L; потік повітря та крові in vivo - проміжки

Дихальна система
Джерело: Тереза Нотт/Вікіпедія

Хто ніколи не мріяв подорожувати всередині людського тіла, спостерігати за рухом повітря в легенях або спостерігати, як приплив крові роздуває артерії в ритмі серцебиття? Тепер завдяки комп’ютерним моделям це стає можливим: вони представляють органи, їх функціонування, а також рідини, що проходять через них; вони допомагають у діагностичній оцінці патологій та у контролі ефективності лікування. Вони дозволяють аналізувати поведінку органу в цілому, а іноді і до таких тонких деталей, як взаємодія між молекулами. Потім ця поведінка описується за допомогою математичних співвідношень та параметрів, маючи на увазі заповідь англійського філософа Вільгельма Оккемського (1280-1350): “Pluralitas non est ponenda sine need need”, множення елементів використовувати не слід непотрібно. Дійсно необхідно обмежитися невеликою кількістю значущих параметрів, щоб контролювати моделювання, забезпечувати швидкий розрахунок та ефективно інтерпретувати результати.

Завдання важке, бо людський організм є продуктом 3,8 мільярда років еволюції, протягом яких одноклітинна істота еволюціонувала у складений сьогоднішній організм. Фізіологічна система має складну будову, а її компоненти різноманітні за своєю суттю. Це змінюється протягом життя людини. Деякі елементи є зайвими, щоб уникнути деградації цілого шляхом зміни деяких.

Як ми розуміємо фізіологічну систему в цілому? Підхід моделей не такий, як підхід медиків. Останні спостерігають за пацієнтом і порівнюють його стан зі станом здорового суб’єкта, слідуючи списку зафіксованих фактів. Ми, моделісти, поводимось як фізики: ми обходимо труднощі, пов'язані з різноманітністю, складністю та мінливістю організмів, шляхом відповідного вибору гіпотез та масштабів. Ми зберігаємо лише ті властивості системи, які пов’язані з проблемою. Словом, ми підходимо до реальності за допомогою штучної ситуації, моделі.

"Ви можете скласти гарну картину простого лише після ретельного вивчення складного. "
(Гастон Бачелард)

Модель натхнена фізичними теоріями та спостереженнями. Спрощуються припущення, а вхідні дані виводяться із спостережень. Чисельне моделювання передбачає для набору вхідних даних результат, який порівнюється із спостереженнями.
Інфографіка: Для науки

Першим кроком є присвоєння відповідних значень цим параметрам та властивостям біологічних матеріалів. Це досить складно: вимірювання in vitro не відображають реальності, оскільки ми не знаємо, як відтворити в лабораторії фізіологічну систему, яку зрошують та підпорядковують вимогам її близького оточення, наприклад центральної нервової системи. Однак нехтування цими аспектами іноді призводить до помилкових оцінок.

Хороше моделювання легко зрозуміти та використовувати. Надійний і надійний, він оцінює реакцію системи навіть на екстремальні значення параметрів. Він адаптується та розвивається з урахуванням дедалі складніших ситуацій. Чисельне моделювання не лише описує поведінку досліджуваної системи для фіксованого набору вхідних даних. Фізик перевіряє роль кожної задіяної величини, змінюючи її значення та підтримуючи всі інші константи. Крім того, моделювання забезпечують йому еволюцію в часі та просторі різних фізичних величин з роздільною здатністю, рівною експериментальній. Таким чином ми досягаємо детального та прогнозного розуміння пов'язаних явищ.

У наступних параграфах ми зосередимося на моделюванні фізіологічних потоків через три приклади. Перший фокусується на потоці повітря в дихальних шляхах: він підкреслює обмеження потоку повітря, що викидається, коли ви його витісняєте. Ми побачимо, що модель, хоча і відрізняється від структури реальної системи, має подібну поведінку. Друга модель розглядає ураження, більш-менш широке, стінки артерії, що називається аневризмою, що ризикує прогресувати до розриву та смерті ураженого. За допомогою моделювання ми прогнозуємо поведінку артерії та ураження до та після лікування. Нарешті, третя модель розглядає подібний випадок аневризми та пояснює, як модель може бути адаптована до пацієнта на основі медичних зображень. Розроблений відповідно до анатомії пацієнта, він надає лікарям цінну інформацію про вибір найбільш підходящої терапії.

