초록 ▼

인체기관지내의 확산에 의한 침전속도를 예측하기 위해서는 전체적인 기관지에 대해 입자의 분포특성과 함께 국부적인 침전속도를 알아야하는데, 최종적인확산속도 자체는 어느 정도 알려져 있으나, 기관지의 구조와 유동특성으로 인하여 기관지전체에 걸친 입자의 확산분포현상과 이에 따른 입자평균분포는 아직 전혀 예측되지 못하고 있는 분야이므로, 본 연구에서는 기관지구조내의 입자확산/분포특성을 파악하는 것을 목표로하였다. 정확한 유동장을 위하여 이중분지모델을 기관지모델로 정하고, 이 기관지모델에대해 유동장을 정확히 구한 후에, 입자의 분산특

인체기관지내의 확산에 의한 침전속도를 예측하기 위해서는 전체적인 기관지에 대해 입자의 분포특성과 함께 국부적인 침전속도를 알아야하는데, 최종적인확산속도 자체는 어느 정도 알려져 있으나, 기관지의 구조와 유동특성으로 인하여 기관지전체에 걸친 입자의 확산분포현상과 이에 따른 입자평균분포는 아직 전혀 예측되지 못하고 있는 분야이므로, 본 연구에서는 기관지구조내의 입자확산/분포특성을 파악하는 것을 목표로하였다. 정확한 유동장을 위하여 이중분지모델을 기관지모델로 정하고, 이 기관지모델에대해 유동장을 정확히 구한 후에, 입자의 분산특성을 가장 잘 나타낼 수 있도록 입자의 펄스를 부가하고 이 입자펄스의 거동을 수치적으로 해석하여 입자펄스의 분산특성으로부터 일종의 입자분산계수를 기관지의 기하학적특성과 유동속도등의 함수로 얻었다.인체기관지내의 입자확산분산특성을 요약하면 다음과 같다: 1) 입자펄스의 폭은 기관지직선부에서는 단조증가하나 분지부에서는 감소한다; 2) 입자농도분포의 분산으로부터 구한 유효확산계수는 관내의 평균속도와 직경의 곱에 정비례한다; 3) 입자펄스의 확산은 기관지형상에 크게 영향을 받으며, 분지각이 클수록 입자확산은 감소하고, out-of-plane모델은in-plane 모델보다 조금 더 큰 확산계수를 예측하며, 직경이 일정한 모델은 기관지 내에서의입자확산을 예측하는데 적절하지 않다; 4) in-plane 모델의 경우에는 이중분지만으로 일반적인 입자확산을 유도할 수 있다; 5) Scherer의 모델은 입자에 대해서는 직접 적용할 수 없음을 밝혔다.또한 인체에 대한 실험을 통하여 이론적으로 구해진 분산계수의 타당성을 입증하였다.대상은 건강한 남자를 대상으로 하였으며, 호흡유량을 일정하게 유지한 가운데 흡입기간중의 일정한 시간에 고농도단분산입자의 짧은 펄스를 주입하고 토출시의 입자농도 분산폭을측정하는 실험장치를 개발하고, 여기에서 얻어진 자료로부터 확산계수를 계산하였다. 각세대의 분산도는 단순합산할 수 있다는 다중구획모델로 해석하였다. 그 결과 호흡유량을일정하게 유지하면서 입자투입시기를 조절하여 기관지내의 침투깊이를 달리하면서 측정한입자분산정도는 자료처리에 약간의 기술을 요하지만 전체적으로 이론과의 비교에서는 좋은일치를 보여주었다. 이러한 결과를 감안할 때 다중구획모델에 적용된 이론이 간단한 해석을 위한 모델로서의 기능을 할 수 있을 것으로 보인다.이렇게 얻어진 입자분산계수를 이용하면 건강한 기관지이건 협착이나 확장 또는 폐쇄가 일어난 기관지이건 임의의 기관지구조에 대해 적절한 형상과 크기만 주어지면 전체적인입자분산을 계산할 수 있게 되었으며, 이 모델을 이용하면 확산에 의한 입자의 국부적 침전속도를 매우 정확하게 예측할 수 있고, 더 나아가 기관지내의 협착이나 확장 및 폐쇄등 기관지 이상유무를 진단할 수 있는 기술의 개발도 가능하다.

Abstract ▼

In order to predict the rate of particle deposition due todiffusion in human lung airways, it is necessary to know the distribution of particleconcentration over the whole lung system and the local deposition velocity. While thedeposition velocity is quite well understood, the distributi

In order to predict the rate of particle deposition due todiffusion in human lung airways, it is necessary to know the distribution of particleconcentration over the whole lung system and the local deposition velocity. While thedeposition velocity is quite well understood, the distribution of particle concentration overthe whole lung system is little understood due to the complexity of the airway geometryand also the complicated flow characteristics. Thus this work aimed at developing anaccurate model for the particle dispersion in human lung airway.The flow equations are solved with a double bifurcation model so as to ensure acorrect flow field. Then the convective diffusion equation is solved for a pulse conditionat the inlet to get the time varying distribution of particle concentration, from whichresults the effective diffusivity is obtained as a function of the geometry parameters andflow conditions. Major findings from the analysis are: 1) the breadth of theconcentration peak increases in the straight section, but decreases near the bifuscationregion; 2) the effective diffusivity obtained from the peak broadening is almost linearlyproportional to the product of the flow velocity and the tube diameter; 3) the dispersionof particle pulse is strongly affectd by the airway geometry, increasing with thebifurcation angle, a little larger for the out-of-plane model than the in-plane model, andthe uniform diameter model is not proper for predicting particle dispersion; 4) if the lungairways were all in-plane only one double bifurcation is enough for simulating thewhole lung; 5) Scherer's model is not applicable to the dispersion of particles.The validity of the theoretical results was experimentally was verified. A sharppulse of monodisperse particles in high concentration was injected into a healthy male atdifferent instants during inhalation of constant flow rate, and the time history of particleconcentration was measured during exhalation by light scattering. In analysing theexperimenatl results it was assumed that the dispersion in each generation isindependent, so total dispersion is simply additive. The experimenatl results for theincrease of peak breadth with penetration depth were found to agree very well with thepredictions. It follows that the multi-compartment model for adding local dispersions isadequate for particle dispersion in lung airways.

목차 Contents

• 1. 서론...7
• 2. 연구방법 및 이론...9
• 3. 결과 및 고찰...18
• 4. 결론...25
• 5. 인용문헌...26
• 연구수행관련 논문발표 목록서...39
• 자체평가서...40