Geri Dön

Computational modeling of airway closure

Havayolu kapanmasının sayısal modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 771753
  2. Yazar: OĞUZHAN ERKEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. METİN MURADOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 114

Özet

Bu çalışmada, rijit bir tüpü kaplayan iki katmanlı bir sıvı filmin kılcal kararsızlığı, sıvı tıkaç oluşumu ve insan hava yollarının kapanması için bir model olmak üzere hesaplamalı olarak incelenmiştir. İki katmanlı sıvı, içte perisiliyer sıvı katmanı (PCL) olarak da adlandırılan seröz bir katman ve dışta bir mukus katmanından oluşur. Bu iki sıvı katman, birlikte, hava yolu duvarını kaplayan ve bir hava çekirdeğini çevreleyen hava yolu yüzey sıvısını (ASL) oluştururlar. Sıvı film kalınlığı kritik bir değeri aştığında Plateau-Rayleigh kararsızlığı nedeniyle sıvı tıkaç oluşumu meydana gelir. Birleşme öncesi ve sonrası aşamalar dahil olmak üzere tüm kapanma süreci için sayısal simülasyonlar kapsamlı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Hava yolu duvarındaki mekanik stresler ve bunların gradyanları; tipik bir yetişkin akciğerinin sağlıklı ve patolojik koşullarını temsil eden mukus-seröz kalınlık oranı, viskozite oranı, hava-mukus ve seröz-mukus yüzey gerilimleri fizyolojik olarak ilgili aralıklarda araştırılmıştır. İki katmanlı modelin büyüme hızının, tek katmanlı eşdeğer konfigürasyona kıyasla daha yüksek olduğu bulunmuştur. Bu, iki katmanlı modelde, bu konfigürasyona karşılık gelen tek katmanlı modele göre çok daha erken kapanmaya yol açar. Ayrıca, seröz tabakanın genellikle pulmoner epitelyuma yüksek kesme stresi gezinmelerine ve bunların gradyanlarına karşı etkili bir koruma sağladığı bulunmuştur. Bunlara ek olarak, sistem üzerinde yağlama yaklaşımlarını kullanan bir doğrusal stabilite analizi de gerçekleştirilmiştir ve sonuçların simülasyonlarla iyi bir niteliksel uyum içinde olduğu bulunmuştur. Havayolu mukusu oldukça karmaşık bir sıvıdır ve Newtonyen olmayan bir dizi özellik gösterir. Pulmoner mukusun elastoviskoplastisitesinin ve kesme incelmesinin etkilerini hesaba katmak için, mukus tek bir katman olarak modellenerek hava yolu kapanması sorunu incelenir, yani PCL ve ASL Saramito-HB modeli kullanılarak homojen tek katmanlı elastoviskoplastik (EVP) sıvı olarak kabul edilir [Saramito (Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (2009) 158(1-3), 154-161)]. İlk olarak sağlıklı, astım, kistik fibroz (CF) ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (COPD) mukusu, [Patarin et al. (Scientific Reports (2020) 10(1), 1-10)]'in deneysel verileri kullanılarak bir parametre fit etme algoritması ([Fraggedakis et al. (Soft Matter (2016) 12(24), 5378-5401)] benzeri) takip edilerek temsil edilir. Elde edilen parametreler, COPD vakasında akma stresinin; CF durumunda ise elastik modülün en yüksek değere sahip olduğunu göstermektedir. Bu, akciğer hastalıklarında mukusun viskoelastik/viskoplastik özelliklerinin genel olarak arttığını doğrular. Daha sonra, bu hastalıkların havayolu kapanması üzerindeki etkilerini görmek için kapsamlı sayısal simülasyonlar yapılır. Bu amaçla, hastalıklı mukus parametreleri kullanılır ve yüzey gerilimi ve başlangıçtaki boyutsuz kalınlık fizyolojik olarak anlamlı bir aralıkta değiştirilir. Ardından, parametrik bir çalışma gerçekleştirmek için sağlıklı durum temel olarak seçilir. Burada, Saramito-HB modelinin elastik modülü, akma gerilimi ve güç kanunu indeksi, bu parametrelerin bireysel etkilerini değerlendirmek için değiştirilir. Sonuçlar, artan akma stresi ve elastik modülün hava yolu kapanmasını azaltabileceğini göstermektedir. Ancak, bu obstrüktif akciğer hastalıklarında tipik bir durum olan sıvı tabakasının başlangıç kalınlığı ve yüzey gerilimi artarsa, yüksek viskoelastik/viskoplastik vakalarda da kapanma oluşmaya başlar.

