肺泡气流空气动力学数值模拟计算研究进展_欧新颖.pdf

综述肺泡气流空气动力学数值模拟计算研究进展欧新颖1，罗凤鸣2，万华靖2，王昭力1，阮畅1，陈宇11.四川大学力学科学与工程系，四川省生物力学工程实验室（成都 610065）2.四川大学华西医院呼吸与危重症医学科，肺免疫炎症研究室（成都 610041）【摘要】肺部疾病因其种类繁多、成因复杂、发病率高、治疗困难等，已成为威胁人类生命健康的一大杀手，部分疾病会对肺泡形态学和组织学产生较为明显的影响。基于计算流体力学的肺泡数值模拟，即对肺泡力学响应及肺泡内流场信息、多相流、物质传递等方面进行数值模拟，对肺部疾病诊断、临床治疗和体外实验有重大意义。该文从几何模型和力学模型的简化及病理差异入手，分析并总结了其在肺泡气流动力学计算方法的条件设置与应用场景，以为肺泡区开展进一步的模拟与应用提供参考。【关键词】肺泡；肺部疾病；数值模拟；计算流体力学；几何模型Research progress in computational fluid dynamics simulation of alveolar airflowsOU Xinying1,LUO Fengming2,WAN Huajing2,WANG Zhaoli1,RUAN Chang1,CHEN Yu11.Department of Applied Mechanics,Sichuan Province Biomechanical Engineering Laboratory,Sichuan University,Chengdu,Sichuan610065,P.R.China2.Department of Pulmonary and Critical Care Medicine and Laboratory of Pulmonary Immunology and Inflammation,West ChinaHospital,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610041,P.R.ChinaCorresponding author:CHEN Yu,Email:yu_【Abstract】Due to their diverse types,complex causes,high incidence,and difficult treatment,lung diseases havebecome major killers threatening human life and health,and some lung diseases have a significant impact on alveolarmorphology and histology.Numerical simulation of alveolar mechanical response,alveolar flow field information,multiphase flow,and material transport based on computational fluid dynamics is of great significance for lung diseasediagnosis,clinical treatment,and in vitro experiments.Starting from the simplification and pathological differences ofgeometric and mechanical models,this paper analyzes and summarizes the conditions and application scenarios of theairflow dynamics calculation method in pulmonary alveoli,to provide a reference for further simulation and application ofthe alveolar region.【Key words】Pulmonary alveoli;lung diseases;numerical simulation;computational fluid dynamics;geometricmodel呼吸道与外部相通，极易因空气质量、感染、衰老、遗传和免疫等一系列的因素而发病，并伴随有一系列的并发症。近几年新型冠状病毒感染疫情肆虐，严重扰乱了社会秩序，给人类社会造成了巨大的经济损失。大量证据表明，特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis,IPF）和急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）是新型冠状病毒感染的严重并发症1-2。IPF临床表现为进行性呼吸困难，终末期特征是严重的肺动脉高压伴肺心病1。同时，作为治疗手段之一的机械通气，一定程度上也会引起肺损伤，从而诱发肺部疾病。肺部疾病种类多、并发症多、成因复杂、发病率高，对生命健康的威胁性可见一斑。常见的肺部疾病如 ARDS、肺纤维化、慢性阻塞性肺疾病（慢阻肺）等，与肺泡形态学和组织学异常息息相关。弥漫性肺泡损伤是 ARDS、急性间质性肺炎、IPF 急性加重的典型病理改变，其主要机制是肺泡塌陷3。阻塞性肺气肿是慢阻肺的一种，肺泡扩张融合、组织弹性和黏性下降是其主要病理变化4-5。在过去几十年间，对肺部疾病与健康肺的肺泡模型对比及肺泡腔内流体力学特征的研究，能够DOI：10.7507/1002-0179.202212111基金项目：国家自然科学基金（32271542）；四川省科技计划项目（2022ZDZX0032，2021YFQ0030）；成都市科技项目（2018-CY02-00064-GX）；四川大学华西医院学科卓越发展 135 工程项目（ZYJC21023）通信作者：陈宇，Email：yu_华西医学 2023 年 7 月第 38 卷第 7 期 1107 http:/www.wcjm.org 帮助学者们更好地理解力学因素与相关疾病的联系及作用机制。