Kommt es zu einer akuten respiratorischen Insuffizienz, stellt die Beatmung einen wichtigen Eckpfeiler der Therapie dar. Da eine invasive Beatmung über einen endotrachealen Tubus mit Risiken verbunden ist, sollte wann immer möglich, eine nicht-invasive Beatmung eingesetzt werden. Neben den absoluten Kontraindikationen limitieren Undichtigkeit, Ulzerationen im Gesichtsbereich und ein schlechter Tragekomfort die Praktikabilität der Gesichtsmasken. Ziel dieser Arbeit war die Evaluation eines neuartigen Beatmungshelms in einem Lungenmodell und einer Probandenstudie im Hinblick auf Beatmungsparameter (Beatmungsdruck, AZV, AMV, PEEP) Resistance, Compliance, Delay-Zeiten, CO2, SpO2, Triggerzeit und Komfort. Es zeigte sich, dass eine Steigerung des PEEP auf 8 mbar zu einer signifikanten Reduktion der DelayTrigger und DelayPeep-Zeiten führte. Höhere PEEP-Werte gingen hingegen mit einer zunehmenden Leckage und Gefahr einer Desynchronität zwischen Proband und Ventilator einher. Eine zusätzliche Druckunterstützung konnte das AMVLunge signifikant steigern, was zu einem Abfall der CO2-Konzentration sowohl in der transkutanen Messung als auch im Helm führte. Problematisch zeigte sich aufgrund der Compliance des Helms, dass ein hoher Anteil des AMV zum Druckaufbau im Helm verloren geht. Dieser Effekt war abhängig von PEEP, ASB sowie Compliance und Resistance der Lunge. Der Beatmungshelm ist als eine gute Alternative zu betrachten, wenn eine Aufrecherhaltung eines PEEPs im Vordergrund steht, wie etwa bei einer Oxygenierungstörung bei Parenchymversagen.

Klinischer Hintergund: Patienten mit akutem Lungenversagen (Acute respiratory distress syndome, ARDS) bedürfen intensivmedizinischer Behandlung. Die maschinelle Beatmung spielt dabei eine zentrale Rolle. Um einer zusätzlichen ventilatorassoziierten Lungenschädigung (ventiator induced lung injury, VILI) vorzubeugen, wird vom ARDS network die Beatmung mit niedrigem Atemzugvolumen empfohlen. Das Zulassen von Spontanatmung und Variabilität in der Druckunterstützung sind weitere Beatmungsstrategien, welchen in verschiedenen Studien positive Effekte im Bezug auf pulmonale Entzündungsreaktion, Schädigung des Lungengewebes und Gasaustausch zugeschrieben werden. Eine weit verbreitete Form der assistierten Spontanatmung ist die druckunterstützte Beatmung (Pressure Support Ventilation, PSV), bei der jede inspiratorische Atembemühung mit stets demselben Druck unterstützt wird. Es resultiert eine relative geringe Atemvariabilität. Eine weitere häufig angewandte Form der assistierten Spontanatmung ist die proportionale Druckunterstützung (Proportional Assist Ventilation, PAV). Hier verhält sich das Maß der Druckunterstützung proportional zu den inspiratorischen Bemühungen des Patienten. Entsprechend führt PAV, abhängig von der intrinsischen Variabilität des Patienten, zu einer höheren Variabilität an Atemzugvolumen und Atemfrequenz. Eine neuere Form der assistierten Spontanatmung ist die variable druckunterstützte Beatmung (noisy PSV), welche ebenfalls die Variabilität von Atemzugvolumen und Atemfrequenz erhöht. Im Unterschied zu PAV ist die Variabilität der Druckunterstützung extrinsisch und wird durch das Beatmungsgerät vorgegeben. Fragestellung /Hypothesen: Die vorliegende Studie untersucht die Therapieeffekte von noisy PSV, PAV und PSV auf pulmonale Entzündungsreaktion, Schädigung des Lungengewebes sowie Ventilationsverteilung im ARDS-Modell Surfactant depletierter Schweinelungen. Folgende Hypothesen wurden dazu formuliert: 1. Unter Noisy PSV zeigt sich eine Umverteilung der regionalen Ventilation von ventral nach dorsal. 