|
|
Modeling of Airflow Characteristics and Particle Deposition in Human Upper Respiratory Tract Using CFD Simulations
Pospíšil, Milan ; Forjan, Mathias (referee) ; Paštěka, Richard (advisor)
The objectives are to analyze the mechanisms of airflow and particle transport in the extrathoracic airways. Understanding these features in greater detail not only helps in the treatment of diseases related to the respiratory tract but also aims to reduce the amount of animal testing. For the evaluation, computational fluid dynamic (CFD) simulations were utilized. ANSYS was used as a leading software to perform a simulation of different inspiratory flow rates. In this work, Large Eddy Simulations (LES) is engaged due to its real-world performance. The geometry of the upper airways is obtained from CT scans, to preserve the topological data of the upper airways. Furthermore, the deposition of inhaled particles of varying diameters 1-10 m was examined, helping us better understand the therapeutic effects of inhaled particles. Two types of inhalations simulations were carried out. First, inhalation through the nose, simulating the inhalation with a nebulizer with airflow rates of 15 l/min and 30 l/min. Second, through mouth simulating inhalation with a dry-powder inhaler with a flow rate of 90 l/min. Simulated results show that most of the particles deposit at the entrance of the nasal or oral cavity. When flow rates of 15 and 30 l/min were compared, it can be seen the higher initial velocity is, the particles of large diameter (6-10 m) are stuck in the nasal cavity and do not appear in the laryngeal region, whereas with low velocity the more particles of 6-10 m can be found in this region. The maximum number of particles leaving the trachea was observed with a flow rate of 15 l/min, accounting for 26 %. As opposed to 90 l/min where only 13 % left the upper respiratory tract. Also, typical pressure drop can be observed in pressure contours describing the larynx region. This was most significant for a flow rate of 90 l/min where the pressure from the oropharynx to subglottis dropped by 490 Pa.
|
|
|
MODELLING OF THE HUMAN RESPIRATORY SYSTEM FOR CLINICALLY RELEVANT APPLICATIONS
Paštěka, Richard ; Zezulka, František (referee) ; Rožánek, Martin (referee) ; Kolář, Radim (advisor)
Rostoucí výskyt respiračních onemocnění zatěžuje světovou populaci a je hnací silou významného vědeckého pokroku v oblasti výzkumu respiračního systému člověka. Vyvíjejí se různé modely lidského dýchacího systému, které rozšiřují znalosti a umožňují studium specifických výzkumných otázek. Cílem této práce je zavedení fyzikálního modelu lidského dýchacího systému (xPULM™), který představuje inovativní přístup k modelování vlastností dýchacího systému. K dosažení tohoto cíle byly zkoumány tři klinicky relevantní aplikace, a to (i) simulace dýchání, (ii) testování interakce pacienta s ventilátorem a (iii) aerosolové podávání léčiv. Byly vyvinuty měřicí sestavy umožňující testování a vyhodnocení každé aplikace. Tento proces zahrnoval mimo jiné výrobu fyzikálního modelu horních cest dýchacích člověka a integraci optického aerosolového spektrometru. Hlavní zjištění pro jednotlivé aplikace jsou následující. Zaprvé se ukázalo, že simulace dýchání spolehlivě zachycuje změny průtoku a tlaku pro řadu dechových objemů a frekvencí a že je reprezentativní pro lidské dýchání. Možnost použití ekvivalentů plic na polymerní nebo organické bázi je jedinečná a umožňuje znázornit procesy přirozeně probíhající během lidského dýchacího cyklu. Za druhé byl zaveden nový přístup k testování interakcí mezi pacientem a ventilátorem. Výsledky ukazují, že při použití simulátoru k reprezentaci pacienta podstupujícího asistovanou mechanickou ventilaci lze vyvolat různé asynchronní reakce. Zatřetí, během simulací nádechu a výdechu lze experimentálně vyhodnotit početní koncentraci a distribuci velikosti aerosolových částic generovaných běžně používanými inhalátory suchého prášku. Tento přístup navrhuje alternativu k pokusům na zvířatech vhodnou pro aplikace ve výzkumu aerosolů. Práce obsahuje původní výzkum, který byl prezentován na mezinárodních konferencích a publikován ve třech časopisech s impakt faktorem. Výsledky této práce umožňují další pedagogickou a výzkumnou činnost v oblasti výzkumu dýchacích cest.
