Moniosastomallit
moniosastomallit ovat seuraava askel kohti realistisempaa hengitysbiomekaniikan mallintamista. Ne käsittävät kaikki lähestymistavat, joille on ominaista useita pieniulotteisia komponentteja sekä keuhkojen johtavalle että hengitysvyöhykkeelle, ja ne merkitsevät siirtymistä puhtaista fenomenologisista lähestymistavoista fysikaalisiin malleihin hengitysteiden biomekaniikassa. Monitilamallien taustalla on yleensä ajatus siitä, että pelkistetty kuvaus on tehokkain tapa kuvata hengitysteiden biomekaniikkaa elintasolla, ja tietoisuus siitä, että alueellisen tiedon puute on voitettava, jotta kliinisessä ympäristössä voidaan tehdä tarkkoja johtopäätöksiä.
puhtaille fenomenologisille monilokeromalleille on ominaista yksilokeroisten mallien rinnakkainen järjestely, jossa on hajautettuja parametriarvoja vastaavalle resistanssille ja vaatimustenmukaisuudelle ja jota laajennetaan malleilla, jotka säätelevät rekrytointi- / poistumisdynamiikkaa. Oletukset ovat samat kuin yksiosaisissa malleissa, lukuun ottamatta oletusta, että käyttäytyminen lasketaan keskiarvona koko elimestä (KS.kohta ”yksiosaiset mallit”). Tarvittavat malliparametrit tunnistetaan edelleen potilasmittausten avulla.
fyysisesti motivoituneet moniosastomallit sen sijaan rakentuvat taustalla olevan fysiikan varaan. On tehty erityisiä oletuksia, joiden avulla voidaan kuvata pelkistetysti sekä johtavaa että hengitysaluetta. Yksiulotteiset, nollaulotteiset tai impedanssiin perustuvat esitykset johtavan vyöhykkeen yksittäisistä hengitystiesegmenteistä (KS. ”johtavan vyöhykkeen pelkistetyt mallit”-jakso) yhdistetään morfologisesti realistiseen puurakenteeseen käyttäen joko keuhkovaluista saatuja tietoja tai puiden viljelyalgoritmeja, jotka tuottavat tilaa täyttävän hengitystiesegeometrian potilaskohtaisessa kuvantamiseen perustuvassa keuhkojen rungon geometriassa. Lisäksi jokainen hengitystiesegmentti voidaan varustaa representaatiodynamiikalla, joka perustuu lisämuuttujaan, joka kuvaa avautumistilaa ja sen etenemistä. Hengitystiepuun terminaalipäissä oleva hengitysvyöhyke tai yksiosaisten mallien rinnakkaiset järjestelyt voivat myös joko sopia puhtaisiin keuhkokudoksen fenomenologisiin yhtälöihin käyttäen esimerkiksi edellä mainittuja eksponentiaalisia vaatimustenmukaisuusyhtälöitä, tai olla johdettavissa keuhkokudoksen fysikaalisista kuvauksista, jotka perustuvat esimerkiksi alveolaarisiin kanavamalleihin (KS. ”Hengitysvyöhykkeen suppeammat mallit” – osio). Tärkeä viimeaikainen laajennus, joka liittyy johtavaan vyöhykkeeseen moniosastomalleissa, on yksittäisten naapuriosastojen välisen vuorovaikutuksen huomioon ottaminen, joka tunnetaan myös keuhkojen keskinäisriippuvuutena, mikä lisää realistista vakautta yhteen paisuvaan/deflatoivaan ilmatilaan.
