Diagnostik und Verlaufskontrolle von Lungenerkrankungen anhand exhalierter Aerosole (Untersuchung des Aerosoltransports)

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Eine gezieltere Diagnostik für krankhaft veränderte Lungen aufbauend auf deren Exhalatverteilung erfordert eine weitergehende Untersuchung des Partikeltransports und Partikeldeposition in obstruktiven und gesunden Lungen. In der ersten Antragsphase, in der Analysen für gesunde Lungen durchgeführt wurden, konnten bereits grundlegende Erkenntnisse über das dreidimensionale Strömungsfeld in der ersten Bifurkation bei stationärer Durchströmung gewonnen werden. In den numerischen Simulationen wurde das dreidimensionale Strömungsfeld in einer realen Lungengeometrie sowie einer Verzweigungsstruktur nach Weibel berechnet. Die Gegenüberstellung der experimentellen und numerischen Ergebnisse zeigte eine überzeugende Übereinstimmung. Die Simulation der Partikelbahnen ergab, dass aufgrund der geringen Partikelmassen nahezu keine Sedimentation stattfindet. Weiterhin zeigte sich mit einem vereinfachten eindimensionalen Modell, dass etwa beim Auftreten von Pendelluft hochfrequente Strömungszustände auftreten. In der zweiten Antragsphase steht die obstruktive Lunge im Vordergrund. Infolge der geometrischen Modifikation ist von veränderten Wirbelstrukturen im Strömungsfeld auszugehen, die in Wechselwirkung mit der pulsatilen Strömung Einfluss auf die Koaleszenz der Partikel und somit auf die Exhalatverteilung haben werden. Dementsprechend werden die numerischen Analysen auf instationäre Simulationen des dreidimensionalen Strömungsfeldes in den oberen Verzweigungskanälen der Lunge ausgedehnt. Darüber hinaus wird das Partikelmodell bezüglich des Mechanismus der Koaleszenz erweitert. Durch Prinzipexperimente an Bifurkationselementen werden weitere Informationen über die Mechanismen der Partikelkoaleszenz und -deposition bezüglich Partikeldichte und Größe bei der Exhalation gewonnen. Die weiteren experimentellen Analysen bauen auf der Multiplane Particle-Image Velocimetry auf, um das dreidimensionale Strömungsfeld der oberen Atemwege für oszillierende Strömungen zu vermessen. Insgesamt erfolgen die numerischen und experimentellen Untersuchungen an gesunden und chronisch obstruktiven Lungen, um durch Vergleich der Daten den Einfluss des Zustands der Lunge auf die Exhalatverteilung zu zeigen.