1 0 0 8 0 6 0 文 巖4 0 2 0 0 12 34 567 g91 0 d p ( i i m ) 圖3 - 5 不同雷諾數(shù)下顆粒物沉積效率與粒徑的關(guān)系 若考慮雷諾數(shù)的影響，圖中展示的五個雷諾數(shù)下的沉積效率變化規(guī)律有著比較大的區(qū) 別。當(dāng)r e = 1 0 0 ，沉積效率隨著顆粒物粒徑的增大而緩慢增大。在d p = 1 01 t m 時， d e 達到最大值4 0 ?？梢娫谶@一低雷諾數(shù)下，即低速流不利于1 1 0 岬顆粒物在 相對較大的支氣管( 如本文所研究的g 3 g 6 模型) 中沉積。當(dāng)r e 5 0 0 ，對于粒徑小 于2i t r n 的顆粒物，沉積效率幾乎為零：而對于粒徑大于或等于3 1 t m 的顆粒物，其沉 積效率隨著雷諾數(shù)的增大而迅速增大，且均在d p = 1 0g m 時達到最大值，最大值均 高于5 0 。這表明，粒徑小( 小于2r t m ) 的顆粒物只能在低速流中發(fā)生沉降，而粒徑 大( 大于31 t m ) 顆粒物的沉積效率隨著粒徑以及雷諾數(shù)的增大而增加。大量研究已經(jīng) 表明，慣性沖擊與重力沉降兩種沉積機理作用的顆粒物粒徑范圍有所差別，但是模型 不同其作用的粒徑范圍也會有所不同，目前并沒有這方面的研究。為了進一步說明圖 3 5 中各粒徑顆粒物在不同雷諾數(shù)下的沉積效率，也為了研究該模型下兩種沉積機理 各自所作用的顆粒物粒徑范圍，下面將詳細(xì)討論顆粒物在不同沉積機理下所產(chǎn)生的沉 積效率。 3 3 2 沉積機理對不同粒徑顆粒物沉積效率的影響 圖3 - 6 ( a - h ) 展示的是整個雷諾數(shù)范圍內(nèi)顆粒物在不同沉積機理下的沉積效率，受 篇幅影響，只展示了8 個不同粒徑的顆粒物如圖所示。圖中d e 件g 指慣性沖擊與重力 沉降共同作用產(chǎn)生的顆粒物沉積效率，d e i 指的是只在慣性沖擊作用下產(chǎn)生的顆粒物 沉積效率，而d e g 是指只在重力沉降作用下產(chǎn)生的沉積效率。在d p m 模型中d e g 不 能直接產(chǎn)生，而是通過d e i + g 減去d e i 得到。 如圖3 - 6 ( a ) 所示，d p = 1r t m 的顆粒物，其沉積效率很小，最大值也只有0 4 2 。 其中在1 0 0 r e 4 0 0 范圍內(nèi)，d e i 隨雷諾數(shù)增加，而d e 件2 和d e g 則隨雷諾數(shù)的 2 3 7 6 5 墓4 山 o3 2 l o 02 0 0 4 0 06 0 0 鯽舢1 加o 姍1 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 ( a ) z 5 2 墓l 5 a 1 o 5 o 02 0 04 1 ) 06 0 0 d 姍1 2 1 4 0 0 1 6 0 0 姍2 0 0 0 02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 6 0 0 姍2 0 0 0 0 2 0 04 0 06 0 0 啪l i r a 01 2 0 0 1 4 0 01 6 0 0 橢o2 0 0 0 ( c ) 7 0 營柏 巖 2 0 加 o 02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 02 0 04 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 0 2 0 0 0 ( e ) o2 0 04 6 0 0 踟d 如1 2 1 6 0 0 姍2 0 0 0 ( 曲 d e h 0 2 0 04 0 06 0 0 咖1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 0 a ) d e | 圖3 - 6 不同粒徑顆粒物在不同沉積機理下的沉積效率隨雷諾數(shù)的變化 2 4 6 s 4 3 2 l o 帖 啦 叭 。 