Micromechanical model of the lung parenchyma for multi-scale simulations
Loading...
Date
2017
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
El pulmón es el principal órgano del sistema respiratorio y es el responsable de llevar a cabo la respiración a través del intercambio gaseoso a nivel alveolar. Ahora bien, el tejido pulmonar puede ser dañado por diversos factores tales como atelectasia, enfisema, edema, etc. En dichos casos la ventilación artificial suele ser usada para asistir la respiración, sin embargo, respuestas heterogéneas del tejido pueden ser obtenidas incluyendo rigidización, concentración de deformaciones o colapso de los sacos alveolares, dificultando los procedimientos para sanar el pulmón. Esto ha motivado una creciente colaboración entre medicina e ingeniería, llevando al desarrollo de diversas investigaciones para simular el comportamiento mecánico del pulmón. Los primeros trabajos se centraron en su respuesta macromecánica, los que luego llevaron a estudios acerca de su comportamiento microestructural dado por las paredes alveolares. En rigor, enfoques multi-escala que consideren simultáneamente el comportamiento macro y micromecánico deberían ser desarrollados, sin embargo, una serie de limitaciones matemáticas y computacionales han dificultado esta labor. Ante esto, este trabajo propone un modelo micromecánico del tejido pulmonar, basado en la estructura del tetrakaidecaedro debido a su idoneidad para representar la geometría alveolar, y que es apto para ser implementado en simulaciones multiescala. Este modelo es capaz de incluir incompresibilidad, hiperelasticidad y, como se demostró para simulaciones numéricas, es capaz de predecir, mediante un enfoque de homogenización y con alta precisión, la respuesta mecánica total de volúmenes elementales representativos del pulmón con un bajo costo computacional. Este modelo puede ser extendido para futuros trabajos con el propósito de incluir mayores niveles de detalle, estableciendo un importante punto de partida para el desarrollo de modelos más complejos tanto del parénquima pulmonar como de materiales porosos en general.
Description
Tesis (Master of Science in Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2017