A computational study on the translocation of inhaled ultrafine particles to the brain
| datacite.contributor.Supervisor | Πανδής, Σπυρίδων | |
| datacite.contributor.Supervisor | Τσαμόπουλος, Ιωάννης | |
| dc.contributor.author | Παπανικολάου, Κωνσταντίνος | |
| dc.contributor.other | Papanikolaou, Konstantinos | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-14T05:55:57Z | |
| dc.date.available | 2026-07-14T05:55:57Z | |
| dc.date.issued | 2026-07-07 | |
| dc.degree | masterThesis | |
| dc.description.abstract | Inhaled ultrafine particles pose a great threat to human health. Their deposition to the nasal cavity and specifically the olfactory region, eventually causes their translocation to the brain, where, due to their high oxidative potential, they cause significant damage. The quantification of their deposi-tion efficiency and daily doses is crucial in evaluating human exposure levels. A computational in-vestigation is performed, in which the deposition fractions of particles are quantified in a patient-specific geometry during resting conditions. A parametric study also explores how the deposition efficiency changes for different breathing parameters. Computational findings are combined with atmospheric data to determine the daily doses in the total nasal cavity and the olfactory region in different environments. The results suggest that the olfactory deposition efficiency of ultrafine par-ticles is close to 1% for the smaller particles and drops dramatically with increasing size. The dep-osition efficiency of ultrafine particles decreases with increasing volumetric flow rate, suggesting that mass convection is enhanced and mass diffusion becomes less significant. The quantification of the daily doses suggests that olfactory uptake can be a significant particle translocation pathway to the brain and that particles of smaller size have a higher tendency to deposit to the cavity and the olfactory region. The findings also point out “maximum zones” during the day for the local environ-ments studied, when peaks in the daily doses are observed. In the introductory chapter (Chapter 1) the causes of air pollution are discussed and the primary air pollutants are presented. Ultrafine particles are explored in greater depth, as their physico-chemical characteristics are analyzed, as well as their impact on human health. Great focus is given on the influence of inhaled ultrafine particles on the brain. Finally, the possible translocation path-ways are presented and the olfactory route is suggested to be the dominant one. In the methodology chapter (Chapter 2), after a brief review of the previous studies on the ol-factory deposition of particles, the main deposition mechanisms are analyzed, and the dominant mechanism in the ultrafine regime is selected. The different physiological breathing parameters used are analyzed. Afterwards, the procedure through which the anatomic geometry was recon-structed is presented. Following that, the physical model is analyzed along with the mathematical expressions used for different calculations. The experimental procedure for the air quality data ac-quisition is finally presented. In the results chapter (Chapter 3) the results of a steady-state simulation aiming to evaluate the model used are presented. After that, the results of transient simulations are given, analyzing the air flow profiles and the deposition fractions of particles of varying size in the ultrafine regime. A parametric analysis is also conducted to investigate the influence of the physiological breathing parameters on the deposition fractions of different particles. The daily doses of particles in different environments are also quantifying, revealing important insight concerning exposure levels and pub-lic health. Lastly, local daily doses are calculated in two major cities, by combining computational results with air quality data obtained experimentally. In the conclusions chapter (Chapter 4) the results are further discussed and important conclu-sions are made. In the appendix, the numerical method used to solve the physical model is further described, and the geometry reconstruction steps are presented analytically. | |