Özet (Çeviri)

Capillary instability of a two-layer liquid film lining a rigid tube is studied computationally as a model for liquid plug formation and closure of human airways. The two-layer liquid consists of a serous layer, also called periciliary liquid layer (PCL), at the inner side and a mucus layer at the outer side. Together, they form the airway surface liquid (ASL) lining the airway wall and surrounding an air core. Liquid plug formation occurs due to the Plateau-Rayleigh instability when the liquid film thickness exceeds a critical value. Numerical simulations are performed for the entire closure process including the pre- and post-coalescence phases. The mechanical stresses and their gradients on the airway wall are investigated for physiologically-relevant ranges of the mucus-to-serous thickness ratio, the viscosity ratio, the air-mucus and serous-mucus surface tensions encompassing healthy and pathological conditions of a typical adult human lung. The growth rate of the two-layer model is found to be higher in comparison with a one-layer equivalent configuration. This leads to a much sooner closure in the two-layer model than in the corresponding one-layer model. Moreover, it is found that the serous layer generally provides an effective protection to the pulmonary epithelium against the high shear stress excursions and their gradients. Furthermore, a linear stability analysis using lubrication approximations is also performed, and the results are found to be in good qualitative agreement with the simulations. Airway mucus is a highly complex fluid, and displays a range of non-Newtonian characteristics. In order to take effects of elastoviscoplasticity and shear-thinning of the pulmonary mucus into account, the airway closure problem is studied by modeling the mucus as a single layer, i.e., PCL and ASL are considered as a homogeneous one-layer elastoviscoplastic (EVP) liquid, using the Saramito-HB model [Saramito (Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (2009) 158(1-3), 154-161)]. Firstly healthy, asthma, cystic fibrosis (CF) and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) mucus are represented by following a parameter fitting algorithm (similar to [Fraggedakis et al. (Soft Matter (2016) 12(24), 5378-5401)]) by using the experimental data of [Patarin et al. (Scientific Reports (2020) 10(1), 1-10)]. The obtained parameters show that CF mucus has the highest elastic modulus and the yield stress is the highest in COPD case. This generally confirms that the viscoelastic/viscoplastic features of the mucus increases in pulmonary diseases. Afterwards, extensive numerical simulations are performed to see the effects of these diseases on the airway closure. To that end, the diseased mucus parameters are used, and the surface tension and the initial non-dimensonal thickness are varied in a physiologically meaningful range. Then, the healthy case is chosen as the baseline to perform a parametric study. Here, the elastic modulus, the yield stress and the power-law index of the Saramito-HB model are varied to assess the individual effects of these parameters. The results indicate that increasing yield stress and elastic modulus may abate the airway closure. However, if the initial thickness of the liquid layer and the surface tension increase, which is a typical case in these obstructive pulmonary diseases, then the closure starts to occur for the high viscoelastic/viscoplastic cases as well.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    753756

    Fluid-structure interaction modelling of plug propagation in compliant airways

    Esnek havayollarında plak ilerlemesinin akışkan-yapı etkileşimi ile modellemesi

    MEHMET YAPAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN MURADOĞLU

  2. Tez No

    881858

    Development of a modular pulmonary resuscitation device for chronic and acute respiratory support

    Kronik ve akut solunum desteği için modüler pulmoner resüsitasyon cihazının geliştirilmesi

    MUNAM ARSHAD

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyofizikKoç Üniversitesi

    Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU

  3. Tez No

    335693

    Turistik faaliyetlerin seçimine yönelik bir çok ölçütlü karar destek modeli

    A multi-attribute decision support model for selection of touristic activities

    SAİT GÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. Y. İLKER TOPÇU

  4. Tez No

    865190

    Harici osilasyonların mukosiliyer aktivite üzerindeki etkilerinin modellenmesi ve kaos tabanlı geliştirilmesi

    Modeling and chaos based enhancement of the effects of external oscillations on mucociliary activity

    YUSUF HAMİDA EL NASER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mekatronik MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DURMUŞ KARAYEL

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET AYDIN

  5. Tez No

    679789

    Çoklu onarım ağında onarım seviyesi analizine ilişkin önerilen yeni model ve çok amaçlı bir yaklaşım

    A new formulation for the level of repair analysis in multiple echelon network and a multi-objective approach

    İSMAİL BIÇAKCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiBaşkent Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF TANSEL İÇ

Geri Dön