— лёгкий способ обсуждать сложные вещи

Математическое моделирование течения воздуха в крупных воздухоносных путях человека

You are here

Аннотация: 

В рамках построения математической модели дыхательной системы человека, исследуется течение воздуха в крупных воздухоносных путях. Приведены основные соотношения и результаты. Основным инструментом моделирования является программный продукт ANSYS Fluent.

Ключевые слова: 
математическая модель, дыхательная система человека, крупные воздухоносные пути
Comments - 10

Добрый день!
1) Можно подробней пояснить про "газовзвесь - многокомпонентную смесь газов с твердыми частицами"? Подходит ли представленное уравнение идеального газа для описания фазы твердых частиц? Какие газы включены в модель, какой размер частиц используется при расчетах?
2) Размер конечных элементов в расчетной сетке?
3) Размерность скорости на графиках, м/с? Правильно я понимаю, что скорость на вдохе порядка 50 м/с, а на выдохе 14 м/с. Согласуется ли это с физиологическими представлениями?

В целом, хотелось бы отметить преимущества используемых подходов, не только с точки зрения визуализации процессов, но и возможности более глубокого описания физиологии дыхания, механизмов накопления нарушений.

Добрый день! Спасибо за внимание.
1) В общем случае воздух является газовзвесью. На данном этапе считаем, что дыхание происходит в незапыленных условиях. Воздух моделируем многокомпонентной смесью газов (крупными твердыми частицами пренебрегаем).
2) Размер конечных элементов изменяется в зависимости от месторасположения, в местах сужения и ветвления воздухоносных путей составляет около 1 мм.
3) Порядок скоростей указан правильно. Необходимо ответить, что данная скорость наблюдается не во всех участках легких, а только локально в некоторых местах сужения бронхов. В среднем скорость течения воздуха на вдохе меньше, чем на выдохе, что качественно совпадает с известными литературными данными.

Добрый день!
Планируется ли с использованием данной модели, описание протекания такого частого заболевания легких, как пневмония? Если планируется, каким образом это будет происходить, какие будут особенности?

Добрый день! Спасибо за вопрос.
Действительно, одним из предполагаемых способов использования данной математической модели - моделирование функциональных нарушений здоровью. Заболевания дыхательной системы возможно смоделировать локальным сужением воздухоносных путей. Пневмонию предполагается задавать нарушением режима фильтрации в легких человека.

Добрый день! Планируется ли оценка распределения загрязняющих химических веществ и пылей в дыхательной системе, и оценка их влияния на дыхательную систему с помощью данной модели?

Татьяна Игоревна, добрый день! Спасибо за вопрос. На основе данной модели планируется исследование распределения загрязняющих веществ и пылей в дыхательной системе, оседание в различных участках легких. Также данная модель позволяет оценить поступление химических веществ в кровь человека.

В таком случае будут ли учитываться физико-химические свойства веществ при оценке их распределения и поступления в кровь? Благодарю за ответ.

В данной статье представлена часть математической модели дыхательной системы человека - подмодель движения воздуха в крупных воздухоносных путях. Другие подмодели - подмодель движения воздуха в легких и подмодель диффузии.
При поступлении в кровь (подмодель диффузии) учитываются свойства веществ. Физико-химические свойства влияют на проницаемость альвеолярно-капилярной мембраны, от которой зависит поток вещества в кровь.

Добрый день, Михаил Юрьевич! Для чего в последующем будут служить входные данные результатов моделирования течения воздуха в деформируемой насыщенной пористой среде легких?

Добрый день! Математическая модель состоит из связанных подмоделей.
Вдох происходит за счет разности давлений в окружающем воздухе и легких. Подмодель течения воздуха в крупных воздухоносных путях связана с подмоделью течения воздуха в легких с помощью давлений.
Газообмен между воздухом и кровью через альвеолярно-капилярную мембрану осуществляется за счет разности концентраций химических веществ между воздухом в легких и кровью. Таким образом, решением задачи распространения воздуха в легких являются локальные значения концентраций химических веществ, которые в дальнейшем являются входными данными в подмодель диффузии.