SCIENZA · METODO ED EVIDENZE

Dal polmone intero a ogni via aerea

Come il gemello funzionale nasce da una TC, come respira, i benchmark a cui lo misuriamo e gli studi costruiti su di esso. Scritto per gli ingegneri e i ricercatori che lo chiederanno.

Il polmone intero

Lobi, parenchima e un respiro, da una sola TC

Dalla stessa TC del torace di routine, l’AI segmenta i cinque lobi, la trachea e l’albero bronchiale, caso per caso. Un modello di meccanica polmonare, accoppiato a un surrogato rapido del flusso nelle vie aeree, fa poi respirare il polmone ricostruito: quanta aria prende ogni lobo, dove il polmone si gonfia e dove si sovradistende, e un’espirazione forzata simulata.

Cinque lobi, trachea e albero bronchiale segmentati in automatico dalla TC
Ventilazione regionale per lobo, mappata sulle sezioni TC consuete
Spirometria virtuale: FEV1 e FVC simulati per lobo (solo per uso di ricerca)

Entrambi i polmoni e l’albero bronchiale ricostruiti da una TC del torace, durante un respiro simulato. Caso dimostrativo.

Vie aeree

Il flusso in ogni via aerea: lattice Boltzmann su GPU

La superficie delle vie aeree viene segmentata da una TC del torace di routine e collocata in automatico sulla griglia cartesiana regolare di un solutore lattice Boltzmann. Non c’è una mesh di volume da costruire: un agente AI propone ingresso e uscite, imposta le condizioni di flusso e lancia il caso.

Solutore di flusso lattice Boltzmann su GPU, nel cloud o in sede
Superficie dalla TC resa stagna e voxelizzata sulla griglia del solutore in automatico
La stessa pipeline agentica per un paziente o per un’intera coorte

Validazione del flusso

Misurato sul benchmark SimInhale

SimInhale è una geometria pubblica delle vie aeree con dati di flusso misurati, che la comunità dell’inalazione usa per confrontare i codici di simulazione. Usiamo la stessa geometria e le stesse condizioni e confrontiamo con le misure.

Profili di velocità misurati riprodotti
Ripartizione del flusso fra i bronchi principali riprodotta
Risultati in un manoscritto interno, non ancora sottoposto a revisione

Linee di corrente nella geometria del benchmark SimInhale.

Particelle

L’aerosol inalato, dalla bocca al polmone profondo

Le particelle dei preset di inalatori, nebulizzatori e distanziatori partono dalla bocca e vengono trasportate dal flusso calcolato. Il nostro solutore in sviluppo registra dove ogni particella incontra la parete delle vie aeree, e la deposizione regionale è stata confrontata con le misure in vitro di SimInhale per particelle da 1 a 10 µm.

Preset di inalatori, nebulizzatori e distanziatori
Più dimensioni di particella nella stessa simulazione
Deposizione confrontata regione per regione con i dati in vitro

Particelle inalate da 1 a 10 µm trasportate dal flusso nella via aerea del benchmark SimInhale. Simulazione lattice Boltzmann, preliminare.

Prestazioni e tracciabilità

Abbastanza veloce per le coorti, e ogni corsa registrata

Uno studio di coorte ha senso solo se ogni caso è rapido e ogni risultato si può ricostruire. Il trattamento delle pareti del solutore è stato riscritto per le GPU, e ogni esecuzione attestata porta un registro firmato del software, dell’hardware e dei dati che l’hanno prodotta, costruito con EQTY Lab.

Passo di simulazione con pareti a surfel 43 volte più veloce su GPU rispetto alla versione precedente del nostro solutore (benchmark interno)
43 vie aeree di pazienti a due portate in circa un giorno su un cluster GPU (vedi Farma e dispositivi)
Registro firmato della provenienza per ogni esecuzione attestata
Risultati esportati in VTU; geometrie in STL, OBJ, PLY o VTP

Pubblicazioni

Articoli

Sottomesso
Manoscritto sul solutore lattice Boltzmann, sottomesso a MDPI Computation (numero speciale), 2026.
In preparazione
Simulazione agentica del flusso nelle vie aeree su scala di popolazione: lo studio di coorte su 43 pazienti.

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