Gas flow behaviour in the deep lung under superimposed high-frequency jet ventilation and high frequency oscillation

Abstract

Although superimposed high-frequency jet ventilation, SHFJV for short, has already achieved good clinical success, there has been little theoretical work on the method and no simulations have yet been performed using computational fluid dynamic simulations. SHFJV is an electrically controlled ventilation method in which a high-frequency gas flow is superimposed on a low-frequency gas flow. This creates a low-pressure plateau in addition to a high-pressure plateau, resulting in continuous delivery of small volumes of gas to the lungs during ventilation. Clinical studies have shown that this method leads to a faster recruitment of collapsed alveoli, thus improving patient oxygenation. In this work, a user-defined function (UDF) was created to control the application of ventilator-generated gas at the inlet and linked to a Navier Stokes Solver Suite. At the same time, a second function was used to mimic the physiological characteristics of the lungs, which allowed the gas flows in the lungs to be influenced. To calculate the flow patterns, the commercial software Fluent from ANSYS Inc. was used, and the Menter-SST-k-omega model was used as the turbulence model. An important part of working with simulation analysis is the validation of the system. Especially the functions that were programmed in the UDF had to be created and verified in single steps. The preliminary experiments were carried out on a straight tube model, while the main simulations were performed on several symmetric single-bifurcation geometries with up to eight lung tubes. The progression of results along these so-called generations allowed estimation of magnitudes for deeper lung regions. Parameters such as Womersley number and tidal volume also served as a basis for further analysis. In this diploma thesis, the influence of variable compliance on the flow behavior of two high-frequency ventilation techniques was investigated. Using the SST-k-omega tubulence model, the turbulent kinetic energies occurring in the bronchial system under variable lung compliance could be demonstrated.

Obwohl die superponierte Hochfrequenzjetbeatmung, kurz SHFJV, bereits einen guten klinischen Erfolg verzeichnet, gibt es zu der Methode nur wenige theoretische Arbeiten und es wurden bisher auch keine Simulationen mittels nummerischer Strömungsmechanik durchgeführt. Bei der SHFJV handelt es sich um eine elektrisch kontrollierte Beatmungmethode bei der ein niederfrequenter Gasstrom von einem hochfrequenten Gasstrom überlagert wird. Dadurch entsteht zusätzlich zu einem Hochdruckplateau auch ein Niederdruckplateau, wodurch kontinuierlich kleine Gasvolumina während der Beatmung in die Lunge appliziert werden. Klinische Studien haben gezeigt, dass dieser Vorgang zu einer schnelleren Rekrutierung von kollabierten Lungenbläschen führt und damit die Oxygenierung bei Patienten verbessert wird. In dieser Arbeit wurde in einer benutzerdefinierte Funktion (UDF) eine Funktion erstellt, welche die Zufuhr des vom Beatmungsgerät erzeugten Gases am Einlass vorgibt und mit einer Navier Stokes Lösungssoftware verbunden. Gleichzeitig wurde mit einer zweiten Funktion die physiologischen Eigenschaften der Lunge immitiert, wodurch die Strömungen in der Lunge beeinflusst werden konnten. Um die Strömungsverläufe zu berechnen, wurde mit der kommerziellen Software Fluent von ANSYS Inc. gearbeitet. Das Menter-SST-k-omega Modell kam dabei als Turbulenzmodell zum Einsatz. Ein wichtiger Teil bei der Arbeit mit Simulationsanalysen ist die Validierung des Systems. Vor allem die Funktionen, die in der UDF programmiert wurden, mussten in einzelnen Schritten erstellt und kontrolliert werden. Die Vorversuche wurden an einem geraden Rohrmodell ausgeführt, während die Hauptsimulationen an mehreren symmetrischen Einzelverzweigungsgeometrien mit bis zu acht Lungenröhren durchgeführt wurde. Der Verlauf der Ergebnisse entlang dieser sogenannten Generationen ermöglichte eine Abschätzung der Größenordnungen für tiefere Lungenbereiche. Als Grundlage für weitere Analysen dienten auch Parameter wie die Womersley Zahl und das Tidalvolumen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Einfluss einer variablen Compliance auf das Strömungsverhalten zweier hochfrequenter Beatmungstechniken untersucht. Unter Verwendung des SST-k-omega Tubulenzmodells konnten auftretenden turbulenten kinetischen Energien im Bronchialsystem unter variabler Lungencompliance nachgewiesen werden.