Multi-Kompartiment-Modelle
Multi-Kompartiment-Modelle sind der nächste Schritt zu einer realistischeren Modellierung der respiratorischen Biomechanik. Sie umfassen alle Ansätze, die sich durch mehrere reduzierte dimensionale Komponenten sowohl für die leitende als auch für die Atmungszone der Lunge auszeichnen und den Übergang von reinen phänomenologischen Ansätzen zu physikalisch motivierten Modellen in der Atmungsbiomechanik markieren. Im Allgemeinen werden Multi-Kompartiment-Modelle durch die Idee motiviert, dass eine reduzierte dimensionale Beschreibung der effizienteste Weg ist, die Atmungsbiomechanik auf Organebene zu beschreiben, und das Bewusstsein, dass der Mangel an regionalen Informationen überwunden werden muss, um genaue Schlussfolgerungen in einem klinischen Umfeld zu ermöglichen.
Reine phänomenologische Multi-Kompartiment-Modelle zeichnen sich durch eine parallele Anordnung von Single-Kompartiment-Modellen mit verteilten Parameterwerten für äquivalente Resistenz und Compliance aus, die durch Modelle für die Rekrutierungs- / Derecruitment-Dynamik erweitert werden. Es gelten die gleichen Annahmen wie für Einzelkompartimentsmodelle mit Ausnahme der Annahme, dass das Verhalten über das gesamte Organ gemittelt wird (siehe Abschnitt „Einzelkompartimentsmodelle“). Erforderliche Modellparameter werden weiterhin durch Anpassung an Patientenmessungen identifiziert.Physikalisch motivierte Multi-Kompartiment-Modelle hingegen bauen auf der zugrundeliegenden Physik auf. Es werden spezifische Annahmen getroffen, um die dreidimensionale Beschreibung sowohl der leitenden als auch der atmenden Zone zu ermöglichen. Die eindimensionalen, nulldimensionalen oder impedanzbasierten Darstellungen einzelner Atemwegssegmente der leitenden Zone (siehe Abschnitt „Reduzierte Modelle der leitenden Zone“) werden dann zu einer morphologisch realistischen Baumstruktur kombiniert, wobei entweder Daten aus Lungenabgüssen oder Baumwachstumsalgorithmen verwendet werden, die einen raumfüllenden Atemwegsbaum innerhalb einer patientenspezifischen bildgebungsbasierten Lungenrumpfgeometrie erzeugen. Zusätzlich kann jedes Atemwegssegment mit einer Darstellung der Rekrutierungs-/Derecruitmentdynamik basierend auf einer zusätzlichen Variablen ausgestattet werden, die den Öffnungszustand und dessen Verlauf beschreibt. Die Atemzone an den terminalen Enden des Atemwegsbaums oder in den parallelen Anordnungen von Einzelkompartimentsmodellen kann auch entweder an reine phänomenologische Gleichungen von Lungengewebe angepasst werden, beispielsweise unter Verwendung der zuvor erwähnten exponentiellen Compliance-Gleichungen, oder aus physikalisch motivierten Beschreibungen von Lungengewebe abgeleitet werden, beispielsweise basierend auf Alveolarkanalmodellen (siehe Abschnitt „Reduzierte Modelle der Atemzone“). Eine wichtige neuere Erweiterung in Bezug auf die leitende Zone in Multi-Kompartiment-Modellen ist die Berücksichtigung des Zusammenspiels zwischen einzelnen benachbarten Kompartimenten, auch bekannt als Lungeninterdependenz, Hinzufügen realistischer Stabilität zu einzelnen Aufblasen / Entleeren von Lufträumen.
