Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/9140
Title: Evaluation of an active lung simulator for aerosol respiration measurements
Authors: Forjan, Mathias
Advisor: Drauschke, Andreas
Pereira, Luis José Calçada Torres
Issue Date: 28-Nov-2018
Abstract: Aerosols are ubiquitous, in daily life, at the working place and in medical therapy. Information about the faith of inhaled airborne particles is still scarce and is mainly based on assumptions. Breathing simulation providing the opportunity to measure actually deposited particles is available only under simplifications and limitations. This thesis focuses on the evaluation of the actively breathing electromechanical lung simulator xPULM for respiratory research. This includes simulation of various breathing modes and using different lung equivalents. These lung equivalents represent two extreme positions in the range of complexity. On the one hand two latex bags are used, which have no internal structure but defined parameters like volume and elasticity. On the other hand a primed porcine lung is introduced, representing the anatomical structures more realistic and time dependent characteristics, comparable to actual tissue. The porcine lung has been salvaged from the meat production process and is therefore seen as alternative to animal testing. The simulator is moreover assessed concerning the integration of a direct reading aerosol measurement system for continuous analysis of number concentration and particle size distribution of in-/ and exhaled particles. Four aerosols based on a liquid source material and two aerosols using solid particles are used for the evaluation of the entire measurement setup. The measurement protocols include four breathing frequencies and five tidal volumes, covering the range of physiological breathing. The aerosols include laboratory generators as well as commercially available sprays. In order to ensure correct measurement, an aerosol dilution system had to be developed, tested and integrated into the measurement setup. Results show that the measurement setup is providing reproducible breathing modes for both included lung equivalents. Aerosol characterisation based on number concentration and particle size distribution is possible for the chosen breathing mode. The aerosol dilution system, produced as a 3D printed polymer based prototype, has proven functionality but showed limitation during long term use. The overall results show the capabilities and reproducibility of the xPULM and the measurement system. Further developments of this setup aim for applications in working place safety, education and assessment of medical aerosols.
Os aerossóis estão onipresentes, na vida diária, no local de trabalho e na terapia médica. A informação sobre a confiança nas partículas transportadas pelo ar e inaladas ainda é escassa e é baseada principalmente em suposições. Uma simulação da respiração que proporcione a oportunidade de medir as partículas realmente depositadas está disponível apenas com simplificações e limitações. Esta tese foca-se na avaliação do simulador pulmonar eletromecânico da respiração ativa xPULM para pesquisa respiratória. Este inclui a simulação de vários modos de respiração e a utilização de vários equivalentes pulmonares. Estes equivalentes pulmonares representam duas posições extremas na faixa de complexidade. Por um lado, são usados dois sacos de látex, sem estrutura interna, mas com parâmetros de volume e elasticidade definidos. Por outro lado, é introduzido um pulmão extraído do porco, representando estruturas anatômicas e características dependentes do tempo comparáveis ao tecido real. O pulmão porcino foi resgatado do processo de produção de carne e é, portanto, encarado como alternativa a teste em animais. Além disso, o simulador é avaliado relativamente à integração dum sistema de medição direta de aerossóis, para análise contínua da concentração e distribuição do tamanho das partículas inaladas e expiradas. Quatro aerossóis baseados em material de origem líquida e dois aerossóis usando partículas sólidas foram usados na avaliação do sistema de medição. Os protocolos de medição incluem quatro frequências respiratórias e cinco volumes correntes, abrangendo a gama da respiração fisiológica. Os aerossóis foram gerados em laboratório e também através de sprays disponíveis comercialmente. Para garantir uma medição correta, um sistema de diluição de aerossóis teve de ser desenvolvido, testado e integrado no sistema de medida. Os resultados mostram que a configuração de medição fornece modos de respiração reproduzíveis em ambos os equivalentes pulmonares indicados. A caracterização de aerossóis com base no número, concentração e distribuição do tamanho das partículas é possível para o modo respiratório escolhido. Para o sistema de diluição de aerossóis, foi desenvolvido um protótipo em polímero impresso em 3D, com funcionalidade comprovada, mas que mostrou limitações durante a uso a longo prazo. No global os resultados mostram as capacidades e a reprodutibilidade do xPULM e do sistema de medição. Desenvolvimentos posteriores desta configuração visam aplicações na segurança no local de trabalho, educação e avaliação de aerossóis médicos
Description: Tese de Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
URI: http://hdl.handle.net/10348/9140
Document Type: Doctoral Thesis
Appears in Collections:DENG - Teses de Doutoramento
TD - Teses de Doutoramento

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