periaatteessa kaikki monitilamallit ovat toiminnallinen suhde paineen ja virtauksen välillä johtavassa ja hengitysvyöhykkeessä ja mahdollistavat laskettujen suureiden spatiaalisen erottelun keuhkojen eri alueilla. Ne mahdollistavat keuhkojen toiminnan realistisemman tutkimisen, koska niissä voidaan huomioida alueellisesti jakautuneita materiaaliominaisuuksia ja alueellisesti vaihtelevia kynnysarvoja sekä gravitaatiovaikutuksia. Yksiosaisten mallien yksinkertaiset rinnakkaiset järjestelyt ovat edelleen keuhkomekaniikan fenomenologisia representaatioita, joiden on sovittava mittauksiin ja siten helppo sopeutua tiettyyn potilaaseen. Tyydyttävän istuvuuden kannalta ratkaisevaa on käytettävissä olevien mittausten laatu. Näiden mallien ennakoiva luonne kärsii siitä, että ei ymmärretä, mitä skenaarioissa tapahtuu niiden lisäksi, joista on saatavilla sopivaa tietoa. Mittaustuloksia korkeampia paineita koskevat päätelmät ovat tällöin vain kehittyneempää matemaattista ekstrapolointia ilman syvällisempää tietoa systeemin käyttäytymisen mahdollisista kriittisistä kohdista ja siten vaarallista ennustamisen kannalta kliinisessä sovelluksessa.
fysikaalisesti perustuvien moniosaisten mallien avulla voidaan syventää ilmavirtaa vaatimustenmukaisten hengitystiesegmenttien verkostossa ja (visco -) elastisen keuhkokudoksen inflaatiota. Näissä malleissa johtavan ja hengitysalueen kuvaukset johdetaan fyysisesti terveestä ilmavirran dynamiikasta ja kudosmekaniikasta, ja niitä laajennetaan kaikilla ominaisuuksilla, jotka ovat tarpeen keuhkojen käyttäytymisen kuvaamiseksi. Niihin voi sisältyä keskinäinen riippuvuus sekä rekrytoinnin ja palveluksesta luopumisen dynamiikka. Todentaminen vastaan continuum mekaanisia esityksiä johtavan vyöhykkeen osoittavat, että tulokset pelkistetty-ulotteinen malleja on hyvässä yhteisymmärryksessä ja jopa pystyy riittävästi ottamaan huomioon turbulenssi vaikutuksia. Pelkistetyt mallit ovat kuitenkin nopeita laskennassaan ja tuottavat paine-ja virtaustietoja, joita on helppo tulkita kliinisessä ympäristössä. Nämä mallit mahdollistavat lähemmän tarkastelun musta laatikko keuhkojen mallinnus ja siten ovat tehokkaampia kuin puhdas sopiva lähestymistapoja kannalta ennustaa kriittisiä tai erittäin hyödyllisiä tiloja keuhkojen toimintaa. Ne vaativat vain vähän tietoa potilaskohtaista kalibrointia varten, mikä tarkoittaa, että ne voivat tuottaa luotettavaa tietoa koko fysiologisesta painealueesta hengityksessä. Lisäksi on mahdollista yhdistää lääketieteellisestä kuvantamisesta saatavaa potilaskohtaista tietoa keuhkojen ääriviivojen muodossa, jotka toimivat keinotekoisesti kasvatetun hengitystiepuun rajoittamisena.
tähän mennessä useita hengityselinten biomekaniikan kysymyksiä on onnistuneesti tutkittu moniosastomalleilla. Mikä tärkeintä, uudelleenavaaminen dynamiikka romahtanut keuhkojen alueilla akuutissa hengitysvaikeusoireyhtymä on arvioitu funktio uudelleen avaamiseen paine ja aika manööveri. Tässä yhteydessä voitaisiin määrittää koneellisen ilmanvaihdon aikana tapahtuvien syvien inflaatioiden optimaaliset hetket, paineet ja kesto. Lisäksi on ollut mahdollista ennustaa virtausrajoituksia terveessä hengitystiepuussa sekä heterogeenisen bronkokonstriktion ja alueellisen kudoksen heterogeenisuuden vaikutusta alueelliseen ilmanvaihtoon sairaissa keuhkoissa. Lisäksi voitaisiin tutkia nestetulpan leviämistä monimutkaisessa pelkistettyjen hengitysteiden verkostossa ja määrittää siihen liittyvä taajuusriippuvuus hengitysteiden ja keuhkokudoksen käyttäytymisessä. Edellä mainituissa tutkimuksissa käsitellään kriittisesti sairaiden potilaiden syklisen sulkemisen/uudelleen avaamisen ja ylirasituksen peruskäsitteitä koneellisen ilmanvaihdon aikana. Monitilamallit ovat onnistuneet tunnistamaan mahdollisimman vähän vahingollisia ilmanvaihtotiloja tässä yhteydessä.