L; levegő és vér áramlása in vivo - Interstices
Légzőrendszer
Forrás: Theresa Knott/Wikipedia
Ki ne álmodott volna arról, hogy az emberi testen belülre utazzon, megfigyelje a tüdő levegőjének mozgását, vagy nézze, ahogy a vér rohanja az artériákat a szívverés ritmusára? A számítógépes modelleknek köszönhetően ez lehetővé válik: képviselik a szerveket, azok működését, de a folyadékokat is, amelyek átfutnak rajtuk; segítenek a patológiák diagnosztikai értékelésében és a kezelések hatékonyságának nyomon követésében. Lehetővé teszik a szerv egészének viselkedésének elemzését, néha olyan apró részletekig, mint a molekulák közötti kölcsönhatások. Ezt a viselkedést ezután matematikai összefüggések és paraméterek segítségével írják le, szem előtt tartva Ockham William angol filozófus (1280-1350) előírását: „A Pluralitas non est ponenda sine szükségessé teszi”, az elemek sokszorozását nem szabad használni feleslegesen. A szimuláció irányítása, a gyors számítás biztosítása és az eredmények hatékony értelmezése érdekében valóban korlátozott számú jelentős paraméterre kell korlátozódni.
A feladat nehéz, mert az emberi test 3,8 milliárd éves evolúció eredménye, amelynek során az egysejtű lény a mai összetett organizmuszá fejlődött. Az élettani rendszer összetett felépítésű és összetevői sokfélék. Az egyén élete során változik. Egyes elemek feleslegesek, hogy elkerüljék az egész degradálódását egyesek megváltoztatásával.
Hogyan értjük meg az élettani rendszert egészében? A modellezők megközelítése nem ugyanaz, mint az orvosoké. Utóbbi megfigyeli a beteget, és összehasonlítja állapotát egészséges alany állapotával, a rögzített tények felsorolása alapján. Mi, a modellezők úgy viselkedünk, mint a fizikusok: a hipotézisek és skálák megfelelő megválasztásával megkerüljük az organizmusok sokféleségével, összetettségével és változékonyságával kapcsolatos nehézségeket. Csak a rendszer azon tulajdonságait tartjuk kéznél, amelyek a problémához kapcsolódnak. Röviden: a valóságot mesterséges helyzet, modell szerint közelítjük meg.
"Az egyszerűt csak a komplexum alapos tanulmányozása után rajzolhatja meg. "
(Gaston Bachelard)
A modellt fizikai elméletek és megfigyelések ihlették. Egyszerűsítő feltételezéseket tesznek, és a bemeneti adatokat a megfigyelésekből vezetik le. A numerikus szimulációk egy bemeneti adathalmaz esetében megjósolják az eredményt, amelyet összehasonlítanak a megfigyelésekkel.
Infographic: A tudomány számára
Az első lépés a megfelelő értékek hozzárendelése ezekhez a paraméterekhez és a biológiai anyagok tulajdonságaihoz. Ez bonyolult: az in vitro mérések nem tükrözik a valóságot, mert nem tudjuk, hogyan kell reprodukálni a laboratóriumban egy olyan élettani rendszert, amelyet öntöztünk és a szoros környezete, például a központi idegrendszer igényeinek vetünk alá. Ezen szempontok elhanyagolása azonban néha téves becslésekhez vezet.
A jó szimuláció könnyen érthető és használható. Megbízható és robusztus, értékeli a rendszer válaszát, még a szélsőséges paraméterértékek esetében is. Alkalmazkodik és fejlődik, hogy tükrözze az egyre összetettebb helyzeteket. A numerikus szimulációk nemcsak a bemeneti adatok rögzített halmaza esetén írják le a vizsgált rendszer viselkedését. A fizikus teszteli az egyes érintett mennyiségek szerepét azáltal, hogy megváltoztatja az értéküket és fenntartja az összes többi állandót. Ezenkívül a szimulációk biztosítják a különböző fizikai mennyiségek időbeli és térbeli fejlődését, kísérletileg nem egyenlő felbontással. Így elérjük az érintett jelenségek részletes és prediktív megértését.
A következő bekezdésekben a fiziológiai áramlások modellezésére fogunk összpontosítani három példán keresztül. Az első a légutak légáramlására összpontosít: kiemeli a kilökődő levegő áramlásának korlátozását, amikor kényszeríti. Látni fogjuk, hogy bár a modell felépítése eltér a valós rendszerétől, hasonló viselkedést mutat. A második modell az artéria falának - aneurysmának nevezett - többé-kevésbé kiterjedt elváltozását tekinti, amely az érintett alany felszakadásával és halálával járhat. Szimulációk segítségével megjósoljuk az artéria és az elváltozás viselkedését a kezelés előtt és után. Végül a harmadik modell az aneurysma hasonló esetét vizsgálja, és elmagyarázza, hogyan tudjuk orvosi képek alapján adaptálni a modellt a beteghez. A beteg anatómiájának megfelelően kifejlesztve értékes információkkal szolgál az orvosok számára a legmegfelelőbb terápia kiválasztásáról.
A monoalveoláris tüdő
A tüdő lejut egy csőhöz kapcsolódó zsákba? Első pillantásra a struktúrák különböznek, de ha összehasonlítjuk a zsákot a levegő és a vér cseréjével és a csövet a légcsővel, a hörgőkkel és a hörgőkkel, megismételjük a tüdő kilégzésének jellemzőit.
Kép: DR
A folyadék áramlási sebessége, itt a levegő áramlása a minket érdeklő paraméter. A szimuláció szerint megegyezik a nyomáshullámok sebességével a légcső legszűkebb szakaszában, amely a mellkas tetején található nyílás közelében helyezkedik el. Összehasonlítottuk ezt a numerikus eredményt egészséges önkénteseknél végzett mérésekkel. A kísérleti és numerikus mennyiségek azonos evolúciót követnek, és érvényesítik a modellezést.