2. Unter Anwendung von noisy PSV kommt es zu einer geringeren Schädigung des Lungengewebes im Vergleich zu PAV und PSV. 3. Noisy PSV kann die Entzündungsreaktion gegenüber PAV und PSV senken. Material und Methoden: 24 Jungschweine mit einem mittleren Körpergewicht von 31,3 kg (26,8 – 34,4 kg) wurden anästhesiert, intubiert und mechanisch beatmet. Die Lungenschädigung wurde mittels wiederholter Kochsalzlavagen herbeigeführt bis ein stabiles Verhältnis von arteriellem Sauerstoffpartialdruck zur inspiratorischen Sauerstofffraktion von unter 200 mmHg erreicht war. Dies entspricht der Definition eines moderaten ARDS. Nach Spontanisierung der Atmung folgte die Randomisierung der Versuchstiere zu einer der drei assistierten Beatmungsmodi noisy PSV, PAV oder PSV. Die Beatmung erfolgte jeweils mit einem mittleren Atemzugvolumen von 6 ml /kg KG über einen Zeitraum von sechs Stunden. Es wurden impedanztomographische Messungen zur regionalen Ventilationsverteilung durchgeführt. Untersuchungen zur pulmonalen Entzündungsreaktion und histologischen Schädigung des Lungengewebes wurden post mortem vorgenommen Zusätzlich erfolgten Messungen zu Hämodynamik, Atemmechanik und Gasaustausch. Außerdem wurden Atemmuster und die Variabilität der Atmung analysiert. Die Ergebnisse dieser Messungen sind jedoch nicht Gegenstand dieser Dissertation und werden an anderer Stelle diskutiert. Ergebnisse: PAV, nicht jedoch noisy PSV, führte zu einer Umverteilung der regionalen Ventilation von zentral nach dorsal im Vergleich zu PSV. Für den kumulierten DAD Score ließen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen nachweisen. In schwerkraftunabhängigen Lungenabschnitten zeigten sich weniger interstitielles Ödem für PAV und noisy PSV im Vergleich zu PSV sowie weniger Hämorrhagie für PAV und PSV im Vergleich zu noisy PSV. Auch ergab sich ein geringeres Maß an Überdehnung für PAV im Vergleich zu PSV. In schwerkraftabhängigen Lungenabschnitten kam es unter noisy PSV zu einer Reduktion von interstitiellem Ödem im Vergleich zu PSV. Insgesamt, für schwerkraftabhängige und schwerkraftunabhängige Regionen zusammen betrachtet, zeigten sich weniger Hämorrhagie für PAV im Vergleich zu noisy PSV sowie weniger interstitielles Ödem für PAV und noisy PSV im Vergleich zu PSV. Unabhängig von der Therapieform war weniger Hämorrhagie in schwerkraftunabhängigen im Vergleich zu schwerkraftabhängigen Lungenabschnitten zu beobachten. Für den Gehalt an mRNA für IL-1, IL-6, IL-8, TNF-α, TGF-ß, Amphiregulin und Tenascin-c im Gewebe sowie für die Konzentration TNF-α und IL-8 im Lungengewebe, TNF-α im Blutplasma sowie IL-8 in den Proben der BAL ließen sich ebenso keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen nachweisen wie für die Proteinkonzentration in der BAL-Flüssigkeit und die Wet-/Dry-Ratio des Lungengewebes. Schlussfolgerungen: In diesem Modell des akuten Lungenversagens am Schwein resultierte eine 6-stündige Beatmungstherapie mit variabler Druckunterstützung, proportionaler Druckunterstützung oder konstanter Druckunterstützung in einer vergleichbaren Schädigung des Lungengewebes ohne wesentliche Unterschiede in der Entzündungsreaktion.

