Akciğer obstrüksiyonlarının ekspirasyona olan etkisinin sayısal olarak incelenmesi ve SFT sonuçlarıyla ilişkilendirilmesi
Numerical investigation of the effects of airway obstructions on expiratory flow and association with PFT results
Yazar: UFUK DEMİR
Danışman: PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD)

Özet:
Bu tez çalışmasının ilk amacı bilgisayarlı tomografi görüntüleri kullanılarak elde edilen 138 adet distal hava yoluna sahip normal bir insan akciğer modeli (Model-I) ve bu model üzerinde farklı derecelerde yapay obstrüksiyonlar oluşturularak elde edilen obstrüksiyonlu modeller üzerinde, zorlu ekspiryum durumunda, küçük çaplı solunum yollarında oluşan obstrüksiyonların hava yolu direnci, hava akım hızları ve hacimler üzerindeki etkilerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizlerinin (HAD) yapılarak incelenmesi ve elde edilen sonuçların klinik ortamda yapılmış olan solunum fonksiyon testinde (SFT) elde edilen gerçek değerler ile karşılaştırılmasıdır.
Çalışmanın ikinci amacı ise, segmentasyon yöntemi ile elde edilen 28 adet distal hava yoluna sahip normal bir insan akciğer modeli (Model-II) ve yine bu model kullanılarak elde edilen obstrüksiyonlu modeller üzerinde, zorlu ekspiryum ve normal solunum döngüsünde sağ/sol ana bronşlarında oluşan obstrüksiyonların hava yolu direnci, hava akım hızları ve hacimler üzerindeki etkilerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizlerinin (HAD) yapılarak incelenmesidir.
Sayısal analizlerde kullanılmak üzere oluşturulan modeller, MIMICS yazılımı kullanılarak BT görüntülerinin segmente edilmesi sonucunda elde edilmiş, sayısal çalışmalarda ise Ansys-Fluent yazılımı kullanılmıştır. HAD çalışmaları sıkıştırılamaz, izotermal, hava akışkanı ile SST k-w türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Normal solunum periyodu için yapılan analizlerde kullanılmak üzere, ATS, ERS gibi uluslarası standartlar ve literatürde yer alan istatiksel çalışmalardan yararlanılarak toplamda 5 saniyelik (2 saniye nefes alma, 3 sn nefes verme) zamana bağlı değişen basınç profilleri sınır şartı olarak polinom fonksiyon şeklinde tanımlanmıştır.
Zorlu ekspirasyon durumu için yapılan çalışmalarda kullanılmak üzere, BT görüntülerinin ait olduğu bireylere ait vücut-kütle indeksleri kullanılarak tepe akım debi değerleri belirlenmiş ve solunum yolu direnci formülü kullanılarak olabilecek maksimum alveoler basınç değerleri elde edilmiştir. Toplamda 6 saniyelik zorlu ekspirasyon periyodu için bu azami basınç değeri baz alınarak basınç profilleri tanımlanmıştır.
Müteakiben sayısal çalışmaların çözüm ağı sayısından ve zaman adımından bağımsız hale getirilmesi kapsamında farklı çözüm ağları ve farklı zaman adım sayılarında analizler yapılarak çözüm ağı ve zaman adım sayısı için optimum değerler belirlenmiştir.
Elde edilen modellerin doğrulanması maksadıyla literatürde yer alan ve diğer birçok çalışmada da kullanılmış olan deneysel bir çalışmanın sonuçlarından faydalanılmıştır. Doğrulama kapsamında deneysel çalışmalarda kullanılan akciğer modelinin sağ ana bronşundan alınan bir kesitte oluşan hız profilleri, çalışma kapsamında elde edilen modellerde aynı kesitte sayısal çalışmalar sonucunda oluşan hız profilleri ile karşılaştırılmıştır.
Model I ve bu model kullanılarak elde edilen iki farklı obstrüksiyonlu model üzerinde yapılan çalışmalarda;
Sınır şartı olarak kullanılan basınç değişim profili ile yapılan HAD çalışmaları sonucunda elde edilen PEF, FEV1, FVC ve Tiffenau oranlarının, klinik ortamda alınan solunum fonksiyon testindeki değerlere oldukça yakın olduğu,
Poiseuille kanuna paralel olarak solunum yolu direncinin çap değerinin 4. kuvveti değeri ile orantılı olacak şekilde artması nedeniyle obstrüksiyonlu modellerde normal modele göre aynı süre zarfında daha az havanın ekspire edilebildiği ve tepe akım debi değerine daha düşük hacimlerde ulaşıldığı,
Alt loblarda oluşturulan obstrüksiyonların SFT parametrelerinde yüzde 16 ile 
yüzde 21 arasında düşüşe neden olurken, tüm loblarda oluşturulan obstrüksiyonların yüzde 23/26 mertebelerinde düşüşe neden olduğu görülmüştür.
