شبیه سازی جریان هوا در دوشاخه های ریه انسان به منظور تعیین پارامترهای مدل فشرده معادل ریه

چکیده به منظور آسان نمودن بررسی توزیع هوا در سیستم تنفسی تلاشهایی در راستای توسعه مدل های تشابهی فشرده انجام شده است. در مدل های فشرده خواص مقاومتی، اینرسی و الاستیک هر کدام از مجاری تنفسی با عناصر مدارهای الکتریکی (مقاومت، سلف و خازن) معادل سازی می شود. هدف از مطالعه حاضر حل جریان در قسمت های مختلف سیستم تنفسی و تعیین پارامترهای مدل فشرده می باشد. برای این منظور شبیه سازی جریان در سه قسمت از مجاری هوایی (مجاری بالایی، مجاری درون لوبی و مجاری تنفسی انتهایی) انجام شده است. هندسه مجاری به صورت سه بعدی و با استفاده از اطلاعات مدل متقارن وایبل و مدل نامتقارن هورسفیلد ساخته شده است. برای تعیین مقاومت اصطکاکی که ناشی از اصطکاک بین سیال و دیواره مجرا می باشد جریان به صورت پایا و به ازای دبی های ورودی مختلف در مجاری صلب حل شده است و با اندازه گیری فشار و جریان در مقاطع مختلف و پس از برازش منحنی به داده های بدست آمده مقاومت اصطکاکی تعیین شده است. برای تعیین اینرسی سیال که تحت عنوان اندوکتانس شناخته می شود جریان به صورت گذرا و به ازای دبی ورودی خطی حل شده است و پس از تعیین فشار و جریان در مقاطع مختلف اندوکتانس تعیین شده است. در این حالت نیز دیواره مجاری صلب در نظر گرفته شده و برای حذف اثر مقاومت، جریان به صورت غیر لزج حل شده است. برای تعیین کپسیتانس که ناشی از اثر الاستیسیته دیواره مجاری می باشد جریان به صورت غیر لزج و گذرا و به ازای ورودی سینوسی حل شده است. در این حالت دیواره مجاری به وسیله روش های شبکه پویا متحرک سازی شده است. با تعیین دبی و فشار در مقاطع مختلف و با معلوم بودن اندوکتانس، کپسیتانس تعیین شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مقدار مقاومت اصطکاکی در نسل های مختلف سیستم تنفسی متفاوت بوده و نمی توان رابطه واحدی که برای کلیه نسل ها صادق باشد ارایه نمود. بسته به هندسه و جایگاه هر دوشاخه در سیستم تنفسی، مقدار مقاومت از مقاومت جریان توسعه یافته در یک لوله مستقیم (مقاومت جریان پوازیل) منحرف می شود. شبیه سازی و تعیین مقاومت در دوشاخه های درون لوبی و برونکیول نشان می دهد که مقاومت در این دوشاخه ها تقریبا ثابت بوده و به مقاومت جریان پوازیل نزدیک می باشد. هرچند که رابطه تحلیلی اندوکتانس در مورد یک مجرای مستقیم و منفرد صادق است ولی در سیستم به هم پیوسته مجاری هوایی در سیستم تنفسی این رابطه دقیقا صادق نمی باشد. با توجه به نزدیک بودن حالت جریان به جریان پوازیل در مدل نایژه درون لوبی و برونکیول، مقادیر اندوکتانس نیز به مقدار اندوکتانس تحلیلی نزدیک می باشد. حل معادلات حاکم بر مدار معادل الکتریکی و تغییر فرکانس تنفس و حجم هوای ورودی نشان می دهد که افزایش فرکانس تنفس و همچنین افزایش حجم هوای ورودی باعث افزایش فشار ورودی، زمان و افزایش درصد پدیده پندلوفت در هر سیکل تنفسی می شود.