Stochastisches Modell zur räumlichen Visualisierung von Teilchendepositionsmustern in der Lunge und ihre Bedeutung in der Lungenmedizin

ZusammenfassungDer vorliegende Beitrag widmet sich der ausführlichen Beschreibung einer Erweiterung des auf Basis der Monte-Carlo-Methode funktionierenden Computermodells IDEAL, mit dessen Hilfe die Erzeugung von räumlichen Teilchendepositionsverteilungen in der menschlichen Lunge ermöglicht wird. Nach dem Zufallsprinzip ermittelte Teilchentrajektoren werden durch entsprechende Transformationsprozesse in ein kartesisches Koordinatensystem, in welchem die Richtung der z-Achse durch die Orientierung der Trachea vorgegeben ist, eingepasst, während für die Bestimmung der Depositionspunkte einzelner Teilchen ein in spezifische Volumenelemente (voxel) unterteiltes Maßgitter zur Anwendung gelangt. Die Berechnung der Partikelablagerung basiert dabei auf den physikalischen Mechanismen der Brownschen Diffusion, Sedimentation und Impaktion. Die Depositionsdaten werden nach ihrer Speicherung in einer Matrix einer graphischen Verarbeitung unterzogen, welche die Darstellung räumlicher Partikelverteilungsmuster (3d-Dichteplots) und der Lungenoberfläche selbst sowie die Erzeugung zweidimensionaler Verteilungen durch Schnitt der dreidimensionalen Strukturen an vordefinierten Positionen gestattet. Ergebnisse verschiedener Modellsimulationen (Variation der Teilchengröße und Atembedingungen) werden im Detail erläutert.

The present paper provides a detailed description of an extension of the Monte Carlo computer model IDEAL, which enables the generation of spatial particle deposition patterns in the human lung. Randomly determined particle trajectories are transformed to a Cartesian coordinate system within which the orientation of the trachea corresponds to the z-direction. At the same time, the determination of particle deposition sites is carried out by application of a grid composed of specific volume elements (voxel). The calculation of particle deposition are based on the physical mechanisms of Brownian diffusion, sedimentation, and inertial impaction. After their storage in a matrix, the deposition data are subject to graphical processing. This allows the presentation of spatial particle distribution patterns (3d-density plots) and of the lung surface itself, as well as the generation of two-dimensional distributions by sectioning the three-dimensional structures at pre-defined positions. The results of different model simulations (variation of particle size and breathing conditions) are discussed in detail.