למה לונג מכניקה מעצבת את העניינים

מחלות אימפולסיבית כגון מחלה ריאות חסימתית כרונית (COPD), אסטמה, פיברוזיס סתום סמיאופתי, ותסמונת מצוקה חריפה נשימה חריפה (ARDS) מייצגת נטל בריאות עולמי גדול על פי ארגון הבריאות העולמי, ⁇ :0COPD לבדה משפיעה על מעל 262 מיליון אנשים FLT:1 ברחבי העולם והוא הגורם השלישי המוביל למוות למרות התקדמות משמעותית ב ריאה, כי הם לעתים קרובות טיפול פסיכולוגי לא מתאים;

מכניקת Lung מנסה לגשר על הפער הזה על ידי מתן ייצוג כמותי, דינמי של איך מערכת הנשימה מתנהג בתנאים רגילים פתולוגיים.על ידי שילוב נתונים של הדמיה רפואית, בדיקות פונקציה ריאות, ודינמיקה נוזלי חישובית, מודלים אלה מאפשרים לרופאים לחזות כיצד ריאות מסוימת יגיבו להתפרצות גיאוגרפית ספציפית יותר, הדבקה או ניתוח כירורגי.

יסודות Lung Mechanics

כדי להעריך את ה תחכום של מודלים מודרניים, חיוני להבין את העקרונות הפיזיים הבסיסיים השולטים בתפקוד הריאות.הנכסים המכניים העיקריים של מערכת הנשימה הם FLT:0.0.complianceFLT:1 (הקלות שבה הריאות והקיר החזה מתרחב), FLT:2resististFLT 3: 3 (ההתנגדות לזרימה באוויר), ו- 4Flaste) הם מייצגים את הטמפרטורות האזוריות (אך ורקמות) לאחר ריאה (הת האטמוספירה של ריאה (החלופה)

שקיפות ואמת

Compliance מוגדר כשינוי בנפח הריאות ליחידה משתנה בלחץ transpulmonary (ההבדל הלחץ בין alveoli לבין החלל הpleural) בריאה בריאה, עמידה היא גבוהה, כלומר הריאות מתנפחות בקלות. במחלות כמו פיברוזיס ריאות, מתכווץ באופן דרמטי כמו רקמת צלקות לינארית מחליפה את parenchyma.

Airway Resistance ו- Flow Dynamics

זרימת האוויר בריאות נשלטת על ידי הלחץ ⁇ בין הפה אלבאולי, בניגוד התנגדות בהנחיית דרכי האוויר המבצעת.התנגדות תלויה calway caliber, אשר הוא מתואמת דינמי על ידי בטון שרירים חלק, הצטברות ריר, ודחיסה חיצונית.באסטמה, bronchoconstriction עלייה דרמטית התנגדות, והפצה של זרימת האוויר הופכת מאוד לא אחידה (FD) עכשיו סימולציה של מודלים פשוטים של תפקוד, כמו גם דפוסים פשוטים יותר מאשר דפוסים פשוטים של תפקוד אוויריים, כמו גם פאניקה, כמו גם מפועמדת, כמו גם מפועמדת יעיל יותר, כמו גם מפועמדת, כמו גם קרינת אווירית, כמו גם מפועמדת יעיל יותר, כמו גם פתור יותר מאשר דפוסים יותר מאשר דפוסים פשוטים יותר, כמו גם קרינת אווירית, כמו גם פאניקה, כמו גם רדיפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטים של שפעת, כמו גם רדיאלית של שפעת, כמו גם רדיאלית של שפעת אווירית, כמו גם מפופרת אווירית, כמו גם מפופרת אווירית, כמו גם מפופרת אווירית, כמו גם רדיאלית של שפעת אווירית, כמו גם רדיאלית של

המונחים: heterogeneity

אולי התובנה הביקורתית ביותר ממודל מודרני היא כי מכניקת ריאות אינה אחידה. Gravity, היציבה ותהליכי המחלה יוצרים הבדלים אזוריים באוורור ובמיזוג.לדוגמה, ב- ARDS, אזורי ריאות תלויים לעתים קרובות התמוטטו בעוד אזורים שאינם תלויים מופרכים, מה שמוביל לפציעות ריאות מובנות אוורור.מודלים משלבים הבדלים אזוריים אלה באמצעות נתונים מאנרגיה לדלקת ריאות (mictomtomography) או להגדרות דלקתיות (PTSD) המשמשות כיום למניעה למניעה לשרירים).