Im Wesentlichen alle Multi-Kompartiment-Modelle sind eine funktionelle Beziehung zwischen Druck und Strömung in der leitenden und der Atmungszone und ermöglichen eine räumliche Auflösung der berechneten Größen in verschiedenen Regionen der Lunge. Mit der Möglichkeit, räumlich verteilte Materialeigenschaften und regional variierende Wiedereröffnungsschwelldrücke sowie Gravitationseffekte zu berücksichtigen, ermöglichen sie eine realistischere Untersuchung der Lungenfunktion. Einfache parallele Anordnungen von Einzelkompartimentsmodellen sind immer noch phänomenologische Darstellungen der Lungenmechanik, die an Messungen angepasst werden müssen und somit leicht an einen bestimmten Patienten angepasst werden können. Für eine zufriedenstellende Passform ist die Qualität der verfügbaren Maße entscheidend. Der prädiktive Charakter dieser Modelle leidet unter der Tatsache, dass nicht verstanden wird, was in Szenarien außerhalb derjenigen geschieht, in denen passende Daten verfügbar sind. Rückschlüsse auf höhere Drücke als die gemessenen sind dann nur eine ausgefeiltere mathematische Extrapolation ohne tieferes Wissen über mögliche kritische Punkte im Systemverhalten und damit gefährlich für die Vorhersage in einer klinischen Anwendung.Physikalisch basierte Multi-Kompartiment-Modelle ermöglichen einen tieferen Einblick in die Luftströmung in einem Netzwerk von konformen Atemwegssegmenten und das Aufblasen von (viskoelastischem) Lungengewebe. In diesen Modellen werden die Beschreibungen der leitenden und der Atmungszone aus physikalisch fundierten Strömungsdynamiken und Gewebemechaniken abgeleitet und um alle Fähigkeiten erweitert, die zur Beschreibung des Lungenverhaltens notwendig sind. Sie können Interdependenz sowie die Dynamik der Rekrutierung / Derecruitment umfassen. Verifikation gegen kontinuumsmechanische Darstellungen der leitenden Zone zeigen, dass Ergebnisse aus den verkleinerten dimensionalen Modellen in guter Übereinstimmung sind und sogar Turbulenzeffekte adäquat berücksichtigen können. Die verkleinerten Modelle sind jedoch schnell zu berechnen und liefern Druck- und Flussdaten, die in einer klinischen Umgebung leicht zu interpretieren sind. Diese Modelle erlauben einen genaueren Blick in die Black Box der Lungenmodellierung und sind somit leistungsfähiger als reine Fitting-Ansätze in Bezug auf die Vorhersage kritischer oder äußerst vorteilhafter Zustände der Lungenfunktion. Sie benötigen nur wenige Daten für die patientenspezifische Kalibrierung, so dass sie zuverlässige Daten im gesamten physiologischen Druckbereich der Atmung liefern können. Weiterhin ist es möglich, patientenspezifische Informationen aus der medizinischen Bildgebung in Form der Lungenkonturen zu integrieren, die als Begrenzung des künstlich gewachsenen Atemwegsbaums dienen.
Bisher wurden mehrere Fragen der respiratorischen Biomechanik erfolgreich mit Multi-Kompartiment-Modellen untersucht. Am wichtigsten ist, dass die Wiedereröffnungsdynamik kollabierter Lungenregionen bei akutem Atemnotsyndrom wurde als Funktion des Wiedereröffnungsdrucks und der Zeit des Manövers bewertet. In diesem Zusammenhang konnten die optimalen Momente, Drücke und Dauer von Tiefeninflationen während der mechanischen Beatmung bestimmt werden. Des Weiteren, Es war möglich, Flussbeschränkungen in einem gesunden Atemwegsbaum sowie die Wirkung heterogener Bronchokonstriktion und regionaler Gewebeheterogenität auf die regionale Beatmung in erkrankten Lungen vorherzusagen. Außerdem konnte die Ausbreitung eines Flüssigkeitspfropfens in einem komplexen Netzwerk verkleinerter Atemwege untersucht und die damit verbundene Frequenzabhängigkeit des Atemwegs- und Lungengewebeverhaltens bestimmt werden. Die vorgenannten Untersuchungen befassen sich mit den Grundkonzepten des zyklischen Schließens / Öffnens und der Überlastung während der mechanischen Beatmung kritisch kranker Patienten. Die Mehrkammermodelle haben in diesem Zusammenhang erfolgreich die Identifizierung minimal schädigender Beatmungsarten ermöglicht.