模擬複雜生物系統動力學模型通常都需要一定程度的同化，模擬吸入氣溶膠在肺部沉積也不例外。實際上，粒子接觸到氣管表面或肺泡表面之前的過程並沒有涉及任何生物化學反應，它們只是與肺部結構和呼吸動力學有關。因此模型具有物理學和生理學特性，而不具有生物化學特性。
基本介紹
- 中文名：肺沉積模型
- 外文名：Lung deposition model
- 模型1：早期推斷模型
- 模型2：高級沉積模型
- 模型3：連續徑流沉積模型
- 模型4：計算機模擬模型
簡介,早期推斷模型,高級沉積模型,連續徑流沉積模型,計算機模擬模型,
簡介
模擬複雜生物系統動力學模型通常都需要一定程度的同化，模擬吸入氣溶膠在肺部沉積也不例外。實際上，粒子接觸到氣管表面或肺泡表面之前的過程並沒有涉及任何生物化學反應，它們只是與肺部結構和呼吸動力學有關。因此模型具有物理學和生理學特性，而不具有生物化學特性。
早期推斷模型
粒子沉積的解剖學肺模型可以分為兩大組成部分一個氣管支氣管樹和一個膨脹肺泡(alveoli)的終體積構成的空間。簡單構想一下層流(laminar flow)在不同分支的管道中流動的情形，粒子沉積主要由有限的幾個物理現象決定，其中最主要的是粒子大小。因此我們也就不難理解第一個粒子沉積模型是由一位氣象學家提出的。Findeisen((1935)對可吸入性大氣粒子十分熟悉，他的這個模型僅包括幾個階段，並從氣管(trachea)開始，根據功能將支氣管和肺空間分成9個部分。
幾年後，Landahl(1950)改進並擴展了Findeisen的模型，致力於用玉米油滴和亞甲基藍(methylene blue)粒子來解釋他早期的實驗數據。他將口、咽(pharynx)和肺泡管(al.colar duct)的第二級定義為模型額外的部分，並將模型套用於經口呼吸循環的驗證中。儘管排除了粒子吸濕因素，仍存在50%沉積偏差。經過進一步研究與實驗，儘管沒有排除所有的矛盾結果，Findeisem-Landahl模型在理論和經驗教據之間還是取得了基本的一致。
高級沉積模型
第二次世界大戰以後，由於放射氣溶膠偶然吸入造成的事故以及原子能的發展，人們開始對職業下牛危險表示出極大關注。1966年，國際放射保護委員會(ICRP,Intenrational Commission on Radiolo8ical Protection)出於安全的考慮，任命肺動力學任務組(Task Group on Lung Dynamics)對吸入放射氣溶膠在肺部沉積和滯留開展連續調查。經過仔細的實驗，任務組使用Findeisen模型，結合Pattie(1961)鼻沉積經驗公式，估計初始的沉積。將原來使用圖形步驟來計算的擴散沉積簡化為使用Kennedy(1949)的公式進行計算。進人20世紀70年代和80年代。總沉積(total deposition)和區域沉積(regional deposition)的人體實驗獲得了大量的數據，從而大大加快了理論研究的步伐。1975年Heyder等在嚴格控制的條件下，對肺總沉積進行了精細的人體研究。通過計算在正常狀態下受試者肺殘餘通氣量，他們解決了其他研究口呼吸(mouth breathing)時出現的個體差異問題，但是鼻呼吸(nose breathing)的個體差異依然存在。
1978年，Heyder等人修正了他們的實驗方法和數據。1979年，Gerrity等人使用Landahl模型推測吸入粒子在呼吸道的沉積，並把它運用於Weibel(1966)的對稱解剖肺模型中。他們忽略氣溶膠混合(aerosol mixing)和湍流(turbulent)沉積，並估計這些被忽咯的因素不會超過10%。雖然使用了簡化手段，但計算結果仍與Heyder等(1975)的實驗數據基本一致對於最大的試驗粒子(3μm)，計算和試驗之間的不一致性達30%；對於小粒子，不一致性就比較小1980年Lippmann等在他篇詳盡的綜述中認為，Heyder和他同事在1975年得出的較低的沉積量是最可靠的。
連續徑流沉積模型
1975年，Taulbee和Yu設計了一個粒子在肺部沉積的新理論模型。他們設計了一個喇叭(trumpet)肺模型，該模型首先由Scherer等人在研究氣體擴散時提出。該模型將呼吸道在整個長度方向上構想成一個具有不斷增加交叉界面的喇叭形狀。為了改進喇叭肺模型，Egan和Nixon(1985)給不同粒子的沉積機制和口鼻呼吸數據以新的解釋，與Heyder等人在1975年取得的呼吸參數具有較高的一致性。
1982年。Yu和Diu通過使用5個不同的解剖肺模型，同樣利用了喇叭肺模型來推測肺內總沉積和區域沉積。他們推測的總沉積同樣與Heyder等(1975)和Ford等(1978)的實驗數據有較高的一致性。除了最原始的Findpisen模型外，總沉積在所有肺模型中都取得了較好的一致性。但是，肺模型的區域沉積值未與實驗數據比較，但呈現出較大的差異。在自己的模型中利用Weibel肺模型，並加上自己的分析方案，Yu和Diu(1983)在區域沉積方面與Heyder(1980)和Stahlhofen等(1980)取得了很好的一致。
計算機模擬模型
通過間接地假定粒子在人呼吸道表面是均一分布，數學模型中計算出的沉積量可轉化成表面劑量(即每單位表面積沉積量)。1990年Gradon和Orlicki的研究解決了氣溶膠粒子在氣管支氣管樹分支三維空間內擴散和對流(convection)的方程式。他們使用了一個氣管支氣管樹分支和靜止空氣流速場計算結果的幾何學模型。通過計算他們認為氣流流速的增加會導致較大粒子沉積增加，在肺深部擴散機制占主導地位，因此在這個部位沉積基本上與粒子大小無關。當粒子大小減小至一定程度，擴散機制占據主導地位。氣流流動因素造成的效果就比較小了。
