Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nghiên cứu về luồng không khí và vận chuyển hạt trong đường hô hấp của con người dưới mô hình In silico
Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering - Tập 45 - Trang 1-13 - 2023
Tóm tắt
Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc điều tra số học về vận chuyển hạt và hành vi luồng không khí trong đường hô hấp của con người (HRT); từ khoang miệng đến phế quản thế hệ thứ sáu. Mô hình tính toán ba chiều được xây dựng từ hình ảnh chụp CT của HRT, và các nghiên cứu được thực hiện tại các lưu lượng 15 L/phút, 30 L/phút, và 60 L/phút, tương ứng với các điều kiện thở nhẹ, bình thường và nặng. Các hạt có kích thước 1-micron, 5-micron và 10-micron được xem xét trong nghiên cứu. Từ kết quả, nhận thấy rằng hiệu suất lắng đọng tổng thể tăng lên với lưu lượng thở và kích thước hạt tăng, tức là, hạt 10-micron ở lưu lượng 60 L/phút dẫn đến hiệu suất lắng đọng tổng thể cao nhất. Hơn nữa, hiệu suất lắng đọng (cục bộ) ở phế quản bên phải của HRT được báo cáo cao hơn so với phế quản bên trái. Tuy nhiên, đối với kích thước hạt 1-micron, hiệu suất lắng đọng ở phế quản bên phải tăng lên với lưu lượng tăng, trong khi đối với hạt 5-micron, hiệu suất lắng đọng ở phế quản bên phải giảm khi lưu lượng tăng. Đối với kích thước hạt 10-micron, hiệu suất lắng đọng tối đa được báo cáo ở khoang miệng và tiếp tục tăng khi lưu lượng tăng. Bắt đầu từ thế hệ không (khí quản); một sự lắng đọng đáng kể của các hạt được báo cáo ở thế hệ thứ 4 của HRT và một số hạt (1-2%) cũng được báo cáo ở thế hệ thứ 6. Do đó, kết quả tiết lộ rằng phân tích vận chuyển hạt nên được thực hiện từ khoang miệng đến ít nhất thế hệ thứ 4 của HRT, điều này sẽ mang lại kết quả thực tế hơn và cũng sẽ hữu ích hơn cho các kỹ sư và chuyên gia y tế trong việc phòng ngừa, chẩn đoán và tiên lượng bệnh hô hấp.
Từ khóa
#vận chuyển hạt #dòng không khí #đường hô hấp #mô hình ba chiều #hiệu suất lắng đọng #phân tích số họcTài liệu tham khảo
Weibel ER, Cournand AF, Richards DW (1963) Morphometry of the human lung, vol 1. Springer, Berlin
Balashazy U, Hofmann W (1993) Particle deposition in airway bifurcations—I. Inspiratory flow. J Aerosol Sci 24(6):745–772
Inthavong K, Tian L, Tu J (2016) Lagrangian particle modelling of spherical nanoparticle dispersion and deposition in confined flows. J Aerosol Sci 96:56–68
Feng Y, Kleinstreuer C, Castro N, Rostami A (2016) Computational transport, phase change and deposition analysis of inhaled multicomponent droplet–vapor mixtures in an idealized human upper lung model. J Aerosol Sci 96:96–123
Tian L, Ahmadi G (2016) Transport and deposition of nano-fibers in human upper tracheobronchial airways. J Aerosol Sci 91:22–32
Horsfield K, Dart G, Olson DE, Filley GF, Cumming G (1971) Models of the human bronchial tree. J Appl Physiol 31(2):207–217
Russo J, Robinson R, Oldham MJ (2008) Effects of cartilage rings on airflow and particle deposition in the trachea and main bronchi. Med Eng Phys 30(5):581–589
Li Z, Kleinstreuer C, Zhang Z (2007) Simulation of airflow fields and micronparticle deposition in realistic human lung airways models (Part I: Airflow patterns). Eur J Mech B/Fluids 26:632–649
Singh D, Jain A, Paul AR (2019) Numerical assessment of a 3-D human upper respiratory tract model: effects of anatomical structure on transient asymmetric tidal pulmonary ventilation characteristics. Int J Biomed Eng Technol, Scopus (Accepted)
Singh D, Jain A, Paul AR (2021) Numerical assessment of natural respiration and particles deposition in the computed tomography scan airway with a glomus tumour. J Process Mech Eng. https://doi.org/10.1177/09544089211024063
