Airflow analysis in the respiratory system with bronchial stenosis using Computational Fluid Dynamics

Abstract

Introducción: Las enfermedades respiratorias representan una causa importante de morbilidad y mortalidad a nivel mundial. Condiciones como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), el asma y complicaciones derivadas de infecciones, incluyendo estenosis bronquial, requieren herramientas avanzadas para su análisis. La estenosis bronquial implica una reducción en el diámetro de las vías aéreas, alterando la dinámica del flujo respiratorio. La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés) se presenta como una técnica útil para estudiar estos efectos y comprender mejor la biomecánica respiratoria.

Objetivo: Analizar, mediante simulaciones CFD, el comportamiento del flujo de aire en el sistema respiratorio bajo condiciones normales y en presencia de diferentes grados de estenosis bronquial, durante las fases de inspiración y espiración.

Metodología: Se realizó un análisis CFD utilizando el software ANSYS en su versión estudiantil. Se creó un modelo tridimensional del sistema respiratorio (pulmones, bronquios y bronquiolos) a partir de tomografías computarizadas del repositorio abierto COVID CT Scans, segmentadas con el software 3D Slicer. Se diseñaron cuatro configuraciones: sin estenosis (diámetro bronquial de 16 mm), con estenosis del 75% (12 mm), con estenosis del 50% (8 mm) y un modelo con estenosis múltiples (75% y 50% en diferentes zonas). Se aplicaron condiciones de entrada con velocidades constantes (0.5 m/s para inspiración y 0.3 m/s para espiración) y presiones fijas en la salida. El aire se modeló como fluido incompresible con densidad constante. La malla utilizada fue de elementos tetraédricos de 10 nodos con refinamiento en bifurcaciones bronquiales.

Resultados: Las simulaciones mostraron que en condiciones normales el flujo presentaba velocidades máximas menores a 0.7 m/s y régimen laminar (Re < 800). En la estenosis del 75%, se observaron incrementos moderados en la velocidad, manteniendo flujo laminar. A partir de la estenosis del 50%, se registraron aumentos significativos: durante la espiración, la velocidad máxima alcanzó 22.7 m/s y el número de Reynolds superó 12,000, indicando flujo turbulento. El escenario más crítico se presentó en el caso de estenosis múltiples, con velocidades extremadamente altas (hasta 1.56 × 10⁶ m/s) y número de Reynolds superior a 8.7 × 10⁸, reflejando un régimen altamente inestable y no fisiológico.

Conclusiones: El análisis CFD demostró ser una herramienta eficaz para evaluar el impacto biomecánico de la estenosis bronquial. Los resultados evidenciaron que incluso reducciones moderadas en el diámetro bronquial pueden alterar significativamente la dinámica del flujo, particularmente durante la espiración. A medida que aumenta la obstrucción, se produce una transición de flujo laminar a turbulento, generando mayores resistencias y pérdidas energéticas. Estos hallazgos destacan la importancia de considerar la geometría bronquial en la evaluación clínica y sugieren que el uso de CFD puede complementar el diagnóstico y apoyar en la planeación de estrategias terapéuticas para enfermedades respiratorias obstructivas.