Eine Lungenkontusion entsteht abseits militärischer Auseinandersetzungen überwiegend infolge eines stumpfen Thoraxtraumas, wie z. B. durch einen Verkehrsunfall oder Sturz aus großer Höhe. Durch Schädigung der Alveolarepithel- und Kapillarendothelzellen wird die alveolokapilläre Membran zerstört und die Surfactantsynthese und Ödem-Elimination gestört. Ein sich rasch entwickelndes Lungenödem, Parenchymblutungen und der Alveolarkollaps beeinträchtigen den Gasaustausch und reduzieren die Compliance der Lunge. Im geschädigten Lungengewebe werden pro- und anti-inflammatorische Prozesse angestoßen, welche sich über die beeinträchtigte Barriere der alveolokapillären Membran systemisch ausbreiten können. Eine invasive maschinelle Beatmung ist bei bis zu 75 % der Patienten mit stumpfem Thoraxtrauma vorrübergehend notwendig. Eine Lungenkontusion ist ein unabhängiger Risikofaktor für die Entwicklung eines Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) und einer Pneumonie. Die zusätzliche Schädigung durch einen beatmungsinduzierten Lungenschaden (VILI) sollte während der Behandlung unbedingt vermieden werden. Die Auswirkungen verschiedener lungenprotektiver Beatmungskonzepte bei Patienten mit Lungenkontusion wurden bisher wissenschaftlich nicht hinreichend untersucht. Die Erkenntnisse über Beatmungseinstellungen, welche mit einer geringen Schädigung des Lungengewebes oder Reduktion der Mortalität assoziiert sind, stammen hauptsächlich aus Studien, die ein heterogenes ARDS-Patientenkollektiv betrachteten. Zu diesen Einstellungen zählen z. B. ein niedriges Tidalvolumen, ein niedriger Beatmungsdruck, die Anwendung eines positiven endexspiratorischen Druckes (PEEP) und ein niedriger Driving Pressure (ΔP). Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass die Pathophysiologie des Lungenschadens bei ARDS-Subtypen differiert. So zeigen sich bei den häufigsten Ursachen des ARDS, der Sepsis und der Pneumonie, andere Muster als bei posttraumatischem ARDS. Auch klinische Beobachtungen deuten darauf hin, dass die üblicherweise angewendeten lungenprotektiven Beatmungseinstellungen, besonders in der frühen Phase nach einem Trauma, die Gasaustauschstörung und Lungenbelüftung nicht optimal verbessern und z. B. bei einer begleitenden metabolischen Azidose oder einem Schädel-Hirn-Trauma aufgrund einer permissiven Hyperkapnie nicht vorteilhaft sind. In der vorliegenden Versuchsreihe wurden die Auswirkungen einer 24-stündigen maschinellen Beatmung mit einem von drei Beatmungskonzepten an 24 Schweinen mit experimentellem Thoraxtrauma verglichen. Das Tierversuchsvorhaben wurde durch die Tierschutzbehörde der Landesdirektion Leipzig nach §8 des Tierschutzgesetztes (Registriernummer TVV 38/11 und 38/11.1) genehmigt und unter Einhaltung der ARRIVE (Animals in Research: Reporting in Vivo Experiments)-Richtlinien für Tierversuche in der Klinik für Pferde der veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig durchgeführt. Ein rechtsseitiges Thoraxtrauma wurde standardisiert durch ein fallendes Gewicht induziert. Diese Methode wurde durch die Arbeitsgruppe in vorangegangen Studien entwickelt und standardisiert. Anschließend wurden die Tiere dem ARDS-Netzwerkschema mit niedrigem PEEP (ARDSnet-low), mit hohem PEEP (ARDSnet-high) oder dem Open Lung Concept (OLC) randomisiert zugeteilt und über 24 Stunden entsprechend beatmet. Bei den Schemata des ARDS-Netzwerkes handelt es sich um volumenkontrollierte Beatmungskonzepte. Es wurde ein