Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3463
Main Title: Modellierung für die künstliche Beatmung: Strömung im Lungenkapillarnetz und Interaktion von Alveolen
Translated Title: Modeling for artificial respiration: flow in the pulmonary capillary network and interaction of alveoli
Author(s): Schirrmann, Kerstin
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Wenn Menschen künstlich beatmet werden müssen, übernimmt ein Atemgerät die Funktion der Atemmuskulatur und pumpt Luft in die Lunge. Die Hauptaufgabe der künstlichen Beatmung ist es, den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zu gewährleisten. Allerdings wird dabei das Gewebe gelegentlich zu stark gedehnt, oder Alveolen, Lungenbläschen, fallen wieder zusammen, nachdem sie aufgepumpt wurden. Beides kann Lungenschäden verstärken oder gar hervorrufen. Die künstliche Beatmung bekommt also eine weitere Aufgabe: Sie muss die zusätzliche Lungenschädigung minimieren. Ziel dieser Arbeit ist es, Vorgänge rund um diese zwei Aufgaben besser zu verstehen. Ein Thema dieser Arbeit ist die Mechanik von mehreren miteinander verbundenen Alveolen. Wie stabil Alveolen sind und wie stark sie gedehnt werden, ist wichtig für die Schädigung der Lunge. Hier wird ein mathematisches Modell verwendet. In den Alveolen wirken mehrere Spannungen auf einzigartige Weise zusammen: Die Membranspannung des Gewebes und die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilms, der die Alveolen auskleidet, stehen mit dem Beatmungsdruck im Gleichgewicht. Dieses Zusammenspiel beschreiben vereinfachte, theoretisch hergeleitete Druck-Volumen-Kurven unabhängiger einzelner Alveolen. Durch Variation von Parametern dieses mathematischen Modells werden neben normalen auch veränderte Alveolen modelliert: Typisch für Lungenschädigungen sind die Vergrößerung der Oberflächenspannung und die Versteifung des Gewebes. Mit den Druck-Volumen-Kurven einzelner Alveolen wird dann die Interaktion mehrerer Alveolen simuliert, die über Luftwege verbunden sind; Dehnung und Stabilität werden analysiert. Damit wird die Wirkung von Beatmungsmanövern auf bereits geschädigte Lungen beurteilt. Der Erfolg von Beatmungsmanövern hängt entscheidend von der Art der Schädigung ab: Bei Störungen der Oberflächenspannung können Beatmungsmanöver die Stoffaustauschfläche vergrößern. Bei Gewebeversteifung ist der Effekt gering und es besteht die Gefahr der Überdehnung. Das zweite Thema ist die Strömung der roten Blutkörperchen im Lungenkapillarnetz. Sie ist wichtig für den Stoffaustausch, aber im Detail noch nicht gut verstanden. Es werden experimentelle Modelle für Kapillarblut und für Kapillarnetze entwickelt. Das Besondere an der Strömung im Kapillarnetz ist, dass die roten Blutkörperchen genauso groß sind wie die Kapillaren. Daraus ergeben sich spezielle strömungsmechanische Eigenschaften. Diese stellt ein Blutmodell aus Wassertropfen in Öl nach. Mit dem Blutmodell wird die ungestörte Strömung in einem vergrößerten Kapillarnetzmodell untersucht und der Einfluss von Störungen: Blockaden von Verzweigungen oder Ausgängen sowie statische und dynamische Dehnung von Teilen des Kapillarnetzmodells. Bereits in der ungestörten Strömung variieren Geschwindigkeit, Tropfenstrom und Tropfenanzahl mit der Zeit und sind im Kapillarnetzmodell ungleich verteilt. Die untersuchten Störungen ändern die Aufenthaltszeiten der Tropfen jedoch nur wenig: Die Strömung ist hierin robust. Überträgt man dies auf Blut in Kapillarnetzen, hieße das erstens, Blockaden und Teildehnungen beeinflussen den Aufenthalt der roten Blutkörperchen im Kapillarnetz und somit den Stoffaustausch nicht wesentlich. Zweitens kann die unregelmäßige Strömung in natürlichen Kapillarnetzen mit den strömungsmechanischen Eigenschaften von Kapillarblut erklärt werden. Darüber hinaus werden erstmals Experimente mit Blut in einem Mikromodell eines Lungenkapillarnetzen präsentiert: Sie bestätigen die Ergebnisse der Versuche mit dem Blutmodell. Die vorgestellten Modelle ermöglichen ein besseres Verständnis der Alveolenstabilität und der Kapillarblutströmung. Das Modell der verbundenen Alveolen bietet einen Ansatz für eine verbesserte künstliche Beatmung, indem Einflüsse gezeigt werden, die sich auf den Erfolg oder die zusätzliche Lungenschädigung bestimmter Beatmungsmanöver auswirken.
