矿工呼吸道中可吸入煤尘沉积的多尺度动态：呼吸强度、颗粒大小和密度对肺滞留的影响

《Powder Technology》：Multiscale dynamics of respirable coal dust deposition in Miners' Airways: Effects of respiratory intensity, particle size, and density on pulmonary retention

粉尘沉积机制及数值模拟研究 | 使用3D呼吸模型和CFD模拟分析煤矿粉尘在不同呼吸强度、颗粒大小及密度下的沉积规律，实验验证误差8.7%，为尘肺病防控提供理论依据。

　　在煤炭开采环境中，呼吸性粉尘的高浓度是导致职业病，如尘肺病的重要因素。由于粉尘的沉积机制和预防技术尚未得到充分突破，因此需要深入研究以找到有效的解决方案。本研究基于Mimics软件重建的三维呼吸道模型，揭示了呼吸性粉尘在呼吸系统内的动态规律。研究发现，呼吸强度、颗粒大小和密度是影响粉尘沉积的主要控制因素。呼吸道横截面积的突然变化会直接影响气流速度，从而增加颗粒的碰撞和沉积。咽喉区域的峰值气流速度超过鼻腔入口速度的三倍，随后在声带-气管区域形成涡流驱动的湍流循环。小颗粒的动态行为主要受扩散和气流分布的影响，而由于颗粒体积较小，重力沉降的密度敏感性降低，使其在密度梯度下保持稳定的沉积和较高的肺泡穿透率。相比之下，大颗粒依赖于重力和惯性沉积，颗粒尺寸放大效应使其对密度变化高度敏感。密度的增加会显著降低大颗粒的逃逸率，减少约8.5倍。通过构建一个可调节的实验系统，模拟矿工在真实煤矿环境下的呼吸性粉尘扩散过程，成功复现了矿工在作业过程中的实际呼吸条件，并对呼吸性粉尘在人体呼吸道内的分布进行了定量模拟。实验与模拟之间的误差为8.7%，这表明本研究在理论支持和实际应用方面具有重要意义。

随着全球能源需求的持续增长，煤炭仍然是重要的能源来源之一。中国和印度等国家在推动清洁能源的过程中，对煤炭的需求依然强劲，而欧洲各国对煤炭的依赖程度差异较大，德国和波兰等国仍依赖煤炭作为主要能源。尽管美国由于能源转型和环保政策已减少煤炭使用，但煤炭在全球能源结构中的作用依然不可忽视。煤矿的机械化开采虽然提高了生产效率，但也加剧了粉尘污染，对缺乏适当防护的矿工造成严重健康威胁，尤其是尘肺病和肺纤维化等呼吸系统疾病。这些粉尘颗粒可能沉积在呼吸道的不同部位，包括上呼吸道、支气管树和肺泡区域。根据图1所示，粒径大于10微米的粉尘颗粒倾向于沉积在鼻咽区域，而粒径小于10微米的颗粒则可以深入下呼吸道，长期暴露可能导致不可逆的肺细胞损伤。

为了解决煤炭粉尘对矿工健康和安全的影响，本研究选取了神东煤矿四个开采阶段的煤炭样本，利用扫描电子显微镜分析了粉尘的形态、成分和粒径。研究结果表明，煤炭粉尘的粒径主要分布在0至5微米之间，平均粒径为4.72微米。粉尘颗粒以较大颗粒为主，而煤尘中富集的矿物和有机物质是导致健康损害的关键因素。尘肺病是一种由长期吸入大量粉尘引起的全身性疾病，其特征是肺组织的广泛纤维化，是尘肺病患者的主要致死原因。在中国，尘肺病的高发行业集中在煤炭开采、金属冶炼、建筑材料生产和机械制造领域，其中中大型企业受到的影响尤为严重。不完全统计显示，煤炭开采工人中尘肺病的患病率可能高达80%，而全国范围内中大型企业的尘肺病病例占员工总数的比例约为60%。根据国家卫生健康委员会发布的《职业健康统计报告》，尘肺病在所有职业病中的占比一直保持在约90%。这一数据凸显了尘肺病在中国职业病防治中的重要性，也强调了预防和控制该疾病的重要性。

