肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法
【專利摘要】一種肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，包括：根據(jù)肺泡的幾何數(shù)據(jù)對肺泡進(jìn)行網(wǎng)格建模，建立肺泡動網(wǎng)格模型，設(shè)置肺泡動網(wǎng)格模型初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量；根據(jù)設(shè)置的初始量求解空氣流場的動量模型，并根據(jù)所述動量模型確定空氣流場的第一速度；根據(jù)空氣流場的連續(xù)方程獲得修正模型，并校驗獲得壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值；根據(jù)預(yù)設(shè)的收斂條件，判斷是否滿足收斂條件，若是，則獲得空氣流場模擬的結(jié)果；若否，則將所述壓強修正值、質(zhì)量通量修正值替換初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量，重新計算壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值，直至滿足收斂條件。本發(fā)明方案提高了空氣流場模擬的準(zhǔn)確性。
【專利說明】肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及肺泡模擬檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法。

【背景技術(shù)】
[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(huán)境向血液輸送氣體；氣體經(jīng)由血液進(jìn)入到各個組 織。隨著社會、經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，人類對生活環(huán)境的質(zhì)量要求不斷提高，對生存環(huán)境的保護(hù) 意識逐漸增強。工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境惡化所帶來的顆粒物污染已經(jīng)成為評價生活質(zhì)量和大氣質(zhì) 量的一個重要指標(biāo)之一。大氣氣溶膠顆粒物污染中，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(yuǎn)，在進(jìn)入人體呼吸道后，沒有沉積在呼吸道的傳 導(dǎo)氣管上，而是深入到人體呼吸道終末處的氣體交換區(qū)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污染有著直接或間接的聯(lián)系。 因此，研究可吸入顆粒物在呼吸道中的運動特性，對于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，對于保護(hù)人類的健康，保護(hù)環(huán)境，提高生活質(zhì)量具有積 極意義。
[0003] 傳統(tǒng)技術(shù)中采用數(shù)值模擬的方式對肺泡內(nèi)的空氣流場先進(jìn)行模擬，然后基于數(shù)值 模擬獲得顆粒物的運動特性。目前是通過建立簡化的氣管支氣管模型，借助計算流體動力 學(xué)對其中的空氣流動進(jìn)行模擬，這種模擬方式獲得的模擬數(shù)值與實際情況相差較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，有必要針對模擬準(zhǔn)確率低的問題，提供一種肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法。
[0005] -種肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，包括：
[0006] 根據(jù)肺泡的幾何數(shù)據(jù)對肺泡進(jìn)行網(wǎng)格建模，建立肺泡動網(wǎng)格模型，設(shè)置肺泡動網(wǎng) 格模型初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量；
[0007] 根據(jù)所述初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量求解空氣流場的動量模型，并根據(jù)所 述動量模型確定空氣流場的第一速度；
[0008] 根據(jù)空氣流場的連續(xù)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(zhì)量通量代入修正模型進(jìn)行修正，獲得壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值；
[0009] 根據(jù)預(yù)設(shè)的收斂條件，判斷所述壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值是否 滿足收斂條件，若是，根據(jù)壓強修正值和質(zhì)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，將壓強修正值、第二速度和質(zhì)量通量修正值設(shè)為空氣流場模擬的結(jié)果； 若否，則將所述壓強修正值、質(zhì)量通量修正值替換初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量，重新 計算壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值，直至滿足收斂條件。
[0010] 上述肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，通過根據(jù)實際的肺泡幾何數(shù)據(jù)對肺泡進(jìn)行網(wǎng)格建 模，大大提高了模型與人體肺泡的相似度。通過初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量求解空 氣流場的動量模型獲得空氣流場的第一速度，然后根據(jù)修正模型進(jìn)行修正，獲得壓強修正 值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值，以便滿足連續(xù)方程。通過預(yù)設(shè)的收斂條件判斷是否收 斂，從而可以得到模擬的空氣流場速度。提高了空氣流場模擬的準(zhǔn)確性和獲取空氣流場速 度的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高獲取肺泡內(nèi)顆粒運動軌跡的準(zhǔn)確性，從而可以根據(jù)運動軌跡制備藥 性很好的氣溶膠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法實施例的流程示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明實施例中肺泡動網(wǎng)格模型的正面示意圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明實施例中肺泡動網(wǎng)格模型的狀態(tài)示意圖；