|
|
|
Development of an ex vivo lung perfusion system focusing on the preservation of fresh animal lungs for experiments and storage
Mesíková, Klaudia ; Forjan, Mathias (referee) ; Paštěka, Richard (advisor)
A mechanical combined lung model is a type of model used in human breathing simulation. The biggest currency of the model is a high similarity with the human lungs. In order to work with the animal lungs for a longer time and so follow the principles of the 3Rs, a perfusion system is involved in the procedure. The perfusion system filled with a chosen perfusate solution is responsible to prolong the period in which the animal lungs are viable for experiments and storage in the ex-vivo environment. The development of the properly functioning perfusion system is based on the several components included in the process. Choosing the right solution for the perfusion of the inner environment of the lungs is one of the most important things that need to be taken into account. The roller pump is considered the drive motor of the system. Pressure and flow sensors are responsible for monitoring the process parameters that could describe the functionality and the ability to preserve the animal lungs in the ex-vivo environment. The validation of the developed system by using the fresh animal lungs is a part of the thesis as well as the checking procedure of the solution’s influence with the time of the storage. The perfusion system was successfully created and tested. The pressure and flow parameters gained during the measurement were compared while using the saline solution, the Ringer’s solution, and Histofix in the system. The compliance parameter of the lungs were been monitored during the perfusion as well as during the storage with the aim to determine the behaviour of the preserved lungs with the time and the impact of the chosen solution on it. Compliance initially decreased and then stabilized at a certain value throughout the storage period. For the perfusion with the saline and Ringer’s solution, it dropped by one-third. For Histofix preservation, the drop was by half of the initial compliance. The preservation time without the presence of the tissue necrosis was 120 hours using the Saline solution, 240 hours using the Ringer’s solution, and at least 268 hours using Histofix. The perfusion system could further be used in medical research and make a positive aspect in terms of less consumption of the animal organs for experimental purposes in various fields of the research. For future research, the improvement of the perfusion system and solution composition to ensure even longer preservation is welcomed.
|
|
|
Exploring the Population Characteristics of Direction-Selective Ganglion Cells Across the Retinal Space
Svatoň, Jan ; Paštěka, Richard (referee) ; Jösch, Maximilian (advisor)
V minulém století byl vynaložen značný výzkum na pochopení, jak jsou vizuální informace kódovány neurálními populacemi a jejich obvody. Celkový obraz, který vyplynul z tohoto úsilí, naznačuje, že vizuální informace jsou nejprve zpracovány složitými obvody v sítnici a následně přeneseny do vyšších mozkových struktur. Ukazuje se, že sítnice i mozek si vyvinuly pozoruhodně sofistikované výpočty pro extrakci těchto informací. Funkční studie těchto neuronálních transformací byly prováděny pomocí elektrofyziologických nebo zobrazovacích technik. Tyto techniky omezovaly analýzu prostorových specializací sítnice, a to buď počtem dostupných elektrod (v elektrofyziologii) nebo velikostí zorného pole (FOV) (v zobrazovacích experimentech). Pro ukázku – záznamy aktivit gangliových buněk sítnice (RGC) byly omezeny na relativně malou oblast (~ 200 x 200 um2) za použití nejmodernějších zobrazovacích technik. Ve své diplomové práci jsem prozkoumal nově vyvinutou metodu využívající FOV, která je 40krát větší ve srovnání s FOV konvenčních optických metod, což mi umožňilo překonat toto technické omezení. Práce využívá tuto novou zobrazovací metodu k prozkoumání populačních charakteristik směrově selektivních gangliových buněk (DSGC) v sítnicích myší. Replikací již známých populačních vzorců jsme verifikovali, že naše nová zobrazovácí metoda funguje. Práce dále zkoumá účinky pomocných látek pro zvýšení míry infekce RGCs. Tyto pomocné látky tak mohou potenciálně usnadnit nezaujaté zaznamenávání aktivit RGCs. Práce navíc představuje nový stimul pro inspekci receptivních polí (RF) RGCs. Tento nový stimul překonává konvenční stimuly používané v současných studiích jak v rozlišení vyprodukovaného RF, tak v nezbytném čase prezentace stimulu a otevírá tak dveře pro následující studie, které mohou poprvé popsat distribuční vzorce receptivních poli napříč sítnicí a zlepšit tak klasifikaci buněčných tříd.
