【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及呼吸道模型構建，具體涉及具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法、系統及介質。
技術介紹
1、人在呼吸過程中存在復雜的生理特性，例如聲門周期性的擴張-收縮運動、帶有軟骨環的氣管周期性的擴張-回縮運動、呼吸道壁面傳熱等，這些生理特性的存在將對研究呼吸道內的氣流運動和顆粒沉積特性產生影響。建立能夠描述上呼吸道生理特征的數學模型，將會為模擬分析真實呼吸過程中呼吸道內部的氣流特性帶來極大的方便，有助于進一步了解人體呼吸系統的生理機能。因此，有必要建立一個與真實的呼吸系統生理特性相近的上氣道模型。
2、雖然呼吸力學cfd研究中已經有眾多廣泛應用的呼吸道模型，但無論是分段模型還是全氣道模型都更多地傾向于反映呼吸道的幾何特征，忽略了人體呼吸道固有的生理特征，導致難以獲得較為精確的模擬結果。
技術實現思路
1、為解決上述問題，本專利技術提供一種具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，該方法考慮了呼吸過程中的呼吸道變形情況以及呼吸道壁面的溫度調節情況，能夠構建更為精準的具有生理特性的人體上氣道模型。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了如下的技術方案。
3、一種具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，包括以下步驟：
4、獲取人體上氣道的ct掃描數據；根據ct掃描數據獲取上氣道的軟骨環朝向和半徑，以及相鄰軟骨環之間的距離，基于真實人體上氣道模型構建帶有軟骨環結構的上氣道仿真模型；
5、根據聲門的寬度在呼吸過程中隨時間變化情況，構建
6、根據氣管在呼吸過程中的三個方向位移隨時間變化情況，構建廣義氣管區域運動模型；
7、根據呼吸道內熱傳遞過程，構建喉部和氣管內表面間的壁面傳熱函數、口腔與咽部間的壁面傳熱函數和入口和出口處的壁面傳熱函數；
8、基于廣義聲門區域運動模型、廣義氣管區域運動模型以及各壁面傳熱函數，對上氣道仿真模型進行動態仿真，獲得具有生理特性的人體上氣道模型。
9、優選地，所述上氣道仿真模型的構建，包括以下步驟：
10、導入真實的人體上氣道的ct掃描數據，對軟骨環朝向和半徑，以及相鄰軟骨環之間的距離進行測量；
11、基于人體上氣道的ct掃描數據進行軟骨環建模，包括：采用移動與旋轉的方式將每個軟骨環位置進行確定，之后設立與當前位置垂直的平面；通過掃掠切除的方式建立圓環通道，將環與環之間建立圓角，并對整個模型進行合并面處理，完成軟骨環結構模型建模；
12、基于真實人體上氣道模型和軟骨環結構模型，構建帶有軟骨環結構的上氣道仿真模型。
13、優選地，還包括：
14、采用geomagicwrap進行真實的人體上氣道的ct掃描數據和測量；采用ansys的spaceclaim進行帶有軟骨環結構的上氣道仿真模型的建模。
15、優選地，所述聲門區域內各節點的廣義聲門區域運動函數的構建，包括以下步驟：
16、基于聲門區域的臨床測量數據，采用坐標運動表達形式，以橫截面積為位移變量，并基于聲門的寬度在呼吸過程中隨時間變化情況，構建符合生理特性的廣義聲門區域運動函數：
17、
18、其中，m為z方向上的第m個平面，和分別為第m個平面上第k個節點在t時刻的x，y和z坐標。dg,r為聲門最大寬度與中立位置聲門寬度的變形比；±為節點展開與x方向的關系；函數表示聲門平面中每個節點隨時間的運動；g(t)函數表示節點位移函數，是一個與時間相關的傅里葉級數，控制x位移隨時間的變化；描述了聲門平面內節點的x位移沿y方向的變化，描述了聲門區域節點的x位移沿z方向的變化；c和d為指數系數，分別用于調整x位移沿y方向和z方向的變化。
19、優選地，所述氣管區域內各節點的廣義氣管區域運動函數的構建，包括以下步驟：
20、基于不同時刻的氣管區域的ct掃描圖像，確定呼吸過程中氣管x，y和z三個方向的位移變化；根據胸腔的限制條件，確定x，y和z三個方向的位移比值為0.375：1：1；
21、基于x，y和z三個方向的位移變化構建符合生理特性的廣義氣管區域運動函數：
22、
23、其中，和分別為第k個節點在t時刻的x，y和z坐標；h(t)為節點位移函數，是一個與時間相關的傅里葉級數，控制位移隨時間的變化趨勢；±為節點展開與x，y和z方向的關系；δx＝δxmax/2，δy＝δymax/2，e，f，l為指數系數，分別用來調整x，y，z方向的位移變化。
24、優選地，所述喉部和氣管內表面間的壁面傳熱函數為：
25、
26、其中，t為時間，kt為組織的導熱系數，tt為組織溫度，tg為空氣溫度，hf為空氣和組織間的對流換熱系數，h為水蒸氣氣化潛熱，m為黏膜表面水滲透系數，為周圍空氣相對濕度，為吸入熱空氣溫度下的飽和蒸汽壓，為組織溫度下的飽和蒸汽壓。
