Entwicklung einer closed-Loop Nervus phrenicus-Stimulation zur Etablierung einer intensivmedizinisch-kompatiblen Atmungsunterstützung - (DIA-STIM)
Anästhesiologie
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Künstliche Beatmung wird auf der Intensivstation bei Patienten mit akuter respiratorischer Insuffizienz eingesetzt. Während der künstlichen Beatmung bleibt das Diaphragma inaktiv und ist durch ein pathophysiologisches Syndrom namens „ventilatorinduzierte diaphragmale Dys-funktion“ (engl: Ventilator-induced diaphragmatic dysfunction, VIDD) bedroht. Die fehlgeschlagene Entwöhnung vom Beatmungsgerät (Weaning) stellt einen wesentlichen Faktor in diesem Kontext dar. Diverse Studien belegen, dass die Aufrechterhaltung der Aktivität des Diaphragmas während der künstlichen Beatmung, beispielsweise durch Stimulation des Nervus Phrenicus, eine Atrophie des Diaphragmas verhindern und folglich die künstliche Beatmungszeit verkürzen könnte. Im Rahmen des Projekts DIA-STIM wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine geregelte Stimulation des Nervus Phrenicus eine praktikable Methode sein könnte, um die Funktion des Diaphragmas bei tief sedierten Patienten aufrechtzuerhalten. Ein geeigneter Ansatz für die Intensivstation ermöglicht die unmittelbare Aktivierung des Diaphragmas nach Beginn der künstlichen Beatmung, ohne das Lungenparenchym zu gefährden und vor dem Auftreten von VIDD. Die aufgestellte Hypothese wurde durch Versuche an Schweinen evaluiert. Im Zuge der Vorversuche mit einer Laufzeit von 24 Stunden an den ersten 7 Schweinen konnte ein minimalinvasiver Weg zur Stimulation des Nervus Phrenicus identifiziert werden. Zudem wurde der technische und experimentelle Aufbau etabliert und Daten zur Entwicklung des Regelungssystems erhoben. Es wurde bestimmt, welche elektrischen Stimulationseinstellungen geeignet waren, und die Messdaten wurden zur Aufstellung und Validierung mathema-tischer Modelle des Stimulationsprozesses genutzt. Auf diesen Daten aufbauend wurde ein Regelsystem entwickelt, welches die Nervus Phrenicus Stimulation und die künstliche Beatmung automatisiert einstellt. Das System wurde in-silico und in-vivo validiert. In den Hauptversuchen wurden insgesamt 17 Schweine untersucht. In der ersten Gruppe (n=6) wurde der Nervus Phrenicus über einen Zeitraum von 96 Stunden mittel des geregelten Systems stimuliert. Die zweite Gruppe (n=6) diente als Kontrollgruppe, in der die Schweine ebenfalls für 96 Stunden maschinell beatmet wurden. Für 72 Stunden wurden die Tiere kon-trolliert beatmet, in den letzte 24 Stunden wurde zur Entwöhnung vom Beatmungsgerät die Spontanatmung etabliert. In der dritten Gruppe (n=5) wurden die Schweine wie in der Kon-trollgruppe zunächst 72 Stunden lang kontrolliert beatmet, aber in den letzten 24 Stunden wurde eine Entwöhnung mit Stimulation des Nervus Phrenicus etabliert, welche an die Spontanatmungsanstrengungen des Schweines angepasst war. Diese Daten wurden im Hinblick auf die aufgestellte Hypothese ausgewertet. Das technische System kann als Prototyp zur Weiterentwicklung der automatisierten Nervus Phrenic Stimulation auf der Intensivstation genutzt werden. Die Ergebnisse wurden bereits in 4 Fachzeitschriften und 5 Konferenzen publiziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Flexible pattern generation for phrenic nerve stimulation”. 15. Interdisziplinäres Symposium - Automatisierungstechnische Verfahren für die Medizintechnik. Basel, Switzerland, Jun 08 – 09, 2021
A. Lohse, M. Walter, M. M. Deininger, T. G. Seemann, D. Ziles, T. Breuer & S. Leonhardt
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Identification of the Tidal Volume Response to Pulse Amplitudes of Phrenic Nerve Stimulation Using Gaussian Process Regression. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), 135-138. IEEE.
Lohse, Arnhold; von Platen, Philip; Benner, Carl-Friedrich; Leonhardt, Steffen; Walter, Marian; Deininger, Matthias Manfred; Ziles, Dmitrij; Seemann, Teresa & Breuer, Thomas
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Comparison of phrenic nerve stimulated breathing to mandatory ventilation using EIT in a pig model, Proceedings of the 23rd International Conference on Biomedical Applications of Electrical Impedance Tomography, vol. 23, p. 22
D. Ziles et al.
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Development of a bellow-based test lung for spontaneous breathing. 16. Interdisziplinäres Symposium - Automatisierungstechnische Verfahren für die Medizintechnik. Gießen, Germany, Mar 30 – 31, 2023
A. Lohse, H. Bommes, F. Röhren, S. Leonhardt & M. Walter
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Evaluation of electric phrenic nerve stimulation patterns for mechanical ventilation: a pilot study. Scientific Reports, 13(1).
Lohse, Arnhold; von Platen, Philip; Benner, Carl-Friedrich; Deininger, Matthias Manfred; Seemann, Teresa Gertrud; Ziles, Dmitrij; Breuer, Thomas; Leonhardt, Steffen & Walter, Marian
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A physiological model of phrenic nerve excitation by electrical stimulation. Biomedical Physics & Engineering Express, 10(2), 025017.
Lohse, Arnhold; Deininger, Matthias Manfred; Loeser, Johannes; Roehren, Felix; Ziles, Dmitrij; Breuer, Thomas; Leonhardt, Steffen & Walter, Marian
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Breath-by-breath comparison of a novel percutaneous phrenic nerve stimulation approach with mechanical ventilation in juvenile pigs: a pilot study. Scientific Reports, 14(1).
Deininger, Matthias Manfred; Ziles, Dmitrij; Borleis, Annegret; Seemann, Teresa; Erlenkoetter, Fabian; Bleilevens, Christian; Lohse, Arnhold; Benner, Carl-Friedrich; Leonhardt, Steffen; Walter, Marian & Breuer, Thomas
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Robust flow control in a mechatronic test lung with spontaneous breathing. 2024 IEEE international conference on advanced intelligent mechatronics (AIM). Boston, United States of America, Jul 15 – 19, 2024
A. Lohse, F. Hamidov, P. Borcher, P. von Platen, S. Leonhardt & M. Walter
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Control of end-tidal carbon dioxide during phrenic nerve stimulation with mechanical ventilation. Biomedical Signal Processing and Control, 105, 107649.
Lohse, Arnhold; Röhren, Felix; von Platen, Philip; Benner, Carl-Friedrich; Ziles, Dmitrij; Hühn, Marius; Deininger, Matthias Manfred; Breuer, Thomas; Leonhardt, Steffen & Walter, Marian
