肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法
2023-12-02 20:08:26 2
肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法
【專利摘要】一種肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，包括：根據肺泡的幾何數據對肺泡進行網格建模，建立肺泡動網格模型；對所述肺泡動網格模型中進行空氣流場模擬，獲得空氣流場的速度；根據肺泡的空氣流場的速度對肺泡的顆粒進行模擬，獲得顆粒數值模擬模型；根據顆粒數值模擬模型確定穩態和非穩態氣流下不同受力條件下不同顆粒在肺泡內的運動軌跡。本發明方案提高了獲取顆粒在肺泡內的運動軌跡的準確率，進而可以根據不同受力條件不同顆粒大小下顆粒的運動軌跡確定顆粒沉積規律，從而可以提高氣溶膠的藥性。
【專利說明】肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及檢測【技術領域】，特別是涉及一種肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法。
【背景技術】
[0002] 人體呼吸的主要功能是為身體的各個組織提供氧氣和排除二氧化碳廢氣，人體 的呼吸過程可以分為兩個階段：由外界環境向血液輸送氣體；氣體經由血液進入到各個組 織。隨著社會、經濟的不斷進步，人類對生活環境的質量要求不斷提高，對生存環境的保護 意識逐漸增強。工業生產和環境惡化所帶來的顆粒物汙染已經成為評價生活質量和大氣質 量的一個重要指標之一。大氣氣溶膠顆粒物汙染中，其中的部分微小的氣溶膠顆粒，尤其是 可吸入顆粒對人類的健康的影響更是深遠，在進入人體呼吸道後，沒有沉積在呼吸道的傳 導氣管上，而是深入到人體呼吸道終末處的氣體交換區沉積，很多研究表明這些顆粒對人 體健康的危害最大。研究指出，人類許多疾病都和吸入顆粒物汙染有著直接或間接的聯繫。 因此，研究可吸入顆粒物在呼吸道中的運動特性，對於幫助了解可吸入顆粒的致病機理以 及氣溶膠治療有著非常重要的意義，對於保護人類的健康，保護環境，提高生活質量具有積 極意義。
[0003] 傳統技術中通過建立簡化的氣管支氣管模型，藉助計算流體動力學對其中的空氣 流動進行數值模擬，獲得顆粒運動軌跡，根據運動軌跡確定顆粒沉積規律。然而，目前技術 中的模型與人體相關性較小，獲得的運動軌跡與實際情況相差較大。
【發明內容】
[0004] 基於此，有必要針對獲取顆粒運動軌跡準確率低的問題，提供一種肺泡內顆粒運 動軌跡的檢測方法。
[0005] -種肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，包括：
[0006] 根據肺泡的幾何數據對肺泡進行網格建模，建立肺泡動網格模型；
[0007] 對所述肺泡動網格模型中進行空氣流場模擬，獲得空氣流場的速度；
[0008] 根據肺泡的空氣流場的速度對肺泡的顆粒進行模擬，獲得顆粒數值模擬模型；
[0009] 根據顆粒數值模擬模型確定穩態和非穩態氣流下不同受力條件下不同顆粒在肺 泡內的運動軌跡。
[0010] 上述肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，通過根據實際的肺泡幾何數據對肺泡進行 網格建模，大大提高了模型與人體肺泡的相似度。通過對所述肺泡動網格模型中進行空氣 流場模擬，獲得空氣流場的速度；根據肺泡的空氣流場的速度對肺泡的顆粒進行模擬，獲 得顆粒數值模擬模型；從而可以根據顆粒數值模擬模型確定穩態和非穩態氣流下、不同受 力條件下、不同顆粒直徑下顆粒在肺泡內的運動軌跡。提高了獲取顆粒在肺泡內的運動軌 跡的準確率，進而可以根據不同受力條件不同顆粒直徑下顆粒的運動軌跡確定顆粒沉積規 律，從而提高氣溶膠的藥性。
【專利附圖】
【附圖說明】 toon] 圖1為本發明肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法實施例的流程示意圖；
[0012] 圖2為本發明實施例中肺泡動網格模型的正面示意圖；
[0013] 圖3為本發明實施例中肺泡動網格模型的狀態示意圖；
[0014] 圖4為呼吸過程中非穩態時氣流流量示意圖；
[0015] 圖5為肺泡囊的二維幾何模型示意圖；
[0016] 圖6為本發明應用實例中不同受力條件下0. 1 μ m顆粒在肺泡模型內穩態氣流下 的運動軌跡示意圖；
[0017] 圖7為本發明應用實例中不同受力條件下1. 0 μ m顆粒在肺泡模型內穩態氣流下 的運動軌跡示意圖；
