《Experimental Thermal and Fluid Science》：Influence of the inhalation route on tracheal flow structures in patient-specific airways using 3D PTV
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气管流场影响颗粒物向下呼吸道输送的分布，从而既影响吸入病原体的传播，也影响气溶胶类治疗方法的有效性。识别不同吸入路径如何改变流场对于理解下呼吸道疾病传播和指导靶向药物递送至关重要。为深入了解吸入路径对人体气管内流场结构的影响，研究人员在一非顺应性、折射率匹配的
气管流场影响颗粒物向下呼吸道输送的分布，从而既影响吸入病原体的传播，也影响气溶胶类治疗方法的有效性。识别不同吸入路径如何改变流场对于理解下呼吸道疾病传播和指导靶向药物递送至关重要。为深入了解吸入路径对人体气管内流场结构的影响，研究人员在一非顺应性、折射率匹配的人体呼吸道硅胶模型中开展了气管内三维流场的体外实验研究。研究涵盖稳态流入条件（即稳态吸气）以及模拟平静呼吸的吸呼振荡流动。通过正弦波形近似真实呼吸模式，设置两个基于最大体积流量处平均流速与气管水力直径计算的雷诺数（Retrachea = [400, 1200]），以及两个表征振荡时间尺度的沃默斯利数（Wo = [3, 4.5]）。为捕捉流场固有的三维非对称特性，研究人员采用Shake-The-Box（STB）算法进行三维粒子追踪测速（3D PTV）测量。利用由水和甘油组成的折射率匹配流体，完全解析了气管内部的复杂流场结构。3D PTV测量证实，在分析下呼吸道流场时必须考虑鼻腔和/或口腔的影响。尤其发现，与理想化的充分发展流入条件相比，两个腔道的存在显著改变了流场。然而，气管矢状面和冠状面上的速度剖面以及归一化速度幅值的等高线图显示，经口和经鼻吸入时的流场结构几乎相同，表明吸入路径的影响极小。
研究背景与现存问题
近年来，慢性下呼吸道疾病、肺炎和流感等广泛流行的呼吸道疾病导致的死亡人数显著增加，2019年这些疾病约占全球死亡人数的7.2%。COVID-19疫情进一步凸显了呼吸道病原体如何通过吸入气溶胶传播，使得颗粒物在气道内的输运和沉积机制受到高度关注。SARS-CoV-2病毒表明，小型气溶胶颗粒可长时间悬浮、随室内空气传播并到达呼吸道深部区域，而这一过程中的感染和传播强烈受控于底层流场结构。尽管空气传播并非最有效的传染途径，但它仍是许多临床重要病原体（如呼吸道合胞病毒RSV、水痘带状疱疹病毒、天花病毒）的关键传播路径。因此，详细分析呼吸道内的气流动力学和质量输运是理解呼吸道感染传播机制的前提。
在此背景下，气道高度复杂且三维的几何结构对颗粒和气溶胶的输运及沉积具有独特影响，亟需对这些区域的流场结构进行深入探究。以往的大多数实验和数值研究简化了传导气道的几何结构，忽略了鼻腔或口腔、咽部和喉部等上部区域，仅关注气管和支气管树的初始分叉，因而不得不假设气管入口处为充分发展的层流速度剖面作为入流边界条件。已有研究表明，上气道形态（尤其是口-喉区域）对下气道流场特征有显著影响，但这些研究多局限于经口吸入。目前尚缺乏在一致条件下对经口与经鼻吸入进行系统性实验比较的研究，因此吸入路径对气管流场的影响仍未得到充分量化。
研究目的与内容
