Verteilungen der spezifischen tidalen Ventilation der Lunge aus N₂-Auswaschzeitkonstanten, Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie und Computertomographie beim akuten Lungenversagen

Abstract

In dieser Dissertation wird als interdisziplinäre Arbeit ein Verfahren zur Bestimmung der Zeitkonstanten der Sprungantwort beim Inertgasauswasch aus der Lunge weiterentwickelt. Die Bestimmung der Zeitkonstanten der Sprungantwort erfolgt über die Berechnung der Transportfunktion der Lunge und Atemwege. Die Transportfunktion wird durch Entfaltung mit Hilfe der Approximation einer Modellfunktion mit einem Regularisierungsverfahren berechnet. Dazu wird eine Methode zur Regularisierung, die bei Anwendung auf Relaxationspektren in der Kernphysik verwendet wurde, weiterentwickelt. Das neue Berechnungsverfahren ist in der Lage, durch Verwendung einer geeigneten Gewichtsfunktion mit variablen Eingangdaten umzugehen. Damit können ein variables Atemhubvolumen und nichtideale inspiratorische Konzentrationsverläufe nach Beginn des Inertgasauswasches, wie sie beim Einsatz von Beatmungsgeräten in der Praxis auftreten, verwendet werden.<br /> Das Berechnungsverfahren wurde mit Simulationen getestet und bei Messungen am Lungenmodell mit fünf verschiedenen Beatmungsverfahren mit Spontanatmung wurde gezeigt, dass das Verteilungsvolumen unabhängig vom verwendeten Beatmungsverfahren gut mit dem realen Volumen des Modells übereinstimmt. Das Verteilungsvolumen wird dabei aus der mittleren Residenzzeit eines Stickstoffmoleküls aus der Transportfunktion berechnet. Diese Übereinstimmung wurde bei Messungen an 22 Schweinen mit einem tierexperimentellen Modell eines akuten Lungenversagens und bei 22 Patienten mit akutem Lungenversagen bestätigt. Unabhängig vom verwendeten Beatmungsverfahren wurde eine gute Wiederholbarkeit der Messungen des Verteilungsvolumens und der ersten beiden zentralen Momente der Verteilung der Zeitkonstanten der Sprungantwort beim Verfahren des Inertgasauswaschs gezeigt. Bei Messungen bei einer Untergruppe der Patienten konnte nur exemplarisch ein Zusammenhang zwischen Verteilungen der Zeitkonstanten und kardiorespiratorischen Parametern hergestellt werden, da sich die untersuchten Beatmungsverfahren für diese nicht signifikant unterschieden.<br /> Im genannten Tierexperiment wurden bei Messungen mit Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) und Computertomographie (CT) Häufigkeitsverteilungen für lokale Volumenelemente mit einem Verhältnis von tidaler Ventilation (Atemzugvolumen) und Volumen erstellt. Es wurde gezeigt, dass diese Häufigkeitsverteilungen der Ventilation aus den physikalisch vorhandenen Volumenelementen mit den Verteilungen der spezifischen tidalen Ventilation aus den Messungen des Inertgasauswaschs im Rahmen der gegebenen räumlichen Auflösung der beiden bildgebenden Verfahren gut übereinstimmten. Die Verteilungen der Zeitkonstanten waren sensitiv für die Verschlechterung der Lungenfunktion nach Induktion eines Lungenschadens. Beim Vergleich von zwei Beatmungsverfahren mit und ohne Spontanatmung konnte gezeigt werden, dass sich die Verteilungen der Auswaschzeitkonstanten zwischen den Beatmungsverfahren unterschieden, und dass die Ventilation für zwei Moden der Verteilung bei Spontanatmung in verschiedene Bereiche der Lunge geht.<br /> Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass das vorgestellte Verfahren des Inertgasauswaschs, aus Methoden aus anderen Bereichen der Physik weiterentwickelt, bettseitig bei Beatmung mit einem normalen Beatmungskreislauf als Monitoringverfahren beim akuten Lungenversagen geeignet ist.