Search

Inhaled fibers can potentially cause inflammation of the lung tissue and interstitium, which after long-term exposure may lead to lung cancer, malignant mesothelioma, or pulmonary and pleural fibrosis. To reduce the risk and set the appropriate occupational hygiene regulations, it is important to be able to precisely calculate the fate of inhaled fibers depending on their physical characteristics and inhalation conditions. In the absence of experimental data on the real behavior - trajectories, orientation and flipping - of inhaled fibers, a new test rig was assembled for visualization and recording of flowing fibers in a replica of the human trachea and the first bronchial bifurcation. Fibers prepared from commercially produced glass fibers have been processed, dispersed, and introduced into the airway replica. Visualization was performed using a powerful LED light and a high-speed camera. The flow of fibers was evaluated upstream and downstream of the realistic asymmetrical bifurcation and dependence on flow conditions was sought. The fractions of parallelly and perpendicularly flowing fibers were statistically evaluated in three locations. The frequency of flipping was also analyzed. The results show that the parallel orientation of the fibers is less dominant than expected. The fiber orientation tables for various conditions can be used to adjust and improve computational simulations of inhaled fibers in the human airways.

Medical aerosols are key elements of current chronic obstructive pulmonary disease (COPD) therapy. Therapeutic effects are conditioned by the delivery of the right amount of medication to the right place within the airways, that is, to the drug receptors. Deposition of the inhaled drugs is sensitive to the breathing pattern of the patients which is also connected with the patient's disease severity. The objective of this work was to measure the realistic inhalation profiles of mild, moderate, and severe COPD patients, simulate the deposition patterns of Symbicort((R)) Turbuhaler((R)) dry powder drug and compare them to similar patterns of healthy control subjects. For this purpose, a stochastic airway deposition model has been applied. Our results revealed that the amount of drug depositing within the lungs correlated with the degree of disease severity. While drug deposition fraction in the lungs of mild COPD patients compared with that of healthy subjects (28% versus 31%), lung deposition fraction characteristic of severe COPD patients was lower by a factor of almost two (about 17%). Deposition fraction of moderate COPD patients was in-between (23%). This implies that for the same inhaler dosage severe COPD patients receive a significantly lower lung dose, although, they would need more.

Tracking of fibres in a fluid flow is much more complicated than tracking of spherical particles. In fibre motion, the orientation of fibre against the flow direction plays a very important role. In addition to the standard equation of motion, additional equations for orientation and angular velocity must be solved during the tracking of fibres. A mathematical model describing fibre motion is introduced in this work. Capabilities of this model are demonstrated through simulations of fibre transportation by air in a channel flow. The importance of the terms in the equation of angular velocity are discussed.

In spite of the growing efforts oriented towards revealing different aspects of emphysema, the persistence of the emphysematous or emphysema-like changes (ELCs) is not explored yet in the open literature. In this study we demonstrate the persistence of an ELC for 22 years in a spontaneous pneumothorax (SP) patient which indicates a hitherto unknown gas supply to the ELC. For this purpose we used high resolution computed tomography (HRCT) images processed into three-dimensional (3D) geometry. By the same token, not only a long persistence but also the volume increase of this ELC between 2002 and 2010 was demonstrated. The 3D geometry visualized an aerated interstitial structure between the sites of supposed gas leakage at the wall of the third generation airways and the ELC. This potential gas conducting interstitial pathway is not a continuation and has neither the form nor the structure of a bronchus. The finding suggests that in this patient the intrabronchial gas passes through the bronchial wall and via a gas conducting interstitial pathway reaches the ELC. Despite the availability of the presently employed techniques for at least 15 years, such case and phenomenon have not been described previously. The retrieval of the patient suggests that the findings could be relevant for a considerable proportion of the population.