niedriges Tidalvolumen von 6 Milliliter pro Kilogramm Körpergewicht appliziert. Je nach Oxygenierung wurden der PEEP und die inspiratorische Sauerstofffraktion (FiO2) entsprechend einer Tabelle angepasst. Begonnen wurde mit einem niedrigen PEEP von 5 oder einem höheren PEEP von 12 cmH2O und jeweils einer FiO2 von 0,3. Das OLC ist ein druckkontrolliertes Beatmungskonzept. Zu Beginn wurde die Lunge mit einem Rekrutierungsmanöver eröffnet. Anschließend wurden ein extrinsischer PEEP von 10 cmH2O, ein inspiratorischer Spitzendruck von 20 cmH2O und eine Atemfrequenz (RR) von 80 pro Minute appliziert. Durch ein Inspirations- zu Exspirations-Verhältnis von 2:1 ergab sich ein intrinsischer PEEP, welcher sich zum extrinsischen PEEP addierte. Während der Phase der gruppenspezifischen Beatmung wurden zu neun definierten Zeitpunkten u.a. arterielle und gemischt-venöse Blutgasanalysen und eine endexspiratorische Computertomographie (CT) des Thorax durchgeführt sowie hämodynamische und atemmechanischen Parameter erhoben. Für die Diagnose eines ARDS wurde die Berlin Definition verwendet. Nach der 24-stündigen Beatmung wurden die Tiere euthanasiert und u.a. Lungengewebeproben für histologische Untersuchungen entnommen. Das histopathologische Korrelat einer Lungenkontusion, eines ARDS und eines VILI ist ein diffuser Alveolarschaden (DAD). Vielfältige Schädigungsmechanismen können diese unspezifische Reaktion des Lungengewebes durch die Schädigung von Alveolarepithel- und Kapillarendothelzellen hervorrufen. Auf exsudative und proliferative Prozesse kann eine Fibrose folgen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden einige Merkmale der exsudativen Phase in Hämatoxylin-Eosin gefärbten Lungengewebeproben lichtmikroskopisch untersucht. Hierzu wurden Schweregrad und Ausbreitung von Ödem, Infiltration von Entzündungszellen und Hämorrhagie bewertet und in einem modifizierten semiquantitativen DAD-Score zusammengefasst. Das Auftreten von hyalinen Membranen wurde qualitativ bewertet. Die histologischen Merkmale wurden durch zwei, für Beatmungsstrategie und Lungenregion verblindete Beobachter erhoben und die Ergebnisse gemittelt. Mit nicht-parametrischen Tests (Mann-Whitney-Test) wurden einzelne Parameter nach 24-stündiger gruppespezifischen Beatmung. Die Ergebnisse werden im Folgenden als Median [25. – 75. Perzentile] angegeben. Als signifikant wurden p-Werte < 0,05 erachtet. Nach 24-stündiger maschineller Beatmung ergab sich für die ARDSnet-low-Gruppe im Vergleich zur ARDSnet-high-Gruppe ein signifikant höherer DAD-Score für alle drei Kriterien, sowie ein signifikant höherer kumulierter Score („cumulative DAD-Score“) aus der Summe der Kriterien. Alle Tiere der ARDSnet-low-Gruppe entwickelten nach der 24-stündigen Beatmung ein ARDS. In der ARDSnet-high-Gruppe trat bei keinem Tier ein ARDS auf. Unter der Beatmung mit ARDSnet-low ergab sich bei signifikant niedrigerem PEEP, geringerem funktionellen Lungenvolumen und geringerer Compliance ein signifikant höherer ΔP im Vergleich zu ARDSnet-high. Die Beatmung mit dem OLC mit einem höheren PEEP rekrutierte mehr Alveolen, führte zu einem signifikant höheren funktionellen Lungenvolumen und erlaubte die Beatmung mit einem signifikant niedrigeren ΔP, im Vergleich zu ARDSnet-high. Histopathologisch zeigte sich das OLC jedoch im Vergleich zu ARDSnet-high hinsichtlich des kumulierten DAD-Scores der gesamten Lunge nicht überlegen. In der OLC-Gruppe war die Infiltration mit Entzündungszellen in