Überdehnung der Lunge vermeiden: Münchner Forscher wollen Künstliche Beatmung verbessern
Bei der künstlichen Beatmung muss Druck auf die Lunge ausgeübt werden. Das kann zu irreversiblen Schäden am Lungengewebe führen
Wenn COVID-19 zu einer Lungenentzünung mit akutem Lungenversagen führt, müssen die Patienten künstlich von Maschinen beatmet werden. Da die Beatmung invasiv erfolgt, werden die Patienten dabei in einem Künstlichen Koma gehalten.
Doch die lebensrettende Maßnahme hat Nebenwirkungen: Die Lunge muss mit großem Druck offengehalten werden, damit der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid weiter möglich ist. Ärzte berichten, dass COVID-19 Patienten oft mit besonders hohen Drücken und teils mehrere Wochen beatmet werden müssen. Ist der Druck zu groß, kann die Lunge überdehnt werden und es entstehen irreversible Schäden, teils mit tödlichen Folgen.
Gefahr Überdehnung der Lunge
Um eine Überdehnung der Lunge zu vermeiden, darf bei der Beatmung nur so viel Druck wie nötig erzeugt werden. Das Schwierige dabei ist, dass Ärzte bisher keine Möglichkeit haben, eine Überdehnung der Lunge 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“, schildert Wolfgang Wall, Professor für Numerische Mechanik an der TU München, das Problem.
Künstliche Intelligenz hilft bei der Feinjustierung
Wall und Kollegen forschen schon seit Jahren an Simulationsmodellen für das Verhalten von Gewebe und Luftstrom. Diese Forschung hat jetzt zu einem digitalen Lungenmodell geführt, das Ärzten die Feinjustierung der Künstlichen Beatmung vereinfachen soll. Die Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert; die Ergebnisse sind jetzt im Journal of Applied Physiology erschienen.
„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 er die Einstellungen anpassen“, erläutert Wall die Möglichkeiten des neuen Modells.
Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz errechnet das Computermodell das Lungenvolumen des Patienten und 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. „Dieser Zwilling ist so präzise, dass das Programm voraussagen kann, welche Einstellungen zu Schäden führen würden“, sagt Wall.
Nur jeder zweite COVID-19 Patient überlebt die Intensivstation
„Ziel unserer Arbeiten ist 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“, betont Wall. Dies soll über die TU-Ausgründung „Ebenbuild“ erfolgen. Die München Forscher haben außerdem eine ein Werkzeug zur Charakterisierung der Lunge entwickelt, das auch zur frühen Erkennung von Covid-19 eingesetzt werden kann.
Derzeit ist es so, dass nur jeder zweite COVID-19 Patient die Künstliche Beatmung auf der Intensivstation überlebt. Auch wenn inzwischen andere Todesursachen bekannt sind – über 80 Prozent der Todesfälle infolge von Covid-19 sind auf akutes Lungenversagen zurückzuführen.
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