Sta­tio­nen der Kör­per­runde – Atemwege

Inspi­ra­tion

 

Den Start der Kör­per­runde stellt der Einat­mung­sprozess mit dem Trans­port sauer­stof­fre­icher Atem­luft durch den Nasen– und Rachen­bere­ich hin zu den Lun­gen dar. Die Darstel­lun­gen und numerischen Unter­suchun­gen in diesem Bere­ich der Kör­per­runde basieren auf Arbeiten, die in der Arbeitsgruppe von Dr. Mathias J. Krause, der Lattice Boltzamann Research Group (LBRG) am KIT, durchge­führt wer­den [1,2]. Die wesentlichen Größen, die den Sauer­stoff­trans­port in die Lugen bee­in­flussen, sind:

  • Atem­fre­quenz
  • Atemzugvol­u­men
  • Vitalk­a­paz­ität

Von diesen Größen sind zunächst Atem­fre­quenz und Atemzugvol­u­men von beson­derem Inter­esse, da sich durch diese bei­den Para­me­ter die wesentlichen Randbe­din­gun­gen für Strö­mungssim­u­la­tio­nen der Atemwege bes­tim­men lassen.

So kön­nen beispiel­sweise die Strö­mungsver­hält­nisse in der Nasen­höhle und dem Rachen­raum detail­liert analysiert wer­den. Dadurch lassen sich nicht nur grundle­gende Erken­nt­nisse über die Fil­tereigen­schaften der Nase und das Riechen gewin­nen, son­dern es kön­nen auch Pro­duk­ten­twick­lun­gen beschle­u­nigt und Pro­dukte wie
beispiel­sweise Inhala­toren opti­miert werden.

 

Sauer­stof­faus­tausch in der Lunge

Ein weit­eres Anwen­dungs­ge­biet welches ain der LBRG am KIT mit Hilfe der numerischen Sim­u­la­tion erforscht wird und im Bezug auf die Kör­per­runde direkt nach dem Ein­strö­men der sauer­stof­fre­ichen Luft durch die Nasen­höhle und den Rachen­raum folgt, ist der Strö­mungsvor­gang in der Luftröhre und dem Bron­chail­baum. Unter­suchun­gen und Analy­sen der Strö­mungsvorgänge in diesem Teil des Atmungssys­tems sind nicht nur aus dem Gesicht­spunkt der kom­plexen Geome­trie son­dern auch durch die mul­ti­physikalis­chen Vorgänge, die auf einem bre­iten Skalen­bere­ich ablaufen extrem her­aus­fordernd. Die detail­lierte numerische Sim­u­la­tion der Strö­mungsvorgänge in den Atemwe­gen in Kom­bi­na­tion mit dem Sauer­stof­faus­tusch in den Alve­olen würde jedoch völ­lig neue Möglichkeiten in Bere­ichen wie der Pla­nung chirur­gis­cher Ein­griffe oder der Sim­u­la­tion von Umwel­te­in­flüssen wie beispiel­sweise dem Schad­stof­fein­trag in den Kör­per über die Atemwege, eröffnen.

Flow and Particle Simulation in the Human Nasal Cavity

 

Literatur

[1] T. Henn, G. Thäter, W. Dörfler, H. Nirschl, and M.J. Krause. “Parallel dilute particulate flow
simulations in the human nasal cavity”. In: Computers & Fluids 124 (2016), pp. 197–207.
issn: 0045-7930. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compfluid.2015.08.002. url:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045793015002728.

[2] M.J. Krause. Fluid Flow Sim­u­la­tion and Opti­mi­sa­tion with Lat­tice Boltz­mann Meth­ods on High Per­for­mance Com­put­ers: Appli­ca­tion to the Human Res­pi­ra­tory Sys­tem, Dis­ser­ta­tion, Karl­sruhe Insti­tute of Tech­nol­ogy (KIT), http://​dig​bib​.ubka​.uni​-karl​sruhe​.de/​v​o​l​l​t​e​x​t​e​/​1000019768 externer Link

 

Verfasst von Mathias Krause

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