<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Archiving and Interchange DTD v2.3 20070202//EN" "archivearticle.dtd">
<article article-type="methods-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Physiol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physiology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Physiol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1664-042X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1635983</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2025.1635983</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physiology</subject>
<subj-group>
<subject>Methods</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Perspectives on physics-based one-dimensional modeling of lung physiology</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Chakravarty et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphys.2025.1635983">10.3389/fphys.2025.1635983</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Chakravarty</surname>
<given-names>Aranyak</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2798022/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Kundu</surname>
<given-names>Debjit</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3085986/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>Mahesh V.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2423121/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Mohan</surname>
<given-names>Alladi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Patankar</surname>
<given-names>Neelesh A.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2011433/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>School of Nuclear Studies and Application, Jadavpur University</institution>, <addr-line>Kolkata</addr-line>, <country>India</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Department of Applied Mechanics and Biomedical Engineering, Indian Institute of Technology Madras</institution>, <addr-line>Chennai</addr-line>, <country>India</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Department of Medicine, Sri Venkateswara Institute of Medical Sciences</institution>, <addr-line>Tirupati</addr-line>, <country>India</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>Department of Mechanical Engineering, Northwestern University</institution>, <addr-line>Evanston</addr-line>, <addr-line>IL</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1588029/overview">Alexander V. Glushkov</ext-link>, Odessa National Polytechnic University, Ukraine</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/143953/overview">Josue Sznitman</ext-link>, Technion Israel Institute of Technology, Israel</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2674777/overview">Rohin Banerji</ext-link>, Boston University, United States</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Neelesh A. Patankar, <email>n-patankar@northwestern.edu</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>24</day>
<month>09</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>16</volume>
<elocation-id>1635983</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>27</day>
<month>05</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>28</day>
<month>08</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Chakravarty, Kundu, Panchagnula, Mohan and Patankar.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Chakravarty, Kundu, Panchagnula, Mohan and Patankar</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The need to understand how infection spreads to the deep lung was acutely realized during the severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) pandemic. The challenge of modeling virus laden aerosol transport and deposition in the airways, coupled with mucus clearance, and infection kinetics, became evident. This perspective provides a consolidated view of coupled one-dimensional physics-based mathematical models to probe multifaceted aspects of lung physiology. Successes of 1D trumpet models in providing mechanistic insights into lung function and optimalities are reviewed while identifying limitations and future directions. Key non-dimensional numbers defining lung function are reported. The need to quantitatively map various pathologies on a physics-based parameter space of non-dimensional numbers (a virtual disease landscape) is noted with an eye on translating modeling to clinical practice. This could aid in disease diagnosis, get mechanistic insights into pathologies, and determine patient specific treatment plan. 1D modeling could, thus, be an important tool in developing novel measurement and analysis platforms that could be deployed at point-of-care.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>gas exchange</kwd>
<kwd>mucus balance</kwd>
<kwd>infection dynamics</kwd>
<kwd>trumpet model</kwd>
<kwd>aerosol transport and deposition</kwd>
<kwd>particle transport and deposition</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Respiratory Physiology and Pathophysiology</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Deep lung infections had occurred commonly during the severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) pandemic causing unprecedented number of deaths (<xref ref-type="bibr" rid="B113">Wiersinga et al., 2020</xref>). One critical question was why this virus was infecting the deep lung much more than other respiratory viruses? How was the virus reaching into the deep lung so efficiently? Was it through the blood or the mucus lining or through aerosol transport in airways or was it growing due to favorable infection kinetics (<xref ref-type="bibr" rid="B39">Hagman et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B103">Tan et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Edwards et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Basu et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Chen et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Darquenne et al., 2022a</xref>)? Direct experimental evidence of the underlying mechanism was difficult due to anatomical complexities of the lung as well as limitations of current measurement techniques. The need to rely on indirect evidence together with physical models was, thus, evident (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Basu et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Chen et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Darquenne et al., 2022a</xref>). Lung function is multifaceted and the challenge of modeling virus-laden aerosol transport and deposition in the airways, <italic>coupled with</italic> mucus clearance and infection kinetics, became obvious (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>). This perspective reviews and consolidates various one-dimensional mathematical frameworks that can be a powerful tool to achieve this goal in the future.</p>
<p>One dimensional (1D) physics-based models have been providing useful mechanistic insights into lung function and optimalities (<xref ref-type="bibr" rid="B104">Taulbee and Yu, 1975</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Darquenne and Paiva, 1994</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Darquenne et al., 2022a</xref>). By 1D models, we imply that for each airway the physical variables are functions of the axial coordinate, while the radial and circumferential variations are averaged. We provide a unified view of the coupled physics to probe the multifaceted aspects of lung physiology. We interpret the results in a new light. For example, we highlight how steady-state solutions during inhalation are a limiting solution for gas invasion into the lung that can provide key insights into lung function. We provide an analytic steady-state solution for the first time and provide scaling arguments to guide our intuition about lung physiology. We show results based on known 1D models in literature to highlight the insights based on the effect of various non-dimensional numbers; understanding lung function via non-dimensional numbers is a perspective we emphasize in this article. We discuss how these calculations can be used to gain clinically relevant information for efficient drug delivery via lung or to understand deep lung infection (such as in SARS-CoV-2).</p>
<p>We tabulate the non-dimensional numbers defining lung function and discuss how it could provide a potential pathway to clinical translation. For example, we note an approach to measure and map various pathologies on a physics-based parameter space of non-dimensional numbers. Finally, this article supports the view that 1D modeling could be an important tool in developing novel platforms that can be deployed at point-of-care and that the physics community can contribute toward that vision.</p>
<sec id="s1-1">
<title>1.1 Background of lung physiology and modeling</title>
<p>The respiratory system is one of the most exposed organ systems of the human body (<xref ref-type="bibr" rid="B112">West, 2012</xref>). It has a complex anatomy which can be broadly subdivided into two regions - the <italic>upper respiratory tract</italic> (URT) and the <italic>lower respiratory tract</italic> (LRT). The URT comprises the nose, paranasal sinuses, mouth, nasal cavity, pharynx and larynx. The LRT can be further demarcated into the <italic>tracheobronchial tree</italic> and the <italic>alveolar region</italic>. The tracheobronchial tree (also called upper or conducting airways) comprises the trachea and the dichotomous bifurcating bronchial structure (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1a,b</xref>), exhibiting self-similar fractal properties. The alveolar region consists of the terminal airways and the alveoli. The bronchial network, along with the alveolar region, is commonly referred to as the <italic>lung</italic>. The alveolar region is sometimes also termed the <italic>deep lung</italic> due to its terminal location (<xref ref-type="bibr" rid="B112">West, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B111">Weibel et al., 1963</xref>). Pertinent information on lung anatomy is summarized in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Illustration of the development of the <italic>trumpet</italic> model from an anatomical dichotomous branching network of the lower respiratory tract (LRT). <bold>(a)</bold> A typical branching network of the LRT is shown in the form of a model geometry up to the sixth generation (<xref ref-type="bibr" rid="B35">Ghorui et al., 2024</xref>) and the corresponding schematic representation is shown in <bold>(b)</bold> The red colored pathway highlights a single continuous link of the airway network connecting the extremities. The single continuous link, when lumped considering all branches of each generation, results in a single continuous channel of variable cross-sectional area. This is referred to as the <italic>trumpet</italic> model <bold>(c)</bold> The respiratory mucus lining the respiratory tract, as considered in the <italic>trumpet</italic> model, is shown in <bold>(d)</bold> Parts of this figure are reproduced with permission from (<xref ref-type="bibr" rid="B35">Ghorui et al., 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g001.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Schematic diagram of the respiratory system showcasing different sections. (a) A 3D model of the bronchial tree highlighting the start (N &#x3d; 0) and branch points (N &#x3d; 6). (b) Branching network diagram illustrating airflow paths, with emphasis on regions leading to alveoli (N &#x3d; 23). (c) Graphical representation of the airway tapering towards the alveolar region, with airflow direction indicated. (d) Cross-section of an airway showing layers: epithelium, mucus, and lumen, labeled with symbols delta, R, and Q.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Anatomical parameters for representative lung generations <xref ref-type="bibr" rid="B115">Yeh and Schum (1980)</xref>.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">
<inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (cm)</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (cm)</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (cm<sup>2</sup>)</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (cm<sup>3</sup>)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">0</td>
<td align="center">1</td>
<td align="center">2.01</td>
<td align="center">10.0</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">3.17</td>
<td align="center">31.73</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">1</td>
<td align="center">2</td>
<td align="center">1.56</td>
<td align="center">4.36</td>
<td align="center">33</td>
<td align="center">20</td>
<td align="center">3.82</td>
<td align="center">48.4</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">2</td>
<td align="center">4</td>
<td align="center">1.13</td>
<td align="center">1.78</td>
<td align="center">34</td>
<td align="center">31</td>
<td align="center">4.01</td>
<td align="center">55.54</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">3</td>
<td align="center">8</td>
<td align="center">0.827</td>
<td align="center">0.965</td>
<td align="center">22</td>
<td align="center">43</td>
<td align="center">4.3</td>
<td align="center">59.69</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">4</td>
<td align="center">16</td>
<td align="center">0.651</td>
<td align="center">0.995</td>
<td align="center">20</td>
<td align="center">39</td>
<td align="center">5.33</td>
<td align="center">64.98</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">10</td>
<td align="center">1,024</td>
<td align="center">0.198</td>
<td align="center">0.556</td>
<td align="center">33</td>
<td align="center">43</td>
<td align="center">31.53</td>
<td align="center">148.59</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">15</td>
<td align="center">32,768</td>
<td align="center">0.06</td>
<td align="center">0.168</td>
<td align="center">51</td>
<td align="center">60</td>
<td align="center">150.09</td>
<td align="center">247.32</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">20</td>
<td align="center">1,048,576</td>
<td align="center">0.044</td>
<td align="center">0.07</td>
<td align="center">45</td>
<td align="center">60</td>
<td align="center">1,594.39</td>
<td align="center">498.36</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">23</td>
<td align="center">8,388,608</td>
<td align="center">0.043</td>
<td align="center">0.053</td>
<td align="center">45</td>
<td align="center">60</td>
<td align="center">12,181.95</td>
<td align="center">1,692.08</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x2a;&#x2a;</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">5563.88</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<fn>
<p>
<inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Lung Generation; <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Number of airways in a generation; <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Airway diameter; <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Airway length; <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Branching angle: <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Gravity angle; <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Total cross-sectional area in a generation; <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, Total volume in a generation; &#x2a;: Alveoli.</p>
</fn>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>The large surface area of the lung enables easier respiration through a mechanism which draws in ambient air during inhalation and releases expired air during exhalation. However, it also makes the pulmonary system (and in turn, other internal organs of the body) vulnerable to health hazards from polluting particles and infected droplets, among others, which may enter the respiratory tract during inhalation along with the ambient air. Air, along with suspended particles and droplets, is inhaled into the respiratory tract through the URT, which are transported deeper into the LRT through the conducting airways to reach the deep lung (<xref ref-type="bibr" rid="B89">Pedley, 1977</xref>). Gas exchange with the blood stream takes place in the deep lung. The reverse happens during exhalation. While some of the inhaled particles/droplets may get exhaled out, a considerable fraction of these may get deposited in the airway and alveoli as a result of various forces acting on them (<xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>). Their deposition takes place in the respiratory mucosa - a thin layer of mucosal fluid that separates the airway lumen from the epithelial tissue (<xref ref-type="bibr" rid="B71">Mauroy et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>). The thickness of the mucosal layer is <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>50</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m in the trachea and reduces as one moves deeper becoming negligible in the terminal airways (<xref ref-type="bibr" rid="B71">Mauroy et al., 2011</xref>). The mucosal fluid is also subjected to periodic ciliary beating which results in advective transport of the fluid towards the trachea. The deposited particles/droplets are, as such, transported along with the mucosal fluid, in addition to diffusion, resulting in a self-clearance mechanism (<xref ref-type="bibr" rid="B71">Mauroy et al., 2011</xref>) Pulmonary drug delivery systems also rely on this mechanism to deliver aerosolised medicinal drugs to the lung in a non-invasive manner (<xref ref-type="bibr" rid="B47">He et al., 2022</xref>).</p>
<p>A large body of literature exists detailing the extensive investigations that have been carried out on gas exchange dynamics as well as particle/droplet transport and deposition within the respiratory tract (<xref ref-type="bibr" rid="B89">Pedley, 1977</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Guha, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B54">Kleinstreuer and Zhang, 2010</xref>). Nonetheless, certain aspects - such as the dynamics of viral respiratory infections - still require further investigations (<xref ref-type="bibr" rid="B80">Neelakantan et al., 2022</xref>). Infected virus-laden droplets are the main source for transmission of viral respiratory infections such as SARS-CoV-2 (<xref ref-type="bibr" rid="B113">Wiersinga et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B44">Harrison et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B75">Mittal et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B109">Wang et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B66">Leung, 2021</xref>). These droplets are formed within the respiratory tract of an infected individual (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Abkarian et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Darquenne et al., 2022a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B77">Morawska et al., 2022</xref>) and are subsequently exhaled out during breathing, coughing, sneezing, talking, etc. This leads to formation of turbulent clouds of air containing suspended virus-loaded droplets (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Bourouiba, 2021</xref>). These droplets may be inhaled by other individuals causing the inhaled droplets to deposit in the respiratory mucosa releasing the entrained viruses and starting an infection in the new subject (<xref ref-type="bibr" rid="B113">Wiersinga et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B36">Grant et al., 2021</xref>). A complete spectrum of respiratory virus transmission, thus, includes the following components: a) droplet formation from infected respiratory mucosa inside the respiratory tract, b) external transmission of infected droplets through respiratory motions and the effect of preventive measures (such as masks) on such transmission, and c) internal transmission of the inhaled infected droplets within the respiratory tract. A thorough understanding of all of these components is, as such, required in order to fully comprehend the fluid dynamics of respiratory virus transmission.</p>
<p>Extensive studies have been carried out on external transmission of droplets (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Abkarian and Stone, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Bourouiba, 2021</xref>), especially since the beginning of the SARS-CoV-2 pandemic. These studies have analysed different physical settings with respect to transmission mechanisms, environmental factors, and physical configurations with a focus on identifying the risk of infection spread and possible preventive measures (<xref ref-type="bibr" rid="B88">Pal et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Biswas et al., 2022</xref>). While there has been evidence of increased number of aerosols exhaled during SARS-CoV-2 infection (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Edwards et al., 2021</xref>), relatively fewer studies have dealt with droplet formation from respiratory mucosa inside the respiratory tract (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Hamed et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B83">Pairetti et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Anzai et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B45">Haslbeck et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B50">Kant et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B77">Morawska et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B95">Saha et al., 2024</xref>). These droplets, once formed, may then be exhaled out or internally transmitted within the respiratory tract (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Anzai et al., 2022</xref>). Understanding the mechanism of formation of these droplets from respiratory mucosa is critical to identifying the conditions which aid droplet formation and hence, increase the risk of infection transmission - externally as well as internally. Internal transmission of infected droplets within the respiratory tract is also hypothesized to be a plausible mechanism by which a viral infection may spread to the inner regions of the respiratory tract, including the alveolar region (deep lung), where it may cause serious diseases such as pneumonia, acute respiratory distress syndrome etc. (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Grant et al., 2021</xref>).</p>
<p>As discussed previously, many studies have been carried out on internal droplet transmission and deposition in the respiratory tract. These include analytical, computational as well as limited experimental studies (<italic>in vivo</italic>, <italic>in vitro</italic> as well as <italic>ex vitro</italic>) (<xref ref-type="bibr" rid="B77">Morawska et al., 2022</xref>). However, there are not many studies that have taken into account mucosal flow dynamics coupled with pathogen-specific effects, along with internal droplet transmission, while distinguishing between various types of infections and their spread (<xref ref-type="bibr" rid="B92">Quirouette et al., 2020</xref>). While discrete studies (experimental as well as computational) on mucus dynamics and infection kinetics are available (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Baccam et al., 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B71">Mauroy et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Banerji et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B67">Looney et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B94">Ravi et al., 2025</xref>), the coupled effects need to be investigated to fully characterize the underlying phenomena. Experimental investigations of such coupled phenomena is prohibitively difficult due to various reasons (<xref ref-type="bibr" rid="B77">Morawska et al., 2022</xref>) necessitating reliance on computational studies. This perspective focuses specifically on this aspect&#x2013;fluid dynamics of internal droplet transmission within the respiratory tract in addition to gas exchange, coupled with mucus flow dynamics and pathogen-specific effects. One dimensional (1D) models are surveyed due to their ease of use and efficacy in providing useful clinically relevant mechanistic insights.</p>
<p>Different computational techniques have been used in the past to model droplet transport and deposition in the respiratory tract (<xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Guha, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B59">Koullapis et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B80">Neelakantan et al., 2022</xref>). Geometrical complexity of the respiratory tract, however, makes it difficult (if not impossible) to carry out high-resolution computational analyses considering the complete lung geometry. High-resolution investigations have, therefore, been carried out separately targeting specific truncated regions of the respiratory tract - the upper bronchial region (<xref ref-type="bibr" rid="B56">Koullapis et al, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Basu, 2021</xref>), the central conducting airways (<xref ref-type="bibr" rid="B58">Koullapis et al., 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Ghorui et al., 2024</xref>) or the terminal alveolar region (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B101">Sznitman, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B32">Fishler et al., 2015</xref>) - with appropriate boundary conditions. Some studies have also considered combinations of these regions in their analyses by employing different coupling techniques (<xref ref-type="bibr" rid="B57">Koullapis et al., 2018a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B60">Koullapis et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B64">Kuprat et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B65">Koullapis et al., 2023</xref>). Several studies have also been carried out on droplet transport and deposition in the URT (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Basu et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Basu, 2021</xref>). These studies are useful in modelling geometrical complexities of the respiratory tract (often using high-resolution data obtained from computed-tomography scans (<xref ref-type="bibr" rid="B105">Tawhai et al., 2004</xref>)) and provide useful information regarding the local fluid dynamics as well as insights into the mechanism of droplet deposition in the modelled region (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Basu et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Basu, 2021</xref>). Detailed information of droplet transport and deposition for the complete respiratory tract is expensive and difficult using this approach, although some advances has been made in this direction recently through development of computed tomography-based whole lung deposition models (<xref ref-type="bibr" rid="B116">Zhang et al., 2022</xref>) and use of self-similar bifurcating units, based on lung fractal geometry <xref ref-type="bibr" rid="B35">Ghorui et al. (2024)</xref>. Simplified models of the respiratory tract are, therefore, useful when the goal is to capture the key trends of droplet transport and deposition for the complete respiratory tract. In this context, <italic>one-path</italic> lung models&#x2013;which considers a single, representative airway path from the trachea to the alveoli&#x2013;have been utilised. This concept originates from the &#x201c;Typical Path Lung Model&#x201d; introduced by <xref ref-type="bibr" rid="B115">Yeh and Schum (1980)</xref>. Similar one-path models of the lung have been recently utilized for extensively studying flow perturbations through direct numerical simulations (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Atzori et al., 2025</xref>) as well as for investigation of aerosol flow and deposition through experiments (<xref ref-type="bibr" rid="B76">M&#xf6;ller et al., 2021</xref>).</p>
<p>A different class of simplified models are based on morphometry of the respiratory tract (<xref ref-type="bibr" rid="B111">Weibel et al., 1963</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B93">Raabe, 1976</xref>) and can be broadly classified into semi-empirical regional <italic>compartment</italic> models and one-dimensional <italic>trumpet</italic> models (<xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>). While these simplified models cannot account for the effects of heterogeneity in the lung, these are extremely useful for understanding the fundamental mechanisms and capturing key trends of aerosol transport and deposition for the whole lung. The <italic>compartment</italic> models assume that the lung morphology is comprised of four different compartments - extrathoracic, bronchial, bronchiolar, and alveolar regions (<xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B80">Neelakantan et al., 2022</xref>) Separate mathematical models have been developed for each of these compartments, based on analogy with an equivalent electrical circuit, in order to obtain the gas transport and exchange characteristics (<xref ref-type="bibr" rid="B81">Nunn, 1957</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Ben-Tal, 2006</xref>). Different semi-empirical models are utilised, along with the gas transport models, for determining the deposition of inhaled aerosols within the compartments (<xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>) This technique provides an estimate of the compartment-wise deposition of aerosols.</p>