der linken Lunge signifikant stärker ausgeprägt. Ein Tier der OLC-Gruppe hatte nach der 24-stündigen Beatmung ein mildes ARDS entwickelt. Ein signifikanter Unterschied in der Oxygenierung zwischen den beiden Gruppen lag jedoch nicht vor. Unter einer Beatmung mit OLC war die Decarboxylierung, im Vergleich zu ARDSnet-high signifikant höher. Die Beatmung mit dem OLC mit einem höheren PEEP rekrutierte mehr Alveolen, führte zu einem signifikant höheren funktionellen Lungenvolumen und erlaubte die Beatmung mit einem signifikant niedrigeren ΔP, im Vergleich zu ARDSnet-high. Bei Schweinen mit einer experimentellen Lungenkontusion konnte eine maschinelle Beatmung mit ARDSnet-low die Entwicklung eines ARDS nicht abwenden und war mit einem höheren histologischen Lungenschaden als eine Beatmung mit ARDSnet-high assoziiert. Die Beatmung mit ARDSnet-high steigerte rasch das funktionelle Lungenvolumen, verbesserte den Gasaustausch, war mit einem geringeren histologischen Lungenschaden im Vergleich zu einer Beatmung mit ARDSnet-low assoziiert und verhinderte die Ausbildung eines ARDS. Die maschinelle Beatmung mit OLC führte zu einem höheren Grad der Rekrutierung von Alveolen und besseren Decarboxylierung als ARDSnet-high. Die Oxygenierung war vergleichbar gut. Der histologische Lungenschaden unter einer Beatmung mit dem OLC war jedoch nicht geringer, die Ergebnisse deuten eher auf schädigende Effekte hin. Die vorgestellten Daten entstammen einem Tierexperiment und können nicht uneingeschränkt auf den Menschen übertragen werden. Dennoch können die Ergebnisse Orientierung bei der Auswahl geeigneter Beatmungseinstellungen für Patienten in der frühen Phase nach Lungenkontusion geben. Die Auswirkungen einer maschinellen Beatmung mit ARDSnet-high in Kombination mit einem Rekrutierungsmanöver nach Lungenkontusion müssen durch weiterführende Untersuchungen evaluiert werden.:1 Abkürzungsverzeichnis 3 2 Vorbemerkung 4 3 Einführung 5 3.1 Lungenkontusion 5 3.1.1 Pathophysiologie der Lungenkontusion 5 3.1.2 Klinik und Diagnostik der Lungenkontusion 6 3.1.3 Therapie und Prognose der Lungenkontusion 6 3.1.4 Das Acute Respiratory Distress Syndrome als Komplikation der Lungenkontusion 7 3.2 Beatmungsinduzierter Lungenschaden 9 3.3 Herleitung der Methodik 10 3.3.1 Lungenprotektive Beatmungsstrategien 10 3.3.2 Diffuser Alveolarschaden 13 3.3.2.1 Probengewinnung und histologische Prozessierung 15 3.3.2.2 Diffuse Alveolar Damage Score 15 3.3.2.3 Regionale Analyse des Diffuse Alveolar Damage Scores 16 3.3.3 Das Schwein als Tiermodell 17 3.4 Wissenschaftliche Zielsetzung 19 4 Publikationsmanuskript 20 4.1 Supplemental Digital Content 1 32 4.2 Supplemental Digital Content 2 43 5 Zusammenfassung der Arbeit 46 6 Anlagen 50 7 Literaturverzeichnis 52 8 Anhang 59 8.1 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 59 8.2 Darstellung des eigenen wissenschaftlichen Beitrags 60 8.3 Teilnahmebescheinigung der Vorlesung: „Gute Wissenschaftliche Praxis“ der medizinischen Fakultät der Universität Leipzig 63 8.4 Nachweis Grundkurs Versuchstierkunde 64 8.5 Wissenschaftlicher Lebenslauf 65 9 Danksagung 66

