Déri Miksa program
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.