<p>The <italic>trumpet</italic> model, on the other hand, is a 1D approximation of the anatomical dichotomous branching network of the complete respiratory tract (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Paiva, 1973</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Darquenne and Paiva, 1994</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Choi and Kim, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Devi et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">2023</xref>). This technique considers the respiratory tract to be a continuous channel of variable cross-sectional area (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1c</xref>). The length and cross-sectional area of the approximated channel are determined using different empirical correlations based on airway generation number <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and other anatomical parameters. The present work uses a <italic>trumpet</italic> model where the number of branches <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, length <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the total cross-sectional area <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at each generation <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is calculated using a power-law function as (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>)<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the length and cross-sectional area at <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (trachea), respectively. <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the length-change and area-change factors selected such that the computed length and area at each generation closely matches Weibel&#x2019;s morphometric data (<xref ref-type="bibr" rid="B111">Weibel et al., 1963</xref>) (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2a</xref>). Alveolation of the distal lung airways is considered <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> onwards, consistent with human lung (<xref ref-type="bibr" rid="B111">Weibel et al., 1963</xref>), by considering additional surface area in the relevant generations (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">2023</xref>). The modeled system of airways and alveoli is also assumed to be lined by a thin mucus layer separating the airway lumen from the underlying periciliary layer and the epithelium (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1d</xref>). The periciliary layer, the epithelium and the ciliary motion driving mucus transport are not explicitly modelled. Instead, mucociliary transport is accounted for by assuming a convective motion in the mucus layer from the deeper generations (larger <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) towards <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The thickness <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the total cross-sectional area of the mucus layer <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the convective mucus velocity <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at different airway generations are also estimated using power law functions as (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>)<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>,&#x2009;for&#x2009;N</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2.2em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>,&#x2009;for&#x2009;N</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the mucus thickness, area, and velocity at <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. The magnitudes of the change factors <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are chosen based on reported data (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Foster et al., 1980</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B114">Yeates et al., 1975</xref>). <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is assumed to be zero beyond <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>) due to the absence of appreciable mucociliary transport in the deep lung (<xref ref-type="bibr" rid="B71">Mauroy et al., 2011</xref>). <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are also assumed to be temporally invariant in this analysis (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>). The reasoning for this assumption is discussed in detail in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>
<bold>(a)</bold> Comparison of area variation in the lung along its length considering the exponential and power-law models with the morphometric data of Weibel (<xref ref-type="bibr" rid="B111">Weibel et al., 1963</xref>) <bold>(b)</bold> Comparison of airway resistance to airflow <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> determined using the discrete (<xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>) and continuous solutions (<xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>) considering <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.73</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.71</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g002.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Panel (a) is a graph showing area \(A\) in square meters versus \(x\) in meters, with data represented as red squares for morphometric data, black triangles for exponential, and blue circles for power-law trends. Panel (b) is a graph depicting \(R_{\text{tN}}/R_0\) against \(N\), with black squares and a red line showing different trend analyses.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>This perspective starts with airway fluid dynamics based on 1D assumptions. It is followed by the transport equations for gas exchange, particle/droplet transport, deposition and clearance and finally, pathogen-specific effects. The goal is to consolidate key insights obtainable from 1D models because of which it has remained a useful model to draw mechanistic insights into lung physiology.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Airway fluid dynamics</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Airflow</title>
<p>In order to develop the airflow transport equations, it is necessary to <italic>a priori</italic> examine the nature of airflow within the lung and make reasonable assumptions. Scaling based on relevant physiological parameters shows that Reynolds number <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies between <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung. <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reduces from about <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (trachea) to less than 10 after <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (airways) and to less than 1 after <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (deep lung), as established through various studies including microfluidic experiments (<xref ref-type="bibr" rid="B89">Pedley, 1977</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B54">Kleinstreuer and Zhang, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B102">Sznitman, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B52">Kassinos and Sznitman, 2025</xref>). This implies that airflow within most of the lung remains largely laminar. Neglecting turbulence is, thus, a reasonable assumption in most of the lung. Nonetheless, localised air circulation zones can still form near airway bifurcations and in the deep lung which can impact particle/aerosol deposition (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Kassinos and Sznitman, 2025</xref>).</p>
<p>The pulsatile nature of breathing introduces unsteadiness to airflow in the upper airways. This allows the use of the Womersley number <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which originates from a solution of the linearised Navier-Stokes&#x2019; equation for oscillatory laminar flow in an infinitely long pipe and subseuquently applied to characterization of pulsatile blood flow in an arterial tree, in quantifying the unsteady effects of airflow (<xref ref-type="bibr" rid="B91">Pradhan and Guha, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B102">Sznitman, 2021</xref>). <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as the ratio of inertial to viscous forces in a pulsatile flow i.e., <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the airway diameter (see <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>), pulsatile frequency and kinematic viscosity of air, respectively. Thus, if <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, inertial forces dominate resulting in significant unsteady effects. On the other hand, if <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the viscous forces dominate resulting in the flow-field developing fully during each pulsation cycle. The latter allows a quasi-steady approximation. Analysis of airflow in the airways show that <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ranges between <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This implies that the unsteady pulsatile flow effects exist only in the first couple of generations beyond which the flow remains largely quasi-steady (<xref ref-type="bibr" rid="B102">Sznitman, 2021</xref>). A quasi-steady assumption in modelling lung airflow is, thus, a reasonable approximation.</p>
<p>The 1D transport equations for airflow dynamics are summarized next and the corresponding analysis is presented using the above approximations (also detailed in the subsequent sections). It is to be noted that while the balance equations for mass and momentum are fundamental to modeling lung airflow dynamics, the corresponding energy and entropy balances are typically not invoked. This is because temperature variations during normal respiration are small, viscous dissipation is negligible, and thermal nonequilibrium effects are minimal <xref ref-type="bibr" rid="B89">Pedley (1977)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B112">West (2012)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al. (2018)</xref> In addition, while some degree of phase change exists in the first few generations <xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al. (2018)</xref>, it&#x2019;s effect on airflow and particle deposition is not significant. Consequently, energy and entropy transport do not exert a meaningful influence on airflow or particle deposition.</p>
<sec id="s2-1-1">
<title>2.1.1 1D unsteady airflow</title>
<p>The 1D transport equation for airflow in the idealized lung geometry can be expressed using <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equations 3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> as</p>
<p>Mass transport:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Momentum transport:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the air density, air viscosity, volume flow rate of air, and pressure, respectively. <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the total cross-sectional area of the airway at a particular position <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> defined such that it increases as one goes farther from the trachea (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>). <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of branches in each airway generation (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>). The last term on the right hand side of the momentum transport equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>) takes into account the viscous flow resistance and is similar to that obtained in Hagen-Poisseuille flow with a constant cross-sectional area. <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> takes into account the unsteady effects of pulsatile flow and can be determined after averaging the Womersley solution. Note that <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a parabolic velocity profile (Hagen-Poisseuille flow).</p>
</sec>
<sec id="s2-1-2">
<title>2.1.2 1D steady state airflow</title>
<p>As noted earlier, the quasi-steady laminar nature of airflow through the lung also makes it possible to neglect the inertia terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref> resulting in<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>Thus, the airflow in the lung is largely determined by a balance between the pressure gradient and the viscous resistance. This simplification makes it possible to estimate the resistance to airflow in the entire lung. Assuming that the lung has a symmetric branching structure (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>), then there are <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parallel branches at each generation <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is also assumed that all branches in a single generation are identical. Resistance of a single branch of the <italic>N</italic>
<sup>th</sup> generation <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for such a symmetric lung geometry can be determined using <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref> as<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>Since. airflow through the branches is similar to flow through parallel channels (<xref ref-type="bibr" rid="B90">Popel, 1980</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B100">Soni et al., 2020</xref>), the total resistance for the <italic>N</italic>
<sup>th</sup> generation <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be determined using <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> to be<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, this can be further reduced to<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the resistance in <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>, the total resistance up to the end of the <italic>N</italic>
<sup>th</sup> generation <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be determined by adding resistances in series, following geometric progression, as<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m89">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1.9em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Alternatively, the total airway resistance can also be determined by integrating the resistance per unit length over the entire length of the airway. Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, the total airway length up to the <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> generation can be determined to be<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>which gives us<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equations 7</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, the total airway resistance up to the end of the <italic>N</italic>
<sup>th</sup> generation <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be determined as<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the length of the <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> generation <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The two solutions obtained by <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equations 9</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">12</xref> are compared in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2b</xref> for physiologically relevant values of <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>). The two solutions are in excellent agreement, which allows either solution to be utilised for analysis. It is noted that major deviations of <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from physiologically relevant values will cause the two solutions to diverge from each other. The technique used in obtaining <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> will be used to develop and solve other transport equations discussed subsequently in this article. It will be found to be useful to get analytic solutions and obtain useful insights into gas transport in the lung.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Gas exchange</title>
<p>Along with airflow dynamics, it is essential to study the mechanism of transport and exchange of various constituent gases (of air) in the lung since breathing induces spatio-temporal variations in gas concentration within the lung (<xref ref-type="bibr" rid="B46">Hasler et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B106">Tsuda et al., 2008</xref>). The 1D transport equation for gases in the idealized lung geometry (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>) is expressed as<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the gas concentration (in air), volume flow rate of air during breathing, and gas diffusivity (in air), respectively. <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the gas density and <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cross-sectional area of the lung at a particular location <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The last term on the right hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> takes into account gas exchange with the blood stream (having a gas concentration <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as the loss coefficient due to gas exchange with the blood stream and is expressed as<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the total perimeter in the <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<sup>th</sup> generation and <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the rate at which the gas is exchanged with the blood stream. Since gas exchange occurs only in the alveolar region of the lung (<xref ref-type="bibr" rid="B106">Tsuda et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B112">West, 2012</xref>), the loss term (<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>) is also considered only in the alveolar region of the idealized lung geometry and neglected in the upper airways. Here alveolar capacitance (or lung elasticity) effects could be modeled but are not explicitly elaborated here (<xref ref-type="bibr" rid="B80">Neelakantan et al., 2022</xref>).</p>
<p>Steady and unsteady solutions to <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> are provided in <xref ref-type="sec" rid="s2-2-1">Sections 2.2.1</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s2-2-2">2.2.2</xref>, respectively. Fluid motion and hence, gas transport during breathing is inherently unsteady with a time-periodic nature (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al., 2019</xref>) - it takes more than 10 breathing cycles (normal breathing cycle <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s) for gas concentration to reach a time-periodic state. This warrants unsteady analysis. However, the steady-state solution provides useful insights into the transport mechanism and the governing parameters, and it can be used to identify the limiting solution for different flow conditions.</p>
<sec id="s2-2-1">
<title>2.2.1 1D steady-state gas exchange: a reference solution</title>
<p>The following assumptions are made while solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> using the steady-state approach: a) all parameters are time-invariant, b) airflow within the lung geometry remains uniform and unidirectional, c) gas concentration at the entrance to the trachea <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remains constant, and d) total alveolar gas exchange occurs at the last generation of the lung <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Considering these assumptions, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> simplifies to<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>which is solved analytically for two scenarios and numerically for a particular case. The analytic solutions are discussed first, followed by the numerical solution.</p>
<sec id="s2-2-1-1">
<title>2.2.1.1 1D analytical solution: exponential variation</title>
<p>The total cross-sectional area <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> along the length of the idealised lung geometry may be approximated using an exponential function as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cross-sectional area at <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the area-change factor (see <xref ref-type="sec" rid="s1">Section 1</xref>; <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2a</xref>). The analytical solution of gas concentration obtained considering this approximation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref>) is expressed as<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the Peclet number for gases (exponential variation) and the gas exchange parameter with the blood stream, respectively. A detailed derivation of the analytical solution and definition of various terms can be found in (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Section S1</xref>).</p>
<p>The magnitude of <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of interest in respiratory gas transport ranges from <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mn>1000</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>64500</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> based on gas diffusivity in air and air flow rates in breathing. This makes it intractable to determine the magnitude of <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>. However, it can be used for smaller <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Additionally, we note that there is a large quantitative difference between the area obtained using the exponential function and the morphometric data (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2a</xref>; the magnitude at the alveolar end of the lung remains in good agreement). Therefore, the exponential function is not the best fit to the area variation in the lung. However, it models the physics of gas transport in a rapidly diverging duct, which is similar to the lung.</p>
</sec>
<sec id="s2-2-1-2">
<title>2.2.1.2 1D analytical solution: power-law variation</title>
<p>An alternate approach for a better fit is to approximate the length <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the total cross-sectional area <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at each generation <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the idealised lung geometry using a power-law function (see <xref ref-type="sec" rid="s1">Section 1</xref>; <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2a</xref>; <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>). The length-change <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and area-change <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> factors in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> are selected such that the computed length and area at each generation matches Weibel&#x2019;s morphometric data <xref ref-type="bibr" rid="B111">Weibel et al. (1963)</xref> as closely as possible (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2a</xref>). The airway length <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in terms of the lung generation number <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is given by<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Since the length and area variation is assumed to be a function of <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equations 1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref>), the steady-state gas transport equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 15</xref>) is re-written in terms <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>using <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is to be noted that although <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an integer, it is treated as a continuous variable in all transport equations for computational convenience. The analytic solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 19</xref> for gas concentration following this approach is given by<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the Peclet number for gases (power-law variation) and <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the gas exchange parameter with the blood stream, respectively. Detailed derivation of the analytical solution and definition of various terms can be found in (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Section S2</xref>). It is to be noted that <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref> also contains terms of the form <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (similar to <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>). However, this form is tractable since the small magnitudes of <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> negates the large magnitude of <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and allows calculation of <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The major governing parameters in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref> are the Peclet number for gases <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the gas exchange parameter <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> compares the steady-state <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for different <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1000</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>64500</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>500</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2500</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The range of <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> considered corresponds to physiological flow rates and gas diffusivity in air. The range of <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is determined by varying the exchange rate <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Change in steady-state dimensionless gas concentration <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung for different <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <bold>(a)</bold> <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 500 and <bold>(b)</bold> <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 2,000 considering <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.73</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.71</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note the change in scales between the two figures.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g003.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs labeled (a) and (b) showing curves of \(\phi_{g, N, st}\) versus \(N\) in a power-law model. Graph (a) has \(Z &#x3d; 500\), and graph (b) has \(Z &#x3d; 2000\). Both graphs display four curves representing different \(P_{e, g, pl}\) values: \(1075\) (black squares), \(5375\) (red diamonds), \(21500\) (blue circles), and \(64500\) (green triangles). The curves show a decline in \(\phi_{g, N, st}\) as \(N\) increases, with the steepest drop occurring at higher \(P_{e, g, pl}\) values.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Change in steady-state dimensionless gas concentration <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung for different magnitudes of the gas exchange parameter <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <bold>(a)</bold> <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 1,075 and <bold>(b)</bold> <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 64,500 considering <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.73</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.71</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note the change in <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the Deeper lung generations (larger <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) based on the critical magnitude of <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g004.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs (a) and (b) depicting power-law relationships. Both graphs plot \( \phi_{g,N,st} \) against \( N \) with various \( Z \) values (2500, 2295.857, 2000, 1500, 1000, 500) shown in different colors. In graph (a), \( Pe_{g,pl} &#x3d; 1075 \) and the curves diverge at higher \( N \) values. In graph (b), \( Pe_{g,pl} &#x3d; 64500 \) with a steeper divergence. Legends indicate \( Z \) values and corresponding color codes.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>It is observed from <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> that, as expected, the gas concentration front propagates deeper into the lung with increase in <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all magnitudes of <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The concentration front demarcates the region where diffusive transport dominates from the region where convective transport dominates. For a given gas diffusivity, a larger <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> results in a greater impact of convection over diffusion and vice-versa. Greater convective transport causes the gas to reach deeper into the lung and hence, the concentration front also propagates towards the deep lung with increase in <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The impact of <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the gas exchange process is shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. A larger <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> indicates a smaller gas exchange rate and consequently, a greater <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A critical magnitude <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2295.857</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained when no gas exchange takes place with the blood stream and <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remains invariant throughout the lung. Any <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> larger than this <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> results in gas accumulation within the lung. It is also evident from <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> that the location of the concentration front is determined by the combined effects of <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The magnitude of <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is, however, independent of <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and is solely determined by <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-2-1-3">
<title>2.2.1.3 1D numerical solution</title>
<p>The theoretical solutions discussed in the preceding sections considered steady-state transport of gases within the lung for unidirectional air flow. Physiologically, air flow and hence, transport of gases is unsteady and bi-directional with periodic flow reversals depending on the breathing frequency. A numerical method is necessary to obtain an unsteady solution of gas transport equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref>). The following scaling parameters (<xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref>) are used to reduce <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> to an appropriate dimensionless form (<xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>) using the power-law assumption (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>).<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="-4.2em"/>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the Peclet number for gases and Strouhal number for the airways, respectively. <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the dimensionless gas concentration and time, respectively, while the quantities <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the convective airflow time-scale and breathing time-scale, respectively. The dimensionless equation used to numerically analyse gas transport within the lung is given by<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>, along with <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Equations 23</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref>, can be solved numerically (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">2022</xref>).</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> shows the progression of <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with time advancement within the lung for unidirectional flow. It can be observed that <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reaches a steady-state within 5 breathing cycles <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and that the steady-state <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained using the numerical technique matches the theoretical prediction (<xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref>). Additional comparisons between numerical and theoretical predictions at steady-state are shown in <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S1</xref> for the extreme magnitudes of <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> considered in this study. It can be observed that the numerical solution is able to appropriately capture the trends in <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the entire range of <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> considered in this study for unidirectional flow at steady-state.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>
