呼吸道药物输送

描述：利用CFD模拟人体上呼吸道内部的气流特征并深入了解可吸入药物在其中的输送规律

背景：

呼吸道疾病各式各样，根据涉及到的呼吸道不同部位和致病机理，患病程度从轻度到严重。其中一些是季节性疾病，另一些是周期性疾病。常见的呼吸道疾病包扩上呼吸道感染、慢性阻塞性肺病、支气管哮喘等^[1]。

通常的治疗方法包扩外科手术治疗以及药物治疗以及为防止哮喘和鼻窦炎的吸入器。相比较传统的静脉注射或者口服，鼻内的路径是一个比较有前途的药物输送办法^[2]。鼻药物输送有着能快速地起作用，并且剂量低，副作用小的有点。而且，鼻药物输送开辟了通过改变相应因素来选择目标输送药物的可能性，来改善治疗效果。深入了解人体上呼吸道内部的气流特征及可吸入药物在其中的输送规律，不仅可以帮助判断病人的病情，还可以为呼吸系统疾病的致病机理提供可靠的依据。

模型：

根据鼻腔CTA图像重构上呼吸道模型，上呼吸道可以分为前庭、鼻瓣膜、主气道以及鼻咽部，如图2所示。

图1 上呼吸道模型

测量得到患者真实的呼吸速率，如图3。

图2 呼吸道入口速度分布曲线

方法：

利用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法模拟在真实呼吸速率下的呼吸道内部气流场以及药物输送。对比治疗前后两组模型的速度、压力以及药物输送情况。治疗方法主要是对主气道进行修复。

典型案例1—吸气：

从图3可以看出，治疗后的呼吸道进气道尺度增大，如主气道区域，吸气更为容易，如鼻前庭区的最大速度区域减小。

图3 吸气瞬时流场分布：治疗前（A）和治疗后（B）

从压力分布可以明显发现观察到治疗的效果，如图4所示。治疗前，由于主气道部分形态学的阻塞作用，鼻腔内的气流压力较大，如果不进行治疗，上呼吸道有可能进一步坍塌，进而阻塞气流。治疗后压力降低，吸气更为容易。因此，从吸气的结果看，治疗是有效的。

图4 吸气瞬时压力场分布：治疗前（A）和治疗后（B）。

对治疗前后的上呼吸道模拟投放药物，模拟药物在病变呼吸道和治疗后的呼吸道内部的输送情况。模拟结果显示，治疗后的上呼吸道药物输送的速度要快于治疗前。如图5所示，在吸气开始的0.4875s，治疗后的上呼吸道绝大部分药物已经输送到鼻咽部，而治疗前的上呼吸道由于主气道发生狭窄，药物输送收到了一定程度的阻碍。因此建议如果患者同时发生上呼吸道狭窄和下呼吸道疾病，在采用药物治疗下呼吸道疾病之前，需采用手术预先修复上呼吸道狭窄。

图5 吸气瞬时压力场分布：治疗前（A）和治疗后（B）

典型案例2—呼气：

由于患者的上呼吸道在主流道发生了狭窄，因此呼气时鼻咽部靠近上部的流动较为缓慢，出现了涡流，如图6所示。这也就意味着呼吸不是很通畅。虽然治疗后的上呼吸道在鼻咽部流动通畅，但是在主流道的顶部流速降低。

图6 吸气瞬时流场分布：治疗前（A）和治疗后（B）

从图7的压力分布来看，治疗后的呼吸道内部压力更大，说明治疗后的上呼吸道可能使得呼气并不如预想的那么顺利。

图7 呼气瞬时流场分布：治疗前（A）和治疗后（B）。

治疗前后的呼气药物逃逸分布如图8所示，治疗后药物的逃逸要略小于治疗前。综合考虑吸气和呼气，治疗后的上呼吸道总体改善了呼吸。这对于进一步治疗下呼吸道疾病有很大的帮助。

图8 呼气瞬时流场分布：治疗前（A）和治疗后（B）。

参考文献：

[1] James A L, Wenzel S. Clinical relevance of airway remodelling in airway diseases[J]. European Respiratory Journal, 2007, 30(1): 134-155.

[2] HariTürker S, Onur E, Ózer Y. Nasal route and drug delivery systems[J]. Pharmacy world and Science, 2004, 26(3): 137-142.