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一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统

阅读：952发布：2020-05-17

专利汇可以提供一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统，属于呼吸系统模拟的系统领域。呼吸系统内烟气沉降模拟系统，包括呼吸道模型、CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块、模型数据输出模块、外界环境参数库模块以及模型数据与环境参数耦合模块。本发明的呼吸系统内烟气沉降模拟系统能真实反应人体呼吸道中各区域烟气颗粒沉降剂量。预测烟气环境中的人员呼吸道损伤程度等相关指标，为减少人员呼吸系统疾病、心血管疾病提供理论支撑，为开展个体防护装备研制提供科学依据，最终达到保护人民生命安全的目标。，下面是一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于：包括呼吸道模型、CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块、模型数据输出模块、外界环境参数库模块以及模型数据与环境参数耦合模块；
所述呼吸道模型用于模拟按生理结构划分区域的真实呼吸道；
所述CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块用于计算呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数；
所述模型数据输出模块用于输出CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块计算得到的各划分区域的颗粒沉降分数；
所述外界环境参数库模块用于提供真实环境的烟气颗粒参数；
所述模型数据与环境参数耦合模块用于将模型数据输出模块得到呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数与外界环境参数库模块中的烟气颗粒参数耦合，得到呼吸道模型内各区域的沉降剂量。
2.根据权利要求1所述的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于：所述呼吸道模型是由真实人体呼吸道的计算机断层扫描图像导入至MIMICS 软件中经分层识别构建的；按生理结构划分的区域包括鼻腔、口腔、咽喉、气管支气管4大部分。
3.根据权利要求2所述的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于，所述各划分区域的颗粒沉降分数的计算过程包括：结合真实呼吸道组织内流场分布特点，建立呼吸道模型内流场，调整相关参数进行CFD计算；不考虑颗粒间的相互作用，单个颗粒主要受到拉曳力、Saffman力、布朗力、热泳力四种力的作用，单个颗粒于呼吸道模型内流场中的运动受力如公式(1)；颗粒在呼吸道模型中运动时在离呼吸道模型壁面的距离小于颗粒半径时记为发生沉降，其余未沉积颗粒从呼吸道模型下端离开呼吸道模型，记为进入肺部；统计呼吸道模型内的鼻腔、口腔、咽喉、气管支气管4大划分区域的沉积颗粒数，呼吸道模型内的沉积颗粒数等于4大划分区域的沉积颗粒数的总和，吸入总颗粒数为由鼻腔、口腔进入呼吸道模型内的颗粒数的总和，各划分区域壁面的颗粒沉降分数(DFp)的计算公式如下公式(2)，呼吸道模型的颗粒沉降分数等于4大划分区域的颗粒沉降分数的总和；
其中up是颗粒速度，单位是m/s；t为时间，单位是s；Cc是Cunningham修正参数，无量纲；
FD是单位质量拉曳力，单位是m/s2；FS是单位质量Saffman力，单位是m/s2；FB是单位质量布朗力，单位是m/s2；FT是单位质量热泳力力，单位是m/s2。
4.根据权利要求1所述的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于：测量真实环境中的颗粒温度、化学组分、密度、粒径分布、浓度分布特性，构建用于提供真实环境的颗粒温度、种类、浓度和数量-粒径分布的所述外界环境参数库模块。
5.根据权利要求3所述的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于，所述模型数据与环境参数耦合模块的构建过程包括：将模型数据输出模块得到呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数耦合，得到呼吸道模型各划分区域的沉降剂量；
颗粒沉降剂量计算公式如下公式(3)：
其中Dosemass是呼吸道模型内颗粒沉降剂量，单位是μg；(t1,t2)是计算的时间区间，单位是s；是计算颗粒粒径区间；ρp是颗粒密度，单位是g/cm3；dp是颗粒粒径，单位是
3
nm；是环境中烟气颗粒数量-粒径分布，单位是#/cm·nm，是环境中烟气颗粒的位置向量，单位是m，t为时间，单位为s；DFp是呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数，单位是％；Q是呼吸流量，单位是L/min；d(dp)为dp的微分。
6.根据权利要求2所述的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于：所述呼吸道模型的气管支气管外围设有一圈作为模拟呼吸道外组织结构的圆柱模型；所述圆柱模型也作为计算区域并进行网格划分，用于评估呼吸道模型数值计算的准确性。
7.根据权利要求5所述的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于：所述的得到方法为：采样地分别设置两个采样站，每个采样站包括一个气溶胶光谱仪、一个级联撞击器和温度计；气溶胶光谱仪对特定高度区域的颗粒进行取样，此区域代表人体呼吸区，测量设定时间，采样结果得到各时间点的颗粒数量-粒径分布情况曲线；级联撞击器用来测量颗粒质量浓度，选取颗粒质量浓度最大时的颗粒数量-粒径分布曲线作为代表
8.根据权利要求3所述的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，其特征在于：所述进行CFD计算调整的相关参数为呼吸流量、呼吸模式、粒径或密度颗粒。

