可吸入顆粒物在人體呼吸道沉積的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1、可吸入顆粒物在人體呼吸道沉積的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展浙江科技學(xué)院 輕工學(xué)院林江摘要：大氣中的可吸入顆粒物越來(lái)越成為影響人體健康的一大重要因素，國(guó)內(nèi)外諸多研究人員開始了該領(lǐng)域的相關(guān)研究工作，特別是顆粒物吸入呼吸道后的運(yùn)動(dòng)沉積規(guī)律。本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)呼吸道結(jié)構(gòu)和顆粒、氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究進(jìn)行了評(píng)述和比較,指出了目前為止所建立的模型存在的不足和本項(xiàng)目解決的問題。關(guān)鍵詞：可吸入顆粒物；人體呼吸道；沉積1 緒論大氣污染已成為人類所面臨的最為嚴(yán)重的危機(jī)之一，而大氣中的懸浮顆粒物則是大氣污染的主要因素。懸浮顆粒物中主要有粉塵、煤煙及煙霧等各種固態(tài)或液態(tài)顆粒。按照其粒徑的大小可分為：粒徑100m的總懸浮顆

2、粒物（TSP）、粒徑10m的可吸入顆粒物（PM10）與粒徑2.5m的小顆粒物（PM2.5）。其中粒徑10m的可吸入顆粒物能在大氣中停留幾天或數(shù)十天，漂浮范圍從幾公里到上千公里，幾乎不能靠重力沉降，并且可吸入顆粒物的表面吸附有大量的有毒有害物質(zhì)，它們不僅會(huì)對(duì)大氣能見度和氣候起巨大的作用，更對(duì)人體健康造成嚴(yán)重的威脅。據(jù)2006年全國(guó)環(huán)境質(zhì)量狀況公告1數(shù)據(jù)，顆粒物仍是顯著影響城市空氣質(zhì)量的首要污染物。我國(guó)城市中，空氣質(zhì)量達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市24個(gè)，（占4.3%）、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市325個(gè)（占58.1%）、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市159個(gè)（占28.5%），劣于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市51個(gè)（占9.1%），全國(guó)達(dá)到和優(yōu)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3、的城市比例為62.4%。33.5%的城市顆粒物年均濃度超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（其中劣于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市39個(gè)）。1998年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)322個(gè)城市中，空氣總懸浮顆粒物平均濃度值為0.289mg/m3，68的城市總懸浮顆粒物濃度超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有308個(gè)城市總懸浮顆粒物年平均濃度高于世界衛(wèi)生組織(WHO)的空氣治理指南值（0.09 mg/m3），占統(tǒng)計(jì)城市的95以上。2000年全國(guó)城市污染形勢(shì)依然嚴(yán)重，在所檢測(cè)的338個(gè)大中城市中，空氣質(zhì)量達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市僅占1/3。從文獻(xiàn)2得知，中國(guó)城市大氣中可吸入顆粒物PM10和小顆粒物PM2.5的污染水平相當(dāng)嚴(yán)重，絕大部分都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過EPA和中國(guó)于199

4、6年頒布的排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)引起足夠重視。再者，在許多工業(yè)部門，由于顆粒物的吸入帶來(lái)諸如塵肺等較嚴(yán)重的職業(yè)疾病，對(duì)勞動(dòng)者造成較大的危害。在化工、冶金、機(jī)械、建材、紡織、電力、煤炭等許多工業(yè)部門的生產(chǎn)過程中均會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵等可吸入顆粒物，嚴(yán)重地污染環(huán)境，危害勞動(dòng)者的健康。美國(guó)自然資源保護(hù)委員會(huì)對(duì)239個(gè)城市的研究表明，因吸入空氣中的微粒而死亡的人數(shù)在洛杉礬地區(qū)每年達(dá)5000多人，在紐約達(dá)4000多人。如果不加以控制，那么每年可能引起64000美國(guó)人的死亡3。據(jù)衛(wèi)生部公布的2001年全國(guó)職業(yè)病發(fā)病情況報(bào)告，去年共收到各類職業(yè)病報(bào)告13218例中，因?yàn)殚L(zhǎng)期大量吸入粉塵而引起的塵肺病發(fā)病數(shù)就已達(dá)10505