近年来，许多研究通过数值模拟方法分析了呼吸道内的气流以及颗粒物的传输和沉积模式。例如，Huang等人利用简化气道模型进行气体流动和颗粒轨迹的实验，以研究简化后的气道结构。Calmet等人则利用计算机断层扫描（CT）重建了人体呼吸道模型，并发现惯性撞击是颗粒物在鼻腔呼吸过程中最重要的沉积机制。Liu等人采用欧拉-拉格朗日方法模拟气固两相流，并使用大涡模拟（LES）描述湍流场。Ciloglu和Karaman发现，在吸入粉尘颗粒的过程中，不同状态的涡流会影响颗粒在呼吸道内的传输和沉积模式。Kiasadegh等人研究了上呼吸道的局部和总体颗粒沉积情况，并发现颗粒密度、颗粒直径和风速对上呼吸道颗粒沉积具有显著影响。Rahman等人开发了一个从口腔延伸至第三级支气管的三维模型，发现大直径、高密度、高流速的颗粒倾向于沉积在上肺，而小直径、低密度、低流速的颗粒则能够到达深部肺组织。Luo和Liu利用CT扫描和Mimics软件重建了肺部气道，并采用低雷诺数（LRN）κ-ω湍流模型进行分析。他们得出结论，下叶支气管的轴向气流速度较高，而次级气流速度较低。研究还发现，外侧支气管的血流比内侧支气管更强。当雷诺数增加时，中下叶和左主支气管的气流增强，气流主要向左下方偏移。Grgic等人采用非侵入式磁共振成像（MRI）技术获取了口和咽喉的现实解剖模型，发现气流方向的快速变化和局部横截面积较小会显著影响局部气溶胶的沉积。Ma等人发现，移除或扩大软腭可以显著减少颗粒沉积，通过将MRI数据与标准解剖图谱匹配，模拟不同的咽部结构，并连接吸入器和出口扩张器。Ali等人结合雾化器、电晕充电器用于充电气溶胶颗粒、聚酯树脂制成的空咽模型和ESPART分析仪进行实验，得出结论：充电促进了直径小于5微米的颗粒聚集，从而随着颗粒尺寸的增大提高了沉积效率。

在本研究中，基于已有研究进行了创新改进，通过获取成年人的CT数据并使用Mimics软件进行三维重建，实现了与人体呼吸道比例相符的模型。考虑到个体数据的差异以及支气管结构的复杂性和多变性，建立具有代表性和可靠性的模拟模型是一个重大挑战。因此，研究采用逆向工程技术对模型进行了修改，以确保结构模型的准确性和实用性。通过结合计算流体力学（CFD）技术和使用k-ε湍流模型进行湍流模拟，研究分析了粒径小于10微米的呼吸性粉尘从鼻腔吸入进入呼吸道的传输和沉积过程。本研究充分考虑了煤矿工人的呼吸强度，并系统分析了不同吸气流速、颗粒尺寸和颗粒密度对粉尘传输和沉积的影响。该分析旨在揭示粉尘颗粒在逃逸至肺部时的密度、颗粒尺寸和质量分布特征。

实验平台的构建采用了ZFC-100粉尘浓度测量仪器校准装置、粉尘生成设备等辅助工具，以模拟目标粉尘环境。实验过程中，采用主动肺模拟技术，复现真实的人体呼吸条件，如潮气量、呼吸时间和体温，并结合颗粒尺寸分布仪器等测量设备，收集呼吸道内颗粒沉积的数据。通过实验数据对数值模拟的准确性进行验证，确保模型能够可靠地预测实际条件。本研究的发现为理解人体呼吸道内粉尘的沉积机制提供了新的视角，并为优化煤矿工人的个人防护和工作环境提供了科学依据。

本研究的三维呼吸道模型能够准确反映人体呼吸道的结构和功能。模型基于一名健康中国男性的CT扫描图像，涵盖了鼻腔、咽部、喉部、气管和支气管。气流通过鼻腔的两个通道进入，合并后通过鼻咽进入气管和支气管，最终到达肺泡区域。该模型的建立不仅有助于理解粉尘在人体内的传输路径，还为模拟不同颗粒尺寸的沉积行为提供了基础。研究进一步探讨了不同呼吸强度下气流场的动态变化，分析了颗粒在不同部位的沉积特征。通过模拟不同呼吸强度下的气流情况，研究揭示了颗粒在呼吸道内的分布模式。研究发现，颗粒的沉积不仅受气流速度的影响，还与颗粒的物理特性密切相关。例如，大颗粒更容易受到重力和惯性沉积的影响，而小颗粒则主要依赖于扩散和气流分布。

