Lungensimulator

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 LungensimulatorenBearbeiten

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 der Zeit:

paw(t) = Raw*dV(t)/dt + V(t)/Crs

wobei paw(t) der Atemwegsdruck, Raw der Atemwegswiderstand, dV(t)/dt der Gasfluss in den Atemwegen, Crs die totale respiratorische Compliance und V(t) das in die Lunge eingeströmte Volumen sind. Allerdings fehlen in der obigen Gleichung zwei wichtige Elemente: der konstante Term K und der von der Atemmuskulatur erzeugte Atemwegsdruck Pmusc(t)[2]:

paw(t) = Raw*dV(t)/dt + V(t)/Crs + Pmusc(t) + K

Dabei kommt der Konstanten K 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].

Komplex/physiologische LungensimulatorenBearbeiten

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:

V'A = (Vt-Vd)*AF

wobei V'A die alveoläre Ventilation, Vt das Tidalvolumen, Vd der anatomische oder serielle Totraum und AF die Atemfrequenz sind.

Die Variablen sind hier das Tidalvolumen und die Atemfrequenz.

Zu den Parametern gehören unter anderem:

  • CL: Lungen-Compliance
  • Vd: anatomischer oder serieller Totraum
  • V'CO2 und V'O2: CO2 Produktion und O2 Verbrauch
  • Cw: Chest wall Compliance
  • FiO2: Konzentration des eingeatmeten Sauerstoffs
 
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).

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].

EinzelnachweiseBearbeiten

  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 (nih.gov [abgerufen am 18. November 2020]).
  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 (nih.gov [abgerufen am 18. November 2020]).
  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 (nih.gov [abgerufen am 18. November 2020]).
  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 (nih.gov [abgerufen am 18. November 2020]).
  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 (nih.gov [abgerufen am 18. November 2020]).
  11. Brunner Josef X. Riedel T.: LuSi Physiological Model. neosim academy, Chur, Switzerland 2020, ISBN 978-3-9524884-1-6.