Modelowanie matematyczne organizmu człowieka
Modele obliczeniowe są coraz powszechniej stosowane do rekonstruowania złożonych systemów biologicznych, co polega na przekształcaniu podzielonych na segmenty danych medycznych dotyczących naczyń i dróg oddechowych w efektywne, gotowe do symulacji modele. Te modele matematyczne dają możliwość uzyskiwania cennych informacji na temat różnych problemów. Do dokładnego modelowania fizjologii człowieka potrzebne są jednak symulacje wieloskalowe. Naukowcy z UE opracowali zintegrowane modele umożliwiające symulację problemów z zakresu przepływu płynów przy pomocy szeregu różnych zasobów — od klastrów po superkomputery. W ramach projektu MATCOMPHYS (Mathematical models and high performance computing for deposition and absorption in physiological flows), finansowanego ze środków UE, opracowano narzędzia numeryczne służące do symulacji przepływu wdychanego powietrza przez układ oddechowy do momentu dotarcia do płuc i układu mikrokrążenia krwi. Dokładniej mówiąc, uczeni stworzyli trójwymiarowy model dróg oddechowych oparty na rzeczywistych danych pochodzących ze skanowania medycznego. Przy pomocy tego rozbudowanego i szczegółowego modelu przeprowadzono wielkoskalowe symulacje na dwóch największych superkomputerach w Europie: FERMI we Włoszech i MareNostrum w Hiszpanii. Dzięki wysokiej rozdzielczości modelu, uzyskano szczegółowy obraz przepływu wdychanego powietrza w górnych i dolnych drogach oddechowych. Ustalono, że przepływ w drogach nosowych jest ograniczony. W momencie dotarcia do gardła powietrze zwiększa prędkość, a przepływ staje się burzliwy. Przeprowadzono również symulacje numeryczne, aby zbadać przepływ krwi przez złożoną sieć naczyń o długości kilku mikrometrów, przez które substancje odżywcze, tlen i komórki dostarczane są do organizmu. Badania te wskazują na skomplikowany ruch zderzających się ze sobą krwinek, który wpływa na procesy transportowe. Dynamika płynów, czy też inne dyscypliny inżynieryjne, są stosowane w medycynie stosunkowo od niedawna. Badania prowadzone w ramach projektu MATCOMPHYS, łączące inżynierię, biologię i medycyną, dowodzą istotnego znaczenia prac interdyscyplinarnych. Inżynieria ma jeszcze wiele do zaoferowania, jeśli chodzi o badanie organizmu człowieka.
Słowa kluczowe
Ludzkie ciało, układ oddechowy, modele matematyczne, MATCOMPHYS, mikrokrążenie