Construction of a hybrid lung model by combining a real geometry of the upper airways and an idealized geometry of the lower airways

Abstract

Background and Objective: Health care costs represent a substantial an increasing percentage of global expenditures. One key component is treatment of respiratory diseases, which account for one in twelve deaths in Europe. Computational simulations of lung airflow have potential to provide considerable cost reduction and improved outcomes. Such simulations require accurate in silico modeling of the lung air- way. The geometry of the lung is extremely complex and for this reason very simple morphologies have primarily been used to date. The objective of this work is to develop an effective methodology for the creation of hybrid pulmonary geometries combining patient-specific models obtained from CT images and idealized pulmonary models, for the purpose of carrying out experimental and numerical studies on aerosol/particle transport and deposition in inhaled drug delivery. Methods: For the construction of the hybrid numerical model, lung images obtained from computed tomography were exported to the DICOM format to be treated with a commercial software to build the patient-specific part of the model. At the distal terminus of each airway of this portion of the model, an idealization of a single airway path is connected, extending to the sixteenth generation. Because these two parts have different endings, it is necessary to create an intermediate solid to link them together. Physically realistic treatment of truncated airway boundaries in the model was accomplished by mapping of the flow velocity distribution from corresponding conducting airway segments. Results: The model was verified using two sets of simulations, steady inspiration/expiration and transient simulation of forced spirometry. The results showed that the hybrid model is capable of providing a realistic description of air flow dynamics in the lung while substantially reducing computational costs relative to models of the full airway tree. Conclusions: The model development outlined here represents an important step toward computational simulation of lung dynamics for patient-specific applications. Further research work may consist of in- vestigating specific diseases, such as chronic bronchitis and pulmonary emphysema, as well as the study of the deposition of pollutants or drugs in the airways.

Antecedentes y Objetivo: Los costos de la atención de la salud representan un porcentaje sustancial y creciente de los gastos mundiales. Un componente clave es el tratamiento de las enfermedades respiratorias, que causan una de cada doce muertes en Europa. Las simulaciones computacionales del flujo de aire pulmonar tienen el potencial de proporcionar una reducción considerable de los costos y mejores resultados. Estas simulaciones requieren un modelado preciso en sílico de la vía aérea pulmonar. La geometría del pulmón es extremadamente compleja y por esta razón se han utilizado principalmente morfologías muy simples hasta la fecha. El objetivo de este trabajo es desarrollar una metodología efectiva para la creación de geometrías pulmonares híbridas combinando modelos específicos del paciente obtenidos a partir de imágenes de TC y modelos pulmonares idealizados, con el propósito de realizar estudios experimentales y numéricos sobre el transporte y depósito de aerosoles/partículas en la administración de fármacos inhalados. Métodos: Para la construcción del modelo numérico híbrido, las imágenes pulmonares obtenidas de la tomografía computarizada se exportaron al formato DICOM para ser tratadas con un software comercial para construir la parte del modelo específica del paciente. En el extremo distal de cada vía aérea de esta porción del modelo, se conecta una idealización de una sola vía aérea, que se extiende hasta la decimosexta generación. Debido a que estas dos partes tienen terminaciones diferentes, es necesario crear un sólido intermedio para unirlas. El tratamiento físicamente realista de los límites truncados de la vía aérea en el modelo se logró mediante el mapeo de la distribución de la velocidad de flujo de los segmentos de la vía aérea conductora correspondientes. Resultados: El modelo se verificó mediante dos conjuntos de simulaciones, inspiración/espiración constante y simulación transitoria de espirometría forzada. Los resultados mostraron que el modelo híbrido es capaz de proporcionar una descripción realista de la dinámica del flujo de aire en el pulmón, mientras que reduce sustancialmente los costos computacionales en relación con los modelos del árbol completo de la vía aérea. Conclusiones: El desarrollo del modelo aquí descrito representa un paso importante hacia la simulación computacional de la dinámica pulmonar para aplicaciones específicas del paciente. Otros trabajos de investigación pueden consistir en la investigación de enfermedades específicas, como la bronquitis crónica y el enfisema pulmonar, así como el estudio del depósito de contaminantes o fármacos en las vías respiratorias.