人体呼吸系统的主要生理机能是在大气和血液之间交换氧气和二氧化碳,维持体内各级组织进行新陈代谢所需要的气体环境,其生理过程与呼吸道内气体的流动密切相关。由于气道解剖结构的复杂性,对呼吸道内气体流动的研究大多采用数值模拟的方法。迄今为止,已有很多有关呼吸道内气流和颗粒运动的计算流体力学模拟研究。然而,所建立的模型大多采用低雷诺数k-ω模型和标准k-ε模型描述气体流动,在拉格朗日框架下跟踪颗粒的运动;几何模型大多采用Weibel模型A气管-支气管对称性模型、口腔-咽-喉-气管和理想化口腔-咽喉模型。而直接利用真实人体数据重建的几何模型,以及关于人体正常呼吸空气流对下呼吸道的力学影响的数值模型研究目前还相对较少。生物力学研究中主要采用有限元方法(FEM)建立数值模型。国内运用FEM做骨骼力学研究的比较多,如周学军等建立了包括下颌骨的颞下颌关节三维有限元模型,芦俊鹏等建立了一个基于人体解剖学结构的脑部三维有限元模型等。我们运用FEM在ABAQUS有限元开发软件工作平台上针对人体正常呼吸状态下气流对下呼吸道的力学影响进行了初步的数值模型建立和模拟计算分析研究。首先我们在ABAQUS这个平台上建立了一个简化的下呼吸道气管支气管模型,对该模型进行材料定义、边界条件和载荷定义、网格划分等前期处理后,ABAQUS计算出该模型在力的作用下的等效应力和位移分布,输出可视化结果,实现对人体呼吸时下呼吸道气管支气管力学行为的初步模拟。由于简化的模型不能够真实的反映人体下呼吸道的形态,我们根据第三军医大学可视化人体研究实验室所采集的可视化人体(CHV)中呼吸道气管、支气管部分数据集和解剖学知识,利用医学图像处理软件MIMICS,建立了真实人体呼吸道解剖学模型,并将此模型和有关气道部分的生物组织力学特性导入ABAQUS的计算程序中,利用ABAQUS将呼吸道气管、支气管的解剖模型转化为人体呼吸道气管、支气管的物理化模型。依据先前对简化模型的研究结果,对该物理模型进行定义边界条件等前期处理后,ABAQUS计算出该模型在给定边界条件和人体正常呼吸周期性情况下气流对下呼吸道气管、支气管的压力和位移的变化分布,并输出可视化结果,实现对人体呼吸时下呼吸道力学行为的模拟。本模型虽然是针对人体下呼吸道气管、支气管建立的生物力学模型,但其基本的技术平台和方法完全适用于对任何其他生物力学问题的研究,具有广泛的应用价值。