مدل‌سازي جذب ذرات ميكروني در نسل دوم مجاري هوايي ريه انسان بر اساس مدل هورسفيلد

Computational Modeling of Micro-particle Deposition in the Second Generation of Bronchial tree (of Human Pulmonary System)

ساختار مجاري هوايي دستگاه تنفسي انسان پيچيده و در عين حال كاملاً متغير است. بسياري از مواد درماني كه به منظور درمان بيماري هاي ريوي استفاده مي‌شوند، بصورت ذرات ايروسل وارد مجاري هوايي ريه مي شوند. چنين فرايند درماني نيازمند حركت و جذب ذرات در نواحي مشخصي از ريه است. در مطالعه حاضر، مدل شامل سه نسل اول از مجاري هوايي هدايتي دستگاه تنفسي انسان بر اساس اطلاعات مدل هورسفيلد، ساخته شده است. با استفاده از روش توليد شبكه ساختاريافته براي مدل هاي پيچيده، به منظور افزايش دقت و كاهش هزينه هاي محاسباتي، براي اين مدل -كه مدلي نامتقارن و پيچيده است- شبكه ساختاريافته توليد شد. جريان آرام و سه‌بعدي به ازاي دبي lit/s 18/0 و lit/s 41/0 در ورودي مدل مطالعه شد. اين محدوده دبي به منظور آرام ماندن جريان انتخاب شد كه مربوط به حالت استراحت تا فعاليت سبك انسان است. الگوي سرعت يكنواخت در حالت پايا شرط مرزي ورودي مساله است. توزيع ذرات بر اساس الگوي سرعت اوليه ورودي با تعداد ذرات 18000 عدد استفاده شده است. به منظور مطالعه حركت و جذب ذرات از عدد بي بعد استوكس استفاده شد. مساله براي رينولدزهاي 800، 1201، 1486 و 1800 و در اعداد استوكس مختلف 025/0، 051/0، 076/0 و 102/0 حل شد. به منظور كاهش آثار شرط مرزي بالادست و پايين‌دست، مطالعه براي نسل دوم مجاري انجام شد. براي حل ميدان جريان از نرم‌افزار فلوينت و براي رديابي ذرات از كد ردياب نوشته شده، استفاده شد. در نهايت رابطه اي براي راندمان كلي جذب ذرات در نسل دوم مجاري بر اساس اعداد بي بعد رينولدز و استوكس به دست آمد.

Knowledge regarding particle deposition processes in the pulmonary system is important in aerosol therapy and inhalation toxicology applications. The present work describes a computational model of human lung airway consisting of the three-generation pathway from the trachea down to segmental bronchi. In order to more appropriately model human air passage, an asymmetric geometry (i.e. three generation airway) is extracted from the 1th to 3th branches of the Hoursfield model and on dealing with the complexities of simulations (e.g. computation time) structured mesh is developed which also leads to more accurate computations. The fully three-dimensional incompressible laminar Navier–Stokes equations and continuity equation have been solved using CFD home code on generated mesh.Computations are carried out in the Reynolds number range of 800–1800, corresponding to mouth-air breathing rates ranging from 0.18 to 0.41 l/s, representative. The study leads to establishing relations for overall particle deposition efficiency in the second generation of bronchial tree as a function of two dimensionless groups of Reynolds and Stocks numbers. Furthermore, interpretation of correlations are enlightened the fact of that in the initial generations of bronchial trees, consideration of asymmetric geometry has a significant influence on the particle deposition pattern. The results of the paper are valuable in aerosol therapy and inhalation toxicology.