高密度至超高密度粉尘污染环境中的连续气道暴露风险再分布：从鼻孔到终末细支气管

《Journal of Hazardous Materials》：Redistribution of continuous airway exposure risk in polluted environments with high- to ultra-high-density dust particles: from nostrils to terminal bronchioles

　　

• 基于医学影像重建了高保真度连续气道模型。
• 通过物理模型开展了粉尘暴露的物理实验。
• 揭示了吸入高密度和超高密度粉尘的暴露机理。
• 获得了多种耦合作用下的差异性沉积响应和模式。
• 发现超高密度特定粒径粉尘增加了深部肺部暴露风险。

**引言**

隧道挖掘、采矿及其产品的破碎、筛选、运输和利用过程会持续释放大量的悬浮颗粒物，这是环境污染场景中最典型且持续时间最长的有害物质之一 [1]-[4]。医学研究表明，长期吸入粉尘会导致一系列呼吸系统和心血管系统损伤，包括尘肺病、硅肺病、慢性阻塞性肺病（COPD）、持续性气道炎症和肺功能下降，这已成为职业健康和环境领域持续关注的重大问题 [5]-[9]。粉尘的危害性不仅取决于其质量浓度和暴露时长，还与其粒径、矿物成分、物理化学特性以及在呼吸道的滞留情况有关 [10], [11]。因此，揭示不同粉尘颗粒在呼吸道尺度上的输运和区域沉积模式，是研究粉尘职业危害机理、暴露风险评估和靶向控制技术的重要基础 [11]-[13]。

现有呼吸颗粒输运研究总体上经历了从理想化模型到真实解剖学模型、从单效应分析到多效应耦合分析的发展过程。目前，CFD（计算流体力学）与三维医学影像重建技术的结合已成为重要的研究方法。Tu等人 [14] 和Wedel等人 [15] 均利用CT数据重建了鼻腔模型，模拟了颗粒吸入后的暴露结果，发现粉尘在其中的扩散受到气流动力学特性、解剖形状和粉尘扩散特性的影响。Dong等人 [16] 采用CFD-DPM模拟追踪了手术后果鼻虫粪便颗粒在鼻腔中的输运轨迹，发现颗粒的最终沉积位置高度依赖于其初始进入路径和粒径。为研究吸气和呼气对粉尘沉积的影响，Yu等人 [17] 和Cheng等人 [18] 提出了详细的上呼吸道模型；然而，这些研究缺乏下呼吸道效应的耦合分析。为探究下呼吸道的影响，Cai等人 [19] 构建了七种具有不同气道分支深度的三维支气管模型，并比较了其中的颗粒沉积情况，指出完整的可靠计算模拟框架可能需要纳入至少第六代支气管分支结构的气道模型。因此，从鼻腔入口到细支气管末端的连续、整体框架构建仍存在空白，鼻腔瓣膜区、声门和远端微分支等关键解剖特征往往被不同程度地简化，这限制了真实复杂流场特征的准确表征。

随着三维建模技术和实验方法的发展，气流和颗粒输运研究结果已越来越接近真实生理条件，研究范围也逐渐扩大。Deng等人 [20] 利用有限差分法进行数值求解，对来自土壤的粗颗粒和来自交通的细颗粒的输运与沉积进行了对比研究，发现土壤颗粒比交通颗粒更容易导致深部沉积。Mirzaaghaian等人 [21] 在一个包含口咽区而非鼻腔的呼吸道模型中模拟了不同体力活动水平下大气污染物的沉积与迁移，揭示了体力活动对空气污染物造成的肺部损伤的影响。Liu等人 [22] 对高海拔气道中室内颗粒物的暴露进行了模拟和体外实验研究，发现7.5 μm颗粒在上呼吸道的沉积减少最为显著，且大气压也会增加颗粒暴露的复杂性。然而，相关的物理实验支持仍然稀缺。Cui等人 [23], [24] 开发了相对完整的呼吸道模型，数值预测了月球粉尘在肺部的沉积；正如他们所指出的，在更深的细支气管中进行实验研究和颗粒沉积预测仍具有挑战性。

此外，Li等人 [25]、Tu等人 [26]、Rahman等人 [27] 和Liu等人 [28] 分别在理想化气道模型中数值模拟了细长石英粉尘、焊接烟尘、交通尾气和木屑等颗粒物的沉积行为。尽管其中一些研究仍采用恒流率或稳态条件，但它们得出了与常规密度颗粒观察不同的见解。例如，颗粒形貌对矿石颗粒沉积行为的影响并不遵循单调趋势，而表现出区域特异性特征。Jiang等人 [29]、Peng等人 [30] 和Aboelezz等人 [31] 构建了具有不同特征的气道模型，并对典型煤尘进行了扩散模拟，均有助于揭示气流和颗粒扩散的规律。然而可以观察到，大多数现有研究聚焦于气溶胶、城市颗粒物或常规煤尘，而在危险环境设置中产生的粉尘，特别是在金属矿山、岩石隧道和稀土矿山中产生的粉尘，往往具有更高甚至超高的颗粒密度，并带来更大的危害。此类粉尘在呼吸道内的惯性响应和区域滞留行为可能存在差异；现有研究对这类高密度或超高密度危险粉尘的吸入危害关注严重不足，其结论往往被低密度粉尘的研究结论所替代。