Dlouhodobé vdechování částic může přispívat ke vzniku nebo zhoršení nejrůznějších plicních onemocnění. Na druhou stranu, vdechování léčiv je často používanou metodou podávání léků proti astmatu a jiným nemocem dýchacího ústrojí. V obou případech je důležité dobře porozumět mechanismům, na jejichž základě funguje pohyb částic a jejich usazování v dýchacích cestách. Cílem této disertační práce bylo získat nová experimentální data depozice částic a analyzovat vliv tvaru částic a průtoku vzduchu na depozici. Byla studována depozice porézních a vláknitých částic v realistickém modelu dýchacích cest. Porézní částice byly vyrobeny různými metodami, např. sprejovým sušením nebo metodou krystalizace. Takto vyrobené částice byly použity při depozičních experimentech. Detekce částic byla provedena pomocí UV/VIS spektrofotometrie. Vláknitý aerosol byl vytvořen rozdrcením skelné vaty. Takto vzniklé vláknité částice byly několikrát prosety přes řadu sít a dále roztříděny podle délky pomocí klasifikátoru pracujícím na principu dielektroforézy. Následná depozice byla vyhodnocena použitím mikroskopie s fázovým kontrastem. Ke zrychlení analýzy byl vyvinut program, který dokáže na základě analýzy obrazu najít a spočítat vlákna. Výsledky experimentu byly použity k určení depozičních charakteristik. S jejich pomocí pak byl kvantifikován vliv tvaru částic a průtoku na míru usazování. Depoziční účinnost částic rostla v závislosti na Stokesově čísle, což poukazuje na vliv setrvačnosti při usazování částic. Bylo prokázáno, že depoziční účinnost porézních částic je podobná té u částic kulových při stejném Stokesově čísle. Vláknité částice se usazovali méně efektivně v porovnání s kulovými částicemi majícími stejné Stokesovo číslo. Jelikož byly okrajové podmínky dostatečně popsány a model plic je k dispozici i v digitální podobě, je možné data použít k validaci výsledků numerických simulací., Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.

Dlouhodobé vdechování částic může přispívat ke vzniku nebo zhoršení nejrůznějších plicních onemocnění. Na druhou stranu, vdechování léčiv je často používanou metodou podávání léků proti astmatu a jiným nemocem dýchacího ústrojí. V obou případech je důležité dobře porozumět mechanismům, na jejichž základě funguje pohyb částic a jejich usazování v dýchacích cestách. Cílem této disertační práce bylo získat nová experimentální data depozice částic a analyzovat vliv tvaru částic a průtoku vzduchu na depozici. Byla studována depozice porézních a vláknitých částic v realistickém modelu dýchacích cest. Porézní částice byly vyrobeny různými metodami, např. sprejovým sušením nebo metodou krystalizace. Takto vyrobené částice byly použity při depozičních experimentech. Detekce částic byla provedena pomocí UV/VIS spektrofotometrie. Vláknitý aerosol byl vytvořen rozdrcením skelné vaty. Takto vzniklé vláknité částice byly několikrát prosety přes řadu sít a dále roztříděny podle délky pomocí klasifikátoru pracujícím na principu dielektroforézy. Následná depozice byla vyhodnocena použitím mikroskopie s fázovým kontrastem. Ke zrychlení analýzy byl vyvinut program, který dokáže na základě analýzy obrazu najít a spočítat vlákna. Výsledky experimentu byly použity k určení depozičních charakteristik. S jejich pomocí pak byl kvantifikován vliv tvaru částic a průtoku na míru usazování. Depoziční účinnost částic rostla v závislosti na Stokesově čísle, což poukazuje na vliv setrvačnosti při usazování částic. Bylo prokázáno, že depoziční účinnost porézních částic je podobná té u částic kulových při stejném Stokesově čísle. Vláknité částice se usazovali méně efektivně v porovnání s kulovými částicemi majícími stejné Stokesovo číslo. Jelikož byly okrajové podmínky dostatečně popsány a model plic je k dispozici i v digitální podobě, je možné data použít k validaci výsledků numerických simulací., Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.

