1、Product InformationMPPD V3.04 2002-2016多徑粒子模型由Applied Research Associates，哈姆納健康科學研究院（前CIIT和CIIT 衛生研究中心）聯合美國公共衛生與環境研究所（RIVM）、荷蘭住房部，荷 蘭的空間規劃與環境部聯合出品。版權所屬Applied Research Associates, Inc. （AR公司。對于不屬于項目團隊的用戶，版 權要求在發布使用MPPD 2002-2016獲得的結果時告知ARA公司獲得該程序使用權。該軟件中的計算機算法計算了大鼠和人類成年人和兒童呼吸道中單分散 和多分散氣溶膠的沉積和沉積清除，粒徑

2、范圍從納米（0.001微米）到粗（100 微米）。模型基于單路徑和多路徑跟蹤氣流和計算肺中氣溶膠沉積方法。單 路徑方法計算每個典型氣道路徑中的沉積，而多路徑方法計算肺的所有氣道 中的顆粒沉積，并提供肺葉特異性和氣道特異性信息。在每個氣道內，通過 在氣道或氣道分叉中的擴散，沉降，撞擊和截取的理論推導的沉積效率來計 算沉積。使用經驗效率函數確定氣溶膠首次過濾。導管氣道中的粘液纖毛氣道促進了顆粒清除。在肺泡區域，對于人類， 每個腺泡區選擇ICRP（1994）的三室模型。在大鼠中，在肺泡區域中選擇使 用半經驗清除率常數的兩室模型。使用該軟件的結果顯示與大鼠和人肺中區域沉積的實驗數據良好一致 （Raab

3、e 等，1975; HeydeiTg，1986）。Asghariar等人（2001 年）比較了清 除率。關于肺形態測量和模擬方法的更多細節在模型細節部分中討論。軟件選項可理想化成人肺的幾何形狀。選項1使用對稱的幾何形狀為整 個肺。選項2捕獲大葉結構變異，但以對稱方式處理每個肺葉內的幾何形狀。 選項3計算由Koblinge:和Hofmann （1990）創建的TB區域的不對稱模型中 的粒子沉積。所有三個模型都是使用由Yeh和Schum （1980）編制的形態測 量數據構建的。大鼠肺設計利用由Raabe等人（1975）提供的氣管支氣管（TB） 樹的完全不對稱性，代表了直到每個末端支氣管末端腺泡的8

4、代對稱樹。此 外人類，大鼠，小鼠，恒河猴，豬和兔子模型皆可實現。這些物種的肺幾何 形狀是對稱的或有限的單軸體。Sprague-Dawley大鼠的氣管支氣管幾何形狀基 于太平洋西北國家實驗室（PNNL ）獲得的掃描圖像。擁有3月齡到21歲，10個不同年齡段特異性人肺幾何形狀。理想化的 對稱單路徑模型以及5瓣對稱多路徑模型可用于年齡設置。年齡特異性肺結 構基于Mortensen等人的數據（1983，1988）。用戶輸入粒子特征、呼吸方案和呼吸參數、肺功能殘留容量（FRC）和上 呼吸道（URT）體積。提供肺幾何的一組計算機文件包含在軟件包中，此文 件不能被用戶修改。結果以圖形和文本格式提供。提供模擬

5、結果，用于總體、區域和肺葉沉 積，并且作為氣道數的函數。高級功能可充分展示大鼠肺和人隨機肺的多路 形態學特征。該特征提供了肺泡的頻率分布的直方圖作為每個肺泡的沉積分 數的函數。該軟件的版本包括計算沉積后人，大鼠和小鼠肺中的顆粒清除率。用戶 可以使用兩種類型的清除率：暴露前每天的清除量以及暴露時和暴露后氣管 支氣管、肺部區域、淋巴結中保留的質量。可以對單分散或對數分布的多分散氣溶膠進行計算。此外，還可以對從 超細至粗的范圍的單分散粒度進行計算，從而可以獲得沉積與粒徑的關系。 還可以使用長寬比或長度的測量來建模具有纖維或圓柱形結構的顆粒。具有 其他非標準形狀的顆粒也可以使用等效直徑來表示，用于主要