因此，本研究基于CT图像构建了覆盖从鼻腔到细支气管末端（G10代）连续呼吸道的高保真CFD模型，随后开发了与该呼吸道模型对应的1:1比例3D打印物理模型以及一套实验系统来支持物理实验。选取了一种来自岩石隧道、两种来自金属矿山和一种来自稀土矿山的四种密度梯度粉尘，分别考虑九种粒径，分析了它们在呼吸系统中的输运、扩散和区域分布特征。此外，从粒径类别（如可见尘、呼吸性粉尘、PM2.5和PM1）和动态演化的角度，分析了粒径-区域特定沉积分数和其他指标。本研究旨在阐明高密度和超高密度颗粒物在真实连续人呼吸系统中的瞬态扩散和滞留规律，并揭示颗粒密度、粒径尺度、几何结构、流场特征和时间进程对沉积行为的耦合控制效应。本研究将为职业暴露风险评估以及当前亟需关注的此类可吸入有害物质的防控提供理论依据。

**数学模型**

本研究采用CFD数值模拟来研究呼吸过程中气流与粉尘颗粒之间的相互作用。考虑到呼吸系统的复杂几何结构，气流可能呈现层流、湍流和涡流等多种状态 [32]-[35]。在众多湍流模型中，可实现k-ε模型能够有效地保持雷诺应力与实际湍流之间的物理一致性，并表现出高精度。

**呼吸实验测试与CFD模型的物理实验验证**

在UDF中设置的呼吸速度函数符合正常生理状态下的呼吸周期和气流强度。如图3(a)所示，受试者佩戴呼吸面罩并保持平稳呼吸。面罩连接到Quark PFT4 ergo多功能心肺测试仪和显示设备。完整的呼吸周期气流波形函数经过推导和校正，最终得到流速(v)与时间(t)的正弦函数为：v = 2.72 sin 1.831t

**连续气道中的气流分析**

环境粉尘颗粒随呼吸气流周期性地侵入人体气道，导致累积性健康损害。本研究对完整的呼吸周期进行了数值模拟，以研究从鼻腔到细支气管末端连续气道内的瞬态气流场和颗粒输运情况。流速峰值时刻对应着空气动力载荷最高、湍流脉动最强烈的流场状态，以及效应的……

**局限性**

矿山粉尘通常具有不规则形状和较宽的粒径分布。为独立分析密度和粒径的效应同时控制其他变量，本研究将粉尘简化为球形颗粒。这种简化可能会改变非球形颗粒的阻力、弛豫时间、旋转和滞留特性，从而高估粗颗粒的惯性碰撞能力和沉积分数。由于本研究中颗粒的体积分数……

**结论**

本研究基于真实医学影像构建了从鼻腔到细支气管末端（G10代）的高保真连续气道CFD模型，并通过物理实验对其进行了验证，研究了不同密度（高密度至超高密度）下九种粒径（0.1-30 μm）粉尘颗粒在气道不同区域的滞留模式和沉积演化，揭示了这些危险……的吸入暴露和差异性沉积响应机理。

**环境意义**

粉尘颗粒污染环境、降低空气质量；长期暴露于粉尘中已被医学界认定为呼吸系统和心血管疾病的主要风险因素。来自稀土开采、岩石隧道掘进等环境的高密度和超高密度粉尘危害更大。本研究在真实连续人呼吸道中调查了此类颗粒物的瞬时扩散模式和沉积分布机理，以及差异性……

**意义声明**

目前，在涉及环境粉尘的高度真实性呼吸暴露研究中仍存在空白：缺乏高保真度气道模型和覆盖从鼻腔到细支气管整个呼吸道的连续研究框架；物理实验支持不足；以及缺乏对极高密度非常规粉尘是否存在暴露差异的理解等问题。本研究解决了这些问题，……

**符号和缩写表**

**缩写**

| 缩写 | 全称 |
|------|------|
| CFD | 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics） |
| CT | 计算机断层扫描（Computed Tomography） |
| DPM | 离散相模型（Discrete Phase Model） |
| D | 沉积颗粒数 |
| Dt | 颗粒总数 |
| DF | 沉积分数 |
| UDF | 用户自定义函数（User-Defined Function） |
| De | 实验沉积分数 |
| RDF | 区域沉积分数 |
| SRDF | 粒径-区域特定沉积分数 |
| Vd | 可见尘 |
| Rd | 呼吸性粉尘 |
| WSS | 壁面剪切应力 |
| SDE | 粒径特定沉积效率 |
| DPI | 沉积进展指数 |
| DDPI | 深部沉积进展指数 |
| FPRR | 自由颗粒残余率 |

**作者贡献声明（CRediT）**

张鑫宇：验证、形式分析、数据整理。袁丁：资源、项目管理、调查。禹海明：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、资源、资金获取、概念化。杨宪航：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、可视化、验证、软件、方法论。李清海：调查。吴文平：资源。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家自然科学基金面上项目（批准号：52374217，禹海明）、国家重点研发计划项目（批准号：SQ2023YFC2500015，禹海明）以及山东省高校青年创新团队计划（批准号：2024KJH058，禹海明）资助。

杨宪航 | 禹海明 | 袁丁 | 张鑫宇 | 吴文平 | 李清海