Simulating aeration at birth: building an open-source newborn lung model

During pregnancy, the fetal airways are filled with a fluid known as fetal lung fluid, which is essential for the development of airways. Consequently, at birth, the respiratory system must expel this fluid to allow aeration. Preterm infants may not be able to adequately achieve lung aeration at birth autonomously. The application of a positive pressure waveform at the airway opening can support them. However, the best pressure strategy for promoting lung aeration without damaging the fragile lung is still unknown. Model simulation can help in the definition of such a strategy. Aims of this projects are: 1) Generate a model from neonatal CT scans to optimize the generation of airways, ensuring they adhere to the morphometric characteristics at various ages. 2) Develop an open-source mechanical model that allows for the simulation of mechanical properties along with fluid dynamics. Using a CT scan of a newborn infant, we extracted the centreline of major airways and the lobe surfaces. We then reconstructed the anatomy of the missing airways using a statistical algorithm originally proposed for adult lungs, which we adapted for the newborn lung. This algorithm assigned airway diameters based on proportions measured in the newborn lung. We implemented a mechanical analog of the airway and acini in Julia, a free and open source programming language allowing to construct modularly complex ODE systems and to solve them. This model accounts for changes related to aeration at birth, allowing the simulation of the flow of fetal fluid towards the periphery as air enters the airways.

Durante la gravidanza, le vie aeree fetali sono riempite con un liquido noto come fluido polmonare fetale, essenziale per lo sviluppo delle vie aeree. Di conseguenza, alla nascita, il sistema respiratorio deve espellere questo liquido per permettere l'aerazione. I neonati pretermine potrebbero non essere in grado di raggiungere in modo autonomo l’aerazione polmonare alla nascita. L'applicazione di una forma d'onda di pressione positiva all'apertura delle vie aeree può supportarli. Tuttavia, la migliore strategia di pressione per promuovere l’aerazione polmonare senza danneggiare il fragile polmone è ancora sconosciuta. La simulazione del modello può aiutare nella definizione di tale strategia. Gli obiettivi di questo progetto sono: 1) Generare un modello a partire dalle scansioni TC neonatali per ottimizzare la generazione delle vie aeree, assicurando che aderiscano alle caratteristiche morfometriche a diverse età. 2) Sviluppare un modello meccanico open-source che consenta la simulazione delle proprietà meccaniche insieme alla dinamica dei fluidi. Utilizzando una scansione TC di un neonato, abbiamo estratto la linea centrale delle principali vie aeree e le superfici dei lobi. Successivamente, abbiamo ricostruito l'anatomia delle vie aeree mancanti utilizzando un algoritmo statistico originariamente proposto per i polmoni degli adulti, che abbiamo adattato per il polmone del neonato. Questo algoritmo ha assegnato i diametri delle vie aeree in base alle proporzioni misurate nel polmone del neonato. Abbiamo implementato un analogo meccanico delle vie aeree e degli acini in Julia. Questo modello tiene conto dei cambiamenti relativi all'aerazione alla nascita, permettendo la simulazione del flusso del liquido fetale verso la periferia mentre l'aria entra nelle vie aeree.