说明书全文

一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统

技术领域

[0001] 本发明涉及呼吸系统模拟系统的技术领域，具体是涉及一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统。

背景技术

[0002] 室外环境中的颗粒物(PM)以及车间中产生的焊接烟尘附聚物、木屑等污染物会严重损害人体健康。在火灾事故中，火场中产生的烟气颗粒对消防员、紧急救援人员和被困群众的健康存在威胁。烟气颗粒会沉降在呼吸系统内，进而部分会进入体内循环造成人体急性或慢性健康风险，可能引起呼吸系统疾病与心血管疾病。呼吸系统疾病有哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)等，心血管疾病有冠心病等。慢性阻塞性肺病(COPD)包括肺气肿和慢性支气管炎等。附着有毒金属的颗粒物通过鼻腔呼吸、口腔呼吸进入体内，颗粒物中所含的化学成分和附着的有毒金属的形态在评估烟气颗粒对人体健康风险中起关键性作用。

[0003] 由于伦理道德问题，呼吸系统内颗粒沉降的相关研究不能直接进行人体试验。计算流体动力学(CFD)因其具有成本低、速度快等优点而被广泛用于模拟呼吸系统内烟气沉降的研究。相关研究并没有将模拟呼吸系统内烟气沉降研究与真实环境的颗粒浓度分布相关联，因而无法对呼吸系统各个区域于真实环境下的沉积剂量进行分析。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术的技术问题，本发明提供一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统。

[0005] 为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统，包括呼吸道模型、CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块、模型数据输出模块、外界环境参数库模块以及模型数据与环境参数耦合模块；

[0006] 所述呼吸道模型用于模拟按生理结构划分区域的真实呼吸道；

[0007] 所述CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块用于计算呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数；

[0008] 所述模型数据输出模块用于输出CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块计算得到的各划分区域的颗粒沉降分数；

[0009] 所述外界环境参数库模块用于提供真实环境的烟气颗粒参数；

[0010] 所述模型数据与环境参数耦合模块用于将模型数据输出模块得到呼吸系统各区域的颗粒沉降分数与外界环境参数库模块中的烟气颗粒参数耦合，得到呼吸道模型内各区域的沉降剂量；

[0011] 所述呼吸系统损伤评估模块是针对呼吸道模型的各区域的沉降剂量和浓度利用美国环境保护局提出的针对整体呼吸系统的呼吸暴露评估方法，得到呼吸道模型各区域非致癌颗粒的危险因子(HQ)指数和致癌颗粒的终生癌症风险指数(ELCR)，评估呼吸道模型各区域的健康风险，进而对真实呼吸道损伤进行评估。

[0012] 进一步的，所述呼吸道模型是由真实人体呼吸道的计算机断层扫描图像导入至MIMICS 软件中经分层识别构建的；所述按生理结构划分的区域包括鼻腔、口腔、咽喉、气管支气管4大部分。

