計算流體力學（CFD）模擬機械通氣時下氣道氣流流場特性的方法及其可行性研究

魏 薇 連 明 陳蓮華 李士通

（上海交通大學附屬第一人民醫院麻醉科 上海 201620）

機械通氣是全身麻醉期間維持呼吸以及危重癥患者進行生命支持不可或缺的治療手段。機械通氣肺損傷分為機械性損傷（氣壓傷、容量傷、不張傷）和生物傷。早期以機械性損傷為主，而后隨著炎癥反應的發展以生物傷為主［1］。目前國內外的研究集中在生物傷的病理生理機制［2］。由于肺內支氣管氣道結構復雜，難以準確監測肺內氣體流動，增加了機械性損傷的研究難度。通過影像學DICOM格式圖像，使用計算機三維重建三維氣道模型，對模型進行網格劃分后使用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術可對氣道內氣流流動的各類問題進行數值實驗、模擬和分析研究，在輔助診斷疾病、治療方式選擇、療效評估方面有良好的臨床應用前景［3-5］。然而，CFD 技術用于模擬仿真呼吸道氣體流動的研究還存在很多爭論。目前呼吸道的CFD 模擬通常采用光滑的圓柱管道形成單代分叉［6］或多代分叉［7］，研究表明幾何模型形態結構的精確度對于有效預測氣流流動和顆粒分布非常重要［8］。另一關鍵點在于呼吸道模型邊界條件的假設，通常CFD 氣道模型入口邊界被假設為一個恒定或者循環性的速度或壓力［9］，而個性化呼吸道模型的建立和邊界條件的設置是準確獲得計算結果的關鍵［10］。基于影像數據提取的氣道結構模型，利用CFD 技術施加呼吸曲線，可以定性和定量觀察整個呼吸周期內氣道樹中的流速、壁面壓力、壁面剪切應力，也可以計算壓降、研究各關鍵截面的垂直速度和二次流［11-12］。MRI 能良好識別軟組織及細微結構，精確還原人體氣道，實現氣道可視化［13］。我們通過MRI 圖像建立人體氣道三維模型，在既往研究的基礎上，利用CFD 技術模擬機械通氣下氣流流場特性，為研究機械性肺損傷打下基礎。

資料和方法

研究對象本研究已獲上海交通大學附屬第一人民醫院倫理委員會批準（2018KY605），選取1名健康的中年男性志愿者，簽署知情同意書。該志愿者為本院麻醉科醫師，年齡45 歲，身高173 cm，體重65 kg，ASAⅡ級，無氣道結構異常，無MRI 檢查禁忌證。

設備和方法

氣道模型三維重建及網格劃分 取仰臥位，使用Systems/Ingenia 3.0T 磁共振成像系統（Philips Medical）進行MRI 掃描。掃描范圍：頭頸部加胸部連續掃描。掃描參數設置為3D 壓脂橫斷面T1 成像；重復時間2.2 ms，回 波 時 間4.7 ms，層 厚4 mm。將MRI 圖像以DICOM 格式導入Mimics 17.0 醫學圖像軟件（比利時Materialise 公司），利用氣道分割功能進行圖像分割，標記出氣道區域，運用區域增長的方式生成相應的蒙板圖像，此時得到的蒙板圖像較為粗糙，需使用編輯蒙板功能，對每一幀MRI 圖像中所生成的蒙板進行精細修改。三維模型重建時，需根據不同組織結構的特點來選取不同的圖像分割方法，圖像分割后進行去噪、平滑、補洞、去除偽影等進一步修飾，最后經過三維計算工具生成高質量的三維可視化模型。將Mimics 軟件導出的氣道三維模型STL 文件導入Geomagic Studio 12 軟件（美國Geomagic 公司）進行修整。再將修改后的模型導回Mimics 軟件，利用3-matic 工具進行體網格劃分并導出。然后將氣道網格模型導入Ansys Workbench 軟件（美國Ansys 公司），利用ICEM CFD 模塊進行網格質量檢查、重新劃分網格并標記出入口。綜合考慮計算精度和時間，采用非結構化四面體劃分網格，單元數為50 萬，節點數為9 萬。

數學模型及控制方程 由于氣道結構的復雜情況以及流體流動的特性，對氣道內氣流進行如下假設：假設氣道內空氣為連續的理想氣體，溫度保持37 ℃恒定不變，因此可忽略能量方程；假設氣道內部氣流為穩態流動，因此無需求解動量方程中的時間相關項。根據公式計算出本研究模型馬赫數＜0.8，雷諾數＞2 300，符合亞音速流體的湍流流動。CFD 模擬中常用的湍流模型包括單方程模型、大渦流模型、雙方程模型（標準k-ε 模型、重整化群k-ε 模型、可實現的k-ε 模型）和雷諾數應力模型等，其中標準k-ε 湍流模型應用最廣泛，且計算時間較短，結果相對穩定、精確，能夠滿足本研究的需求。以下為本研究相關的計算公式及控制方程：