27、優選地，所述口腔與咽部間的壁面傳熱函數為：
28、
29、其中，kg為空氣的導熱系數，h'f為呼吸道內空氣與外界自由流間的對流換熱系數；
30、所述入口和出口處的壁面函數分別為t0和ta；t0為吸入的外界熱空氣溫度；ta為動脈血液溫度。
31、優選地，還包括：
32、采用基于openfoam的dynamicfvmesh方法來實現上氣道模型中的廣義聲門區域運動函數和廣義氣管區域運動函數的模擬；
33、采用基于openfoam的thermophyscial模型來實現上氣道模型中的各壁面傳熱函數的模擬。
34、一種具有生理特性的人體上氣道模型的構建系統，所述系統包括：
35、處理器；
36、存儲器，其上存儲有可在所述處理器上運行的計算機程序；
37、其中，所述計算機程序被所述處理器執行時實現所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法的步驟。
38、一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質上存儲有數據處理程序，所述數據處理程序被處理器執行時實現所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法的步驟。
39、本專利技術的有益效果：
40、本專利技術提出了一種具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法、系統及介質，該方法構建了聲門區域內各節點的廣義聲門區域運動函數、氣管區域內各節點的廣義氣管區域運動函數，以及喉部和氣管內表面間的壁面傳熱函數、口腔與咽部間的壁面傳熱函數和入口和出口處的壁面傳熱函數，進一步考慮了呼吸過程中的呼吸道變形情況以及呼吸道壁面的溫度調節情況，能夠更為真實地反映人體上氣道的生理特性，生成準確的人體上氣道模型。
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1.一種具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述上氣道仿真模型的構建，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，還包括：
4.根據權利要求1所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述廣義聲門區域運動模型的構建，包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述廣義氣管區域運動模型的構建，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述喉部和氣管內表面間的壁面傳熱函數為：
7.根據權利要求6所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述口腔與咽部間的壁面傳熱函數為：
8.根據權利要求7所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，還包括：
9.一種具有生理特性的人體上氣道模型的構建系統，其特征
10.一種計算機可讀存儲介質，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質上存儲有數據處理程序，所述數據處理程序被處理器執行時實現如權利要求1至8中任一項所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法的步驟。
...【技術特征摘要】
1.一種具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述上氣道仿真模型的構建，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，還包括：
4.根據權利要求1所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述廣義聲門區域運動模型的構建，包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的具有生理特性的人體上氣道模型的構建方法，其特征在于，所述廣義氣管區域運動模型的構建，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：崔新光，荊浩，闞祥，王力，王一嘯，吳斌，薛源，唐開亮，劉張裕，杭宏霖，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：
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