肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法
【专利摘要】一种肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，包括：根据肺泡的几何数据对肺泡进行网格建模，建立肺泡动网格模型；对所述肺泡动网格模型中进行空气流场模拟，获得空气流场的速度；根据肺泡的空气流场的速度对肺泡的颗粒进行模拟，获得颗粒数值模拟模型；根据颗粒数值模拟模型确定稳态和非稳态气流下不同受力条件下不同颗粒在肺泡内的运动轨迹。本发明方案提高了获取颗粒在肺泡内的运动轨迹的准确率，进而可以根据不同受力条件不同颗粒大小下颗粒的运动轨迹确定颗粒沉积规律，从而可以提高气溶胶的药性。
【专利说明】肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及检测【技术领域】，特别是涉及一种肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法。
【背景技术】
[0002] 人体呼吸的主要功能是为身体的各个组织提供氧气和排除二氧化碳废气，人体 的呼吸过程可以分为两个阶段：由外界环境向血液输送气体；气体经由血液进入到各个组 织。随着社会、经济的不断进步，人类对生活环境的质量要求不断提高，对生存环境的保护 意识逐渐增强。工业生产和环境恶化所带来的颗粒物污染已经成为评价生活质量和大气质 量的一个重要指标之一。大气气溶胶颗粒物污染中，其中的部分微小的气溶胶颗粒，尤其是 可吸入颗粒对人类的健康的影响更是深远，在进入人体呼吸道后，没有沉积在呼吸道的传 导气管上，而是深入到人体呼吸道终末处的气体交换区沉积，很多研究表明这些颗粒对人 体健康的危害最大。研究指出，人类许多疾病都和吸入颗粒物污染有着直接或间接的联系。 因此，研究可吸入颗粒物在呼吸道中的运动特性，对于帮助了解可吸入颗粒的致病机理以 及气溶胶治疗有着非常重要的意义，对于保护人类的健康，保护环境，提高生活质量具有积 极意义。
[0003] 传统技术中通过建立简化的气管支气管模型，借助计算流体动力学对其中的空气 流动进行数值模拟，获得颗粒运动轨迹，根据运动轨迹确定颗粒沉积规律。然而，目前技术 中的模型与人体相关性较小，获得的运动轨迹与实际情况相差较大。
【发明内容】
[0004] 基于此，有必要针对获取颗粒运动轨迹准确率低的问题，提供一种肺泡内颗粒运 动轨迹的检测方法。
[0005] -种肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，包括：
[0006] 根据肺泡的几何数据对肺泡进行网格建模，建立肺泡动网格模型；
[0007] 对所述肺泡动网格模型中进行空气流场模拟，获得空气流场的速度；
[0008] 根据肺泡的空气流场的速度对肺泡的颗粒进行模拟，获得颗粒数值模拟模型；
[0009] 根据颗粒数值模拟模型确定稳态和非稳态气流下不同受力条件下不同颗粒在肺 泡内的运动轨迹。
[0010] 上述肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，通过根据实际的肺泡几何数据对肺泡进行 网格建模，大大提高了模型与人体肺泡的相似度。通过对所述肺泡动网格模型中进行空气 流场模拟，获得空气流场的速度；根据肺泡的空气流场的速度对肺泡的颗粒进行模拟，获 得颗粒数值模拟模型；从而可以根据颗粒数值模拟模型确定稳态和非稳态气流下、不同受 力条件下、不同颗粒直径下颗粒在肺泡内的运动轨迹。提高了获取颗粒在肺泡内的运动轨 迹的准确率，进而可以根据不同受力条件不同颗粒直径下颗粒的运动轨迹确定颗粒沉积规 律，从而提高气溶胶的药性。
【专利附图】
【附图说明】 toon] 图1为本发明肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法实施例的流程示意图；
[0012] 图2为本发明实施例中肺泡动网格模型的正面示意图；
[0013] 图3为本发明实施例中肺泡动网格模型的状态示意图；
[0014] 图4为呼吸过程中非稳态时气流流量示意图；
[0015] 图5为肺泡囊的二维几何模型示意图；
[0016] 图6为本发明应用实例中不同受力条件下0. 1 μ m颗粒在肺泡模型内稳态气流下 的运动轨迹示意图；
[0017] 图7为本发明应用实例中不同受力条件下1. 0 μ m颗粒在肺泡模型内稳态气流下 的运动轨迹示意图；
[0018] 图8为本发明应用实例中不同受力条件下10 μ m颗粒在肺泡模型内稳态气流下的 运动轨迹示意图；
[0019] 图9为本发明应用实例中在完整力作用下各个时间间隔中0. 1 μ m颗粒所在位置 示意图；