6、沉積機制模型 的方程中。可以模擬各種呼吸模式：氣管內，鼻腔，口腔和鼻腔和口腔組合（鼻竇）。 暴露情況可選擇是恒定的或可變的。對于變量場景，用戶可以以小時為單位 指定一天中不同的呼吸模式，或者自定義可變時間段中的活動模式。還可以 選擇顆粒吸入性調節。Airway Morphometry Models氣道形態模型人Yeh-Schum Single Pa如果選擇這個選項，模型使用Yeh和Schum （1980） 給出的整個肺的對稱樹。因此，沉積結果是每一級的平均值。16以上的級總 屬于肺區。盡管其相對簡單，但是該對稱模型可用于區域（咽喉部，氣管支氣 管，肺）或總沉積結果。其執行時間幾乎是瞬時的，模型

7、的結果與其他現實的 肺結構結果相一致（Asghariar等，2001a）。Yeh-Schum 5-Lob如果選擇此選項，該模型使用Yeh和Schum（1980）提供的 數據，該數據描述了分段支氣管水平上各個氣道的特征，但以單模式描述了每 個肺葉內的氣道。一個單獨的對稱樹代表五個肺葉中的一個。總的結果，每一 肺葉內氣管支氣管和肺內沉積的結果是肺葉每一級的平均值。在需要平均大肺 葉特異性沉積結果的情況下，應使用該模型。它的執行時間在幾秒鐘左右。3.Stochastic mode如果選擇此選項，該模型將使用Koblinge和Hofmann（1990） 生成的數據。基于Yeh和Schum（1990）的

8、測量，數據集表示隨機生成的人肺 氣管支氣管區域的不對稱結構。共有10個隨機人肺幾何可供選擇。肺模型以 大小（總氣道數）排序，從最小到最大，并提供每個肺大小型號的百分位數。 當用作一組時，隨機肺可用于提供人類接受的肺劑量變異性的估計。這些隨機 肺的結果應該包括最實際的沉積結果。由于氣道數量眾多，在這種情況下，程 序的執行時間顯著增加。它還需要至少500 MB的RAM存儲器用于較大的肺。 該模式表示肺的更逼真的幾何形狀。該模型應用于計算氣道特異性，以及肺中 的顆粒的肺葉和區域沉積。Age-specific symmetric mofig果選擇此選項，軟件使用二分分支對稱樹單 路徑模型。此選項可計算

9、兒童和年輕人的顆粒沉積。年齡特異性對稱肺結構基 于Mortensen等人(1983, 1988)的數據。當該選項被調用時，出現一個在 10個肺結構中進行選擇的對話框。肺葉樹的大小和結構取決于兒童或年輕成 年人的年齡(目前為3,21,23和28個月，3,8,9,14,1和21歲)。因此，沉積 結果是每一代的平均值。此外，注意設置適當的FRC(Schible等2002 Overton 和 Graham 1989 Phalen等1985 Dunhill 196,2Altman和 Dittmer 197)， 咽喉容量(Overton和 Graham 1989, Hart等1963)，潮氣量(Hofma

10、nn 1976) 和呼吸頻率(Hofmann 1976)默認值與其各自的年齡自動相關。Age-specific 5-lobe m如果選擇此選項，該軟件使用類似于Yeh-Schum 5肺 葉特異性模型的5葉對稱而結構不同的肺。此選項可計算兒童和年輕人的顆粒 沉積。年齡特異性5葉肺結構基于Mortensen等人(1983, 1988)的數據。當 該選項被調用時，出現一個在10個肺結構中進行選擇的對話框。肺葉樹的大 小和結構取決于兒童或年輕成年人的年齡(目前為3,21,23和28個月， 3,8,9,14,1和 21 歲)。此外，請注意，適當的 FRC (Overton和 Graham 1989 Ph