[0013] 进一步的，所述各划分区域的颗粒沉降分数的计算过程包括：将足够多的单一粒径的烟气颗粒在鼻腔或口腔附近释放，烟气颗粒在呼吸道中运动时，忽略颗粒间相互运动，假设颗粒均为球形，吸入颗粒在呼吸道模型中运动时在离呼吸道模型壁面距离小于颗粒半径时即发生沉降，其余未沉积颗粒从呼吸道模型下端离开呼吸道模型，认为所有颗粒均未通过呼气呼出；同时针对呼吸道组织内传热的特点，考虑呼吸道组织内新陈代谢产热、血液循环散热的影响，以及分析呼吸道-组织交界面存在对流换热等热交互热量传递过程，确定新陈代谢产热、血液循环散热、热交互过程的关键参数，建立涵盖对流、辐射、蒸发传热的热传递方程，对颗粒运动产生热泳力影响；结合真实呼吸道组织内流场分布特点，建立呼吸道模型内流场，调整不同的呼吸流量、呼吸模式、粒径或密度颗粒，分别于多种呼吸流量、呼吸模式、粒径或密度颗粒下进行CFD计算；不考虑颗粒间的相互作用，单个颗粒主要受到拉曳力、Saffman力、布朗力、热泳力四种力的作用，单个颗粒于呼吸道模型内流场中的运动受力如公式(1)；公式(1)是单个颗粒在呼吸道内的运动受力公式，根据公式(1)可以得到颗粒的运动up的情况。颗粒的沉降是基于呼吸道内流场计算的，认为颗粒运动受到呼吸道内流场影响，忽略颗粒间的运动。颗粒根据呼吸道内流场情况运动，若接触壁面时则认为颗粒沉降，最终统计在各区域沉降颗粒的数目，计算沉积分数，即公式(2)。颗粒在呼吸道模型中运动时在离呼吸道模型壁面的距离小于颗粒半径时记为发生沉降，其余未沉积颗粒从呼吸道模型下端离开呼吸道模型，记为进入肺部；统计呼吸道模型内的鼻腔、口腔、咽喉、气管支气管4大划分区域的沉积颗粒数，呼吸道模型内的沉积颗粒数等于4大划分区域的沉积颗粒数的总和，吸入总颗粒数为由鼻腔、口腔进入呼吸道模型内的颗粒数的总和，各划分区域壁面的颗粒沉降分数(DFp)的计算公式如下公式(2)，呼吸道模型的颗粒沉降分数等于4大划分区域的颗粒沉降分数的总和；

[0014]

[0015]

[0016] 其中up是颗粒速度，单位是m/s；t为时间，单位是s；Cc是Cunningham修正参数，无量纲；FD是单位质量拉曳力，单位是m/s2；FS是单位质量Saffman力，单位是m/s2；FB是单位质量2 2
布朗力，单位是m/s；FT是单位质量热泳力力，单位是m/s。

[0017] 进一步的，外界环境参数库模块的构建过程：选取典型场景，了解采样场景具体情况，在采样地分别设置两个均布的采样站，每个采样站包括一个气溶胶光谱仪、一个级联撞击器和温度计。气溶胶光谱仪对1.5米高度区域的颗粒进行取样，此区域代表人体呼吸区，测量一段时间，采样结果得到各时间点的颗粒数量-粒径分布情况曲线；级联撞击器用来测量颗粒质量浓度，选取颗粒质量浓度最大时的颗粒数量-粒径分布曲线作为代表表示最差的环境状况；温度计获取采样过程中的平均温度。测量的真实环境中的颗粒的温度、密度、化学组分、粒径分布、浓度分布特性构建用于提供真实环境的颗粒温度、种类、浓度和数量-粒径分布的所述外界环境参数库模块。烟气温度设置成颗粒温度，颗粒种类选取后对应颗粒密度，根据场景选择呼吸流量和模式，颗粒数量-粒径分布中的粒径范围对应计算粒径的范围；颗粒浓度用于后续沉降剂量计算和风险计算。

[0018] 进一步的，所述模型数据与环境参数耦合模块的构建过程包括：将模型数据输出模块得到呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数耦合，得到呼吸道模型各划分区域的沉降剂量；颗粒沉降剂量计算公式如下公式(3)：

[0019]

[0020] 其中Dosemass是呼吸道模型内颗粒沉降剂量，单位是μg；DFp是呼吸道模型内各区域3
的颗粒沉降分数，单位是％；ρp是颗粒密度，单位是g/cm ；dp是颗粒粒径，单位是nm，d(dp)为dp的微分，是计算颗粒粒径区间；(t1,t2)是计算的时间区间，单位是s；是环境中烟气颗粒数量-粒径分布，单位是#/cm3·nm，其测量过程为：测量得到颗粒数量-粒径分布特性曲线；级联撞击器用来测量颗粒质量浓度，选取颗粒质量浓度最大时的颗粒数量-粒径分布曲线作为代表是环境中烟气颗粒的位置向量，单位是m；Q是呼
吸流量，单位是L/min。

[0021] Dosemass是呼吸道模型内颗粒沉降剂量是一个计算沉积剂量的公式，既可以计算整个沉积剂量，也可以计算各个分区的，因为公式里面的DF不同，计算的沉积剂量部位也不同。