对不同通气模式的模拟和药物气溶胶的沉积率计算则有助于改善相关治疗方式，提高救治率。同时，计算模拟的结果也会促进拟肺芯片等力学装置的研发与体外模拟实验的推进，更深入地探究微观尺度的病因与机制。因此，相关实验和模拟计算的研究是探寻力学-生物学耦合机制作用不可或缺的一环。1 肺泡力学特征对于肺组织的力学特征，学者们采用表面张力、肺阻力、肺顺应性等来表述。在呼吸过程中，肺泡随着呼吸收缩和膨胀，其行为会遵循肺回缩力与表面张力的正比关系，即遵从拉普拉斯定律6。肺泡表面有活性物质，会减小肺泡的表面张力，防止肺泡塌陷7。在呼吸过程中，肺器官往往会产生阻力，其主要来源之一是肺组织的黏弹性性质和肺泡隔膜上的黏液的作用，这会导致一定功的耗散8。肺阻力被定义为压力除以气流速率9。肺顺应性被定义为压力与体积的关系，讨论肺吸收同等体积气体施加力的能力，是肺功能的一项指标10。这往往用来表述肺组织的弹性特性，肺顺应性越低，其弹性阻力就越低，肺组织就越僵硬。在对于疾病的模拟计算中，吸气时肺气肿会因肺泡容量增大使肺顺应性增加，而呼气时其肺顺应性比健康肺泡更低11；纤维化肺则会使肺顺应性降低9。在呼吸过程中，尽管肺泡内流体的运动雷诺数很小，但依然呈现不可逆性12。只有在呼吸的过渡期间，近端肺泡才出现再循环13。但对于慢阻肺患者，其潮气量即使已经达到 714 mL，肺泡内也没有出现再循环11。再循环强度会对肺泡内气流和颗粒行为产生非常大的影响，这对药物气溶胶等的沉积率计算是一个相当重要的指标。气体会对肺泡壁产生应力，分为壁切应力和压力。壁切应力反映了气体与肺泡壁面的摩擦，压力是描述肺顺应性的一个重要物理量。2 肺泡的气流动力模拟2.1 几何模型2.1.1 医用影像技术在生物力学计算模拟中，医学影像技术是常用的构建三维模型手段之一，这种方法往往能构建更准确、更真实的模型。已有学者使用 CT 或 MRI 等技术，构建上呼吸道和部分气管支气管的三维几何模型以模拟计算14。但是与前者不同的是，肺泡体积小、难以定位且可及性低，使其真实三维模型的构建饱受限制。尽管有一些研究使用显微 CT 或基于 X 射线的生物样本成像等技术构建了小鼠的肺泡细胞15，但其操作之复杂耗时使其仍不能更广泛地应用于构建人体肺泡模型。因此许多研究基于肺组织观察和解剖尺寸，提出并应用了以下简化的理论模型。2.1.2 人工建模研究表明，肺泡几何形状对流场信息等计算结果影响较大16。因此几何模型的构建和选择十分重要，常见的肺泡简化模型主要有球形、十四面体和方位分割圆柱体等，其特点比较见表 1。根据 Weibel 等17建立的气道系统模型，人体的支气管分支有 23 级，17 级以下为肺泡区。支气管反复分支成无数细支气管，于末端膨大成囊，四周有突出的半球状小囊泡，即为肺泡。肺的微结构图片显示，肺泡壁大多数为六边形和矩形，少量为五边形18。肺泡间结缔组织为肺泡隔，上面的圆形小孔为肺泡孔。根据这种形态，不少研究均采用了球形作为肺泡的简化模型，但出于不同的研究目的，构建的肺泡囊仍大不相同，具体表现在球状肺泡的相对大小与位置排列的疏密程度上11,19-20。此外，与大多数直接长在柱形气管侧面的肺泡模型不同，Kolanjiyil 等21为球状肺泡延伸颈部，使其与相接的支气管组建成一种双分岔单元模型。Fung18基于分形几何理论，提出由 8 个六边形和 4 个正方形面构成的二阶十四面体肺泡理想模型。在此基础上，一些学者延伸出了呼吸性细支气管和蜂窝状的肺泡管（树）和肺泡囊的多肺泡理想模型18，并广泛应用9,22-26。Denny等27用线单元建立纤维束模型，并将其理想排列在十四面体上。除了前 2 种主流模型外，有些学者对肺泡几何模型的简化提出了不同的见解，如：Darquenne 等28、Ciloglu29使用了方位分割圆柱体表示肺泡囊，用均分的扇形柱表示单个肺泡；而Kannan 等30提出一种囊-喇叭的理想模型，简化了从呼吸性细支气管到肺泡（G17-G24）的形态结构。在此基础上，研究者简化病理导致的形态学差异建立肺泡疾病模型。肺纤维化表现在成纤维性细胞增殖和细胞质基质过度沉积，通常用肺泡模型壁厚增加来表现肺纤维化9,31-32。Chen 等9用十四面体模型壁面的外周变厚和整体均匀变厚分别表示 IPF 和非特异性间质性肺炎，以进行对比研究。在肺气肿的模型中，增加肺泡体积和表面接触损失，或者破坏肺泡间中隔面为通常表现方式11,25。除此之外，慢阻肺的肺泡模型比健康肺更大一些33。从肺泡的形态学而言，不同的简化方式根据其 1108 West China Medical Journal,Jul.2023,Vol.38,No.7 http:/www.wcjm.org特点适用于不同的应用场景。十四面体常常被应用在几个肺泡管树和肺泡囊的情况，而球状肺泡被应用于全肺的一条完整的气道通路上。同时，对肺泡孔精细结构的构建是十分有必要的。在大多数对肺泡的气流动力模拟中，肺泡的几何模型几乎没有构建肺泡孔，在支气管堵塞时，肺泡孔提供的额外气体通路能够缓解肺泡局部较高的压力34。尽管学者们利用理想化的人工建模构建了多肺泡模型，但人体内有数亿个肺泡，该方法并不适用于构建高数量级的肺泡模型。一些研究利用计算机算法构建高数量级的肺泡模型，如 Hofemeier等35采用泰勒多边形法构建了超 2 000 个肺泡。无论是人工建模和算法建模都对肺泡真实情况作了一定的简化，目前仍缺少对肺泡高数量级的真实模型的建立与模拟。2.2 力学模型肺泡本构模型的构建研究主要分为弹性和表面张力两部分。人肺组织试验表明，肺组织有滞后、应力松弛和蠕变现象，所以是黏弹性材料36。Monjezi 等22将 Fung37的准线性黏弹性模型应用到肺泡的计算模拟中。出于计算成本的考虑，一些学者对模型进行了一定的简化。不考虑黏弹性