نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند

2 دانشیار گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند

3 مربی گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند

10.22041/ijbme.2008.13457

چکیده

تنظیم آهنگ تنفس یکی از متغیرهای مهمی است که افراد در هنگام فعالیت های مختلف به ویژه فعالیت های ورزشی با آن مواجه اند. در این مقاله، با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک مدل متقارن محوری دو بعدی مورد مطالعه قرار گرفته است. این مدل مصرف و تبادل گاز اکسیژن را در مویرگ های ریوی که در سیستم گردش خون کیسه هوایی در ریه رخ می دهد، بررسی و مطالعه می کند. مدل دارای سه بخش اصلی متشکل از یک غشای مویرگی بدون حرکت، یک ناحیه پلاسمائی متحرک و چهار گلبول قرمز نیم دایره شکل متحرک است. نتایج به دست آمده نشان می دهد رابطه ای معکوس بین زمان اشباع گلبول های قرمز و آهنگ تنفس وجود دارد و تعداد دفعات دم و بازدم برای یک دقیقه در حالت نرمال 14 بار و برای حالات با بیشترین فعالیت 50 بار براورد می شود. با استفاده از یک عامل تبدیل رابطه ای بین حالت های مختلف فعالیت های جسمانی، با شدت متغیر و آهنگ تنفس ارائه گردیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Numerical Study of Pulmonary Gas Exchange System to Assess a Proper Relationship Between Respiration Rhythm and Individual's Activity Rate

نویسندگان [English]

  • Hamed Avari 1
  • Farzan Ghalichi 2
  • Majid Ahmadlouy Darab 3

1 M.Sc. Graduate in Biomedical Engineering, Biomechanics Department, Mechanical Engineering School, Sahand University of Technology

2 Associated Professor, Biomechanics Department, Mechanical Engineering School, Sahand University of Technology

3 M.Sc. Graduate in Biomedical Engineering, Biomechanics Department, Mechanical Engineering School, Sahand University of Technology

چکیده [English]

Adjusting the rhythm of breath is one of the important parameters that a successful athlete must consider. In this paper, the relationship between man's activity and respiration rhythm is studied. A numerical simulation is carried out on a 2D axi-symmetric model using computational fluid dynamics (CFD) method. The model considers the oxygen uptake in the pulmonary capillaries in alveolar microcirculation system. The geometry consists of three main parts: a stationary capillary membrane, a moving plasma region and four semi-circular-shaped RBCs. Results show an inverse relationship between saturation time of RBCs and respiration rhythm. Using an inversion factor, a relationship is presented to assess the proper respiration rhythm for different exercise states. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Respiration Rhythm
  • PuJmonary Capillaries
  • CFD
  • RBC saturation
  • sliding mesh

[1]     Aroesty, J.F. Gross, Convection and diffusion in the microcirculation; Microvasc; 1970; 2:247-267.

[2]     Nair, P. K., Simulation of transport in capillaries; PhD thesis; Rice University, Houston, TX, 1988.

[3]     Froster. R.E, Red cell distribution and the recruitment of pulmonary diffusing capacity; J. Appl Physiol, May 1; 1999; 86:1460-1467.

[4]     Fung, Y.C, Biomechanics: Mechanical Properties of living Tissues; 2nd ed., New York, Springer-Verlag; 1986; 67-74.

[5]     Staub, N.C., Bishop J.M., and Froster R. E., Velocity of oxygen uptake by human red cells; J. Appl. Physiol.; 1961; 16:511 516.

[6]     Whiteley J.P., Gavahan D.J., Hahn C.E.W., Mathematical modeling of Pulmonary transport; J. Math. Biol.; 2003; 47: 79-99.

[7]     Yamaguchi, K., Nguyen-Phu D., Schied P., Piiper J., Kinetics of oxygen uptake and release by human erythrocytes studied by a stopped-flow technique; J. Appl. Physiol.; 1985; 58:1215-1224.

[8]     Hellums, J. D., Nair P.K., Huang N.S., and Ohshima N; Simulation of intraluminal gas transport processes in the microcirculation; Ann. Biomed. Eng.; 1996; 24:1-24.

[9]     Reeves J.T., Taylor A.E., Pulmonary hemodynamics and fluid exchange in the lungs during excersise; Am Physiol. Soc., sect. 12, chapt 13, 1996; 585-613.

[10] Federspiel, W.J, Pulmonary diffusing capacity: implications of two-phase blood flow in capillaries; J. Respir. Physiol.; 1989; 77:119-134.

[11] Popel A. S., A finite element model of oxygen diffusion in the pulmonary capillaries; J. Appl. Physiol; June 1; 1997; 82:1717-1718.

[12] Choung, C.J.C., Johnson R.L. Jr., Role of hematocrit in diffusive gas transport in lung: importance of red blood cell spacing and shape; In: Proc. 14th Annu. Houston Conf. on Biomedical Engineering Res. Feb 8-9; 1996: 98.

[13] Secomb, T.W., Hsu R., Simulation of oxygen transport in skeletal muscle; Am. J. Physiol., 1994; 267: 1214- 1221.

[14] Glazier J.B., Hughes J.M.B., Maloney J.E., West J.B., Vertical gradient of alveolar size in lungs of dogs frozen intact; J. Appl. Physiol.; 1967; 23: 694-705.

[15] Wagner W.W. Jr, Latham L.P., Gillespie M.N., Guenther J.P., Capen R.L., Direct measurement of pulmonary capillary transient times; 1982; 218: 379- 381.

[16] Vielle, B., Chauvet, G.; Delay equation analysis of human respiratory stability; Math Biosci; 1988; 152: 105-122.

[17] Godbey P.S., Graham J.A., Presson R.G.Jr, Wagner W.W. Jr, Lioyd T.C.Jr, Effect of capillary pressure and lung distension on capillary recruitment; J. Appl. Physiol.; 1995; 79: 1142-1147.

[18] Capen R.L., Hanson WL, Latham LP, CA, and Wagner WW Jr; Distribution of pulmonary capillary transient times in recruited network; J. Appl. Physiol.; 1990; 69: 473-478.

[19] Batzel, J.J., Tran, H.T, Stability of the human respiratory control sytem. I. Analysis of a two dimensional delay state-space model; J. Math. Biol.; 2000; 41:41-79.

[20] Nabors L.K., Doyle W.J., Red blood cell orientation in pulmonary capillaries and its effect on gas diffusion; J. Appl Physiol.; 2003; 94:1634-1640.