| dc.description.translatedabstract | Τα εισπνεόμενα νανοσωματίδια αποτελούν σοβαρή απειλή για την ανθρώπινη υγεία. Η εναπόθεσή τους στη ρινική κοιλότητα και συγκεκριμένα στην οσφρητική περιοχή οδηγεί στη μεταφορά τους στον εγκέφαλο, όπου, λόγω του υψηλού οξειδωτικού δυναμικού τους, προκαλούν σοβαρές βλάβες. Η ποσοτικοποίηση της απόδοσης εναπόθεσής τους και των ημερήσιων δόσεων είναι καθοριστικής σημασίας για την ακριβή εκτίμηση των επιπέδων έκθεσης. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται μια υπολογιστική μελέτη, στην οποία ποσοτικοποιούνται τα ποσοστά εναπόθεσης των νανοσωματιδίων σε ανατομική γεωμετρία ασθενή, υπό συνθήκες ηρεμίας. Μια παραμετρική μελέτη διερευνά επίσης πώς μεταβάλλεται η απόδοση εναπόθεσης για διαφορετικές παραμέτρους αναπνοής. Τα υπολογιστικά ευρήματα συνδυάζονται επίσης με ατμοσφαιρικά δεδομένα για τον προσδιορισμό των ημερήσιων δόσεων στη ρινική κοιλότητα και στην οσφρητική περιοχή σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η απόδοση εναπόθεσης των νανοσωματιδίων στην οσφρητική περιοχή είναι κοντά στο 1% για τα μικρότερα σωματίδια και μειώνεται δραματικά με την αύξηση του μεγέθους. Η απόδοση μειώνεται με την αύξηση του ογκομετρικού ρυθμού ροής, υποδηλώνοντας ότι η συναγωγή μάζας ενισχύεται. Η ποσοτικοποίηση των ημερήσιων δόσεων υποδηλώνει ότι η οσφρητική πρόσληψη αποτελεί σημαντική οδό μετατόπισης σωματιδίων προς τον εγκέφαλο. Τα ευρήματα επίσης υποδεικνύουν «ζώνες μέγιστου» μέσα στην ημέρα για τα περιβάλλοντα που μελετήθηκαν, όπου οι ημερήσιες δοσολογίες αυξάνονται ραγδαία. Στο εισαγωγικό κεφάλαιο (Κεφάλαιο 1) συζητούνται οι μορφές ατμοσφαιρικής ρύπανσης και παρουσιάζονται οι κύριοι ατμοσφαιρικοί ρύποι. Τα νανοσωματίδια διερευνώνται σε μεγαλύτερο βάθος, αναλύονται τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και ο αντίκτυπός τους στην ανθρώπινη υγεία. Δίνεται μεγάλη έμφαση στην επίδραση των εισπνεόμενων νανοσωματιδίων στον εγκέφαλο. Τέλος, παρουσιάζονται οι πιθανές οδοί μεταφοράς και προτείνεται η οσφρητική οδός ως η κυρίαρχη. Στο κεφάλαιο της μεθοδολογίας (Κεφάλαιο 2), μετά από μια σύντομη ανασκόπηση των προηγούμενων μελετών σχετικά με την εισπνευστική εναπόθεση σωματιδίων, αναλύονται οι κύριοι μηχανισμοί εναπόθεσης και επιλέγεται ο κυρίαρχος μηχανισμός στην περιοχή των νανοσωματιδίων Αναλύονται οι διάφορες φυσιολογικές παράμετροι αναπνοής που χρησιμοποιήθηκαν. Στη συνέχεια, αναλύεται η διαδικασία μέσω της οποίας ανακατασκευάστηκε η ανατομική γεωμετρία. Στη συνέχεια, αναλύεται το φυσικό μοντέλο μαζί με τις μαθηματικές εκφράσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τους διάφορους υπολογισμούς. Τέλος, παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία για τη συλλογή δεδομένων ποιότητας αέρα. Στο κεφάλαιο των αποτελεσμάτων (Κεφάλαιο 3) παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας προσομοίωσης μόνιμης κατάστασης με στόχο την αξιολόγηση του μοντέλου. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μεταβατικής κατάστασης, αναλύοντας τα προφίλ ροής αέρα και τα ποσοστά εναπόθεσης νανοσωματιδίων διαφορετικού μεγέθους στο εύρος 1-100 νανομέτρων. Διεξάγεται επίσης παραμετρική ανάλυση για τη διερεύνηση της επίδρασης των φυσιολογικών παραμέτρων αναπνοής στα ποσοστά εναπόθεσης διαφόρων νανοσωματιδίων. Ποσοτικοποιούνται επίσης οι ημερήσιες δόσεις νανοσωματιδίων σε διαφορετικά περιβάλλοντα, αποκαλύπτοντας σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τα επίπεδα έκθεσης και τη δημόσια υγεία. Τέλος, υπολογίζονται οι τοπικές ημερήσιες δόσεις σε δύο μεγάλες πόλεις, συνδυάζοντας υπολογιστικά αποτελέσματα με δεδομένα ποιότητας αέρα που αποκτήθηκαν πειραματικά. Στο κεφάλαιο των συμπερασμάτων (Κεφάλαιο 4) τα αποτελέσματα συζητούνται περαιτέρω και εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα. Στο παράρτημα, περιγράφεται περαιτέρω η αριθμητική μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την επίλυση του φυσικού μοντέλου και παρουσιάζονται αναλυτικά τα βήματα ανακατασκευής της γεωμετρίας | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/32533 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ | |
| dc.subject | Air pollution | |
| dc.subject | Human health | |
| dc.subject | Computational fluid dynamics (CFD) | |
| dc.subject | Multiphysics modelling | |
| dc.subject | Doses | |
| dc.subject.alternative | Ατμοσφαιρική ρύπανση | |
| dc.subject.alternative | Ανθρώπινη υγεία | |
| dc.subject.alternative | Υπολογιστική ρευστομηχανική | |
| dc.subject.alternative | Σύνθετη μοντελοποίηση | |
| dc.subject.alternative | Δοσολογίες | |
| dc.title | A computational study on the translocation of inhaled ultrafine particles to the brain | |
| dc.title.alternative | Μια υπολογιστική μελέτη της μεταφοράς των εισπνεώμενων νανοσωματιδίων στον εγκέφαλο |