[科普中国]-肺沉积模型

模拟复杂生物系统动力学模型通常都需要一定程度的同化，模拟吸入气溶胶在肺部沉积也不例外。实际上，粒子接触到气管表面或肺泡表面之前的过程并没有涉及任何生物化学反应，它们只是与肺部结构和呼吸动力学有关。因此模型具有物理学和生理学特性，而不具有生物化学特性。

简介模拟复杂生物系统动力学模型通常都需要一定程度的同化，模拟吸入气溶胶在肺部沉积也不例外。实际上，粒子接触到气管表面或肺泡表面之前的过程并没有涉及任何生物化学反应，它们只是与肺部结构和呼吸动力学有关。因此模型具有物理学和生理学特性，而不具有生物化学特性。1

早期推断模型粒子沉积的解剖学肺模型可以分为两大组成部分一个气管支气管树和一个膨胀肺泡(alveoli)的终体积构成的空间。简单设想一下层流(laminar flow)在不同分支的管道中流动的情形，粒子沉积主要由有限的几个物理现象决定，其中最主要的是粒子大小。因此我们也就不难理解第一个粒子沉积模型是由一位气象学家提出的。Findeisen((1935)对可吸入性大气粒子十分熟悉，他的这个模型仅包括几个阶段，并从气管(trachea)开始，根据功能将支气管和肺空间分成9个部分。

几年后，Landahl(1950)改进并扩展了Findeisen的模型，致力于用玉米油滴和亚甲基蓝(methylene blue)粒子来解释他早期的实验数据。他将口、咽(pharynx)和肺泡管(al.colar duct)的第二级定义为模型额外的部分，并将模型应用于经口呼吸循环的验证中。尽管排除了粒子吸湿因素，仍存在50%沉积偏差。经过进一步研究与实验，尽管没有排除所有的矛盾结果，Findeisem-Landahl模型在理论和经验教据之间还是取得了基本的一致。1

高级沉积模型第二次世界大战以后，由于放射气溶胶偶然吸入造成的事故以及原子能的发展，人们开始对职业下牛危险表示出极大关注。1966年，国际放射保护委员会(ICRP,Intenrational Commission on Radiolo8ical Protection)出于安全的考虑，任命肺动力学任务组(Task Group on Lung Dynamics)对吸入放射气溶胶在肺部沉积和滞留开展连续调查。经过仔细的实验，任务组使用Fi.deisen模型，结合Pattie(1961)鼻沉积经验公式，估计初始的沉积。将原来使用图形步骤来计算的扩散沉积简化为使用Kennedy(1949)的公式进行计算。进人20世纪70年代和80年代。总沉积(total deposition)和区域沉积(regional deposition)的人体实验获得了大量的数据，从而大大加快了理论研究的步伐。1975年Heyder等在严格控制的条件下，对肺总沉积进行了精细的人体研究。通过计算在正常状态下受试者肺残余通气量，他们解决了其他研究口呼吸(mouth breathing)时出现的个体差异问题，但是鼻呼吸(nose breathing)的个体差异依然存在。

1978年，Heyder等人修正了他们的实验方法和数据。1979年，Gerrity等人使用Landahl模型推测吸入粒子在呼吸道的沉积，并把它运用于Weibel(1966)的对称解剖肺模型中。他们忽略气溶胶混合(aerosol mixing)和湍流(turbulent)沉积，并估计这些被忽咯的因素不会超过10%。虽然使用了简化手段，但计算结果仍与Heyder等(1975)的实验数据基本一致对于最大的试验粒子(3μm)，计算和试验之间的不一致性达30%；对于小粒子，不一致性就比较小1980年Lippmann等在他篇详尽的综述中认为，Heyder和他同事在1975年得出的较低的沉积量是最可靠的。1

连续径流沉积模型1975年，Taulbee和Yu设计了一个粒子在肺部沉积的新理论模型。他们设计了一个喇叭(trumpet)肺模型，该模型首先由Scherer等人在研究气体扩散时提出。该模型将呼吸道在整个长度方向上设想成一个具有不断增加交叉界面的喇叭形状。为了改进喇叭肺模型，Egan和Nixon(1985)给不同粒子的沉积机制和口鼻呼吸数据以新的解释，与Heyder等人在1975年取得的呼吸参数具有较高的一致性。

1982年。Yu和Diu通过使用5个不同的解剖肺模型，同样利用了喇叭肺模型来推测肺内总沉积和区域沉积。他们推测的总沉积同样与Heyder等(1975)和Ford等(1978)的实验数据有较高的一致性。除了最原始的Findpisen模型外，总沉积在所有肺模型中都取得了较好的一致性。但是，肺模型的区域沉积值未与实验数据比较，但呈现出较大的差异。在自己的模型中利用Weibel肺模型，并加上自己的分析方案，Yu和Diu(1983)在区域沉积方面与Heyder(1980)和Stahlhofen等(1980)取得了很好的一致。1

计算机模拟模型通过间接地假定粒子在人呼吸道表面是均一分布，数学模型中计算出的沉积量可转化成表面剂量(即每单位表面积沉积量)。1990年Gradon和Orlicki的研究解决了气溶胶粒子在气管支气管树分支三维空间内扩散和对流(convection)的方程式。他们使用了一个气管支气管树分支和静止空气流速场计算结果的几何学模型。通过计算他们认为气流流速的增加会导致较大粒子沉积增加，在肺深部扩散机制占主导地位，因此在这个部位沉积基本上与粒子大小无关。当粒子大小减小至一定程度，扩散机制占据主导地位。气流流动因素造成的效果就比较小了。1

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学