Lungensimulator

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Lungensimulatoren sind Geräte oder Software, die für die Ausbildung sowie für Testzwecke z. B. von Beatmungssystemen eingesetzt werden.

Dabei unterscheidet man zwischen mechanisch/pneumatischen Lungensimulatoren und komplex/physiologischen Lungensimulatoren.

Mechanisch/pneumatische Lungensimulatoren

Ein Lungensimulator besteht zumindest aus einem Widerstandselement, z. B. einem Schlauch und einem elastischen Element, z. B. einem Ballon. Mathematisch wird das durch die sogenannte „Bewegungsgleichung“ oder „equation of motion“ dargestellt[1] und zwar als Funktion in Abhängigkeit der Zeit:

wobei

der Atemwegsdruck,
der Atemwegswiderstand,
der Gasfluss in den Atemwegen,
die totale respiratorische Compliance und
das in die Lunge eingeströmte Volumen sind.

Allerdings fehlen in der obigen Gleichung zwei wichtige Elemente: der konstante Term und der von der Atemmuskulatur erzeugte Atemwegsdruck [2]. Die vollständige Gleichung sieht daher so aus:

Dabei kommt der Konstanten in der klinischen Praxis eine große Bedeutung zu, entspricht sie doch dem sogenannten intrinsic PEEP, der sowohl therapeutisch wie auch traumatisch wirken kann[3].

In der klinischen Praxis kommen einfache Testlungen zur Anwendung[4] aber auch komplexere Ausführungen[5]. Oft werden Lungensimulatoren für atemphysiologische Grundlagenstudien verwendet und spezifisch auf diese Bedürfnisse angepasst[6].

Autonomer Baby Lungensimulator. Der eigentliche Lungensimulator sitzt im Silikon-Körper, der detailliert ausgestaltet ist, um ein maximales Simulationserlebnis zu ermöglichen. Der Körper selber ist für die Lungensimulation nicht wichtig, sondern die eingebaute Apparatur. Zum System gehört auch ein Vitalparameter-Monitor, der das Resultat der respiratorischen Behandlung widerspiegelt (nicht abgebildet).

Komplex/physiologische Lungensimulatoren

Werden die mechanisch/pneumatischen Elemente durch Gasaustausch, nicht-lineare Compliance, kollabierbar und rekrutierbare Volumina, Toträume, Shunt, Herz-Lungen Interaktion etc. erweitert[7], dann spricht man von komplex/physiologischen Lungensimulatoren. Die Ventilation der Lungen steuert hier die physiologische Reaktion des Systems, je nachdem wie die einzelnen Parameter eingestellt werden. Die folgende Gleichung ist für den Gasaustausch von Bedeutung:

wobei

die alveoläre Ventilation als Änderung des Lungenvolumens in Abhängigkeit von der Zeit,
das Tidalvolumen,
der anatomische oder serielle Totraum und
die Atemfrequenz sind.

Die Variablen sind hier das Tidalvolumen und die Atemfrequenz.

Zu den Parametern gehören unter anderem:

  • : Lungen-Compliance
  • : anatomischer oder serieller Totraum
  • und : CO2 Produktion und O2 Verbrauch
  • : Chest wall Compliance
  • : Konzentration des eingeatmeten Sauerstoffs O2

In Kombination mit der obigen „Equation of Motion“, kann mit der Gasaustauschgleichung der Partialdruck von CO2 und O2 im arteriellen Blut berechnet werden. Simuliert man dazu noch den ineffektiven Gasaustausch in kollabiertem Lungengewebe, so kann die pathologische Beimischung von venösem Blut ebenfalls berechnet werden. In Summe erhält man so einen Lungensimulator welcher automatisch reagiert[8][9]. Fügt man eine Regelung der Atmung hinzu[10] so erhält man ein autonomes System, ein autonomer Lungensimulator. Wichtig für diese Art von Simulatoren ist, dass die verwendeten Modelle transparent gemacht werden[11].

Einzelnachweise

  1. Rohrer F.: Physiologie der Atembewegung. In: Julius Springer (Hrsg.): Handbuch der normalen und pathologischen Physiologie. Band 2. Springer, Berlin 1925.
  2. G. A. Iotti, A. Braschi, J. X. Brunner, T. Smits, M. Olivei: Respiratory mechanics by least squares fitting in mechanically ventilated patients: applications during paralysis and during pressure support ventilation. In: Intensive Care Medicine. Band 21, Nr. 5, Mai 1995, ISSN 0342-4642, S. 406–413, doi:10.1007/BF01707409, PMID 7665750.
  3. Laurent Brochard: Intrinsic (or auto-) PEEP during controlled mechanical ventilation. In: Intensive Care Medicine. Band 28, Nr. 10, Oktober 2002, ISSN 0342-4642, S. 1376–1378, doi:10.1007/s00134-002-1438-8, PMID 12373460.
  4. Draeger.Web WWW - Draeger Master. Abgerufen am 18. November 2020.
  5. Test Lung Simulators & Breathing Simulation Lung | Michigan Instruments. Abgerufen am 18. November 2020 (deutsch).
  6. J. A. Katz, R. W. Kraemer, G. E. Gjerde: Inspiratory work and airway pressure with continuous positive airway pressure delivery systems. In: Chest. Band 88, Nr. 4, Oktober 1985, ISSN 0012-3692, S. 519–526, doi:10.1378/chest.88.4.519, PMID 3899530.
  7. T. Winkler, A. Krause, S. Kaiser: Simulation of mechanical respiration using a multicompartment model for ventilation mechanics and gas exchange. In: International Journal of Clinical Monitoring and Computing. Band 12, Nr. 4, 1995, ISSN 0167-9945, S. 231–239, doi:10.1007/BF01207204, PMID 8820330.
  8. Organis - Home. Abgerufen am 18. November 2020.
  9. Lung simulators for medical training and research. Abgerufen am 18. November 2020 (Schweizer Hochdeutsch).
  10. H. Folgering: Studying the control of breathing in man. In: The European Respiratory Journal. Band 1, Nr. 7, Juli 1988, ISSN 0903-1936, S. 651–660, PMID 3141212.
  11. Brunner Josef X. Riedel T.: LuSi Physiological Model. neosim academy, Chur, Switzerland 2020, ISBN 978-3-9524884-1-6.

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