11、alen等1985 Dunhill 196,2Altman和 Dittmer 197),咽喉容量(Overton 和 Graham 1989 Hart等 潮氣量(Hofmann 1976)和呼吸頻率(Hofmann 1976)的默認值自動與它們各自的年齡相關。Weibel symmetric mod此選項與Yeh-Schum單路模型相似。這是基于Weibel (1963)開創性工作的單路對稱模型。由于信息有限，只能使用該模型進行區域或總沉積估算。PNNL symmetric mode這種單路徑對稱模型是基于太平洋西北國家實驗室 (PNNL )獲得的掃描圖像。信息處理成像以查找氣管支氣管樹的所有

12、氣道的幾何坐標。使用每個氣道的入口和出口坐標，計算氣管支氣管(TB)樹的所有538 個氣道的氣道長度、直徑和分支和重力角。此外，氣道連通性(上下支和同級 支)可適應樹的計算結構。重建的幾何體積容量為52cm 3,表明低于2mm圖像分辨率的小氣道數據遺 失使氣管支氣管樹結構缺失。因此將氣管支氣管擴大到終末細支氣管是必要 的。通過將7代對稱子樹附加到9代對稱樹的遠端分支來補充TB樹。通過從9 代對稱樹的末梢氣道獲得參數補充到完整TB末端細支氣管的幾何圖形，獲得 子樹的氣道參數(長度，直徑等)(Yeh和Schum，1980)。隨后在末端支氣 管產生后，加入代表肺泡的肺泡氣道(Yeh和Schum，19

13、80)的現有對稱幾何 數據，以完成對稱的肺幾何形狀。PNNL asymmetric mode基于上述PNNL模型信息也構建了不對稱的TB幾何。 TB上區的538條氣道未作修改保留為不對稱樹。然后將遠端TB和肺泡子樹添 加到對稱模型的273個遠端分支中的每一個，得到PNNL不對稱TB幾何模型。Rat大鼠l.Asymmetric Multiple-Path Long-EVa模型使用 Raabe 等人(1976)在Long-Evans 大鼠肺收集的詳細信息。為鼠氣道的4807個分支提供了氣道水平的 完整形態測量數據。對于每個末端細支氣管，附著有八級對稱樹，以表示腺 泡區域，可針對大鼠的導氣道有多通路

14、形式的能力。對于腺泡區域，該模型為 每一級提供平均沉積結果。分離出氣道以識別大鼠肺的六葉結構。2.Semi-symmetric Long-Evans:該模型使用來自不對稱多路徑Long-Evans幾 何的數據，并通過平均每一級的氣道尺寸和特征，將其整合為單路單一空間幾 何。3.Symmetric Sprague Dawley: 3個Sprague Dawley 大鼠肺幾何半對稱單路徑 中的一種。這種幾何是基于由太平洋西北國家實驗室(PNNL )提供的完全不 對稱氣管支氣管(TB )掃描。4.Asymmetric Sprague Dawley:對來自 PNNL 的半對稱單路徑 Sprague D

15、awley大鼠肺掃描進行了分析，并用于構建非對稱多徑大鼠幾何模型。Mouse小鼠提供YBALB / c和B6C3F1小鼠品系的完全對稱單路模型。Oldham等(1994 ) 和Phalen (1991 )的測量用于B6C3F1下呼吸道TB幾何模型。Hsieh等人 (1999 )也將相同的數據集用于肺幾何。計算小鼠肺中Ni化合物的沉積。BALB / c小鼠的LRT氣管支氣管幾何來自Oldham (1994 )和Oldham和 Robinson (2007 )等人的測量。對稱肺樹的結構和形態測定由Oldham和 Robinson (2007 )針對 BALB / c小鼠和 Oldham 等人(19

16、94 )和 Phalen (1991 ) 針對B6C3F1小鼠確定。在Asgharian等人(2014 )中描述了完成模型的工 作。FRC 功能殘留量定義為正常呼氣結束時肺的體積。FRC的值由用戶指定。形態學測量中提供的肺數據為總肺容量即TLC。本及使用的Long-Evans大鼠 肺(體重330g)的TLC為13.7ml，而對于不對稱模型，人肺的TLC為5358.1ml， 對稱模型為5563.6ml。提供FRC的默認值，認為肺從其TLC體積均勻地收縮 到對應的FRC值。我們允許用戶在指定范圍內設置FRC值，用戶不能使用超 出此范圍的值。為FRC提供的默認值為3300 ml人肺(ICRP，199

