Modellierung für die künstliche Beatmung: Strömung im Lungenkapillarnetz und Interaktion von Alveolen

Wenn Menschen künstlich beatmet werden müssen, übernimmt ein Atemgerät die Funktion der Atemmuskulatur und pumpt Luft in die Lunge. Die Hauptaufgabe der künstlichen Beatmung ist es, den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zu gewährleisten. Allerdings wird dabei das Gewebe gelegentlich zu stark gedehnt, oder Alveolen, Lungenbläschen, fallen wieder zusammen, nachdem sie aufgepumpt wurden. Beides kann Lungenschäden verstärken oder gar hervorrufen. Die künstliche Beatmung bekommt also eine weitere Aufgabe: Sie muss die zusätzliche Lungenschädigung minimieren. Ziel dieser Arbeit ist es, Vorgänge rund um diese zwei Aufgaben besser zu verstehen. Ein Thema dieser Arbeit ist die Mechanik von mehreren miteinander verbundenen Alveolen. Wie stabil Alveolen sind und wie stark sie gedehnt werden, ist wichtig für die Schädigung der Lunge. Hier wird ein mathematisches Modell verwendet. In den Alveolen wirken mehrere Spannungen auf einzigartige Weise zusammen: Die Membranspannung des Gewebes und die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilms, der die Alveolen auskleidet, stehen mit dem Beatmungsdruck im Gleichgewicht. Dieses Zusammenspiel beschreiben vereinfachte, theoretisch hergeleitete Druck-Volumen-Kurven unabhängiger einzelner Alveolen. Durch Variation von Parametern dieses mathematischen Modells werden neben normalen auch veränderte Alveolen modelliert: Typisch für Lungenschädigungen sind die Vergrößerung der Oberflächenspannung und die Versteifung des Gewebes. Mit den Druck-Volumen-Kurven einzelner Alveolen wird dann die Interaktion mehrerer Alveolen simuliert, die über Luftwege verbunden sind; Dehnung und Stabilität werden analysiert. Damit wird die Wirkung von Beatmungsmanövern auf bereits geschädigte Lungen beurteilt. Der Erfolg von Beatmungsmanövern hängt entscheidend von der Art der Schädigung ab: Bei Störungen der Oberflächenspannung können Beatmungsmanöver die Stoffaustauschfläche vergrößern. Bei Gewebeversteifung ist der Effekt gering und es besteht die Gefahr der Überdehnung. Das zweite Thema ist die Strömung der roten Blutkörperchen im Lungenkapillarnetz. Sie ist wichtig für den Stoffaustausch, aber im Detail noch nicht gut verstanden. Es werden experimentelle Modelle für Kapillarblut und für Kapillarnetze entwickelt. Das Besondere an der Strömung im Kapillarnetz ist, dass die roten Blutkörperchen genauso groß sind wie die Kapillaren. Daraus ergeben sich spezielle strömungsmechanische Eigenschaften. Diese stellt ein Blutmodell aus Wassertropfen in Öl nach. Mit dem Blutmodell wird die ungestörte Strömung in einem vergrößerten Kapillarnetzmodell untersucht und der Einfluss von Störungen: Blockaden von Verzweigungen oder Ausgängen sowie statische und dynamische Dehnung von Teilen des Kapillarnetzmodells. Bereits in der ungestörten Strömung variieren Geschwindigkeit, Tropfenstrom und Tropfenanzahl mit der Zeit und sind im Kapillarnetzmodell ungleich verteilt. Die untersuchten Störungen ändern die Aufenthaltszeiten der Tropfen jedoch nur wenig: Die Strömung ist hierin robust. Überträgt man dies auf Blut in Kapillarnetzen, hieße das erstens, Blockaden und Teildehnungen beeinflussen den Aufenthalt der roten Blutkörperchen im Kapillarnetz und somit den Stoffaustausch nicht wesentlich. Zweitens kann die unregelmäßige Strömung in natürlichen Kapillarnetzen mit den strömungsmechanischen Eigenschaften von Kapillarblut erklärt werden. Darüber hinaus werden erstmals Experimente mit Blut in einem Mikromodell eines Lungenkapillarnetzen präsentiert: Sie bestätigen die Ergebnisse der Versuche mit dem Blutmodell. Die vorgestellten Modelle ermöglichen ein besseres Verständnis der Alveolenstabilität und der Kapillarblutströmung. Das Modell der verbundenen Alveolen bietet einen Ansatz für eine verbesserte künstliche Beatmung, indem Einflüsse gezeigt werden, die sich auf den Erfolg oder die zusätzliche Lungenschädigung bestimmter Beatmungsmanöver auswirken.

Author dc:creator

• Schirrmann, Kerstin

Advisor dc:contributor.advisor

• Paschereit, Christian Oliver

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/

Language dc:language.iso

de, German

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-38025
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3463

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/3760