本文關(guān)鍵詞：基于計算流體動力學(xué)的人體氣道內(nèi)空氣流動研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：氣道是人類機(jī)體與外界環(huán)境之間氣體交換所必須的通道,理解生理和病理狀態(tài)下的氣道的通氣功能具有重要科學(xué)與臨床意義。目前,利用多排CT,一次屏氣掃描即可獲得全肺高分辨率薄層解剖結(jié)構(gòu)圖像。然而,多排CT獲取的氣道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)無法明確反映高級生理(通氣)功能。計算流體動力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)是一種利用計算機(jī)和離散化求解流體力學(xué)問題的方法,可用于研究空氣在人體氣道中的流動情況。本文利用CFD方法研究了人體氣道內(nèi)的空氣流動。首先,構(gòu)建了理想、三維、二分叉、對稱氣道樹模型,研究了模型中的速度和壓力分布,考察了相似比、分叉角度和支氣管平面翻轉(zhuǎn)角度對空氣流動的影響。然后,針對4名左肺動脈吊帶(Left pulmonary artery sling, LPAS)患者,從CT圖像中提取氣管和主支氣管,建立結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)體重和入口面積確定個性化的入口流速,從而計算出LPAS患者氣管和支氣管中的空氣流速、壁面壓力、壁面剪切應(yīng)力的分布。另外,利用單向流固耦合方法,研究了流動作用下LPAS患者氣道壁面的變形和應(yīng)力分布。最后,基于CT圖像提取的多級氣道(128個出口)結(jié)構(gòu)模型,研究了瞬態(tài)情況下的空氣流動。主要結(jié)果包括：(1)在理想氣道樹模型中速度和壓力分布一般是對稱的,但從第四級支氣管開始不均勻；內(nèi)下支氣管內(nèi)的流速小于外上支氣管；改變分叉角度和支氣管平面翻轉(zhuǎn)角將提高壓降。(2)對于LPAS患者,由于氣管和(或)主支氣管的狹窄,壓降可達(dá)78.9-914.5 Pa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正�？刂剖軝z者(0.7 Pa)；左右主支氣管的質(zhì)量流量比與出口面積不相關(guān),可能的原因是C形氣管便于空氣流入左主支氣管(在慣性力的作用下)；與正常對照相比,LPAS患者氣道中的速度、壁面壓力和壁面剪切應(yīng)力分布更加不均勻,在狹窄處可觀察到高流速、低壁面壓力和高壁面剪切應(yīng)力。(3)LPAS患者氣道的壁面變形和等效應(yīng)力是正常對照者的50-900和90-100倍,氣管移動的方向與氣管形狀有關(guān),與凈支反力相反；速度和壁面厚度對變形和應(yīng)力的影響是非線性的。(4)對于本研究中的健康對象,氣道中各時相流線都比較光滑順暢,沒有發(fā)現(xiàn)明顯渦流；氣道通氣效率非常高。吸氣相的最大壓降等于22.85 Pa,呼氣相的最大壓降等于7.59 Pa；壁面壓力分布相對均勻,但吸氣相和呼氣相的規(guī)律不同；壁面剪切應(yīng)力非常小,在吸氣相和呼氣相的峰值基本相等,約為3.02 Pa；吸氣相和呼氣相中氣體混合的模式不同；吸氣相流量百分?jǐn)?shù)與呼氣相流量百分?jǐn)?shù)相差不大,與各肺葉體積比成正比�？梢�,基于CT影像提取的氣道結(jié)構(gòu)模型結(jié)合個體化的入口邊界條件,CFD可以提供更多關(guān)于氣道內(nèi)空氣流動的定量化信息,包括速度、壓降、壁面壓力、壁面剪切應(yīng)力、氣道壁面變形等。這些定量化信息將能幫助人們認(rèn)識生理和病理情況下的氣道通氣功能,通過與結(jié)構(gòu)信息相關(guān)聯(lián),從而揭示不同呼吸道疾病的發(fā)病機(jī)理。
【關(guān)鍵詞】：CT 計算流體動力學(xué) 氣道 氣流
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：R816.4
【目錄】：

• 中文摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-25
• 1.1 人體肺部和氣道的結(jié)構(gòu)與功能12-13
• 1.1.1 肺部結(jié)構(gòu)與功能12
• 1.1.2 氣道的結(jié)構(gòu)與功能12-13
• 1.2 計算流體動力學(xué)13-23
• 1.2.1 CFD簡介13-14
• 1.2.2 CFD流程14-15
• 1.2.3 流體控制方程15-17
• 1.2.4 流體計算方法17-18
• 1.2.5 求解算法18-23
• 1.3 研究現(xiàn)狀23
• 1.4 本文研究內(nèi)容23-25
• 第2章 理想化的6級氣道樹空氣動力學(xué)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 理想幾何模型26
• 2.3.2 網(wǎng)格劃分26-27
• 2.3.3 求解過程27-28
• 2.4 結(jié)果與討論28-30
• 2.4.1 速度和壓力28-29
• 2.4.2 參數(shù)的影響29-30
• 2.5 結(jié)論30-31
• 2.6 本章小結(jié)31-32
• 第3章 LAPS患者的空氣動力學(xué)仿真分析32-46
• 3.1 概述32
• 3.2 引言32-33
• 3.3 數(shù)據(jù)和方法33-35
• 3.3.1 數(shù)據(jù)33
• 3.3.2 方法33-34
• 3.3.3 模擬計算34-35
• 3.4 結(jié)果35-42
• 3.4.1 結(jié)構(gòu)特征,壓降及主流量35-38
• 3.4.2 壁面壓力,速度和壁面剪切應(yīng)力38-42
• 3.5 討論42-44
• 3.6 結(jié)論44-45
• 3.7 本章小結(jié)45-46
• 第4章 LAPS的流體固耦合分析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 數(shù)據(jù)和方法48-49
• 4.4 求解過程49
• 4.5 結(jié)果49-53
• 4.5.1 流速49-50
• 4.5.2 壁面變形和應(yīng)力變化50-51
• 4.5.3 反作用力51
• 4.5.4 入口流速,壁厚和楊氏模量對流動的影響51-53
• 4.6 討論53
• 4.7 結(jié)論53-54
• 4.8 本章小結(jié)54-55
• 第5章 人體氣道樹內(nèi)空氣流動的瞬態(tài)動力學(xué)仿真55-68
• 5.1 數(shù)據(jù)和方法55-57
• 5.1.1 數(shù)據(jù)55
• 5.1.2 方法55-57
• 5.2 結(jié)果分析與討論57-66
• 5.2.1 不同時相流動速度、壁面壓力和壁面剪切應(yīng)力57-60
• 5.2.2 氣體混合機(jī)理與各肺葉流量分布60-63
• 5.2.3 主要參數(shù)在不同時相的變化63-64
• 5.2.4 不同時相、不同截面上的流動速度分布64-66
• 5.3 結(jié)論66-67
• 5.4 本章小結(jié)67-68
• 第6章 總結(jié)與展望68-72
• 6.1 總結(jié)68-70
• 6.2 展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 致謝76-78
• 攻讀學(xué)位期間學(xué)術(shù)成果78

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 齊守良;岳勇;朱辰坤;郭啟勇;;一種人體氣道樹快速自動提取算法的設(shè)計[J];東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年02期

  本文關(guān)鍵詞：基于計算流體動力學(xué)的人體氣道內(nèi)空氣流動研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：339102