Simulation

Computermodell ermöglicht schonende Beatmung

23. April 2020, 09:20 Uhr   |  TU München

Computermodell ermöglicht schonende Beatmung
© Jakob Richter/Ebenbuild/TUM

Das digitale Lungenmodell bildet die Vorgänge in der Lunge bis in die mikroskopische Ebene ab.

Digitales Modell der Lunge könnte Zahl der Todesfälle bei Covid-19 und ARDS reduzieren

Für Patienteninnen und Patienten mit akutem Lungenversagen (Acute Respiratory Distress Syndrome, ARDS) ist die künstliche Beatmung die Rettung. Doch die Situation ist paradox: Während die Mediziner versuchen, mit Druck die Lunge offen zu halten und den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid weiter zu ermöglichen, kann der Druck Teile der Lunge auch so stark schädigen, dass dies tödliche Folgen hat.

Den behandelnden Medizinern stehen nur wenige Parameter zur Verfügung, um die optimale Beatmung einzustellen. Doch die Lunge ist ein komplexes Organ. Der Druck, der benötigt wird, um alle Bereiche offen zu halten, kann in manchen Bereichen schon zu Überdehnungen führen. Gleichzeitig muss ein wiederholtes Öffnen und Schließen einzelner Lungenbereiche vermieden werden. Denn das Gewebe reagiert auf den mechanischen Reiz in beiden Fällen mit einer Entzündung.

Unsichtbares sichtbar machen

»Die Krux dabei ist«, sagt Wolfgang Wall, Professor für Numerische Mechanik an der Technischen Universität München (TU München), »dass die Behandelnden bisher keine Möglichkeit hatten, eine Überdehnung zu erkennen.« Von der Luftröhre bis in die feinsten Verästelungen besitzt die Lunge mehr als 20 Stufen der Verzweigung, und es gibt keine Messmethode um festzustellen, was auf der Mikroebene der Lunge während der Beatmung passiert.

Die Lunge ist im Bereich der Lungenbläschen, die in vielen Fachbüchern noch immer fälschlicherweise wie Weinreben dargestellt werden, in Wahrheit ein schwammartiges Gewebe über dessen feinste Wände der Austausch zwischen der Luft und dem Blut erfolgt. Die mechanischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Gewebearten, der strömenden Luft und dem Flüssigkeitsfilm auf dem Gewebe sind extrem komplex.

Modell erkennt Zusatnd einzelner Lungenbereiche

Viele Jahre Forschung mit immer weiter verfeinerten Simulationsmodellen für das Verhalten von Gewebe und Luftstrom sowie mit mikromechanischen Versuchen an realen Gewebeproben haben nun zu einem digitalen Lungenmodell geführt. Ausgehend von den Daten eines Computer-Tomogramms des Brustkorbs und der Analyse eines Atemzuges zeigt es dem Behandelnden, welche Einstellungen des Beatmungsgeräts zu welchen Belastungen auf der Mikroebene der Lunge führen. Entsprechend kann dieser die Einstellungen anpassen.

Klinischer Standard ist es, die Einstellungen für die Beatmung anhand einer vom Körpergewicht ausgehenden Faustformel zu berechnen. Aus den Daten eines Computer-Tomogramms errechnet das Computermodell der Arbeitsgruppe von Wall das tatsächliche Lungenvolumen. Es erkennt dabei sogar den Zustand einzelner Lungenbereiche, die durch die Erkrankung bereits geschädigt sind.

Aus der Druck- und Volumenänderung während eines Atemzuges errechnet der Computer dann Werte für die mechanischen Eigenschaften der Lunge des Patienten. Damit erzeugt das Modell einen digitalen Zwilling der Patientenlunge. Er ist so präzise, dass das Programm voraussagen kann, welche Einstellungen zu Schäden führen würden.

Künstliche Intelligenz hilft bei der Interpretation

Parallel zur weiteren Forschung zusammen mit klinischen Partnern gründete Wall zusammen mit drei ehemaligen Mitarbeitern das Unternehmen »Ebenbuild«, um die Forschungsergebnisse schnellstmöglich in die klinische Praxis zu bringen. Ein wesentlicher Schritt dabei war die automatische Modellerstellung mittels Künstlicher Intelligenz (KI).

Auf dieser Basis wurde inzwischen auch ein Werkzeug zur Charakterisierung der Lunge entwickelt, das auch zur frühen Erkennung von Covid-19 eingesetzt werden kann. »Über 80 Prozent der Todesfälle infolge von Covid-19 sind auf akutes Lungenversagen zurück zu führen. Bei längerfristiger künstlicher Beatmung von Patienten sinkt die Überlebensrate derzeit auf etwa 50 Prozent«, sagt Wall. Ziel sei es, dass in Zukunft an jedem Beatmungsplatz ein digitales Lungenmodell bei der optimalen Einstellung der Beatmung hilft und wir so die Überlebenschance deutlich erhöhen können. (me)

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