本研究旨在通过直接的实验对比，探讨经口与经鼻吸入对下气管流场结构的影响。研究人员采用时间分辨的三维速度测量技术（Shake-The-Box算法），在一个从口鼻入口延伸至下气管的折射率匹配的患者特异性气道模型中，捕捉进入初级分叉处的非定常振荡流场结构。实验分为两个阶段：首先在Re = [400, 1200]下进行稳态吸入以建立基准流场结构，随后在相同雷诺数下进行沃默斯利数Wo = [3, 4.5]的振荡呼吸实验。所选雷诺数虽低于成人安静呼吸的典型值，但与低潮气量通气和COPD患者的无创通气等临床场景直接相关；两个沃默斯利数则涵盖了从近准稳态到逐渐增强的非定常动力学范围，对应呼吸频率分别为21 min-1和47 min-1。通过保持两种吸入路径的边界条件完全相同，本研究分离了口呼吸与鼻呼吸的影响，实现了下气管速度分布和流场结构的直接比较。
主要关键技术方法
研究人员采用基于CT扫描数据重建的患者特异性气道模型（来自布尔诺理工大学开发的肺模型，包含口腔、喉部及至第7代的气管支气管树，并整合了加州大学戴维斯分校提供的鼻腔模型）。模型通过失蜡法制造，使用SLA打印机以蜡为材料打印模型核心，再浇注液态硅胶（RTV-615）固化成型。实验中，研究人员分别密封口腔或鼻腔以实现单一腔道吸入。为测量三维流场，采用Shake-The-Box（STB）算法进行三维粒子追踪测速（3D PTV），并使用由水和甘油组成的折射率匹配流体以确保光学通透性。实验包括稳态吸入和正弦波形的振荡呼吸两种工况。
研究结果
1. 引言部分的核心发现回顾
此前Banko等人的研究发现，喉部和声门产生的强非对称射流和单侧旋涡贯穿整个气管并进入主支气管，导致速度剖面严重偏斜和复杂的二次涡结构，表明上气道形态不可通过理想化入口条件简化。Rüttgers等人的直接数值模拟（DNS）揭示，狭窄的鼻腔通道和弯曲的鼻甲产生强烈的局部加速和二次涡，鼻咽弯折和声门区域诱发剪切层不稳定性和射流状流动（声门射流），上气道形态直接决定了气管流场的组织方式。Lizal等人通过激光多普勒测速（LDA）和正电子发射断层扫描（PET）证实，经鼻高压降导致声门下游的口呼吸与联合呼吸速度剖面几乎相同，气管下游的颗粒沉积分布不受吸入路径影响。Xu等人利用粒子图像测速（PIV）在2:1放大模型中发现，口呼吸和鼻呼吸均产生前部声门射流和分离区，二维测量结果显示两者在上气管的流场相似。Janke等人在Weibel和Horsfield几何模型的振荡流研究中识别出三种流态：Re=250时为四涡结构，250≤Re<1000时为单对反向旋转涡，Re≥1500时为两对反向旋转螺旋结构。Tauwald等人通过层析PIV发现，鼻咽部的小螺旋结构会影响整个鼻腔的气流，该区域的手术可能破坏下鼻甲气流并造成长期问题。
2. 本研究的实验结果
研究人员通过3D PTV测量确认，在分析下呼吸道流场时必须考虑鼻腔和/或口腔的存在。与理想化的充分发展入流条件相比，两个腔道的存在显著改变了流场。然而，气管矢状面和冠状面上的速度剖面以及归一化速度幅值的等高线图显示，经口和经鼻吸入时的流场结构几乎相同，表明吸入路径对下气管流场的影响极小。
讨论与结论
本研究的讨论部分指出，尽管上气道几何（特别是鼻腔和口腔）对入流条件有显著影响，但在所研究的雷诺数和沃默斯利数范围内，经口与经鼻吸入在下气管产生的流场结构高度相似。这一发现与Lizal等人和Xu等人的早期结论一致，即吸入路径对声门下游的速度分布和颗粒沉积影响有限。研究结论认为，对于下呼吸道流场分析而言，是否纳入鼻腔或口腔的具体解剖结构比区分吸入路径更为关键；在模拟下气道流动时，可以合理简化吸入路径的差异，但必须保留上气道整体的几何效应。