5、例，占總數(shù)的79.5，比上年增加了15；現(xiàn)在，塵肺這個(gè)典型的職業(yè)病病種人數(shù)，在我國(guó)已達(dá)43萬(wàn)人4。預(yù)防控制塵肺病等粉塵污染引發(fā)的職業(yè)病已成為國(guó)內(nèi)外密切關(guān)注的熱點(diǎn)和亟待解決的問題，對(duì)我國(guó)而言尤為重要。大氣中的可吸入顆粒物主要經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體，可吸入顆粒物沉積在人體呼吸道，對(duì)人體的健康具有最直接的危害 5-6。由于可吸入顆粒物的比表面積較大，通常富集多種重金屬元素，如（Pb、Cr等）和多種環(huán)芳烴等有機(jī)污染物，其中以部分為致癌物質(zhì)和遺傳毒物，危害極大。隨呼吸進(jìn)入呼吸道和肺的可吸入顆粒物，沉積在其表面，將引起健康損害?？晌腩w粒物隨呼吸進(jìn)入呼吸道和肺，可能引起鼻炎、慢性咽炎、慢性支氣管炎、支氣管哮喘、

6、肺氣腫、塵肺等呼吸系統(tǒng)疾病。可能由于顆粒物刺激肺部，導(dǎo)致肺部出現(xiàn)急性炎癥，表現(xiàn)為中性粒細(xì)胞大量局部滲出。進(jìn)入呼吸道和肺的可吸入顆粒物，也有損于肺部呼吸氧氣的能力，使肺泡中的巨噬細(xì)胞的吞噬功能和生存能力下降，導(dǎo)致肺部排除污染物的能力降低。隨呼吸進(jìn)入呼吸道和肺的可吸入顆粒物，其所含的化學(xué)成分對(duì)人體造成很大的危害，如無(wú)機(jī)物鉛及其化合物、氟化鈉、氟化鈣、鎘的化合物、鐵、釩化合物等化學(xué)物質(zhì)；有機(jī)物的苯并(a)芘、萜烯類多環(huán)芳烴化合物等均為致病致癌物質(zhì)，會(huì)破壞人體免疫系統(tǒng)，從而誘發(fā)癌癥。當(dāng)這些物質(zhì)沉積肺中時(shí)，有些可溶解直接進(jìn)入血液，造成血液中毒。當(dāng)二氧化硫與顆粒物同時(shí)吸人時(shí)，對(duì)人體產(chǎn)生危害更為嚴(yán)重，因?yàn)槲?/p>

7、附在顆粒上的二氧化硫被催化、氧化為三氧化硫，三氧化硫與水蒸氣形成極細(xì)微的硫酸霧，能更深地侵入呼吸道，促進(jìn)有毒物質(zhì)的溶解，對(duì)肺泡有更強(qiáng)的毒性作用?？晌腩w粒物還會(huì)造成對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的危害。帶有鉛的小顆粒在肺泡內(nèi)沉積后極易進(jìn)入血液系統(tǒng)，大部分與紅細(xì)胞結(jié)合，小部分形成鉛的磷酸鹽和甘油磷酸鹽，然后進(jìn)入肝、肺、腎和腦，幾周后進(jìn)入骨內(nèi)，導(dǎo)致高級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)紊亂和器官調(diào)解失能，表現(xiàn)為頭疼、頭暈、嗜睡和狂躁嚴(yán)重的中毒性腦病。血液中鉛量積累到一定程度時(shí)，使心肺病變，損害大腦、破壞神經(jīng)，可影響兒童智力正常發(fā)育。隨呼吸進(jìn)入呼吸道和肺的可吸入顆粒物會(huì)引起巨噬細(xì)胞的數(shù)量和活性的改變，降低人體免疫功能，增加對(duì)細(xì)菌、病毒等感染的敏