התפתחותם של Lung Mechanics Modeling

ההיסטוריה של מכניקת ריאות מודלינג היא סיפור של זיכוך מתקדם.מודלים מוקדמים באמצע המאה העשרים התייחסה למערכת הנשימה כתא יחיד עם התנגדות ו capacitor בסדרה, אנלוגי לעיגול חשמלי. בעוד שימושי בהוראה, גישה זו לא יכלה לתפוס את ההתנהגות התלת התדירות של הריאות או את ההשפעות של סגירה אווירית קטנה.

בשנות ה-70, מודלים עם תאים מרובים המשתרעים במקביל וסדרה הופיעו, המאפשר סימולציה של אוורור אזורי הומוגניות.עם זאת, מודלים אלה חד-מטר עדיין לא חסר ריאליזם אנטומי.ה פריצת הדרך האמיתית הגיעה עם הופעתם של ספקטרום גבוה של רזולוציה משולבת מפונקציה (HRCT) בשנות ה-90, אשר סיפקו שלוש-ממדיות של השיתוק של הריאה ורמות אוויריות אלה החל מפלסמה-הת של החוקרים.

כיום, השדה התאחד לקראת FLT:0 [multiscale ModelingFLT:1, אשר משלב תופעות מהרמה המולקולרית (למשל, דינמיקה של גולשים) עד לרמת האיברים (למשל, אינטראקציה בחזה) למידת מכונה האיצה תהליך זה על ידי מתן פילוח מהיר של נתונים הדמיה ומודל אוטומטי של פרמטרים לדידות חולים אלה אינם מוגבלים יותר לפלטפורמות מחקר קליניות כגון הדמיה ו-Valconterativeation for Clinicalflowsation for Diabetesing.

התקדמות טכנולוגית חשובה

כמה התפתחויות טכנולוגיות הניעו מכניקת ריאות המתוכננת מהתעמלות תיאורטית ועד כלי קליני מעשי.החשוב ביותר מפורט להלן.

שינויים מתקדמים

(FLT:0) ברזולוציה גבוהה CTFLT 1 נשאר תקן הזהב עבור הדמיה מבנה ריאות, מתן גודל voxel מתחת 0.5 מ"מ, עם זאת, טכניקות הדמיה פונקציונליות עכשיו מציעים יותר מאשר רק האנטומיה. Hyperקוטב גז MRI (באמצעות helium 3 או xenon-129) יכול למפות חישוב אזורי, דיפוזיה חלקית לחץ.

Fluid Dynamics

סימולציות CFD פותרות את משוואות נווארי-Stokes עבור זרימת אוויר דרך עץ הטרצ'וובלוני.מודלים מוקדמים הניחו צינורות קשיחים, חלקים, אבל מלאס מודרני משלב קירות תואמים, שכבות ריר ואפילו את ההשפעות של תמרונים.FLT:0 Recent RecentFLT:1 השתמשו ב- CFD ספציפי לחולה כדי לחזות את פירוק תרופות, חלקיקים המאפשרים אופטימיזציה של משטרים ו- COPD.

למידת מכונה ואינטליגנציה מלאכותית

(ML) הופך מכניקת ריאות המתוכננת בשני דרכים עיקריות.ראשון, אלגוריתמי למידה עמוקה עכשיו מקטעים באופן אוטומטי את דרכי האוויר ואת הסדקים מ- CT סריקות עם דיוק המתחרה רדיולוגים מומחים, צמצום דרסטי של הזמן הדרוש כדי ליצור מודלים ספציפיים לחולה.שני, ML יכול ללמוד יחסים מורכבים בין קלטי מודל ותוצאות קליניות ללא צורך במודל פיזי מפורש.

טכנולוגיית תאומים דיגיטלית

הרעיון של A “ תאום דיגיטלי ו-#8212; עותק וירטואלי שעודכן ברציפות עם נתונים של מטופל בזמן אמת ו-#8212; הוא צובר מתח ברפואה ריאות.A ריאה דיגיטלית תאום משלב מודל CFD של זרימת אוויר, מודל סופי של עיוות רקמות, ומודל של החלפת גז זה משתמש בנתונים מ- HIV, למרות שעדיין נבדקו בשלב מוקדם של טיפול תרופתי (R) ו- ARLTF) לאבחון של טיפול רפואי (R.