<bold>(a)</bold> <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung at different time instances <bold>(b)</bold> Temporal change in <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results are shown for <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>64500</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>500</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.73</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.71</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It can be observed that the <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> front advances deeper into the lung as time progresses and reaches a steady-state after approximately <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The steady-state <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the numerical solution matches the <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained from the steady-state theoretical solution.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g005.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs are shown. Graph (a) plots variables phi sub g,N against N with several colored lines representing different tau values: 0.125, 0.25, 1.25, 2.5, 5, 10, and a steady solution. Graph (b) plots phi sub g,N against tau for N equals 23, showing an upward curve leveling off after tau equals 5.</alt-text>
</graphic>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-2-2">
<title>2.2.2 1D unsteady gas exchange</title>
<p>Physiologically realistic airflow in the lung is unsteady and bi-directional in natural breathing (quiet tidal breathing) as well as forced breathing (such as during exercise, coughing, or mechanical ventilation) (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Deepa et al., 2025</xref>). For general insights, the numerical model (<xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>) can be used to study gas transport within the lung considering physiologically relevant airflow variation during breathing by modeling it as a sinusoidal function i.e., <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> following earlier works (<xref ref-type="bibr" rid="B82">Otis et al., 1950</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B91">Pradhan and Guha, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B78">Napoli et al., 2022</xref>). Salient results are reproduced in (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Section S3</xref>) (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figures S2-S5</xref>) for pertinent parameters.</p>
<p>The wash-in curve (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S2</xref>) obtained using the numerical model is similar to that reported in previous studies (<xref ref-type="bibr" rid="B107">Wang et al., 2013</xref>). It is observed that the wash-in curve reaches a time-periodic state after a few breathing cycles <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with its frequency corresponding to the breathing cycle, similar to that observed by <xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al. (2019)</xref> in a two-dimensional computational study on alveolar gas transport. The nature of the wash-in curve is observed to change in case the gas source becomes unavailable after a certain time (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S3</xref>). This is relevant when an individual gets exposed to a certain gas source for a finite period of time <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. While the nature of the curve remains similar as long as the exposure takes place, wash-out of the residual gas starts as soon as the exposure stops. The nature of the wash-out curve is again similar to that observed in literature (<xref ref-type="bibr" rid="B86">Paiva and Engel, 1981</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B46">Hasler et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Darquenne et al., 2022b</xref>).</p>
<p>The nature of the wash-in/wash-out curve is also observed to depend on <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as well as <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Other parameters remaining constant, an increase in <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> results in a larger advective transport (see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>) within the lung leading to a relatively greater <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the same time instant and lung generation during inhalation. During exhalation, larger advection leads to faster wash-out and hence, <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases for a larger <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figures S4a, b</xref>). A lower rate of gas exchange (larger <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) within the lung results in a larger <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the same time instant and lung generation (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S4c</xref>). Washout from the lung, thus, takes a longer time in case of larger <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As expected, the time taken for wash-in increases as <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes larger and the washout starts after the corresponding <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ends (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S4d</xref>). However, the qualitative nature of the wash-in and washout curves of <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remain similar for all <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The wash-in/wash-out curve is observed to qualitatively change at small <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A smaller <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> indicates a much larger breathing time-scale <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with respect to the advective time-scale. The inhaled gas, as such, is able to progress much deeper into the lung during inhalation as <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is reduced, other parameters remaining same (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S5a</xref>). Similarly, a smaller <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> allows a longer time for the inhaled gas to get washed out of the lung leading to lower <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> during exhalation such that minimal wash-out occurs after exposure stops (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S5b</xref>). As <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases, wash-out during exposure remains progressively incomplete resulting in some residual <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung. The residual <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is again transported along with the airflow after exposure ends. As <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes larger, this transport remains restricted to the upper region of the lung and hence, is washed out relatively fast.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Particle transport and deposition</title>
<p>Transport of particles within the lung is fundamentally similar to transport of gases in the lung. Here, the term <italic>particle</italic> is used to denote solid particles as well as liquid droplets/aerosols. The one-dimensional transport equation for particles at any location in the idealised lung geometry can be expressed in a similar manner as that for gases (<xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref>) as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Choi and Kim, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B104">Taulbee and Yu, 1975</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B74">Mitsakou et al., 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Darquenne and Paiva, 1994</xref>) -<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the particle concentration (in airways) and particle diffusivity in air, respectively. <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the volume flow rate of air in breathing.</p>
<p>A major physiological difference exists between the gas and particle transport mechanisms. While the gas molecules are exchanged between the blood stream and the lung in the alveoli, inhaled particles/droplets are deposited in the airway mucus throughout the lung. Therefore, the gas exchange term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> is replaced by a deposition term <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equation 25</xref>, where <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the coefficient of deposition. <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is calculated taking into account different physical deposition mechanisms viz. diffusional, sedimentation, and impact deposition in the lung airways, as well as diffusional and sedimentation deposition in the alveoli (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B115">Yeh and Schum, 1980</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Devi et al., 2016</xref>).</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equation 25</xref> can be expressed in terms of lung generation number <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> assuming a power law variation (see <xref ref-type="sec" rid="s2-2-1">Section 2.2.1</xref>) as<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the temporal sinusoidal function accounting for airflow variation during breathing such that <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Equation 26</xref> is reduced to its dimensionless form by multiplying and dividing <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Equation 26</xref> with <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;ln</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, and using the following scaling parameters (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>)<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m262">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="-1.35em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the Peclet number for particles (in airways) and Strouhal number for the airways, respectively. <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the dimensionless particle concentration (in airways) and time, respectively, while the quantities <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the convective airflow time-scale and breathing time-scale, respectively. The expression of <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is based on the Stokes-Einstein relation (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al., 2019</xref>), where <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the Cunningham slip correction, <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the ambient temperature, <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes air viscosity, and <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the particle diameter.</p>
<p>The dimensionless equation is expressed as (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>)<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the dimensionless form of droplet deposition coefficient <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the total particle flux in airways. These are expressed as follows -<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Different empirical models available in the literature have been used to estimate <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by suitably modifying them to maintain consistency with the present mathematical formulation (see (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>) for details). The final dimensionless form of these deposition models are expressed as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>).</p>
<p>Diffusional deposition in the airways:<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3.66</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>22.305</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>57</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Sedimentation deposition in the airways:<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as the sedimentation parameter and expressed as<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Impact deposition in the airways:<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Diffusional deposition in the alveoli:<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the fraction of alveolated area in the corresponding generation (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>) and <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the diffusional deposition efficiency in the alveoli. <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is expressed as (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Devi et al., 2016</xref>)<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Sedimentation deposition in the alveoli<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the fraction of alveolated area in the corresponding generation (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>) and sedimentation deposition efficiency in the alveoli, respectively. <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is expressed as (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Devi et al., 2016</xref>)<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The transport equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equations 25</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">28</xref>, along with <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Equations 29</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref>) are formulated based on the assumption that the particle suspension is dilute and that the particles are mono-dispersed, do not undergo coagulation, and are decoupled from airflow in the lung (<xref ref-type="bibr" rid="B54">Kleinstreuer and Zhang, 2010</xref>). Based on the inherent physiology, it is also assumed that there is no additional source of particles present within the lung, and the inhaled particles are either deposited in the airway mucus or washed out of the airways. The developed mathematical model has been validated against <italic>in vivo</italic> experimental data of <xref ref-type="bibr" rid="B48">Heyder et al. (1986)</xref> for different inhaled, mono-dispersed particle sizes [see <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al. (2022)</xref> for details]. This justifies the assumptions made in formulating the model.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6a</xref> illustrates the transport of particles within the lung airways in a particular breathing cycle. Once inhaled, the particles are carried along with the airflow inwards into the lung during the inhalation phase of the breathing cycle. The particle concentration <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reaches its deepest region in the lung at the end of inhalation. This depends on <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which is determined by the airflow velocity and particle diffusivity. During the exhalation phase of the breathing cycle, the particles are transported towards the upper regions of the lung and are ultimately washed out of the lung. However, it can be observed from <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6a</xref> that all inhaled particles may not get washed out in a single breathing cycle leading to some residual <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung at the end of exhalation. These residual particles are again transported inwards into the lung along with any additional inhaled particles (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>).</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>
<bold>(a)</bold> Dimensionless particle concentration <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung at different instances of a single breathing cycle with and without deposition; the time instances <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.25</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.75</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> indicate inhalation peak, inhalation end, exhalation peak and exhalation end, respectively. <bold>(b)</bold> Total droplet deposition <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung at the end of exposure as a function of lung generation <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results are shown for <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.85</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.0095</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The tracheobronchial region and the acinar (deep lung) regions of the lung are indicated within the plots for better inference.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g006.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs are displayed. Graph (a) shows four curves depicting changes in particle fraction (\(\Phi_{p,a}\)) versus \(N\) with two conditions: solid lines for no deposition and dashed lines for deposition, differentiated by \(\tau\) values of 0.25, 0.5, 0.75, and 1. Graph (b) illustrates \(S_d\) versus \(N\), with a dashed line indicating transition from the tracheobronchial region to the acinar region, highlighting airflow behavior in airways.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>As discussed, the inhaled particles may also get deposited in the airway mucus while being transported within the lung. As a result of deposition, the net <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases which is apparent from the comparative plot in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6a</xref>. The total amount of particle deposited in the airway mucus is shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6b</xref> for a representative case. It can be observed that the deposition is non-uniform and it increases towards the deep lung (acinar region) reaching a maximum at <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This trend of deposition is, however, observed to be dependent on <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m311">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the exposure duration (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>). Exposure duration <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is observed to only quantitatively influence particle deposition (other parameters remaining same) with the total deposition increasing linearly as <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes longer (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S6</xref>). However, <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as well as <inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m316">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are observed to qualitatively influence particle deposition as discussed below.</p>
<p>Particles are observed to deposit in the deep lung only when <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remains in the range of <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m318">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.37</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3.07</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S7a</xref>). The reason being, at small <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the advection is not strong enough to carry the particles into the deep lung, whereas at large <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m320">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the particles deposit primarily in the upper airways due to the impaction mechanism (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B49">Hofmann, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Choi and Kim, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Heyder et al., 1986</xref>). This range translates to particle diameters of 0.006 <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m to 20 <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m for normal breathing in a healthy individual (tidal volume of <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m323">
<mml:mrow>
<mml:mn>1000</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;ml</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m324">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Within this range, deposition in the deep lung increase up to <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and then decreases to reach a minimum when <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m326">
<mml:mrow>
<mml:mn>4.29</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1.6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (particle diameters <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m). Beyond this, another increase in deposition in the deep lung take place with a peak at <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9.03</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (particle diameter of <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m) (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>).</p>
<p>A longer breathing time period (lower <inline-formula id="inf292">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) results in <italic>deeper</italic> breaths and lead to greater volume of air (and hence, particles) being inhaled, keeping all other parameters same and vice-versa. This increases the probability of the inhaled particle reaching the deep lung. Consequently, the deposition pattern also shifts towards the deep lung with decrease in <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S7c, d</xref>). The fraction of particles deposited in the deep lung are, as such, observed to increase as <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S7b</xref>) (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>).</p>
<p>The above discussed results are also consistent with the observations of various experimental studies on the effects of inhalation flow rate, particle size and inhalation duration on particle deposition in the lung (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Heyder et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B53">Kim and Jaques, 2004</xref>). Further, the applicability of specific model hypotheses and observations from this study can be experimentally verified in the future (with suitable model augmentations, if required) through focused experiments that have been made possible through experimental advances that can mimic the lung structure and function (<xref ref-type="bibr" rid="B102">Sznitman, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B32">Fishler et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B76">M&#xf6;ller et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Chen et al., 2025</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B50">Kant et al., 2023</xref>).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Mucus fluid dynamics</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Mucus clearance</title>
<p>The mass and momentum balance equations of the mucus layer within the lung can be written, based on existing literature (<xref ref-type="bibr" rid="B70">Mauroy et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B71">Mauroy et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Smith et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>), as</p>
<p>Mass balance:<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Momentum balance:<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">visc</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">visc</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the mucociliary propulsive force and the mucosal viscous resistive force per unit mucosal volume, respectively. The convective mucus transport term is neglected due to low Reynolds number flow in the thin viscous mucus layer. Note that the airway pressure gradient <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is assumed to be imposed in the mucus layer. This is similar to how pressure outside the boundary layer gets imposed within it. <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the area of the mucus layer and mass source of the mucus at the <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> lung generation. <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="m341">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mucus volume flow rate and <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="m342">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the density of the mucus. These quantities are defined as<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m343">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="m344">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the thickness of the mucus layer at the <inline-formula id="inf304">
<mml:math id="m345">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> lung generation and <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="m346">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mucus velocity. <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="m347">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the volumetric mucus source per unit area per unit time. Using these definitions and <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="m348">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mass balance equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Equation 39</xref>) is re-written in terms of <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="m349">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m350">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e41">Equation 41</xref> can be simplified into<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m351">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, the momentum balance equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e40">Equation 40</xref>) can be converted in terms of lung generation number <inline-formula id="inf309">
<mml:math id="m352">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using the above parameters and the converted equation is expressed as<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m353">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m354">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width=".8em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">visc</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>In the expressions above, <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="m355">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mucosal viscosity, <inline-formula id="inf311">
<mml:math id="m356">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the height of each cilia, <inline-formula id="inf312">
<mml:math id="m357">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cilia driving velocity scale, <inline-formula id="inf313">
<mml:math id="m358">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of cilia per unit surface area in generation 0, <inline-formula id="inf314">
<mml:math id="m359">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of cilia in generation <inline-formula id="inf315">
<mml:math id="m360">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf316">
<mml:math id="m361">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In the expression for <inline-formula id="inf317">
<mml:math id="m362">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the term in the first parenthesis is the scale of the total mucociliary driving force, the term in the second parenthesis arises due to conversion to force per unit volume, and <inline-formula id="inf318">
<mml:math id="m363">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the proportionality constant. Similarly, in the expression for <inline-formula id="inf319">
<mml:math id="m364">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">visc</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the term in the first parenthesis is the scale of the viscous shear resistance to mucosal flow, the term in the second parenthesis arises due to conversion to force per unit volume, and <inline-formula id="inf320">
<mml:math id="m365">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the proportionality constant.</p>
<p>In order to obtain the dimensionless form of <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">Equations 42</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">43</xref>, we define the following<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m366">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf321">
<mml:math id="m367">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the breathing time scale. <inline-formula id="inf322">
<mml:math id="m368">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="m369">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the mucus layer thickness scale and the velocity scale, respectively. These scales are estimated based on steady-state scalings implied by mass and momentum balance equations. The dominant steady-state scaling is between the last two terms in each of the <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">Equations 42</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">43</xref>, which gives<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m370">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The dimensionless equations, thus, obtained using the scales defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">Equations 42</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">43</xref> can be written as<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m371">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m372">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="m373">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf325">
<mml:math id="m374">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the Strouhal number and Reynolds number for the mucus layer, respectively. The parameter <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="m375">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="m376">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e46">Equations 46</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">47</xref> are solved in a coupled manner to obtain the spatio-temporal change in <inline-formula id="inf328">
