Лос-Аламосская Национальная Лаборатория
Математическая визуализация показывает скорость поступления воздуха в легкие от высокочастотного пульсирующего вентилятора.
Лос-Аламосская Национальная Лаборатория
Прямая секция 3D-печатного «газораспределительного коллектора» соединена проводами с диагностическими датчиками.
Лос-Аламосская Национальная Лаборатория
Секция газораспределительного коллектора имеет форму, имитирующую общую структуру легких.
Предыдущий Следующий
Newswise-LOS ALAMOS, N. M., 21 декабря 2020 г.-междисциплинарные ученые и инженеры Национальной лаборатории Лос-Аламоса работают над изучением того, как Внутрипульмональная ударная вентиляция (IPV) помогает очистить слизь от блокирования дыхательных путей человеческого легкого-распространенной реакции на вирус Covid-19.
Исследователи, используя некоторые из тех же методов моделирования и экспериментов, что и в лаборатории ядерного оружия, работают над тем, чтобы обнаружить лежащие в основе этого процесса научные и инженерные принципы, и разработали предварительный алгоритм машинного обучения, который когда-нибудь может помочь легочным врачам в лечении пациентов с COVID-19 с ИПВ.
«У людей, заразившихся вирусом SARS-Cov2, может развиться респираторный дистресс, при котором их легкие наполняются слизью в ответ на вирусную инфекцию. Поскольку легкие наполняются слизью, человеку в конечном итоге может потребоваться механическая вентиляция», — сказал Джон Бернардин, главный исследователь проекта в группе механики и теплотехники лаборатории. «Этот проект исследует, как пульсации IPV мелких аэрозолей могут помочь очистить легкие пациента от слизи, помочь ему дышать во время ИВЛ и в конечном итоге помочь ему выздороветь от болезни.»
ИПВ используется наряду с традиционной вентиляцией для доставки быстрых импульсов аэрозоля, осаждения лекарств и потенциального открытия закупоренных дыхательных путей в легких. Исследователи объединяют численный и экспериментальный подходы для разработки прогностической модели поведения легких в этих условиях.
Легкие-это очень сложная система, поэтому лаборатория использует акустические измерения, вычислительные модели гидродинамики, модели структурно-жидкостного взаимодействия и оптические методы для моделирования процесса дыхания и наблюдения за потоком аэрозоля и распадом слизи. Это особенно сложно из-за сложной геометрии структуры легких, многогранных граничных условий в глубоком легком и нелинейного поведения внутренних жидкостей в легком. Исследование требует анализа того, как легкие реагируют на кинетическую энергию переменных давлений, вращательных потоков и явных напряжений на стенках легких.
Чтобы обосновать математические модели, исследовательская группа спроектировала, построила и протестировала несколько экспериментальных устройств, включая 3D-печатный «газораспределительный коллектор», имитирующий структуры трахеи и бронхиальных ветвей легких. Они использовали датчики для измерения давления, скорости, температуры и влажности, а также газоанализатор для измерения давления и объема, оптические датчики для определения плотности аэрозоля и спектрометры для анализа распределения частиц по размерам. Они также использовали легочную ткань, собранную из овечьих туш, и окрашенный аэрозоль для отслеживания осаждения аэрозолей ИПВ во время процесса вентиляции.
«Мы узнали, что влажность оказывает сильное влияние на концентрацию аэрозолей», — сказал Бернарден. «Эффекты разбавления в легких менее заметны при более высокой влажности, но более выражены при увеличении объемного расхода, а проникновение аэрозоля намного лучше во время вдоха. Мы также открыли новую механическую динамику и механику жидкости (патент подан), которые могут еще больше улучшить перенос аэрозоля и удаление слизи.”
Предварительный алгоритм машинного обучения связывает все переменные вместе с надеждой в конечном итоге создать быстрый, специфичный для конкретного пациента инструмент для оценки правильных параметров ИВЛ и ИПВ для конкретного пациента до начала ИВЛ, реагируя на лечение и оптимизируя его для каждого пациента.
«Инструменты численного моделирования и экспериментов, необходимые для изучения IPV, являются одними из тех, которые мы используем для разработки и тестирования систем оружия, устройств глобальной безопасности и оборудования для сбора энергии», — сказал Бернарден. «Разрабатывая новые инструменты для борьбы с Covid-19, Мы из первых рук демонстрируем, как люди и оборудование нашей национальной лаборатории могут быстро адаптироваться и преодолеть сложную проблему, которая угрожает самому нашему образу жизни.»
Этот проект является партнерством с национальными лабораториями Айдахо и Сандии, Пресвитерианской службой здравоохранения, Percussionaire (производитель IPV) и несколькими другими национальными экспертами в области инфекционных заболеваний. Проект включает в себя персонал лаборатории Оружейной инженерии, биологии, теоретической модернизации оружия, физики материалов и приложений, компьютерных, вычислительных и статистических наук, а также организаций физических наук.
Проект финансируется Министерством энергетики США-управлением науки через закон о заботах.
«Лучшая часть этого проекта состояла в том, чтобы собрать вместе 20 человек из всех слоев общества, чтобы ответить на сложную угрозу здоровью и благосостоянию населения мира. Мы боремся против Covid-19, пытаясь найти способ спасти человеческие жизни, в том числе жизни наших коллег, друзей, семьи и людей, которых мы никогда не узнаем, что может быть более полезным, чем это?» — сказал Бернардин.
О Лос-Аламосской Национальной лаборатории (www.lanl.gov)
Лос-Аламосская национальная лаборатория, многопрофильное исследовательское учреждение, занимающееся стратегической наукой от имени национальной безопасности, управляется триадой, ориентированной на государственную службу научной организацией по национальной безопасности, в равной степени принадлежащей трем ее основателям: мемориальному институту Баттелла (Battelle), системе Техасского университета A&M (TAMUS) и регентам Калифорнийского университета (UC) для Национального управления ядерной безопасности Министерства энергетики.
Лос-Аламос укрепляет национальную безопасность, обеспечивая сохранность и надежность ядерных запасов США, развивая технологии для уменьшения угроз от оружия массового уничтожения и решая проблемы, связанные с энергетикой, окружающей средой, инфраструктурой, здравоохранением и проблемами глобальной безопасности.
ЛА-УР-20-30258
