可塌陷氣管的耦合變形模型分析.pdf

1、在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，生物體逐步和環(huán)境適應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)和功能處于優(yōu)化狀態(tài)。生物組織的生長(zhǎng)不僅取決于生化環(huán)境，而且還與其所處的力學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。近年來(lái)對(duì)血管等組織的結(jié)果表明，力學(xué)參量對(duì)血管的功能和結(jié)構(gòu)有重要影響。作為呼吸氣體進(jìn)出人體的唯一通道——?dú)夤艿纳砉δ芎土W(xué)因素同樣是緊密相關(guān)的。在病理狀態(tài)下，如哮喘、氣管炎等，氣道內(nèi)的壓力一般比較低，氣管壁往往處于塌陷狀態(tài)。對(duì)處于塌陷狀態(tài)的氣管，一方面，增加氣流阻力，導(dǎo)致阻塞性通氣不足；另一方面，將加

2、大氣管肌肉部分的變形，改變氣管所處的力學(xué)環(huán)境，從而導(dǎo)致氣管壁的重建。大量的臨床解剖觀察和X射線斷層掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，病理狀態(tài)下，在大支氣管、氣管等部位存在內(nèi)膜增厚、平滑肌增生、外膜結(jié)締組織增生等現(xiàn)象，以及細(xì)胞蛋白絲等纖維成分的數(shù)量、排列方式發(fā)生變化等生理現(xiàn)象。從血管等其他組織的研究結(jié)果可知，這些現(xiàn)象和組織所處的力學(xué)環(huán)境的變化直接相關(guān)。 氣管主要由軟骨和肌肉兩部分組成。軟骨的作用是保持氣管通道始終張開(kāi)，呼吸時(shí)，胸廓內(nèi)的壓力變化可能

3、導(dǎo)致氣管通道塌陷或減少氣體流量。氣管軟骨的生物力學(xué)上的變化會(huì)影響最大呼吸氣流量、咳嗽及氣管平滑肌緊縮程度的力學(xué)性質(zhì)。對(duì)肺部力學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述需要了解氣管軟骨力學(xué)。盡管關(guān)節(jié)軟骨被人很好的研究過(guò)，對(duì)氣管軟骨的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性的研究則不多。 氣管中肌肉的彈性模量多數(shù)都比軟骨彈性模量要小，因此受到作用力直至氣管塌陷時(shí)，發(fā)生的是大變形。而氣管軟骨由于物種的生理差異或病理原因不同，其變形程度也會(huì)相對(duì)肌肉的變形有大小之分。本文在分析氣管變形和塌陷

4、時(shí)分兩種情況考慮：(1)當(dāng)軟骨的變形相對(duì)肌肉變形是小變形時(shí)，建立一個(gè)氣管的彈性薄殼數(shù)學(xué)分析模型。氣管的軟骨部分為薄圓柱殼的彈性小變形薄膜和彎曲變形狀態(tài)，而肌肉部分為大應(yīng)變薄膜應(yīng)力狀態(tài)，忽略其彎曲剛性。軟骨的本構(gòu)關(guān)系為Hooke彈性材料而肌肉采用有二個(gè)參數(shù)的指數(shù)型本構(gòu)方程。在均勻分布外壓力載荷和平面應(yīng)變變形條件下，求得了軟骨和肌肉的耦合變形解析解，以及壓力與容積的解析關(guān)系。(2)當(dāng)軟骨的變形相對(duì)肌肉變形是大變形時(shí)，肌肉的分析同小變形時(shí)，軟