[0014] 圖4為本發(fā)明實施例中呼吸過程中非穩(wěn)態(tài)時氣流流量示意圖；
[0015] 圖5為本發(fā)明實施例中肺泡囊的二維幾何模型；
[0016] 圖6為本發(fā)明實施例中穩(wěn)態(tài)氣流速度等值線YZ橫截面示意圖；
[0017] 圖7為本發(fā)明實施例中穩(wěn)態(tài)氣流速度等值線XZ截面示意圖；
[0018] 圖8為本發(fā)明實施例中穩(wěn)態(tài)氣流速度等值線XY截面示意圖；
[0019] 圖9為本發(fā)明實施例中穩(wěn)態(tài)氣流速度等值線XZ-XY截面示意圖；
[0020] 圖10為本發(fā)明實施例中穩(wěn)態(tài)氣流速度等值線χ-γ-ζ三截面示意圖；
[0021] 圖11為本發(fā)明實施例中1/10T時刻肺泡壁面靜止情況下第一級氣管上肺泡內(nèi)部 的流線圖；
[0022] 圖12為本發(fā)明實施例中1/10T時刻肺泡壁面擴張收縮運動情況下第一級氣管上 肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0023] 圖13為本發(fā)明實施例中1/5T時刻肺泡壁面靜止情況下第一級氣管上肺泡內(nèi)部的 流線圖；
[0024] 圖14為本發(fā)明實施例中1/5T時刻肺泡壁面擴張收縮運動情況下第一級氣管上肺 泡內(nèi)部的流線圖；
[0025] 圖15為本發(fā)明實施例中3/10T時刻肺泡壁面靜止情況下第一級氣管上肺泡內(nèi)部 的流線圖；
[0026] 圖16為本發(fā)明實施例中3/10T時刻肺泡壁面擴張收縮運動情況下第一級氣管上 肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0027] 圖17為本發(fā)明實施例中2/5T時刻肺泡壁面靜止情況下第一級氣管上肺泡內(nèi)部的 流線圖；
[0028] 圖18為本發(fā)明實施例中2/5T時刻肺泡壁面擴張收縮運動情況下第一級氣管上肺 泡內(nèi)部的流線圖；
[0029] 圖19為本發(fā)明實施例中在吸氣的峰值時刻第一級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0030] 圖20為本發(fā)明實施例中在吸氣的峰值時刻第三級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0031] 圖21為本發(fā)明實施例中在吸氣的峰值時刻第五級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0032] 圖22為本發(fā)明實施例中在吸氣的峰值時刻第七級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0033] 圖23為本發(fā)明實施例中在呼氣的峰值時刻第一級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0034] 圖24為本發(fā)明實施例中在呼氣的峰值時刻第三級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0035] 圖25為本發(fā)明實施例中在呼氣的峰值時刻第五級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0036] 圖26為本發(fā)明實施例中在呼氣的峰值時刻第七級上肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0037] 圖27為本發(fā)明實施例中呼吸強度為10L/min時第七級的肺泡在吸氣階段1/10T 時刻肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0038] 圖28為本發(fā)明實施例中呼吸強度為20L/min時第七級的肺泡在吸氣階段1/10T 時刻肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0039] 圖29為本發(fā)明實施例中呼吸強度為10L/min時第七級的肺泡在吸氣階段1/5T時 刻肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0040] 圖30為本發(fā)明實施例中呼吸強度為20L/min時第七級的肺泡在吸氣階段1/5T時 刻肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0041] 圖31為本發(fā)明實施例中呼吸強度為10L/min時第七級的肺泡在吸氣階段3/10T 時刻肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0042] 圖32為本發(fā)明實施例中呼吸強度為20L/min時第七級的肺泡在吸氣階段3/10T 時刻肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0043] 圖33為本發(fā)明實施例中呼吸強度為10L/min時第七級的肺泡在吸氣階段2/5T時 刻肺泡內(nèi)部的流線圖；
[0044] 圖34為本發(fā)明實施例中呼吸強度為20L/min時第七級的肺泡在吸氣階段2/5T時 刻肺泡內(nèi)部的流線圖。

【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于 此。
[0046] 如圖1所示，為本發(fā)明肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法實施例的流程示意圖，包括步驟：
[0047] 步驟S101 :根據(jù)肺泡的幾何數(shù)據(jù)對肺泡進(jìn)行網(wǎng)格建模，建立肺泡動網(wǎng)格模型，設(shè) 置肺泡動網(wǎng)格模型初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量；