Моноальвеолярна легеня

Чи легке опускається до мішка, з'єднаного з трубою? На перший погляд, структури бувають різними, але, порівнюючи мішок з обміном між повітрям і кров’ю та трубкою, до трахеї, бронхів та бронхіол, ми відтворюємо характеристики легеневого видиху.
Зображення: DR

Швидкість потоку рідини, тут потік повітря, є параметром, який нас цікавить. Згідно з моделюванням, вона дорівнює швидкості хвиль тиску в найвужчому відділі трахеї, який знаходиться біля отвору у верхній частині грудної клітки. Ми порівняли цей чисельний результат із вимірами, проведеними у здорових добровольців. Експериментальні та числові величини слідують однаковій еволюції та підтверджують моделювання.

У світлі результатів моделювання ми просуваємось у розумінні того, як працюють легені, і відкидаємо помилкові уявлення, які були добре прийняті до того часу. Вважалося, що зусилля, що чиняться, не впливали на потік протягом більшої частини вимушеного видиху, але моделювання доводить протилежне. Величина швидкості потоку сильно залежить від зміни тиску. Крім того, існування критичного потоку є лише тимчасовим. Ідея про те, що великокаліберні бронхи мало впливали на кровотік в кінці тесту, ставиться під сумнів, оскільки ми показали важливу роль деформації трахеї. Наша модель точно враховує фізичні явища і виявляється плідним засобом дослідження та роздумів, хоча її структура нереальна.

Аневризма мозку

Наш другий предмет дослідження стосується аневризми головного мозку, яка є аномальним розширенням стінки артерії. Спостерігається або повне набрякання артеріального відділу у вигляді веретена, або поява бічної кишені. Цей другий тип розширення, який називається мішкоподібним, часто виникає на гілці великих судин, розташованих біля основи мозку. За час свого розвитку стінка стоншується, а порожнина збільшується до більш ніж 25 міліметрів.

Можливі два способи лікування: нейрохірургічне «відсікання» та ендоваскулярне лікування імплантацією ниток. У першому випадку лікар кладе на основу аневризми невеликий металевий «затискач», затискач, щоб закрити його. Таким чином, вона відокремлює аневризму від решти кровоносних судин. Друге рішення - розміщення гнучких металевих ниток в аневризмі. Для цього лікар вводить довгу трубку - катетер в артерію паху. Потім обережно підсуває його до мозку. Нарешті, він пропускає платинові нитки всередину катетера, щоб заповнити порожнину і закупорити аневризму.

Для вивчення аневризми ми розробили два типи моделей: одну двовимірну, а іншу тривимірну. З першим ми розглянули, що відбувається при різних станах заповнення аневризми металевими нитками: порожнина порожня, частково або повністю закупорена. Кожного разу результати показують, що ділянки високого тиску в порожнині призводять до утворення нових уражень навколо перших. Це спостереження узгоджується з медичними спостереженнями.

Потім ми розглянули вплив орієнтації аневризми: коли порожнина аневризми має широку шийку та вісь, паралельну осі артерії, вона дуже зрошується. Таким чином, тиск усередині порожнини більший для гілки аневризми, розташованої на стінці навпроти кровопостачання, ніж для аневризми, розташованої на бічній стінці артерії.

Адаптуйте до пацієнта

Моделювання аневризми. Зображення пацієнта робиться за допомогою рентгенівського сканера (а). Ми витягуємо форму артерій, яку відновлюємо за допомогою комп’ютера, а потім моделюємо кровообіг. У (b) ми можемо побачити аневризму, яка утворює розростання на гілці середньої мозкової артерії. Потік крові чинить тиск на стінки аневризми. Помаранчеві області - це ті місця, де тиск у кишені максимальний. Вони відповідають куполу аневризми, який звернений до вхідного потоку крові, а також перехідній зоні біфуркації. Одна з цих областей може розірватися і спричинити смерть пацієнта.
Зображення: Марк Тіріє

