Distribution of Aerosolized Particles in Healthy and Emphysematous Rat Lungs: Comparison Between Experimental and Numerical Studies

International audienceIn silico models of airflow and particle deposition in the lungs are increasingly used to determine the therapeutic or toxic effects of inhaled aerosols. While computational methods have advanced significantly, relatively few studies have directly compared model predictions to experimental data. Furthermore, few prior studies have examined the influence of emphysema on particle deposition. In this work we performed airflow and particle simulations to compare numerical predictions to data from our previous aerosol exposure experiments. Employing an image-based 3D rat airway geometry, we first compared steady flow simulations to coupled 3D-0D unsteady simulations in the healthy rat lung. Then, in 3D-0D simulations, the influence of emphysema was investigated by matching disease location to the experimental study. In both the healthy unsteady and steady simulations, good agreement was found between numerical predictions of aerosol delivery and experimental deposition data. However, deposition patterns in the 3D geometry differed between the unsteady and steady cases. On the contrary, satisfactory agreement was not found between the numerical predictions and experimental data for the emphysematous lungs. This indicates that the deposition rate downstream of the 3D geometry is likely proportional to airflow delivery in the healthy lungs, but not in the emphysematous lungs. Including small airway collapse, variations in downstream airway size and tissue properties, and tracking particles throughout expiration may result in a more favorable agreement in future studies

Airflow and Particle Deposition Simulations in Health and Emphysema: From In Vivo to In Silico Animal Experiments

International audienceImage-based in-silico modeling tools provide detailed velocity and particle deposition data. However, care must be taken when prescribing boundary conditions to model lung physiology in health or disease, such as in emphysema. In this study, the respiratory resistance and compliance were obtained by solving an inverse problem; a 0D global model based on healthy and emphysematous rat experimental data. Multi-scale CFD simulations were performed by solving the 3D Navier Stokes equations in an MRI-derived rat geometry coupled to a 0D model. Particles with 0.95 um diameter were tracked and their distribution in the lung was assessed. Seven 3D-0D simulations were performed: healthy, homogeneous, and five heterogeneous emphysema cases. Compliance (C) was significantly higher (p = 0.04) in the emphysematous rats (C = 0.37 +/- 0.14 cm^3 / cmH_2O) compared to the healthy rats (C = 0.25 +/- 0 0.04 cm^3 / cmH_2O), while the resistance remained unchanged (p = 0.83). There were increases in airflow, particle deposition in the 3D model, and particle delivery to the diseased regions for the heterogeneous cases compared to the homogeneous cases. The results highlight the importance of multi-scale numerical simulations to study airflow and particle distribution in healthy and diseased lungs. The effect of particle size and gravity were studied. Once available, these in-silico predictions may be compared to experimental deposition data

Aerosol Transport Modeling: The Key Link Between Lung Infections of Individuals and Populations

The recent COVID-19 pandemic has propelled the field of aerosol science to the forefront, particularly the central role of virus-laden respiratory droplets and aerosols. The pandemic has also highlighted the critical need, and value for, an information bridge between epidemiological models (that inform policymakers to develop public health responses) and within-host models (that inform the public and health care providers how individuals develop respiratory infections). Here, we review existing data and models of generation of respiratory droplets and aerosols, their exhalation and inhalation, and the fate of infectious droplet transport and deposition throughout the respiratory tract. We then articulate how aerosol transport modeling can serve as a bridge between and guide calibration of within-host and epidemiological models, forming a comprehensive tool to formulate and test hypotheses about respiratory tract exposure and infection within and between individuals

Aerosol Transport Modeling: The Key Link Between Lung Infections of Individuals and Populations

The recent COVID-19 pandemic has propelled the field of aerosol science to the forefront, particularly the central role of virus-laden respiratory droplets and aerosols. The pandemic has also highlighted the critical need, and value for, an information bridge between epidemiological models (that inform policymakers to develop public health responses) and within-host models (that inform the public and health care providers how individuals develop respiratory infections). Here, we review existing data and models of generation of respiratory droplets and aerosols, their exhalation and inhalation, and the fate of infectious droplet transport and deposition throughout the respiratory tract. We then articulate how aerosol transport modeling can serve as a bridge between and guide calibration of within-host and epidemiological models, forming a comprehensive tool to formulate and test hypotheses about respiratory tract exposure and infection within and between individuals

Ventilation-perfusion inequality in the human lung is not increased following no-decompression-stop hyperbaric exposure

Venous gas bubbles occur in recreational SCUBA divers in the absence of decompression sickness, forming venous gas emboli (VGE) which are trapped within pulmonary circulation and cleared by the lung without overt pathology. We hypothesized that asymptomatic VGE would transiently increase ventilation-perfusion mismatch due to their occlusive effects within the pulmonary circulation. Two sets of healthy volunteers (n = 11, n = 12) were recruited to test this hypothesis with a single recreational ocean dive or a baro-equivalent dry hyperbaric dive. Pulmonary studies (intrabreath VA/Q (iV/Q), alveolar dead space, and FVC) were conducted at baseline and repeat 1- and 24-h after the exposure. Contrary to our hypothesis VA/Q mismatch was decreased 1-h post-SCUBA dive (iV/Q slope 0.023 ± 0.008 ml−1 at baseline vs. 0.010 ± 0.005 NS), and was significantly reduced 24-h post-SCUBA dive (0.000 ± 0.005, p < 0.05), with improved VA/Q homogeneity inversely correlated to dive severity. No changes in VA/Q mismatch were observed after the chamber dive. Alveolar dead space decreased 24-h post-SCUBA dive (78 ± 10 ml at baseline vs. 56 ± 5, p < 0.05), but not 1-h post dive. FVC rose 1-h post-SCUBA dive (5.01 ± 0.18 l vs. 5.21 ± 0.26, p < 0.05), remained elevated 24-h post SCUBA dive (5.06 ± 0.2, p < 0.05), but was decreased 1-hr after the chamber dive (4.96 ± 0.31 L to 4.87 ± 0.32, p < 0.05). The degree of VA/Q mismatch in the lung was decreased following recreational ocean dives, and was unchanged following an equivalent air chamber dive, arguing against an impact of VGE on the pulmonary circulation

