Die Forscher verwenden Computersimulationen, die für das Flugzeugdesign entwickelt wurden, um die Behandlung der menschlichen Atemwege zu verbessern

Die Forscher verwenden Computersimulationen, die für das Flugzeugdesign entwickelt wurden, um die Behandlung der menschlichen Atemwege zu verbessern
Anonim

von Dawn Fuller, University of Cincinnati

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Ein genauerer und erfolgreicherer, jedoch komplexerer Ansatz beim Entwerfen eines Flugzeugs ist in der Gesundheitsbranche auf dem Vormarsch. Das Endergebnis ist, dass Patienten mit Lungenerkrankungen leichter atmen können, und dass ihre Chirurgen neue Behandlungsansätze in Betracht ziehen. Goutham Mylavarapu, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität von Cincinnati, Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik, und Ephraim Gutmark, Ohio Eminent Scholar und renommierter Professor für Luft- und Raumfahrttechnik sowie technische Mechanik, werden am 39. American Institute of Aeronautics ihre Forschungsarbeiten im Bereich Computational Fluid Dynamics vorstellen und Astronautik (AIAA) Dayton-Cincinnati Aerospace Sciences Symposium. Das Symposium findet am Mittwoch, 5. März, in Dayton, Ohio statt.

Computational Fluid Dynamics (CFD) verwendet Computeralgorithmen, um die Strömung von Luft oder Flüssigkeiten für verschiedene Anwendungen zu lösen. Diese Algorithmen werden normalerweise beim Entwurf von Flugzeugen angewendet, da sie den Beitrag des Luftstroms zu den Fluganforderungen quantifizieren. Bei der Entwicklung eines Flugzeugs wird CFD häufig als präziser und kostengünstiger Ansatz angesehen, bevor in den Bau von Modellen und das Testen in Lufttunneln investiert wird.

In den letzten zehn Jahren hat die Anwendung von CFD auf biologische Abläufe zur Untersuchung von medizinisch bedingten Problemen, einschließlich Atemwegserkrankungen, großes Interesse geweckt. Die Computersimulationen, die traditionell für die Flugzeugkonstruktion verwendet wurden, fanden Anwendung bei der Behandlung von Gesundheitszuständen wie Mukoviszidose, Asthma, Schlafapnoe und Schnarchen.

Der Atemtrakt ist ein Pfad von harten und weichen Strukturen, die den Luftstrom aufnehmen und herausdrücken. Mylavarapu erklärt, dass eine Reihe von Lungenerkrankungen der oberen Atemwege mit Vibrationen und / oder Deformationen der weichen Strukturen in der Umgebung der Atemwege verbunden sind, die zum teilweisen oder vollständigen Zusammenbruch der Atemwege führen, wie im Fall einer Schlafapnoe. In den schwereren Fällen beeinträchtigen diese Atemwegsobstruktionen oder -deformationen die Lebensqualität erheblich und können sogar zum Tod führen.

Die Forscher verwenden CFD-Simulationen - die am häufigsten in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden - für tatsächliche medizinische Daten von Patienten mit Atemstörungen. Die Anwendung der Gleichungen zur Analyse der Informationen, die sie in einer MRT sehen, kann Chirurgen eine bessere Vorstellung davon geben, wie sie das Problem behandeln können, den Erfolg jedes chirurgischen Ansatzes steigern und die Anzahl der Operationen verringern (und somit eine bessere Wiederherstellung und Verbesserung der Ergebnisse) geringerer medizinischer Aufwand) für den Patienten.

"In der Vergangenheit beschränkte sich die Bewertung der Atemwege eines Patienten auf die klinische Diagnose mithilfe der medizinischen Bildgebung", erklärt Mylavarapu. "Die Variabilität und Komplexität der Atemwegsanatomie kann jedoch die Erfolgsrate einer Operation einschränken. CFD bietet ein besseres Verständnis des Atemflusses und ermöglicht eine individualisierte Behandlung, wenn es auf das angewendet wird, was wir mit der medizinischen Bildgebung sehen."

"Chirurgie basiert manchmal auf erfahrungsbasierter Intuition und es ist nicht immer garantiert, dass das Endergebnis effektiv ist", sagt Gutmark. "CFD ist ein weiteres Instrument, um Chirurgen bei der Planung eines chirurgischen Eingriffs quantitativere Informationen über das mögliche Ergebnis zu liefern."

Die Forscher verwenden CFD, um sowohl die Fluss- als auch die Strukturgleichungen der Atemprobleme einzelner Patienten zu untersuchen. Sie wendeten die Methode auch auf eine virtuelle Operation an, an der ein medizinischer Fall in Schweden beteiligt war, was zu einem erfolgreichen Ergebnis für den Patienten führte.