Varianti alla geometria ETT_double2

Sono quindi state pensate due varianti progettuali da includere nel modello geometrico selezionato, al fine di cercare di migliorare quegli aspetti che risultavano non pienamente soddisfacenti dall’analisi dei risultati delle simulazioni fin qui svolte. In particolare si è cercato di agire nell’ottica di ridurre le elevate sollecitazioni di taglio presenti sulle pareti della biforcazione tracheale durante il ciclo respiratorio e, al tempo stesso, di migliorare la ripartizione della portata all’interno dei due bronchi principali.

Poiché la una velocità elevata del PFC all’interno dei volumi del modello è la causa sia degli elevati sforzi di taglio sulle pareti sia dello sbilanciamento della ripartizione della portata a

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153 favore di uno dei due bronchi, sono state pensate due differenti soluzioni progettuali in modo da cercare di ridurre il valore delle velocità all’uscita dell’ETT.

Si riportano di seguito i risultati delle simulazioni effettuate sulle geometria di ETT a doppio lume derivate dal modello ETT_double2. In particolare i risultati riguardano la geometria con l’aggiunta della punta a becco di flauto (ETT_double2_48 e osservabile a sinistra in figura 5.47) e quella denominata ETT_double_ago (figura 5.47 a destra) con il catetere per la misurazione della pressione sulla punta (descritto nel paragrafo 4.9.3).

Figura 5.47: geometria ETT_double2_48 (a sinistra) e ETT_double_ago (a destra)

A causa del campo di velocità di minor entità presente nella zona tracheobronchiale della geometria con trasduttore di pressione, la portata immessa all’interno del tubo endotracheale si ripartisce in maniera migliore rispetto al caso di confronto (ETT_double2). Durante l’inspirazione, infatti, il 59% della portata imposta in ingresso scorre verso il ramo destro, mentre il 41% circa fluisce in quello sinistro. Questi valori si avvicinano molto di più alle condizioni di ripartizione desiderate rispetto agli altri tubi endotracheali bilume testati. La presenza del becco di flauto alla fine dell’ETT, invece, non ha generato variazioni significative di questo parametro (come già osservato anche per i tubi endotracheali a lume singolo, par 5.4). Tali risultati sono riassunti nel grafico in figura 5.48.

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Figura 5.48: ripartizione percentuale della portata nei due bronchi durante l’inspirazione per le tre geometria considerate

Lo stato pressorio presente all’interno del modello non sembra risentire in modo significativo della diversa geometria della punta dell’ETT. In figura 5.49 e 5.50 sono presentate le curve di pressione registrate all’interno del tubo endotracheale (piano 02) rispettivamente per il tratto inspiratorio e quello espiratorio.

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Figura 5.50: andamento della pressione statica sul piano 02 per le tre geometrie analizzate durante l’espirazione

Gli andamenti della pressione statica all’interno dei tre tubi endotracheali analizzati sono molto simili in inspirazione e ancora di più durante l’espirazione. Lo stesso risultato è osservabile nelle mappe colorimetriche in figura 5.51 e 5.52 relative alle pressioni presenti durante il picco inspiratorio nella zona superiore e alla zona dei bronchi, rispettivamente.

Figura 5.51: mappe colorimetriche della pressione statica presente nei tubi endotracheali durante il picco inspiratorio a) ETT_double2 b) ETT_double2_48 c) ETT_double2_ago

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Figura 5.52: mappe colorimetriche della pressione statica presente nei volumi anatomici durante il picco inspiratorio a) ETT_double2 b) ETT_double2_48 c) ETT_double2_ago

Gli sforzi di taglio registrati sulle pareti della carena sembrano diminuire con l’introduzione di entrambe le soluzioni progettuali. L’andamento temporale dei wall shear stress medi sulla parete della zona della carena è mostrato in figura 5.53.

Figura 5.53: sforzi di taglio medi sulla superficie della carena

Si può osservare che, soprattutto durante l’inspirazione, la carena risulta meno sollecitata utilizzando un tubo endotracheale bilume con la parete di suddivisione dei due lumi arretrata rispetto alla sezione di uscita (ETT_double2_ago). La presenza del becco di flauto nella geometria dell’ETT, invece, riduce le sollecitazioni in questa zona in maniera minore rispetto all’altra soluzione progettuale.

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157 La distribuzione spaziale degli sforzi di taglio sulle pareti delle geometrie nell’istante di picco inspiratorio è mostrata nelle mappe colorimetriche in figura 5.54.

Figura 5.54: mappa colorimetrica degli sforzi di taglio durante il picco inspiratorio; a) ETT_double2 b) ETT_double2_48 c) ETT_double2_ago

Anche il valore massimo di sforzi di taglio riscontrati in corrispondenza del punto maggiormente sollecitato diminuisce notevolmente con l’utilizzo di queste soluzioni progettuali (figura 5.55).

Figura 5.55: sforzi massimi registrati nella zona della carena durante l’inspirazione per le tre geometrie

Questi risultati derivano principalmente dal fatto che le velocità medie presenti all’interno dei volumi risultano essere minori a causa delle innovazioni progettuali inserite nel modello.

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In figura 5.56 si può osservare l’andamento temporale della velocità media a livello della trachea (piano 09 in figura 5.5).

Figura 5.56: velocità media nella zona della trachea

Il design del tubo endotracheale denominato ETT_double2_ago ha, infatti, permesso di ottenere un flusso maggiormente sviluppato all’interno dei volumi prossimi alla biforcazione poiché l’aumento di sezione tra il lume inspiratorio dell’ETT e la trachea, in questo modo, avviene più gradualmente, rispetto agli altri modelli progettati.

Il volumetto cilindrico sulla base inferiore della parete di separazione dei due lumi dell’ETT (nella geometria ETT_double2_ago) era stato inserito con il fine di simulare la presenza di un trasduttore posto in sito e utilizzato per la misura della pressione all’interno delle vie aeree. Con le simulazioni fluidodinamiche si è voluto controllare che tale trasduttore fosse posto nella posizione più idonea per una corretta lettura dei dati sperimentali. In particolare, è stato verificato che in prossimità del trasduttore non fossero presenti evidenti fenomeni di vorticosità che potessero compromettere la corretta lettura dei valori di pressione.

In figura 5.57 sono riportate le pathlines di velocità presenti in questa geometria durante la fase di inspirazione.

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Figura 5.57: pathlines di velocità nella geometria ETT_double2_ago durante l’inspirazione

Il cerchio rosso in figura pone in evidenza la zona di maggior interesse, ovvero quella in cui è presente il trasduttore di pressione. Questa zona di sbocco del PFC dal lume inspiratorio in una zona a sezione maggiore, è caratterizzata da una forte diminuzione della velocità causata dal brusco allargamento della sezione in cui scorre il fluido.

In figura 5.57 si può osservare la quasi totale assenza di ricircoli o vorticosità nella zona interessata. L’unico ricircolo presente di colore blu è caratterizzato da una bassa velocità, quasi prossima allo zero.

Questi risultati porterebbero a pensare che, in ottica di un futuro utilizzo per applicazioni di ventilazione liquida totale, il trasduttore così posizionato possa leggere una pressione statica che non sia particolarmente perturbata dal flusso di PFC.