[0022] 进一步的，所述呼吸道模型的气管支气管外围设有一圈作为模拟呼吸道外组织结构的圆柱模型；所述圆柱模型也作为计算区域并进行网格划分，用于评估呼吸道模型数值计算的准确性。

[0023] 本发明的有益效果在于：本发明提供的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，可以将外界环境中烟气温度，选取的颗粒种类，颗粒浓度和数量-粒径分布建立外界环境参数库模块，并可以和经真实人体得到的呼吸道模型耦合用于得到人体呼吸道各区域的烟尘颗粒沉积量。本发明为以真实人体呼吸系统为模型模拟出的各区域烟气颗粒沉降剂量，为预测烟气环境中的人员呼吸系统损伤程度等相关指标，减少人员呼吸系统疾病、心血管疾病提供理论支撑，为开展个体防护装备研制提供科学依据，最终达到保护人民生命安全的目标。附图说明

[0024] 图1为本发明呼吸系统内烟气沉降模拟系统的总流程图；

[0025] 图2为本发明的呼吸道模型与外围的圆柱模型的结构示意图；

[0026] 图3为本发明实施例提供的环境中烟气铬颗粒数量-粒径分布；

[0027] 图4为本发明实施例提供的呼吸系统各区域颗粒损伤贡献的饼状图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 如图1所示，一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统，包括呼吸道模型、CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块、模型数据输出模块、外界环境参数库模块以及模型数据与环境参数耦合模块；

[0030] 所述呼吸道模型用于模拟按生理结构划分区域的真实呼吸道；

[0031] 所述CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块用于计算呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数；

[0032] 所述模型数据输出模块用于输出CFD仿真模拟烟气颗粒沉降模块计算得到的各划分区域的颗粒沉降分数；

[0033] 所述外界环境参数库模块用于提供真实环境的烟气颗粒参数；

[0034] 所述模型数据与环境参数耦合模块用于将模型数据输出模块得到呼吸系统各区域的颗粒沉降分数与外界环境参数库模块中的烟气颗粒参数耦合，得到呼吸道模型内各区域的沉降剂量；

[0035] 所述呼吸系统损伤评估模块是针对呼吸道模型的各区域的沉降剂量和浓度利用美国环境保护局提出的针对整体呼吸系统的呼吸暴露评估方法，得到呼吸道模型各区域非致癌颗粒的危险因子(HQ)指数和致癌颗粒的终生癌症风险指数(ELCR)，评估呼吸道模型各区域的健康风险，进而对真实呼吸道损伤进行评估。

[0036] 较优地，如图2所示的，所述呼吸道模型是由真实人体呼吸道的计算机断层扫描图像导入至MIMICS软件中经分层识别构建的；所述按生理结构划分的区域包括鼻腔、口腔、咽喉、气管支气管4大部分。

[0037] 较优地，所述各划分区域的颗粒沉降分数的计算过程包括：将足够多的单一粒径的烟气颗粒在鼻腔或口腔附近释放，烟气颗粒在呼吸道中运动时，忽略颗粒间相互运动，假设颗粒均为球形，吸入颗粒在呼吸道模型中运动时在离呼吸道模型壁面距离小于颗粒半径时即发生沉降，其余未沉积颗粒从呼吸道模型下端离开呼吸道模型，认为所有颗粒均未通过呼气呼出；同时针对呼吸道组织内传热的特点，考虑呼吸道组织内新陈代谢产热、血液循环散热的影响，以及分析呼吸道-组织交界面存在对流换热等热交互热量传递过程，确定新陈代谢产热、血液循环散热、热交互过程的关键参数，建立涵盖对流、辐射、蒸发传热的热传递方程，对颗粒运动产生热泳力影响。结合真实呼吸道组织内流场分布特点，建立呼吸道模型内流场，调整不同的呼吸流量、呼吸模式、粒径或密度颗粒，分别于多种呼吸流量、呼吸模式、粒径或密度颗粒下进行CFD计算；不考虑颗粒间的相互作用，单个颗粒主要受到拉曳力、Saffman力、布朗力、热泳力四种力的作用，单个颗粒于呼吸道模型内流场中的运动受力如公式(1)；公式(1)是单个颗粒在呼吸道内的运动受力公式，根据公式(1)可以得到颗粒的运动up的情况。颗粒的沉降是基于呼吸道内流场计算的，认为颗粒运动受到呼吸道内流场影响，忽略颗粒间的运动。颗粒根据呼吸道内流场情况运动，若接触壁面时则认为颗粒沉降，最终统计在各区域沉降颗粒的数目，计算沉积分数，即公式(2)。颗粒在呼吸道模型中运动时在离呼吸道模型壁面的距离小于颗粒半径时记为发生沉降，其余未沉积颗粒从呼吸道模型下端离开呼吸道模型，记为进入肺部；统计呼吸道模型内的鼻腔、口腔、咽喉、气管支气管4大划分区域的沉积颗粒数，呼吸道模型内的沉积颗粒数等于4大划分区域的沉积颗粒数的总和，吸入总颗粒数为由鼻腔、口腔进入呼吸道模型内的颗粒数的总和，各划分区域壁面的颗粒沉降分数(DFp)的计算公式如下公式(2)，呼吸道模型的颗粒沉降分数等于4大划分区域的颗粒沉降分数的总和；