<mml:math id="m377">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="m378">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the lung. It is initially assumed that <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="m379">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="m380">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> follow a power-law spatial change, similar to the assumptions made for airway length and area (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>), in accordance with the following equations<disp-formula id="e48">
<mml:math id="m381">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(48)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e49">
<mml:math id="m382">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(49)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="m383">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="m384">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the dimensionless mucus thickness and mucus velocity, respectively, at <inline-formula id="inf334">
<mml:math id="m385">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The magnitudes of <inline-formula id="inf335">
<mml:math id="m386">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf336">
<mml:math id="m387">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Equations 48</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">49</xref> are considered to be 0.9 and 0.87, respectively, based on reported data (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>). As discussed previously in <xref ref-type="sec" rid="s1">Section 1</xref> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>), mucus velocity <inline-formula id="inf337">
<mml:math id="m388">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is assumed to be zero beyond N &#x3d; 17 due to the absence of appreciable mucociliary transport in the deep lung <xref ref-type="bibr" rid="B71">Mauroy et al. (2011)</xref>. The spatial change due to the above assumptions is represented in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7a</xref>. Note that the mucus velocity has a negative magnitude since mucus flow is in a direction opposite to increasing depth of the lung and becomes zero in the deep lung. <inline-formula id="inf338">
<mml:math id="m389">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is assumed to vary as <inline-formula id="inf339">
<mml:math id="m390">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula id="inf340">
<mml:math id="m391">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula id="inf341">
<mml:math id="m392">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as <inline-formula id="inf342">
<mml:math id="m393">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>
<bold>(a)</bold> Variation of dimensionless, steady-state magnitudes of mucus layer thickness <inline-formula id="inf343">
<mml:math id="m394">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and mucus velocity <inline-formula id="inf344">
<mml:math id="m395">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> along the lung generations <inline-formula id="inf345">
<mml:math id="m396">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The thickness and velocity are scaled following <xref ref-type="disp-formula" rid="e44">Equation 44</xref>. For reference, the mucus layer thickness remains in the range of <inline-formula id="inf346">
<mml:math id="m397">
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m in the trachea, while it becomes <inline-formula id="inf347">
<mml:math id="m398">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m in the distal generations (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>), consistent with the model predictions. Temporal change in <bold>(b)</bold> <inline-formula id="inf348">
<mml:math id="m399">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <bold>(c)</bold> <inline-formula id="inf349">
<mml:math id="m400">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at three different lung generations <inline-formula id="inf350">
<mml:math id="m401">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,12,23</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results are shown considering <inline-formula id="inf351">
<mml:math id="m402">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>359.7122</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.73</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.71</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g007.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">(a) A graph showing two curves representing \(\delta'_m\) and \(v'\), with annotations for tracheobronchial and acinar regions. (b) A chart depicting \(\delta_{m,N}^{st}\) over \(\tau\) for \(N&#x3d;0, 12, 23\). (c) Two graphs illustrating \(v'_{m,N}\) over \(\tau\) for \(N&#x3d;0\) and \(N&#x3d;12\), with oscillation patterns.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Solution of the equations indicate that the dimensionless mucus layer thickness <inline-formula id="inf352">
<mml:math id="m403">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remain almost invariant with time (see <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7b</xref>). However, the dimensionless mucus velocity <inline-formula id="inf353">
<mml:math id="m404">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> undergoes a time-periodic change about a mean value (see <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7b</xref>), which is in phase with the breathing time-period, after an initial period of transience. Airflow during inhalation resists the mucus transport and hence, mucus velocity reduces during inhalation. The opposite happens during exhalation due to co-current flow of air and mucus. Similar characteristics are observed at all lung generations although the mucus velocity becomes negligible in the deep lung. The transience period is, however, very short and the time-periodic state is reached in a few breathing cycles. Such transience time-period is very small when compared to the time-scale of particle clearance through mucus transport. Hence, it can be safely neglected when modelling particle clearance. This, coupled with the time-periodic nature of mucus velocity, allows us to assume a steady-state magnitude of mucus velocity within the lung when modelling particle clearance (see <xref ref-type="sec" rid="s3-2">Section 3.2</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Clearance of deposited particles</title>
<p>The one-dimensional transport equation for the particles deposited in the lung mucus, by the various deposition mechanisms (see <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>), is formulated considering mucociliary transport and diffusion of the deposited particles in the mucus. It can be expressed in a similar manner to <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equation 25</xref> as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>)<disp-formula id="e50">
<mml:math id="m405">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(50)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf354">
<mml:math id="m406">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf355">
<mml:math id="m407">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf356">
<mml:math id="m408">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf357">
<mml:math id="m409">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are deposited particle concentration in the mucus, cross-sectional area of the mucus layer at a particular lung generation, volume flow rate of mucociliary transport, and particle diffusivity in the mucus, respectively. It is assumed that the mucus velocity <inline-formula id="inf358">
<mml:math id="m410">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and hence, <inline-formula id="inf359">
<mml:math id="m411">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remains time-invariant (see <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref>). <inline-formula id="inf360">
<mml:math id="m412">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as the quantity of particles, which may get deposited, per unit quantity of particles inhaled. The term <inline-formula id="inf361">
<mml:math id="m413">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> takes into account the particles introduced into the mucus due to deposition. <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Equation 50</xref> is converted to a dimensionless form (<xref ref-type="disp-formula" rid="e52">Equation 52</xref>) using scaling defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e51">Equation 51</xref> below (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>)<disp-formula id="e51">
<mml:math id="m414">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2.5em"/>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(51)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e52">
<mml:math id="m415">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(52)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf362">
<mml:math id="m416">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf363">
<mml:math id="m417">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf364">
<mml:math id="m418">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the dimensionless particle concentration in the mucus, particle Peclet number, and mucus layer Strouhal number, respectively. Also note that <inline-formula id="inf365">
<mml:math id="m419">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> refers to the particle Peclet number at <inline-formula id="inf366">
<mml:math id="m420">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> only. <inline-formula id="inf367">
<mml:math id="m421">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the time-scale for mucociliary transport. <inline-formula id="inf368">
<mml:math id="m422">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is estimated using the Stokes-Einstein relation, where <inline-formula id="inf369">
<mml:math id="m423">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf370">
<mml:math id="m424">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the viscosity of the mucus and the particle diameter, respectively. The last term on the right hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">Equation 52</xref> is the dimensionless particle source due to deposition. The flux term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">Equation 52</xref> is represented as<disp-formula id="e53">
<mml:math id="m425">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(53)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The particles that are inhaled into the lung are deposited in the respiratory mucus during breathing by various mechanisms (see <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>) (<xref ref-type="bibr" rid="B89">Pedley, 1977</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Guha, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B54">Kleinstreuer and Zhang, 2010</xref>). The deposited particles diffuse in the mucus layer and are also simultaneously transported upstream via mucociliary advection (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Cu and Saltzman, 2009</xref>). However, mucociliary advection is appreciable only in the conducting airways of the lung <inline-formula id="inf371">
<mml:math id="m426">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and is negligible in the deep lung <inline-formula id="inf372">
<mml:math id="m427">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>). Results obtained by solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Equations 50</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">52</xref>, along with <xref ref-type="disp-formula" rid="e53">Equation 53</xref>, show that the particle concentration in the mucus <inline-formula id="inf373">
<mml:math id="m428">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at the end of the exposure duration <inline-formula id="inf374">
<mml:math id="m429">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, qualitatively follows particle deposition <inline-formula id="inf375">
<mml:math id="m430">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figures S8a, b</xref>).</p>
<p>Particles deposited in the conducting airways are transported upstream towards the mouth <inline-formula id="inf376">
<mml:math id="m431">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> due to mucociliary advection. This results in higher <inline-formula id="inf377">
<mml:math id="m432">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the upper airways (lower <inline-formula id="inf378">
<mml:math id="m433">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), as time progresses, primarily due to smaller mucus volume in the upper airways. Eventually, the particles are washed out of the respiratory tract (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S8a</xref>) along with the mucus. The temporal change in <inline-formula id="inf379">
<mml:math id="m434">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the mouth (inset <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S8a</xref>) also corroborates this conclusion. In contrast, the particles deposited in the deeper generations <inline-formula id="inf380">
<mml:math id="m435">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not subjected to mucociliary transport. Therefore, <inline-formula id="inf381">
<mml:math id="m436">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the deep lung undergoes a gradual change due to weak diffusive transport (see inset <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S8a</xref>). As such, particles deposited in the deep lung can persist for a much longer time as compared to those deposited in the upper airways (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>). Hence, particles deposited in the distal lung persist for a long time and the resulting health complications are very difficult to manage. This, however, becomes beneficial in case of therapeutic drugs.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Pathogen infection dynamics</title>
<p>Pathogens are introduced into the LRT through the carrier particles (or droplets) which are transported in the respiratory tract along with airflow. The carrier particles (or droplets) may be inhaled or formed <italic>in-vivo</italic> through aerosolization of respiratory mucosa (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Darquenne et al., 2022a</xref>). The carrier particles (or droplets) deposit in the mucosa of the LRT (see <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>), thereby, seeding an infection. The deposited particles (or droplets) are also simultaneously cleared through advective-diffusive transport (see <xref ref-type="sec" rid="s3-2">Section 3.2</xref>). The infection - once seeded - may grow, spread and decay depending on various pathogen-specific parameters and the host&#x2019;s immune responses. Modeling the dynamics of a pathogen infection within the respiratory tract, thus, requires simultaneous consideration of all the above mechanisms.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Pathogen transport in mucus</title>
<p>The one-dimensional pathogen transport equation within respiratory mucosa, thus formulated, is represented in its dimensionless form as (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>)<disp-formula id="e54">
<mml:math id="m437">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="5em"/>
<mml:mfenced open="" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="5em"/>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(54)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf382">
<mml:math id="m438">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf383">
<mml:math id="m439">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf384">
<mml:math id="m440">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the dimensionless pathogen concentration in mucus, pathogen Peclet number and mucus Strouhal number, respectively. <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">Equation 54</xref> is similar to <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">Equation 52</xref> except the last term on the right hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">Equation 54</xref> which accounts for the pathogen-specific infection kinetics using a modified target-cell limited model (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>) that is developed based on applicability of this approach in predicting previous experimental data (<xref ref-type="bibr" rid="B92">Quirouette et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Baccam et al., 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B79">N&#xe9;ant et al., 2021</xref>).</p>
<p>The modified target-cell limited model (<xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Equations 55</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e57">57</xref>) assumes that the target cells are infected depending on the pathogen-specific infection rate and the local pathogen concentration (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Equation 55</xref>). The infected target cells remain in an eclipse phase for a certain duration before becoming infectious (<xref ref-type="disp-formula" rid="e56">Equation 56</xref>) after which they produce new pathogens for a certain time-span before undergoing apoptosis (<xref ref-type="disp-formula" rid="e57">Equation 57</xref>). The corresponding equations are expressed as follows:<disp-formula id="e55">
<mml:math id="m441">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(55)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e56">
<mml:math id="m442">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(56)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e57">
<mml:math id="m443">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(57)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<inline-formula id="inf385">
<mml:math id="m444">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf386">
<mml:math id="m445">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf387">
<mml:math id="m446">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the above equations represent the fraction of uninfected target cells, infected cells in the eclipse phase and infectious cells, respectively. <inline-formula id="inf388">
<mml:math id="m447">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the dimensionless infection rate. <inline-formula id="inf389">
<mml:math id="m448">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf390">
<mml:math id="m449">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the dimensionless time-periods of the eclipse phase and infectious phase, respectively. <inline-formula id="inf391">
<mml:math id="m450">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf392">
<mml:math id="m451">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">Equation 54</xref> denote the dimensionless pathogen production rate of new pathogens from the infectious cells and the dimensionless clearance rate of pathogens due to various non-specific clearance mechanisms, respectively (<xref ref-type="bibr" rid="B92">Quirouette et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Baccam et al., 2006</xref>). The relevant parameters are defined as (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>)<disp-formula id="e58">
<mml:math id="m452">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(58)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf393">
<mml:math id="m453">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensional pathogen concentration and <inline-formula id="inf394">
<mml:math id="m454">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the initial <inline-formula id="inf395">
<mml:math id="m455">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf396">
<mml:math id="m456">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula id="inf397">
<mml:math id="m457">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf398">
<mml:math id="m458">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf399">
<mml:math id="m459">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the dimensional rate of pathogen replication, pathogen clearance and infection, respectively. <inline-formula id="inf400">
<mml:math id="m460">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf401">
<mml:math id="m461">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the time-scales for the eclipse phase and the infectious phase, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Immune response to an infection</title>
<p>A simplified immune response model (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>), coupled with the infection kinetics model, is utilised to understand the impact of human body&#x2019;s immune response to pathogen infections in the respiratory tract. The model has been formulated based on available experimentally-validated mathematical frameworks (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Dobrovolny et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Cao et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B92">Quirouette et al., 2020</xref>) and considers the effects of interferons, antibodies as well as cytotoxic <inline-formula id="inf402">
<mml:math id="m462">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-lymphocytes. The specific mathematical models for the individual immune responses are discussed in the following sections.</p>
<sec id="s4-2-1">
<title>4.2.1 Interferon response</title>
<p>Interferons are assumed to affect infection progression by attenuating replication of the pathogens. The pathogen replication rate <inline-formula id="inf403">
<mml:math id="m463">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is, thus, reduced in presence of interferons and is determined as<disp-formula id="e59">
<mml:math id="m464">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(59)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf404">
<mml:math id="m465">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the pathogen replication rate in absence of interferons (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">Equation 54</xref>) and <inline-formula id="inf405">
<mml:math id="m466">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the interferon fraction required to halve the replication rate. <inline-formula id="inf406">
<mml:math id="m467">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the interferon fraction present in the body (relative to the maximum amount interferons that may be present) and it is assumed to vary with time as<disp-formula id="e60">
<mml:math id="m468">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(60)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf407">
<mml:math id="m469">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf408">
<mml:math id="m470">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the dimensionless rates of interferon growth and decay, respectively. <inline-formula id="inf409">
<mml:math id="m471">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless time at which interferon fraction reaches its maxima.</p>
</sec>
<sec id="s4-2-2">
<title>4.2.2 Antibody response</title>
<p>Antibodies act by neutralising the pathogens present in the body. The pathogen clearance rate (<inline-formula id="inf410">
<mml:math id="m472">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">Equation 54</xref>) is, thus, enhanced due to antibodies and is determined as<disp-formula id="e61">
<mml:math id="m473">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(61)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf411">
<mml:math id="m474">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the enhanced clearance rate due to antibodies and <inline-formula id="inf412">
<mml:math id="m475">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless binding affinity of antibodies to the pathogens. <inline-formula id="inf413">
<mml:math id="m476">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the antibody fraction present in the body and it varies with time as<disp-formula id="e62">
<mml:math id="m477">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(62)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf414">
<mml:math id="m478">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless antibody growth rate and <inline-formula id="inf415">
<mml:math id="m479">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the initial antibody fraction present in the body.</p>
</sec>
<sec id="s4-2-3">
<title>4.2.3 <inline-formula id="inf416">
<mml:math id="m480">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>lymphocyte response</title>
<p>The cytotoxic <inline-formula id="inf417">
<mml:math id="m481">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>lymphocytes act by directly attacking the infected cells. <xref ref-type="disp-formula" rid="e56">Equations 56</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">57</xref> are, thus, modified when <inline-formula id="inf418">
<mml:math id="m482">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>lymphocytes are present as<disp-formula id="e63">
<mml:math id="m483">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(63)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e64">
<mml:math id="m484">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(64)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf419">
<mml:math id="m485">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the dimensionless rate of infected cells neutralisation by the <inline-formula id="inf420">
<mml:math id="m486">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>lymphocytes. <inline-formula id="inf421">
<mml:math id="m487">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the fractional amount of <inline-formula id="inf422">
<mml:math id="m488">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>lymphocytes present at any time and is determined as<disp-formula id="e65">
<mml:math id="m489">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(65)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf423">
<mml:math id="m490">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf424">
<mml:math id="m491">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the dimensionless rates of <inline-formula id="inf425">
<mml:math id="m492">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>lymphocyte growth and decay, respectively. <inline-formula id="inf426">
<mml:math id="m493">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless time at which amount of <inline-formula id="inf427">
<mml:math id="m494">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>lymphocytes present in the body reaches its maxima.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3 Infection progression</title>
<p>The pathogen transport model (<xref ref-type="sec" rid="s4-1">Sections 4.1</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s4-2">4.2</xref>) coupled with the particle transport and deposition model (<xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>) have been utilised to study the dynamics and progression of a SARS-CoV-2 infection in a human LRT (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>). The predictions of this model has been observed to appreciably predict viral load dynamics available from patient data (<xref ref-type="bibr" rid="B79">N&#xe9;ant et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B108">Wang et al., 2020</xref>), highlighting the potential future clinical utility of this mathematical model. It is assumed during this analysis that pathogen-loaded droplets are present in the naso-pharyngeal region of the respiratory tract. These droplets may be a combination of droplets inhaled from the environment (which have not deposited in the upper respiratory tract) and those formed due to aerosolization of nasopharyngeal mucosa, and are inhaled into the trachea during breathing. No other source of droplets are considered.</p>
<p>It is observed from the analysis that pathogen (SARS-CoV-2) concentration in mucus <inline-formula id="inf428">
<mml:math id="m495">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at the end of the inhalation, is qualitatively similar to droplet deposition characteristics. This is due to a significantly shorter time-scale of droplet deposition, as compared to pathogen infection and clearance from the LRT (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>). As droplet inhalation stops, mucociliary clearance transports the pathogens deposited in the upper airways of the LRT <inline-formula id="inf429">
<mml:math id="m496">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> upstream towards the trachea <inline-formula id="inf430">
<mml:math id="m497">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This can be inferred from the spatial change in <inline-formula id="inf431">
<mml:math id="m498">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with time (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S9a</xref>). This mechanism washes out the pathogens from the upper airways as long as washout dominates over pathogen replication. Once pathogen replication starts to dominate, <inline-formula id="inf432">
<mml:math id="m499">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is observed to again increase with time indicating infection growth within the LRT (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figures S9a, b</xref>).</p>
<p>In contrast to pathogens deposited in airways, pathogens deposited in the deep lung <inline-formula id="inf433">
<mml:math id="m500">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are transported only through diffusion since mucociliary clearance is negligible in the deep lung. The dynamics of <inline-formula id="inf434">
<mml:math id="m501">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the deep lung is, thus, governed by the weaker diffusive transport (compared to mucociliary clearance) and pathogen kinetics only. As a result, deep lung deposition of pathogens leads to longer persistence times. This increases the probability of an infection becoming severe causing serious diseases (pneumonia, acute respiratory distress syndrome etc.). In addition, the thin surfactant layer lining the deep lung increases the possibility of the pathogens entering the blood stream.</p>
<p>The LRT infection is observed to grow as long as pathogen replication dominates over pathogen clearance. Once clearance becomes stronger, infection starts to recede (<inline-formula id="inf435">
