Unsteady Mass Transport During Liquid Ventilation

• Applicant: Dr.-Ing. Katrin Bauer
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2014 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 257981040

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Innerhalb dieses Projektes wurde die Flüssigkeitsbeatmung aus strömungsmechanischer Sicht beleuchtet. Trotz intensiver Forschung zur Etablierung dieser Beatmungsstrategie konnte die Flüssigkeitsbeatmung bisher keinen Einzug in den klinischen Alltag halten. Dies ist unter anderem auf ein fehlendes oder unzureichendes Verständnis der Vorgänge innerhalb der Lunge zurückzuführen. Mittels experimenteller Methoden der Strömungsmechanik wurden Versuchsreihen durchgeführt, um jenes Verständnis zu verbessern. Im Vergleich zu gängigen medizinischen bildgebenden Verfahren wie CT oder MRT, bietet der modellbildende in vitro/in replica Ansatz in diesen Arbeiten den Vorteil einer höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung der strömungsmechanischen Effekte. Der Fokus innerhalb des Projekts lag sowohl auf der Charakterisierung der Geschwindigkeitsfelder bei verschiedenen Beatmungsparametern als auch bei der Bestimmung typischer Transportpfade des in der Beatmungsflüssigkeit gelösten Sauerstoffs. Die Geschwindigkeitsmessungen sind mit Hilfe der Particle Tracking Velocimetry (PTV) Methode in 2D und 3D durchgeführt worden. Nach Kenntnis der zum Zeitpunkt verfügbaren Literatur, ist der Einsatz dieser Methodenfamilie im Kontext der Strömung innerhalb der Lunge neuartig und ermöglichte die Gewinnung neuartiger Daten. Ähnlich verhielt es sich mit der Messtechnik der sauerstoffsensitiven Farben, welche die quantitative Erfassung gelöster Sauerstoffkonzentrationen ermöglichte. Innerhalb dieses Projekts konnte die Nutzung dieser Messtechnik etabliert werden und Impulse für mögliche Anschlussarbeiten gesetzt werden. Es wurde dabei aufgezeigt, dass die maximale Sauerstoffkonzentration im Modell mit steigenden Tidalvolumen etwa linear zunimmt und dieser Maximalwert früher innerhalb einer Atemperiode erreicht wird. Die Geschwindigkeitsmessungen wurden an zwei komplexen, dreidimensional verzweigenden Lungenmodellen mit sieben Verzweigungsgenerationen durchgeführt. Innerhalb vereinfachter Lungengeometrien, welche einen planaren Verzweigungsbaum mit drei Verzweigungsgenerationen darstellten, wurden die Untersuchungen zum Sauerstofftransport durchgeführt.

Publications

• Development of a 3D-PTV algorithm for the investigation of characteristic flow structures in the upper human bronchial tree. In: 18th International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, ISBN: 978-989-98777-8-8, Lisbon, Portugal, 2016
  T. Janke and K. Bauer
  
• Curvature and torsion of particle trajectories within a model of the human conductive airways. In: Fachtagung „Experimentelle Strömungsmechanik“, ISBN: 978-3-9816764-3-3, Karlsruhe, Deutschland, 2017
  T. Janke, R. Schwarze and K. Bauer
  
• Measuring three-dimensional flow structures in the conductive airways using 3D-PTV. Exp. Fluids 58(2017): 133
  T. Janke, R. Schwarze and K. Bauer
  
• Revisiting high-frequency oscillatory ventilation in vitro and in silico in neonatal conductive airways. Clinical Biomechanics, 66 (2017) 50-59
  K. Bauer, E. Nof, J. Sznitman
  
• Visualizing dissolved oxygen transport for liquid ventilation in an in vitro model of the human airways. Meas. Sci. Technol. 28(2017): 055701
  T. Janke and K. Bauer
  
• Experimental methods for flow and aerosol measurements in human airways and their replicas. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 113, (2018), 95-131
  F. Lizal, J. Jedelsky, K. Morgan , K. Bauer, J. Llop, U. Cossio, S. Kassinos, S. Verbanck, J. Ruiz-Cabelloi, A. Santos, E. Koch, C. Schnabel
  
• Qualitative in vitro measurements of dissolved oxygen concentrations in perfluorocarbon during liquid ventilation. In: 18th International Symposium on Flow Visualization, Zürich, Schweiz, 2018
  T. Janke, R. Schwarze and K. Bauer
  
• Correlation velocimetry for the measurement of turbulent signals in the human airways. In: Fachtagung „Experimentelle Strömungsmechanik“, ISBN: 978-3-9816764-6-4, Erlangen, Deutschland, 2019
  T. Hanke, H. Chaves, R. Schwarze and K. Bauer
  
• PIV measurements of the SimInhale benchmark case. Eur. J. Pharm. Sci. 133(2019), 183-189
  T. Janke, P. Koullapis, S.C. Kassinos and K. Bauer
  
• PIV-PTV comparison of the oscillating flow inside the human lungs. In: 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry, ISBN: 978-3-943207-39-2, München, Deutschland, 2019
  T.Janke, R. Schwarze and K Bauer
  
• Part2Track: A MATLAB package for double frame and time resolved Particle Tracking Velocimetry. SoftwareX 11(2020), 100413
  T. Janke, R. Schwarze, K. Bauer