[0038]

[0039]

[0040] 其中up是颗粒速度，单位是m/s；t为时间，单位是s；Cc是Cunningham修正参数，无量纲；FD是单位质量拉曳力，单位是m/s2；FS是单位质量Saffman力，单位是m/s2；FB是单位质量布朗力，单位是m/s2；FT是单位质量热泳力力，单位是m/s2。

[0041] 本发明假设所有颗粒进入呼吸道均沉降，没有呼出。由于呼出的剂量较少，以及很多颗粒进入肺部后进入血液、组织，走向各个器官，所以呼出剂量被忽略。

[0042] 构建过程：选取典型场景，了解采样场景具体情况，在采样地分别设置两个均布的采样站，每个采样站包括一个气溶胶光谱仪、一个级联撞击器和温度计。气溶胶光谱仪对1.5米高度区域的颗粒进行取样，此区域代表人体呼吸区，测量一段时间，采样结果得到各时间点的颗粒数量-粒径分布情况曲线；级联撞击器用来测量颗粒质量浓度，选取颗粒质量浓度最大时的颗粒数量-粒径分布曲线作为代表表示最差的环境状况；温度
计获取采样过程中的平均温度。测量的真实环境中的颗粒的温度、密度、化学组分、粒径分布、浓度分布特性构建用于提供真实环境的颗粒温度、种类、浓度和数量-粒径分布的所述外界环境参数库模块。烟气温度设置成颗粒温度，颗粒种类选取后对应颗粒密度，根据场景选择呼吸流量和模式，颗粒数量-粒径分布中的粒径范围对应计算粒径的范围；颗粒浓度用于后续沉降剂量计算和风险计算。

[0043] 较优地，所述模型数据与环境参数耦合模块的构建过程包括：将模型数据输出模块得到呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数耦合，得到呼吸道模型各划分区域的沉降剂量；颗粒沉降剂量计算公式如下公式(3)：

[0044]

[0045] 其中Dosemass是呼吸道模型内颗粒沉降剂量，单位是μg；DFp是呼吸道模型内各区域的颗粒沉降分数，单位是％；ρp是颗粒密度，单位是g/cm3；dp是颗粒粒径，单位是nm，是计算颗粒粒径区间；(t1,t2)是计算的时间区间，单位是s；是环境中烟气颗粒数量粒径分布，单位是#/cm3·nm；是测量环境中烟气颗粒的位置向量，单位是m；Q是呼吸流量，单位是L/min。

[0046] 较优地，所述呼吸道模型的气管支气管外围设有一圈作为模拟呼吸道外组织结构的圆柱模型；所述圆柱模型也作为计算区域并进行网格划分，用于评估呼吸道模型数值计算的准确性。

[0047] 将CT扫描图像导入MIMICS软件，通过分层识别，得到人体真实呼吸道模型的重建。将呼吸道模型平滑修整后，划分为鼻腔、口腔、咽喉、气管支气管4大部分，支气管下方未重建部分属于肺部，肺部又可以分为左肺与右肺。在气管外面加入3cm的圆柱模型，表示呼吸道外组织结构。在呼吸道模型铺设四面体及棱柱边界层网格，网格具有独立性。

