Multi-compartiment modellen
Multi-compartiment modellen zijn de volgende stap naar meer realistische modellering van respiratoire biomechanica. Ze omvatten alle benaderingen die worden gekenmerkt door meerdere gereduceerde dimensionale componenten voor zowel de geleidende als de ademhalingszone van de long en markeren de overgang van pure fenomenologische benaderingen naar fysisch gemotiveerde modellen in respiratoire biomechanica. In het algemeen worden modellen met meerdere compartimenten gemotiveerd door het idee dat een verkleinde dimensionale beschrijving de meest efficiënte manier is om biomechanica van de luchtwegen op orgaanniveau te beschrijven en het bewustzijn dat het gebrek aan regionale informatie moet worden overwonnen om nauwkeurige conclusies in een klinische setting mogelijk te maken.
pure fenomenologische modellen met meerdere compartimenten worden gekenmerkt door een parallelle opstelling van modellen met één compartiment met gedistribueerde parameterwaarden voor equivalente weerstand en naleving, uitgebreid met modellen die de wervingsdynamiek beheersen. Dezelfde aannames gelden als voor modellen met een enkel compartiment, behalve de aanname dat het gedrag over het gehele orgaan wordt gemiddeld (Zie sectie “modellen met één compartiment”). Vereiste modelparameters worden nog steeds geïdentificeerd via aanpassing aan patiëntmetingen.
Fysisch gemotiveerde modellen met meerdere compartimenten daarentegen zijn gebaseerd op de onderliggende fysica. Er worden specifieke aannames gemaakt om de gereduceerde dimensionale beschrijving van zowel de geleidende als de ademhalingszone mogelijk te maken. De eendimensionale, nuldimensionale, of impedantie-gebaseerde representaties van enkele luchtwegsegmenten van de geleidende zone (zie “gereduceerde modellen van de geleidende Zone” sectie) worden vervolgens gecombineerd tot een morfologisch realistische boomstructuur met behulp van gegevens van Long afgietsels of boom-groeiende algoritmen die een ruimtevullende luchtwegboom genereren binnen een patiënt-specifieke imaging-gebaseerde long romp geometrie. Bovendien kan elk luchtwegsegment worden uitgerust met een representatie van de wervingsdynamiek op basis van een extra variabele die de openingstoestand en de progressie ervan beschrijft. De ademhalingszone aan de eindpunten van de luchtwegboom of in de parallelle arrangementen van modellen met één compartiment kan ook geschikt zijn voor pure fenomenologische vergelijkingen van longweefsel met behulp van bijvoorbeeld de eerder genoemde exponentiële compliance vergelijkingen, of worden afgeleid van fysisch gemotiveerde beschrijvingen van longweefsel bijvoorbeeld, gebaseerd op alveolaire kanaalmodellen (zie “gereduceerde modellen van de Ademhalingszone” sectie). Een belangrijke recente uitbreiding met betrekking tot de geleidende zone in multi-compartiment modellen is de overweging van de wisselwerking tussen enkele naburige compartimenten, ook bekend als long onderlinge afhankelijkheid, het toevoegen van realistische stabiliteit aan enkele opblaasbare/leegloop luchtruimten.
in wezen zijn alle modellen met meerdere compartimenten een functionele relatie tussen druk en flow in de geleidende en de ademhalingszone en zorgen voor een ruimtelijke resolutie van berekende hoeveelheden in verschillende regio ‘ s van de long. Met de mogelijkheid om ruimtelijk gedistribueerde materiaaleigenschappen en regionaal variërende drempel heropeningsdrukken evenals gravitatieeffecten te respecteren, maken ze een realistischer onderzoek van de longfunctie mogelijk. Eenvoudige parallelle arrangementen van eencompartiment modellen zijn nog steeds fenomenologische representaties van longmechanica die moeten worden aangepast aan metingen en dus gemakkelijk aan te passen zijn aan een specifieke patiënt. Voor een goede pasvorm is de kwaliteit van de beschikbare metingen doorslaggevend. Het voorspellende karakter van deze modellen lijdt onder het feit dat niet wordt begrepen wat er gebeurt in scenario ‘ s buiten die waar passende gegevens beschikbaar zijn. Conclusies over hogere drukken dan die gemeten zijn dan alleen een meer geavanceerde wiskundige extrapolatie zonder diepere kennis over potentiële kritische punten in het gedrag van het systeem en dus gevaarlijk voor voorspelling in een klinische toepassing.
fysiek gebaseerde modellen met meerdere compartimenten bieden een dieper inzicht in de luchtstroom in een netwerk van conforme luchtwegsegmenten en inflatie van (visco-)elastisch longweefsel. In deze modellen worden de beschrijvingen van de geleidings-en ademhalingszone afgeleid van fysisch correcte luchtstroomdynamica en weefselmechanica en uitgebreid met alle mogelijkheden die nodig zijn om het gedrag van de longen te beschrijven. Het kan gaan om interdependentie en de dynamiek van werving/ontruiming. Verificatie aan de hand van continuüm mechanische weergaven van de geleidende zone toont aan dat de resultaten van de gereduceerde-dimensionale modellen in goede overeenstemming zijn en zelfs in staat zijn om adequaat rekening te houden met turbulentie-effecten. Toch zijn de gereduceerde-dimensionale modellen snel in hun berekening en leveren druk – en stroomgegevens die gemakkelijk te interpreteren zijn in een klinische setting. Deze modellen laten een nadere blik in de zwarte doos van longmodellering toe en zo zijn krachtiger dan zuivere passende benaderingen in termen van het voorspellen van kritieke of uiterst voordelige Staten van longfunctie. Ze vereisen slechts weinig gegevens voor patiëntspecifieke kalibratie, wat betekent dat ze betrouwbare gegevens kunnen leveren in het gehele fysiologische drukbereik in de ademhaling. Verder is het mogelijk om patiëntspecifieke informatie uit medische beeldvorming te integreren in de vorm van de longcontouren die dienen als beperking van de kunstmatig gekweekte luchtwegboom.
tot nu toe zijn verschillende vragen in respiratoire biomechanica met succes onderzocht met behulp van modellen met meerdere compartimenten. Belangrijker nog, de heropening dynamiek van ingeklapte long regio ‘ s in acute respiratory distress syndrome zijn beoordeeld als een functie van heropening druk en de tijd van de manoeuvre. In deze context konden de optimale momenten, druk en duur van diepe opblaasingen tijdens mechanische ventilatie worden bepaald. Verder is het mogelijk geweest om stromingsbeperkingen in een gezonde luchtwegboom te voorspellen, evenals het effect van heterogene bronchoconstrictie en regionale heterogeniteit van weefsel op regionale ventilatie in zieke longen. Bovendien kon de voortplanting van een vloeibare plug in een complex netwerk van gereduceerde dimensionale luchtwegen worden bestudeerd en kon de bijbehorende frequentieafhankelijkheid van het gedrag van luchtwegen en longweefsel worden bepaald. De bovengenoemde onderzoeken richten zich op de basisconcepten van cyclische sluiting/heropening en overbelasting tijdens mechanische beademing van ernstig zieke patiënten. De modellen met meerdere compartimenten hebben de identificatie van minimaal schadelijke ventilatiemodi in deze context met succes mogelijk gemaakt.