L; въздушен и кръвен поток in vivo - Интерстиции
Дихателната система
Източник: Тереза Нот/Уикипедия
Кой никога не е мечтал да пътува вътре в човешкото тяло, да наблюдава движението на въздуха в белите дробове или да наблюдава прилива на кръв, който набъбва артериите в ритъма на сърдечния ритъм? Сега, благодарение на компютърните модели, това става възможно: те представляват органите, тяхното функциониране, но и течностите, които преминават през тях; те помагат при диагностичната оценка на патологиите и при проследяването на ефективността на леченията. Те позволяват анализ на поведението на органа като цяло, а понякога и до такива фини детайли като взаимодействията между молекулите. След това това поведение се описва с помощта на математически съотношения и параметри, като се има предвид заповедта на английския философ Уилям от Окъм (1280-1350): „Pluralitas non est ponenda sine Необходимо“, умножаването на елементи не трябва да се използва ненужно. Наистина е необходимо да се ограничите до ограничен брой значими параметри, за да контролирате симулацията, да осигурите бързо изчисление и да интерпретирате резултатите ефективно.
Задачата е трудна, тъй като човешкото тяло е резултат от 3,8 милиарда години еволюция, през които едноклетъчното същество еволюира в съставен организъм днес. Физиологичната система има сложна структура и нейните компоненти са разнообразни по природа. Тя се променя в течение на живота на индивида. Някои елементи са излишни, за да се избегне деградацията на цялото чрез промяна на някои.
Как да разберем една физиологична система като цяло? Подходът на моделистите не е същият като този на лекарите. Последните наблюдават пациента и сравняват състоянието му със състоянието на здрав субект, следвайки списък от записани факти. Ние, моделиращите, се държим като физици: заобикаляме трудностите, свързани с разнообразието, сложността и изменчивостта на организмите, чрез подходящ избор на хипотези и скали. Запазваме само свойствата на системата, които са свързани с проблема. Накратко, ние подхождаме към реалността чрез изкуствена ситуация, модел.
„Можете да нарисувате простото веднага след внимателно проучване на комплекса. "
(Гастон Бачелар)
Моделът е вдъхновен от физическите теории и наблюдения. Правят се опростяващи предположения и от наблюденията се извеждат входните данни. Числените симулации предвиждат, за набор от входни данни, резултат, който се сравнява с наблюденията.
Инфографика: За науката
Първата стъпка е да се присвоят подходящи стойности на тези параметри и на свойствата на биологичните материали. Това е сложно: измерванията in vitro не отразяват реалността, тъй като не знаем как да възпроизведем в лаборатория физиологична система, напоена и подчинена на изискванията на близката й среда, като централната нервна система. Пренебрегването на тези аспекти обаче понякога води до погрешни оценки.
Една добра симулация е лесна за разбиране и използване. Надежден и надежден, той оценява реакцията на системата, дори при екстремни стойности на параметрите. Той се адаптира и развива, за да отразява все по-сложни ситуации. Числените симулации не описват само поведението на изследваната система за фиксиран набор от входни данни. Физикът тества ролята на всяко участващо количество, като променя стойността му и поддържа всички останали константи. В допълнение, симулациите му осигуряват еволюцията във времето и пространството на различните физически величини с резолюция, несравнима експериментално. По този начин постигаме подробно и предсказуемо разбиране на участващите явления.
В следващите параграфи ще се съсредоточим върху моделирането на физиологичните потоци чрез три примера. Първият се фокусира върху въздушния поток в дихателните пътища: подчертава ограничението на въздушния поток, изхвърлен при изтласкването му. Ще видим, че моделът, макар и с различна структура от тази на реалната система, представя подобно поведение. Вторият модел разглежда поражението, повече или по-малко обширно, на стената на артерия, което се нарича аневризма, което рискува да прогресира до разкъсване и смърт на засегнатия субект. Използвайки симулации, ние прогнозираме поведението на артерията и лезията преди и след лечението. И накрая, третият модел разглежда подобен случай на аневризма и обяснява как можем да адаптираме модела към пациента въз основа на медицински изображения. Разработен според анатомията на пациента, той предоставя на лекарите ценна информация за избора на най-подходящата терапия.
Моноалвеоларният бял дроб
Белият дроб слиза ли до торбичка, свързана с тръба? На пръв поглед структурите са различни, но като оприличаваме торбичката с обмена между въздух и кръв и тръбата с трахеята, бронхите и бронхиолите, ние възпроизвеждаме характеристиките на белодробното издишване.
Изображение: DR
Скоростта на потока на течността, тук потокът на въздуха, е параметърът, който ни интересува. Според симулацията тя е равна на скоростта на вълните под налягане в най-тесния участък на трахеята, който се намира близо до отвора в горната част на гръдния кош. Сравнихме този числеен резултат с измервания, направени при здрави доброволци. Експерименталните и числените величини следват идентична еволюция и валидират моделирането.