[0048] 考虑的呼吸模式为口鼻一起呼吸，认为人处在无运动状态，呼吸流量为18L/min。实施例中外界环境参数库选择在一个公交车站测量的包括对烟气颗粒温度、化学组分、粒径分布、浓度分布等实验数据。通过呼吸对人体影响较大的金属颗粒有铬、砷、锰、镍等，六价铬是明确的有害元素，它可以通过消化道、呼吸道、皮肤和粘膜侵入人体，通过呼吸道进入人体的则易积存在肺部，因其有强氧化性，经呼吸道侵入人体时，会侵害上呼吸道，引起鼻炎、咽炎和喉炎、支气管炎。本发明选择铬(Cr)元素作为研究对象，其密度为7.19g/cm3，在环境实测到的铬颗粒数量粒径分布如图3所示，图3是从国外文献中得到，巴士站位于新加坡国立大学前自然历史博物馆。手动计算近距离车道和其他车道上的过往车辆(卡车、汽车和公共汽车)的数量。巴士站由五个大学班车服务和两个公共巴士服务共享。交通流量基本稳定，每分钟0.3卡车，每分钟4.2辆汽车，每分钟0.9辆巴士。几乎所有在近距离车道上的过往巴士(95％)都在巴士站进行了停止启动过程，在距离路边1米处设置两个采样站，在公交车站的两端(前部和后部)分开8米。每个站包括一个气溶胶光谱仪，对1.5米高度的颗粒进行取样，代表取样人体呼吸区。将级联撞击器放置在前站上以测量颗粒质量浓度。

[0049] 实施例1

[0050] 将CT扫描图像导入MIMICS软件，通过分层识别，得到人体真实呼吸道模型中的鼻腔部模型；呼吸道模型中烟气颗粒运动的受力公式如公式(1)；鼻腔部颗粒沉降分数(DFp)等于鼻腔部模型壁面沉降颗粒数除以吸入呼吸道模型内部的总颗粒数，如公式(2)。

[0051] 将鼻腔部颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数通过公式(3)相耦合，得到鼻腔部的沉降剂量；认为人在公交车站每天会停留20min，从而得到铬元素在鼻腔部颗粒沉降剂量为0.94ng。

[0052] 本实施例为鼻腔内烟气沉降模拟系统。

[0053] 实施例2

[0054] 将CT扫描图像导入MIMICS软件，通过分层识别，得到人体真实呼吸道模型中的口腔部模型；呼吸道模型中烟气颗粒运动的受力公式如公式(1)；口腔部颗粒沉降分数(DFp)等于口腔部模型壁面沉降颗粒数除以吸入呼吸道模型内部的总颗粒数。

[0055] 将口腔部颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数通过公式(3)相耦合，得到口腔部的沉降剂量；认为人在公交车站每天会停留20min，从而得到铬元素在口腔部颗粒沉降剂量为0.38ng。

[0056] 本实施例为口腔内烟气沉降模拟系统。

[0057] 实施例3

[0058] 将CT扫描图像导入MIMICS软件，通过分层识别，得到人体真实呼吸道模型中的咽喉部模型；呼吸道模型中烟气颗粒运动的受力公式如公式(1)；咽喉部颗粒沉降分数(DFp)等于咽喉部模型壁面沉降颗粒数除以吸入呼吸道模型内部的总颗粒数，如公式(2)。

[0059] 将咽喉部颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数通过公式(3)相耦合，得到咽喉部的沉降剂量；认为人在公交车站每天会停留20min，从而得到铬元素在咽喉部颗粒沉降剂量为1.54ng。

[0060] 本实施例为咽喉内烟气沉降模拟系统。

[0061] 实施例4

[0062] 将CT扫描图像导入MIMICS软件，通过分层识别，得到人体真实呼吸道模型中的气管部模型；呼吸道模型中烟气颗粒运动的受力公式如公式(1)；气管部颗粒沉降分数(DFp)等于气管部模型壁面沉降颗粒数除以吸入呼吸道模型内部的总颗粒数，如公式(2)。

[0063] 将气管部颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数通过公式(3)相耦合，得到气管部的沉降剂量；认为人在公交车站每天会停留20min，从而得到铬元素在气管部颗粒沉降剂量为0.18ng。

[0064] 本实施例为气管内烟气沉降模拟系统。

[0065] 实施例5

[0066] 将CT扫描图像导入MIMICS软件，通过分层识别，得到人体真实呼吸道模型中的支气管部模型；呼吸道模型中烟气颗粒运动的受力公式如公式(1)；支气管部颗粒沉降分数(DFp)等于支气管部模型壁面沉降颗粒数除以吸入呼吸道模型内部的总颗粒数，如公式(2)。支气管位于肺的内部，在支气管部未发生沉降的烟气颗粒，从下端离开呼吸道模型，并看做进入肺泡中，支气管部的沉降分数加上进入肺泡内的沉降分数的总和等于肺部的颗粒沉降分数；另外，支气管也可分为左肺支气管和右肺支气管，左肺支气管部的沉降分数加上进入左部肺泡内的沉降分数的总和等于左肺部的颗粒沉降分数；右肺支气管部的沉降分数加上进入右部肺泡内的沉降分数的总和等于右肺部的颗粒沉降分数。