8、感性，降低機(jī)體對(duì)疾病的抵抗能力?？晌腩w粒物還嚴(yán)重影響兒童的生長(zhǎng)發(fā)育和免疫功能。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，比較大的粉塵即使吸入人體內(nèi)，也能通過咳嗽和痰將其排出體內(nèi)，嚴(yán)重?fù)p害健康的是PM2.5（粒徑<2.5m）的細(xì)微微粒粉塵（SPK），會(huì)被吸到支氣管和肺的深處沉積起來(lái)，從而引起呼吸器官的疾患和障礙，嚴(yán)重?fù)p害人體健康，是導(dǎo)致空氣污染和致病的因子。比較微小的粒子以及其上未被溶解的污染物，還會(huì)直接進(jìn)入肺泡并在肺內(nèi)沉積，被細(xì)胞吸收，侵入組織細(xì)胞，形成塵肺?？晌腩w粒物中所吸附的多環(huán)芳烴化合物是對(duì)人體健康危害最大的致癌、致突變、致殘物質(zhì)。苯并(a)芘能誘發(fā)皮膚癌、肺癌和胃癌。可吸入顆粒物對(duì)人體的危

9、害主要取決于顆粒物的濃度、粒徑、化學(xué)組成、吸濕性、可溶性和環(huán)境的溫度、濕度、PH值及機(jī)體的年齡、營(yíng)養(yǎng)、健康狀況、活動(dòng)狀態(tài)、意識(shí)情況等因素。雖然決定可吸入顆粒物危害性的影響因素很多，但是有一點(diǎn)是可以肯定的，可吸入顆粒只有被人體吸入后附著于呼吸道才有可能對(duì)人體健康造成威脅，而被呼出的顆粒物是不會(huì)造成危害的。因此，掌握可吸入顆粒物如何通過鼻腔、口腔、氣管、支氣管最后進(jìn)入肺泡的這一個(gè)過程，以及在各個(gè)部位的沉積附著狀況，可以為研究可吸入顆粒物的致病機(jī)理提供更多更有效的依據(jù)。氣霧劑方法治療呼吸道疾病已被國(guó)際醫(yī)學(xué)界廣泛地采用，與傳統(tǒng)的口服和注射相比，具有可減小所需藥劑量，并可很大程度地減小患者痛苦的優(yōu)良特性

10、。然而，該醫(yī)療方法的亟待解決的一大難題是如何更有效且精確地投擲藥物顆粒達(dá)到患病部位，即如何通過改變氣霧劑顆粒的大小、密度、呼吸工況和霧化器的結(jié)構(gòu)等來(lái)減小劑量和提高療效，以往的醫(yī)學(xué)界和工程儀器生產(chǎn)廠家的應(yīng)用均建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，缺乏理論上更為可靠的指導(dǎo)依據(jù)。呼吸道中顆粒物的運(yùn)動(dòng)及沉積特性的研究,將為氣霧劑治療提供更直接的理論指導(dǎo)。此外，隨著近年來(lái)微機(jī)械系統(tǒng)研究的開展,應(yīng)用于人體內(nèi)的微機(jī)器人的研究也取得顯著的進(jìn)展,研究人體氣管中的顆粒運(yùn)動(dòng)特性,也將為人體內(nèi)的微機(jī)器人的研制提供理論依據(jù)。由此可見，研究大氣中顆粒物對(duì)人類的影響已迫在眉睫，而研究可吸入顆粒物在人體呼吸器官中的運(yùn)動(dòng)和沉積特性，是治療和控制

11、可吸入顆粒物對(duì)人體造成的危害的最直接的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，能為深入了解顆粒物對(duì)呼吸道影響的醫(yī)學(xué)病理研究和開發(fā)噴霧治療藥劑及治療診斷等提供必要和有效的理論依據(jù)，研究工作將對(duì)治療學(xué)、毒理學(xué)和人體的健康性評(píng)估具有重要的指導(dǎo)意義。另一方面，從氣固兩相研究來(lái)看，生物體內(nèi)氣固兩相流是一項(xiàng)新興的交叉學(xué)科研究，在我國(guó)尚處起步階段，生物體特別是人體中的多相流問題，存在著許多與常規(guī)多相流研究領(lǐng)域不同的特殊難題，探討這些問題無(wú)論對(duì)氣固兩相流和生物醫(yī)學(xué)發(fā)展，還是對(duì)疾病治療都有重要的意義。因此，針對(duì)可吸入顆粒物從人體口、鼻腔中進(jìn)入以及在呼吸道中的運(yùn)動(dòng)過程及沉積特性，運(yùn)用氣固兩相流動(dòng)的研究方法和手段進(jìn)行機(jī)理研究是十分迫切的問題

