modele wielokomorowe
modele wielokomorowe to kolejny krok w kierunku bardziej realistycznego modelowania biomechaniki układu oddechowego. Obejmują one wszystkie podejścia, które charakteryzują się wieloma zredukowanymi składnikami wymiarowymi zarówno dla strefy przewodzenia, jak i oddechowej płuc, i oznaczają przejście od czystych podejść fenomenologicznych w kierunku fizycznie zmotywowanych modeli w biomechanice oddechowej. Ogólnie rzecz biorąc, modele wielokomorowe są motywowane ideą, że opis o zmniejszonych wymiarach jest najskuteczniejszym sposobem opisu biomechaniki oddechowej na poziomie narządów oraz świadomością, że brak informacji regionalnych musi zostać przezwyciężony, aby umożliwić precyzyjne wnioski w warunkach klinicznych.
czyste fenomenologiczne modele wielokomorowe charakteryzują się równoległym układem modeli jednokomorowych z rozproszonymi wartościami parametrów dla równoważnej odporności i zgodności rozszerzonymi o modele regulujące dynamikę rekrutacji/derekrutacji. Takie same założenia jak w przypadku modeli jednokomorowych, z wyjątkiem założenia, że zachowanie jest uśrednione dla całego narządu (patrz sekcja „modele jednokomorowe”). Wymagane parametry modelu są nadal identyfikowane poprzez dopasowanie do pomiarów pacjenta.
fizyczne modele wielokomorowe z drugiej strony są zbudowane na podstawowej fizyce. Przyjmuje się szczegółowe założenia umożliwiające redukcyjny opis zarówno strefy przewodzącej, jak i oddechowej. Jednowymiarowe, zerowe lub oparte na impedancji reprezentacje pojedynczych segmentów dróg oddechowych strefy przewodzenia (patrz sekcja „zredukowane modele strefy przewodzenia”) są następnie łączone w morfologicznie realistyczną strukturę drzewa przy użyciu danych z odlewów płuc lub rosnących drzew algorytmów, które generują wypełniające przestrzeń drzewo dróg oddechowych w obrębie specyficznej dla pacjenta obrazowej geometrii kadłuba płuc. Dodatkowo każdy segment dróg oddechowych może być wyposażony w reprezentację dynamiki rekrutacji / derekrutacji w oparciu o dodatkową zmienną opisującą stan otwarcia i jego postęp. Strefa oddechowa na końcowych końcach drzewa dróg oddechowych lub w równoległych układach modeli jednokomorowych może być również dopasowana do czystych równań fenomenologicznych tkanki płucnej za pomocą na przykład wspomnianych wcześniej wykładniczych równań zgodności, lub może być wyprowadzona z fizycznie umotywowanych opisów tkanki płucnej na przykład w oparciu o modele kanałów pęcherzykowych (patrz sekcja „zredukowane modele strefy oddechowej”). Ważnym niedawnym rozszerzeniem związanym ze strefą przewodzenia w modelach wielokomorowych jest rozważenie interakcji między pojedynczymi sąsiednimi przedziałami, znanej również jako współzależność płuc, dodając realistyczną stabilność pojedynczym nadmuchiwanym/spuszczającym powietrze przestrzeniom.
zasadniczo wszystkie modele wielokomorowe są funkcjonalną relacją między ciśnieniem i przepływem w przewodzie i strefie oddechowej i pozwalają na przestrzenne rozdzielenie obliczonych wielkości w różnych regionach płuc. Dzięki możliwości respektowania przestrzennie rozproszonych właściwości materiału oraz zróżnicowanym regionalnie progowym ciśnieniu otwarcia, a także oddziaływaniom grawitacyjnym, pozwalają na bardziej realistyczne badanie czynności płuc. Proste równoległe układy modeli jednokomorowych są nadal fenomenologicznymi reprezentacjami mechaniki płuc, które muszą być dopasowane do pomiarów, a tym samym łatwe do dostosowania do konkretnego pacjenta. Dla zadowalającego dopasowania decydująca jest jakość dostępnych pomiarów. Predykcyjny charakter tych modeli polega na tym, że nie rozumie się, co dzieje się w scenariuszach poza tymi, w których dostępne są dane dopasowania. Wnioski na temat wyższych ciśnień niż te mierzone są wtedy tylko bardziej wyrafinowaną ekstrapolacją matematyczną bez głębszej wiedzy na temat potencjalnych punktów krytycznych w zachowaniu systemu, a tym samym niebezpiecznych dla przewidywania w zastosowaniu klinicznym.
fizyczne modele wielokomorowe umożliwiają głębszy wgląd w przepływ powietrza w całej sieci zgodnych segmentów dróg oddechowych i napompowanie (wisko -) elastycznej tkanki płucnej. W tych modelach opisy przewodnictwa i strefy oddechowej pochodzą z fizycznej prawidłowej dynamiki przepływu powietrza i mechaniki tkanek i rozszerzone są o wszystkie możliwości, które są niezbędne do opisu zachowania płuc. Mogą one obejmować współzależność, jak również dynamikę rekrutacji/derekrutacji. Weryfikacja przed ciągłymi mechanicznymi reprezentacjami strefy przewodzącej pokazuje, że wyniki z modeli o zmniejszonych wymiarach są w dobrej zgodzie, a nawet w stanie odpowiednio uwzględnić efekty turbulencji. Jednak modele o zmniejszonych wymiarach są szybkie w obliczeniach i dostarczają danych dotyczących ciśnienia i przepływu, które są łatwe do zinterpretowania w warunkach klinicznych. Modele te pozwalają bliżej przyjrzeć się czarnej skrzynce modelowania płuc, a zatem są bardziej wydajne niż czysto dopasowane podejścia w zakresie przewidywania krytycznych lub niezwykle korzystnych Stanów funkcji płuc. Wymagają tylko kilku danych do kalibracji specyficznej dla pacjenta, co oznacza, że mogą dostarczać wiarygodne dane w całym zakresie ciśnienia fizjologicznego podczas oddychania. Ponadto możliwe jest zintegrowanie informacji specyficznych dla pacjenta z obrazowania medycznego w postaci konturów płuc, które służą jako ograniczenie sztucznie wyhodowanego drzewa dróg oddechowych.
do tej pory kilka pytań z biomechaniki układu oddechowego zostało z powodzeniem zbadanych przy użyciu modeli wielokomorowych. Co najważniejsze, dynamikę ponownego otwarcia zapadniętych regionów płuc w zespole ostrej niewydolności oddechowej oceniono jako funkcję ponownego otwarcia ciśnienia i czasu manewru. W tym kontekście można określić optymalne momenty, ciśnienia i czas trwania głębokich napompowań podczas wentylacji mechanicznej. Ponadto można było przewidzieć ograniczenia przepływu w zdrowym drzewie dróg oddechowych, a także wpływ niejednorodnego skurczu oskrzeli i regionalnej niejednorodności tkanek na wentylację regionalną w chorych płucach. Poza tym, można było badać rozprzestrzenianie się pluginu płynnego w złożonej sieci dróg oddechowych o zmniejszonych wymiarach i określić związaną z tym zależność od częstotliwości prowadzenia dróg oddechowych i zachowania tkanki płucnej. Powyższe badania dotyczą podstawowych pojęć cyklicznego zamykania / wznawiania i przeciążania podczas wentylacji mechanicznej pacjentów w stanie krytycznym. Modele wielokomorowe z powodzeniem umożliwiły identyfikację minimalnie szkodliwych trybów wentylacji w tym kontekście.