|
|
|
Modelling of flow and pressure characteristics in the model of the human upper respiratory tract under varying conditions
Karlíková, Adéla ; Forjan,, Mathias (referee) ; Paštěka, Richard (advisor)
Cílem této diplomové práce je vytvořit 3D model horních dýchacích cest podle originálního modelu segmentovaného z CT dat, aplikovat různé podmínky na průtok vzduchu v modelu, a poté hodnotit změnu charakteristik rychlosti a tlaku. Model horních dýchacích cest byl vytvořen v prostředí softwaru ANSYS, který využívá výpočetní dynamiku tekutin, a byly použity Navier-Stokesovy rovnice pro modelování průtoku vzduchu v modelu. Nejprve byl vytvořen jednoduchý 2D model za účelem seznámení se s prostředím ANSYS. Dále byl zkonstruován 3D model horních dýchacích cest a byly modelovány charakteristiky rychlosti a tlaku za různých podmínek. Tyto podmínky zahrnují různé umístění a množství míst pro odběr vzorků v modelu a výběr různých kombinací vstupů. Nakonec byly prezentovány a hodnoceny výsledky spolu s ilustracemi modelů modelovaných za různých podmínek. 3D model lze považovat ze kompromis mezi výpočetní náročností a složitostí modelu a lze jej použít jako základ pro další výzkum.
|
|
|
Oscilloscope with the Android Operating System
Paštěka, Richard ; Balogh, Jaroslav (referee) ; Sekora, Jiří (advisor)
Bachelor thesis deals with the design of digital oscilloscope using the Arduino development kit. The theoretical part of the thesis discusses the basic parameters of digital oscilloscopes, sampling types and general characteristics of A/D converters. The thesis further focuses on the description of the development platform Arduino Mega ADK. The practical part describes the steps in the implementation of the oscilloscope. The general design transfers to a specific description of software and hardware solutions. The software consists of two mutually communicating programs. First, program of the microcontroller performs data acquisition. The second is used to render the measured waveforms on the computer screen. Hardware appropriately adjusts the measuring signal for measurement purposes befor Arduino Mega ADK platform. In the results the evaluation of the created oscilloscope waveforms and parameters is given tested by using a function generator.
|
|
|
Integration and testing of a real time processing unit for lung simulation
Paštěka, Richard ; Drauschke, Andreas (referee) ; Sekora, Jiří (advisor)
Aktivní mechanický plicní simulátor (iLung) nabízí možnost simulace lidského dýchání. Cílem této práce je implementovat a otestovat řídící a akviziční systém cRIO pracující v reálném čase, jako řídící jednotku simulátoru. Výsledné propojení obou zařízení je zdokumentováno ve formě tabulek a původních osazovacích výkresů, které jsou doplněny o popis funkce každého pinu. Významného zlepšení bylo dosaženo laděním motoru a modifikací proporcionálně-integračního regulátoru v řídícím programu. Tyto modifikace mají za následek významné snížení oscilací v okolí nuly. Pro zvýšení využitelnosti a přístupnosti simulátoru byl vytvořen uživatelský manuál a s ním související laboratorní cvičení. Validace funkce implementované řídící jednotky nebyla omezena pouze na jednoduché testovací rutiny, ale rozšířena na testování funkce simulátoru jako celku. Měření na simulátoru byly porovnány a diskutovány s klidovým spirometrickým vyšetřením 20ti probandů. Měření prokázala velkou míru podobnosti mezi simulovaný dýcháním iLung a klidovým lidským dýcháním.
|
guest ::
