Nyilvánosan elérhető webes modell mutatja meg, hol rakódnak le a belélegzett részecskék a tüdőben

A belélegzett részecskék sorsát a méretük, sűrűségük és a légzés jellemzői szabják meg: van, amelyik már az orrban vagy a garatban megreked, más a hörgőkben rakódik le, a legapróbbak pedig egészen a tüdő mélyéig, az alveolusokig jutnak. Ennek a folyamatnak a modellezésére mutatták be az OpenSLM platformot a HUN-REN EK kutatói és salzburgi társszerzőjük a Computer Methods and Programs in Biomedicine Update folyóiratban. A rendszer légszennyező és radioaktív aeroszolok, nanorészecskék, valamint inhalációs gyógyszerek légúti lerakódásának vizsgálatára használható.

Figyelembe veszi az eltéréseket

Az OpenSLM alapja a sztochasztikus tüdőmodell (SLM), amelynek fejlesztését közel négy évtizede kezdte meg Koblinger Lajos és Werner Hofmann. A hagyományos, determinisztikus modellek egyetlen, átlagos méretekkel jellemzett légúti geometriával számolnak, holott az emberi tüdő elágazásrendszere egyénenként és akár egy tüdőn belül is jelentősen változik.

Az SLM ezt a természetes változatosságot építi be a számításba: a légutak hosszát, átmérőjét és elágazási szögeit nem rögzített értékként, hanem valós anatómiai adatbázisokból származó valószínűségi eloszlásként kezeli. A modell Monte Carlo-módszerrel, elágazásról elágazásra véletlenszerűen épített légúti struktúrában szimulálja több tízezer belélegzett részecske útját a belégzéstől a kilégzésig vagy a lerakódásig, így nemcsak az emberek közötti, hanem az egy tüdőn belüli szórásról is képet ad.

Az eredményeket korábbi kísérleti mérésekkel összevetve a fejlesztők jó egyezést találtak, ami megbízható alapot ad a modell gyakorlati alkalmazásához.

Sokféle szcenárió

A most bemutatott webes felület a korábban elsősorban a fejlesztő kutatócsoportok saját gépein futtatott eszközt teszi hozzáférhetővé szélesebb közönség számára. A háttérben futó számítási motort a fejlesztők Rust programozási nyelven írták, hogy a nagyszámú részecskepálya szimulációja is gyorsan lefusson, ezt kapcsolták össze egy egyszerűen kezelhető webes felülettel.

A felhasználók megadhatják a vizsgált részecskék méretét és sűrűségét, a légzés jellemzőit – például egy légvétellel belélegzett levegő térfogatát vagy a légzés-visszatartás idejét –, illetve azt is, hogy orron vagy szájon át történik-e a belégzés. „Ha egyéni mérési adat nem áll rendelkezésre, a modell szakirodalmi referenciaértékekkel is futtatható, a nemek és a gyermekkor eltérő tüdőméreteihez pedig a légzési és tüdőkapacitási adatok alapján igazítja a légutak geometriáját”, mondta el kérdésünkre Madas Balázs, a HUN-REN EK kutatója, a tanulmány egyik szerzője.

A számítás eredményeként a felhasználó letölthető adatokat és diagramokat kap arról, hogy a belélegzett részecskék mekkora hányada rakódik le a felső légutakban, a hörgőkben, illetve a tüdő mélyebb, alveoláris régióiban. „Az alapvető eredmények értelmezéséhez nincs szükség orvosi végzettségre, ezt a weboldal beépített útmutatója is segíti; klinikai, toxikológiai vagy sugárvédelmi következtetések levonásához azonban továbbra is az adott szakterület ismerete szükséges”, teszi hozzá Madas Balázs.

Széles körben használható

Az OpenSLM elsősorban aeroszolokkal, sugárvédelemmel, környezet-egészségüggyel, munkahelyi expozícióval vagy inhalációs gyógyszerekkel foglalkozó kutatók és szakemberek munkáját segítheti. A modellel összevethető, hogy különböző méretű légszennyező vagy munkahelyi eredetű részecskék milyen mélyre jutnak a légzőrendszerben, ami a kockázatbecslés és a munkahelyi egészségvédelem szempontjából hasznos. Radioaktív aeroszolok esetén a számított lerakódás a belső sugárterhelés későbbi becslésének kiindulópontja lehet, így a modell radiológiai veszélyhelyzetekre való felkészülést is támogathatja.

Az inhalációs gyógyszerek fejlesztésénél pedig vizsgálható, hogy a részecskeméret, a belégzés sebessége vagy a légzés-visszatartás hogyan befolyásolja a hatóanyag légúti eloszlását, ami akár a személyre szabott inhalációs terápiák tervezését is támogathatja. Az egyszerű, ingyenes hozzáférés miatt a rendszer oktatási célra is alkalmas: hallgatók és pályakezdő kutatók költséges szoftverek és nagy számítási kapacitás nélkül ismerkedhetnek meg a légúti részecsketranszport alapjaival.

A fejlesztők kiemelt figyelmet fordítottak arra is, hogy a modell a nyílt tudomány, azaz a FAIR-elvek – megtalálhatóság, hozzáférhetőség, együttműködő képesség és újrafelhasználhatóság – mentén működjön: az angol nyelvű webes felület mellett a program forráskódja és dokumentációja is szabadon elérhető, ami segíti a számítások ellenőrizhetőségét és további fejlesztését. A projekt a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Környezetfizikai Laboratóriumának munkatársai – köztük Günter Dalma, Albrecht Gábor, Groma Veronika, Füri Péter, Farkas Árpád és Madas Balázs – valamint a modell egyik megalkotója, a Salzburgi Egyetemen dolgozó Werner Hofmann közös munkájának eredménye. A fejlesztést az Európai Unió EURATOM programja által támogatott RadoNorm projekt és a PIANOFORTE partnerség finanszírozta.

Az OpenSLM a https://openslm.ek.hun-ren.hu címen érhető el, a modellt bemutató tanulmány pedig a https://doi.org/10.1016/j.cmpbup.2026.100264 azonosítón olvasható.