一點o 笛 如 塢 s o c x u o 帖柏藥巧蚯5 o 霉一u o 瑚加o l x ) u o m為加o 一點_ o 中南大學(xué)碩k 學(xué)位論文第三章顆粒物在g 3 g 6 級共面健康呼吸道內(nèi)的數(shù)值模擬 增加而減小。當(dāng)r e = 4 0 0 時，d e g 為零，即此時沒有發(fā)生重力沉降。如圖( b ) 所示， 對于d p - - - , 2 肛m 的顆粒物，其沉積效率依然很小，有著與d p = 1 “m 顆粒物沉積效 率相似的變化趨勢?？梢姡叫∮?1 t m 的顆粒物在本文研究的支氣管直徑相對較 大的模型中的沉積量很少。 如圖3 - 6 ( c ) 所示，d p = 3l a m 的顆粒物，其沉積效率與圖3 - 6 ( a ) 和( b ) 有很大 區(qū)別，可以看到d e i + g 的u 型曲線。顆粒物沉積效率的變化趨勢分三段：先隨著雷諾 數(shù)的增加而減小，此時顆粒物的主要沉積機理是重力沉降，隨著雷諾數(shù)的增加，即流 速的增大，重力沉降逐漸減弱，慣性沖擊逐漸加強；然后保持在一個最小值卻不隨雷 諾數(shù)的增加而變化，此時慣性沖擊與重力沉降相當(dāng)；最后沉積效率又隨雷諾數(shù)的增大 而增大，此時慣性沖擊占主導(dǎo)，隨著雷諾數(shù)的增加而加強。 如圖3 - 6 ( d f ) 所示，對于粒徑為4 、5 、61 t r n 的顆粒物，其沉積效率在整個雷諾數(shù) 范圍內(nèi)的變化趨勢很接近，均可以看到d e i + g 的“、”型曲線。分別地，對于d p = 4r t m 的顆粒物，在1 0 0 r e 5 0 0 范圍內(nèi)，d e i + 疊和d e g 都隨雷諾數(shù)的增加而減少到 2 左右。隨后各自分開，d e i + 正隨著雷諾數(shù)的增加而增大直到r e = 2 0 0 0 時，d e i + g 達到2 3 左右，而d e 。則保持在2 左右不再變化。這是因為對于此粒徑的顆粒物， 低雷諾數(shù)下( 低于5 0 0 ) 主要的沉積機理是重力沉降，慣性只有在雷諾數(shù)高于8 0 0 之 后才開始起作用。對于d p = 51 t m 的顆粒物，在1 0 0 r e 4 0 0 范圍內(nèi)，d e i + g 和 d e g 都隨雷諾數(shù)的增加而減少5 左右。隨后各自分開，d e 隨雷諾數(shù)的增大而增 大到4 3 ，而d e g 則繼續(xù)隨雷諾數(shù)的增加而減少，直到r e = 2 0 0 0 時，d e g 只有2 。 對于d p = 61 t m 的顆粒物，在1 0 0 r e 3 0 0 范圍內(nèi)，d e i + g 和d e g 都隨雷諾數(shù) 的增加而減少1 0 左右。隨后各自分開，d e i + g 隨雷諾數(shù)的增大而增大到6 0 ，而 d e g 則繼續(xù)隨雷諾數(shù)的增加而減少，直到r e = 2 0 0 0 時，d e g 只有3 左右。這三個 粒徑的顆粒物，在雷諾數(shù)小于某一個值時，慣性作用幾乎等于零，只有當(dāng)雷諾數(shù)大于 這個值之后，其作用才開始逐漸增強，且粒徑越大該值越小，在圖中所呈現(xiàn)出的就是 “”型曲線的鉤越淺；而重力的作用在整個雷諾數(shù)范圍內(nèi)始終有效，只是隨雷諾數(shù)的 增加而減弱。 當(dāng)顆粒物的粒徑大于7g r n ，比如圖3 - 6 ( g ) 和( h ) 中8 和1 0 岬的顆粒物，其沉積 效率的變化趨勢又與上述的不一樣，可以看到d e i + g 的“4 ”型曲線。由慣性沖擊 作用產(chǎn)生