基于CFD的人体气道氡子体沉积与剂量建模研究：呼吸模式与环境因素的影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Modeling Radon Progeny Deposition and Dose in Human Airways Using CFD: Effects of Respiratory Patterns and Environmental Variables

本文采用计算流体动力学（CFD）方法，在解剖学真实的人体气道模型中模拟氡（Radon）子体（218Po, 214Pb等）的传输与沉积，系统分析了呼吸强度（15-60 L/min）、环境温度（10-40°C）及颗粒物尺寸（纳米级未附着态与微米级附着态）对沉积模式的影响，并整合剂量学计算得出剂量转换因子（6.55-10.72 mSv·WLM-1），为辐射防护与风险评估提供了重要工具。

　　

Highlight

几何模型与网格生成

本研究通过系统的方法构建了计算域，包括几何创建、网格生成和网格无关性验证。使用 SolidWorks CAD 软件构建了人体呼吸道三维解剖模型，包含了气管、主支气管和细支气管等主要呼吸区域，如图1示意图所示。该几何模型捕捉了复杂的分支结构。

验证

为了确立计算方法的可靠性，我们对吸气气流（15 L/min）进行了数值模拟，并与先前研究的实验数据进行了比较。代表性气管横截面上的速度剖面与已发表的实验结果吻合良好，差异归因于计算模型与实验装置之间的几何差异，如图3所示。该验证证实了...

气流特性

呼吸道内气流模式的计算分析揭示了与不同呼吸强度相对应的速度分布的显著变化。图4展示了轻度（15 L/min）、正常（30 L/min）和重度（60 L/min）呼吸条件下的速度云图。结果表明，在整个气道系统中，呼吸速率与速度大小之间存在直接相关性。随着呼吸强度的增加，速度场显示出显著的...

结论

这项计算研究阐述了使用计算流体动力学（CFD）方法分析人体呼吸道中氡子体传输和平衡剂量的应用。经过验证的计算工具为理解各种呼吸状态下的流动特征、沉积分布测定以及相应的剂量分布计算提供了全面的视角。结果表明，呼吸速率高度影响流动模式和颗粒物沉积，更高的速度导致更深的穿透...