肺泡分布肺几何模型构建及其在呼吸道局部颗粒沉积预测中的应用

本研究针对现有肺部颗粒沉积模型简化假设导致的预测偏差问题，开发了整合传导气道(TB)与呼吸区(PUL)的新型2-path肺几何模型。通过融合人类与SD大鼠气道形态数据，首次实现肺泡单元在传导气道的解剖学分布，建立的沉积模型显著提升了局部靶向沉积预测精度，为精准给药和风险评估提供新工具。

　　

吸入给药因其快速起效和精准递送优势成为研究热点，但现有肺部沉积模型存在关键局限：传统模型将复杂的多级气道简化为对称分叉结构，并人为划分传导气道(TB)与呼吸区(PUL)边界，导致局部沉积预测失真。这种缺陷在靶向给药场景尤为突出——当药物需要精准递送至特定肺段时，模型的解剖学失真可能直接影响疗效评估。

美国陆军医学研究团队在《Journal of Aerosol Science》发表的研究突破了这一瓶颈。研究者整合人类和SD大鼠的形态计量数据（包括Einstein等的高分辨率大鼠气道扫描数据），创新性地构建了2-path典型路径和肺叶特异性几何模型。新模型突破性地将肺泡单元动态分配至传导气道，形成TB-PUL交织的解剖结构，更真实反映呼吸单元的实际分布规律。基于此开发的沉积模型，首次在保持一维计算效率的同时实现局部沉积的解剖学精度验证。

关键技术包括：1) 融合Raabe等的人类气道数据和Einstein团队的大鼠CT重建数据；2) 建立动态分配肺泡单元的算法；3) 开发整合新几何结构的沉积计算模型；4) 采用Zhang-Yu半经验模型计算大鼠头部沉积。

【材料与方法】
研究团队采用分级重构策略：先基于Raabe等的人类气道直径、长度数据建立传导气道框架，再根据呼吸单元分布研究将肺泡囊分配到特定世代。大鼠模型则结合Einstein团队的微CT扫描数据，实现亚毫米级气道精确建模。沉积计算引入Anjilvel-Asgharian理论框架，整合惯性碰撞、布朗扩散等机制。

【结果与讨论】
与经典Weibel模型对比，新模型在区域沉积预测方面保持一致性，但在局部沉积呈现显著差异：1) 肺泡早期分布导致外周气道沉积增加15-20%；2) 上叶尖段等特殊区域的沉积热点被准确捕捉；3) 1-5μm治疗性颗粒的支气管靶向效率提升30%。这种差异源于模型更精确反映气道-肺泡的解剖邻接关系。

【结论】
该研究创建的动态肺泡分布模型解决了传统模型TB/PUL人为分割的固有缺陷，首次在一维框架内实现解剖学真实的局部沉积预测。对于需要亚肺叶精度给药的场景（如哮喘靶向治疗或纳米药物递送），该成果提供了革命性的计算工具。军方资助背景更凸显其在防护装备设计和战剂暴露评估中的特殊价值。值得注意的是，模型对肺泡分配算法的敏感性分析表明，未来需进一步整合个体化影像数据以提升预测特异性。