Patient-specific modelling, simulation and real time processing for respiratory diseases

Abstract

Asthma is a common chronic disease of the respiratory system causing significant disability and societal burden. It affects more than 300 million more people worldwide, while more than 100 million people will likely have asthma by 2025. The price of asthma varies greatly from nation to nation. Mean yearly cost can be estimated to 1900 EUR in Europe and $3100 in the United States. Managing asthma involves controlling symptoms, preventing exacerbations, and maintaining lung function. Improved asthma control is reduces the risk of exacerbations and lung function impairment while reducing the direct costs of asthma care and indirect costs associated with reduced productivity. Understanding the complex dynamics of the pulmonary system and the lung's response to disease is fundamental to the advancement of Asthma treatment. Computational models of the respiratory system seek to provide a theoretical framework to understand the interaction between structure and function. Their application can improve pulmonary medicine by a patient-specific approach to medicinal methodologies optimizing the delivery given the personalized geometry and personalized ventilation patterns. A three-fold objective is addressed within this dissertation. The first part refers to the comprehension of pulmonary pathophysiology and the mechanics of Asthma and subsequently of constrictive pulmonary conditions in general. The second part refers to the design and implementation of tools that facilitate personalized medicine to improve delivery and effectiveness. Finally, the third part refers to the self-management of the condition, meaning that medical personnel and patients have access to tools and methods that allow the first party to easily track the course of the condition and the second party, i.e. the patient to easily self-manage it alleviating the significant burden from the health system.

Το άσθμα είναι μια χρόνια νόσος του αναπνευστικού συστήματος που προκαλεί σημαντική δυσχέρια και οικονομική επιβάρυνση. Επηρεάζει περισσότερους από 300 εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως, ενώ περισσότεροι από 100 εκατομμύρια άνθρωποι επιπλέον πιθανότατα θα έχουν άσθμα μέχρι το 2025. Η τιμή του άσθματος ποικίλλει πολύ από χώρα σε χώρα. Το μέσο ετήσιο κόστος μπορεί να εκτιμηθεί σε 1900 EUR στην Ευρώπη και 3100 $ στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η διαχείριση του άσθματος περιλαμβάνει τον έλεγχο των συμπτωμάτων, την πρόληψη των παροξύνσεων και τη διατήρηση της πνευμονικής λειτουργίας. Ο βελτιωμένος έλεγχος του άσθματος μειώνει τον κίνδυνο παροξύνσεων και εξασθένησης της πνευμονικής λειτουργίας, ενώ μειώνει το άμεσο κόστος της φροντίδας του άσθματος και το έμμεσο κόστος που σχετίζεται με μειωμένη παραγωγικότητα. Η κατανόηση της πολύπλοκης δυναμικής του αναπνευστικού συστήματος και της ανταπόκρισης του πνεύμονα στην ασθένεια είναι θεμελιώδης για την πρόοδο της θεραπείας του άσθματος. Τα υπολογιστικά μοντέλα του αναπνευστικού συστήματος επιδιώκουν να παρέχουν ένα θεωρητικό πλαίσιο για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ δομής και λειτουργίας. Η εφαρμογή τους μπορεί να βελτιώσει την ιατρική του αναπνευστικού συστήματος, μέσω μιας ειδικής για τον ασθενή προσέγγισης σε ιατρικές μεθοδολογίες που βελτιστοποιούν την παροχή δεδομένων της εξατομικευμένης γεωμετρίας και των εξατομικευμένων μοτίβων κυκλοφορίας του αέρα. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται ένας τριπλός στόχος. Το πρώτο μέρος αναφέρεται στην κατανόηση της πνευμονικής παθοφυσιολογίας και της μηχανικής του άσθματος και στη συνέχεια των συσταλτικών πνευμονικών καταστάσεων γενικότερα. Το δεύτερο μέρος αναφέρεται στον σχεδιασμό και την εφαρμογή εργαλείων που διευκολύνουν την εξατομικευμένη ιατρική για τη βελτίωση της παροχής και της αποτελεσματικότητας. Τέλος, το τρίτο μέρος αναφέρεται στην αυτοδιαχείριση της πάθησης, που σημαίνει ότι το ιατρικό προσωπικό και οι ασθενείς έχουν πρόσβαση σε εργαλεία και μεθόδους που επιτρέπουν στο πρώτο μέρος να παρακολουθεί εύκολα την πορεία της πάθησης και στο δεύτερο μέρος, δηλαδή στον ασθενή, να αυτοδιαχειριζεται τα συμπτώματα ελαφρύνοντας σημαντικά την επιβάρυνση στο σύστημα υγείας.