17、4 )，4.0 ml為大鼠肺(Mercer 等，1987 )o Morris等人(1984 )提出，人類肺的FRC值與成年高加索男 性和女性的年齡和身高相關，他們建議以下經驗關系：女：FRC = 36.0 * H + 3.1 * A - 3182. + - 1060男：FRC = 47.2 * H + 9.0 * A - 5290. + - 1460其中FRC以ml表示，A和H分別以年和cm3分別表示年齡和身高。兒童年齡組可用自動設置的默認FRC值，由Hofmann （1982）和Schibler等 人（2002）為嬰兒確定。麻醉大鼠的FRC與體重相關。此外，Overton等人（1987）將這

18、一數據轉化 為清醒和無條件限制大鼠的FRC。盡管肺部測量值相當于體重為330g的Long-Evans大鼠，但是可以使用相同 的形態測定法來形成不同品系和體重的大鼠的近似模型。這可以通過測量其他 品系的肺容量與FRC的關系來完成。我們推薦用戶引用Takezawa等人和 Overton等人的文章估計FRC值。Sprague Dawley大鼠 FRC 的默認值由下式給出：FRC = 0.1514 *BW）0-55其中BW是動物的體重，g（Takezawa等，1980）。恒河猴中FRC的默認值由下式給出：FRC = -52.593 + 68.651 * BW-2.21032* BW （Miller等,

19、 2013）其中BW是動物的體重（kg）。小鼠的FRC的默認值是0.3ml從Crosfi和 Widdicombe，1961的數據獲得的。豬的FRC的默認值由下式給出：FRC = 24. Body Wt （Stahl 1967）。兔子的 FRC 的默認值由下式給出：FRC = 0.31622R Body Wt。. 6（Asgharian2016， 基于 Crosfi和 Widdicombe 的數據，1961）。URT Volume上呼吸道容量上呼吸道（URT ）體積是呼吸道從鼻孔或嘴巴到咽部的體積。在人類中，假定 口腔和鼻道占據相同的體積。由于大鼠是強制性的鼻呼吸器，所以只考慮鼻通 道的體積。提

20、供的默認值為人類為50ml，Long-Evans大鼠為0.42ml。此外，每 個可用的兒童年齡組的默認值與選擇動態聯系。這些URT值來自Overton和 Graham （1989）和 Hart， et al （1963 年）。Sprague Dawley大 鼠 URT 體積由以下等式給出：V （mm 3）= 9.6302 （BWt （g） 0.6581， 基于Menache等人報道（1995年）。恒河猴的默認URT體積由以下等式給出：由Milled等人（2013年）得到的Y（ml） =0.56973 + 1.5336 * BWkg）。基于對成年豬的掃描圖像的類似3D分析，豬的URT體積的默認值

21、為137.5ml。兔子的默認URT體積是7.02ml。Kabilar等人（2015年）URT音量的值可被用戶修改。Particle density立密度顆粒密度以g / cm3表示。在該軟件中表達的所有量均為標準條件，即在20C 的溫度和760mm Hg的壓力下。對于碳納米管材料，應使用表觀密度。Particle diameter顆粒直徑Monodisperse particle distribul單i分散 粒子分布假定顆粒是球形的并且具有相同的直徑，以微米表示。對于單分散顆粒，計 數和質量分布是相同的。需要指定粒子密度。用 Cunninghams光滑度校正因 子計算顆粒表面的光滑度（見Hin

