《Journal of Aerosol Science》：Construction of an Asian Standardized Nasal Cavity Model via Image Registration for Computational Analysis of Drug Particle Deposition
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鼻腔解剖标准化与CFD模拟研究。通过14名亚洲成年人CT数据重建鼻腔模型，采用三种图像配准策略生成标准化模型。结果显示刚性配准法模型在5-50μm颗粒、15-45L/min流量下沉积模拟更接近日均中位数值，有效降低个体解剖差异导致的偏差。采用3D Slicer软件进行高分辨率建模，网格独立性验证显示壁面五层结构可稳定捕捉近壁流动特性。该标准化模型为鼻用给药设备研发提供了可靠模拟基准。
Ziyu Jin|Gang Guo|Shiqi Wang|Jingyu Shi|Zhenbo Tong|Langui Xie
东南大学能源与环境学院，中国南京210096
摘要：
鼻腔在空气调节、过滤和鼻内药物输送中起着关键作用，但由于个体间解剖结构的显著差异，导致气流和颗粒沉积存在很大差别。这限制了针对特定受试者的计算流体动力学（CFD）研究的普遍适用性，因此需要建立标准化模型。本研究开发的标准化模型具有接近研究群体中位数值的关键几何参数，使其在形态上更具代表性。此外，与任何单一受试者的解剖结构相比，该模型产生的颗粒沉积模拟结果更接近群体中位数，有效降低了由于个体间几何差异导致的偏差风险。本研究通过三种图像配准策略，重建了14名亚洲成年人的鼻腔几何结构，并生成了候选的标准模型。结果表明，使用刚性配准的方法得到的结果与群体特征最为吻合。该方法生成的鼻腔几何结构在横截面积和周长上均接近相应参数分布的中位数。针对不同颗粒大小（5–50 μm）和流速（15–45 L/min）的沉积模拟显示了一致的趋势，方法1产生的沉积模式与群体平均值最为接近。方法1既保持了实际形态，又实现了最佳功能，因此建议将其作为通过鼻腔输送药物的模拟参考模型。
引言
作为人体呼吸系统的主要防御屏障，鼻腔具有多种生理功能，包括空气过滤、湿度和温度调节以及嗅觉感知。同时，鼻腔在病原体拦截和局部免疫防御中也起着关键作用。其复杂的解剖结构会显著改变气流路径和颗粒传输行为，从而影响鼻内药物输送的效率。近年来，鼻腔作为非侵入性药物输送途径受到了广泛关注。对于局部治疗而言，鼻内给药能够直接作用于慢性鼻炎和鼻窦炎等病变部位，显著提高局部药物浓度并减少全身副作用。此外，鼻内疫苗（如COVID-19鼻喷疫苗）通过诱导黏膜免疫，在预防呼吸道传染病方面展现出巨大潜力。
鼻腔内的颗粒沉积主要受惯性、重力沉降、布朗扩散和拦截效应等机制的影响。颗粒大小和吸入速率是影响沉积效率的关键参数。小颗粒通常会随气流深入下呼吸道，而大颗粒则主要沉积在鼻腔前庭。个体间鼻腔解剖结构的差异（如鼻甲发育程度、鼻中隔偏曲以及气道宽度变化）会导致局部气流分布和沉积模式的显著差异。此外，儿童与成人鼻腔在解剖结构上存在明显差异，从而导致不同区域的颗粒沉积模式不同。药物在鼻腔内作用于多个靶点，因此了解和预测区域沉积情况对于药物研发和输送装置的设计至关重要。然而，在实验和计算研究中，基于单一受试者鼻腔几何结构的结论可能受到该个体解剖结构的强烈影响，从而偏离群体平均水平。为解决这一问题，我们提出了一个基于亚洲成年人鼻腔的标准化模型，其关键几何参数和颗粒沉积特性接近群体中位数。该标准模型有望提高研究的可重复性，并减少受试者选择偏差。
本研究结合SST k-ω湍流建模和拉格朗日DPM颗粒追踪技术，利用计算流体动力学（CFD）预测详细的鼻腔气流场和颗粒沉积模式。早期的鼻腔几何结构标准化尝试主要依赖于中位数或平均值。例如，有一种标准“中位数”鼻腔几何模型是根据加拿大多民族数据库建立的，但仅适用于单侧鼻腔。随后，Lee及其团队为马来西亚成年女性开发了标准模型，但他们的模型构建主要依赖于CT图像的轴向切片平均处理。尽管这些标准化模型能有效评估与正常解剖结构的偏差和与几何模型的符合度，但它们大多仅对解剖结构进行了平均处理，未考虑这些模型是否能准确再现群体层面的颗粒沉积情况，而后者是鼻内药物输送的功能性终点。此外，不同种族群体之间存在形态学差异，这可能导致气流和沉积模式的差异。本研究旨在为亚洲成年人建立规范化的鼻腔模型，为鼻内输送工具的设计提供实用参考。尽管图像配准常用于多模态图像融合、术前术后对比以及器官形态分析，但在构建标准化鼻腔模型和模拟颗粒沉积时应用较少。将图像配准技术整合到标准鼻腔模型的构建过程中，不仅解决了轴向均匀性问题，还提高了后续计算流体动力学（CFD）模拟的稳健性和可靠性。
我们提出了一种框架，利用图像配准技术融合14名亚洲成年人的高分辨率CT数据，以实现空间对齐和三维标准化鼻腔模型的创建。该模型为鼻腔气流和鼻内药物沉积模拟提供了参考几何结构。主要鼻腔区域的颗粒沉积预测结果接近群体中位数，从而更好地反映了亚洲人群的普遍特征，降低了因选择解剖结构异常个体而导致的偏差风险。因此，它为鼻内药物输送装置的评估、比较和优化提供了更可靠和可重复的平台。
个体鼻腔模型的构建
我们使用来自14名亚洲成年人的高分辨率CT数据集（切片厚度：0.625毫米）来创建个体化的3D鼻腔几何结构。参与者年龄在23至75岁之间（中位数43岁），包括8名男性和6名女性，所有人均无鼻腔解剖异常。我们使用医学图像处理软件3D切片器，通过单一阈值方法对原始CT图像进行处理，以获得完整的上呼吸道图像。
网格独立性验证
为确保网格的适用性和数值稳定性，我们对标准化鼻腔模型进行了网格独立性研究。通过比较不同网格密度下主气道特征截面的速度分布，评估了网格分辨率的敏感性。计算网格使用ANSYS Fluent Meshing软件生成，采用非结构化四面体网格，并在壁面附近设置了五层网格以捕捉近壁流动现象。
个体鼻腔分析用于模型构建
本研究基于14名成年人的高分辨率CT图像重建了三维鼻腔模型。我们分析了每个人的整体结构特征，以及气道开放情况和鼻甲的生长情况。先前的研究表明，人类呼吸道的解剖结构存在显著差异，这些差异会影响气流分布和速度。
结论
本研究基于14名成年人的CT图像构建并分析了个体化和标准化的鼻腔模型。通过三种图像配准策略生成了标准模型，并评估了它们的解剖学准确性和功能代表性。结果证实，鼻腔几何结构存在显著个体差异，从而导致气流和颗粒沉积的显著差异。
作者贡献声明
Langui Xie：资金筹集。Jingyu Shi：资源提供。Gang Guo：软件开发、方法论设计、数据分析。Ziyu Jin：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据整理。Shiqi Wang：项目管理、数据分析。Zhenbo Tong：项目监督、资金筹集
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（NSFC）（项目编号82274007）和药物监管科学国家重点实验室（项目编号2024SKLDRS0213）对本研究的财政支持。
