شبيه‌سازي محاسباتي جريان هوا و ذرات معلق در ريه‌ي انسان: بررسي اثر گرانش

Computational Simulation of Airflow with Aerosols in Distal Parts of a Human Respiratory System: Investigating the Effects of Gravity

سطح وسيع ريه با حصارهاي هوايي-خوني خود، در معرض ذرات معلق هواي ورودي قرار دارد. در اين شرايط، در صورت آلوده بودن اين ذرات، اثر متقابل ذرات-ريه روي هم م ي­تواند خطرات و صدمات قابل توجهي را براي سلامتي انسان به همراه داشته باشد. از طرفي، از اين واكنش ­ها براي دارورساني به بدن انسان نيز استفاده مي‌شود. در هر دو حالت، تخمين دقيق مقدار و محل نشست ذرات در مجاري تنفسي، به عنوان مبناي درك مكانوبيولوژيكي اين بيماري ­ها به شمار مي‌رود. گردآوري تجربي داده‌ها از انتقال ذرات در ريه‌ي انسان فرايند بسيار دشواري مي‌باشد. اما روش ديناميك سيالات-ذرات محاسباتي، امكان شبيه‌سازي داده­هاي انتقال ذرات در مدل­ هاي واقعي را فراهم ساخته است. نشست ذرات آيروسول در ريه‌ي انسان، از طريق تركيب برخورد در اثر اينرسي، رسوب در اثر گرانش و انتشار روي مي ­دهد. مكانيسم اصلي نشست ذرات در مجاري پايين دست، براي ذراتي با قطر آيروديناميكي 0/5 تا 5 ميكرومتر و در حالت انبساط ريه (در حالت دم)، رسوب ناشي از نيروي گرانش و انتقال هم‌رفتي ناشي از حركت ديواره­ها مي­باشد. در اين پژوهش، جريان سيال-ذره در نسل 18-ام از مجاري تنفسي مدل­ سازي شده و ميزان نشست ذرات در مجاري تنفسي براي دو حالت گرانش ناچيز و نرمال، با فرض تغيير­ مكان ايزوتروپيك در ديواره‌ها و ميزان دبي ورودي 1 mg/s، مورد بررسي قرار گرفته است. بررسي نتايج به دست آمده نشان مي‌دهد كه به دليل توانايي نفوذ ذرات با قطر آيروديناميكي كم‌تر از 5 ميكرومتر به نواجي عميق مجاري تنفسي، با ناچيز كردن اثر نيروي گرانش، ميزان نشست ذرات در مجاري پايين ­دست سيستم تنفسي تا حد بسيار زيادي كاهش مي ­يابد. ذرات با قطر 5 ميكرومتر، تحت تاثير برخورد اينرسي (كه بيش‌تر در مجاري با قطر بزرگ و متوسط روي مي ­دهد) و هم‌چنين در اثر رسوب (كه بيش‌تر در مجاري پايين‌دست عمل مي ­كند)، دچار نشست مي شوند.

The large surface area of the lung with its thin air-blood barrier is exposed to particles in the inhaled air. In this condition, if the inhaled pollutant aerosols are toxic, the particle-lung interaction may cause serious hazards and injuries on human’s health. On the otherhand, these interactions are also used for drug delivery to human’s body. In either case, an accurate estimation of dose and sites of deposition in the respiratory tract is fundamental for understanding mechanobiology of these deseases. Obtaining in vivo data of particle transportation in the human lung experimentally is often difficult. But, computational fluid-particle dynamics (CFPD) has provided the possibility to gain aerosol transportion data in realistic airway geometries. Aerosols deposition in the human lung mainly occurs due to combination of inertial impaction, gravitational sedimentation and diffusion. For particles with aerodynamic size of 0.5 to 5 micron and in inhalation state of lung, the main mechanisms of particle deposition in distal parts of human’s respiratory system are sedimentation, due to gravity and convective transfer due to wall movement. In this study, deposition of particles in distal part of human respiratory system, specifically 18th generation, has been modeled for two gravity conditions, normal and absent gravity, by assuming isotropic displacements on the walls and with the rate of 1 (mg/sec) for particle input. By analyzing the results, it was determined that the amount of particle deposition in distal airways reduces a great amount by omitting the effect of gravitational force because, particles smaller than 5 micron can penetrate into that airways. Particles with the diameter of 5 micron deposit under the effect of inertial impact, whereas this mechanism occurs mostly in airways with large and medium diameters and also, by sedimentation which occurs in the distal lung.