We present a new approach for physics-based computational modeling of diseased human lungs. Our main object is the development of a model that takes the novel step of incorporating the dynamics of airway recruitment/de-recruitment into an anatomically accurate, spatially resolved model of respiratory system mechanics, and the relation of these dynamics to airway dimensions and the biophysical properties of the lining fluid. The importance of our approach is that it potentially allows for more accurate predictions of where mechanical stress foci arise in the lungs, since it is at these locations that injury is thought to arise and propagate from. We match the model to data from a patient with Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) to demonstrate the potential of the model for revealing the underlying derangements in ARDS in a patient-specific manner. To achieve this, the specific geometry of the lung and its heterogeneous pattern of injury are extracted from medical CT images. The mechanical behavior of the model is tailored to the patient's respiratory mechanics using measured ventilation data. In retrospective simulations of various clinically performed, pressure-driven ventilation profiles, the model adequately reproduces clinical quantities measured in the patient such as tidal volume and change in pleural pressure. The model also exhibits physiologically reasonable lung recruitment dynamics and has the spatial resolution to allow the study of local mechanical quantities such as alveolar strains. This modeling approach advances our ability to perform patient-specific studies in silico, opening the way to personalized therapies that will optimize patient outcomes.


翻译:我们为基于物理的疾病人体肺部计算模型提出了一个新方法。我们的主要目的是开发一个模型,将气管招聘/不再招聘的动态纳入一个剖析准确、空间溶解的呼吸系统机械模型,以及这些动态与气道尺寸和内衬流的生物物理特性之间的关系,从而在基于病理的人体肺部出现机械应激素的计算模型方面,我们提出一种新的方法的重要性在于,它有可能使人们能够更准确地预测肺部中哪些地方出现机械应激阻力畸形,因为正是在这些地方,人们会认为伤害会从这些地方产生和传播。我们把模型与病人的急性呼吸道硬化综合症(ARDS)患者提供的数据相匹配,以新的步骤显示该模型有可能以针对病人的特定方式揭示ARDS系统基本变异性模型。为了实现这一目标,从医疗CT图像中提取了肺部的具体几何形状及其伤害的混杂模式。模型的机械行为将适应病人的呼吸模型,通过测量各种临床模拟、压力驱动的通风剖面图,模型将诊断的临床数量再适当复制,以针对病人的体温室变动能力的方式进行这种压力学研究,例如机压体力和机压研究,并进行体力研究。

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