Diagnostik und Verlaufskontrolle von Lungenerkrankungen anhand exhalierter Aerosole (Untersuchung der Aerosolentstehung im Exhalat)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Entstehung kleiner Tröpfchen in den terminalen Atemwegen der menschlichen Lunge wurde mit Hilfe des „Volume of Fluids“ CFD-Ansatzes für Zweiphasen-Strömungen berechnet, wobei die nicht-Newton’schen Eigenschaften der „Surfactant“-Flüssigkeit berücksichtigt wurden. Die berechnete Größenverteilung stimmt mit klinischen Daten des Projektpartners Prof. Jens Hohlfeld an der MHH überein. Diese Übereinstimmung bestätigt auch die Ergebnisse des Projektpartners Prof. Wolfgang Schröder an der RWTH, der zeigt, dass im relevanten Größenspektrum keine bevorzugte Partikelabscheidung bestimmter Partikelgrößen in den oberen Atemwegen stattfindet. Zur experimentellen Verifikation der Berechnungen des TFD der LUH wurde ein Messaufbau zur Bestimmung von Filmschichtdicken dynamisch deformierter, nicht-Newton’scher Flüssigkeitsfilme entwickelt. Der Moment des Filmrisses kann mit der Methode der Hauptkomponentenanalyse (POD) präzise bestimmt werden. Mit der optischen Methode der Laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) konnte der Einfluss der Viskosität sowie der Öffnungsgeschwindigkeit auf das Ausdünnungsverhalten eines nicht-Newton’schen CMC-Flüssigkeitsfilms und dessen kritische Filmdicke gezeigt werden. Die CMC-Flüssigkeit ähnelt der Flüssigkeit, die die peripheren Atemwege der Lunge benetzt. Die CMC-Flüssigkeit hat eine kritische Filmschichtdicke im Mikrometerbereich, welche sowohl mit zunehmender Viskosität der Filmflüssigkeit als auch mit zunehmender Öffnungsgeschwindigkeit der Filmexpansion abnimmt. Die Zweiphasensimulationen der Tropfenentstehung in den peripheren Atemwegen zeigen, dass mit zunehmender Oberflächenspannung mehr kleinere Tropfen mit einem Maximum bei 0,4 µm entstehen. Es wurden keine deutlichen Änderungen der Tropfengröße bei anliegenden Druckgradienten am Fluidmeniskus festgestellt. Für die Abbildung der CMC-Fluide zeigt das numerische Modell Abweichungen gegenüber dem Experiment, die auf die uneingeschränkte Variation der Scherrate für die Flüssigkeit zurückgeführt werden und mit einer Anpassung der maximal zulässigen Scherrate verbessert werden konnten. Ausgehend von den vorgestellten Ergebnissen haben die angenommenen Bedingungen für morphologische Veränderungen der Atemwege (Flüssigkeitsvariation, Wandbewegung und existierende Druckgradienten) in einer erkrankten Lunge im Vergleich zu den Bedingungen in einer gesunden Lunge keinen signifikanten Einfluss auf die Partikelgrößenverteilung der entstehenden Aerosole in den peripheren Atemwegen. Dies stimmt mit den Erkenntnissen des Projektpartners MHH/ Fraunhofer ITEM überein, die in einem separaten Bericht dargestellt sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008): Numerical analysis of the formation process of Aerosols in the Alveoli (Abstract). In: Bulletin of the American Physical Society. APS Division of Fluid Dynamics, Band 53, S.115
Haslbeck, K.; Seume, J.R.
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(2009): Aerosol Formation in the Alveoli – in Search of Sensitive Parameters Using Computational Fluid Dynamics. 17th International Congress of the International Society for Aerosols in Medicine 2009, 10-14 May 2009, Monterey, California, USA, Abstract in the Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery, Vol. 22, Issue 2, p. 204
Haslbeck, K.; Seume J.R.
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(2010): Submicron droplet formation in the human lung. Journal of Aerosol Science. Vol. 41 (5), pp. 429–438
Haslbeck, K.; Schwarz, K.; Hohlfeld, J. M.; Seume, J.R.; Koch, W.
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(2011): Numerical Study Of Aerosol Generation In The Deep Human Lung - Influence Of Chronic Lung Injuries. 18th Congress of International Society for Aerosols in Medicine, 18-22 June 2011, Rotterdam, The Netherlands
von Seggern, H.G.; Seume, J.R.
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(2011): Numerical study of aerosol generation in the deep human lung. 10th International Symposium an Experimental and Computational Aerothermodynamics of International Flows – ISAIF10, 4-7 June 2011, Brussels, Belgium
von Seggern, H.G.; Haslbeck, K.; Seume, J.R.
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(2013): Determination of film rupture characteristics for validation of numerical simulations in human airways. 19th Congress of International Society for Aerosols in Medicine, 6-10 April 2013, Chapel Hill, NC, USA
Seggern, H.G., von; Moore, C.; Wein, L.C.; Seume, J.R.
