Multi-Compartment Models
I modelli multi-compartment sono il prossimo passo verso una modellazione più realistica della biomeccanica respiratoria. Comprendono tutti gli approcci che sono caratterizzati da molteplici componenti a dimensione ridotta sia per la conduzione che per la zona respiratoria del polmone e segnano il passaggio da approcci fenomenologici puri a modelli fisicamente motivati nella biomeccanica respiratoria. In generale, i modelli multi-compartimento sono motivati dall’idea che una descrizione dimensionale ridotta sia il modo più efficace per descrivere la biomeccanica respiratoria a livello di organo e dalla consapevolezza che la mancanza di informazioni regionali deve essere superata per consentire conclusioni precise in un contesto clinico.
I modelli multi-compartimento fenomenologici puri sono caratterizzati da una disposizione parallela di modelli a compartimento singolo con valori di parametro distribuiti per resistenza equivalente e conformità estesi da modelli che governano le dinamiche di reclutamento / derecruitment. Le stesse ipotesi valgono per i modelli a compartimento singolo, ad eccezione dell’ipotesi che il comportamento sia mediato sull’intero organo (vedere la sezione “Modelli a compartimento singolo”). I parametri del modello richiesti sono ancora identificati tramite l’adattamento alle misurazioni del paziente.
I modelli multi-compartimento fisicamente motivati d’altra parte sono costruiti sulla fisica sottostante. Ipotesi specifiche sono fatte per consentire la descrizione dimensionale ridotta sia della conduzione che della zona respiratoria. Le rappresentazioni unidimensionali, zero-dimensionali o basate sull’impedenza di singoli segmenti delle vie aeree della zona di conduzione (vedi sezione “Modelli ridotti della zona di conduzione”) vengono quindi combinate con una struttura ad albero morfologicamente realistica utilizzando dati provenienti da calchi polmonari o algoritmi di crescita degli alberi che generano un albero delle vie aeree che riempie lo spazio all’interno di una geometria Inoltre, ogni segmento delle vie aeree può essere dotato di una rappresentazione delle dinamiche di reclutamento/derecruitment basata su una variabile aggiuntiva che descrive lo stato di apertura e la sua progressione. La zona respiratoria alle estremità terminali dell’albero delle vie aeree o nelle disposizioni parallele dei modelli a compartimento singolo può anche essere adattata a equazioni fenomenologiche pure del tessuto polmonare usando, ad esempio, le equazioni di compliance esponenziale precedentemente menzionate, o essere derivata da descrizioni fisicamente motivate del tessuto polmonare, ad esempio, basate su modelli di condotti alveolari (vedi sezione “Modelli ridotti della zona respiratoria”). Un’importante estensione recente relativa alla zona di conduzione nei modelli multi-compartimento è la considerazione dell’interazione tra singoli compartimenti vicini, noti anche come interdipendenza polmonare, aggiungendo stabilità realistica ai singoli spazi d’aria di gonfiaggio/sgonfiamento.
Essenzialmente tutti i modelli multi-compartimento sono una relazione funzionale tra pressione e flusso nella conduzione e nella zona respiratoria e consentono una risoluzione spaziale di quantità calcolate in diverse regioni del polmone. Con la possibilità di rispettare le proprietà del materiale distribuite spazialmente e le pressioni di riapertura della soglia variabili a livello regionale, nonché gli effetti gravitazionali, consentono un esame più realistico della funzione polmonare. Semplici disposizioni parallele di modelli a compartimento singolo sono ancora rappresentazioni fenomenologiche della meccanica polmonare che devono essere adatte alle misurazioni e quindi sono facili da adattare a un paziente specifico. Per una vestibilità soddisfacente, la qualità delle misure disponibili è decisiva. Il carattere predittivo di questi modelli soffre del fatto che non si capisce cosa succede in scenari al di là di quelli in cui sono disponibili dati adeguati. Le conclusioni su pressioni più elevate di quelle misurate sono quindi solo un’estrapolazione matematica più sofisticata senza una conoscenza più approfondita dei potenziali punti critici nel comportamento del sistema e quindi pericolosa per la previsione in un’applicazione clinica.
I modelli multi-compartimento basati fisicamente consentono una visione più approfondita del flusso d’aria in una rete di segmenti delle vie aeree conformi e dell’inflazione del tessuto polmonare elastico (visco). In questi modelli, le descrizioni della conduzione e della zona respiratoria sono derivate dalla dinamica del flusso d’aria fisicamente sana e dalla meccanica dei tessuti ed estese da tutte le capacità necessarie per descrivere il comportamento del polmone. Possono includere l’interdipendenza e le dinamiche di reclutamento/ritiro. La verifica rispetto alle rappresentazioni meccaniche continue della zona di conduzione mostra che i risultati dei modelli dimensionali ridotti sono in buon accordo e persino in grado di tenere adeguatamente conto degli effetti di turbolenza. Tuttavia, i modelli a dimensione ridotta sono veloci nel loro calcolo e forniscono dati di pressione e flusso che sono facili da interpretare in un ambiente clinico. Questi modelli consentono uno sguardo più da vicino nella scatola nera della modellazione polmonare e quindi sono più potenti degli approcci di montaggio puro in termini di previsione di stati critici o estremamente benefici della funzione polmonare. Richiedono solo pochi dati per la calibrazione specifica del paziente, il che significa che possono fornire dati affidabili nell’intero intervallo di pressione fisiologica nella respirazione. Inoltre, è possibile integrare le informazioni specifiche del paziente dall’imaging medico sotto forma di contorni polmonari che fungono da limitazione dell’albero delle vie aeree coltivato artificialmente.
Finora, diverse domande in biomeccanica respiratoria sono state studiate con successo utilizzando modelli multi-compartimento. Soprattutto, la dinamica di riapertura delle regioni polmonari collassate nella sindrome da distress respiratorio acuto è stata valutata in funzione della pressione di riapertura e del tempo della manovra. In questo contesto è stato possibile determinare i momenti ottimali, le pressioni e la durata delle inflazioni profonde durante la ventilazione meccanica. Inoltre, è stato possibile prevedere le limitazioni del flusso in un albero delle vie aeree sano, nonché l’effetto della broncocostrizione eterogenea e dell’eterogeneità del tessuto regionale sulla ventilazione regionale nei polmoni malati. Inoltre, è stato possibile studiare la propagazione di un tappo liquido in una complessa rete di vie aeree a dimensioni ridotte e determinare la dipendenza dalla frequenza associata al comportamento delle vie aeree e del tessuto polmonare. Le suddette indagini affrontano i concetti di base di chiusura/riapertura ciclica e sovrallenamento durante la ventilazione meccanica dei pazienti critici. I modelli a più compartimenti hanno permesso con successo l’identificazione di modalità di ventilazione minimamente dannose in questo contesto.