modeller med flera fack
modeller med flera fack är nästa steg mot mer realistisk modellering av andningsbiomekanik. De omfattar alla tillvägagångssätt som kännetecknas av flera reducerade dimensionella komponenter för både lungens ledande och andningszon och markerar övergången från rena fenomenologiska tillvägagångssätt till fysiskt motiverade modeller inom andningsbiomekanik. I allmänhet motiveras modeller med flera avdelningar av tanken att en reducerad dimensionell beskrivning är det mest effektiva sättet att beskriva andningsbiomekanik på organnivå och medvetenheten om att bristen på regional information måste övervinnas för att möjliggöra exakta slutsatser i en klinisk miljö.
rena fenomenologiska modeller med flera fack kännetecknas av ett parallellt arrangemang av modeller med enfack med distribuerade parametervärden för ekvivalent motstånd och efterlevnad utvidgad av modeller som styr rekryterings-/derekryteringsdynamik. Samma antaganden gäller som för enkammarmodeller med undantag för antagandet att beteendet är i genomsnitt över hela orgeln (se avsnittet ”Enkammarmodeller”). Nödvändiga modellparametrar identifieras fortfarande via anpassning till patientmätningar.
fysiskt motiverade multifackmodeller å andra sidan bygger på den underliggande fysiken. Specifika antaganden görs för att möjliggöra den reducerade dimensionella beskrivningen av både ledande och andningszonen. De endimensionella, nolldimensionella eller impedansbaserade representationerna av enskilda luftvägssegment i den ledande zonen (se avsnittet ”Reducerade modeller av den ledande zonen”) kombineras sedan till en morfologiskt realistisk trädstruktur med användning av antingen data från lunggjutningar eller trädväxande algoritmer som genererar ett rymdfyllande luftvägsträd inom en patientspecifik bildbaserad lungskrovgeometri. Dessutom kan varje luftvägssegment utrustas med en representation av rekryterings – /derekryteringsdynamik baserat på en ytterligare variabel som beskriver öppningstillståndet och dess progression. Andningszonen vid luftvägsträdets slutändar eller i parallella arrangemang av modeller med enfack kan också antingen passa till rena fenomenologiska ekvationer av lungvävnad med hjälp av till exempel de tidigare nämnda exponentiella överensstämmelseekvationerna, eller härledas från fysiskt motiverade beskrivningar av lungvävnad till exempel, baserat på alveolära kanalmodeller (se avsnittet ”Reducerade modeller av andningszonen”). En viktig ny förlängning relaterad till ledningszonen i modeller med flera fack är övervägande av samspelet mellan enskilda angränsande fack, även känt som lungberoende, vilket ger realistisk stabilitet till enstaka uppblåsande/deflaterande luftrum.
i huvudsak är alla modeller med flera avdelningar ett funktionellt förhållande mellan tryck och flöde i ledningen och andningszonen och möjliggör en rumslig upplösning av beräknade kvantiteter i olika regioner i lungan. Med möjligheten att respektera rumsligt fördelade materialegenskaper och regionalt varierande tröskelåteröppningstryck samt gravitationseffekter möjliggör de en mer realistisk undersökning av lungfunktionen. Enkla parallella arrangemang av enkammarmodeller är fortfarande fenomenologiska representationer av lungmekanik som måste vara anpassade till mätningar och därmed är lätta att anpassa till en specifik patient. För en tillfredsställande passform är kvaliteten på de tillgängliga mätningarna avgörande. Den prediktiva karaktären hos dessa modeller lider av det faktum att det inte förstås vad som händer i scenarier utöver de där passande data finns tillgängliga. Slutsatser om högre tryck än de uppmätta är då bara en mer sofistikerad matematisk extrapolering utan djupare kunskap om potentiella kritiska punkter i systembeteende och därmed farliga för förutsägelse i en klinisk tillämpning.
fysiskt baserade modeller med flera avdelningar möjliggör en djupare inblick i luftflödet genom ett nätverk av kompatibla luftvägssegment och inflation av (visko-)elastisk lungvävnad. I dessa modeller är beskrivningarna av ledande och andningszonen härledda från fysiskt sund luftflödesdynamik och vävnadsmekanik och utvidgas med alla funktioner som är nödvändiga för att beskriva lungens beteende. De kan inkludera ömsesidigt beroende samt dynamiken i rekrytering / derecruitment. Verifiering mot kontinuerliga mekaniska representationer av den ledande zonen visar att resultaten från de reducerade dimensionella modellerna är i god överensstämmelse och till och med kan ta hänsyn till turbulenseffekter på ett adekvat sätt. Ändå är de reducerade dimensionella modellerna snabba i sin beräkning och levererar tryck-och flödesdata som är lätta att tolka i klinisk miljö. Dessa modeller möjliggör en närmare titt på den svarta lådan med lungmodellering och är därmed kraftfullare än rena passande tillvägagångssätt när det gäller att förutsäga kritiska eller extremt fördelaktiga tillstånd av lungfunktion. De kräver endast få data för patientspecifik kalibrering, vilket innebär att de kan leverera tillförlitliga data inom hela det fysiologiska tryckområdet vid andning. Vidare är det möjligt att integrera patientspecifik information från medicinsk bildbehandling i form av lungkonturerna som fungerar som en begränsning av det artificiellt odlade luftvägsträdet.
hittills har flera frågor inom respiratorisk biomekanik framgångsrikt undersökts med hjälp av flera fackmodeller. Viktigast är att återöppningsdynamiken i kollapsade lungregioner i akut andningsbesvärssyndrom har bedömts som en funktion av återöppningstryck och manövertid. I detta sammanhang kan de optimala ögonblicken, trycket och varaktigheten av djupa inflationer under mekanisk ventilation bestämmas. Vidare har det varit möjligt att förutsäga flödesbegränsningar i ett friskt luftvägsträd såväl som effekten av heterogen bronkokonstriktion och regional vävnadsheterogenitet på regional ventilation i sjuka lungor. Dessutom kunde utbredningen av en vätskeplugg i ett komplext nätverk av reducerade dimensionella luftvägar studeras och det associerade frekvensberoendet för ledande luftvägs-och lungvävnadsbeteende kunde bestämmas. De ovannämnda undersökningarna behandlar de grundläggande begreppen cyklisk stängning / återöppning och överansträngning under mekanisk ventilation av kritiskt sjuka patienter. Modellerna med flera fack har framgångsrikt möjliggjort identifiering av minimalt skadliga ventilationssätt i detta sammanhang.