<mml:math id="m502">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases) with time (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S9b</xref>). This results in a peak infectious state beyond which infection starts to resolve. The peak infectious state and the infection resolution time is observed to be dependent on several fluid dynamics, physiological as well as infection parameters (see <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al. (2023)</xref> for details). The analysis reveals that the major impact is due to immune responses, paticularly antibodies (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S10a</xref>) and cytotoxic T-lymphocytes (<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S10b</xref>), which reinforces the critical role played by vaccination in preventing infection severity.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s5">
<title>5 Discussion</title>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Utility and limitations of 1D models</title>
<p>High resolution computational simulations of the complete respiratory tract becomes difficult due to the geometrical complexity of the respiratory tract (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Karamaoun et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Ghorui et al., 2024</xref>). Analyses have shown that the transport phenomena within the respiratory tract has a time-periodic nature which enables 1D approximations with reasonable accuracy (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chakravarty et al., 2019</xref>). Simplified 1D computational models would be reasonable when the focus is to capture the key trends of droplet/particle/pathogen transport and deposition for the complete respiratory tract. While such simplified models cannot account for the effects of heterogeneity in the lung, it is a tractable approach and can help understand some of the key trends dependent on the entire respiratory tract (see <xref ref-type="sec" rid="s2">Sections 2</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s3">3</xref>). Investigation of pulmonary drug delivery using a simplified 1D model (see <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Sections 2.3</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s3-2">3.2</xref>) has provided information regarding spatio-temporal drug deposition characteristics throughout the respiratory tract and also suggested ways of enhancing drug delivery efficacy (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>). The pathogen infection model (see <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref>) has been utilised to study the spatio-temporal evolution of SARS-CoV-2 infection in a human respiratory tract and provided useful information on the role played by various physiological and fluid dynamic parameters on infection characteristics (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>). Similar investigations can be carried out considering other viral infections as well.</p>
<p>It is worthwhile to note that the 1D single trumpet model does not fully resolve complicated flow patterns in the URT or the effect of heterogeneity in the lungs. This limits the use of 1D models in studying the effects of anatomical variability of the lung - multi-path models (<xref ref-type="bibr" rid="B62">Kundu and Panchagnula, 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B63">2025</xref>) and high-fidelity 3D simulations (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Bartol et al., 2024</xref>) prove to be more well-suited in this regard. One workaround is through appropriate consideration of variation in the geometric parameters of reduced-order 1D models. <xref ref-type="bibr" rid="B28">Devi et al. (2016)</xref> used this approach in a 1D trumpet model to identify the particle sizes which showed the least inter-subject variability in deposition. In a recent study, <xref ref-type="bibr" rid="B69">Mate-Kole et al. (2024)</xref> employed machine learning techniques to enhance uncertainty quantification and sensitivity analysis in the ICRP model for inhaled radionuclides. A second approach could be through modelling of a network of dichotomously branched heterogeneous lung by approximating each branch as a 1D tube with similar governing equations as the trumpet model. This is reported before (<xref ref-type="bibr" rid="B46">Hasler et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B62">Kundu and Panchagnula, 2023</xref>) and also summarized in <xref ref-type="sec" rid="s5-3-3">Section 5.3.3</xref>, below.</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 Dimensionless numbers determining lung function</title>
<p>Dimensionless numbers give an understanding of the dominant physics in the governing equations and therefore, the lung function. This is evident from the equations and results summarized in this article in the previous sections. <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref> summarizes the dimensionless numbers that govern the various lung functions - airflow, gas exchange, particle deposition and clearance, and infection dynamics - and their typical physiological magnitudes. The magnitude of infection dynamics parameters listed are relevant for a typical SARS-CoV-2 infection (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>) and are subject to variations while modeling other respiratory infections. These dimensionless numbers listed in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref> could form the basis of constructing a <italic>virtual disease landscape</italic> discussed in <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref> below.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Non-dimensional numbers and their physiological magnitudes encountered during airflow, gas exchange, particle deposition and clearance, and infections in the respiratory tract. These numbers are defined in the respective sections of this article. &#x2a;The magnitudes corresponding to infection dynamics are relevant for a typical SARS-CoV-2 infection.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Phenomena</th>
<th align="left">Dimensionless parameter</th>
<th align="left">Definition</th>
<th align="center">Physiological magnitude</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td rowspan="5" align="center">
<italic>Airflow</italic>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf436">
<mml:math id="m503">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Reynolds number (<xref ref-type="sec" rid="s2-1">Section 2.1</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf437">
<mml:math id="m504">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf438">
<mml:math id="m505">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Womersley number (<xref ref-type="sec" rid="s2-1">Section 2.1</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf439">
<mml:math id="m506">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf440">
<mml:math id="m507">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Length-change factor (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>)</td>
<td align="center">0.73</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf441">
<mml:math id="m508">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Area-change factor (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>)</td>
<td align="center">0.71</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf442">
<mml:math id="m509">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Branching asymmetry parameter (<xref ref-type="sec" rid="s5-3-3">Section 5.3.3</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf443">
<mml:math id="m510">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="5" align="center">
<italic>Gasexchange</italic>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf444">
<mml:math id="m511">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Gas-phase P&#xe9;clet number (<xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf445">
<mml:math id="m512">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1000</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>65000</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf446">
<mml:math id="m513">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Strouhal number (air) (<xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf447">
<mml:math id="m514">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="2" align="left">
<inline-formula id="inf448">
<mml:math id="m515">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td rowspan="2" align="left">Gas exchange parameter (<xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf449">
<mml:math id="m516">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>500</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2500</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf450">
<mml:math id="m517">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2295.827</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf451">
<mml:math id="m518">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Dimensionless exposure time (<xref ref-type="sec" rid="s2-2-2">Section 2.2.2</xref>)</td>
<td align="center">5</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="7" align="center">
<italic>Particle deposition and clearance</italic>
<break/>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf452">
<mml:math id="m519">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Particle P&#xe9;clet number (air) (<xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf453">
<mml:math id="m520">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf454">
<mml:math id="m521">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Particle P&#xe9;clet number (mucus) (<xref ref-type="disp-formula" rid="e51">Equation 51</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf455">
<mml:math id="m522">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf456">
<mml:math id="m523">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Strouhal number (air) (<xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf457">
<mml:math id="m524">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf458">
<mml:math id="m525">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Strouhal number (mucus) (<xref ref-type="disp-formula" rid="e51">Equation 51</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf459">
<mml:math id="m526">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1500</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf460">
<mml:math id="m527">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">exp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Dimensionless exposure time (<xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>)</td>
<td align="center">5</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf461">
<mml:math id="m528">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Mucus layer thickness change factor (<xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>)</td>
<td align="center">0.9</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf462">
<mml:math id="m529">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Mucus layer velocity change factor (<xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>)</td>
<td align="center">0.87</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="13" align="center">
<italic>Infection dynamics&#x2a;</italic>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf463">
<mml:math id="m530">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Pathogen production rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e58">Equation 58</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf464">
<mml:math id="m531">
<mml:mrow>
<mml:mn>3.8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5.62</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf465">
<mml:math id="m532">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Clearance rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e58">Equation 58</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf466">
<mml:math id="m533">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3.79</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf467">
<mml:math id="m534">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Half-replication rate interferon fraction (<xref ref-type="disp-formula" rid="e59">Equation 59</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf468">
<mml:math id="m535">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf469">
<mml:math id="m536">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Interferon fraction peak time (<xref ref-type="disp-formula" rid="e60">Equation 60</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf470">
<mml:math id="m537">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.16</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19.44</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf471">
<mml:math id="m538">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Interferon growth rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e60">Equation 60</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf472">
<mml:math id="m539">
<mml:mrow>
<mml:mn>9.26</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf473">
<mml:math id="m540">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Interferon decay rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e60">Equation 60</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf474">
<mml:math id="m541">
<mml:mrow>
<mml:mn>4.63</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf475">
<mml:math id="m542">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Antibody-pathogen binding affinity (<xref ref-type="disp-formula" rid="e61">Equation 61</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf476">
<mml:math id="m543">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>9.1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf477">
<mml:math id="m544">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Initial antibody concentration (<xref ref-type="disp-formula" rid="e62">Equation 62</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf478">
<mml:math id="m545">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.005</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf479">
<mml:math id="m546">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Antibody growth rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e62">Equation 62</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf480">
<mml:math id="m547">
<mml:mrow>
<mml:mn>3.472</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf481">
<mml:math id="m548">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">T-lymphocyte cell neutralisation rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e63">Equations 63</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e64">64</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf482">
<mml:math id="m549">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf483">
<mml:math id="m550">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">T-lymphocyte peak time (<xref ref-type="disp-formula" rid="e65">Equation 65</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf484">
<mml:math id="m551">
<mml:mrow>
<mml:mn>8.64</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>34.56</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf485">
<mml:math id="m552">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">T-lymphocyte growth rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e65">Equation 65</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf486">
<mml:math id="m553">
<mml:mrow>
<mml:mn>9.26</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf487">
<mml:math id="m554">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">T-lymphocyte decay rate (<xref ref-type="disp-formula" rid="e65">Equation 65</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf488">
<mml:math id="m555">
<mml:mrow>
<mml:mn>4.63</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s5-3">
<title>5.3 Optimal branching of the lung</title>
<p>One of the questions of interest is whether the lung morphology has developed to be optimal for certain function(s). And if so how would deviations from standard morphology potentially lead to pathologies? The primary function of the lung is gas exchange. Thus, its morphology might be optimal for air flow and/or gas exchange. The former has been reported in literature (see <xref ref-type="sec" rid="s5-3-1">Section 5.3.1</xref> below) and some insights on the latter are also discussed below (see <xref ref-type="sec" rid="s5-3-2">Section 5.3.2</xref>). Asymmetry of the branching structure of the lung may also affect optimality (see <xref ref-type="sec" rid="s5-3-3">Section 5.3.3</xref>).</p>
<p>While particle deposition and clearance in the lung has been extensively studied, more research is needed to determine whether the lung morphology is optimal to minimize particle deposition from inhaled air and to maximize particle removal via mucus clearance - necessary actions from the perspective of disease prevention. We note that particle deposition is different from gas exchange, although the governing equations are similar (see <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Sections 2.3</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s1">1</xref>). This is because, particles are not absorbed easily into the bloodstream like, say, oxygen because they are much bigger in size. Instead, particles deposit in the mucosal layer and mucus clearance transports the particles out of the lung.</p>
<sec id="s5-3-1">
<title>5.3.1 Optimization based on air flow</title>
<p>There are at least two ways to investigate whether the lung morphology is optimal to minimize resistance to air flow. The first approach involves an analysis where the total length and volume of different dichotomous trees being compared are held fixed. Then <inline-formula id="inf489">
<mml:math id="m556">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf490">
<mml:math id="m557">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>) can be optimized such that the total flow resistance is minimized. It is to be noted that the physiological values of <inline-formula id="inf491">
<mml:math id="m558">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf492">
<mml:math id="m559">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are close to the optimal values <xref ref-type="bibr" rid="B70">Mauroy et al. (2004)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Weibel and Gomez (1962)</xref>.</p>
<p>A second alternate approach is to fix the dimensions of the <inline-formula id="inf493">
<mml:math id="m560">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>zero</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> generation (trachea) and then keep adding dichotomous generations. Clearly, the length and volume will keep increasing as one considers scenarios with increasing number of generations. Hence, to compare across these scenarios with different number of generations, one can do a comparison of a dimensionless resistance normalized by the resistance of straight tube of the same length and volume as a particular tree network being analyzed. This is similar to the concept of drag coefficient for flow over objects. To that end, consider a straight tube of the same length <inline-formula id="inf494">
<mml:math id="m561">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the same total volume as a trumpet model with <inline-formula id="inf495">
<mml:math id="m562">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> generations. Assuming parabolic flow in this equivalent straight tube, its flow resistance <inline-formula id="inf496">
<mml:math id="m563">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e66">Equation 66</xref> as<disp-formula id="e66">
<mml:math id="m564">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(66)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The dimensionless ratio, <inline-formula id="inf497">
<mml:math id="m565">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, of <inline-formula id="inf498">
<mml:math id="m566">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the resistance of a trumpet model with <inline-formula id="inf499">
<mml:math id="m567">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> generations <inline-formula id="inf500">
<mml:math id="m568">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by<disp-formula id="e67">
<mml:math id="m569">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(67)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Maximizing <inline-formula id="inf501">
<mml:math id="m570">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (i.e., minimizing the relative value of <inline-formula id="inf502">
<mml:math id="m571">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) leads to the optimal values of <inline-formula id="inf503">
<mml:math id="m572">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf504">
<mml:math id="m573">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It follows from <xref ref-type="disp-formula" rid="e67">Equation 67</xref> that the optimal value of <inline-formula id="inf505">
<mml:math id="m574">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.78</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf506">
<mml:math id="m575">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf507">
<mml:math id="m576">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B55">Kou et al., 2014</xref>), which is close to the physiological value.</p>
</sec>
<sec id="s5-3-2">
<title>5.3.2 Optimization based on gas exchange</title>
<p>Optimization of lung structure for gas exchange is another consideration (<xref ref-type="bibr" rid="B96">Sapoval et al., 2002</xref>). Similar to the second approach for flow resistance-based optimization, one can optimize the resistance to the impalement of gas into the deep lung. To that end, consider the total resistance <inline-formula id="inf508">
<mml:math id="m577">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the flux of concentration. We define <inline-formula id="inf509">
<mml:math id="m578">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the concentration difference per unit concentration flux. We compare the trumpet configuration concentration resistance <inline-formula id="inf510">
<mml:math id="m579">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the concentration resistance <inline-formula id="inf511">
<mml:math id="m580">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a straight tube of the same length and volume. Following theoretical solutions as presented earlier, we get<disp-formula id="e68">
<mml:math id="m581">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(68)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf512">
<mml:math id="m582">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has been used and <inline-formula id="inf513">
<mml:math id="m583">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the ratio of concentration resistances discussed above. <inline-formula id="inf514">
<mml:math id="m584">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Peclet number of the straight channel of same length, volume, and pressure difference as the trumpet channel. The concentration at <inline-formula id="inf515">
<mml:math id="m585">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is taken to be zero for all practical purposes and the inlet concentration is a specified constant value. <xref ref-type="disp-formula" rid="e68">Equation 68</xref> shows that <inline-formula id="inf516">
<mml:math id="m586">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is maximized for <inline-formula id="inf517">
<mml:math id="m587">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, once again in the physiologically relevant range.</p>
</sec>
<sec id="s5-3-3">
<title>5.3.3 Asymmetry and optimality</title>
<p>Although the aforementioned optimality results assumed symmetric branching, those results may be regarded to be relevant in the &#x201c;average&#x201d; sense. An important feature of airway branching structure is also its asymmetry. While a majority of human airway models have assumed a simplified morphology of the lung by considering symmetric bifurcations (<xref ref-type="bibr" rid="B111">Weibel et al., 1963</xref>), careful analysis of morphometric measurements have shown that the bifurcations are in fact asymmetrical in nature (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Raabe, 1976</xref>). Surprisingly, there lies a consistency in the degree of asymmetry across all generations, although it varies from species to species (<xref ref-type="bibr" rid="B68">Majumdar et al., 2005</xref>). Studies on investigating the optimal degree of asymmetry have led to interesting results (<xref ref-type="bibr" rid="B72">Miguel, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B73">2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B33">Florens et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B70">Mauroy et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B62">Kundu and Panchagnula, 2023</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B70">Mauroy et al. (2004)</xref> have shown that a mechanically optimal lung is vulnerable to broncho-constriction. <xref ref-type="bibr" rid="B33">Florens et al. (2011)</xref> showed how oxygenation times start decreasing sharply as the degree of asymmetry is increased beyond a critical point.</p>
<p>Through deterministic asymmetric multi-path models of the bronchial trees, <xref ref-type="bibr" rid="B62">Kundu and Panchagnula (2023)</xref> studied the optimality of the lung as a multi-functional organ. Their findings suggest that the number of terminal bronchioles, which is correlated to the gas exchange surface area, is maximized at symmetry (branching asymmetry parameter <inline-formula id="inf518">
<mml:math id="m588">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>; see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S11a</xref>). The volume occupied by the conducting airways is minimized at symmetry, suggesting the most compact design (<inline-formula id="inf519">
<mml:math id="m589">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S11b</xref>). The viscous resistance to air-flow, which should be as low as possible in an optimal lung, is also minimized for a symmetrically branched bronchial tree (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S11c</xref>). Breathing, the primary function of the lung, is thus optimized for a symmetrically branched bronchial tree based on these three parameters. Therefore, perfectly symmetric bifurcations appear to be the best design for the airways.</p>
<p>However, airway structure in the respiratory system is inherently asymmetric. This is necessitated due to the role played by airway asymmetry in particle filtration - the secondary function of the lung. As aerosol-laden air is inhaled, the particles get deposited in the airways through three main physical mechanisms - diffusion, impaction and sedimentation (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B62">Kundu and Panchagnula, 2023</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B62">Kundu and Panchagnula (2023)</xref> have shown that for a finitely asymmetric bronchial tree, the particles get maximally deposited in the non-terminal branches of the lung, thereby protecting the deep lung from getting exposed to foreign particles (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S11d</xref>). The degree of asymmetry which theoretically maximizes this particle filtration efficiency is very close to that measured in human lung (<xref ref-type="bibr" rid="B68">Majumdar et al., 2005</xref>).</p>
<p>Thus, although symmetric branchings are the most optimal for maximizing gas exchange surface area, volume occupied and fluid dynamic resistance, asymmetry can maximize particle filtration by enhancing tracheo-bronchial deposition. This shift from mechanical optimality can enhance the protective mechanism of the airways.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5-4">
<title>5.4 Transition between convection and diffusion dominant regions</title>
<p>The concentration profiles during inhalation (e.g., <xref ref-type="sec" rid="s13">SupplementaryFigure S1</xref>) show that in the upper generations of the lung the gas transport (e.g., of oxygen) is convection dominated. The concentration profile appears almost constant; this is called the &#x201c;conductive&#x201d; region of the lung. In the deeper generations, the concentration profile is diffusion dominated. It is characterised by lower concentrations with very small gradients. The concentration profile shows a distinct transition between these two regions. The location of this transition can be theoretically estimated in the limiting case of steady state profile as discussed below.</p>
<p>It follows from <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 15</xref> that<disp-formula id="e69">
<mml:math id="m590">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(69)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The last term is the diffusion-like term with an effective diffusion coefficient <inline-formula id="inf520">
<mml:math id="m591">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that depends not only on gas diffusion <inline-formula id="inf521">
<mml:math id="m592">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> but also on the cross-sectional area <inline-formula id="inf522">
<mml:math id="m593">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the lung. Thus, increasing area of the lung enhances the effective diffusive transport in deep lung.</p>
<p>The first two terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="e69">Equation 69</xref> are convection-like terms. Of these, the term involving <inline-formula id="inf523">
<mml:math id="m594">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the familiar flow-based convective transport term. The second term involving <inline-formula id="inf524">
<mml:math id="m595">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is present only because <inline-formula id="inf525">
<mml:math id="m596">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not constant in the lung. This term behaves like a pseudo-convective term with an effect that is equivalent to a flow from deeper generations to the mouth (note: <inline-formula id="inf526">
<mml:math id="m597">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), i.e., like a reverse flow during inhalation. This has an effect of making the concentration profile look like a convection-dominated flow (near constant concentration profile) but in the reverse direction even in the so-called diffusion-dominated region (see <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figure S1</xref>). Thus, it should be expected that the convection-like term based on <inline-formula id="inf527">
<mml:math id="m598">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would dominate the upper generations of the lung (&#x201c;conductive region&#x201d;), while the convection-like term based on <inline-formula id="inf528">
