16:13 21 September 2020
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    Todesfälle durch lebensrettende Maßnahmen wünscht sich kein Mediziner. Dennoch mehren sich Berichte über Lungenschäden bei künstlicher Beatmung. Forscher der Technischen Universität München könnten dieses Problem lösen und die Sterberate senken – durch digitale Abbilder von Patientenlungen.

    Wenn auch die meisten Covid-19-Erkrankungen symptomfrei oder relativ mild verlaufen, so kommt es in schweren Fällen gelegentlich zu akutem Lungenversagen (Acute Respiratory Distresse Syndrome, ARDS). Die künstliche Beatmung vom Beatmungsgerät bis zur externen Lunge kann in solchen Fällen Leben retten. Aber Beatmungsgeräte können, wie immer deutlicher wird, auch die Lunge schädigen, wenn der Druck, der die Lunge offenhalten soll, zu stark ist und das Gewebe durch Überdehnung schädigt. Gleichzeitig dürfen sich Lungenbereiche auch nicht zu oft öffnen und schließen, wenn der Druck etwa zu schwach ist. Denn auf solche Reize reagiert das Gewebe mit Entzündungen, und so kann aus einer lebensrettenden Maßnahme schnell eine Maßnahme werden, die zum Tod des Patienten führt.

    In der Praxis haben Mediziner nicht viele Parameter, an denen sie sich orientieren können, um die für den jeweiligen Patienten passende Beatmung einzustellen.

    „Die Krux dabei ist, 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“, erklärt Wolfgang Wall, Professor für Numerische Mechanik an der TU München, im Gespräch mit dem Informationsdienst Wissenschaft (idw).

    Denn die Lunge ist nicht, wie aus Schulbüchern bekannt, dieses weinrebenartige Konstrukt im Bereich der Lungenbläschen, an denen Sauerstoff aufgenommen wird. Vielmehr ist sie dort ein schwammartiges Gewebe, über dessen feinste Wände der Austausch zwischen der Luft und dem Blut erfolgt. Die mechanischen Wechselwirkungen, die zwischen Gewebe, der Luft und dem Flüssigkeitsfilm auf dem Gewebe stattfinden, sind an diesen Stellen sehr komplex.

    Genau dieses Verhalten wurde in vielen Jahren Forschungsarbeit in immer genaueren Simulationsmodellen untersucht. Parallel dazu wurden auch Tests an echten Gewebeproben vorgenommen, um die Simulationsmodelle zu prüfen. Heraus kam ein dreidimensionales digitales Lungenmodell. Dieses Modell kann den behandelnden Medizinern die für den Patienten passenden Einstellungen des Beatmungsgeräts mitteilen und anzeigen, welche Belastungen bei welchen Parametern in den unterschiedlichen Regionen der Lunge zu erwarten sind. Dazu braucht es lediglich Daten aus einem Computer-Tomogramm und die Analyse eines Atemzugs des Patienten.

    Aus dem Tomogramm errechnet ein Algorithmus das tatsächliche Lungenvolumen des Patienten und erkennt dabei auch einzelne durch die Erkrankung geschädigte Bereiche in der Lunge. Aus Druck- und Volumenveränderung im Verlauf eines Atemzugs werden die mechanischen Eigenschaften der Patientenlunge abgeleitet – so entsteht ein digitales Abbild der Lunge. Durch die Genauigkeit dieses Modells lässt sich vorhersegen, welche Einstellungen Schäden bewirken würden.

    Um die Forschungsergebnisse schnell in die Praxis zu bringen, hat Prof. Wall mit drei ehemaligen Mitarbeitern das Unternehmen „Ebenbuild“ gegründet. Neben der Analyse schwerer Fälle soll sich das Programm auch zur Früherkennung von Covid-19 eignen.

    „Über 80 Prozent der Todesfälle infolge von Covid-19 sind auf akutes Lungenversagen zurückzuführen. Bei längerfristiger künstlicher Beatmung von Patienten sinkt die Überlebensrate derzeit auf etwa 50 Prozent“, erklärt Wall. „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.“

    vr

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    Tags:
    Technische Universität München, Coronavirus, Lungenkrankheit