З медичних зображень ми встановлюємо другу модель, яка є тривимірною та адаптована до пацієнта. Медична візуалізація забезпечує поперечні зрізи анатомічних компонентів, які ми з’єднуємо в єдине ціле, наскільки це можливо, згуртовані та вірні. Відображаючи стан органу в даний момент, ці моделі керують терапевтичним вибором: або лікар заповнює порожнину, або він її «затискає». У випадку аневризми гілки середньої мозкової артерії моделювання вказує на область високого кров'яного тиску, що розсікає пошкоджену судину і перехідну зону гілки. Ця область унеможливлює постійне ендоваскулярне лікування, оскільки дуже ймовірно, що друге ураження сформується поблизу першого. Однак до цієї аневризми на бічній стороні мозку легко дістатись. Потім пацієнт отримує користь від хірургічного лікування за допомогою кліпсування, яке є єдиним остаточним рішенням.

Моделі та міри

Розробляючи ці моделювання, ми виявили, що діагноз повинен був доповнюватися вимірами, які локально описують кровообіг (тиск, розподіл потоку між бронхами тощо). Ці параметри визначаються за допомогою магнітно-резонансної томографії або ультразвуку. Однак порівняння результатів моделювання з клінічними спостереженнями або проведеними на моделях є задовільними. Для щоденного використання нам все ще потрібно підвищити надійність тривимірної реконструкції та оптимізувати комп’ютерне письмо.

Моделювання дихальних шляхів підтверджено за допомогою макетів. Геометрія дихальних шляхів відтворена на смоляній моделі (а), і повітря вводиться в неї за допомогою поршня. Коли рідина виходить, ми вимірюємо її швидкість і порівнюємо ці експериментальні результати (b) з результатами моделювання (c) для того самого місця дихальних шляхів. Згода між числовими результатами та фізичними вимірами підтверджує моделювання.
Зображення: Марк Тіріє

Представлені тут моделі ізолюють частину дихальних шляхів або кровообіг. Тому граничні умови не дотримуються суворо. Щоб уточнити реалістичність моделей, ми пропонуємо поєднати докладні моделі із спрощеними моделями мереж кровообігу. Моделювання людського тіла процвітає. Її роль виходить за рамки розуміння поведінки фізіологічних систем: ми пропонуємо параметри, за допомогою яких лікар проводить ранню діагностику хронічних захворювань та виявляє суб'єктів, що перебувають у групі ризику для даного захворювання, наприклад, розвиток обструктивного розладу через куріння. Моделісти також роблять навпаки: вони пристосовують модель до фізіологічних вимірювань та оцінюють параметри, недоступні in vivo. Моделі також допомагають лікарю у плануванні лікування та моніторингу травм після лікування. Нарешті, вони використовуються для проектування та оптимізації імплантованих медичних пристроїв та для розробки програмного забезпечення, що імітує медичні операції під час вивчення професії лікаря-інтервента та хірурга (див. Статтю Моделювання печінкової хірургії, Х. Делінгетта та Н. Айяче ).

Деякі посилання доступні, щоб дізнатись більше про фізіологічне моделювання потоку.

Французькою

Англійською

Ж.-Д. Буассоннат та ін., Від артеріографій до обчислювального потоку в мішкоподібних аневризмах: досвід INRIA, в Medical Medical Analysis, vol. 9 вересня 2005 р
C. Fetifa et al., Обчислювальна модель коливальних потоків в проксимальній частині трахеобронхіальних дерев, заснована на зображенні, в Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, vol. 8, n ° 4, 2005
Л. Віал та співавт., Валідація моделювання CFD у проксимальних дихальних шляхах людини, реконструйована за медичними зображеннями за допомогою гіперполяризованої контрастної швидкості МРТ гелію-3, у Журналі прикладної фізіології, що виходить

Перша версія цієї статті з’явилася у файлі № 52 Комп’ютерне моделювання, дослідження реальності журналу Pour la Science, випуск за липень/вересень 2006 р.

Отримуйте підбірку статей щомісяця

Рівень читання

Допоможіть нам оцінити рівень читання цього документа.

Ваш вибір враховано. Дякуємо за оцінку рівня цього документа !