modeller med flere rum
modeller med flere rum er det næste skridt mod mere realistisk modellering af respiratorisk biomekanik. De omfatter alle tilgange, der er kendetegnet ved flere reducerede dimensionelle komponenter til både ledelses-og luftvejsområdet i lungen og markerer overgangen fra rene fænomenologiske tilgange til fysisk motiverede modeller inden for respiratorisk biomekanik. Generelt motiveres modeller med flere rum af ideen om, at en reduceret dimensionel beskrivelse er den mest effektive måde at beskrive respiratorisk biomekanik på organniveau og bevidstheden om, at manglen på regional information skal overvindes for at muliggøre præcise konklusioner i en klinisk indstilling.
rene fænomenologiske modeller med flere rum er kendetegnet ved et parallelt arrangement af modeller med et rum med distribuerede parameterværdier for ækvivalent modstand og overholdelse udvidet med modeller, der regulerer rekruttering / derecruitment-dynamik. De samme antagelser gælder som for modeller med et rum bortset fra antagelsen om, at adfærden er gennemsnitlig over hele organet (se afsnittet “modeller med et rum”). Krævede modelparametre identificeres stadig ved tilpasning til patientmålinger.
fysisk motiverede modeller med flere rum er på den anden side bygget på den underliggende fysik. Specifikke antagelser er lavet for at muliggøre den reducerede dimensionelle beskrivelse af både ledende og åndedrætsområdet. De endimensionelle, nuldimensionelle eller impedansbaserede repræsentationer af enkelt luftvejssegmenter i det ledende område (se afsnittet “reducerede modeller af det ledende område”) kombineres derefter til en morfologisk realistisk træstruktur ved hjælp af enten data fra lungestøbninger eller trævoksende algoritmer, der genererer et rumfyldende luftvejstræ inden for en patientspecifik billeddannelsesbaseret lungeskroggeometri. Derudover kan hvert luftvejssegment udstyres med en repræsentation af rekruttering/derecruitment dynamik baseret på en yderligere variabel, der beskriver åbningstilstanden og dens progression. Luftvejsområdet ved de terminale ender af luftvejstræet eller i de parallelle arrangementer af modeller med et rum kan også enten være egnet til rene fænomenologiske ligninger af lungevæv ved hjælp af for eksempel de tidligere nævnte eksponentielle overholdelsesligninger eller være afledt af fysisk motiverede beskrivelser af lungevæv for eksempel baseret på alveolære kanalmodeller (se afsnittet “reducerede modeller af Åndedrætsområdet”). En vigtig nylig udvidelse relateret til ledningsområdet i modeller med flere rum er overvejelsen af samspillet mellem enkelt tilstødende rum, også kendt som lungeafhængighed, hvilket tilføjer realistisk stabilitet til enkelt oppustende/deflaterende luftrum.
i det væsentlige er alle modeller med flere rum et funktionelt forhold mellem tryk og strømning i ledende og åndedrætsområdet og muliggør en rumlig opløsning af beregnede mængder i forskellige områder af lungen. Med muligheden for at respektere rumligt fordelte materialeegenskaber og regionalt varierende tærskelåbningstryk samt gravitationseffekter tillader de en mere realistisk undersøgelse af lungefunktionen. Enkle parallelle arrangementer af modeller med et rum er stadig fænomenologiske repræsentationer af lungemekanik, der skal passe til målinger og således er lette at tilpasse til en bestemt patient. For en tilfredsstillende pasform er kvaliteten af de tilgængelige målinger afgørende. Disse modellers forudsigelige karakter lider under det faktum, at det ikke forstås, hvad der sker i scenarier ud over dem, hvor passende data er tilgængelige. Konklusioner om højere tryk end de målte er da kun en mere sofistikeret matematisk ekstrapolering uden dybere viden om potentielle kritiske punkter i systemadfærd og dermed farlig for forudsigelse i en klinisk anvendelse.
fysisk baserede modeller med flere rum giver en dybere indsigt i luftstrømmen gennem et netværk af kompatible luftvejssegmenter og inflation af (visko -) elastisk lungevæv. I disse modeller er beskrivelserne af ledende og åndedrætsområdet afledt af fysisk lyd luftstrømsdynamik og vævsmekanik og udvidet med alle kapaciteter, der er nødvendige for at beskrive lungens opførsel. De kan omfatte indbyrdes afhængighed såvel som dynamikken i rekruttering/ophør. Verifikation mod kontinuummekaniske repræsentationer af ledningsområdet viser, at resultaterne fra de reducerede dimensionelle modeller er i god overensstemmelse og endda i stand til tilstrækkeligt at tage hensyn til turbulenseffekter. Alligevel er de reducerede dimensionelle modeller hurtige i deres beregning og leverer tryk-og strømningsdata, der er lette at fortolke i en klinisk indstilling. Disse modeller tillader et nærmere kig ind i den sorte boks af lungemodellering og er således mere kraftfulde end rene tilpasningsmetoder med hensyn til at forudsige kritiske eller yderst gavnlige tilstande af lungefunktion. De kræver kun få data til patientspecifik kalibrering, hvilket betyder, at de kan levere pålidelige data i hele det fysiologiske trykområde i respiration. Desuden er det muligt at integrere patientspecifik information fra medicinsk billeddannelse i form af lungekonturerne, der tjener som en begrænsning af det kunstigt dyrkede luftvejstræ.
indtil videre er flere spørgsmål inden for respiratorisk biomekanik med succes blevet undersøgt ved hjælp af modeller med flere rum. Vigtigst er det, at genåbningsdynamikken i kollapsede lungeområder i akut respiratorisk nødsyndrom er blevet vurderet som en funktion af genåbningstryk og manøvretid. I denne sammenhæng kunne de optimale øjeblikke, tryk og varighed af dybe inflationer under mekanisk ventilation bestemmes. Endvidere har det været muligt at forudsige strømningsbegrænsninger i et sundt luftvejstræ såvel som effekten af heterogen bronchokonstriktion og regional vævsheterogenitet på regional ventilation i syge lunger. Desuden kunne udbredelsen af en væskeprop i et komplekst netværk af reducerede dimensionelle luftveje undersøges, og den tilhørende frekvensafhængighed af ledende luftvejs-og lungevævsadfærd kunne bestemmes. De ovennævnte undersøgelser vedrører de grundlæggende begreber cyklisk lukning / genåbning og overbelastning under mekanisk ventilation af kritisk syge patienter. Modellerne med flere rum har med succes muliggjort identifikation af minimalt skadelige ventilationsformer i denne sammenhæng.