理想化与真实上呼吸道几何模型中的气流行为研究：对药物气溶胶输送的影响与优化

本研究通过大涡模拟(LES)对比分析了USP、VCU及两种真实上呼吸道模型在15/30 L/min吸入速率下的气流特征，揭示了理想化模型在喉部射流形成和湍流模拟方面的局限性，为改进吸入药物递送装置的监管测试标准提供了关键流体力学依据。

　　

在吸入式药物治疗领域，一个长期存在的矛盾困扰着研究人员和监管机构：用于药物审批测试的标准模型（如USP喉部模型）虽然便于标准化，但其简化的几何结构无法准确模拟真实人体上呼吸道的复杂气流特征。这种"理想化"的代价是可能低估关键部位的药物沉积，特别是喉部射流（laryngeal jet）这种对气溶胶粒子输送至关重要的流体力学现象。随着个性化医疗的发展，如何建立更接近生理实际的测试模型，成为提升吸入药物疗效的关键科学问题。

巴塞罗那超级计算中心的研究团队在《Computers in Biology and Medicine》发表的研究，首次采用大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)技术系统比较了四种上呼吸道模型的气流特性。研究选取了行业标准的USP模型、改进的VCU模型，以及两个分别来自47岁男性和84岁女性的CT重建真实模型(R01/R02)，在15和30 L/min两种吸入速率下进行仿真分析。关键技术包括：基于WALE模型的LES湍流模拟、10μm精度的喉部网格划分、并行化计算处理约700万网格单元，以及通过q准则和湍流动能(TKE)分析涡流结构。所有模拟均在MareNostrum超级计算机上完成，单个模型仿真约需10小时。

模型几何比较显示，真实模型与理想化模型在关键解剖区域存在显著差异。通过液压直径和横截面积分析发现，USP模型完全缺失喉部收缩结构，而VCU模型虽包含该特征但简化了口腔-咽部过渡区。真实模型则完整保留了软腭、会厌和声门等解剖标志，R01模型因扫描体位（仰卧位）导致咽部尺寸缩小，验证了体位对气道几何的影响。

气流特征研究发现，USP模型仅呈现简单的弯管分离流，而VCU和真实模型均观察到典型的喉部射流现象。在30 L/min流速下，VCU模型的喉部雷诺数达3271，接近R02模型(3001)，但其最大流速(8.3 m/s)显著低于真实模型(12.4 m/s)。通过标准化射流剖面比较发现，真实模型的流速梯度与Ahmed的狭窄实验数据高度吻合，证实其流体力学真实性。

射流形成机制分析揭示了关键差异。q准则可视化显示，USP模型仅产生低强度涡流(Q_crit
=8.34×10⁵
)，而R02模型涡流强度高出一个数量级(1.38×10⁷
)。真实模型射流在喉部狭窄区触发，产生持续的下游湍流(TI=2%-4%)，这种流动分离特性直接影响颗粒物沉积模式。特别值得注意的是，R01模型因咽部狭窄导致射流提前形成，展示了解剖变异对气流模式的显著影响。

二次流研究表明，理想化模型在低流速(15 L/min)下呈现典型的Dean涡旋，这种旋转流场会使颗粒远离管壁；而真实模型因几何不规则性促使早期湍流转变。当流速升至30 L/min时，所有模型的二次流结构均被破坏，暗示惯性撞击机制增强可能提高喉部沉积率。

这项研究的重要价值在于为吸入药物开发提供了关键流体力学见解。首先证实USP模型因缺乏喉部收缩结构，会系统性低估上呼吸道沉积，这可能解释临床观察到的"体外-体内相关性"差异。其次，VCU模型作为折中方案，在保持几何简化的同时捕捉到关键射流特征，建议作为改进的监管测试标准。研究还强调，真实模型的解剖变异（如R01的咽部射流）可能显著改变药物输送模式，这对特定人群（如卧床患者）的给药方案设计具有启示意义。

讨论部分指出，当前静态模型无法模拟呼吸动态变形的问题，建议未来研究结合MRI动态扫描数据。作者团队特别提醒，对于单次吸入给药应使用特定舌位的静态模型，而持续呼吸给药则需考虑纳入鼻咽通路的动态模型。这些发现为开发疾病特异性气道模型（如哮喘、COPD等）奠定了理论基础，有望推动个性化吸入治疗的精准化发展。