Inspiration
Den Start der Körperrunde stellt der Einatmungsprozess mit dem Transport sauerstoffreicher Atemluft durch den Nasen– und Rachenbereich hin zu den Lungen dar. Die Darstellungen und numerischen Untersuchungen in diesem Bereich der Körperrunde basieren auf Arbeiten, die am KIT von M. Krause et al. durchgeführt wurden [1,2]. Die wesentlichen Größen, die den Sauerstofftransport in die Lugen beeinflussen, sind:
- Atemfrequenz
- Atemzugvolumen
- Vitalkapazität
Von diesen Größen sind zunächst Atemfrequenz und Atemzugvolumen von besonderem Interesse, da sich durch diese beiden Parameter die wesentlichen Randbedingungen für Strömungssimulationen der Atemwege bestimmen lassen.
So können beispielsweise die Strömungsverhältnisse in der Nasenhöhle und dem Rachenraum detailliert analysiert werden. Dadurch lassen sich nicht nur grundlegende Erkenntnisse über die Filtereigenschaften der Nase und das Riechen gewinnen, sondern es können auch Produktentwicklungen beschleunigt und Produkte wie beispielsweise Inhalatoren optimiert werden.
Sauerstoffaustausch in der Lunge
Ein weiteres Anwendungsgebiet welches am KIT mit Hilfe der numerischen Simulation erforscht wird und im Bezug auf die Körperrunde direkt nach dem Einströmen der sauerstoffreichen Luft durch die Nasenhöhle und den Rachenraum folgt, ist der Strömungsvorgang in der Luftröhre und dem Bronchailbaum. Untersuchungen und Analysen der Strömungsvorgänge in diesem Teil des Atmungssystems sind nicht nur aus dem Gesichtspunkt der komplexen Geometrie sondern auch durch die multiphysikalischen Vorgänge, die auf einem breiten Skalenbereich ablaufen extrem herausfordernd. Die detaillierte numerische Simulation der Strömungsvorgänge in den Atemwegen in Kombination mit dem Sauerstoffaustusch in den Alveolen würde jedoch völlig neue Möglichkeiten in Bereichen wie der Planung chirurgischer Eingriffe oder der Simulation von Umwelteinflüssen wie beispielsweise dem Schadstoffeintrag in den Körper über die Atemwege, eröffnen.
Literatur
[1] T. Gengenbach, M.J. Krause, V. Heuveline. Numerical Simulation of the Human Lung: A Two-scale Approach, accepted for Biomedical Engineering, De Gruyter, preprint in EMCL Preprint Series, 2011-11, 2010, http://journals.ub.uni-heidelberg.de/index.php/emcl-pp/article/view/11687/5543 
[2] M.J. Krause. Fluid Flow Simulation and Optimisation with Lattice Boltzmann Methods on High Performance Computers: Application to the Human Respiratory System, Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/1000019768
