吸入途径对患者特定气道中气流结构的影响——基于3D PTV

气流场的结构塑造了颗粒输送至下呼吸道的方式，从而影响了病原体吸入的扩散以及基于雾化的治疗效果。因此，识别不同吸入途径如何修改气流场对于理解下呼吸道疾病传播及引导靶向药物递送至关重要。为深入了解吸入途径对人类气管气流结构的影响，本文在非顺应、折射指数匹配的硅胶人体呼吸道模型中原位研究了气流场。研究包括稳态吸入以及模拟平静呼吸的振荡流。通过以正弦波近似真实呼吸模式，采用基于气管最大体积流量和气管水力直径的两种雷诺数 $Re_{Tr} = [400, 1200]$，以及两种韦默尔数 $Wo = [3, 4.5]$ 表示振荡时间尺度。为捕捉气流场固有的三维非对称性，采用Shake-The-Box算法进行3D粒子跟踪测速。使用由水和甘油构成的折射指数匹配流体，完全解析气管内的复杂流结构。PTV测量结果表明，鼻腔和/或口腔必须被纳入分析下呼吸道气流场的考量。特别地，我们发现，鼻腔和/或口腔的存在显著改变了与理想化、完全发育入口条件相比的气流场。然而，气管中水平面和矢状面上的速度剖面以及归一化速度大小等高线图几乎显示出相同或相似的流结构，表明吸入途径对气流结构的影响最小。