An in-silico morphometric model of the respiratory system for simulating the dynamics of lung aeration at birth during respiratory support

Rapid clearance of foetal lung fluid and recruitment of alveoli are the critical steps for the survival of the newborn at birth. Transpulmonary pressure plays a determinant role in this process and the application of a pressure to the airway opening helps preterm infants to remove the fluid. However, at birth a surfactant-deficient lung can be easily injured. Therefore, designing a protective strategy to recruit the lung without causing injury can significantly impact on the clinical outcome of the newborns. Morphometrical model have provided significant insides for treatments of adult lung pathology. They could also represent a valuable tool for the definition of protective lung recruitment strategies to be applied at birth. However, the available models on the infant lung present several limitations and there are no model that allows the simulation of the peculiar changes happening at birth. The aim of this work is the development of a morphometric model of the newborn lung that allows simulation of the aeration process during the application of positive expiratory pressure. We considered an anatomically coherent morphometrical model of the adult lung previously developed. To adapt the model to the description of the newborn lung, we modified both the anatomical characteristics and the mechanical properties of the tissues. Then, the electric equivalents of the tissue properties were modified to allow time domain resolution. Finally, the model was adapted to simulate the aeration process. Preliminary tests were performed in LT-Spice (CASA PRODUTTRICE; USA). Because of the high computational load of the simulation, the final model implementation was in Cadence (Cadence Design Systems, Inc., USA). The developed model is coherent with both geometry and mechanical properties of the preterm lung. It predicted the sequence of airways emptying during the application of a constant high pressure at the airway opening. It can be used to compare the sequence and the homogeneity of lung emptying caused by the application of different pressure waveforms at the airway opening, proving a first step for the definition of a protective recruitment strategy.

Alla nascita il neonato è soggetto a cambiamenti cruciali, quali lo svuotamento delle vie aeree dal liquido fetale e il reclutamento delle strutture alveolari. La pressione trans-polmonare gioca un ruolo determinante in questo processo, e quindi applicare una pressione può dimostrarsi efficace nel processo di svuotamento delle vie aeree. Tuttavia, alla nascita i polmoni possono essere danneggiati più facilmente. Per tale ragione, lo sviluppo di nuove strategie più protettive per reclutare il polmone alla nascita porterebbe miglioramenti in ambito clinico. Modelli morfometrici sono già stati usati per sviluppare trattamenti per patologie respiratorie negli adulti; potendosi quindi dimostrare elementi efficaci per lo sviluppo di manovre di reclutamento nei neonati. Tuttavia, i modelli morfometrici presentano alcune limitazioni e non sono mai stati definiti per modellizzare i cambiamenti alla nascita. Lo scopo del progetto è quello di realizzare un modello morfometrico del polmone di un neonato, che permetta la simulazione del processo di aerazione durante l’applicazione di una pressione espiratoria positiva. Si è usato un modello precedentemente sviluppato per il caso di studio degli adulti, perciò è stato opportunamente modificato per rappresentare l’anatomia e le caratteristiche meccaniche del polmone del neonato. Inoltre, gli analoghi elettrici, in grado di rappresentare il comportamento meccanico del polmone, sono stati sviluppati per poter effettuare un’analisi nel dominio del tempo. Quando il modello finale è stato ottenuto, dei primi test di validazione sono stati fatti con Lt-spice (Analog Device Inc, USA). A causa dell’elevata capacità computazione richiesta dalla simulazione, il modello finale è stato implementato con Cadence (Cadence Design Systems, Inc.,USA). Alla fine, il modello sviluppato si è dimostrato coerente sia dal punto di vista geometrico che comportamentale, infatti applicando una pressione continua si svuota coerentemente. Il modello può essere usato per confrontare le sequenze e l’omogeneità di svuotamento del polmone sottoponendolo a diverse onde pressorie al fine di definire una possibile strategia di reclutamento.