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《四川大学》 2004年
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肺支气管树三维形态模拟及其内部气体流动的研究

黄秀义  
【摘要】:肺气管树是人体肺毛细血管与大气之间进行气体交换的通道。呼吸系统的生理机能与呼吸道内气体的流动密切相关。临床医学表明,呼吸道疾病的症状多发生在气管分岔部分,因此研究分岔管道内的气体流动过程对深刻认识人体呼吸道疾病发作机理,优化和控制气溶胶药物在呼吸道内的输送过程等具有重要的理论意义。 虽然前人已经做了很多相关方面的研究,但在探讨肺支气管树的三维气体流动方面基本上都是基于Weibel模型的平面对称分叉,且分叉级数仅限于二级,没有考虑到人体肺支气管树的空间不对称性。 本文建立了一个更能反映肺支气管树三维特征的模型。笔者分析肺支气管树的解剖学资料,基于最小能耗的思想,用空间体划分的方法来描述气管树的分形特征,建立描述肺气管树形态的三维数学模型,并且得到各级的长度、分叉角度和管径的具体参数。所生成的图形在形态与几何参数上与现有统计数据很吻合。关于肺泡端的图形模拟,笔者从分形几何角度,以14面体作为肺泡的基本结构单元,通过一阶和二阶的14面体组合以及一系列数学变换,在图形生成过程中加入随机参数,并进行边界的模糊运算以及肺泡面的夹角钝化处理,使运算产生的肺小叶和肺泡与真实的肺泡图形较为接近。计算结果表明自然界的复杂形体可由数学方法描述。 根据所生成的肺支气管树三维非对称数学模型,笔者首先运用前处理工具Gambit建立了肺支气管树前四级的空间非对称分叉模型,比较了在气管的分叉处不同弯曲方式所带来的影响以及划分不同网格数目对计算结果的影响。在此 基础上,运用Fluent软件对气道内气体流动进行了数值模拟。探讨分叉方式、 分叉级数,以及正常与病理状态下前四级肺支气管树内部的气体流动状态。计 算了一个呼吸周期内气体流动分布的变化规律,比较了三级分叉与四级分叉模 型之间的多级藕合影响,支气管在病变时其内部气体流动状态的改变以及在不 同呼吸模式下的气管内部气体的变化。 本文所做的工作提供了一种较好的肺支气管树三维形态的数学建模方法。 数值模拟的结果对认识肺支气管内的气体流动与分布规律很有帮助。该研究成 果对呼吸系统临床医学诊断以及后续的治疗研究有着重要的理论意义。 关键词:肺支气管树模型三维非对称分叉数值模拟气体流动速度压力分布
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:R318.01

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