Dlouhodobé vdechování částic může přispívat ke vzniku nebo zhoršení nejrůznějších plicních onemocnění. Na druhou stranu, vdechování léčiv je často používanou metodou podávání léků proti astmatu a jiným nemocem dýchacího ústrojí. V obou případech je důležité dobře porozumět mechanismům, na jejichž základě funguje pohyb částic a jejich usazování v dýchacích cestách. Cílem této disertační práce bylo získat nová experimentální data depozice částic a analyzovat vliv tvaru částic a průtoku vzduchu na depozici. Byla studována depozice porézních a vláknitých částic v realistickém modelu dýchacích cest. Porézní částice byly vyrobeny různými metodami, např. sprejovým sušením nebo metodou krystalizace. Takto vyrobené částice byly použity při depozičních experimentech. Detekce částic byla provedena pomocí UV/VIS spektrofotometrie. Vláknitý aerosol byl vytvořen rozdrcením skelné vaty. Takto vzniklé vláknité částice byly několikrát prosety přes řadu sít a dále roztříděny podle délky pomocí klasifikátoru pracujícím na principu dielektroforézy. Následná depozice byla vyhodnocena použitím mikroskopie s fázovým kontrastem. Ke zrychlení analýzy byl vyvinut program, který dokáže na základě analýzy obrazu najít a spočítat vlákna. Výsledky experimentu byly použity k určení depozičních charakteristik. S jejich pomocí pak byl kvantifikován vliv tvaru částic a průtoku na míru usazování. Depoziční účinnost částic rostla v závislosti na Stokesově čísle, což poukazuje na vliv setrvačnosti při usazování částic. Bylo prokázáno, že depoziční účinnost porézních částic je podobná té u částic kulových při stejném Stokesově čísle. Vláknité částice se usazovali méně efektivně v porovnání s kulovými částicemi majícími stejné Stokesovo číslo. Jelikož byly okrajové podmínky dostatečně popsány a model plic je k dispozici i v digitální podobě, je možné data použít k validaci výsledků numerických simulací., Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.

Dlouhodobé vdechování částic může přispívat ke vzniku nebo zhoršení nejrůznějších plicních onemocnění. Na druhou stranu, vdechování léčiv je často používanou metodou podávání léků proti astmatu a jiným nemocem dýchacího ústrojí. V obou případech je důležité dobře porozumět mechanismům, na jejichž základě funguje pohyb částic a jejich usazování v dýchacích cestách. Cílem této disertační práce bylo získat nová experimentální data depozice částic a analyzovat vliv tvaru částic a průtoku vzduchu na depozici. Byla studována depozice porézních a vláknitých částic v realistickém modelu dýchacích cest. Porézní částice byly vyrobeny různými metodami, např. sprejovým sušením nebo metodou krystalizace. Takto vyrobené částice byly použity při depozičních experimentech. Detekce částic byla provedena pomocí UV/VIS spektrofotometrie. Vláknitý aerosol byl vytvořen rozdrcením skelné vaty. Takto vzniklé vláknité částice byly několikrát prosety přes řadu sít a dále roztříděny podle délky pomocí klasifikátoru pracujícím na principu dielektroforézy. Následná depozice byla vyhodnocena použitím mikroskopie s fázovým kontrastem. Ke zrychlení analýzy byl vyvinut program, který dokáže na základě analýzy obrazu najít a spočítat vlákna. Výsledky experimentu byly použity k určení depozičních charakteristik. S jejich pomocí pak byl kvantifikován vliv tvaru částic a průtoku na míru usazování. Depoziční účinnost částic rostla v závislosti na Stokesově čísle, což poukazuje na vliv setrvačnosti při usazování částic. Bylo prokázáno, že depoziční účinnost porézních částic je podobná té u částic kulových při stejném Stokesově čísle. Vláknité částice se usazovali méně efektivně v porovnání s kulovými částicemi majícími stejné Stokesovo číslo. Jelikož byly okrajové podmínky dostatečně popsány a model plic je k dispozici i v digitální podobě, je možné data použít k validaci výsledků numerických simulací., Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.

