Untersuchung des instationären Massentransports im Tracheobronchialbaum und der peripheren Lunge unter Manipulation der Tubusströmung und bei Hochfrequenzbeatmung zur gezielten Homogenisierung der Ventilation

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Christoph Brücker; Professor Dr. Mario Rüdiger
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Medical Physics, Biomedical Technology
• Term: from 2005 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 13043238

Insbesondere bei Neugeborenen sind bei der mechanischen Beatmung aufgrund der räumlichanisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Atemwege einzelne Lungenareale häufigüber- bzw. unterbelüftet, was zu Ventilator-induzierten Lungenverletzungen führt. Ziel deshier vorgestellten interdisziplinären Forschungsprojektes ist das Verständnis derMassenströme und der Massenverteilung in ventilierten Lungen und aufbauend darauf dieEntwicklung verbesserter Ventilationsstrategien zur Homogenisierung der Lungenbelüftungbei Frühgeborenen im klinischen Alltag. Hierzu wurden in der ersten Antragsphase zunächstUntersuchungen zum grundlegenden Verständnis der Massenstromverteilung in denAtemwegen und der peripheren Lunge bei gesunder Lunge und bei gezielt künstlichausgeschalteten Lungenarealen durchgeführt. Hier wurden bereits wesentliche physikalischeErkenntnisse zum Massentransport bei inhomogenen Lungen an dem in-vitro 6-GenerationenModell und zu den Mechanismen der Rekrutierung mit Hilfe der Hochfrequenzbeatmunggewonnen, die in-vivo an einem Vier-Quadranten Aufbau klinisch überprüft wurden. AlsMethoden wurden im in-vitro Modell die Particle-Image Velocimetry (PIV) und imTierversuch die Quadranten-Impedanzmessung (QIM) etabliert. Für die zweite Antragsphasewird aufbauend auf den erzielten Erkenntnissen eine Ventilationsstrategie mit begrenzterstochastischer Variation von Beatmungsfrequenzen bzw. Beatmungsdrücken verfolgt(Ventilation mit gezielter Variation VV), wobei die Begrenzung durch die biomechanischenEigenschaften der einzelnen Lungenabschnitte definiert wird. Die Arbeitshypothese ist, dassdurch eine VV im Mittel eine erfolgreiche Anregung der a-priori unterschiedlichenResonanzfrequenzen der inhomogenen Lungenareale erfolgt und damit eine vollständigeRekrutierung der geschädigten Lunge erzielt werden kann, ohne dass notwendigerweise dermittlere Atemwegsdruck erhöht werden muss. Diese Versuche werden parallel unter gleichenBedingungen am in-vitro als auch am in-vivo Modell durchgeführt und hinsichtlich derWirkungsweise als protektive Beatmungsstrategie charakterisiert.

• DFG Programme: Research Grants