[0067] 将肺部颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数通过公式(3)相耦合，分别得到整个肺部的沉降剂量以及左、右肺的沉降剂量；认为人在公交车站每天会停留20min，从而得到铬元素在肺部颗粒沉降剂量为15.11ng；左肺的沉降剂量为5.97ng，右肺的沉降剂量为9.14ng。

[0068] 本实施例为肺部内烟气沉降模拟系统。

[0069] 实施例6

[0070] 将CT扫描图像导入MIMICS软件，通过分层识别，得到人体真实呼吸道模型；呼吸道模型中烟气颗粒运动的受力公式如公式(1)；整个呼吸道模型中的沉降分数(DFp)等于呼吸道模型壁面沉降颗粒数除以吸入呼吸道模型内部的总颗粒数，也是等于公式(2)得到的4大分区域的颗粒沉降分数的总和。

[0071] 将呼吸道模型的颗粒沉降分数与外界环境参数库烟气颗粒参数通过公式(3)相耦合，得到呼吸道模型内的沉降剂量；认为人在公交车站每天会停留20min，从而得到铬元素在呼吸道模型内颗粒沉降剂量为3.04ng。

[0072] 本实施例为呼吸道内烟气沉降模拟系统。

[0073] 综上实施例1-6得到，整个呼吸系统的颗粒沉降剂量为18.15ng。各分区域的沉降剂量如下表1所示：

[0074] 表1

[0075]

[0076] 针对呼吸道模型的各区域的沉降剂量和浓度利用美国环境保护局提出的针对整体呼吸系统的呼吸暴露评估方法，得到呼吸道模型与肺部各区域非致癌颗粒的危险因子(HQ)指数和致癌颗粒的终生癌症风险指数(ELCR)，评估呼吸系统各区域的健康风险，进而对真实呼吸系统损伤进行评估。由以上实施例1-5中在公交车站情景下，认为人员每年有300天乘坐公交车，乘坐30年，从而计算得到呼吸系统各区域非致癌颗粒的危险因子(HQ)指数和致癌颗粒的终生癌症风险指数(ELCR)，其中危险因子和终生癌症风险指数的上限分别为1和1×10-6。具体数值如表2所示：

[0077] 表2

[0078]

[0079]

[0080] 肺部又可以分为左肺和右肺，左肺的危险因子为1.89E-03，终生癌症风险为6.82E-06；右肺的危险因子为2.90E-03，终生癌症风险为1.04E-05。危险因子和终生癌症风-6
险指数的上限分别为1和1×10 ，铬元素在呼吸系统、鼻腔、咽喉、左肺、右肺部的终生癌症风险指数均超过上限值，有很大概率导致癌症；其中在肺部产生癌症的可能性最大。在公交站情景下，呼吸系统各部位颗粒损伤贡献由每个部位危险因子/终生癌症风险占总的呼吸系统中的风险的损伤贡献百分比所得，每个部位危险因子/终生癌症风险除以总的呼吸系统中的危险因子/终生癌症风险，计算得到损伤贡献的百分比如图4所示，由图可见，患癌几率和损伤可能性从大到小依次排列为右肺、左肺、咽喉、鼻腔、口腔、气管支气管，本发明用于预测烟气环境下人员呼吸系统颗粒沉降损伤情况，为保障人员的健康和安全状况提供了技术支持。

[0081] 本发明提供的呼吸系统内烟气沉降模拟系统，将环境中烟气颗粒化学组分、浓度分布代入系统中，得到真实人体呼吸系统中各区域烟气颗粒沉降剂量，并对呼吸系统区域健康风险进行评估。预测烟气环境中的人员呼吸系统损伤程度等相关指标，为减少人员呼吸系统疾病、心血管疾病提供理论支撑，为开展个体防护装备研制提供科学依据，最终达到保护人民生命安全的目标。

[0082] 以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的精神和范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
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一种呼吸系统内烟气沉降模拟系统

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