基于计算流体动力学的特定粒子沉积建模框架

《Journal of Aerosol Science》：Subject-specific modeling framework for particle deposition using computational fluid dynamics

本研究提出了一种端到端的自动化工作流程，用于从CT扫描数据生成个性化呼吸气道的三维几何模型，并通过计算流体动力学和颗粒动力学模拟实现颗粒沉积的高精度建模，最终整合蒙特卡洛辐射传输代码评估器官吸收剂量。该流程显著减少了预处理时间，提高了放射防护、靶向治疗和环境健康研究的准确性。

　　在现代医学和环境健康研究中，精准评估吸入性粒子在呼吸系统中的沉积情况以及其对特定器官的剂量影响变得愈发重要。然而，传统模型如国际辐射防护委员会（ICRP）的分室模型和多重路径粒子剂量模型（MPPD）在详细沉积分布和个体化特性方面存在局限性。本文介绍了一种全新的全自动化工作流程，能够从个体CT扫描数据中提取高保真度的呼吸系统三维几何模型，并将其用于计算流体动力学（CFD）和计算流体与粒子动力学（CFPD）模拟，最终结合蒙特卡洛辐射传输代码和先进的计算人体模型，评估吸入性放射性气溶胶对特定器官的吸收剂量。

### 一、研究背景与现状

传统的放射性剂量评估模型，如ICRP的分室模型，通常将呼吸系统简化为多个部分，假设每个部分的沉积分布是均匀的。这些模型虽然在制定辐射防护指南方面具有重要价值，但无法准确反映个体之间的解剖学差异。例如，气管直径、支气管分支角度和肺泡几何形状等参数通常采用群体平均值，导致剂量评估结果缺乏个体化特征。相比之下，MPPD模型则允许用户根据不同的生理参数对模型进行详细定制，如成人和儿童的肺部几何结构、呼吸参数（如潮气量、流速和呼吸频率）以及粒子特性（如尺寸、密度、分布和形状）。尽管MPPD模型在一定程度上提高了模型的准确性，但其仍然依赖于通用的解剖模型，无法完全满足个体化分析的需求。

### 二、研究方法与技术流程

本研究开发了一种从CT扫描中自动化重建个体化呼吸系统几何结构的方法，该方法结合了传统图像处理技术和深度学习算法，以提高分割精度和效率。首先，通过分割上呼吸道（ET）和下呼吸道（TB）的CT图像，生成三维模型。随后，进行一系列算法步骤，确保生成的几何结构在CFD或CFPD模拟中具有良好的质量和一致性。这包括几何校正、网格生成、流体边界条件设置等。

#### 1. 几何重建

上呼吸道的几何重建采用了一种改进的分割算法，能够处理覆盖鼻腔、口腔、喉部和咽部的CT扫描。该算法特别考虑了扫描视野（FOV）超过人体头部尺寸的情况，并且可以包括颈部作为选项。通过应用中值滤波器和边缘检测算法，可以有效去除CT扫描中的金属伪影，提高图像质量。此外，对分割后的结构进行质量控制，如去除孤立的或体积过小的区域，确保生成的几何结构具有良好的连续性和一致性。

下呼吸道的几何重建则采用了基于深度学习的3D U-Net网络结构，该结构能够捕捉更细小的支气管分支，如第12代支气管（G12）。通过应用CT扫描中的预处理步骤，如窗口化处理和图像归一化，可以确保分割结果与实际解剖结构的一致性。随后，使用Voronoi图和中点算法生成中心线，用于后续的流体边界条件设置和粒子追踪模拟。

#### 2. 网格处理

为了确保CFD/CFPD模拟的准确性，需要对分割后的几何结构进行网格处理。网格处理包括识别并修正非曼彻斯特边和顶点、确保网格的连续性和一致性、以及通过Taubin滤波器进行表面平滑处理。这些步骤有助于减少网格中的畸变，提高数值稳定性。

#### 3. 流体边界条件设置

在流体边界条件设置中，需要识别并定位入口和出口表面。通过应用Voronoi图和中心线算法，可以自动确定这些边界，并确保其方向与流体域一致。随后，对这些表面进行封闭处理，以确保网格在CFD/CFPD模拟中具有良好的边界条件。

