Monte-Carlo-Modell der Aerosolbolusdispersion in der menschlichen Lunge – Teil 2: Modellvorhersagen für die kranke Lunge

ZusammenfassungNach mathematischer Erweiterung des bestehenden Modells zur theoretischen Darstellung der Aerosolbolusdispersion wurde das Verhalten inhalierter Teilchenpulse in kranken Lungenstrukturen simuliert. Die für gesunde Lungen verwendete Geometrie wurde zu diesem Zweck in zweierlei Form abgeändert: Zum einen erfolgte eine Modellierung möglicher Luftwegsobstruktionen, wie sie gewöhnlich bei Patienten mit chronischer Bronchitis, chronischem Asthma oder Zystischer Fibrose auftreten, zum anderen eine theoretische Approximation des Emphysems, welches in Raucherlungen, aber auch in Verbindung mit luftwegsverengenden Erkrankungen beobachtet werden kann.Dem modifizierten Modell zufolge zeigte der exha-lierte Bolus in Lungen mit Luftwegsobstruktionen eine im Vergleich zu gesunden Probanden verminderte Dispersion, wogegen in emphysematischen Lungen eine Erhöhung der Bolushalbwertsbreite festzustellen war. Auch Standardabweichung und Bolusschiefe wurden in ähnlicher Weise durch die modifizierte Lungenarchitektur beeinflusst. Eine Kombination von Obstruktion und Emphysem führte zu einer weitgehenden Kompensation der auf den Bolus wirkenden Effekte, so dass eine sichere Unterscheidung von der gesunden Lunge erschwert wurde. Besonderen diagnostischen Wert besitzt laut Modell die Bolusdeposition, welche für alle simulierten Krankheitsbilder signifikante Abweichungen vom Normalfall zeigte.

After a mathematical extension of the existing model for the theoretical description of the aerosol bolus dispersion, the behavior of particle pulses in diseased lung structures was simulated. The geometry used for healthy lungs was modified in two aspects: First, a modelling of possible airway obstructions, which usually occur in patients with chronic bronchitis, chronic asthma or cystic fibrosis, was carried out and, second, a theoretical approximation of the emphysema, being observed in lungs of smokers, but also as an accompanying phenomenon in obstructive diseases, was established. According to the modified model, in lungs with airway obstructions the exhaled bolus exhibited a decreased dispersion with respect to healthy subjects, whereas in emphysematous lungs the respective half-width of the peak was increased. Standard deviation and skewness of the bolus were similarly influenced by the modified lung architecture. A combination of airway obstruction and emphysema caused an extensive compensation of individual dispersion effects, complicating a secure distinction from the healthy lung. According to the model, a special diagnostic value may be assigned to the bolus deposition, showing significant deviations from the normal case for all simulated diseases.