<mml:math id="m599">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would dominate the deeper generations of the lung (&#x201c;diffusive region&#x201d;). The transition location is influenced by a competition between these two mechanisms, as shown below.</p>
<p>For the profile in the transition region, there will be an inflection point (see <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>). Consequently, at the inflection point in the plot of <inline-formula id="inf529">
<mml:math id="m600">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vs. <inline-formula id="inf530">
<mml:math id="m601">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we have <inline-formula id="inf531">
<mml:math id="m602">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> without <inline-formula id="inf532">
<mml:math id="m603">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becoming zero. This is possible when (<xref ref-type="bibr" rid="B87">Paiva et al., 1976</xref>)<disp-formula id="e70">
<mml:math id="m604">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(70)</label>
</disp-formula>Substituting relevant expression in <xref ref-type="disp-formula" rid="e70">Equation 70</xref> and solving for the generation number <inline-formula id="inf533">
<mml:math id="m605">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the inflection point for a given constant flow rate <inline-formula id="inf534">
<mml:math id="m606">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we get<disp-formula id="e71">
<mml:math id="m607">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(71)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> shows the change in location of the transition zone (in terms of <inline-formula id="inf535">
<mml:math id="m608">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) for a range of <inline-formula id="inf536">
<mml:math id="m609">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as obtained using <xref ref-type="disp-formula" rid="e71">Equation 71</xref>. It can be observed that the transition zone progressively moves inwards into the lung with increase in convection (larger <inline-formula id="inf537">
<mml:math id="m610">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). This can be corroborated with the gas concentration profiles shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. Furthermore, the breadth of the transition region can also be estimated. We note that around the inflection point the convection and diffusion terms must be of the same order<disp-formula id="e72">
<mml:math id="m611">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(72)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Change in position of the inflection point <inline-formula id="inf538">
<mml:math id="m612">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf539">
<mml:math id="m613">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The entire physiological range of <inline-formula id="inf540">
<mml:math id="m614">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (based on gas diffusivity and flow rate) is considered.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g008.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Scatter plot showing red circles forming an upward curve. The y-axis is labeled \( N_I \) ranging from 11 to 19. The x-axis is labeled \( P_{eg} \) (\( \times 10^4 \)) ranging from 0 to 7. The data points increase steadily as x-values increase.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Inserting scales in <xref ref-type="disp-formula" rid="e72">Equation 72</xref>, we get that the width <inline-formula id="inf541">
<mml:math id="m615">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the transition region around the inflection point should be such that<disp-formula id="e73">
<mml:math id="m616">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(73)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e73">Equation 73</xref> gives an estimate for <inline-formula id="inf542">
<mml:math id="m617">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s5-5">
<title>5.5 Nitrogen washout</title>
<p>Single or multiple-breadth washout (SBW or MBW) of nitrogen <inline-formula id="inf543">
<mml:math id="m618">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is one of the tests used to quantify the degree of heterogeneity in the ventilation of the lung. Since <inline-formula id="inf544">
<mml:math id="m619">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is present in the air, there is an equilibrium concentration in the deep lung during regular breathing. During the test, the subject breathes pure oxygen <inline-formula id="inf545">
<mml:math id="m620">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so that <inline-formula id="inf546">
<mml:math id="m621">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> starts getting washed out of the lung. During each exhalation, the concentration of <inline-formula id="inf547">
<mml:math id="m622">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vs. time has a profile similar to that in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>. The concentration of <inline-formula id="inf548">
<mml:math id="m623">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coming out is low at the beginning of exhalation since that is the gas (mostly <inline-formula id="inf549">
<mml:math id="m624">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) from the upper generations of the lung. The <inline-formula id="inf550">
<mml:math id="m625">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> concentration goes up when <inline-formula id="inf551">
<mml:math id="m626">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from deep lung starts exiting. The slope of this final phase of the graph is not zero (<xref ref-type="bibr" rid="B61">Krogh and Lindhard, 1917</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Crawford et al., 1985</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B85">Paiva, 1989</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Engel and Paiva, 1981</xref>). This is the slope of the &#x201c;alveolar plateau.&#x201d; It has been found that this slope is indicative of asymmetry or heterogeneity in the lung. A 1D trumpet model, which effectively represents a symmetric lung with well-mixed gas, is known to give a near-zero slope for the alveolar plateau unlike experimental data (<xref ref-type="bibr" rid="B85">Paiva, 1989</xref>).</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Nitrogen washout curve analytically calculated for two asymmetric branches merging. Dashed line represents the &#x201c;phase III&#x201d; slope of the washout curve.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-16-1635983-g009.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Line graph showing normalized N2 concentration over time. The solid line starts near zero, sharply increases around time 20, and levels off near 1.0. A dashed line rises gradually, intersecting the solid line around time 30.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Models with some degree of asymmetric branching are shown to capture the slope of the alveolar plateau (<xref ref-type="bibr" rid="B85">Paiva, 1989</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B46">Hasler et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Crawford et al., 1985</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Engel and Paiva, 1981</xref>). This can be understood as follows. During inhalation of pure <inline-formula id="inf552">
<mml:math id="m627">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the concentration of <inline-formula id="inf553">
<mml:math id="m628">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the deeper generations is high and at the mouth it is zero. When exhalation begins, the concentration of <inline-formula id="inf554">
<mml:math id="m629">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is convected out to the mouth. We can convert the concentration vs. generation number <inline-formula id="inf555">
<mml:math id="m630">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> graph during inhalation to the concentration vs. time graph at the mouth during exhalation by the following transformation (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e74">Equation 74</xref>). For simplicity, consider the steady state concentration vs. <inline-formula id="inf556">
<mml:math id="m631">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> graph as the limiting profile during inhalation. The transformation basically finds the time <inline-formula id="inf557">
<mml:math id="m632">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> it will take for the gas at location <inline-formula id="inf558">
<mml:math id="m633">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to reach the mouth:<disp-formula id="e74">
<mml:math id="m634">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ln</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(74)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using this transformation, the concentration vs. <inline-formula id="inf559">
<mml:math id="m635">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> graph for <inline-formula id="inf560">
<mml:math id="m636">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> during inhalation is converted to concentration vs. time for <inline-formula id="inf561">
<mml:math id="m637">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the mouth during exhalation. Now imagine the whole lung to be composed of two asymmetric branches with different Peclet numbers. Model each branch as a 1D trumpet. The trumpet model solution is applicable for each branch. The <inline-formula id="inf562">
<mml:math id="m638">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> concentration coming out of each branch is mixed at the junction during exhalation. Upon analytically adding the <inline-formula id="inf563">
<mml:math id="m639">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> concentration exhaled from each branch, the slope of the alveolar plateau is recovered as seen in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>. This slope arises due to the superposition of the convective and diffusive portions of the concentration profiles in the two branches (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Crawford et al., 1985</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Engel and Paiva, 1981</xref>). Models with more levels of branching will allow resolution of the phenomenon with greater fidelity (<xref ref-type="bibr" rid="B46">Hasler et al., 2019</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s5-6">
<title>5.6 Clinical relevance</title>
<p>The 1D models of droplet and particle transport discussed in this article (<xref ref-type="sec" rid="s2">Sections 2</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s3">3</xref>) have been utilised to computationally study pulmonary drug delivery and retention (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>) with major focus on identifying physiological conditions conducive for delivering drugs to the deep lung. This is crucial for achieving systemic drug delivery. Salient results have been discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref> using <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figures S6, S7</xref>. Drug delivery efficacy to the deep lung is observed to remain highest for <inline-formula id="inf564">
<mml:math id="m640">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m aerosols. Drug deposition in the deep lung is observed to increase by a factor of 2, with respect to normal breathing, with doubling of the breathing time period (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Chakravarty et al., 2022</xref>). This suggests that breath control may be utilised as for enhancing drug delivery efficacy to the deep lung. Inhaled drug load reduces with increase in efficacy which can help in minimizing the side effects associated with drug inhalation.</p>
<p>The pathogen transport model (<xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref>), coupled with the droplet transport (<xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>) and immune response models (<xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>), can be utilised to study the spatio-temporal progression of infection within the lung. <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chakravarty et al. (2023)</xref> utilised this model for understanding SARS-CoV-2 spread to the deep lung and proposed a new paradigm for this propagation called Reaerosolisation of Nasopharyngeal Mucosa (RNM). The model predicted that a severe infection (leading to pneumonia) develops within the deep lung within 2.5&#x2013;7 days of symptom onset, in agreement with clinical findings. It was observed that immune responses, particularly antibodies and T-lymphocytes, play a critical role in preventing a severe infection. This also reinforces the role played by vaccination in managing a severe infection. The analysis also revealed that managing aerosolization of infected nasopharyngeal mucosa can be used as a potential strategy for minimizing infection spread and severity within the lung. These results have been discussed in <xref ref-type="sec" rid="s4-3">Section 4.3</xref> utilising <xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Figures S8-S10</xref>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Outlook</title>
<sec id="s6-1">
<title>6.1 Improvement of 1D models and disease specific modeling</title>
<p>1D models discussed in this perspective rely on reduced-order forms of various physical mechanisms (such as particle deposition). Similarly, a better understanding of aerosolization within the airways will help develop aerosolization source terms for use in the 1D governing equations. Aerosolization may take place due to mucosal layer bridge formation within small airways in the deep lung (&#x201c;airway closure mechanism&#x201d;) (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Grotberg, 2011</xref>). A second route through shear layer atomization of the mucosal layer during coughing has been reproduced via simulations (<xref ref-type="bibr" rid="B83">Pairetti et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B95">Saha et al., 2024</xref>) and experiments (<xref ref-type="bibr" rid="B50">Kant et al., 2023</xref>). Although mucosal shear flow during normal breathing is stable, increased exhaled aerosol formation during SARS-CoV-2 infection has been reported (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Edwards et al., 2021</xref>). In addition, shear flows of viscoelastic fluids (such as airway mucus) that are linearly stable have been found to be non-linearly unstable in the presence of large perturbations (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Datta et al., 2022</xref>). Thus, non-linear stability of the mucosal layer that is driven (and disturbed) by ciliary beating needs further investigation as a potential source of aerosolization.</p>
<p>The need for better aerosolization models is particularly important in the context of SARS-CoV-2 specific modeling since mucosal aerosolization might be significantly enhanced in SARS-CoV-2 patients (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Edwards et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B83">Pairetti et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B77">Morawska et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Darquenne et al., 2022a</xref>). This requires information on how does SARS-CoV-2 (and other respiratory infections in general) impact mucosal layer viscoelastic properties, and how does that impact the degree of aerosolization within the airways and in the nasopharyngeal region? How would that impact aerosol transport in the airways and would it increase the chances of deep lung infection as seen in SARS-CoV-2 patients? These questions remain unanswered.</p>
<p>Another well-known airborne infection is pulmonary tuberculosis (TB) which continues to be a global menace. Sparse data are available regarding the mechanism underlying the occurrence of TB infection, wherein it is intriguing as to why only 70% of individuals exposed do not get infected, whereas only 30% develop infection (<xref ref-type="bibr" rid="B98">Sharma et al., 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B97">Sharma and Mohan, 2017</xref>). Thus, careful experiments and fluid dynamics calculations would be important tools to gain these insights.</p>
</sec>
<sec id="s6-2">
<title>6.2 Generalization to tree network</title>
<p>Throughout this perspective, the 1D trumpet model is used to represent the entire lung and model different aspects. Several key insights into lung physiology have been reported through the years using this approach. While all aspects of lung physiology may not be captured by a 1D trumpet model for the entire lung (e.g., <inline-formula id="inf565">
<mml:math id="m641">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> washout), there is scope for generalization. The 1D governing equations need not be used to represent the entire lung. Instead 1D equations could be used to represent branches or collection of branches in the lung tree network. Thus, modeling with various degrees of resolution could be done to gain more resolved insights into the physiology of a heterogeneous lung (<xref ref-type="bibr" rid="B46">Hasler et al., 2019</xref>). In this direction, stochastic multi-path models of varying granularity has been the focus of one of our groups (Panchagnula) and have yielded significant insights.</p>
</sec>
<sec id="s6-3">
<title>6.3 A virtual disease landscape</title>
<p>In this perspective, the 1D governing equations were presented in terms of non-dimensional numbers. These represent the fundamental parameters or metrics on which lung physiology would depend. Consequently, normal or pathological patient groups should occupy different regions in this parameter space defining a <italic>virtual disease landscape</italic> (VDL). The existence of a VDL was shown for esophageal function in one of our groups (Patankar) (<xref ref-type="bibr" rid="B41">Halder et al., 2022</xref>) and should be explored in the future for the lungs. The non-dimensional numbers defining the VDL could be utilised as a systematic set of metrics or physiomarkers for disease classification and diagnosis, as was shown for esophageal diseases (<xref ref-type="bibr" rid="B117">Zhao et al., 2023</xref>). This can help get mechanistic insights into pathologies. Disease progression could be tracked on the VDL, which coupled with machine learning techniques could be a powerful tool to predict future trajectory of diseases. Finally, the changes in physics-based parameters could be associated with biochemical alteration in the lungs. This connection between functional parameters space to the biochemical space can provide deeper insights into pathogenesis.</p>
</sec>
<sec id="s6-4">
<title>6.4 Hybrid diagnostics tools</title>
<p>Measuring the non-dimensional numbers on a patient specific basis to define the &#x201c;mechanical health&#x201d; of the lungs in the VDL remains a biomechanics challenge in clinical diagnostics. Reduced-order 1D models coupled with physiologic data from diagnostic tools and machine learning techniques could help measure the physiomarkers (e.g., non-dimensional numbers) for disease classification and diagnosis (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Halder et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B41">Halder et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B42">Halder et al., 2023</xref>). This technology could potentially help personalize patient care and treatment planning. Improved and suitably generalized 1D modeling could be an important tool in developing novel physics-machine-learning-clinical-data-based hybrid platforms that could be deployed at point-of-care.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s7">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/<xref ref-type="sec" rid="s13">Supplementary Material</xref>, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s8">
<title>Author contributions</title>
<p>AC: Formal Analysis, Methodology, Writing &#x2013; original draft, Writing &#x2013; review and editing, Software, Conceptualization. DK: Methodology, Writing &#x2013; review and editing, Software. MP: Formal Analysis, Conceptualization, Writing &#x2013; review and editing, Methodology. AM: Conceptualization, Writing &#x2013; review and editing. NP: Formal Analysis, Writing &#x2013; original draft, Conceptualization, Writing &#x2013; review and editing, Methodology.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s9">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research and/or publication of this article. The study was partially funded by Sri Balaji Arogya Vara Prasadini (SBAVP) scheme of Sri Venkateswara Institute of Medical Sciences, Tirupati, Tirumala Tirupati Devasthanams, Tirupati (Grant No. Faculty/ERPW/28/2016-17). DK would like to acknowledge the Prime Minister&#x2019;s Research Fellows (PMRF) scheme, Ministry of Education, Government of India (project no. SB21221950 AMPMRF008445) for providing fellowship.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s11">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
<p>Any alternative text (alt text) provided alongside figures in this article has been generated by Frontiers with the support of artificial intelligence and reasonable efforts have been made to ensure accuracy, including review by the authors wherever possible. If you identify any issues, please contact us.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s12">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s13">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2025.1635983/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2025.1635983/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abkarian</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stone</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Stretching and break-up of saliva filaments during speech: a route for pathogen aerosolization and its potential mitigation</article-title>. <source>Phys. Rev. Fluids</source> <volume>5</volume>, <fpage>102301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevfluids.5.102301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abkarian</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mendez</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stone</surname>
<given-names>H. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Speech can produce jet-like transport relevant to asymptomatic spreading of virus</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci.</source> <volume>117</volume>, <fpage>25237</fpage>&#x2013;<lpage>25245</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.2012156117</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32978297</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Anzai</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shindo</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kohata</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hasegawa</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takana</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matsunaga</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Coupled discrete phase model and eulerian wall film model for numerical simulation of respiratory droplet generation during coughing</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>12</volume>, <fpage>14849</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-022-18788-3</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">36050319</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Atzori</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gallorini</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cottini</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Benassi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Quadrio</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>Direct numerical simulations of inhalation in a 23-generation lung model</article-title>. <source>arXiv Prepr. arXiv:2506.14729</source>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2506.14729</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Baccam</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beauchemin</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Macken</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hayden</surname>
<given-names>F. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perelson</surname>
<given-names>A. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Kinetics of influenza a virus infection in humans</article-title>. <source>J. virology</source> <volume>80</volume>, <fpage>7590</fpage>&#x2013;<lpage>7599</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1128/JVI.01623-05</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">16840338</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Banerji</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grifno</surname>
<given-names>G. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smolen</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>LeBourdais</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muhvich</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Crystal ribcage: a platform for probing real-time lung function at cellular resolution</article-title>. <source>Nat. methods</source> <volume>20</volume>, <fpage>1790</fpage>&#x2013;<lpage>1801</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41592-023-02004-9</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">37710017</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bartol</surname>
<given-names>I. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Graffigna Palomba</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tano</surname>
<given-names>M. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dewji</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Computational multiphysics modeling of radioactive aerosol deposition in diverse human respiratory tract geometries</article-title>. <source>Commun. Eng.</source> <volume>3</volume>, <fpage>152</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s44172-024-00296-z</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">39487346</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Basu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Computational characterization of inhaled droplet transport to the nasopharynx</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>11</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-021-85765-7</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">33758241</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Basu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Holbrook</surname>
<given-names>L. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kudlaty</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fasanmade</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Burke</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Numerical evaluation of spray position for improved nasal drug delivery</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>10</volume>, <fpage>10568</fpage>&#x2013;<lpage>18</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-020-66716-0</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32601278</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Basu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Akash</surname>
<given-names>M. M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hochberg</surname>
<given-names>N. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Senior</surname>
<given-names>B. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Joseph-McCarthy</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chakravarty</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>From sars-cov-2 infection to covid-19 morbidity: an <italic>in silico</italic> projection of virion flow rates to the lower airway <italic>via</italic> nasopharyngeal fluid boluses</article-title>. <source>Rhinol. Online</source> <volume>5</volume>, <fpage>10</fpage>&#x2013;<lpage>18</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.4193/rhinol/21.053</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ben-Tal</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Simplified models for gas exchange in the human lungs</article-title>. <source>J. Theor. Biol.</source> <volume>238</volume>, <fpage>474</fpage>&#x2013;<lpage>495</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2005.06.005</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">16038941</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Biswas</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pal</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pal</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarkar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mukhopadhyay</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Risk assessment of covid infection by respiratory droplets from cough for various ventilation scenarios inside an elevator: an openfoam-based computational fluid dynamics analysis</article-title>. <source>Phys. Fluids</source> <volume>34</volume>, <fpage>013318</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0073694</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35340680</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bourouiba</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>The fluid dynamics of disease transmission</article-title>. <source>Annu. Rev. Fluid Mech.</source> <volume>53</volume>, <fpage>473</fpage>&#x2013;<lpage>508</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-fluid-060220-113712</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>A. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heffernan</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petrie</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moss</surname>
<given-names>R. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carolan</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Innate immunity and the inter-exposure interval determine the dynamics of secondary influenza virus infection and explain observed viral hierarchies</article-title>. <source>PLoS Comput. Biol.</source> <volume>11</volume>, <fpage>e1004334</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1004334</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">26284917</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chakravarty</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Patankar</surname>
<given-names>N. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Aerosol transport in a breathing alveolus</article-title>. <source>Phys. Fluids</source> <volume>31</volume>, <fpage>121901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5127787</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chakravarty</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Patankar</surname>