[0020] 图10为本发明应用实例中在重力作用下各个时间间隔中0. 1 μ m颗粒所在位置示 意图；
[0021] 图11为本发明应用实例中在失重作用下各个时间间隔中0. 1 μ m颗粒所在位置示 意图；
[0022] 图12为本发明应用实例中在完整力作用下各个时间间隔中1. 0 μ m颗粒所在位置 示意图；
[0023] 图13为本发明应用实例中在重力作用下各个时间间隔中1. 0 μ m颗粒所在位置示 意图；
[0024] 图14为本发明应用实例中在失重作用下各个时间间隔中1. 0 μ m颗粒所在位置示 意图；
[0025] 图15为本发明应用实例中在完整力作用下各个时间间隔中10 μ m颗粒所在位置 示意图；
[0026] 图16为本发明应用实例中在重力作用下各个时间间隔中10 μ m颗粒所在位置示 意图；
[0027] 图17为本发明应用实例中在失重作用下各个时间间隔中10 μ m颗粒所在位置示 意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于 此。
[0029] 如图1所示，为本发明肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法实施例的流程示意图，包 括步骤：
[0030] 步骤S101 :根据肺泡的几何数据对肺泡进行网格建模，建立肺泡动网格模型；
[0031] 肺泡的几何数据可以是指某一节肺泡的几何数据。所述几何数据可以包括：管长 参数，内腔直径，肺泡直径，两肺泡间的中心距离，肺泡开口角，呼吸参数。比如，可以是第18 节肺泡。几何数据可以包括：管长为740 μ m，内腔直径为320 μ m，肺泡直径为320 μ m，两肺 泡间的中心距离为340 μ m,肺泡开口角为120° ,呼吸参数为0. 283。
[0032] 本实施例还采用动网格模型模拟肺泡，提高模拟的真实性和相关性。肺泡动网格 模型可以为3D模型。
[0033] 步骤S102 :对所述肺泡动网格模型中进行空气流场模拟，获得空气流场的速度；
[0034] 进行空气流场模拟的方法有很多种，比如可以采用Fluent软件进行空气流场模 拟。可以米用 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)方法、 SIMPLEC 方法或 PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators)等方法计算空气 流场的速度。
[0035] 步骤S103 :根据肺泡的空气流场的速度对肺泡的颗粒进行模拟，获得颗粒数值模 拟模型；
[0036] 颗粒数值模拟模型是一种数学模型，是可以用于计算颗粒在肺泡内运动轨迹的模 型。
[0037] 步骤S104 :根据颗粒数值模拟模型确定稳态和非稳态气流下不同受力条件下不 同颗粒在肺泡内的运动轨迹。
[0038] 不同受力条件可以包括完整作用、失重作用和重力作用等情况。不同颗粒可以是 指直径不同的颗粒。比如，直径分别为〇. 1 μ m，1. 0 μ m和10 μ m的颗粒。在稳态气流测试 时，可以将这些颗粒均匀的从肺泡的入口随气流一起射入肺泡内。其中，颗粒的入口速度可 以与空气流场速度一致。
[0039] 本实施例通过根据实际的肺泡几何数据对肺泡进行网格建模，大大提高了模型与 人体肺泡的相似度。通过对所述肺泡动网格模型中进行空气流场模拟，获得空气流场的速 度；根据肺泡的空气流场的速度对肺泡的颗粒进行模拟，获得颗粒数值模拟模型；从而可 以根据颗粒数值模拟模型确定稳态和非稳态气流下不同受力条件下不同颗粒在肺泡内的 运动轨迹。提高了获取颗粒在肺泡内运动轨迹的准确率，进而可以根据不同受力条件不同 大小颗粒的运动轨迹确定颗粒沉积规律，从而提高气溶胶的药性。
[0040] 在其中一个实施例中，所述颗粒数值模拟模型包括：
【权利要求】
1. 一种肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，包括： 根据肺泡的几何数据对肺泡进行网格建模，建立肺泡动网格模型； 对所述肺泡动网格模型中进行空气流场模拟，获得空气流场的速度； 根据肺泡的空气流场的速度对肺泡的颗粒进行模拟，获得颗粒数值模拟模型； 根据颗粒数值模拟模型确定稳态和非稳态气流下不同受力条件下不同颗粒在肺泡内 的运动轨迹。
2. 根据权利要求1所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，所述颗粒数 值模拟模型包括：