יישומים קליניים: מ Bench to Bedside

המטרה הסופית של מכניקת ריאות דוגמנות היא לשפר את תוצאות המטופל.יישומים קליניים רבים כבר הראו יתרונות ברורים.

אופטימיזציה מכנית

בחולים חולים ביקורתיים עם ARDS או COPD חמורה, אוורור מכני הוא מציל חיים אבל יכול לגרום לפציעה ריאות מושרה על ידי אוורור אם לחצים ו כרכים אינם מותאמים.פרוטוקולים מסורתיים משתמשים בנפח נמוך של טיטד נמוך ולחץ קצה חיובי על בסיס ממוצעי אוכלוסייה, אבל אלה & #8220; אחת בגודל של מתאימים-All- RLT; גישות לא אחראיות עבור מכונאים ספציפיים, אשר יכול לכלול ירידה של 2, לדוגמה, טיפול תרופתית טיפול תרופתי, כדי להפחית את רמות טיפול תרופתית של 2.

משלוח סמים ממוקד

תרופות נשפות הן אבן הפינה של אסתמה וניהול COPD, אבל רק כ -10-30% מהמינון מגיע לנתיבי האוויר הנמוכים יותר. שאר ההפקדות ב- Oropharynx או הוא exhaled.CD מודלים של תחבורה אווירית ו deposition עכשיו לעזור לעצב מכשירים יעילים יותר בלווייתנים לזהות גדלים חלקיקים אופטימליים. לדוגמה, מודל עשוי להראות כי לחולה עם עץ חד-קרקעי קשה יותר, כלומר, בין אם זה יכול להיות יותר מאשר לבודד יותר מאשר לבודד יותר מאשר לבודד יותר מאשר לבודדות יותר מאשר לבודדות גבוהה יותר.

תכנון כירורגי לונג request

חולים העוברים ניתוח סרטן ריאות לעתים קרובות פגעו בתפקוד ריאות בסיס, מה שהופך את תכנון מראש מודלים לדמות את ההשפעה של הסרת אחד או יותר כיכרות על נפח הנשימה הכפופים שלאחר הניתוח (FEV1) וחילופי גז משמשים כעת כדי להעריך את הסיכון לסיבוכים נשימה. על ידי שילוב של האנטומיה תלת מימדית vascular ויחסי פיזור אזוריים, מודלים אלה החוצה תחזיות מסורתיות.

מעקב מחלות לא פולשני

מודלים מכניים Lung יכולים לשמש גם כביומרקרים לא פולשניים של התקדמות המחלה. in Cycyic fibrosis, למשל, מודלים חישוביים של טיהור mucociliary שימש כדי לחזות כיצד שינויים ב mucus rheology משפיעים על שיבושים אוויריים. בדומה, IPF, מודלים כי נוקשות של parenchyma ריאות ניתן להשתמש כדי לפקח על התגובה לטיפולים אנטי-פריביוטיים, פוטנציאל להפחית את ה-סיקוס חוזר.

רפואה אישית ומודלים חיזוי

ההתכנסות של מכניקת ריאות המתדוגמת עם genomics, חיישנים סביבתיים, וטכנולוגיה לבישה היא סוללת את הדרך עבור תרופה ריאות אישית באמת pulmonary. החוקרים משלבים נתונים ספציפיים לחולה כגון היסטוריה של עישון, חשיפה לזיהום אוויר, גרסאות גנטיות (למשל, alpha-1 נוגדות דלקת נגד דלקת ריאות), ואפילו מיקרובימיקה למודלים שחיזוי תופעות לוואי של מחלה אינדיבידואלית, עבור מודל עשוי לשלב בין גיאומטריה וסיכון לתסמינים לטיפול בתסמינים לטיפול בתסמינים.