[0018] 圖8為本發明應用實例中不同受力條件下10 μ m顆粒在肺泡模型內穩態氣流下的 運動軌跡示意圖；
[0019] 圖9為本發明應用實例中在完整力作用下各個時間間隔中0. 1 μ m顆粒所在位置 示意圖；
[0020] 圖10為本發明應用實例中在重力作用下各個時間間隔中0. 1 μ m顆粒所在位置示 意圖；
[0021] 圖11為本發明應用實例中在失重作用下各個時間間隔中0. 1 μ m顆粒所在位置示 意圖；
[0022] 圖12為本發明應用實例中在完整力作用下各個時間間隔中1. 0 μ m顆粒所在位置 示意圖；
[0023] 圖13為本發明應用實例中在重力作用下各個時間間隔中1. 0 μ m顆粒所在位置示 意圖；
[0024] 圖14為本發明應用實例中在失重作用下各個時間間隔中1. 0 μ m顆粒所在位置示 意圖；
[0025] 圖15為本發明應用實例中在完整力作用下各個時間間隔中10 μ m顆粒所在位置 示意圖；
[0026] 圖16為本發明應用實例中在重力作用下各個時間間隔中10 μ m顆粒所在位置示 意圖；
[0027] 圖17為本發明應用實例中在失重作用下各個時間間隔中10 μ m顆粒所在位置示 意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明，但本發明的實施方式不限於 此。
[0029] 如圖1所示，為本發明肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法實施例的流程示意圖，包 括步驟：
[0030] 步驟S101 :根據肺泡的幾何數據對肺泡進行網格建模，建立肺泡動網格模型；
[0031] 肺泡的幾何數據可以是指某一節肺泡的幾何數據。所述幾何數據可以包括：管長 參數，內腔直徑，肺泡直徑，兩肺泡間的中心距離，肺泡開口角，呼吸參數。比如，可以是第18 節肺泡。幾何數據可以包括：管長為740 μ m，內腔直徑為320 μ m，肺泡直徑為320 μ m，兩肺 泡間的中心距離為340 μ m,肺泡開口角為120° ,呼吸參數為0. 283。
[0032] 本實施例還採用動網格模型模擬肺泡，提高模擬的真實性和相關性。肺泡動網格 模型可以為3D模型。
[0033] 步驟S102 :對所述肺泡動網格模型中進行空氣流場模擬，獲得空氣流場的速度；
[0034] 進行空氣流場模擬的方法有很多種，比如可以採用Fluent軟體進行空氣流場模 擬。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)等方法計算空氣 流場的速度。
[0035] 步驟S103 :根據肺泡的空氣流場的速度對肺泡的顆粒進行模擬，獲得顆粒數值模 擬模型；
[0036] 顆粒數值模擬模型是一種數學模型，是可以用於計算顆粒在肺泡內運動軌跡的模 型。
[0037] 步驟S104 :根據顆粒數值模擬模型確定穩態和非穩態氣流下不同受力條件下不 同顆粒在肺泡內的運動軌跡。
[0038] 不同受力條件可以包括完整作用、失重作用和重力作用等情況。不同顆粒可以是 指直徑不同的顆粒。比如，直徑分別為〇. 1 μ m，1. 0 μ m和10 μ m的顆粒。在穩態氣流測試 時，可以將這些顆粒均勻的從肺泡的入口隨氣流一起射入肺泡內。其中，顆粒的入口速度可 以與空氣流場速度一致。
[0039] 本實施例通過根據實際的肺泡幾何數據對肺泡進行網格建模，大大提高了模型與 人體肺泡的相似度。通過對所述肺泡動網格模型中進行空氣流場模擬，獲得空氣流場的速 度；根據肺泡的空氣流場的速度對肺泡的顆粒進行模擬，獲得顆粒數值模擬模型；從而可 以根據顆粒數值模擬模型確定穩態和非穩態氣流下不同受力條件下不同顆粒在肺泡內的 運動軌跡。提高了獲取顆粒在肺泡內運動軌跡的準確率，進而可以根據不同受力條件不同 大小顆粒的運動軌跡確定顆粒沉積規律，從而提高氣溶膠的藥性。
[0040] 在其中一個實施例中，所述顆粒數值模擬模型包括：
【權利要求】
1. 一種肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，包括： 根據肺泡的幾何數據對肺泡進行網格建模，建立肺泡動網格模型； 對所述肺泡動網格模型中進行空氣流場模擬，獲得空氣流場的速度； 根據肺泡的空氣流場的速度對肺泡的顆粒進行模擬，獲得顆粒數值模擬模型； 根據顆粒數值模擬模型確定穩態和非穩態氣流下不同受力條件下不同顆粒在肺泡內 的運動軌跡。
2. 根據權利要求1所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，所述顆粒數 值模擬模型包括：
