نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو/دانشگاه تهران

2 استادیار/دانشگاه تهران

10.22041/ijbme.2019.74703.1289

چکیده

سطح وسیع ریه با حصارهای هوا-خونی خود، در معرض ذرات معلق هوای ورودی می‌باشد. در این شرایط چنانچه این ذرات آلوده باشند، اثر متقابل ذرات-ریه بر روی هم می‌تواند موجب ایجاد خطرات و صدمات جدی بر روی سلامتی انسان شود. از طرفی، این واکنش‌ها در راستای دارورسانی به بدن انسان نیز استفاده می‌شود. در هر دو حالت، تخمینی دقیق از مقدار و محل نشست ذرات در مجاری تنفسی اساس درک مکانوبیولوژیکی این بیماری‌ها می‌باشد. گردآوری داده از انتقال ذرات در ریه انسان از طریق تجربی همواره دشوار بوده است. اما دینامیک سیالات-ذرات محاسباتی این امکان را فراهم کرده است که داده‌های انتقال ذرات در مدل‌های واقعی را داشته باشیم. نشست ذرات آیروسول در ریه انسان اساسا از طریق ترکیب برخورد در اثر اینرسی، رسوب در اثر گرانش و انتشار روی می‌دهد. برای ذرات با قطر آیرودینامیکی 5/0تا 5 میکرون و در حالت انبساط ریه (در حالت دم) مکانیزم اصلی نشست ذرات در مجاری پایین دست، رسوب به‌دلیل نیروی گرانش و انتقال همرفتی در اثر حرکت دیواره‌ها می‌باشد. در این پژوهش، مدل‌سازی جریان سیال-ذره در نسل 18ام از مجاری تنفسی انجام شده است و میزان نشست ذرات در مجاری تنفسی برای دو حالت گرانش ناچیز و نرمال با فرض تغییر‌مکان ایزوتروپیک در دیواره‌ها و با میزان دبی ورودی 1 میلی‌گرم بر ثانیه ذرات مورد بررسی قرار گرفت. با بررسی نتایج مشخص شد که میزان نشست ذرات در مجاری پایین‌دست سیستم تنفسی به‌دلیل آن‌که ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 5 میکرون توانایی نفوذ به آن عمق از مجاری را دارند، با ناچیز کردن اثر نیروی گرانش تا حد بسیاری زیادی کم می‌شود. ذرات با قطر 5 میکرون تحت تاثیر برخورد اینرسی که این مکانیزم بیشتر در مجاری با قطر بزرگ و متوسط روی می‌دهد و همچنین در اثر رسوب که بیشتر در مجاری پایین دست عمل می‌کند، دچار نشست می-شوند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Computational simulation of airflow with aerosols in distal parts of a human respiratory system: Investigating the Effects of gravity

نویسندگان [English]

  • Mohammad Ahmadi Alashti 1
  • Bahman Vahidi 2
  • Mahtab Ebad 1

1 MSc, University of Tehran

2 Assistant professor/University of Tehran

چکیده [English]

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 in to 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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CFPD
  • Particles deposition in acinar region
  • Alveolated duct with moving wall
  • Distal parts of respiratory system
  • Micro-Gravity