דוגמה חזקה היא השימוש של חולים הומוגניים, חברות תרופות יכולות להשתמש בקבוצה של תאומים דיגיטליים ספציפיים לחולה כדי לבחון יעילות סמים בטווח רחב של פנוטיפים. גישה זו זיהתה לאחרונה כי ברונצ'רטר חדש היה יעיל יותר בחולים עם מודל אווירי מאשר אלה לזהות הרבה יותר מאשר במקרים פשוטים, כי לאחרונה זיהה כי bronchodilator היה יעיל יותר באופן משמעותי בחולים עם מודלים אוויריים עם דלקת מפרקים מהירה מאשר אלה יש צורך בניסוי גדול יותר.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות מרשימה, כמה מכשולים נותרו לפני שמכניקת ריאות מתעתקת הופכת לשגרה בכל מרפאה.

אינטגרציה נתונים וסטנדרטיזציה

בניית מודל מקיף דורשת מיזוג נתונים ממקורות נפרדים: הדמיה (DICOM), בדיקות תפקוד ריאות, גזי דם והערות קליניות. לכל מודוליות יש פורמט משלה, פתרון ותכונות רעש.פיתוח צינורות חזקים עבור פגיעה בנתונים ובקרת איכות הוא תחום פעיל של מחקר.

המונחים: Burden

מודלים גבוהים של CFD ו- FEA יכולים לקחת שעות או אפילו ימים כדי לרוץ על מחשב בעל ביצועים גבוהים. עבור תמיכה בזמן אמת קליני, מודלים מהירים יותר סדר או תחליפי למידת מכונה נדרשים. חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים בודקים רשתות עצביות לומדות את ההתנהגות של סימולציות פיזיקליות מלאות, המאפשרות תחזיות כמעט בלתי צפויות עם דיוק מקובל.

אישור והערכה

למודל חישובי להשפיע על טיפול בחולי, יש לאמת אותו בקפדנות נגד תוצאות קליניות, ובמקרים רבים, שאושר על ידי גופי רגולציה כמו ה- FDA.הדרך לקביעת הרגולציה ברורה עבור & #8220; תוכנה כמכשיר רפואי ו- #8221; אבל הוא איטי עבור דגמי מכניקה ריאות, חלקית בשל היעדר קריטריונים סטנדרטיים של אימות.

שיקולים אתיים וההון

קיים סיכון כי מודלים מתקדמים יכולים להרחיב פערי בריאות אם זה זמין רק במרכזים אקדמיים ממוחזרים היטב.יתר על כן, מודלים מאומן על נתונים של אוכלוסיות לבנים בעיקר עשויים להופיע עני בקבוצות אתניות אחרות עם מורפולוגיה ריאות ושכיחות מחלה שונות. Ensuring מגוון באימונים נתונים ועיצוב מודלים שיכולים לפעול עם קלט מוגבל (להגדרות נמוכות של קוד) הם הכרחיים אתיים חיוניים.

גבולות bioengineering Frontiers

במבט קדימה, ביו-מנועי מפתחים את FLT:0lung-on-a-chipuaFLT:1 התקנים מיקרו-fluidic כי לשחזר היבטים מרכזיים של מכניקה ריאות, ניתן להשתמש כדי לבדוק תרופות ועליבונות סביבתיים. בשילוב עם מודלים חישוביים, השבבים האלה מספקים פלטפורמה עבור בדיקות מותאמות אישית גבוהה.

מסקנה

ההתקדמות במכניקת ריאות מייצגת שינוי פרדיגמטי בניהול מחלות כפייות.על ידי מעבר למדד סטטי, מבוסס אוכלוסייה לסימולציות דינמיות, ספציפיות לחולה, מרפאים יכולים כעת לצפות התקדמות המחלה, להתאים אישית טיפולים, ולהפחית את הנזק האיטרוגני.השילוב של הדמיה ברזולוציה גבוהה, דינמיקות נוזליות חישוביות, ולמידה מכונה כבר הביא תועלת מוחשית בניהול תרופות, אספקה ותכנית כירורגית של אנשים חיוניים, כמו גם עם תרופות, כמו גם על ידי בדיקות דם ריאה, כמו גם על ידי אינטגרציה של נתונים ריאה, כמו גם על ידי אטומיות, 000, 000 ריאה, 000, 000 ריאה, 000, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000, 000 ריאה, 000, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה חי באמת, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה, 000 ריאה חי באמת, 000