İnsan akciğerinin alveol bölgesinde akış modellenmesi
Modeling and investigation of air flow in the human alveoli
Yazar: HASSAN ATHARİ
Danışman: DOÇ. DR. ABDURREHİM BÖLÜKBAŞI
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada üç boyutlu geliştirilmiş model yardımıyla solunum sisteminin içine inhale edilen mikron büyüklüğünde (1-5) µm partiküllerin çökelme oranı alveollerinin deforme olabilen duvarlarında daha gerçeye yakın tespit edilmiştir. Ayrıca, akciğerin gerçeğe yakın modellemesinin yapılabilmesi için doku gerilmesinin hesaba katılması gereklidir. Doku gerilmeleri akciğer parankimi aracılığıyla aktarılır ve alveol cidarları üzerinde bir basınç gradyanı oluşturur. Bu basınç, alveolleri genişletir ve akciğer içerisinde bir vakum oluşturur. Böylece, alveol içerisinde bir akış alanı meydana gelir ki bu akış ve alveol cidarı birbirini sürekli olarak etkilemektedir. Bu çalışmada alveollar üç boyutlu ve cidarları visko-elastik olarak modellenmiştir.
Geliştirilen modelin geometrisi üç boyutlu basit hücreli bir silindirik olmasına rağmen, fizyolojik şartlarını sağlamakta uygun bir modeldir ve alveol duvarının deformasyonu ile birlikte partikül-akışkan etkileşim simülasyonunu kolay olarak sağlamaktadır. Ayrıca bu model kullanılarak alveollerdeki doku hareketi ve hava akımı arasında olan ilişki iki yönlü akışkan-yapı etkileşim tekniği ile simüle edilebilir. Bu metot yardımıyla dokunun mekanik özellikleri partikül dinamiği ve alveol akış alanları üzerinde gerçeye daha yakın olarak incelenebilir. Simülasyonlar için 7 farklı doku modeli (Kelvin Voigt visko-elastik modelinde doğrusal elastisite doku değeri için 30000 5µm) çökelme etkisi belirgin olarak gözükmemektedir. Ancak alt jenerasyonlarda küçük partiküllerde (dp<2µm), çökelme oranı farklı solunum peryotlarında düşük sedimantasyon ve konveksiyondan dolayı daha etkin olduğu gözlenmiştir. İnsan vücudunun asinus bölgesinde gravite etkisi partiküllerin hızlı sedimantasıyonuna sebep olduğu ve bunula birlikte dokunun viskoelastisite etkinliğinin partikül çökelmesi üzerinde belirgin etkili olmadığı görülmüştür.

Abstract:
During this study the fate and deposition efficiency of micron-sized (1–5) µm particles which inhaled into the pulmonary system has been determined more accurately by aid of developing the modified three-dimensional model of particle transport in deformable walls of pulmonary alveoli. Also, for approaching the actual modeling of the lung the tissue tension is required to be accounted to calculations. Tissue tensions are transferred through the lung parenchyma and produce the pressure gradient. This load expands the alveoli and establishes a sub-ambient (vacuum) pressure within the lungs. Thus, at the alveolar level, the flow field is produced that this flow and alveoli wall continuously affects each other. In this research, we assume that the three dimensional alveolus have a visco-elastic tissue walls.
The developed alveolar model which has a simple but physiologically appropriate three dimensional geometry provides simulation of tissue wall deformation and particle fluid interaction collisions facility. Also the relevance between tissue movement and airflow in the alveolus segment is solved by two-way FSI (Fluid Structure Interaction) simulation technique for investigating the effect of pulmonary tissue mechanical properties on particle transport and alveolar flow fields more accurately. For the simulations we use seven different tissue models (in Kelvin Voigt visco-elastic model for linear elastic tissue from range of 30000 5µm). However, results indicate the various breathing periods affect the small particles (dp<2µm), dynamics more strongly in distal generations because of weakened sedimentation and convective forces. During natural conditions (accounted the gravity forces in) which current study based on that, the gravity effects dominate the particle dynamics (sedimentation) and cause rapid particle deposition which decreases the effect of the tissue viscosity properties in human acinus segment.