<given-names>N. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Pulmonary drug delivery and retention: a computational study to identify plausible parameters based on a coupled airway-mucus flow model</article-title>. <source>PLOS Comput. Biol.</source> <volume>18</volume>, <fpage>e1010143</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1010143</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35653381</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chakravarty</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Patankar</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Inhalation of virus-loaded droplets as a clinically plausible pathway to deep lung infection</article-title>. <source>Front. Physiology</source> <volume>14</volume>, <fpage>1073165</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2023.1073165</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">36744036</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wessler</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Daftari</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hinton</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boucher</surname>
<given-names>R. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pickles</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Modeling insights into sars-cov-2 respiratory tract infections prior to immune protection</article-title>. <source>Biophysical J.</source> <volume>121</volume>, <fpage>1619</fpage>&#x2013;<lpage>1631</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bpj.2022.04.003</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35378080</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yousaf</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>Ultrafine particles deposition in human respiratory tract: experimental measurement and modeling</article-title>. <source>Ecotoxicol. Environ. Saf.</source> <volume>295</volume>, <fpage>118123</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ecoenv.2025.118123</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">40185037</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Choi</surname>
<given-names>J.-I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>C. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Mathematical analysis of particle deposition in human lungs: an improved single path transport model</article-title>. <source>Inhal. Toxicol.</source> <volume>19</volume>, <fpage>925</fpage>&#x2013;<lpage>939</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/08958370701513014</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">17849277</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Crawford</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Makowska</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Paiva</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Engel</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Convection-and diffusion-dependent ventilation maldistribution in normal subjects</article-title>. <source>J. Appl. Physiology</source> <volume>59</volume>, <fpage>838</fpage>&#x2013;<lpage>846</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1985.59.3.838</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">4055573</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saltzman</surname>
<given-names>W. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Mathematical modeling of molecular diffusion through mucus</article-title>. <source>Adv. drug Deliv. Rev.</source> <volume>61</volume>, <fpage>101</fpage>&#x2013;<lpage>114</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.addr.2008.09.006</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">19135488</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Darquenne</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Paiva</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1994</year>). <article-title>One-dimensional simulation of aerosol transport and deposition in the human lung</article-title>. <source>J. Appl. Physiology</source> <volume>77</volume>, <fpage>2889</fpage>&#x2013;<lpage>2898</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1994.77.6.2889</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">7896637</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Darquenne</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Borojeni</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Colebank</surname>
<given-names>M. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forest</surname>
<given-names>M. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Madas</surname>
<given-names>B. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tawhai</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022a</year>). <article-title>Aerosol transport modeling: the key link between lung infections of individuals and populations</article-title>. <source>Front. Physiology</source> <volume>13</volume>, <fpage>923945</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2022.923945</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35795643</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Darquenne</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Theilmann</surname>
<given-names>R. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fine</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Verbanck</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022b</year>). <article-title>Nitrogen-based lung clearance index: a valid physiological biomarker for the clinic</article-title>. <source>J. Appl. Physiology</source> <volume>132</volume>, <fpage>1290</fpage>&#x2013;<lpage>1296</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/japplphysiol.00511.2021</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35446597</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Datta</surname>
<given-names>S. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ardekani</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arratia</surname>
<given-names>P. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beris</surname>
<given-names>A. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bischofberger</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McKinley</surname>
<given-names>G. H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Perspectives on viscoelastic flow instabilities and elastic turbulence</article-title>. <source>Phys. Rev. fluids</source> <volume>7</volume>, <fpage>080701</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevfluids.7.080701</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Deepa</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vidhyapriya</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Raagul</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>A novel breath pattern model and analysis to minimize patient discomfort in medical ventilators</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>15</volume>, <fpage>2075</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-025-86187-5</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">39814911</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Devi</surname>
<given-names>S. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alladi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Designing aerosol size distribution to minimize inter-subject variability of alveolar deposition</article-title>. <source>J. Aerosol Sci.</source> <volume>101</volume>, <fpage>144</fpage>&#x2013;<lpage>155</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2016.08.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dobrovolny</surname>
<given-names>H. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reddy</surname>
<given-names>M. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kamal</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rayner</surname>
<given-names>C. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beauchemin</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Assessing mathematical models of influenza infections using features of the immune response</article-title>. <source>PloS one</source> <volume>8</volume>, <fpage>e57088</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0057088</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">23468916</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Edwards</surname>
<given-names>D. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ausiello</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salzman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Devlin</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Langer</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beddingfield</surname>
<given-names>B. J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Exhaled aerosol increases with COVID-19 infection, age, and obesity</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci.</source> <volume>118</volume>, <fpage>e2021830118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.2021830118</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">33563754</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Engel</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Paiva</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1981</year>). <article-title>Analyses of sequential filling and emptying of the lung</article-title>. <source>Respir. Physiol.</source> <volume>45</volume>, <fpage>309</fpage>&#x2013;<lpage>321</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0034-5687(81)90014-1</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">7330487</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fishler</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hofemeier</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Etzion</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dubowski</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Particle dynamics and deposition in true-scale pulmonary acinar models</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>5</volume>, <fpage>14071</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep14071</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">26358580</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Florens</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sapoval</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Filoche</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Optimal branching asymmetry of hydrodynamic pulsatile trees</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>106</volume>, <fpage>178104</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.106.178104</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">21635067</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Foster</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Langenback</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bergofsky</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1980</year>). <article-title>Measurement of tracheal and bronchial mucus velocities in man: relation to lung clearance</article-title>. <source>J. Appl. Physiology</source> <volume>48</volume>, <fpage>965</fpage>&#x2013;<lpage>971</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1980.48.6.965</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">7380708</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ghorui</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kundu</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chakravarty</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>The impact of asymmetric branching on particle deposition in conducting airways</article-title>. <source>Int. J. Multiph. Flow</source> <volume>179</volume>, <fpage>104935</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.104935</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grant</surname>
<given-names>R. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morales-Nebreda</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Markov</surname>
<given-names>N. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Swaminathan</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Querrey</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guzman</surname>
<given-names>E. R.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Circuits between infected macrophages and T cells in SARS-CoV-2 pneumonia</article-title>. <source>Nature</source> <volume>590</volume>, <fpage>635</fpage>&#x2013;<lpage>641</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41586-020-03148-w</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">33429418</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grotberg</surname>
<given-names>J. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Respiratory fluid mechanics</article-title>. <source>Phys. fluids</source> <volume>23</volume>, <fpage>021301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.3517737</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">21403768</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guha</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Transport and deposition of particles in turbulent and laminar flow</article-title>. <source>Annu. Rev. Fluid Mech.</source> <volume>40</volume>, <fpage>311</fpage>&#x2013;<lpage>341</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev.fluid.40.111406.102220</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hagman</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hedenstierna</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gille-Johnson</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hammas</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grabbe</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dillner</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Sars-cov-2 rna in serum as predictor of severe outcome in covid-19: a retrospective cohort study</article-title>. <source>Clin. Infect. Dis.</source> <volume>2020</volume>, <fpage>1285</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/cid/ciaa1285</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32856036</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Halder</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Acharya</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kou</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kahrilas</surname>
<given-names>P. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pandolfino</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Patankar</surname>
<given-names>N. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Mechanics informed fluoroscopy of esophageal transport</article-title>. <source>Biomechanics Model. Mechanobiol.</source> <volume>20</volume>, <fpage>925</fpage>&#x2013;<lpage>940</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10237-021-01420-0</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">33651206</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Halder</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamasaki</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Acharya</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kou</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elisha</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carlson</surname>
<given-names>D. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Virtual disease landscape using mechanics-informed machine learning: application to esophageal disorders</article-title>. <source>Artif. Intell. Med.</source> <volume>134</volume>, <fpage>102435</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.artmed.2022.102435</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">36462900</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Halder</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>E. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamasaki</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kahrilas</surname>
<given-names>P. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Markl</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pandolfino</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Mri-mech: mechanics-informed mri to estimate esophageal health</article-title>. <source>Front. Physiology</source> <volume>14</volume>, <fpage>1195067</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2023.1195067</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">37362445</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hamed</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schenck</surname>
<given-names>D. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fiegel</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Surface rheological properties alter aerosol formation from mucus mimetic surfaces</article-title>. <source>Soft Matter</source> <volume>16</volume>, <fpage>7823</fpage>&#x2013;<lpage>7834</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d0sm01232g</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32756700</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Harrison</surname>
<given-names>A. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Mechanisms of sars-cov-2 transmission and pathogenesis</article-title>. <source>Trends Immunol.</source> <volume>41</volume>, <fpage>1100</fpage>&#x2013;<lpage>1115</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.it.2020.10.004</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">33132005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Haslbeck</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwarz</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hohlfeld</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seume</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koch</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Submicron droplet formation in the human lung</article-title>. <source>J. aerosol Sci.</source> <volume>41</volume>, <fpage>429</fpage>&#x2013;<lpage>438</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2010.02.010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hasler</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anagnostopoulou</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nyilas</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Latzin</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schittny</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Obrist</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A multi-scale model of gas transport in the lung to study heterogeneous lung ventilation during the multiple-breath washout test</article-title>. <source>PLoS Comput. Biol.</source> <volume>15</volume>, <fpage>e1007079</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1007079</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">31206515</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gui</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiong</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A roadmap to pulmonary delivery strategies for the treatment of infectious lung diseases</article-title>. <source>J. nanobiotechnology</source> <volume>20</volume>, <fpage>101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1186/s12951-022-01307-x</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35241085</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Heyder</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gebhart</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rudolf</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schiller</surname>
<given-names>C. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stahlhofen</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1986</year>). <article-title>Deposition of particles in the human respiratory tract in the size range 0.005-15 <italic>&#x3bc;</italic>m</article-title>. <source>J. aerosol Sci.</source> <volume>17</volume>, <fpage>811</fpage>&#x2013;<lpage>825</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0021-8502(86)90035-2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hofmann</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Modelling inhaled particle deposition in the human Lung&#x2014;A review</article-title>. <source>J. Aerosol Sci.</source> <volume>42</volume>, <fpage>693</fpage>&#x2013;<lpage>724</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2011.05.007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kant</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pairetti</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saade</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Popinet</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zaleski</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lohse</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Bag-mediated film atomization in a cough machine</article-title>. <source>Phys. Rev. Fluids</source> <volume>8</volume>, <fpage>074802</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevfluids.8.074802</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Karamaoun</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sobac</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mauroy</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Van Muylem</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haut</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>New insights into the mechanisms controlling the bronchial mucus balance</article-title>. <source>PloS One</source> <volume>13</volume>, <fpage>e0199319</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0199319</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">29933368</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kassinos</surname>
<given-names>S. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>Multiscale modeling of respiratory transport phenomena and intersubject variability</article-title>. <source>Annu. Rev. Fluid Mech.</source> <volume>57</volume>, <fpage>141</fpage>&#x2013;<lpage>165</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-fluid-031424-103721</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>C. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jaques</surname>
<given-names>P. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Analysis of total respiratory deposition of inhaled ultrafine particles in adult subjects at various breathing patterns</article-title>. <source>Aerosol Sci. Technol.</source> <volume>38</volume>, <fpage>525</fpage>&#x2013;<lpage>540</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/02786820490465513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B54">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kleinstreuer</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Airflow and particle transport in the human respiratory system</article-title>. <source>Annu. Rev. fluid Mech.</source> <volume>42</volume>, <fpage>301</fpage>&#x2013;<lpage>334</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-fluid-121108-145453</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B55">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kou</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Optimal structure of tree-like branching networks for fluid flow</article-title>. <source>Phys. A</source> <volume>393</volume>, <fpage>527</fpage>&#x2013;<lpage>534</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2013.08.029</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B56">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koullapis</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kassinos</surname>
<given-names>S. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bivolarova</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Melikov</surname>
<given-names>A. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Particle deposition in a realistic geometry of the human conducting airways: effects of inlet velocity profile, inhalation flowrate and electrostatic charge</article-title>. <source>J. biomechanics</source> <volume>49</volume>, <fpage>2201</fpage>&#x2013;<lpage>2212</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jbiomech.2015.11.029</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">26806688</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B57">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koullapis</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hofemeier</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kassinos</surname>
<given-names>S. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018a</year>). <article-title>An efficient computational fluid-particle dynamics method to predict deposition in a simplified approximation of the deep lung</article-title>. <source>Eur. J. Pharm. Sci.</source> <volume>113</volume>, <fpage>132</fpage>&#x2013;<lpage>144</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ejps.2017.09.016</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">28917963</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B58">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koullapis</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kassinos</surname>
<given-names>S. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muela</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perez-Segarra</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rigola</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lehmkuhl</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2018b</year>). <article-title>Regional aerosol deposition in the human airways: the siminhale benchmark case and a critical assessment of <italic>in silico</italic> methods</article-title>. <source>Eur. J. Pharm. Sci.</source> <volume>113</volume>, <fpage>77</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ejps.2017.09.003</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">28890203</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B59">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koullapis</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ollson</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kassinos</surname>
<given-names>S. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Multiscale <italic>in silico</italic> lung modeling strategies for aerosol inhalation therapy and drug delivery</article-title>. <source>Curr. Opin. Biomed. Eng.</source> <volume>11</volume>, <fpage>130</fpage>&#x2013;<lpage>136</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cobme.2019.11.003</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">34642646</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B60">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koullapis</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stylianou</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Olsson</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kassinos</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Towards whole-lung simulations of aerosol deposition: a model of the deep lung</article-title>. <source>J. Aerosol Sci.</source> <volume>144</volume>, <fpage>105541</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2020.105541</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B61">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Krogh</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lindhard</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1917</year>). <article-title>The volume of the dead space in breathing and the mixing of gases in the lungs of man</article-title>. <source>J. physiology</source> <volume>51</volume>, <fpage>59</fpage>&#x2013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1113/jphysiol.1917.sp001785</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">16993378</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B62">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kundu</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Asymmetric lung increases particle filtration by deposition</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>13</volume>, <fpage>9040</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-023-36176-3</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">37270569</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B63">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kundu</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panchagnula</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>Stochastic asymmetric bronchial tree models for population-scale variability in dosimetry</article-title>. <source>J. Aerosol Sci.</source> <volume>189</volume>, <fpage>106622</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2025.106622</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B64">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kuprat</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jalali</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jan</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Corley</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Asgharian</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Price</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Efficient bi-directional coupling of 3d computational fluid-particle dynamics and 1d multiple path particle dosimetry lung models for multiscale modeling of aerosol dosimetry</article-title>. <source>J. aerosol Sci.</source> <volume>151</volume>, <fpage>105647</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2020.105647</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">34024935</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B65">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kuprat</surname>
<given-names>A. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Price</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Asgharian</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Singh</surname>
<given-names>R. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Colby</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yugulis</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Automated bidirectional coupling of multiscale models of aerosol dosimetry: validation with subject-specific deposition data</article-title>. <source>J. Aerosol Sci.</source> <volume>174</volume>, <fpage>106233</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2023.106233</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">37637507</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B66">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leung</surname>
<given-names>N. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Transmissibility and transmission of respiratory viruses</article-title>. <source>Nat. Rev. Microbiol.</source> <volume>19</volume>, <fpage>528</fpage>&#x2013;<lpage>545</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41579-021-00535-6</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">33753932</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B67">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Looney</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thornton</surname>
<given-names>E. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sen</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lamm</surname>