Numerical and experimental investigation of aerosol transport and depostion in the human lung

Cette thèse traite de l'étude numérique et expérimentale du transport et de la déposition d'aérosols dans les poumons. La partie numérique du travail porte sur des simulations uni-, bi- et tridimensionnelles du comportement des aérosols dans la structure pulmonaire. Les simulations unidimensionnelles (1D) sont effectuées dans des modèles trompettes et multibranche similaires à ceux utilisés dans les études de transport et de mélange gazeux dans les poumons. Le dépôt total, le profil des dépôts le long des différentes générations de l'arbre bronchique ainsi que la dispersion de boli d'aérosols sont calculés en fonction de la taille des particules et du protocole respiratoire. Un bolus consiste en un faible volume d'aérosols inhalé sous la forme d'un pic de concentration au cours d'une inspiration d'air pur. Les résultats montrent les limitations intrinsèques liées aux modèles 1D quant à la description du transport des aérosols dans les poumons et suggèrent l'utilisation d'équations multidimensionnelles pour décrire le transport de particules. Des simulations bidimensionnelles (2D) sont alors développées pour décrire le comportement des aérosols dans un modèle représentatif de la zone alvéolaire du poumon humain. Les simulations montrent que les particules ne se déposent pas uniformément sur les parois alvéolaires des conduits mais qu'elles sont principalement localisées près de l'entrée des alvéoles et ceci principalement dans le cas de petites particules (diamètre inférieure à 0.5 mm). De plus, les résultats montrent que le traditionnel coefficient de dispersion utilisé dans l'approche unidimensionnelle ne peut pas être extrapolé dans la zone alvéolaire du poumon.Finalement, des simulations tridimensionnelles (3D) sont réalisées dans un modèle d'un conduit pulmonaire entouré d'alvéoles et confirment la déposition largement hétérogène des aérosols calculée dans l'étude bidimensionnelle suggérant que les concentrations locales et moyennes en aérosols peuvent être substantiellement différentes.Parallèlement, des données expérimentales de déposition totale et de dispersion de boli d'aérosols sont obtenues et comparées aux résultats numériques. Des indices tels que la dispersion du bolus expiré, la déposition totale ou le déplacement du mode entre les courbes de concentration des boli inspiré et expiré mesurés au niveau de la bouche ont été évalués. Des simulations numériques similaire aux tests expérimentaux sont également effectuées. Bien qu'une approche relativement simplifiée soit utilisée, il apparaît que les simulations décrivent raisonnablement bien les résultats expérimentaux.Doctorat en sciences appliquéesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Numerical and experimental investigation of aerosol transport and depostion in the human lung

Cette thèse traite de l'étude numérique et expérimentale du transport et de la déposition d'aérosols dans les poumons. La partie numérique du travail porte sur des simulations uni-, bi- et tridimensionnelles du comportement des aérosols dans la structure pulmonaire. Les simulations unidimensionnelles (1D) sont effectuées dans des modèles trompettes et multibranche similaires à ceux utilisés dans les études de transport et de mélange gazeux dans les poumons. Le dépôt total, le profil des dépôts le long des différentes générations de l'arbre bronchique ainsi que la dispersion de boli d'aérosols sont calculés en fonction de la taille des particules et du protocole respiratoire. Un bolus consiste en un faible volume d'aérosols inhalé sous la forme d'un pic de concentration au cours d'une inspiration d'air pur. Les résultats montrent les limitations intrinsèques liées aux modèles 1D quant à la description du transport des aérosols dans les poumons et suggèrent l'utilisation d'équations multidimensionnelles pour décrire le transport de particules. Des simulations bidimensionnelles (2D) sont alors développées pour décrire le comportement des aérosols dans un modèle représentatif de la zone alvéolaire du poumon humain. Les simulations montrent que les particules ne se déposent pas uniformément sur les parois alvéolaires des conduits mais qu'elles sont principalement localisées près de l'entrée des alvéoles et ceci principalement dans le cas de petites particules (diamètre inférieure à 0.5 mm). De plus, les résultats montrent que le traditionnel coefficient de dispersion utilisé dans l'approche unidimensionnelle ne peut pas être extrapolé dans la zone alvéolaire du poumon.Finalement, des simulations tridimensionnelles (3D) sont réalisées dans un modèle d'un conduit pulmonaire entouré d'alvéoles et confirment la déposition largement hétérogène des aérosols calculée dans l'étude bidimensionnelle suggérant que les concentrations locales et moyennes en aérosols peuvent être substantiellement différentes.Parallèlement, des données expérimentales de déposition totale et de dispersion de boli d'aérosols sont obtenues et comparées aux résultats numériques. Des indices tels que la dispersion du bolus expiré, la déposition totale ou le déplacement du mode entre les courbes de concentration des boli inspiré et expiré mesurés au niveau de la bouche ont été évalués. Des simulations numériques similaire aux tests expérimentaux sont également effectuées. Bien qu'une approche relativement simplifiée soit utilisée, il apparaît que les simulations décrivent raisonnablement bien les résultats expérimentaux.Doctorat en sciences appliquéesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe