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 потока воздуха, 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 изображаются 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 в ткани легкого на микроуровне при различных настройках вентилятора. Имея эти данные под рукой, медицинский персонал и врачи могут соответствующим образом изменить 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.