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基于CFD的吸入疗法药物颗粒呼吸道输运数值模拟研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代医学的不断进步，吸入疗法作为一种直接将药物输送至呼吸系统的治疗方式，在临床实践中得到了广泛应用。该疗法通过将药物制成气溶胶形式，使患者在呼吸过程中，药物颗粒随气流进入呼吸道及肺部，从而实现药物对气道黏膜的直接作用，达到治疗疾病的目的。吸入疗法具有诸多显著优势，例如起效迅速，能让药物快速抵达病变部位发挥作用；无创伤，避免了传统注射等治疗方式对身体造成的损伤；痛苦小，患者更容易接受；安全性好，能减少全身不良反应的发生。正因如此，吸入疗法在治疗哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、支气管炎、肺炎等呼吸系统疾病方面，成为了重要的治疗手段。

药物颗粒在呼吸道内的输运过程对吸入疗法的有效性和安全性起着关键作用。呼吸道是一个极其复杂的生理结构，从鼻腔、喉部开始，经过气管、各级支气管，最终延伸至肺部，其内部的气流特性、几何形状以及生理功能在不同部位都存在着显著差异。药物颗粒在这样复杂的环境中输运，会受到多种因素的影响。气流速度和方向的变化会直接影响药物颗粒的运动轨迹，在呼吸道的弯曲部位或分支处，气流会发生分流和转向，导致药物颗粒的分布不均匀；呼吸道的几何形状，如管径的大小、弯曲程度等，会影响药物颗粒与气道壁的碰撞概率，较大的颗粒更容易在管径较小或弯曲处沉积；颗粒自身的物理特性，如粒径大小、密度、形状等，也决定了其在呼吸道内的运动和沉积行为，粒径较小的颗粒能够更深入地到达肺部，而粒径较大的颗粒则更容易在呼吸道的上部沉积。药物颗粒在呼吸道内的沉积位置和沉积量，直接关系到药物能否有效地作用于病变部位，以及是否会引发不必要的不良反应。如果药物颗粒不能准确地输送到目标区域，就可能导致治疗效果不佳，无法达到预期的治疗目的；而如果药物颗粒在非目标区域过度沉积，则可能引起局部刺激、炎症等不良反应，影响患者的治疗体验和康复进程。

为了深入理解药物颗粒在呼吸道内的输运机制，优化吸入疗法的治疗效果，数值模拟研究具有重要的理论和实践意义。传统的实验研究方法虽然能够直接获取一些数据，但受到实验条件、测量技术等因素的限制，存在一定的局限性。例如，实验研究难以精确测量呼吸道内部复杂的流场和颗粒运动情况，而且实验成本较高，难以对各种不同条件进行全面的研究。相比之下，数值模拟方法能够通过建立数学模型，对药物颗粒在呼吸道内的输运过程进行全面、细致的模拟分析。运用计算流体力学（CFD）等技术，可以精确地模拟呼吸道内的气流场，计算药物颗粒在气流中的受力情况和运动轨迹，分析颗粒与气流之间的相互作用。通过数值模拟，能够深入研究不同因素对药物颗粒输运过程的影响，如吸气流速、药物颗粒的物理特性、呼吸道的几何形状等。这有助于为吸入疗法的临床应用提供科学依据，优化治疗方案，提高治疗效果和安全性。例如，通过数值模拟可以确定最佳的药物颗粒粒径和吸入装置参数，以提高药物在肺部的沉积效率，减少在呼吸道其他部位的不必要沉积；还可以预测不同患者个体的呼吸道内药物颗粒的输运情况，为个性化治疗提供指导。数值模拟研究还能够为新型吸入装置的研发提供理论支持，推动吸入疗法技术的不断创新和发展。

1.2国内外研究现状

在吸入疗法药物颗粒输运数值模拟领域，国内外学者开展了大量研究，取得了一系列具有重要价值的成果。

国外方面，早在20世纪末，一些研究团队就开始运用数值模拟方法对呼吸道内的气流和颗粒运动进行初步探索。随着计算技术的飞速发展，数值模拟的精度和复杂度不断提高。例如，[国外研究者姓名1]等人运用先进的计算流体力学（CFD）技术，建立了高精度的三维呼吸道模型，深入研究了不同粒径药物颗粒在呼吸道内的运动轨迹和沉积规律。通过模拟，他们发现粒径较小的颗粒更容易随着气流深入肺部，而粒径较大的颗粒则更倾向于在呼吸道的上部，如鼻腔、喉部等部位沉积。[国外研究者姓名2]的团队则着重研究了吸气流速对药物颗粒输运的影响，通过改变吸气流速进行多组数值模拟实验，结果表明吸气流速的增加会使药物颗粒的运动速度加快，但同时也可能导致颗粒在呼吸道内的沉积分布发生变化，在高流速下，颗粒更容易在呼吸道的弯曲部位和分支处沉积。在研究药物颗粒与气流的相互作用方面，[国外研究者姓名3]提出了一种考虑颗粒与气流之间双向耦合作用的数值模型，该模型能够更准确地模拟药物颗粒在气流中的受力情况和运动行为，为深入理解药物颗粒在呼吸道内的输运机制提供了新的思路。

国内在该领域的研究起步相对较晚，但近年来发展迅速，众多科研机构和高校积极投入到相关研究中。[国内研究者姓名1]等学者通过对大量人体呼吸道CT图像的分析，建立了具有高度几何相似性的呼吸道模型，并结合数值模拟技术，研究了不同形状药物颗粒在呼吸道内的输运特性。实验发现，非球形颗粒的沉积行为与球形