Luo HY, Liu Y (2008) Modeling the bifurcating flow in a CT-scanned human lung airway. J Biomech 41(12):2681–2688
Forman M, Jícha M, Katolický J (2007) Aerosol deposition in human airways during breathing cycle
Nithiarasu P, Liu CB, Massarotti N (2007) Laminar and turbulent flow calculations through a model human upper airway using unstructured meshes. Commun Numer Methods Eng 23(12):1057–1069
Luo HY, Liu Y (2009) Particle deposition in a CT-scanned human lung airway. J Biomech 42(12):1869–1876
Zhang Z, Kleinstreuer C (2011) Laminar-to-turbulent fluid–nanoparticle dynamics simulations: model comparisons and nanoparticle-deposition applications. Int J Numer Methods Biomed Eng 27(12):1930–1950
Inthavong K, Choi LT, Tu J, Ding S, Thien F (2010) Micron particle deposition in a tracheobronchial airway model under different breathing conditions. Med Eng Phys 32(10):1198–1212
Liu Z, Li A, Xu X, Gao R (2012) Computational fluid dynamics simulation of airflow patterns and particle deposition characteristics in children upper respiratory tracts. Eng Appl Comput Fluid Mech 6(4):556–571
Jeong SJ, Kim WS, Sung SJ (2007) Numerical investigation on the flow characteristics and aerodynamic force of the upper airway of patient with obstructive sleep apnea using computational fluid dynamics. Med Eng Phys 29(6):637–651
Singh D, Jain A, Paul AR (2021) Numerical study on particle deposition in healthy human airways and airways with glomus tumor. In: Rizvanov AA, Singh BK, Ganasala P (eds) Advances in Biomedical Engineering and Technology. Springer, Singapore
De Backer JW, Vos WG, Gorlé CD, Germonpré P, Partoens B, Wuyts FL, Parizel PM, De Backer W (2008) Flow analyses in the lower airways: patient-specific model and boundary conditions. Med Eng Phys 30(7):872–879
Tawhai MH, Lin CL (2010) Image-based modeling of lung structure and function. J Magn Reson Imaging 32(6):1421–1431
Materialise matric Pvt. Ltd. (2010)
Luo XY, Hinton JS, Liew TT, Tan KK (2004) LES modelling of flow in a simple airway model. Med Eng Phys 26(5):403–413
Lambert AR, O’shaughnessy PT, Tawhai MH, Hoffman EA, Lin CL (2011) Regional deposition of particles in an image-based airway model: large-eddy simulation and left-right lung ventilation asymmetry. Aerosol Sci Technol 45(1):11–25
ANSYS Fluent User's Guide (2013) pp. 702.
Nowak N, Kakade PP, Annapragada AV (2003) Computational fluid dynamics simulation of airflow and aerosol deposition in human lungs. Ann Biomed Eng 31(4):374–390
Kleinstreuer C, Zhang Z, Li Z, Roberts WL, Rojas C (2008) A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system. Int J Heat Mass Transf 51(23–24):5578–5589
Collins TP, Tabor GR, Young PG (2007) A computational fluid dynamics study of inspiratory flow in orotracheal geometries. Med Biol Eng Compu 45(9):829–836
Lambert AR (2010) Regional deposition of particles in an image-based airway model: CFD simulation and left-right lung ventilation asymmetry
Martonen TB, Guan X (2001) Effects of tumors on inhaled pharmacologic drugs. Cell Biochem Biophys 35(3):233–243
ANSYS Pvt. Ltd. (2014)
Rahimi-Gorji M, Pourmehran O, Gorji-Bandpy M, Gorji TB (2015) CFD simulation of airflow behavior and particle transport and deposition in different breathing conditions through the realistic model of human airways. J Mol Liq 209:121–133
Kumar B, Srivastav VK, Jain A, Paul AR (2019) Study of numerical schemes for the CFD simulation of human airways. Int J Integr Eng 8:32–40
Morsi SAJ, Alexander AJ (1972) An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. J Fluid Mech 55(2):193–208