Quasi‐dynamic breathing model of the lung incorporating viscoelasticity of the lung tissue

粘液 气流 薄壁组织 粘弹性 机械 气道阻力 肺顺应性 材料科学 生物医学工程 医学 病理 内科学 生物 物理 热力学 复合材料 生态学
作者
Nitin Daphalapurkar,Jacob Riglin,Arvind Mohan,Jennifer Foster Harris,John D. Bernardin
出处
期刊:International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering [Wiley]
卷期号:39 (8) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/cnm.3744
摘要

Abstract We advanced a novel model to calculate viscoelastic lung compliance and airflow resistance in presence of mucus, accounting for the quasi‐linear viscoelastic stress–strain response of the parenchyma (alveoli) tissue. We adapted a continuum‐based numerical modeling approach for the lung, integrating the fluid mechanics of the airflow within individual generations of the bronchi and alveoli. The model accounts for elasticity of the deformable bronchioles, resistance to airflow due to the presence of mucus within the bronchioles, and subsequent mucus flow. Simulated quasi‐dynamic inhalation and expiration cycles were used to characterize the net compliance and resistance of the lung, considering the rheology of the mucus and viscoelastic properties of the parenchyma tissue. The structure and material properties of the lung were identified to have an important contribution to the lung compliance and airflow resistance. The secondary objective of this work was to assess whether a higher frequency and smaller volume of harmonic air flow rate compared to a normal ventilator breathing cycle enhanced mucus outflow. Results predict, lower mucus viscosity and higher excitation frequency of breathing are favorable for the flow of mucus up the bronchi tree, towards the trachea.
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