#### 4. CFPD模拟

在完成几何重建和网格处理后，进行CFPD模拟。模拟过程中，应用了Reynolds平均Navier-Stokes（RANS）模型，特别是k-ω SST LM模型，以捕捉从层流到湍流的过渡。粒子与流体的相互作用通过MPPIC或LMP求解器进行模拟，其中考虑了阻力、升力、虚拟质量力和重力等因素。此外，对于亚微米粒子的布朗扩散，还需应用用户自定义的体积力。

#### 5. 蒙特卡洛剂量计算

在完成CFPD模拟后，通过蒙特卡洛辐射传输代码（如PHITS）计算粒子在呼吸系统中的沉积情况，并进一步评估其对特定器官的吸收剂量。该过程需要将CFPD得到的沉积分布与计算人体模型（如MRCP）进行对齐，确保粒子源的位置与实际解剖结构一致。通过应用PHITS软件，可以模拟粒子的衰变过程，并计算其对不同器官的辐射剂量。

### 三、研究结果与分析

本研究使用了多种CT数据集，包括成人和儿童的胸部CT扫描、头部和颈部CT扫描，以及与肺部疾病相关的数据集。通过自动化流程，成功重建了多个个体化的呼吸系统几何模型，并进行了CFPD模拟和蒙特卡洛剂量计算。结果显示，个体化的沉积分布和剂量估算能够更精确地反映实际的生理情况，从而提高放射性剂量评估的准确性。

#### 1. 几何重建与处理

在几何重建过程中，通过应用深度学习算法和传统图像处理技术，能够有效捕捉呼吸系统的复杂解剖结构。例如，上呼吸道的几何重建成功识别了鼻腔、口腔、喉部和咽部的结构，并且能够处理CT扫描中的金属伪影。下呼吸道的几何重建则能够捕捉更细小的支气管分支，如第12代支气管，从而提高模型的分辨率和准确性。

#### 2. 网格处理与优化

通过应用多种网格优化技术，如非曼彻斯特边修正、表面平滑和体积修复，可以确保生成的网格具有良好的质量和一致性。这些步骤有助于减少网格中的畸变，提高数值计算的稳定性。

#### 3. CFPD模拟与剂量计算

CFPD模拟结果显示，个体化的沉积分布能够更精确地反映实际的生理情况。通过应用不同的湍流模型和粒子相互作用机制，可以更准确地模拟粒子在呼吸系统中的运动轨迹和沉积行为。蒙特卡洛剂量计算则进一步验证了这些沉积分布的准确性，并提供了对不同器官的辐射剂量估算。

### 四、研究意义与应用前景

本研究的全自动化工作流程显著提高了个体化剂量评估的效率和准确性，减少了手动操作的需求，从而提高了模型的可重复性和实用性。该流程不仅适用于放射性剂量评估，还能够用于药物输送和吸入治疗的优化，以及环境健康影响研究中的污染物暴露分析。此外，该流程还能够应用于职业暴露评估和公共健康风险评估，为制定更精确的防护策略提供科学依据。

### 五、研究局限与未来方向

尽管本研究取得了一定的进展，但仍存在一些局限性。首先，CT扫描的分辨率和质量会影响几何重建的精度，特别是在处理金属伪影和低分辨率区域时。其次，粒子与流体的相互作用机制可能需要进一步优化，以提高模型的准确性。此外，呼吸模式的个体化差异也需要进一步考虑，以提高模型的适用性。

未来的研究方向包括扩展该流程以处理完整的呼吸系统几何结构，特别是提高上呼吸道和下呼吸道的自动对齐能力。此外，还需探索使用可变形图像配准技术，以更精确地映射CFPD得到的沉积分布到计算人体模型中。最后，为了提高大规模研究的效率，还需开发降阶模型，以加速CFPD模拟并保持解剖结构的保真度。

### 六、结论

本研究提出了一种全新的全自动化工作流程，能够从个体CT扫描数据中提取高保真度的呼吸系统几何模型，并用于计算流体与粒子动力学模拟，最终结合蒙特卡洛辐射传输代码评估吸入性放射性粒子对特定器官的吸收剂量。该流程不仅提高了剂量评估的准确性，还显著减少了手动操作的需求，从而提高了模型的可重复性和实用性。未来的研究将进一步优化该流程，以提高其在不同人群和复杂暴露条件下的适用性。