Original title:
MODELOVÁNÍ RESPIRAČNÍHO SYSTÉMU ČLOVĚKA PRO KLINICKY RELEVANTNÍ APLIKACE
Translated title:
MODELLING OF THE HUMAN RESPIRATORY SYSTEM FOR CLINICALLY RELEVANT APPLICATIONS
Authors:
Paštěka, Richard ; Zezulka, František (referee) ; Rožánek, Martin (referee) ; Kolář, Radim (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2022
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Abstract:
[eng][cze]
Rostoucí výskyt respiračních onemocnění zatěžuje světovou populaci a je hnací silou významného vědeckého pokroku v oblasti výzkumu respiračního systému člověka. Vyvíjejí se různé modely lidského dýchacího systému, které rozšiřují znalosti a umožňují studium specifických výzkumných otázek. Cílem této práce je zavedení fyzikálního modelu lidského dýchacího systému (xPULM™), který představuje inovativní přístup k modelování vlastností dýchacího systému. K dosažení tohoto cíle byly zkoumány tři klinicky relevantní aplikace, a to (i) simulace dýchání, (ii) testování interakce pacienta s ventilátorem a (iii) aerosolové podávání léčiv. Byly vyvinuty měřicí sestavy umožňující testování a vyhodnocení každé aplikace. Tento proces zahrnoval mimo jiné výrobu fyzikálního modelu horních cest dýchacích člověka a integraci optického aerosolového spektrometru. Hlavní zjištění pro jednotlivé aplikace jsou následující. Zaprvé se ukázalo, že simulace dýchání spolehlivě zachycuje změny průtoku a tlaku pro řadu dechových objemů a frekvencí a že je reprezentativní pro lidské dýchání. Možnost použití ekvivalentů plic na polymerní nebo organické bázi je jedinečná a umožňuje znázornit procesy přirozeně probíhající během lidského dýchacího cyklu. Za druhé byl zaveden nový přístup k testování interakcí mezi pacientem a ventilátorem. Výsledky ukazují, že při použití simulátoru k reprezentaci pacienta podstupujícího asistovanou mechanickou ventilaci lze vyvolat různé asynchronní reakce. Zatřetí, během simulací nádechu a výdechu lze experimentálně vyhodnotit početní koncentraci a distribuci velikosti aerosolových částic generovaných běžně používanými inhalátory suchého prášku. Tento přístup navrhuje alternativu k pokusům na zvířatech vhodnou pro aplikace ve výzkumu aerosolů. Práce obsahuje původní výzkum, který byl prezentován na mezinárodních konferencích a publikován ve třech časopisech s impakt faktorem. Výsledky této práce umožňují další pedagogickou a výzkumnou činnost v oblasti výzkumu dýchacích cest.
The increasing incidence of respiratory diseases burdens the world’s population and drives major scientific advances in the area of respiratory research. Various models of the human respiratory system are being developed to increase the knowledge and to allow for studies of specific research questions. This thesis aims to establish a physical model of the human respiratory system (xPULM™) that represents an innovative approach to respiratory system behaviour modelling. To reach this aim, three clinically relevant applications were researched, namely (i) breathing simulation, (ii) patient-ventilator interaction testing and (iii) aerosolised drug delivery. Measurement setups were developed allowing for each application to be tested and evaluated. This process, among other developments, included manufacturing of a physical model of the human upper respiratory tract and the integration of an optical aerosol spectrometer. The main finding per application is as follows. First, the breathing simulation has been shown to reliably capture flow and pressure changes for a range of tidal volumes and frequencies and to be representative of human breathing. The possibility of using polymer or organic-based lung equivalents is unique and allows for the representation of processes naturally occurring during the human respiration cycle. Second, a new approach to testing patient-ventilator interactions has been introduced. The results show that different asynchronies can be triggered when the simulator is used to represent a patient undergoing assisted mechanical ventilation. Third, the number concentration and size distribution of aerosol particles generated by commonly used dry powder inhalers can be experimentally evaluated during simulations of inhalation and exhalation. This approach proposes an alternative to animal experimentation suitable for applications in aerosol research. The thesis contains original research that has been presented at international conferences and published in three impact factor journals. The results of this thesis enable further teaching and research activities in respiratory research.
Keywords:
aerosolové podávání léčiv; modelování lidského dýchacího systému; simulace dýchání; simulace plic; testování interakcí mezi pacientem a ventilátorem; aerosolised drug delivery; breathing simulation; human respiratory system modelling; lung simulation; patient-ventilator interactions testing
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/208519
guest ::