12、，社會(huì)意義重大。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從目前國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)于可吸入細(xì)微顆粒物在人體呼吸器官中的運(yùn)動(dòng)和沉積特性的研究還處于起步階段。現(xiàn)有研究主要從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩方面進(jìn)行。2.1實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究，主要集中在以下四方面：（1）通過對(duì)吸入與呼出空氣中可吸入顆粒大小的分布和濃度的比較來(lái)確定在整個(gè)呼吸道中沉積的顆粒數(shù)。（2）-標(biāo)記顆粒貯留量的活體外部測(cè)定法。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接測(cè)出呼吸道某些組成部位的顆粒附著量。但由于實(shí)際空間定位條件大大限制了可直接測(cè)定的不同呼吸道解剖部位的數(shù)目。因此，它主要用來(lái)直接測(cè)定呼吸道上端和整個(gè)胸部的氣管與支氣管分支的顆粒，而支氣管以下的各部位附著量就無(wú)法

13、準(zhǔn)確的測(cè)出了，因?yàn)轶w內(nèi)相鄰部位同時(shí)存在的附著顆粒會(huì)發(fā)生干擾。（3）采用離體肺及其模型來(lái)測(cè)定顆粒的附著量。由于人的活體肺取樣的不可能性，只有用意外事故死亡后所摘出的正常新鮮肺，懸掛在人工胸腔內(nèi)作氣溶膠吸入試驗(yàn)后，通過解剖來(lái)測(cè)定所附著的可吸入顆粒的分布情況。雖然這個(gè)方法最能符合人體的實(shí)際狀況，準(zhǔn)確度高，但因這種肺只能使用一次，每個(gè)肺又都具有其各自的特點(diǎn)，且正常活體內(nèi)附著的顆粒量的變化很大，使該方法受到很大的限制。為了克服這種局限性，進(jìn)而采用以離體肺的標(biāo)本制作模型，以便于重復(fù)使用。（4）利用簡(jiǎn)化的所謂理想化模型進(jìn)行可吸入顆粒物沉積量的研究。理想化模型是將人體呼吸道進(jìn)行簡(jiǎn)化后采用機(jī)械加工的方法建立物理

14、模型。利用物理模型通入顆粒與氣相的混合物，收集附著于呼吸道上的顆粒與通過整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念w粒，計(jì)算出顆粒沉積量。目前的研究中，由于理想化模型的可重復(fù)使用性，以及吸入模型的氣固兩相混合物的狀態(tài)可以按需要進(jìn)行改變等原因，利用理想化人工模型進(jìn)行研究比較多。但不同的研究小組具體采用的理想化物理模型有較大的差別。當(dāng)前研究中采用較多的主要有以下兩種代表性物理模型：（1）Cheng等7用硅膠樹脂材料，按照某志愿工作者的呼吸道尺寸建立了一個(gè)上呼吸道三維模型（圖1）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中選取了三種呼吸強(qiáng)度Q15L/min，Q=30L/min和Q=60L/min，顆粒粒徑為0.93、1.79、2.79、4.0、6.