<given-names>W. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Glenny</surname>
<given-names>R. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krummel</surname>
<given-names>M. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Stabilized imaging of immune surveillance in the mouse lung</article-title>. <source>Nat. methods</source> <volume>8</volume>, <fpage>91</fpage>&#x2013;<lpage>96</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nmeth.1543</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">21151136</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B68">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Majumdar</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alencar</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buldyrev</surname>
<given-names>S. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hantos</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lutchen</surname>
<given-names>K. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stanley</surname>
<given-names>H. E.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>95</volume>, <fpage>168101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.95.168101</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">16241843</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B69">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mate-Kole</surname>
<given-names>E. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Howard</surname>
<given-names>S. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Golden</surname>
<given-names>A. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dewji</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Machine learning-enhanced stochastic uncertainty and sensitivity analysis of the icrp human respiratory tract model for an inhaled radionuclide</article-title>. <source>J. Radiological Prot.</source> <volume>44</volume>, <fpage>041507</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6498/ad7ec3</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">39317229</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B70">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mauroy</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Filoche</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weibel</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sapoval</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>An optimal bronchial tree May be dangerous</article-title>. <source>Nature</source> <volume>427</volume>, <fpage>633</fpage>&#x2013;<lpage>636</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature02287</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">14961120</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B71">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mauroy</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fausser</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pelca</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Merckx</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flaud</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Toward the modeling of mucus draining from the human lung: role of the geometry of the airway tree</article-title>. <source>Phys. Biol.</source> <volume>8</volume>, <fpage>056006</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1478-3975/8/5/056006</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">21865620</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B72">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Miguel</surname>
<given-names>A. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Toward an optimal design principle in symmetric and asymmetric tree flow networks</article-title>. <source>J. Theor. Biol.</source> <volume>389</volume>, <fpage>101</fpage>&#x2013;<lpage>109</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2015.10.027</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">26555845</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B73">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Miguel</surname>
<given-names>A. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>An assessment of branching asymmetry of the tracheobronchial tree</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>12</volume>, <fpage>10145</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-022-14072-6</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35710699</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B74">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mitsakou</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Helmis</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Housiadas</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Eulerian modelling of lung deposition with sectional representation of aerosol dynamics</article-title>. <source>J. Aerosol Sci.</source> <volume>36</volume>, <fpage>75</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2004.08.008</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B75">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mittal</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ni</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seo</surname>
<given-names>J.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>The flow physics of COVID-19</article-title>. <source>J. Fluid Mech.</source> <volume>894</volume>, <fpage>F2</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/jfm.2020.330</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B76">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>M&#xf6;ller</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bieber</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>G&#xfc;rzing</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thiebes</surname>
<given-names>A. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Klein</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cornelissen</surname>
<given-names>C. G.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Transparent 23-generation airway model for experimental investigation of aerosol flow and deposition within the human respiratory tract</article-title>. <source>J. Aerosol Sci.</source> <volume>156</volume>, <fpage>105782</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jaerosci.2021.105782</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B77">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Morawska</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buonanno</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mikszewski</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stabile</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>The physics of respiratory particle generation, fate in the air, and inhalation</article-title>. <source>Nat. Rev. Phys.</source> <volume>4</volume>, <fpage>723</fpage>&#x2013;<lpage>734</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s42254-022-00506-7</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">36065441</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B78">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Napoli</surname>
<given-names>N. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rodrigues</surname>
<given-names>V. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Davenport</surname>
<given-names>P. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Characterizing and modeling breathing dynamics: flow rate, rhythm, period, and frequency</article-title>. <source>Front. Physiology</source> <volume>12</volume>, <fpage>772295</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2021.772295</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35264974</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B79">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>N&#xe9;ant</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lingas</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Le Hingrat</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghosn</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Engelmann</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lepiller</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Modeling sars-cov-2 viral kinetics and association with mortality in hospitalized patients from the french covid cohort</article-title>. <source>Pro. Nat. Academy Sci.</source> <volume>118</volume>. <fpage>e2017962118</fpage>
<pub-id pub-id-type="pmid">33536313</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B80">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Neelakantan</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xin</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gaver</surname>
<given-names>D. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cereda</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rizi</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>B. J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Computational lung modelling in respiratory medicine</article-title>. <source>J. R. Soc. Interface</source> <volume>19</volume>, <fpage>20220062</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsif.2022.0062</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35673857</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B81">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nunn</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1957</year>). <article-title>Physiological aspects of artificial ventilation</article-title>. <source>BJA Br. J. Anaesth.</source> <volume>29</volume>, <fpage>540</fpage>&#x2013;<lpage>552</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/bja/29.12.540</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">13489114</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B82">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Otis</surname>
<given-names>A. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fenn</surname>
<given-names>W. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rahn</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1950</year>). <article-title>Mechanics of breathing in man</article-title>. <source>J. Appl. physiology</source> <volume>2</volume>, <fpage>592</fpage>&#x2013;<lpage>607</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1950.2.11.592</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">15436363</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B83">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pairetti</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Villiers</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zaleski</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>On shear layer atomization within closed channels: numerical simulations of a cough-replicating experiment</article-title>. <source>Comput. and Fluids</source> <volume>231</volume>, <fpage>105125</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compfluid.2021.105125</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B84">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paiva</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1973</year>). <article-title>Gas transport in the human lung</article-title>. <source>J. Appl. Physiology</source> <volume>35</volume>, <fpage>401</fpage>&#x2013;<lpage>410</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1973.35.3.401</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">4732334</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B85">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paiva</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1989</year>). <article-title>Pneumologists breathe easy</article-title>. <source>Nature</source> <volume>342</volume>, <fpage>623</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/342623a0</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">2594064</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B86">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paiva</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Engel</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1981</year>). <article-title>The anatomical basis for the sloping n2 plateau</article-title>. <source>Respir. Physiol.</source> <volume>44</volume>, <fpage>325</fpage>&#x2013;<lpage>337</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0034-5687(81)90027-x</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">7268221</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B87">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paiva</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lacquet</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>van der Linden</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1976</year>). <article-title>Gas transport in a model derived from hansen-ampaya anatomical data of the human lung</article-title>. <source>J. Appl. Physiology</source> <volume>41</volume>, <fpage>115</fpage>&#x2013;<lpage>119</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1976.41.1.115</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">972124</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B88">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pal</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Biswas</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pal</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarkar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mukhopadhyay</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>A novel approach to preventing sars-cov-2 transmission in classrooms: a numerical study</article-title>. <source>Phys. Fluids</source> <volume>35</volume>, <fpage>013308</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0131672</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B89">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pedley</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1977</year>). <article-title>Pulmonary fluid dynamics</article-title>. <source>Annu. Rev. Fluid Mech.</source> <volume>9</volume>, <fpage>229</fpage>&#x2013;<lpage>274</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev.fl.09.010177.001305</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B90">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Popel</surname>
<given-names>A. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1980</year>). <article-title>A model of pressure and flow distribution in branching networks</article-title>. <source>J. Appl. Mech.</source> <volume>47</volume>, <fpage>247</fpage>&#x2013;<lpage>253</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3153650</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">28713175</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B91">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pradhan</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guha</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Fluid dynamics of oscillatory flow in three-dimensional branching networks</article-title>. <source>Phys. Fluids</source> <volume>31</volume>, <fpage>063601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5093724</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B92">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Quirouette</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Younis</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reddy</surname>
<given-names>M. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beauchemin</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A mathematical model describing the localization and spread of influenza A virus infection within the human respiratory tract</article-title>. <source>PLOS Comput. Biol.</source> <volume>16</volume>, <fpage>e1007705</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1007705</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32282797</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B93">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Raabe</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1976</year>). <source>Tracheobronchial geometry-human, dog, rat, hamster</source>. <publisher-name>Lovelace Foundation for Medical Education and Research</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B94">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ravi</surname>
<given-names>V. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korkmaz</surname>
<given-names>F. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>De Ana</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shao</surname>
<given-names>F.-Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Odom</surname>
<given-names>C. V.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>Lung cd4&#x2b; resident memory t cells use airway secretory cells to stimulate and regulate onset of allergic airway neutrophilic disease</article-title>. <source>Cell Rep.</source> <volume>44</volume>, <fpage>115294</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.celrep.2025.115294</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">39965565</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B95">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saha</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Manna</surname>
<given-names>M. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chakravarty</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarkar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mukhopadhyay</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sen</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Insights into the fluid dynamics of bioaerosol formation in a model respiratory tract</article-title>. <source>Biomicrofluidics</source> <volume>18</volume>, <fpage>054106</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0219332</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">39301087</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B96">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sapoval</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Filoche</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weibel</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Smaller is better &#x2013; but not too small: a physical scale for the design of the mammalian pulmonary acinus</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci.</source> <volume>99</volume>, <fpage>10411</fpage>&#x2013;<lpage>10416</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.122352499</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">12136124</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B97">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sharma</surname>
<given-names>S. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <source>Miliary Tuberculosis</source>. <publisher-name>John Wiley Sons, Ltd</publisher-name>, <fpage>491</fpage>&#x2013;<lpage>513</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1128/9781555819866.ch29</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B98">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sharma</surname>
<given-names>S. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sharma</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mitra</surname>
<given-names>D. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Miliary tuberculosis: new insights into an old disease</article-title>. <source>Lancet Infect. Dis.</source> <volume>5</volume>, <fpage>415</fpage>&#x2013;<lpage>430</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S1473-3099(05)70163-8</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">15978528</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B99">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gaffney</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blake</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Modelling mucociliary clearance</article-title>. <source>Respir. Physiology and Neurobiol.</source> <volume>163</volume>, <fpage>178</fpage>&#x2013;<lpage>188</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.resp.2008.03.006</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">18439882</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B100">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Soni</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miguel</surname>
<given-names>A. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kumar Nayak</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A mathematical analysis for constructal design of tree flow networks under unsteady flow</article-title>. <source>Proc. R. Soc. A</source> <volume>476</volume>, <fpage>20200377</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.2020.0377</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B101">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Respiratory microflows in the pulmonary acinus</article-title>. <source>J. Biomechanics</source> <volume>46</volume>, <fpage>284</fpage>&#x2013;<lpage>298</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jbiomech.2012.10.028</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">23178038</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B102">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Revisiting airflow and aerosol transport phenomena in the deep lungs with microfluidics</article-title>. <source>Chem. Rev.</source> <volume>122</volume>, <fpage>7182</fpage>&#x2013;<lpage>7204</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.chemrev.1c00621</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">34964615</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B103">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tan</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>SARS-CoV-2 viremia may predict rapid deterioration of COVID-19 patients</article-title>. <source>Braz. J. Infect. Dis.</source> <volume>24</volume>, <fpage>565</fpage>&#x2013;<lpage>569</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bjid.2020.08.010</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32950458</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B104">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Taulbee</surname>
<given-names>D. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1975</year>). <article-title>A theory of aerosol deposition in the human respiratory tract</article-title>. <source>J. Appl. Physiology</source> <volume>38</volume>, <fpage>77</fpage>&#x2013;<lpage>85</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1975.38.1.77</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">1110247</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B105">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tawhai</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hunter</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tschirren</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reinhardt</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McLennan</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hoffman</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Ct-based geometry analysis and finite element models of the human and ovine bronchial tree</article-title>. <source>J. Appl. physiology</source> <volume>97</volume>, <fpage>2310</fpage>&#x2013;<lpage>2321</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/japplphysiol.00520.2004</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">15322064</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B106">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsuda</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henry</surname>
<given-names>F. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Butler</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Gas and aerosol mixing in the acinus</article-title>. <source>Respir. physiology and Neurobiol.</source> <volume>163</volume>, <fpage>139</fpage>&#x2013;<lpage>149</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.resp.2008.02.010</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">18396469</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B107">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>J.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suddards</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mellor</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Owers-Bradley</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Lung function measurement with multiple-breath-helium washout system</article-title>. <source>Med. Eng. and Phys.</source> <volume>35</volume>, <fpage>457</fpage>&#x2013;<lpage>469</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.medengphy.2012.06.010</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">22835436</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B108">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brown</surname>
<given-names>A. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rong</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Modeling the viral dynamics of sars-cov-2 infection</article-title>. <source>Math. Biosci.</source> <volume>328</volume>, <fpage>108438</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mbs.2020.108438</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32771304</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B109">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>C. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prather</surname>
<given-names>K. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sznitman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jimenez</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lakdawala</surname>
<given-names>S. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tufekci</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Airborne transmission of respiratory viruses</article-title>. <source>Science</source> <volume>373</volume>, <fpage>eabd9149</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.abd9149</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">34446582</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B110">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weibel</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gomez</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1962</year>). <article-title>Architecture of the human lung. Use of quantitative methods establishes fundamental relations between size and number of lung structures</article-title>. <source>Science</source> <volume>137</volume>, <fpage>577</fpage>&#x2013;<lpage>585</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.137.3530.577</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">14005590</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B111">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weibel</surname>
<given-names>E. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cournand</surname>
<given-names>A. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Richards</surname>
<given-names>D. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1963</year>) <source>Morphometry of the human lung</source>, <volume>1</volume>. <publisher-name>Springer</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B112">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>West</surname>
<given-names>J. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <source>Respiratory physiology: the essentials</source>. <publisher-name>Lippincott Williams and Wilkins</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B113">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wiersinga</surname>
<given-names>W. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rhodes</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>A. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peacock</surname>
<given-names>S. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prescott</surname>
<given-names>H. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Pathophysiology, transmission, diagnosis, and treatment of coronavirus disease 2019 (COVID-19): a review</article-title>. <source>JAMA</source> <volume>324</volume>, <fpage>782</fpage>&#x2013;<lpage>793</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1001/jama.2020.12839</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32648899</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B114">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yeates</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aspin</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Levison</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jones</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bryan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1975</year>). <article-title>Mucociliary tracheal transport rates in man</article-title>. <source>J. Appl. physiology</source> <volume>39</volume>, <fpage>487</fpage>&#x2013;<lpage>495</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jappl.1975.39.3.487</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">240802</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B115">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yeh</surname>
<given-names>H.-C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schum</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1980</year>). <article-title>Models of human lung airways and their application to inhaled particle deposition</article-title>. <source>Bull. Math. Biol.</source> <volume>42</volume>, <fpage>461</fpage>&#x2013;<lpage>480</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF02460796</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">7378614</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B116">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rajaraman</surname>
<given-names>P. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Choi</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Comellas</surname>
<given-names>A. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hoffman</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A computed tomography imaging-based subject-specific whole-lung deposition model</article-title>. <source>Eur. J. Pharm. Sci.</source> <volume>177</volume>, <fpage>106272</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ejps.2022.106272</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35908637</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B117">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>T. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>E. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elisha</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Halder</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>B. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Allen</surname>
<given-names>B. D.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Blood&#x2013;wall fluttering instability as a physiomarker of the progression of thoracic aortic aneurysms</article-title>. <source>Nat. Biomed. Eng.</source> <volume>7</volume>, <fpage>1614</fpage>&#x2013;<lpage>1626</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41551-023-01130-1</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">38082182</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>