Biomechanische Eigenschaften pulmonaler Strukturen und deren künstliche Beatmung

Abstract

Für Patienten mit akuter respiratorischer Insuffizienz stellt die künstliche Beatmung eine wichtige lebensrettende Maßnahme dar. Die Ventilation mit zu hohen Beatmungsdrücken und Tidalvolumina kann zum Auftreten eines beatmungsindizierten Lungenschadens führen. Die daraus resultierende mögliche Überdehnung der Lunge kann Gewebeschädigungen verursachen und zum Zerreißen des alveolären Epithels führen. Die richtige Einstellung der Beatmungsparameter am Respirator ist somit unerlässlich um diesen Schädigungsmechanismen vorzubeugen.<br />Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, einen Parameter zu finden, der unter laufender künstlicher Beatmung bestimmt werden kann und Aufschluss über den Zustand der Lunge gibt. Da die unter künstlicher Beatmung verwendeten Beatmungsdrücke keine Aussage über das Ausmaß der tatsächlich im Lungenparenchym auftretenden Spannungskräfte erlauben, wurde in einem ersten Schritt der Elastizitätsmodul von Lungengewebe untersucht. Dazu wurde durch eine spezielle Präparierung elastisch gehaltenes physiologisches und pathologisches Schweinelungengewebe einem Indentation-Test und dem Zugversuch unterzogen. Es erfolgten Untersuchungen zur Richtungs- und Druckabhängigkeit sowie zum Einfluss des Gewebezustandes auf den Elastizitätsmodul. In Anbetracht der fehlenden Möglichkeit, Zugspannungen klinisch zu messen, hat sich die statische Compliance als repräsentativer Parameter für die Beurteilung des Rekrutierungserfolges atelektierter Lungenbereiche und als Basis zur Einstellung der Beatmungsparameter am Respirator herausgestellt. Mit Hilfe von Druck-Volumen-Kurven lässt sich die Compliance über einen gesamten Atemzyklus darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Messverfahren entwickelt, das es erlaubt, statische Druck-Volumen-Kurven unter laufender Beatmung aufzunehmen ohne den Patienten vom Respirator diskonnektieren zu müssen. Die Integration der Aufnahme von statischen Druck-Volumen-Kurven in die konventionelle Beatmung soll eine engmaschigere Überwachung des Lungenzustandes und eine schnellere Reaktion auf Veränderungen ermöglichen.<br />

Mechanical ventilation is part of basic life support for patients with acute respiratory failure. Ventilation with high tidal volume and airway pressure can cause Ventilator-induced Lung Injury. The resulting overdistension of the lung can cause tissue damage and disruption of the alveolar epithelium. Therefore the proper adjustment of ventilation parameters on the respirator is essential to prevent this damage mechanism. The aim of this diploma thesis was to find a parameter that can be determined under continuous artificial ventilation and is able to provide information about the condition of the lung. Since the inspiratory pressures, used under artificial ventilation, are no indicator for the extent of the actual tensile forces in the lung parenchyma, Young's modulus of lung tissue was determined in a first step. In order to investigate Young's modulus an indentation test and a tensile test were performed using physiological and pathological pig lung tissue with preserved elasticity. Studies on the direction and pressure dependence as well as the influence of the tissue condition on the Young's modulus were made. Given the lack of ability to measure tensile stresses clinically, the static compliance is found to be a representative parameter to assess the recruitment success of lung areas with atelectasis and as a basis for careful adjustment of ventilation parameters on the respirator. Pressure-volume curves can represent compliance over an entire breathing cycle. In this thesis' framework a method was developed that allows to measure static pressure-volume curves under continuous ventilation without disconnecting the patient from the ventilator. The integration of the recording of static pressure-volume curves in the conventional ventilation shall lead to a closely monitored pulmonary status and a faster reaction to changes.