Felső és centrális
légutak realisztikus geometriájának előállítása, majd abban a levegő
áramlásának és aeroszolok kiülepedéseloszlásának meghatározása
Nagyfelbontású komputertomográffal
(High Resolution Computer
Tomography, HRCT) in vivo körülmények
között készített kétdimenziós képsorozatok háromdimenziós feldolgozása
után
előállítottuk a centrális és a felső légutak geometriáját, és ezekben
numerikus
áramlástani (Computational Fluid Dynamics, CFD) számításokat végeztünk.
Az 1. ábra a felső és centrális
légutak
numerikusan előállított
felületét mutatja néhány anatómiai magyarázattal.
1. ábra: Az orrüreg (felső panel) és egy
centrális légúti
szegmens (alsó panel) digitálisan rekonstruált háromdimenziós
geometriája és
legfontosabb anatómiai elemei.
Ahhoz, hogy levegőáramlást
számoljunk a geometriában, a
geometriát térdiszkretizálni szükséges. Ez megfelelő numerikus háló
generálását
jelenti. Olyan rácsot érdemes létrehozni, amelynek cellái nem erősen
torzultak,
hogy a számítások hibája ne legyen nagy. Tetraéderes nem strukturált
rácsot
hoztunk létre, melynek cellái közel szabályosak. A berácsozott
geometriában
numerikus levegő- és részecskeáramlási számításokat végeztünk az
egészségügyi
hatások becsléséhez szükséges kiülepedés mennyiségi jellemzése
érdekében. Egy
komplex modell-összehasonlító eljárás után arra a következtetésre
jutottunk,
hogy a levegőáramlás legjobban az alacsony Reynolds-számú k-w-modellel, míg a
részecsketranszport a
diszkrét véletlen mozgás modelljével írható le. Egy számítási
eredményeket az
alábbi ábrák szemléltetik. Az ábrákon bemutatott szimulációkon túlmenően
a
részecske- és légzési paraméterek számos más értékére is végeztünk
számításokat. Az alábbi következtetések ezen eredményekre is
támaszkodnak.
- Az in
vitro és in vivo mérések
felhasználásával történt validációs eljárás rámutatott arra, hogy az
általunk
fejlesztett és használt modellek alkalmasak az aeroszol szennyezők
légúti
kiülepedésének megbízható szimulálására.
- A CFD számítások alapján a felső
légutak kiszűrik a nanorészecskék és a többmikronos részecskék nagy
részét, de
átengedik az 50 nn – 2 mm
tartományba
eső részecskéket. Míg a nanorészecskék a bonyolult és viszonylag nagy
felületű
járatokban elsősorban a Brown-diffúzió miatt tapadnak ki, addig a több
mikrométeres részecskék tehetetlenségük folytán impakcióval ülepednek
ki. Az
igen nagy részecskéknél (20 mm
felett)
jelentős a gravitációs ülepedés is.
- A felső légutakban ki nem tapadt
nanorészecskék és a több mikronos részecskék nagy hatásfokkal ülepednek
ki a
centrális légutakban, ugyanakkor a közepes méretűek (50 nm – 2 mm) nagy valószínűséggel elérik a
tüdő
mélyebb régióit.
- A légzés intenzitásának, azaz a
légzési módnak nagy hatása van a részecskekiülepedésre. A fizikai
aktivitás
(térfogatáram) növekedésével a nanorészecskék felső és centrális légúti
kiülepedési hatásfoka csökken, míg a több mikrométer átmérőjű részecskék
kiülepedési hatásfoka erősen növekszik.
- A részecskék kiülepedéseloszlása
minden légúti szakaszban és minden részecskeméretre erősen inhomogén. A
felső
légutakban leginkább terhelt területek a garat, a centrális légutakban
pedig a
hörgők elágazásainak csúcsai.
- Jelen eredmények információt
szolgáltatnak a szennyező aeroszolok kockázati modelljei számára, és
beépíthetők aeroszolgyógyszer-terápiás protokollokba.
2. ábra: A felső légút
háromdimenziós geometriája oldal- (balra) és alulnézetben (jobbra).
3. ábra: Képsorozatból készített hálós geometria az
orrjáratokról alulnézetben (balra) és a matematikai háló egy része
kinagyítva
(jobbra).
4. ábra: HRCT
rétegfelvételekből rekonstruált centrális légúti szegmensre alkalmazott
numerikus
háló. A bal panel a jobb felső lebeny rekonstruált hörgőit, a jobb felső
panel
pedig a trachea keresztmetszeti rácsát mutatja.
5. ábra: A FLUENT CFD programmal
számolt sebesség szintvonalak a felső légutakban az orrlyukak, az
orrkagylók, a garat, illetve a gége síkjai mentén,
felnőtt embernél ülő helyzetnek megfelelő légzési intenzitásnál.
6. ábra: 1nm (bal), 1 mm (közép) és 10 mm
(jobb) aerodinamikai átmérőjű részecskék inhalációs kiülepedéseloszlása
pihenésnek (fent), könnyű fizikai munkának (közép) és nehéz fizikai
munkának
(lent) megfelelő légzési viszonyok mellett, Q: konstans belégzési
levegőáram, dp:
aerodinamikai részecske átmérő.
7. ábra:Numerikus
háló az egyesített geometrián (bal oldal) és annak kinagyított részletei
(jobb
oldal).
8. ábra 1 μm és 10 mm
átmérőjű részecskék felső és centrális légúti kiülepedéseloszlása ülő
helyzetnek megfelelő légzési mód mellett felnőtt embernél. dp–
részecske átmérő; Q –inhalációs
térfogatáram.