In-silico Modellierung der Gastransportmechanismen in den kleinen Atemwegen bei Gasauswaschverfahren

 

Titel In-silico Modellierung der Gastransportmechanismen in den kleinen Atemwegen bei Gasauswaschverfahren

Hintergrund Die Frühdiagnose obstruktiver Lungenerkrankungen wie Asthma und COPD stellt bis heute eine Herausforderung im klinischen Alltag dar. Im Gegensatz zur leitlinienbasierten Spirometrie besitzen inerte Gasauswaschverfahren potentiell die nötige Sensitivität pathologische Veränderungen in den kleinen Atemwegen festzustellen, um eine rechtzeitige und zuverlässige Erkennung früher Formen dieser Erkrankungen zu ermöglichen. Die Komplexität der Gastransportmechanismen in der verzweigten Lungenanatomie erschwert allerdings die Interpretation der Messdaten. Bestehende numerische Modelle, die bisher die Analyse der Auswaschverfahren unterstützt haben, bilden jedoch die Komplexität der zugrundeliegenden Mechanismen nur unzureichend ab, um verlässliche Vorhersagen zu treffen, oder sind sehr rechenaufwendig.

Methodik Wir stellen ein neues numerisches Modell vor, mit dem sich die Gastransportmechanismen in den kleinen Atemwegen mit reduziertem Rechenaufwand analysieren lassen. Das Modell basiert auf einer physikalischen Analogie, bei der die Komplexität der physiologischen, geometrischen und gasspezifischen Eigenschaften über elektrotechnische Größen abgebildet wird. Die Validierung des numerischen Modells erfolgt über ein entwickeltes in vitro Modell.

Ergebnisse Unsere Ergebnisse zeigen, dass die aus den Auswaschkurven ermittelten Parameter wie der Phase III Anstieg von strukturellen Veränderungen der kleinen Atemwege, vom eingesetzten Tracergas und vom Atemmanöver abhängig sind (Abbildung 1). Es lässt sich zudem zeigen, dass der Grad der anatomischen Asymmetrie den Phase III Anstieg beeinflusst.

Schlussfolgerung In einer ersten Modellstudie konnten wir die Auswaschverfahren mit den genannten Parametern simulieren und auswerten. Die Ergebnisse aus dieser Studie und die Vorteile des verwendeten Modells werden vorgestellt und diskutiert. Weiterhin ist geplant, das Modell im Rahmen klinischer Studien einzusetzen und zu validieren.

Publication History

Article published online:
11 May 2022

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