Experimentální výzkum transportu a depozice aerosolů v dýchacím traktu člověka

Abstract

Vdechovaný aerosol má značný vliv na zdraví každého člověka. Pochopení mechanismů transportu a depozice aerosolu v lidských plicích je nutnou podmínkou jak pro lepší ochranu před toxickými účinky škodlivých částic, tak zejména pro efektivní použití inhalovaných terapeutických aerosolů. Smyslem této dizertační práce proto bylo získat nové poznatky v této oblasti na základě in vitro prováděných experimentů. Pro měření transportu aerosolu byla zvolena fázová Dopplerovská anemometrie, kterou byla měřena současně rychlost i velikost částic. Výsledky byly zpracovány metodami statistické a frekvenční analýzy. Depozice sférických aerosolových částic byla měřena pozitronovou emisní tomografií, fázově kontrastní mikroskopie kombinovaná s automatickou analýzou obrazů byla využita pro měření depozice vláknových částic. Všechny experimenty byly provedeny na fyzických modelech plic vytvořených na základě reálné geometrie. Výsledkem práce jsou poznatky o charakteristikách proudění, přechodu z laminárního do turbulentního režimu, vlivu režimu dýchání a velikosti částic na transport aerosolu a rozložení depozice aerosolu při různých režimech. Porovnáním depozice na realistickém a semirealistickém modelu s válcovými stěnami byl zjištěn zásadní vliv realistické ústní dutiny. Získané poznatky slouží nejen k rozšíření současných znalostí o chování aerosolu v plicích, ale mohou být použity i pro validaci numerických simulací.

Human health is significantly influenced by inhaled aerosols. Insight to the aerosol transport and deposition mechanisms is a prerequisite for both, toxicological protection against harmful particles and efficient application of inhaled therapeutic aerosols. The purpose of this doctoral thesis was to gain new knowledge of this topic on the basis of in vitro measurements. Phase-Doppler Anemometry was chosen for aerosol transport measurement, for it allows simultaneous measurement of particle size and velocity. Results were processed by means of statistical methods and frequency analysis. Deposition of spherical aerosol particles was measured by Positron Emission Tomography, while deposition of fibrous aerosol was measured by Phase-Contrast Microscopy combined with automated image analysis. All experiments were performed on physical models created on the basis of the real lung geometry. New knowledge of flow characteristics, transition from laminar to turbulent flow, effect of breathing pattern or particle size on aerosol transport and deposition in human lungs are outcomes of this work. Significant effect of the oral cavity was ascertained due to comparison of aerosol deposition in realistic and semi-realistic model with cylindrical smooth walls. Acquired data not merely extended our knowledge of aerosol behavior in lungs but it can also be used for validation of numerical simulations.