Exploration of hybrid simulation methodologies for the computational study of fluid flow phenomena in airways

Abstract

In recent years, numerical simulation has emerged as a robust tool for the analysis of physiological phenomena. The application of computational fluid dynamics (CFD) techniques to the study of biofluids is a constantly growing field, especially the focus given to simulations of blood through the circulatory system and air within the human airways. A high complexity arises in the analysis of these systems. On the one hand, the extension and configuration of the geometrical model (branches, networks), and on the other hand, the multiphysics nature of many of these phenomena. This research work was developed with the aim of exploring methodologies that help to simplify the complexity of simulations associated with biofluids, particularly in human airways. In the first part, a specification of the basic concepts was developed, focusing on the description of the airways and the fluid dynamics associated with air transport in the respiratory system. In turn, a background of numerical simulation applied to biofluids, and a classification of the hybrid simulation methodologies was discussed. In the second part, a first simplification strategy was studied, specifically the use of synthetic airway models. For this purpose, a comparison study of the use of these models vs real patient-specific models was carried out. In addition, a study of the effect of the variation of some morphological parameters on the flow, such as bifurcation angle and carina radius rounding, was developed. In the third part, the implementation and validation of a hybrid simulation methodology was performed, based on a dimensional reduction from the airway homothety ratios. A boundary condition for the pressure, which is the result of this methodology, was implemented in a open source, and tested with two application cases: a study of airways in asthma condition and a study of branch collapse. Finally, general conclusions about the application of the spatial simplification strategy and the use of the hybrid simulation methodology were detailed, as well as recommendations and future work.

En los últimos años, la simulación numérica se ha potenciado como una herramienta robusta para el análisis de fenómenos fisiológicos. La aplicación de técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) para el estudio de bio-fluidos es un campo en constante crecimiento, en especial, el enfoque dado a las simulaciones de sangre a través del sistema circulatorio y de aire a través de las vías respiratorias. Una elevada complejidad surge en el análisis de estos sistemas. Por un lado, la extensión y la configuración del modelo geométrico (ramificaciones, redes), y por otro, la naturaleza multi-física de muchos fenómenos. Este trabajo de investigación fue desarrollado con la intención de explorar metodologías que ayuden a simplificar la complejidad de las simulaciones asociadas a bio-fluidos, particularmente en vías respiratorias humanas. En la primera parte, una especificación de los conceptos básicos fue desarrollada, centrándose en la descripción de las vías respiratorias y la dinámica de fluidos asociada al transporte de aire en el sistema respiratorio. A su vez, un background de la simulación numérica aplicada a bio-fluidos, y la consecución de una clasificación de las metodologías de simulación híbridas, fue discutido. En la segunda parte, una primera estrategia de simplificación fue estudiada, específicamente el uso de modelos sintéticos de vías respiratorias. Para esto, un estudio de comparación del uso de estos modelos contra los modelos reales específicos de paciente fue llevado a cabo. Ademas, un estudio del efecto de la variación de algunos parámetros morfológicos sobre el flujo, como lo son el ángulo de bifurcación y el redondeo de radio de carina, fue desarrollado. En la tercera parte, la implementación y validación de una metodología de simulación híbrida fue realizada, basados en una reducción dimensional a partir de los factores homotéticos de vías respiratorias. Una condición de frontera para la presión, la cual es el resultado de dicha metodología, fue implementada en un software libre, y puesta a prueba con dos casos aplicativos: un estudio de vías respiratorias en condición de asma y un estudio de colapso de ramificaciones. Finalmente, las conclusiones generales acerca de la aplicación de la estrategia de simplificación espacial y del uso de la metodología de simulación híbrida fueron detalladas, así como las debidas recomendaciones y trabajos futuros. (Texto tomado de la fuente)