方程中ui，uj（i，j=1，2，3）表示x、y、z 方向的速度矢量，p 表示壓力，Gk表示由平均速度梯度而產生的湍流動能，Gb表示由浮力產生的湍動能，YM表示可壓縮湍流擴散產生的波動，σk和σε分別是與k 方程和ε 方程對應的湍流普朗特數，Cμ、C1ε、C2ε、C3ε均為常數。

CFD 模擬計算 進入Fluid flow（CFX）模塊，選擇標準k-ε 模型進行模擬計算，分析不同氣流流速下的氣流流場特性。CFX 求解器設置：離散格式選擇高精度，最大迭代次數設置為100，收斂殘差標準＜10E-4，時間步設為默認自動時間步。設置各種邊界條件：入口邊界條件仿照機械通氣吸氣相，分別設置入口流速為1、2、5 和10 m/s；出口邊界條件采用0 Pa 的定靜壓邊界條件，即1 個大氣壓；壁面邊界條件假設氣道壁面為無滑移的光滑壁面，忽略氣管環以及氣管壁的彈性變形。通過CFX 求解器進行模擬計算后，再利用后處理器完成計算結果的統計和圖形化處理，創建各時間步的流速圖、流線圖、管壁壓力圖、管壁切應力圖及動畫演示等。

結 果

本研究通過氣道MRI 影像資料對氣道模型進行三維重建（圖1），并使用CFD 模擬計算機械通氣吸氣相的氣流流場變化（圖2～4）。

氣道流線圖（圖2A）入口流速1 m/s 氣道流線圖整體上較為順暢光滑，沒有發現明顯的渦流，對應的流量為6 L/min，即我們平時臨床工作中最常見的分鐘通氣量，可將其作為對照與其他流速狀態下的氣道情況進行對比。其他入口流速情況下的流線分布較為相似。在分叉處附近存在曲率變化較大的區域，甚至出現回旋線，表明出現渦流。與1 m/s 相比，其余3 種入口流速的氣流在氣管和兩側支氣管分叉附近的流線曲率變化較其他地方更為明顯，隨著入口流速增大，分叉處回旋線增多，而且從動畫上看，回旋線流速明顯減慢甚至停滯。

氣道渦流體繪制圖（圖2B）分叉處附近存在曲率變化較大的區域，甚至出現回旋線，表明出現渦流。1、2 m/s 的入口處存在渦流，分叉處的渦流相對較少，而5、10 m/s 的分叉處渦流較多。

氣管壁剪切應力云圖（圖2C）隨著流速增大，壁剪切應力逐漸增大。狹窄處會出現高壁剪切應力，剪切應力隨著狹窄程度的增大而增加。

氣道流速云圖（圖3）各種入口流速條件下的氣道流速分布大體一致，從入口到出口的流速逐漸降低。我們發現在入口處有一高流速區域。在氣道分叉附近，有個別區域比周邊區域的流速明顯降低，甚至接近于低限。1 m/s 的流速降低區域在分叉處，2、5、10 m/s 的流速降低區域分布在分叉周邊靠近管壁的區域。

氣道壁壓力云圖（圖4）氣道壁壓力由氣管到支氣管逐漸降低。流速越高，壁壓力的絕對值越高。在氣道分叉處，壁壓力高于其他區域。

討 論

既往研究表明，利用CFD 技術能夠揭示正常生理病理條件下的肺內氣流特性。Luo 等［14］采用低雷諾數k-ω 湍流模型計算模擬出從喉部到氣管支氣管的氣流情況。Brouns 等［8］通過對氣管狹窄的CFD模擬研究發現氣管狹窄的流量和壓力符合冪指數函數關系。Freitas 等［15］基于包括六級支氣管的幾何模型，采用Lattice-Boltzmann 方法，對吸氣和呼氣過程的氣流進行了模擬，并且應用顆粒影像速度的方法對仿真結果進行了實驗驗證。Cebral 等［16］利用虛擬支氣管鏡法以及CFD 模擬的方法，對獲取的Wegener 肉芽腫病患者的氣管支氣管模型進行模擬計算，發現在氣管狹窄處存在低壓力和高壁面剪切應力的現象。Mihaescu 等［17］利用CFD 技術模擬研究聲門下狹窄患兒在吸入空氣和氦氧混合氣時的氣流分布。我們前期應用CFD 技術對不同麻醉插管頭位下上氣道氣流流場特性進行了比較研究［18］，證實了CFD 應用于麻醉相關呼吸動力學研究的可行性。本研究擬通過MRI 圖像建立氣道三維模型，應用CFD 技術模擬分析機械通氣吸氣相氣流流速變化所導致的氣流流場特性改變，為進一步探索氣道的病理生理以及各種通氣模式下氣道結構和氣流流場變化打下基礎。

