Simulation of the human airways using virtual topology tools and meshing optimization

Abstract

Se propone un método para mejorar la calidad de los modelos geométricos tridimensionales de las vías respiratorias utilizando un software comercial, comprobando el número de elementos, el tiempo de mallado y los parámetros de relación de aspecto y asimetría. El uso de topologías reales y virtuales combinadas con algoritmos de mallado patch-conforming y patch-independent da como resultado cuatro modelos diferentes, siendo la mejor solución la combinación de topología virtual y algoritmo patch-independent, debido a una excelente relación de aspecto y sesgo de los elementos y tiempo mínimo de mallado. El resultado es una reducción en el tiempo computacional requerido tanto para el mallado como para la simulación debido a una menor cantidad de celdas. El uso de topologías virtuales combinadas con algoritmos de mallado patch-independent podría extenderse a la bioingeniería porque el manejo de geometrías es similar a este caso. El método se aplica a una persona sana utilizando sus imágenes de tomografía computarizada. Los modelos numéricos resultantes son capaces de simular correctamente una espirometría forzada.

A method is proposed to improve the quality of the three-dimensional airway geometric models using a commercial software, checking the number of elements, meshing time, and aspect ratio and skewness parameters. The use of real and virtual topologies combined with patch-conforming and patch-independent meshing algorithms results in four different models being the best solution the combination of virtual topology and patch-independent algorithm, due to an excellent aspect ratio and skewness of the elements, and minimum meshing time. The result is a reduction in the computational time required for both meshing and simulation due to a smaller number of cells. The use of virtual topologies combined with patch-independent meshing algorithms could be extended in bioengineering because the geometries handling is similar to this case. Themethod is applied to a healthy person using their computed tomography images. The resulting numerical models are able to simulate correctly a forced spirometry.