Modèles à compartiments multiples
Les modèles à compartiments multiples constituent la prochaine étape vers une modélisation plus réaliste de la biomécanique respiratoire. Elles comprennent toutes les approches caractérisées par de multiples composantes de dimensions réduites à la fois pour la zone conductrice et la zone respiratoire du poumon et marquent la transition des approches phénoménologiques pures vers des modèles à motivation physique en biomécanique respiratoire. En général, les modèles à compartiments multiples sont motivés par l’idée qu’une description de dimensions réduites est le moyen le plus efficace de décrire la biomécanique respiratoire au niveau de l’organe et la conscience que le manque d’informations régionales doit être surmonté pour permettre des conclusions précises en milieu clinique.
Les modèles à compartiments multiples phénoménologiques purs sont caractérisés par un agencement parallèle de modèles à compartiment unique avec des valeurs de paramètres distribués pour une résistance et une compliance équivalentes étendues par des modèles régissant la dynamique de recrutement / dérécrutement. Les mêmes hypothèses sont valables que pour les modèles à compartiment unique, à l’exception de l’hypothèse selon laquelle le comportement est moyenné sur l’ensemble de l’organe (voir la section » Modèles à compartiment unique « ). Les paramètres du modèle requis sont toujours identifiés par ajustement aux mesures du patient.
Les modèles à compartiments multiples motivés physiquement, quant à eux, sont construits sur la physique sous-jacente. Des hypothèses spécifiques sont faites pour permettre la description de dimensions réduites de la zone conductrice et de la zone respiratoire. Les représentations unidimensionnelles, à dimension nulle ou basées sur l’impédance de segments de voies respiratoires uniques de la zone conductrice (voir la section « Modèles réduits de la Zone conductrice ») sont ensuite combinées à une structure arborescente morphologiquement réaliste en utilisant soit des données provenant de moulages pulmonaires, soit des algorithmes de croissance d’arbres qui génèrent un arbre des voies respiratoires remplissant l’espace au sein d’une géométrie de coque pulmonaire basée sur l’imagerie spécifique au patient. De plus, chaque segment de voie aérienne peut être équipé d’une représentation de la dynamique de recrutement / dérecrutement basée sur une variable supplémentaire qui décrit l’état d’ouverture et sa progression. La zone respiratoire aux extrémités terminales de l’arbre des voies respiratoires ou dans les agencements parallèles de modèles à un seul compartiment peut également soit être adaptée à des équations phénoménologiques pures du tissu pulmonaire en utilisant par example les équations de compliance exponentielle mentionnées précédemment, soit être dérivée de descriptions motivées physiquement du tissu pulmonaire par example, basées sur des modèles de conduits alvéolaires (voir section « Modèles réduits de la Zone Respiratoire »). Une extension récente importante liée à la zone conductrice dans les modèles à compartiments multiples est la prise en compte de l’interaction entre des compartiments voisins simples, également connue sous le nom d’interdépendance pulmonaire, ajoutant une stabilité réaliste aux espaces d’air de gonflage / dégonflage uniques.
Essentiellement, tous les modèles à compartiments multiples sont une relation fonctionnelle entre la pression et le débit dans la zone conductrice et la zone respiratoire et permettent une résolution spatiale des grandeurs calculées dans différentes régions du poumon. Avec la possibilité de respecter les propriétés des matériaux répartis dans l’espace et les pressions de réouverture des seuils variant selon les régions ainsi que les effets gravitationnels, ils permettent un examen plus réaliste de la fonction pulmonaire. Les arrangements parallèles simples de modèles à compartiment unique sont encore des représentations phénoménologiques de la mécanique pulmonaire qui doivent être adaptées aux mesures et sont donc faciles à adapter à un patient spécifique. Pour un ajustement satisfaisant, la qualité des mesures disponibles est déterminante. Le caractère prédictif de ces modèles souffre du fait qu’on ne comprend pas ce qui se passe dans des scénarios au-delà de ceux où des données d’ajustement sont disponibles. Les conclusions sur des pressions plus élevées que celles mesurées ne sont alors qu’une extrapolation mathématique plus sophistiquée sans connaissance approfondie des points critiques potentiels du comportement du système et donc dangereuses pour la prédiction dans une application clinique.
Les modèles à compartiments multiples basés sur la physique permettent de mieux comprendre le flux d’air à travers un réseau de segments de voies respiratoires conformes et le gonflage du tissu pulmonaire (visco-)élastique. Dans ces modèles, les descriptions de la zone conductrice et de la zone respiratoire sont dérivées de la dynamique du flux d’air et de la mécanique tissulaire physiquement saines et étendues par toutes les capacités nécessaires pour décrire le comportement du poumon. Elles peuvent inclure l’interdépendance ainsi que la dynamique de recrutement/dérecrutement. La vérification par rapport aux représentations mécaniques continues de la zone conductrice montre que les résultats des modèles à dimensions réduites sont en bon accord et même capables de prendre en compte de manière adéquate les effets de turbulence. Pourtant, les modèles à dimensions réduites sont rapides dans leur calcul et fournissent des données de pression et de débit faciles à interpréter en milieu clinique. Ces modèles permettent d’examiner de plus près la boîte noire de la modélisation pulmonaire et sont donc plus puissants que les approches d’ajustement pur en termes de prédiction d’états critiques ou extrêmement bénéfiques de la fonction pulmonaire. Ils ne nécessitent que peu de données pour un étalonnage spécifique au patient, ce qui signifie qu’ils peuvent fournir des données fiables dans toute la plage de pression physiologique dans la respiration. En outre, il est possible d’intégrer des informations spécifiques au patient issues de l’imagerie médicale sous la forme des contours pulmonaires qui servent de limitation de l’arbre des voies respiratoires cultivé artificiellement.
Jusqu’à présent, plusieurs questions en biomécanique respiratoire ont été étudiées avec succès à l’aide de modèles à compartiments multiples. Plus important encore, la dynamique de réouverture des régions pulmonaires effondrées dans le syndrome de détresse respiratoire aiguë a été évaluée en fonction de la pression de réouverture et du temps de la manœuvre. Dans ce contexte, les moments optimaux, les pressions et la durée des gonflements profonds lors de la ventilation mécanique ont pu être déterminés. De plus, il a été possible de prédire les limitations de débit dans un arbre des voies respiratoires sain ainsi que l’effet d’une bronchoconstriction hétérogène et d’une hétérogénéité tissulaire régionale sur la ventilation régionale des poumons malades. En outre, la propagation d’un bouchon liquide dans un réseau complexe de voies respiratoires de dimensions réduites pourrait être étudiée et la dépendance en fréquence associée au comportement des voies respiratoires conductrices et des tissus pulmonaires pourrait être déterminée. Les études susmentionnées portent sur les concepts de base de fermeture / réouverture cyclique et de surentraînement lors de la ventilation mécanique de patients gravement malades. Les modèles à compartiments multiples ont permis avec succès d’identifier des modes de ventilation peu dommageables dans ce contexte.