Dlouhodobé vdechování částic může přispívat ke vzniku nebo zhoršení nejrůznějších plicních onemocnění. Na druhou stranu, vdechování léčiv je často používanou metodou podávání léků proti astmatu a jiným nemocem dýchacího ústrojí. V obou případech je důležité dobře porozumět mechanismům, na jejichž základě funguje pohyb částic a jejich usazování v dýchacích cestách. Cílem této disertační práce bylo získat nová experimentální data depozice částic a analyzovat vliv tvaru částic a průtoku vzduchu na depozici. Byla studována depozice porézních a vláknitých částic v realistickém modelu dýchacích cest. Porézní částice byly vyrobeny různými metodami, např. sprejovým sušením nebo metodou krystalizace. Takto vyrobené částice byly použity při depozičních experimentech. Detekce částic byla provedena pomocí UV/VIS spektrofotometrie. Vláknitý aerosol byl vytvořen rozdrcením skelné vaty. Takto vzniklé vláknité částice byly několikrát prosety přes řadu sít a dále roztříděny podle délky pomocí klasifikátoru pracujícím na principu dielektroforézy. Následná depozice byla vyhodnocena použitím mikroskopie s fázovým kontrastem. Ke zrychlení analýzy byl vyvinut program, který dokáže na základě analýzy obrazu najít a spočítat vlákna. Výsledky experimentu byly použity k určení depozičních charakteristik. S jejich pomocí pak byl kvantifikován vliv tvaru částic a průtoku na míru usazování. Depoziční účinnost částic rostla v závislosti na Stokesově čísle, což poukazuje na vliv setrvačnosti při usazování částic. Bylo prokázáno, že depoziční účinnost porézních částic je podobná té u částic kulových při stejném Stokesově čísle. Vláknité částice se usazovali méně efektivně v porovnání s kulovými částicemi majícími stejné Stokesovo číslo. Jelikož byly okrajové podmínky dostatečně popsány a model plic je k dispozici i v digitální podobě, je možné data použít k validaci výsledků numerických simulací., Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.

Dlouhodobé vdechování částic může přispívat ke vzniku nebo zhoršení nejrůznějších plicních onemocnění. Na druhou stranu, vdechování léčiv je často používanou metodou podávání léků proti astmatu a jiným nemocem dýchacího ústrojí. V obou případech je důležité dobře porozumět mechanismům, na jejichž základě funguje pohyb částic a jejich usazování v dýchacích cestách. Cílem této disertační práce bylo získat nová experimentální data depozice částic a analyzovat vliv tvaru částic a průtoku vzduchu na depozici. Byla studována depozice porézních a vláknitých částic v realistickém modelu dýchacích cest. Porézní částice byly vyrobeny různými metodami, např. sprejovým sušením nebo metodou krystalizace. Takto vyrobené částice byly použity při depozičních experimentech. Detekce částic byla provedena pomocí UV/VIS spektrofotometrie. Vláknitý aerosol byl vytvořen rozdrcením skelné vaty. Takto vzniklé vláknité částice byly několikrát prosety přes řadu sít a dále roztříděny podle délky pomocí klasifikátoru pracujícím na principu dielektroforézy. Následná depozice byla vyhodnocena použitím mikroskopie s fázovým kontrastem. Ke zrychlení analýzy byl vyvinut program, který dokáže na základě analýzy obrazu najít a spočítat vlákna. Výsledky experimentu byly použity k určení depozičních charakteristik. S jejich pomocí pak byl kvantifikován vliv tvaru částic a průtoku na míru usazování. Depoziční účinnost částic rostla v závislosti na Stokesově čísle, což poukazuje na vliv setrvačnosti při usazování částic. Bylo prokázáno, že depoziční účinnost porézních částic je podobná té u částic kulových při stejném Stokesově čísle. Vláknité částice se usazovali méně efektivně v porovnání s kulovými částicemi majícími stejné Stokesovo číslo. Jelikož byly okrajové podmínky dostatečně popsány a model plic je k dispozici i v digitální podobě, je možné data použít k validaci výsledků numerických simulací., Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.