気流と吸入粒子の属性の数値的特性評価を通じて、閉塞した肺系における物質沈着評価

背景：慢性閉塞性肺疾患（COPD）と喘息は、世界中で5億人以上の人々に影響を与えるのに対し、最も広範囲にわたる2つの閉塞性肺疾患と見なされています。残念ながら、呼吸のシミュレーションに必要な計算リソースの増加と組み合わせた肺の詳細な幾何学モデルの要件は、詳細なモデリングアプローチを通じて気道の炎症性疾患をよりよく理解するために、過去に大きな進歩を遂げることができませんでした。。これに関連して、吸入された周囲粒子の流体粒子トレース（FPT）分析を伴う計算流体力学（CFD）シミュレーションは、肺機能評価に重要であると考えられています。また、これらの蓄積が炎症に影響を与えるか、炎症に影響を与える可能性があるため、患者の気道に対する粒子沈着の理解を可能にします。この方向では、現在の研究は、肺内の粒子沈着のより良い理解のための初期調査を実施しています。より具体的には、肺疾患に関連する気道閉塞の正確なモデルが開発され、サイズや密度などの吸入された粒子特性の効果の特定とともに気流の挙動の徹底的な評価が行われます。私たちのアプローチは、肺の幾何学的特性と気道内の気流の深い理解に関する肺処理の効果的なパーソナライズに向けた最初のステップを提示します。 方法：収縮アルゴリズムを含む幾何学処理技術が確立され、気道障害を示す肺関連疾患に関連するさまざまな呼吸器の配置を採用するために使用されます。正常な肺の症例とは別に、2つのカテゴリの閉塞性症例が調べられます。つまり、肺の両方に閉塞を伴うモデルと、右肺のみに狭窄があるモデルの両方です。肺のさまざまなセクションでの気流と堆積画分（DF）に関する正確な仮定は、有限体積法（FVM）、特にCFDおよびFPTアルゴリズムを介してこれらの異なるインシデントをシミュレートすることにより描かれます。さらに、詳細なパラメトリック分析は、肺系のいくつかの部分に対する局所堆積の観点から、粒子のサイズと密度の影響を明確にします。この方法で、さまざまな物質の堆積パターンを評価できます。 結果：遮るもののない肺モデルの特定の症例については、ほとんどの粒子が右肺で検出されます（空気流量が12.6 L/minの場合、合計の48.56％）。空気流量が6.06 L/minで、閉塞が第2世代の後に発生する場合、合計の51.45％。対照的に、狭窄が右肺のみで発達した場合、ほとんどの粒子は、空気流量が11.2 l/minの場合、左部の68.22％、合計の68.22％）を押します。。この観察は、肺疾患の治療を設計するときに役立ちます。さらに、直径1μmから10μmの粒子は主に下気道に堆積することが示されていますが、直径20μmと30μmの粒子は、上気道にほとんど蓄積されます。その結果、現在の分析では、粒子の直径が拡大すると、上気道のDFレベルの増加が示されています。さらに、粒子密度が1000 kg/m3から2000 kg/m3に増加すると、DFはすべての世代と本明細書で調査されたすべてのケースで強化されます。シミュレーションによって得られた結果は、肺モデリングに関与するすべての重要なパラメーターの正確かつ定量的推定を提供します。 結論：吸入された医療物質による呼吸器疾患の治療は、正確なCFDおよびFPTシミュレーションの臨床的使用と、異なる粒子サイズと粒子密度に関する領域指向の視点における吸入粒子の沈着を評価することにより、具体的には進歩することができます。特定の特性（すなわち、粒子サイズと密度）を持つ薬物は特定の肺領域に最大の堆積を示すため、現在の研究は適切な医師に適切な薬を選択するための初期の兆候を提供します。

BACKGROUND: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and asthma are considered as the two most widespread obstructive lung diseases, whereas they affect more than 500 million people worldwide. Unfortunately, the requirement for detailed geometric models of the lungs in combination with the increased computational resources needed for the simulation of the breathing did not allow great progress to be made in the past for the better understanding of inflammatory diseases of the airways through detailed modelling approaches. In this context, computational fluid dynamics (CFD) simulations accompanied by fluid particle tracing (FPT) analysis of the inhaled ambient particles are deemed critical for lung function assessment. Also they enable the understanding of particle depositions on the airways of patients, since these accumulations may affect or lead to inflammations. In this direction, the current study conducts an initial investigation for the better comprehension of particle deposition within the lungs. More specifically, accurate models of the airways obstructions that relate to pulmonary disease are developed and a thorough assessment of the airflow behavior together with identification of the effects of inhaled particle properties, such as size and density, is conducted. Our approach presents a first step towards an effective personalization of pulmonary treatment in regards to the geometric characteristics of the lungs and the in depth understanding of airflows within the airways. METHODS: A geometry processing technique involving contraction algorithms is established and used to employ the different respiratory arrangements associated with lung related diseases that exhibit airways obstructions. Apart from the normal lung case, two categories of obstructed cases are examined, i.e. models with obstructions in both lungs and models with narrowings in the right lung only. Precise assumptions regarding airflow and deposition fraction (DF) over various sections of the lungs are drawn by simulating these distinct incidents through the finite volume method (FVM) and particularly the CFD and FPT algorithms. Moreover, a detailed parametric analysis clarifies the effects of the particles size and density in terms of regional deposition upon several parts of the pulmonary system. In this manner, the deposition pattern of various substances can be assessed. RESULTS: For the specific case of the unobstructed lung model most particles are detected on the right lung (48.56% of total, when the air flowrate is 12.6 L/min), a fact that is also true when obstructions arise symmetrically in both lungs (51.45% of total, when the air flowrate is 6.06 L/min and obstructions occur after the second generation). In contrast, when narrowings are developed on the right lung only, most particles are pushed on the left section (68.22% of total, when the air flowrate is 11.2 L/min) indicating that inhaled medication is generally deposited away from the areas of inflammation. This observation is useful when designing medical treatment of lung diseases. Furthermore, particles with diameters from 1 μm to 10 μm are shown to be mainly deposited on the lower airways, whereas particles with diameters of 20 μm and 30 μm are mostly accumulated in the upper airways. As a result, the current analysis indicates increased DF levels in the upper airways when the particle diameter is enlarged. Additionally, when the particles density increases from 1000 Kg/m3 to 2000 Kg/m3, the DF is enhanced on every generation and for all cases investigated herein. The results obtained by our simulations provide an accurate and quantitative estimation of all important parameters involved in lung modeling. CONCLUSIONS: The treatment of respiratory diseases with inhaled medical substances can be advanced by the clinical use of accurate CFD and FPT simulations and specifically by evaluating the deposition of inhaled particles in a regional oriented perspective in regards to different particle sizes and particle densities. Since a drug with specific characteristics (i.e. particle size and density) exhibits maximum deposition on particular lung areas, the current study provides initial indications to a qualified physician for proper selection of medication.