Использование искусственной вентиляции легких спасает жизни – и не только для пациентов с COVID-19, у которых развиваются серьезные респираторные проблемы. Но в то же время давление вентиляции оказывает огромное давление на нежную ткань легких; для пациентов с уже существующим повреждением легких использование аппаратов ИВЛ может оказаться смертельным. Вычислительная модель легких, разработанная Мюнхенским техническим университетом (TUM), может использоваться для уменьшения повреждений, вызванных механической вентиляцией легких, и может значительно повысить выживаемость пациентов.
Врачи, лечащие пациентов с острыми респираторными проблемами, имеют ограниченный набор параметров, с которыми нужно работать при определении наилучшего протокола для механической вентиляции, например, пределы давления, уровень кислорода и поток воздуха.
Но легкие – сложный орган, и давление, необходимое для того, чтобы все части легкого оставались открытыми для воздушного потока, на самом деле может вызвать повреждение некоторых частей из-за чрезмерного растяжения ткани. Кроме того, врачам необходимо свести к минимуму повторное задействование и отключение частей легких во время искусственной вентиляции легких, поскольку оба этих фактора могут раздражать легочную ткань и вызывать воспаление.
Делаем невидимое видимым
По словам исследователя Вольфганга Уолла, профессора вычислительной механики ТУМ, "Настоящая суть проблемы заключается в том, что, когда мы лечим пациента с помощью искусственной вентиляции легких, до сих пор не было никакого способа обнаружить чрезмерное растяжение легочной ткани. От главных бронхов до мельчайших структур легких существует более 20 уровней ветвления. В настоящее время не существует метода измерения того, что происходит в мельчайших ветвях легкого на микроуровне во время искусственного дыхания."
Хотя в некоторых медицинских текстах до сих пор неточно изображены воздушные мешочки (альвеолы) легких как похожие на виноградные лозы и гроздья винограда, на самом деле легочная ткань имеет более губчатую консистенцию. И именно через эту тонкостенную ткань происходит обмен между воздухом и кровотоком. Дыхание представляет собой чрезвычайно сложное механическое взаимодействие между различными типами тканей, жидкой пленкой на ткани и потоком воздуха.
В течение нескольких лет исследователи TUM работали над разработкой все более сложных моделей для моделирования поведения легочной ткани и воздушного потока. Наряду с улучшенными методами микромеханического тестирования образцов легочной ткани, их исследования привели к созданию вычислительной модели легких.
Эта модель является основой компьютерной программы, которая может рассчитывать локальные деформации, которые будут помещены на ткани легкого на микроуровне при различных настройках вентилятора. Имея эти данные под рукой, медицинский персонал и врачи могут соответствующим образом отрегулировать настройки аппарата ИВЛ для обеспечения защитной вентиляции.
Использование искусственного интеллекта для интерпретации данных
Текущие клинические стандарты, регулирующие лечение с помощью ИВЛ, используют массу тела пациента для определения оптимальных настроек давления на аппарате ИВЛ. Однако программа, разработанная проф. Уолл и его команда моделируют реальное легкое на основе данных, собранных с помощью компьютерной томографии легких. Он даже учитывает состояние отдельных участков легкого, которые уже были повреждены болезнью или предыдущими травмами.
Путем измерения изменений давления и объема, которые происходят во время цикла вдоха и выдоха, цифровая модель легких рассчитывает индивидуальные механические характеристики легких пациента. Результат: цифровой "близнец" модель легких пациента. Он настолько точен, что может точно предсказать, какие настройки вентилятора вызовут повреждение легких пациента.