For patients on artificial respiration a ventilator compensates the misfuction of the respiratory muscels and pumps air into the lung. The major task of artificial respiration is to provide sufficient transfer of oxygen and carbon dioxide. However, the tissue is stretched too much sometimes, or alveoli open and kollapse repeatedly. Both is known to worsen or even induce lung injury. So, artifitial respiration has another task: Minimize ventilator induced lung injury. This thesis intends to understand processes connected with these two tasks. One topic regards the mechanics of several connected alveoli. Their stability and strain is important for lung injury. Here, a mathematical model is used. Several stresses interact in a unique way in alveoli: The membrane stress in the tissue and the surface tension of the fluid lining of the alveoli are balanced by the pressure of the air. This interaction is described with pressure volume curves of single independend alveoli, that are theoretically derived. Next to normal alveoli modyfied alveoli are studied by changing the parameters of the mathematical model: Two typical alterations in lung injury are a higher surface tension and a stiffening of the tissue. Pressure volume curves of single alveoli are used to simulate the interaction of several alveoli, that are connected via airways; strain and stability are analysed. Now, the effect of ventilation maneuvers on injured lungs is estimated. Their success is critically dependend on the type of lung injury: If the surface tension is affected, ventilation maneuvers can enlarge the surface area for mass transfer. If the tissue stiffnes is affected, the effect on surface area is small and danger of overdistention has to be taken into account. The other topic regards the flow of red blood cells in the pulmonary capillay network. This flow is important for the mass transfer, but unfortunately its details are not known very well. Here, experimental models are used for capillary blood and for pulmonary capillary networks. A special issue in capillary blood flow is the identical size of capillaries and red blood cells. This induces special fluid dynamic characteristics. These characteristics are modeled with a blood model consisting of water droplets and oil. The blood model is used to study the undisturbed flow in an enlarged model of the capillary network and the influence of disturbances: blockage of bifurcations or oulets as well as static and dynamic partial stretching of the model. Velocity, droplet flow and droplet number vary and are inhomogeneous distributed, even at undisturbed conditions. The disturbances which where studied hardly alter the transit time of the droplets: The flow is robust. Transferring these results to blood in real capillary networks leads to the following conclusions: First, blockage and partial stretching do not essentially influence the transit time, and thus neither the mass transfer. Second, the irregularities in the flow of blood in capillary networks can be explained with the fluid dynamics of capillary blood. In addition, experiments are presented with blood flowing in a pulmonary capillary network on micrometer scale: These experiments confirm the results of the experiments with the blood model. The presented models allow for a better understandig of the blood flow and of alveolar stability. The first model provides hints, how artificial respiration might be improved: It shows influences that affect the success or additional lung injury of ventilation maneuvers.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-38025
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3760
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3463
Exam Date: 30-Aug-2012
Issue Date: 20-Dec-2012
Date Available: 20-Dec-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Alveolenmodell
Beatmungsmanöver
Kapillare
Stabilität
Wassertropfen-Öl-Blutmodell
Alveolar model
Stability
Ventilation maneuver
Waterdroplets-oil-blood-model
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/
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