在植被茂盛的城市环境中，暴露于空气中的花粉颗粒对环境健康构成挑战。在日本，Cryptomeria japonica（日本雪松）和Chamaecyparis obtusa（日本柏）森林的广泛分布会导致强烈的季节性花粉扩散，从而引发广泛的过敏性鼻炎（花粉症）[[1], [2], [3]]。从中观环境的角度来看，室外花粉颗粒的暴露受到气象变量（如风速、风向、相对湿度和温度）的强烈影响[[4], [5], [6]]。这些条件决定了花粉的传输，并决定了人类吸入的风险。此外，花粉颗粒的类型及其大小/形状（由干燥或湿润环境引起）会进一步影响其在深呼吸道段的传输概率。尽管过敏症状的发病率很高，并且与室外暴露有关，但在真实环境条件下对花粉颗粒吸入暴露的详细研究仍然有限。
计算流体颗粒动力学（CFPD）已被用于量化吸入暴露、沉积分数（DF）和吸入效率（AE）。在全面回顾文献后，一些研究尝试通过明确考虑花粉颗粒的形态和空气动力学行为来模拟呼吸道，如表1所示的前四项参考文献。例如，Inthavong等人[7]测试了非球形颗粒在人体鼻腔中的影响，发现颗粒的延长显著改变了沉积热点，与简化的球形颗粒相比。Hu等人[8]扩展了模拟，研究了多个儿童CT扫描上呼吸道的湿性和干性颗粒的运动，并报告称，在运动条件下，湿性颗粒在鼻腔前庭和前部区域积聚。然而，在平静的吸入条件下，干性颗粒的沉积率降低了约一半，而到达下呼吸道的花粉量增加了约47倍。Horvath等人[9]发现，较小的、破碎的花粉颗粒可以沉积在更深的呼吸道中，支持了这些碎片在雷暴后增加哮喘发作频率的假设。沉积数据表明，儿童容易受到花粉暴露的过敏影响。此外，直径在0.5至20微米之间的花粉颗粒在哮喘患者的肺部沉积更多，尤其是在支气管区域。Ma等人[10]同样在稳态条件下模拟了大型空气中的花粉。他们发现，在多个患者进行中鼻甲切除术后，花粉沉积热点从鼻腔前庭、鼻中隔和中鼻道转移到鼻中隔和喉咽部。这些发现为不同呼吸道模型中的花粉暴露提供了多种见解；然而，这些研究缺乏环境真实性，因为它们假设了均匀或层流条件以及稳定的吸入，并忽略了从室外到复杂深呼吸道的多尺度流体域。
如表1所总结的，我们扩展了对颗粒暴露的数值和实验研究的文献回顾，包括在直径范围、密度和空气动力学行为方面不同的花粉颗粒特征。这些研究包括实验测量[[11], [12], [13]]和数值分析[7,10,[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]。这些研究基于五个主要标准进行了比较——目标颗粒形状、颗粒大小、接近气流速度、模拟的呼吸段和人类呼吸模式。大多数研究假设了简化的球形颗粒形状，表明需要对非球形配置进行额外测试。这些研究中涵盖的颗粒大小范围从0.5微米到100微米，但大多数集中在1-40微米之间，这是湿润条件下的典型花粉颗粒范围。尽管涵盖了从鼻腔到下呼吸道的广泛呼吸道段，但大多数模型忽略了外部风环境与呼吸区之间的相互作用。此外，大多数研究忽略了周期性呼吸模式（CB），这对于复制呼吸域内的真实气流动态至关重要。值得注意的是，没有一项研究将室内环境或呼吸道尺度模型与室外/半室外大气边界层（ABL）流动结合起来。这些因素，如浮力驱动的对流和人类呼吸区附近的不均匀速度分布，对CFD模拟至关重要。考虑高风速的实验研究[11,12]是为职业吸入测试设计的，而不是为了环境花粉暴露，而且由于实验工具的限制，它们忽略了周期性呼吸。这些环境耦合的研究空白限制了我们对室外环境中大气花粉扩散和人类吸入行为的理解。
为了解决这些空白，本研究结合了半室外风条件和一个真实的呼吸域，涵盖了第8代的大部分和第13代的一部分，以及合适的花粉颗粒特征。建立了多个CFPD框架场景来量化DF和AE。该模型模拟了日本春季室外活动增加时ABL区域的环境风速变化的特性（0.25–0.40米/秒的舒适速度范围）。此外，我们研究了球形和椭球形颗粒的形态，并评估了稳定吸入和周期性呼吸。这种多尺度方法将微观颗粒行为与宏观大气流动联系起来，旨在提供从室外环境到深呼吸道的花粉传输模式的机制性估计。这项研究可以扩展到中观城市环境，以确定行人水平上的花粉颗粒浓度及其扩散特性。