我們發現不同流速下氣道流線圖和氣道流速云圖分布較為相似。氣道模型從入口到出口的橫截面積逐漸增大，因而從入口到出口氣道流速會逐漸降低。邊界層中流速較低的流線會遮擋中心區域流速快的流線，在氣道分叉處出現回旋線，即渦流。入口流速越大，分叉處渦流越明顯。從氣道渦流體繪制圖可看出，流速較低時入口處易形成渦流，而流速高時在氣道分叉處易形成渦流。氣道入口處的高流速區域可能與入口氣流垂直方向集中進入氣道有關，此處氣道結構略有曲度，從而導致入口氣流剛進入氣道即觸壁。氣道分叉處有個別區域比周邊區域流速明顯降低，流速越低，降速區域越靠近分叉處，流速越高，降速區域分布在氣道分叉周邊靠近管壁。說明低流速時，氣流緩慢勻速進入氣道分叉，氣體流通性能高，而在高流速時，分叉處對氣流有部分反射，從而在管壁附近形成渦流。我們發現，氣道流體流速分布與入口流體流速成正相關，并且隨著氣道結構的深入，呈梯度下降。觀察氣道橫斷面與縱切面圖可見高速氣流集中在靠近氣道前壁的區域，而靠近氣道后壁的區域流速相對較低。

比較不同入口流速下氣管壁剪切應力云圖可發現，對于固定的氣道結構，當流速增大時，相當于氣道相對變窄，壁剪切應力也逐漸增大。壁剪切應力是氣流正切于氣道內壁的力。對于正常形態的氣道，壁剪切應力非常小，然而對于存在病變的氣道，氣流可能會導致很高的壁剪切應力。與渦流不同的是，高壁剪切應力出現在氣道入口附近，這可能由于入口垂直氣流對管壁的沖擊以及入口處相對的狹窄增大了進氣氣流的流動阻力。狹窄處會出現高壁剪切應力，剪切應力隨著狹窄程度的增大而增加，這與以往的研究結果相同［8］。

比較氣道壁壓力云圖可以發現，氣道壁壓力與入口流速呈正相關，入口流速快，則模型內流體流速高，對管壁的壓力大；反之則流速低，對管壁的壓力小。壁壓力分布均勻，最大的壁壓力出現在受到氣流直接沖擊的氣道分叉處。氣道分叉處的壁壓力高于其他地方，這可能與氣流的直接沖擊有關，高壁壓力和氣流沖擊可能會導致炎癥產生［19］。

本研究的局限和不足為：（1）由于MRI 建立三維氣道模型CFD 模擬機械通氣的研究還處于探索階段，目前只對1 例健康志愿者進行計算流體力學模擬，未來將進一步建立氣道模型數據庫，加大樣本研究；（2）模擬結果與既往文獻觀察結果類似，但未建立氣道實體模型來校驗模擬結果的準確度；（3）提取的氣道模型僅包含氣管和支氣管，未來將建立更多級數的氣管樹模型；（4）求解過程采用的是穩態計算，今后將進行包含整個吸氣和呼氣過程的瞬態模擬研究。

已有學者通過氣道的三維重建以及CFD 模擬，研究機械通氣對氣道壁剪切應力和應變率的變化，來改善重癥患者的機械通氣策略［19］。本研究利用CFD 技術對人體氣道氣流流動情況進行模擬研究發現，氣道流速、壁壓力、壁剪切應力以及渦流的形成都與入口流速以及氣道結構有著密切的關系，有助于我們從形態學和力學的角度，重新認識氣道功能與解剖結構之間的相互關系，在以后的研究中，我們擬深入探索機械通氣性肺損傷發生發展的生理和病理基礎；同時，對各種類型的機械通氣（氣管導管、氣切導管、喉罩、雙腔管等不同的通氣工具，壓力控制通氣、容量控制通氣等不同的通氣模式［20］，各種手術麻醉狀態下的機械通氣）進行模擬計算，比較不同的通氣方案的優劣，從而提高機械通氣的安全性。