其中，xp表示t时刻颗粒在空气流场中的位置，up表示颗粒的速度，U表示空气流场的 速度，FD表示作用在颗粒上的拽力，Pp表示颗粒的密度，P表示空气流场的密度，gi表示 重力矢量，F B表示作用于颗粒上的布朗力，μ表示空气流场的粘度，dp表示颗粒的直径，Cc 表示滑移修正系数，λ表示分子的平均自由程，表示一个具有零平均值和单位方差的高 斯随机矢量，\表示白噪声过程的幅度，v表示空气的动力粘度，k B = 1. 38 X 1(Γ16, T表示空 气流场的温度。
3. 根据权利要求1所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，所述对所述 肺泡动网格模型中进行空气流场模拟，获得空气流场的速度步骤，包括： 设置肺泡动网格模型初始化的空气流场压强和质量通量； 根据所述初始化的空气流场压强和质量通量求解空气流场的动量模型，并根据所述动 量模型确定空气流场的第一速度； 根据空气流场的连续方程获得修正模型，将所述第一速度、初始化的空气流场压强和 质量通量代入修正模型进行修正，获得压强修正值、速度修正值和质量通量修正值； 根据预设的收敛条件，判断所述压强修正值、速度修正值和质量通量修正值是否满足 收敛条件，若是，根据压强修正值和质量通量修正值求解空气流场的动量模型，得到空气流 场的第二速度，将第二速度设为空气流场的速度；若否，则将所述压强修正值、质量通量修 正值替换初始化的空气流场压强和质量通量，重新计算压强修正值、速度修正值和质量通 量修正值，直至满足收敛条件。
4. 根据权利要求1所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，所述几何数 据包括：管长参数，内腔直径，肺泡直径，两肺泡间的中心距离，肺泡开口角，呼吸参数。
5. 根据权利要求1所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，建立肺泡动 网格模型时，还包括对动网格模型进行更新，包括： 根据肺泡的几何数据对肺泡进行网格建模后，检测相邻边界网格的高度与预设优化高 度值的差值，当差值大于第一设定值时，在该相邻边界网格和边界层之间增加一层网格，当 差值小于第二设定值时，删除该相邻边界网格，其中，所述相邻边界网格为与边界层相邻的 一层网格。
6. 根据权利要求1所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，所述肺泡动 网格模型中网格包括四面体、六面体、楔形体中的一种或多种。
7. 根据权利要求1所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，所述肺泡动 网格模型的网格类型为混合网格，网格数为31万。
8. 根据权利要求1所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，在建立肺泡 动网格模型过程中，还包括： 建立肺泡囊的二维几何模型，用于模拟呼吸过程中的肺泡的扩张和收缩，其中，将前后 开口的圆柱管形模拟呼吸道中的气管，将连接在圆柱壁面上的圆形模拟呼吸道中的肺泡， 肺泡位于该段气管的正中位置。
9. 根据权利要求8所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，在建立肺泡 囊的二维几何模型过程中，还包括设置肺泡和气管的各个特征尺寸为随时间变化的正弦函 数：
其中，L(t)表示肺泡或气管的特征尺寸的值，U表示几何模型中的各个特征尺寸在吸 气开始时或呼气结束时的值，f表示呼吸的频率，f = 2 π /T，T表示呼吸的周期时间，β表 示各个特征尺寸的扩张幅度，β = (c+i)1/3-i, c= (vmax-vmin)/vmin, vmax和vmin表示肺泡动 网格模型的最大体积和最小体积，所述最大体积和最小体积分别对应在实际呼吸过程中呼 气终了和吸气终了时的体积。
10. 根据权利要求9所述的肺泡内颗粒运动轨迹的检测方法，其特征在于，在建立肺泡 囊的二维几何模型过程中，还包括：根据呼吸过程中进出肺泡的气体流量与流过肺泡所处 气管的气体流量的比值确定肺泡在呼吸道上所处位置，根据所述位置建立肺泡囊的二维几 何模型，其中：
Qa(t)表示呼吸过程中进出肺泡的气体流量，Ra表示肺泡半径，Qd(t)表示流过肺泡所 处气管的气体流量，Vt表示将经过该段气管后的所有气管及气管上所有肺泡的体积求和获 得的值。
【文档编号】G06F17/50GK104050321SQ201410271177
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】李德波, 徐齐胜, 刘亚明 申请人:广东电网公司电力科学研究院