L; fluxul de aer și sânge in vivo - Interstiții
Sistemul respirator
Sursa: Theresa Knott/Wikipedia
Cine nu a visat niciodată să călătorească în interiorul corpului uman, să observe mișcarea aerului în plămâni sau să urmărească valul de sânge umflând arterele în ritmul bătăilor inimii? Acum, datorită modelelor de calculator, acest lucru devine posibil: ele reprezintă organele, funcționarea lor, dar și fluidele care trec prin ele; ele ajută la evaluarea diagnosticului patologiilor și la monitorizarea eficacității tratamentelor. Acestea permit analiza comportamentului organului în ansamblu și, uneori, până la detalii atât de fine precum interacțiunile dintre molecule. Acest comportament este apoi descris cu ajutorul relațiilor matematice și al parametrilor, păstrând în același timp preceptul filosofului englez William de Ockham (1280-1350): „Pluralitas non est ponenda sine necessitate”, multiplicarea elementelor nu ar trebui folosită inutil. Este într-adevăr necesar să vă limitați la un număr mic de parametri semnificativi, pentru a controla simularea, pentru a asigura un calcul rapid și pentru a interpreta rezultatele în mod eficient.
Sarcina este grea, deoarece corpul uman este rezultatul a 3,8 miliarde de ani de evoluție, timp în care ființa unicelulară a evoluat în organismul compozit de astăzi. Un sistem fiziologic are o structură complexă și componentele sale sunt de natură diversă. Se schimbă pe parcursul vieții unui individ. Unele elemente sunt redundante, pentru a evita degradarea întregului prin alterarea unora.
Cum înțelegem un sistem fiziologic ca întreg? Abordarea modelatorilor nu este aceeași cu cea a medicilor. Aceștia din urmă observă pacientul și își compară starea cu cea a unui subiect sănătos, urmând o listă de fapte înregistrate. Noi, modelatorii, ne comportăm ca niște fizicieni: ocolim dificultățile legate de diversitatea, complexitatea și variabilitatea organismelor, printr-o alegere adecvată de ipoteze și scale. Păstrăm la îndemână doar proprietățile sistemului care se referă la problema. Pe scurt, abordăm realitatea printr-o situație artificială, un model.
„Puteți desena simplul doar după un studiu atent al complexului. "
(Gaston Bachelard)
Un model este inspirat din teorii și observații fizice. Se fac presupuneri simplificatoare, iar datele de intrare sunt deduse din observații. Simulările numerice prezic, pentru un set de date de intrare, un rezultat care este comparat cu observațiile.
Infografie: pentru știință
Primul pas este de a atribui valori adecvate acestor parametri și proprietăților materialelor biologice. Acest lucru este dificil: măsurătorile in vitro nu reflectă realitatea, deoarece nu știm cum să reproducem în laborator un sistem fiziologic irigat și supus cerințelor mediului său apropiat, cum ar fi sistemul nervos central. Cu toate acestea, neglijarea acestor aspecte duce uneori la estimări eronate.
O simulare bună este ușor de înțeles și de utilizat. Fiabil și robust, evaluează răspunsul sistemului, chiar și pentru valori extreme ale parametrilor. Se adaptează și evoluează pentru a ține cont de situațiile din ce în ce mai complexe. Simulările numerice nu descriu doar comportamentul sistemului studiat pentru un set fix de date de intrare. Fizicianul testează rolul fiecărei mărimi implicate, variind valoarea acesteia și menținând toate celelalte constante. În plus, simulările îi asigură evoluția în timp și spațiu a diferitelor mărimi fizice cu o rezoluție inegalabilă experimental. Astfel realizăm o înțelegere detaliată și predictivă a fenomenelor implicate.
În paragrafele următoare, ne vom concentra pe modelarea fluxurilor fiziologice prin trei exemple. Primul se concentrează pe fluxul de aer din căile respiratorii: evidențiază limitarea fluxului de aer expulzat atunci când îl forțați. Vom vedea că modelul, deși are o structură diferită de cea a sistemului real, prezintă un comportament similar. Al doilea model consideră leziunea, mai mult sau mai puțin extinsă, a peretelui unei artere, ceea ce se numește anevrism, care riscă să progreseze spre ruperea și moartea subiectului afectat. Folosind simulări, prezicem comportamentul arterei și leziunii înainte și după tratament. În cele din urmă, al treilea model analizează un caz similar de anevrism și explică modul în care putem adapta modelul la pacient, pe baza imaginilor medicale. Dezvoltat în conformitate cu anatomia pacientului, acesta oferă medicilor informații valoroase cu privire la alegerea celei mai potrivite terapii.
Plămânul monoalveolar
Plămânul coboară într-un sac conectat la o conductă? La prima vedere, structurile sunt diferite, dar prin compararea sacului cu schimbul dintre aer și sânge și tubul cu traheea, bronhiile și bronhiolele, reproducem caracteristicile expirației pulmonare.
Imagine: DR
Viteza de curgere a fluidului, aici fluxul de aer, este parametrul care ne interesează. Conform simulării, este egală cu viteza undelor de presiune în cea mai îngustă secțiune a traheei, care este situată în apropierea orificiului din partea superioară a toracelui. Am comparat acest rezultat numeric cu măsurătorile luate la voluntari sănătoși. Mărimile experimentale și numerice urmează o evoluție identică și validează modelarea.