Bei Patienten mit einem akuten Lungenversagen (ALI oder ARDS) ist der Sauerstoffverbrauch der Lunge (VO2pulm) durch pathophysiologische Prozesse insbesondere die Ausbildung von Atelektasen stark beeinträchtigt. Aufgrund der Annahme, dass eine Steigerung der Anzahl ventilierter Lungenareale zu einer Erhöhung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs führt, haben wir den Einfluss eines definierten Rekrutierungsmanövers (PEEP/PEAK + 10 cmH2O) auf den pulmonalen Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), pulmonalen kapillären Blutfluss (PCBF), der den nicht geshunteten Anteil am HZV darstellt, und den transpulmonalen Shunt (Qs/Qt) untersucht. In der vorliegenden Studie wurde der VO2pulm als Differenz zwischen dem Sauerstoffverbrauch des gesamten Körpers, gemessen über die indirekte Kalorimetrie (VO2cal), und dem über das inverse Fick`sche Prinzip errechneten Sauerstoffverbrauch (VO2Fick) bestimmt. Im Rahmen einer klinisch-prospektiven Studie konnten nach Annahme des Studienprotokolls durch die zuständige Ethikkommission 13 beatmete Patienten, welche die Consensus-Kriterien eines ALI oder ARDS erfüllten, eingeschlossen werden. Nach Sicherstellung einer adäquaten Volumensituation und Messung der Ausgangsparameter wurde der PEEP um 10 cmH2O erhöht. Um ein stabiles Atemzugvolumen (VT 6-8 ml/kgKG) und damit gleichbleibende Bedingungen für die alveoläre Ventilation bis auf das von uns durchgeführte Rekrutierungsmanöver zu gewährleisten, wurde zeitgleich der Spitzendruck ebenfalls um 10 cmH2O erhöht. Nach 15 und 60 min wurden die Zieldeterminanten pulmonaler Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), PCBF und transpulmonaler Shunt erneut bestimmt. Die Messung der indirekten Kalorimetrie (VO2cal) wurde mit dem Deltatrac TM, MBM 200® durchgeführt, VO2Fick über die Thermodilutionsmethode ermittelt, die partielle CO2-Rückatmungsmethode (David®) zur Bestimmung des PCBF genutzt und der transpulmonale Shunt (Qs/Qt) mittels der Formel nach BERGGREN berechnet. Die statistische Auswertung der Daten erfolgte mittels T-Tests für gepaarte Stichproben. Nach dem Manöver konnte eine signifikante Steigerung des PCBF von 4,44 ± 1,15 l/min auf 5,4 ± 1,68 l/min nach 15 min, respektive 5,12 ± 1,67 l/min nach 60 min nachgewiesen werden (p&amp;lt;0,025). Dieser Anstieg wurde von einer signifikanten Reduktion des transpulmonalen Shunts (Qs/Qt) von 0,24 ± 0,08 auf 0,16 ± 0,07 nach 15 min und 0,16 ± 0,07 nach 60 min begleitet (p&amp;lt;0,005). Diese Veränderungen der pulmonalen Hämodynamik gehen mit statistisch relevanten Verbesserungen der Oxygenierung sowie der Atemmechanik einher. Eine signifikante Steigerung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs konnte für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden. In dieser Untersuchung steigt der Sauerstoffverbrauch der Lunge deskriptiv von baseline 10,1 +/- 30,59 ml/min über 11,42 +/- 27,42 ml/min nach 15 min, respektive auf 28,69 +/- 56,75 ml/min nach 60 min an. Die signifikante Steigerung des pulmonal-kapillären Blutflusses und die konsekutive Reduktion des transpulmonalen Shunts schon 15 min nach dem Manöver impliziert einen Anstieg der an der alveolären Ventilation teilnehmenden alveolokapillären Einheiten, was einer Rekrutierung von vorher atelektatischen Lungenabschnitten entspricht. Insbesondere bei ARDS-Patienten und Respondern konnten Rekrutierungs-induzierte Veränderungen detektiert werden, wohingegen die Patienten mit ALI oder Nonresponder keinerlei statistische Unterschiede während der Intervention zeigten. Trotz stattgefundener Wiederbelüftung von Atelektasen konnte ein statistisch relevanter Unterschied bezüglich des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs durch das Rekrutierungsmanöver für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden.

No description available.