15、07、9.80、16.0、23.8以及30m的九種顆粒，進(jìn)行了呼吸模擬實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與前面工作者所得到的結(jié)果較一致，表明了顆粒的沉積受到顆粒大小與呼吸強(qiáng)度的影響。圖1 Cheng的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ǎ〨rgic等 8，用計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)（Computed Tomography Scans，CT）結(jié)合磁共振成像技術(shù)（Magnetic Resonance Imaging Scans，MRI）對(duì)人體呼吸道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并觀察了活體正常的呼吸狀況，建立了另一種呼吸道三維幾何模型（圖2）。呼吸強(qiáng)度選為Q=30L/min和Q=90L/min兩種，顆粒選用粒徑大小為3m、5m、6.5m三種。統(tǒng)計(jì)了顆粒

16、在口腔，咽部，喉部，氣管中的沉積百分比，結(jié)果顯示，顆粒的沉積率與入口的氣流速度，顆粒大小有關(guān)，而顆粒慣性則是一個(gè)影響沉積率的關(guān)鍵因素，并且指出在這段呼吸道中顆粒主要在喉部與氣管處大量沉積。 圖2 Grgic 的模型 Grgic等與Cheng等所用于實(shí)驗(yàn)的模型雖然不同，但是可以看到都較具有代表性。但Grgic的模型與呼吸道實(shí)體比較，幾何簡(jiǎn)化仍較大。兩個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了顆粒在人體上呼吸道中的沉積率與氣流的速度（即呼吸強(qiáng)度）和顆粒的粒徑有很大的關(guān)系?，F(xiàn)有的用數(shù)值模擬方法研究可吸入顆粒物在人體呼吸道中沉積運(yùn)動(dòng)狀況的研究中，大多數(shù)都是以這兩種物理模型為基礎(chǔ)并加以簡(jiǎn)化而得的。此外，Cheng等也測(cè)量

17、過鼻腔，口腔呼吸道中的顆粒沉積率。Y.Zhang等9亦曾建立過更理想化的口腔呼吸道模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2.2數(shù)值模擬雖然采用實(shí)驗(yàn)的方法可以獲取顆粒在人體呼吸道中的沉積附著狀況，但由于采用人的活體來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的限制因素較大，因此這在很大程度上制約了實(shí)驗(yàn)的開展及精度的進(jìn)一步提高。而且，即使是對(duì)人體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，我們也不能從直觀上獲取顆粒在呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)軌跡、沉積原理等關(guān)鍵信息，更難掌握氣流在呼吸道內(nèi)的流動(dòng)狀況，以及呼吸道內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等影響顆粒運(yùn)動(dòng)沉積的要素。因此，利用多相流流動(dòng)理論，采用數(shù)值模擬方法的出現(xiàn)正好成為了解決這一難題的有效手段。利用氣固兩相流動(dòng)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研

18、究顆粒物在呼吸道中的運(yùn)動(dòng)在國(guó)外也是近年來(lái)剛剛興起，國(guó)內(nèi)研究還處于起步階段。Li等10采用二維及三維呼吸道模型進(jìn)行了研究，在流體計(jì)算上采用雙方程k-模型，從所得到的結(jié)果中可以看到，氣流速度、顆粒大小、呼吸道尺寸等是影響顆粒沉積的主要相關(guān)因素。Zhang等11在Cheng等所建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，選取口腔、咽部、喉部、氣管這四個(gè)部位建立了幾何模型，模型為剛性復(fù)雜幾何管道，選用適于低雷諾數(shù)的k-模型，計(jì)算了流場(chǎng)，追蹤了Stokes數(shù)分別為St0.02、St0.08的顆粒。Stapleton等12采用Grgic等的物理模型建模，采用k-模型，靜止壁面條件，進(jìn)行了氣流場(chǎng)計(jì)算；對(duì)于顆粒相，模擬了顆粒在呼吸

19、道中的運(yùn)動(dòng)沉積狀況，并將得到的顆粒沉積率與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在低呼吸強(qiáng)度時(shí)模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較吻合，而在高呼吸強(qiáng)度時(shí)誤差較大。Matida等13在這個(gè)基礎(chǔ)上，提出用標(biāo)準(zhǔn)k-模型來(lái)處理流場(chǎng)，并加入近壁面修正函數(shù)來(lái)提高近壁面處的流場(chǎng)計(jì)算精度，使計(jì)算結(jié)果在高呼吸強(qiáng)度時(shí)有較大改進(jìn)，但與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比還存在一定的誤差。Zhang14等還結(jié)合Weibel模型A中的氣管及前三級(jí)支氣管和Cheng等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的口腔，咽部，喉部模型，建立了從口腔到前三級(jí)支氣管的三維幾何模型，并進(jìn)行了呼吸道中的傳熱傳質(zhì)計(jì)算15，（圖3）但他們卻沒有在這個(gè)比較完整的幾何模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)沉積狀況。圖3 zhan