为了更精确地模拟粉尘在人体内的沉积过程，本研究构建了基于CT扫描和Mimics软件的三维数字模型，并通过3D打印技术制作了人体呼吸道的物理模型，使用透明树脂作为材料。为了模拟呼吸道黏膜表面的黏液特性，模型的内表面被涂覆了一层油。该实验旨在测试人体呼吸道内的粉尘沉积情况，通过实际测量和模拟对比，进一步验证模型的可靠性。实验数据的收集不仅包括粉尘在不同部位的沉积情况，还涵盖了颗粒的分布特征。通过实验与模拟数据的对比，研究确认了模型在预测实际粉尘沉积情况方面的有效性。

此外，研究还分析了不同颗粒尺寸对沉积行为的影响。选取了2.5微米、5微米、7.07微米和10微米的颗粒作为研究对象，这些颗粒覆盖了煤炭粉尘的主要有害粒径范围（0–10微米）。研究发现，不同粒径的颗粒在沉积机制和健康风险方面存在显著差异。2.5微米的颗粒能够轻松穿透至肺泡，导致尘肺病，而10微米的颗粒则主要停留在上呼吸道。中间粒径的颗粒则表现出惯性沉积和扩散之间的过渡特性。研究还发现，颗粒的密度和流速对沉积行为具有重要影响。例如，在较高流速和密度条件下，颗粒更容易沉积在上呼吸道，而在较低流速和密度条件下，颗粒则更可能深入下呼吸道。

通过本研究的模拟和实验，研究团队发现，呼吸性粉尘的沉积不仅与颗粒的物理特性有关，还与呼吸强度密切相关。研究还探讨了不同呼吸强度对气流速度和颗粒沉积的影响。例如，在较高的呼吸强度下，气流速度显著增加，导致颗粒在呼吸道内的碰撞和沉积更加频繁。而在较低的呼吸强度下，气流速度相对缓慢，颗粒的沉积主要依赖于扩散和惯性作用。这些发现为理解粉尘在人体内的传输和沉积机制提供了新的视角，并为制定有效的粉尘防治措施提供了科学依据。

本研究的实验和模拟结果表明，粉尘的沉积行为在不同粒径、密度和呼吸强度下存在显著差异。例如，小颗粒在较低密度和流速条件下更容易沉积在下呼吸道，而大颗粒则主要受重力和惯性作用影响，沉积在上呼吸道。此外，颗粒的密度对沉积行为具有重要影响，密度的增加会导致大颗粒的逃逸率显著降低。研究还发现，颗粒的尺寸放大效应使其对密度变化高度敏感，而小颗粒的密度敏感性较低，因此在密度梯度下保持较高的肺泡穿透率。

通过构建可调节的实验系统，研究团队成功模拟了矿工在真实煤矿环境下的呼吸性粉尘扩散过程，并复现了矿工在作业过程中的实际呼吸条件。实验数据的收集和分析为模型的准确性提供了验证依据，确保了模型能够可靠地预测实际粉尘沉积情况。研究还发现，实验与模拟之间的误差为8.7%，这一误差表明模型在预测实际条件方面具有一定的可靠性，但仍存在改进空间。通过进一步优化模型参数和实验条件，研究团队希望提高模型的准确性，从而为煤矿粉尘的防治提供更可靠的理论支持。

本研究的发现不仅对煤矿粉尘的防治具有重要意义，还为其他高粉尘环境下的职业病防治提供了参考。例如，在建筑工地、金属加工厂等高粉尘环境中，颗粒的沉积行为可能与煤矿类似，因此可以借鉴本研究的方法进行分析。此外，本研究的模型和方法也可以应用于其他呼吸系统疾病的研究，如哮喘、慢性阻塞性肺病等。通过深入研究颗粒在不同部位的沉积行为，可以为制定个性化的防护措施提供科学依据，从而有效降低职业病的发生率。

综上所述，本研究通过三维呼吸道模型和数值模拟方法，深入分析了呼吸性粉尘在人体内的传输和沉积行为。研究发现，呼吸强度、颗粒尺寸和密度是影响粉尘沉积的主要因素，而气流速度和局部结构变化也对沉积行为具有重要影响。通过实验与模拟的结合，研究团队验证了模型的准确性，并揭示了不同粒径和密度条件下粉尘的沉积特征。这些发现不仅为煤矿粉尘的防治提供了理论支持，还为其他高粉尘环境下的职业病防治提供了科学依据。研究还强调了个人防护和工作环境优化的重要性，认为通过提高防护措施和改善工作环境，可以有效降低粉尘对矿工健康的危害。未来的研究可以进一步探索颗粒在不同呼吸条件下的沉积模式，并结合更多的实验数据，提高模型的预测能力，从而为职业病的防治提供更全面的解决方案。