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Bei Patienten mit einem akuten Lungenversagen (ALI oder ARDS) ist der Sauerstoffverbrauch der Lunge (VO2pulm) durch pathophysiologische Prozesse insbesondere die Ausbildung von Atelektasen stark beeinträchtigt. Aufgrund der Annahme, dass eine Steigerung der Anzahl ventilierter Lungenareale zu einer Erhöhung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs führt, haben wir den Einfluss eines definierten Rekrutierungsmanövers (PEEP/PEAK + 10 cmH2O) auf den pulmonalen Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), pulmonalen kapillären Blutfluss (PCBF), der den nicht geshunteten Anteil am HZV darstellt, und den transpulmonalen Shunt (Qs/Qt) untersucht. In der vorliegenden Studie wurde der VO2pulm als Differenz zwischen dem Sauerstoffverbrauch des gesamten Körpers, gemessen über die indirekte Kalorimetrie (VO2cal), und dem über das inverse Fick`sche Prinzip errechneten Sauerstoffverbrauch (VO2Fick) bestimmt. Im Rahmen einer klinisch-prospektiven Studie konnten nach Annahme des Studienprotokolls durch die zuständige Ethikkommission 13 beatmete Patienten, welche die Consensus-Kriterien eines ALI oder ARDS erfüllten, eingeschlossen werden. Nach Sicherstellung einer adäquaten Volumensituation und Messung der Ausgangsparameter wurde der PEEP um 10 cmH2O erhöht. Um ein stabiles Atemzugvolumen (VT 6-8 ml/kgKG) und damit gleichbleibende Bedingungen für die alveoläre Ventilation bis auf das von uns durchgeführte Rekrutierungsmanöver zu gewährleisten, wurde zeitgleich der Spitzendruck ebenfalls um 10 cmH2O erhöht. Nach 15 und 60 min wurden die Zieldeterminanten pulmonaler Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), PCBF und transpulmonaler Shunt erneut bestimmt. Die Messung der indirekten Kalorimetrie (VO2cal) wurde mit dem Deltatrac TM, MBM 200® durchgeführt, VO2Fick über die Thermodilutionsmethode ermittelt, die partielle CO2-Rückatmungsmethode (David®) zur Bestimmung des PCBF genutzt und der transpulmonale Shunt (Qs/Qt) mittels der Formel nach BERGGREN berechnet. Die statistische Auswertung der Daten erfolgte mittels T-Tests für gepaarte Stichproben. Nach dem Manöver konnte eine signifikante Steigerung des PCBF von 4,44 ± 1,15 l/min auf 5,4 ± 1,68 l/min nach 15 min, respektive 5,12 ± 1,67 l/min nach 60 min nachgewiesen werden (p&amp;lt;0,025). Dieser Anstieg wurde von einer signifikanten Reduktion des transpulmonalen Shunts (Qs/Qt) von 0,24 ± 0,08 auf 0,16 ± 0,07 nach 15 min und 0,16 ± 0,07 nach 60 min begleitet (p&amp;lt;0,005). Diese Veränderungen der pulmonalen Hämodynamik gehen mit statistisch relevanten Verbesserungen der Oxygenierung sowie der Atemmechanik einher. Eine signifikante Steigerung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs konnte für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden. In dieser Untersuchung steigt der Sauerstoffverbrauch der Lunge deskriptiv von baseline 10,1 +/- 30,59 ml/min über 11,42 +/- 27,42 ml/min nach 15 min, respektive auf 28,69 +/- 56,75 ml/min nach 60 min an. Die signifikante Steigerung des pulmonal-kapillären Blutflusses und die konsekutive Reduktion des transpulmonalen Shunts schon 15 min nach dem Manöver impliziert einen Anstieg der an der alveolären Ventilation teilnehmenden alveolokapillären Einheiten, was einer Rekrutierung von vorher atelektatischen Lungenabschnitten entspricht. Insbesondere bei ARDS-Patienten und Respondern konnten Rekrutierungs-induzierte Veränderungen detektiert werden, wohingegen die Patienten mit ALI oder Nonresponder keinerlei statistische Unterschiede während der Intervention zeigten. Trotz stattgefundener Wiederbelüftung von Atelektasen konnte ein statistisch relevanter Unterschied bezüglich des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs durch das Rekrutierungsmanöver für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden.