[0048] 肺泡的幾何數(shù)據(jù)可以是指某一節(jié)肺泡的幾何數(shù)據(jù)。所述幾何數(shù)據(jù)可以包括：管長 參數(shù)，內(nèi)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(shù)。比如，可以是第18 節(jié)肺泡。幾何數(shù)據(jù)可以包括：管長為740 μ m，內(nèi)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(shù)為0. 283。
[0049] 本實施例還采用動網(wǎng)格模型模擬肺泡，提高模擬的真實性和相關(guān)性。
[0050] 步驟S102 :根據(jù)所述初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量求解空氣流場的動量模 型，并根據(jù)所述動量模型確定空氣流場的第一速度；
[0051] 動量模型可以根據(jù)動量守恒定律獲得。根據(jù)動量模型即可獲得空氣流場速度。比 如動量模型可以為：

【權(quán)利要求】
1. 一種肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，包括： 根據(jù)肺泡的幾何數(shù)據(jù)對肺泡進(jìn)行網(wǎng)格建模，建立肺泡動網(wǎng)格模型，設(shè)置肺泡動網(wǎng)格模 型初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量； 根據(jù)所述初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量求解空氣流場的動量模型，并根據(jù)所述動 量模型確定空氣流場的第一速度； 根據(jù)空氣流場的連續(xù)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(zhì)量通量代入修正模型進(jìn)行修正，獲得壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值； 根據(jù)預(yù)設(shè)的收斂條件，判斷所述壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值是否滿足 收斂條件，若是，根據(jù)壓強修正值和質(zhì)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，將壓強修正值、第二速度和質(zhì)量通量修正值設(shè)為空氣流場模擬的結(jié)果；若 否，則將所述壓強修正值、質(zhì)量通量修正值替換初始化的空氣流場壓強和質(zhì)量通量，重新計 算壓強修正值、速度修正值和質(zhì)量通量修正值，直至滿足收斂條件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，所述幾何數(shù)據(jù)包括： 管長參數(shù)，內(nèi)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(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，建立肺泡動網(wǎng)格模 型時，還包括對動網(wǎng)格模型進(jìn)行更新，包括： 根據(jù)肺泡的幾何數(shù)據(jù)對肺泡進(jìn)行網(wǎng)格建模后，檢測相鄰邊界網(wǎng)格的高度與預(yù)設(shè)優(yōu)化高 度值的差值，當(dāng)差值大于第一設(shè)定值時，在該相鄰邊界網(wǎng)格和邊界層之間增加一層網(wǎng)格，當(dāng) 差值小于第二設(shè)定值時，刪除該相鄰邊界網(wǎng)格，其中，所述相鄰邊界網(wǎng)格為與邊界層相鄰的 一層網(wǎng)格。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，所述肺泡動網(wǎng)格模 型中網(wǎng)格包括四面體、六面體、楔形體中的一種或多種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，所述肺泡動網(wǎng)格模 型的網(wǎng)格類型為混合網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為31萬。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，在建立肺泡動網(wǎng)格 模型過程中，還包括： 建立肺泡囊的二維幾何模型，用于模擬呼吸過程中的肺泡的擴張和收縮，其中，將前后 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， 肺泡位于該段氣管的正中位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，在建立肺泡囊的二 維幾何模型過程中，還包括設(shè)置肺泡和氣管的各個特征尺寸為隨時間變化的正弦函數(shù)：
其中，L(t)表示肺泡或氣管的特征尺寸的值，U表示幾何模型中的各個特征尺寸在吸 氣開始時或呼氣結(jié)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 示各個特征尺寸的擴張幅度，β = (c+i)1/3-i, c= (vmax-vmin)/vmin, vmax和vmin表示肺泡動 網(wǎng)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(yīng)在實際呼吸過程中呼 氣終了和吸氣終了時的體積。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的肺泡內(nèi)空氣流場模擬方法，其特征在于，在建立肺泡囊的二 維幾何模型過程中，還包括：根據(jù)呼吸過程中進(jìn)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(jù)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(jìn)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(jīng)過該段氣管后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】G06F9/455GK104090996SQ201410270587
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】李德波, 徐齊勝, 劉亞明 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院