Model II ve bu model kullanılarak elde edilen üç farklı obstrüksiyonlu model üzerinde yapılan çalışmalarda;
Sağ ana bronş çapının sol ana bronşa göre daha büyük olması nedeniyle sağ ana bronş üzerindeki obstrüksiyonların sol ana bronşa göre tidal hacim üzerinde daha az etkili olduğu,
Artan obstrüksiyon derecesi ile birlikte inhale edilen havanın sağ ve sol üst loblara dağılım yüzdesinin yüzde bir seviyelerine kadar düşerken, yüzde 75 obstrüksiyon oranında oluşan hava dağılımlarında sağ alt lobda yüzde elli değerlerine ulaşıldığı,
Bununla birlikte aynı obstrüksiyon derecelerinde yüksek debi değerinde yapılan analizlerde alt loblara dağılan hava miktarında değişim görülmezken üst loblara dağılan havanın daha da azalırken sağ orta loba dağılan hava miktarında artış olduğu görülmüştür.
Obstrüksiyonların akış karakteristiklerine olan etkilerinin incelenmesi maksadıyla karina ve trake orta noktalarından alınan kesitlerde oluşan hız profilleri incelenmiş;
Zorlu ekspiryum durumunda normal model trake ve karina kesitinde akışın kanal içerisine yayıldığı, artan obstrüksiyon derecesi ile jet akışının karina bölgesinde havanın iki merkez halinde ilerlemesine, sağ ve sol ana loblardan gelen yüksek hızlı akışların birleşmesi sonucu trake orta bölümünde kuvvetli ikincil akışlar oluşmasına neden olduğu gözlenmiştir.
Model-I ve Model-II üzerinde aynı sınır şartları ile yapılan analizlerde SFT parametrelerinin, sağ ve sol ana bronş üzerinde yüzde elli obstrüksiyon oranında 
yüzde 45-60 arasında düşerken distal solunum yollarında aynı obstrüksiyon derecesinde düşüşün yüzde 27-30 değerlerinde olduğu görülmüş, solunum yolu sayısı ve yüzey alanı olarak büyük solunum yollarına oranla çok daha fazla olan distal yolların, büyük solunum yollarına oranla solunum yolu direncinde daha az etkisi olduğu sayısal olarak doğrulanmıştır.
Tez kapsamında yukarda yer alan çalışmalara ek olarak klinik ortamda helyum dilisyon yöntemi ile toplam akciğer kapasitesi tespit edilen 262 bireye ait BT görüntüleri segmente edilmiş ve toplam akciğer kapasiteleri hesaplanmıştır. Yapılan çalışma sonucunda segmentasyon yöntemi ile elde edilen toplam akciğer kapasitesi değerleri ile pletismografi yöntemi ile elde edilen değerler arasında orta düzeyde korelasyon bulunmuştur.

Abstract:
In this thesis, the effects of obstructions on airway characteristics, resistance, and velocities were investigated by using Computational Fluid Dynamics for normal breathing and forced expiration conditions, and the obtained results were compared with the real-time clinical pulmonary function test values for forced expiration.
First, a human respiratory tract model (Model-I) with 138 distal airways was reconstructed using computed tomography scan images to investigate the effects of distal airway obstructions. After the reconstruction of the normal model, two additional obstructed models (obstructions in only lower lobes, and obstructions in all the distal airways) were obtained by creating artificial obstructions in various regions of the distal airways section of the normal model. Numerical analyses were performed under the forced expiration pressure boundary condition for three models. The effects of obstructions in distal airways were investigated and the obtained results were compared with pulmonary function test values.
For the second part of the study, a relatively small model (Model-II) with 28 distal airways was regenerated from computed tomography scan images by using the segmentation method. After the segmentation of the normal model, three additional obstructed models (with 25%, 50%, and 75% obstruction rates) were obtained by creating artificial obstructions in the right and left main bronchus. CFD studies were conducted under the normal breathing pattern and forced expiration pressure boundary conditions for four respiratory tract models. The effects of obstructions in the main bronchus on flow characteristics, flow rate, tidal volumes, and air distributions were studied.