其中，xp表示t時刻顆粒在空氣流場中的位置，up表示顆粒的速度，U表示空氣流場的 速度，FD表示作用在顆粒上的拽力，Pp表示顆粒的密度，P表示空氣流場的密度，gi表示 重力矢量，F B表示作用於顆粒上的布朗力，μ表示空氣流場的粘度，dp表示顆粒的直徑，Cc 表示滑移修正係數，λ表示分子的平均自由程，表示一個具有零平均值和單位方差的高 斯隨機矢量，\表示白噪聲過程的幅度，v表示空氣的動力粘度，k B = 1. 38 X 1(Γ16, T表示空 氣流場的溫度。
3. 根據權利要求1所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，所述對所述 肺泡動網格模型中進行空氣流場模擬，獲得空氣流場的速度步驟，包括： 設置肺泡動網格模型初始化的空氣流場壓強和質量通量； 根據所述初始化的空氣流場壓強和質量通量求解空氣流場的動量模型，並根據所述動 量模型確定空氣流場的第一速度； 根據空氣流場的連續方程獲得修正模型，將所述第一速度、初始化的空氣流場壓強和 質量通量代入修正模型進行修正，獲得壓強修正值、速度修正值和質量通量修正值； 根據預設的收斂條件，判斷所述壓強修正值、速度修正值和質量通量修正值是否滿足 收斂條件，若是，根據壓強修正值和質量通量修正值求解空氣流場的動量模型，得到空氣流 場的第二速度，將第二速度設為空氣流場的速度；若否，則將所述壓強修正值、質量通量修 正值替換初始化的空氣流場壓強和質量通量，重新計算壓強修正值、速度修正值和質量通 量修正值，直至滿足收斂條件。
4. 根據權利要求1所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，所述幾何數 據包括：管長參數，內腔直徑，肺泡直徑，兩肺泡間的中心距離，肺泡開口角，呼吸參數。
5. 根據權利要求1所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，建立肺泡動 網格模型時，還包括對動網格模型進行更新，包括： 根據肺泡的幾何數據對肺泡進行網格建模後，檢測相鄰邊界網格的高度與預設優化高 度值的差值，當差值大於第一設定值時，在該相鄰邊界網格和邊界層之間增加一層網格，當 差值小於第二設定值時，刪除該相鄰邊界網格，其中，所述相鄰邊界網格為與邊界層相鄰的 一層網格。
6. 根據權利要求1所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，所述肺泡動 網格模型中網格包括四面體、六面體、楔形體中的一種或多種。
7. 根據權利要求1所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，所述肺泡動 網格模型的網格類型為混合網格，網格數為31萬。
8. 根據權利要求1所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，在建立肺泡 動網格模型過程中，還包括： 建立肺泡囊的二維幾何模型，用於模擬呼吸過程中的肺泡的擴張和收縮，其中，將前後 開口的圓柱管形模擬呼吸道中的氣管，將連接在圓柱壁面上的圓形模擬呼吸道中的肺泡， 肺泡位於該段氣管的正中位置。
9. 根據權利要求8所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，在建立肺泡 囊的二維幾何模型過程中，還包括設置肺泡和氣管的各個特徵尺寸為隨時間變化的正弦函 數：
其中，L(t)表示肺泡或氣管的特徵尺寸的值，U表示幾何模型中的各個特徵尺寸在吸 氣開始時或呼氣結束時的值，f表示呼吸的頻率，f = 2 π /T，T表示呼吸的周期時間，β表 示各個特徵尺寸的擴張幅度，β = (c+i)1/3-i, c= (vmax-vmin)/vmin, vmax和vmin表示肺泡動 網格模型的最大體積和最小體積，所述最大體積和最小體積分別對應在實際呼吸過程中呼 氣終了和吸氣終了時的體積。
10. 根據權利要求9所述的肺泡內顆粒運動軌跡的檢測方法，其特徵在於，在建立肺泡 囊的二維幾何模型過程中，還包括：根據呼吸過程中進出肺泡的氣體流量與流過肺泡所處 氣管的氣體流量的比值確定肺泡在呼吸道上所處位置，根據所述位置建立肺泡囊的二維幾 何模型，其中：
Qa(t)表示呼吸過程中進出肺泡的氣體流量，Ra表示肺泡半徑，Qd(t)表示流過肺泡所 處氣管的氣體流量，Vt表示將經過該段氣管後的所有氣管及氣管上所有肺泡的體積求和獲 得的值。
【文檔編號】G06F17/50GK104050321SQ201410271177
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】李德波, 徐齊勝, 劉亞明 申請人:廣東電網公司電力科學研究院