22、ds，1982）。對于直徑小于1m的顆粒， 該校正因子顯著。可以選擇直徑從1nm到100m的顆粒。如果納米顆粒傳輸和沉積模型被選 擇，低于100nm的顆粒計算時間可能顯著增加。納米顆粒特異的運輸和沉積模型（Asghariar和Price 2007）用于直徑小于0.1 m的顆粒。用于調節顆粒在吸入空氣前的軸向擴散的等式，在單次呼吸過 程中修正每個氣道中的氣溶膠濃度。Polydisperse particle distribution 粒分布 多分散氣溶膠分布包含多種粒徑。多分散氣溶膠的區域和總沉積分數通過在分 布上整合粒度的沉積分數來確定。在軟件中，只考慮對數正態分布。單分散與 多分散分布的選擇

23、由用戶輸入的幾何標準差（GSD ）的值確定。如果GSD大于 或等于1.05則假定多分散分布。假設默認分布是單分布，對應于GSD Jg） 1.05的值。此外，如果用戶的GSD大于1.05但是需要單分散分配，則用戶 可以將GSD更改為小于1.05的值。用戶需要指定所指示的直徑值是粒數中值直徑（CMD ）、質量中值直徑（MMD ） 還是質量中值空氣動力學直徑（MMAD ）。上述直徑格式的定義如下（Hinds（1982）： CMD是分布的平均直徑，MMD是直徑值，其中分布中的質量小 于該值的和等于大于該值的直徑一半各占一半，MMAD是具有與該MMAD相 同的沉降速度的單位密度球顆粒的MMD。對于多分散

24、對數正態分布，使用Hatch-Choate方程式從CMD轉換為MMD （見 Hinds 1982）：ln (MMD ) = ln(CMD ) + 3 * 血ag) 。2還需要指定密度，或選擇默認值1.0 g / c3m球形顆粒的空氣動力學直徑定義 為粒徑和（顆粒密度的平方根）的乘積。GSD幾何標準偏差（GSD ）通常由ag表示。GSD的自然對數（ln（ag）是ln（d） 的標準偏差，其中d是粒子幾何直徑。它是從第84百分位數直徑與第16個百 分位數直徑比率的平方根得出的。如果GSD的值分別被指定為1.05或=1.Q5則假定氣溶膠是單分散的或對數 正態分布的多分散分布。為GSD提供的默認值為1.

25、0 g / cm此外，如果用戶 的GSD大于1.05但是需要單分散分配，則用戶可以將GSD更改為小于1.05 的值。Multiple particle res 多姑子結果通過單擊位于直徑條目附近的“multipl”按鈕，可以在單次運行中獲得一系列 粒徑（0.01m至10m ）的沉積結果。此選項僅限于單分散粒子分布。當用 戶選擇“multipl”按鈕時，將出現一個新的對話框，允許用戶選擇粒徑范圍 0.01和10m之間的粒徑對數值。選擇 “singlZ 按鈕將僅將尺寸范圍重置為 一個尺寸。Multimodal多式聯運MPPD GUI接受與多模式對數正態分布的各個模式對應的多達4個不同對數正 態分布

26、的輸入參數。一旦用戶從“Particle Propert苦對話窗口中選擇“Multimodal” 按鈕，將打開一個新的標簽窗口，用戶可以在其中輸入與多模態對數正態粒度 分布相關的4種模式中的每一種的信息。對于每個選擇的模式，用戶被提示輸入質量分數（占該個體模式的粒子總分布 數量的分數），粒徑中值，GSD和該模式的粒子密度。在多模式對話框中選擇 “OK”按鈕后，將打開一個新窗口，要求用戶輸入有關感興趣材料的信息。如 果是級聯反應，需考慮每個階段的粒子大小，則用戶將點擊復選框并選擇級聯 總數。單擊材料信息對話框中的“OK”按鈕后，將出現最后一個新窗口，其中 輸入級聯反應數據。這里，對于每個階段，輸入該階段的最小直徑（即切割尺 寸）和占總顆粒物質的百分比。一旦用戶添加每個模式的分散度的信息和材料 細節，MPPD直接按照簡單的單分散或多分散場景進行操作。Particle aspect ratio粒子長寬比長寬比被定義為粒子的測量長度和直徑之間的比率。小于3的長寬比在建模中