20、g 的Weibel A模型最近，Zhang等16采用低雷諾數(shù)的k-模型，分別用Euler-Euler和Euler-Lagrange方法模擬納米顆粒和微顆粒，比較分析了不同入流條件下從口腔到前三級(jí)支氣管這段呼吸道內(nèi)納米顆粒和微顆粒的沉積模式、局部濃度等。Renée Anthony等17基于計(jì)算機(jī)構(gòu)造的幾何模型，利用計(jì)算流體力學(xué)方法研究了人體正常工作狀態(tài)下低呼吸量時(shí)環(huán)境顆粒的可吸入性。Yang等18基于Weibel理想對(duì)稱模型，利用N-S層流模型計(jì)算流場(chǎng)，研究了四級(jí)支氣管內(nèi)不同位置存在障礙物（如腫瘤）時(shí)對(duì)流動(dòng)的影響。Brouns等19則基于理想化的口-咽模型，利用N-S層流模型計(jì)算分析了

21、聲門對(duì)氣管內(nèi)流動(dòng)的影響。本研究小組在廣泛考慮了各種人體上呼吸道物理模型合理性的基礎(chǔ)上，以Grgic和Weibel模型為基礎(chǔ)建立了完整的從口腔-咽部-喉部-氣管-前三級(jí)支氣管三維幾何模型，分別采用RNG k-模型和大渦模擬計(jì)算氣流場(chǎng)，拉格朗日隨機(jī)顆粒軌道法計(jì)算顆粒相，模擬了三種呼吸強(qiáng)度時(shí)的可吸入顆粒在人體呼吸道中的運(yùn)動(dòng)沉積狀況，并與現(xiàn)有的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果吻合性 良好20，21，22。綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于對(duì)于顆粒物在人體呼吸道中作用的數(shù)值模擬研究，我們發(fā)現(xiàn)：（1）從研究對(duì)象來(lái)看，現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究，其研究的基礎(chǔ)人體呼吸道幾何模型，均為基于理想化人工模型，最具代表性為Weibel的A模型（圖

22、3）和Grgic 的模型（圖2）。由圖直觀地可見，這些模型經(jīng)過較大的幾何簡(jiǎn)化，即便 Grgic 的模型為利用計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)（CT）結(jié)合磁共振成像技術(shù)（MRI）所得，與真實(shí)人體呼吸道相差仍較大。這就使得研究對(duì)象的反映真實(shí)性不夠理想，基于這些模型開展的研究也有待于進(jìn)一步完善。（2）從研究方法看，現(xiàn)有的研究，在氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬處理時(shí)，氣相場(chǎng)計(jì)算采用k-模型，或?qū)恿髂Ｐ?，顆粒相大多采用Eular-Lagrange法；在計(jì)算中管道簡(jiǎn)化為圓截面剛性管，邊界條件均設(shè)壁面條件為靜止壁面條件；未考慮呼吸道的粗糙復(fù)雜、柔軟性、濕潤(rùn)性與有呼吸等特點(diǎn)。計(jì)算的初始條件，只考慮了相對(duì)簡(jiǎn)單的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，因此，模擬

23、結(jié)果還遠(yuǎn)不盡如人意。（3）從研究與實(shí)際的相符性看，現(xiàn)有的研究，計(jì)算模型均簡(jiǎn)化為理想的剛性模型，忽略呼吸道的彈性和變形因素；幾何模型前三級(jí)支氣管簡(jiǎn)化為對(duì)稱模型；且缺少包含三級(jí)以下的更細(xì)的支氣管的模型，更細(xì)小的支氣管中顆粒的運(yùn)動(dòng)和沉積對(duì)致病機(jī)理的影響更大，模擬也更為困難；從口腔到三級(jí)支氣管的較完整呼吸道模型下的研究剛剛起步，未見包含口腔到三級(jí)以下支氣管的更完善的呼吸道幾何模型及數(shù)值計(jì)算研究；從幾何模型反映研究對(duì)象的真實(shí)性、精確性方面來(lái)看，現(xiàn)有研究的諸多幾何模型中，源自經(jīng)簡(jiǎn)化處理的理想化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀谓５脑紨?shù)據(jù)少，模型與真實(shí)人體差異較大；已報(bào)道的采用CT和MRI所建的幾何模型見（圖2），與真實(shí)人