Die Untersuchung organspezifischer Funktionsstörungen erlangt zunehmende Bedeutung für die moderne Intensivmedizin. Das akute Lungenversagen gehört dabei zu den wichtigsten Vitalfunktionsstörungen. Besonders bei entzündlichen Lungenschädigungen kann es zu Veränderungen des pulmonalen Sauerstoffmetabolismus kommen. In der vorliegenden klinischen Untersuchung sollte geprüft werden, ob der intrapulmonale Sauerstoffverbrauch durch methodenbedingte Unterschiede bei der Bestimmung des globalen Sauerstoffverbrauchs des Organismus, zwischen der indirekten Kalorimetrie und dem Fick´schen-Prinzip, repräsentiert wird und ob es beim akuten Lungenversagen zu einer Erhöhung des intrapulmonalen Sauerstoffverbrauchs kommt bzw. inwieweit diese Veränderungen von der Genese der akuten Lungenschädigung (ALI, ARDS, Pneumonie) abhängig sind. Darüberhinaus wurde geprüft, ob es einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der pneumonischen Infiltrate und dem intrapulmonalen Sauerstoffverbrauch gibt und ob Korrelationen zu funktionellen Größen wie alveolär-arterielle Sauerstoffgehaltsdifferenz (AaDO2), intrapulmonaler Shunt (QS/QT), transpulmonaler Laktat- bzw. Glukosefluß, Differentialzytologie in der BAL-Flüssigkeit (Bronchoalveoläre Lavage) und Lungenschädigungs-Score (Murray) bestehen. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Untersuchung wurden die Verfahren zur Bestimmung des intrapulmonalen Sauerstoffverbrauchs und zur Ermittlung der transpulmonalen Gradienten für Laktat und Glukose bei lungengesunden Patienten evaluiert. Auf diese Weise sollte die Reproduzierbarkeit der genannten Meßverfahren geprüft werden. Gegenstand des zweiten Untersuchungsabschnittes waren Art und Ausmaß der pulmonalen Stoffwechselveränderungen bei Patienten mit akutem Lungenversagen sowie deren ungeklärte diagnostische und prognostische Bedeutung. Anhand der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, daß der intrapulmonale Sauerstoffverbrauch sowohl bei Lungengesunden als auch bei Patienten mit akutem Lungenversagen durch den methodenbedingten Unterschied zwischen der indirekten Kalorimetrie und dem Fick´schen-Prinzip repräsentiert wird. Bei einer vorliegenden Infektion des Lungenparenchyms (Pneumonie) kam es zu einer hochsignifikannten (p / The examination of specific organ dysfunctions are of increasing importance for the modern intensive care medicine. The acute lung injury is one of the most frequent impairments in organ function in critically ill patients. Pulmonary oxygen consumption (VO2 pulm) is believed to be increased in patients with acute lung injury. In the present study, VO2 pulm was estimated in both patients with and without impaired lung function from the difference between total oxygen consumption measured by indirect calorimetry (VO2 cal) and oxygen consumption assessed by the reverse Fick method (VO2 Fick). In addition VO2 pulm was correlated to various parameters of impaired lung function. To assess the metabolic function of the lung, arterial-mixed venous concentration differences of lactate and glucose were determined and transpulmonary lactate flux as well as glucose flux was calculated. For within-patient measurements of VO2 pulm, a sufficient reproducibility was achieved for patients with as well as without impaired lung function. Compared to VO2 pulm in patients without lung infection (pneumonia), VO2 pulm was significantly increased in patients with pneumonia (p

Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.

In experimental acute respiratory distress syndrome (ARDS), random variation of tidal volumes (VT ) during volume controlled ventilation improves gas exchange and respiratory system mechanics (so-called stochastic resonance hypothesis). It is unknown whether those positive effects may be further enhanced by periodic VT fluctuation at distinct frequencies, also known as deterministic frequency resonance.We hypothesized that the positive effects of variable ventilation on lung functionmay be further amplified by periodic VT fluctuation at specific frequencies. In anesthetized and mechanically ventilated pigs, severe ARDS was induced by saline lung lavage and injurious VT (double-hit model). Animals were then randomly assigned to 6 h of protective ventilation with one of four VT patterns: (1) random variation of VT (WN); (2) P04, main VT frequency of 0.13Hz; (3) P10, main VT frequency of 0.05Hz; (4) VCV, conventional non-variable volume controlled ventilation. In groups with variable VT , the coefficient of variation was identical (30%). We assessed lung mechanics and gas exchange, and determined lung histology and inflammation. Compared to VCV, WN, P04, and P10 resulted in lower respiratory system elastance (63 ± 13 cm H2O/L vs. 50 ± 14 cm H2O/L, 48.4 ± 21 cm H2O/L, and 45.1 ± 5.9 cm H2O/L respectively, P < 0.05 all), but only P10 improved PaO2/FIO2 after 6 h of ventilation (318 ± 96 vs. 445 ± 110mm Hg, P < 0.05). Cycle-by-cycle analysis of lung mechanics suggested intertidal recruitment/de-recruitment in P10. Lung histologic damage and inflammation did not differ among groups. In this experimental model of severe ARDS, periodic VT fluctuation at a frequency of 0.05Hz improved oxygenation during variable ventilation, suggesting that deterministic resonance adds further benefit to variable ventilation.