All the respiratory tract models that have been used in this thesis were reconstructed from computed tomography images by using a software namely MIMICS Medical and computational fluid dynamic analyses were performed using a finite volume-based solver, ANSYS-FLUENT. Air was used as the fluid in all simulations. The flow was assumed to be fully developed, time-dependent, incompressible, shear stress turbulent, and had constant thermo-physical properties. Numerical simulations were carried out in the SST k-w turbulence model since the blending function (F1) equals "1" near the wall and gives a better understanding of the near-wall behavior of the flow.
International standards such as ATS and ERS were used to specify the required alveolar pressure value for normal breathing patterns. After specifying the pressure drop between the trachea and distal airways, a time-dependent pressure boundary condition profile was defined as a polynomial function for five seconds (2 seconds inhalation, 3 seconds exhalation, 12 breaths per minute).

For the forced expiration, the time-dependent inlet pressure boundary condition for the distal airways and the atmospheric pressure outlet boundary condition for the trachea exit were defined. The forced expiration period was set as 6 seconds in accordance with the American Thorax Society and European Respiratory Society standardization institutions. After determining the Forced Expiration Time, the predicted peak expiratory flow was calculated by using the related ISO standard (Anaesthetic and respiratory equipment standardization).
To obtain reliable and accurate numerical results, intensive mesh independence tests have been performed with specified pressure boundary conditions for all models. The simulations were carried out for the seven different meshes and mass flow rates at the trachea exit and wall Y+ were studied.
For the validation of the models, velocity profiles that resulted from CFD simulations at the bifurcation point of the right main bronchi were compared with experimental study results which the velocity profiles obtained by using Magnetic Resonance Imaging (MRI) technique on a human respiratory tract model. The same boundary conditions were adopted in the numerical study as in the experimental study and it was found that the velocity profiles obtained in the same cross-section were consistent with the MRI measurement, but the velocity values at certain locations were higher (maximum velocity points deviation is 6% for both Anterior-Posterior and Right-Left directions) in the CFD study due to the differences comes from individual morphological variations of the models.
After the results were examined in Model-I and Model-I-based obstructed models, it can be seen that;
The Peak Expiratory Flow, Forced Expiration Volume 1, Forced Vital Capacity, and Tiffenau ratios obtained in CFD studies with the specified time-dependent pressure boundary condition are quite close to the values in the pulmonary function test taken in the clinical setting.
In parallel with Poiseuille's law, due to the increase in airway resistance in proportion to the 4th power of the diameter value, it is observed that less air can be exhaled in the obstructed models in the same period compared to the normal model and the peak flow value is reached at lower volumes.
While a decrease of 16 to 21 percent was observed in PFT parameters in the model with obstruction in only the lower lobes, a decrease of 23 to 26 percent was observed in the model with obstruction in all lobes.
After the results were examined in Model-II and Model-II-based obstructed models, it can be seen that;
Since the diameter of the right main bronchus is larger than the left main bronchus, obstructions on the right main bronchus have less effect on tidal volume than on the left main bronchus.
With the increasing degree of obstruction, while the distribution of inhaled air to the right and left upper lobes decreases to one percent, it reaches fifty percent in the lower lobes.
However, in the analyses performed at a high flow rate at the same degree of obstruction, no change was observed in the amount of air distributed to the lower lobes, while the amount of air distributed to the upper lobes decreased further, while the amount of air distributed to the right middle lobe increased.
In order to examine the effects of obstructions on flow characteristics, velocity profiles formed in the sections taken from the carina and trachea midpoints were examined.
It has been observed that in the case of forced expiration, the flow spreads into the fluid domain in the normal model trachea and carina section, but with the increasing obstruction degree, the jet flow causes the air to move in two centers through the carina, and strong secondary flows are formed in the middle part of the trachea as a result of the combination of high-velocity flows from the right and left main lobes.
In the analyses performed with the same boundary conditions on Model I and 
Model II, it was observed that PFT parameters decreased between 45-60% at the rate of 50% obstruction on the right and left main bronchus, while the decrease in the same degree of obstruction in the distal airways was 27-30%. It has been numerically verified that distal airways, which are much larger in number and surface area than large airways, have less effect on airway resistance than large airways.
In addition to the studies mentioned above within the scope of the thesis, CT images of 262 individuals whose total lung capacity was determined by the helium dilution method in the clinical setting were segmented and total lung capacities were calculated. As a result of the study found a moderate correlation between the total lung capacity values obtained by the segmentation method and the values obtained by the plethysmography method.