24、體也存在較大差異。3 小結(jié)綜上所述，目前有關(guān)研究尚存在如下的不足：1）利用基于計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)（CT）和核磁共振成像技術(shù)（M R I）相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集和圖像圖形識(shí)別轉(zhuǎn)換技術(shù)而得精確人體呼吸道幾何模型的研究少有報(bào)道；2）對(duì)可吸入顆粒物在人體呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)沉積進(jìn)行全面的氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬研究，特別是建立基于時(shí)間濾波的大渦模擬亞時(shí)間尺度模型和可吸入顆粒物在非規(guī)則邊界復(fù)雜流道的精確運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)人體呼吸道中顆粒物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和沉積特性進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值研究，得出呼吸道內(nèi)氣流與顆粒間相互作用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及沉積特性，目前在國(guó)內(nèi)外研究也是鮮有報(bào)道 因此未來(lái)該領(lǐng)域的研究主要在如下方面進(jìn)行突破：（1）利用計(jì)算機(jī)X

25、射線斷層攝影術(shù)和核磁共振成像技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對(duì)正常人體呼吸道進(jìn)行完整的圖像數(shù)據(jù)采集；將所采集的圖像數(shù)據(jù)，應(yīng)用圖像圖形識(shí)別技術(shù)，轉(zhuǎn)換為與激光快速原型制造和Pro/ENGINEER等三維建模軟件兼容的STL格式數(shù)據(jù)，建立精確三維人體呼吸道幾何模型。（2）提出氣體湍流高精度數(shù)學(xué)物理模型，揭示不同的細(xì)微可吸入顆粒物如何通過鼻腔、口腔、氣管、支氣管最后進(jìn)入肺泡的運(yùn)動(dòng)過程，掌握細(xì)微顆粒在人體呼吸道中的遷移規(guī)律，分析不同細(xì)微可吸入顆粒物，在不同條件下，在各個(gè)部位的沉積附著機(jī)理，以掌握呼吸道內(nèi)氣流與細(xì)微顆粒間的相互作用和沉積特性。從而為更好明晰顆粒污染物治病機(jī)理和氣霧劑的治病機(jī)理提供良好的參考依據(jù)；

26、 （3）基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)得到的準(zhǔn)確人體呼吸道模型，利用快速成型技術(shù)和硅膠材料加工人體呼吸道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行于理論研究相應(yīng)的試驗(yàn)研究。參考文獻(xiàn)1 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2006年全國(guó)環(huán)境質(zhì)量狀況公告，資源與人居環(huán)境，2007，9，44-582 王緯，湯大鋼等，中國(guó)PM2.5污染狀況和污染特征的研究，環(huán)境科學(xué)研究，2000，13（1）：1-53 /air/pollution/bt/btinx.asp，Clean Air & Energy: Air Pollution: In Depth: Report Breath-taking Premature Mor

27、tality Due to Particulate Air Pollution in 239 American Cities4 5 李紅，曾凡剛，邵龍義等，可吸入顆粒物對(duì)人體健康危害的研究進(jìn)展，環(huán)境與健康，2002，19（1）：85-876 梁克為，唐曉敏，劉雪林等，空氣中可吸入顆粒物對(duì)患者危害的監(jiān)測(cè)與探討，中華醫(yī)院感染學(xué)，2003，13（3）：230-2327 時(shí)宗波，邵龍義，T.P. Jones，城市大氣可吸入顆粒物對(duì)質(zhì)粒DNA的氧化性損傷，科學(xué)通報(bào)，2004，7：673-6788 Cheng Yung-Sung, Zhou Yue, Chen Bean T. et al. Particl

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