Modelos de varios compartimentos
Los modelos de varios compartimentos son el siguiente paso hacia un modelado más realista de la biomecánica respiratoria. Comprenden todos los enfoques que se caracterizan por múltiples componentes de dimensiones reducidas tanto para la zona conductora como para la zona respiratoria del pulmón y marcan la transición de enfoques fenomenológicos puros hacia modelos motivados físicamente en biomecánica respiratoria. En general, los modelos de compartimentos múltiples están motivados por la idea de que una descripción de dimensiones reducidas es la forma más eficiente de describir la biomecánica respiratoria a nivel orgánico y la conciencia de que la falta de información regional debe superarse para permitir conclusiones precisas en un entorno clínico.
Los modelos fenomenológicos puros de varios compartimentos se caracterizan por una disposición paralela de modelos de un solo compartimento con valores de parámetros distribuidos para resistencia y cumplimiento equivalentes extendidos por modelos que rigen la dinámica de reclutamiento/abandono. Los mismos supuestos se aplican a los modelos de compartimiento único, excepto el supuesto de que el comportamiento se promedia en todo el órgano (véase la sección «Modelos de compartimiento único»). Los parámetros del modelo requeridos se siguen identificando a través de la adaptación a las mediciones del paciente.
Los modelos de compartimentos múltiples motivados físicamente, por otro lado, se basan en la física subyacente. Se hacen supuestos específicos para permitir la descripción de dimensiones reducidas de la zona conductora y de la zona respiratoria. Las representaciones unidimensionales, de dimensión cero o basadas en impedancia de segmentos individuales de vías respiratorias de la zona conductora (consulte la sección «Modelos reducidos de la Zona conductora») se combinan a continuación con una estructura de árbol morfológicamente realista utilizando datos de moldes pulmonares o algoritmos de cultivo de árboles que generan un árbol de vías respiratorias que llena el espacio dentro de una geometría de casco pulmonar basada en imágenes específicas del paciente. Además, cada segmento de la vía aérea puede equiparse con una representación de la dinámica de reclutamiento/abandono basada en una variable adicional que describe el estado de apertura y su progresión. La zona respiratoria en los extremos terminales del árbol de las vías respiratorias o en las disposiciones paralelas de los modelos de compartimiento único también puede ajustarse a ecuaciones fenomenológicas puras del tejido pulmonar utilizando, por ejemplo, las ecuaciones de cumplimiento exponencial mencionadas anteriormente, o derivarse de descripciones de tejido pulmonar motivadas físicamente, por ejemplo, basadas en modelos de conductos alveolares (consulte la sección «Modelos Reducidos de la Zona Respiratoria»). Una extensión reciente importante relacionada con la zona de conducción en modelos de compartimentos múltiples es la consideración de la interacción entre compartimentos vecinos individuales, también conocida como interdependencia pulmonar, que agrega estabilidad realista a espacios de aire de inflado/desinflado individuales.
Esencialmente, todos los modelos de compartimentos múltiples son una relación funcional entre la presión y el flujo en la zona conductora y respiratoria y permiten una resolución espacial de cantidades calculadas en diferentes regiones del pulmón. Con la posibilidad de respetar las propiedades de los materiales distribuidos espacialmente y las presiones de reapertura de umbral que varían regionalmente, así como los efectos gravitacionales, permiten un examen más realista de la función pulmonar. Los arreglos paralelos simples de modelos de un solo compartimento siguen siendo representaciones fenomenológicas de la mecánica pulmonar que deben ajustarse a las mediciones y, por lo tanto, son fáciles de adaptar a un paciente específico. Para un ajuste satisfactorio, la calidad de las medidas disponibles es decisiva. El carácter predictivo de estos modelos se ve afectado por el hecho de que no se entiende lo que sucede en escenarios más allá de aquellos en los que se dispone de datos de ajuste. Las conclusiones sobre presiones más altas que las medidas son entonces solo una extrapolación matemática más sofisticada sin un conocimiento más profundo sobre los puntos críticos potenciales en el comportamiento del sistema y, por lo tanto, peligrosos para la predicción en una aplicación clínica.
Los modelos de compartimentos múltiples basados físicamente permiten una visión más profunda del flujo de aire a través de una red de segmentos de vías respiratorias compatibles e inflado de tejido pulmonar (viscoelástico)elástico. En estos modelos, las descripciones de la zona conductora y de la zona respiratoria se derivan de la dinámica de flujo de aire físicamente sana y de la mecánica tisular, y se extienden por todas las capacidades necesarias para describir el comportamiento del pulmón. Pueden incluir la interdependencia, así como la dinámica de la contratación/baja. La verificación de las representaciones mecánicas continuas de la zona de conducción muestra que los resultados de los modelos de dimensiones reducidas coinciden e incluso pueden tener en cuenta adecuadamente los efectos de turbulencia. Sin embargo, los modelos de dimensiones reducidas son rápidos en su cálculo y proporcionan datos de presión y flujo que son fáciles de interpretar en un entorno clínico. Estos modelos permiten una mirada más cercana a la caja negra del modelado pulmonar y, por lo tanto, son más potentes que los enfoques de ajuste puro en términos de predecir estados críticos o extremadamente beneficiosos de la función pulmonar. Solo requieren pocos datos para la calibración específica del paciente, lo que significa que pueden proporcionar datos confiables en todo el rango de presión fisiológica en la respiración. Además, es posible integrar la información específica del paciente de las imágenes médicas en forma de contornos pulmonares que sirven como una limitación del árbol de las vías respiratorias cultivado artificialmente.
Hasta ahora, se han investigado con éxito varias preguntas en biomecánica respiratoria utilizando modelos de compartimentos múltiples. Lo más importante es que la dinámica de reapertura de las regiones pulmonares colapsadas en el síndrome de dificultad respiratoria aguda se ha evaluado en función de la presión de reapertura y el tiempo de maniobra. En este contexto, se pudieron determinar los momentos, presiones y duración óptimos de las inflaciones profundas durante la ventilación mecánica. Además, ha sido posible predecir las limitaciones de flujo en un árbol de vías respiratorias sano, así como el efecto de la broncoconstricción heterogénea y la heterogeneidad de tejidos regionales en la ventilación regional en pulmones enfermos. Además, se podría estudiar la propagación de un tapón líquido en una red compleja de vías respiratorias de dimensiones reducidas y determinar la dependencia de frecuencia asociada del comportamiento de las vías respiratorias conductoras y del tejido pulmonar. Las investigaciones mencionadas abordan los conceptos básicos de cierre/reapertura cíclica y sobrestrenado durante la ventilación mecánica de pacientes críticos. Los modelos de compartimentos múltiples han permitido identificar con éxito modos de ventilación mínimamente perjudiciales en este contexto.