Es wurden die Einsätze des ITW Würzburg des Jahres 2005 anhand der vorhandenen Intensivtransportprotokolle ausgewertet. Ziel der Arbeit war eine quantitative und qualitative Bestandsaufnahme des Interhospitalverkehrs unter besonderer Beachtung des Beatmungsmanagements. Insgesamt wurden 249 reine ITW-Einsätze im Jahr 2005 gefahren, von denen 243 durch ein vorhandenes Intensivtransportprotokoll dokumentiert waren. Die Dokumentation des Intensivtransportprotokolls war recht different. Zum einen hing die Qualität der Dokumentation vom transportbegleiteten Arzt ab und zum anderen wiesen einzelne Bereiche des Protokolls eine schlechtere Dokumentation auf als andere. Insgesamt waren Scores oder Angaben, die verschlüsselt einzutragen waren durchweg schlechter dokumentiert. Außerdem wurden viele Angaben im Übernahmestatus nicht dokumentiert, da diese oft schon im Verlaufsprotokoll protokolliert waren, was allerdings die digitale Erfassung erschwerte. Aufgrund dieser Beobachtungen entstand der Eindruck, dass hier ein Bedarf zur Vereinfachung des Protokolls besteht. Die Einsatzfrequenz war mit 0,68 Einsätzen pro Tag relativ gering, was mit dem großen Einsatzbereich und der geringen Einwohner-, und Krankenhausdichte zusammenhängt. Der ITW Würzburg wurde vorwiegend während der regulären Vorbehaltszeiten genutzt. Nur ein geringer Anteil (<10%) der Einsätze fanden außerhalb dieser Zeiten statt. Die Gesamteinsatzdauer im Median betrug 3 Std. 30 Min. pro ITW-Einsatz. Der längste Einsatzabschnitt war dabei die Nachbereitungszeit mit 1 Std. 15 Min. im Median. Sie beinhaltete sowohl die Wiederherstellung der Einsatzbereitschaft des Fahrzeugs, sowie die Rückfahrt zum Standort und Pausen. Der kürzeste Einsatzabschnitt war die Behandlungszeit vor Ort mit 30 Minuten im Median. Dabei fiel auf, dass zentripetale Transporte signifikant längere Behandlungszeiten vor Ort erforderten als zentrifugale Transporte. Nur 67,5% der Einsätze erreichten den Patienten innerhalb einer Stunde. Um eine Eintreffzeit von einer Stunde zu realisieren, wären mindestens zwei weitere ITW-Standorte in Schweinfurt und Aschaffenburg nötig. Dies erscheint aber vor dem Hintergrund der Auslastung des ITW Würzburgs, der geringen Zahl an Sofort-transporten und der Kosten nicht adäquat. Drei Viertel aller Transporte waren Ferntransporte, mit einer durchschnittlichen Entfernung der Zielklinik von 72 Km. Hier erscheint der Standort Würzburg hinsichtlich der guten Verkehrsanbindung als zentraler Standort des ITWs sinnvoll. Zentripetale und zentrifugale Transporte waren annähernd gleich vertreten. Das Patientenkollektiv des ITW Würzburg entsprach dem auf Intensivstationen. Knapp dreiviertel der Patienten war über 50 Jahre alt. Insgesamt überwog der Anteil der männlichen Patienten. Am häufigsten wurden Patienten mit intrakraniellen Blutungen, zerebralen Ischämien und Schädelhirntraumen transportiert. Dieser Gruppe folgten Patienten mit akutem Koronarsyndrom und Patienten mit Sepsis. Über die Hälfte, der mit dem ITW Würzburg transportierten Patienten, waren beatmungspflichtig. Dabei fiel auf, dass unabhängig von der Transportart, die Zahl der BIPAP beatmeten Patienten zunahm. Am stärksten war dieser Anstieg bei den zentrifugalen Transporten. Der PEEP wurde bei zentripetalen Transporten signifikant öfters erhöht als bei zentrifugalen oder zentri-zentralen Transporten, was wie schon die Behandlungszeit vor Ort, auf eine intensivere Therapie schließen lässt. Die Strukturqualität des ITW Würzburgs in Form von Ausstattung und Personal wird den geforderten Standards gerecht. Gerade vor dem Hintergrund des Patientenkollektivs kommt der Ausstattung des ITWs und der Qualifikation des Personals eine entscheidende Bedeutung zu. Bestehende Standards dürfen im Hinblick auf eine adäquate Versorgung der Patienten nicht unterschritten werden. Verbesserungsbedarf besteht lediglich hinsichtlich der Prozessqualität. Dies gilt insbesondere für die Dokumentation, die entsprechenden Dokumentationswerkzeuge und die Auslastung des ITW Würzburgs. Hinsichtlich der Dokumentation ist eine möglichst zeitnahe elektronische Doku-mentation wünschenswert mit Ausbau der im Rahmen dieser Arbeit erstellten Datenbank. Was die Auslastung des ITW betrifft, so ist sicherlich noch Potential vorhanden, das es auszuschöpfen gilt. Hier ist eine bessere Informationspolitik über die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten des ITWs von Nöten. Das Beatmungsmanagement zeigte eine Intensivierung der Beatmung vor allem bei zentripetalen Transporten, was die Bedeutung des ITWs als Teil der Intensiv-medizinischen Versorgung unterstreicht. / The employments of the ITW Wurzburg of the yearly 2005 were evaluated on the basis existing intensive transportation minutes. A goal of the work was a quantitative and qualitative stocktaking of interhospital traffic special considering the artificially respirating management. Altogether 249 pure ITW employments were driven in the year 2005, from which 243 had documented by existing intensive transportation minutes. The documentation of intensive transportation minutes was quite different. The documentation depended on the transport-accompanied physician. Altogether were Scores or data, which were to be registered coded throughout more badly documented. In addition many data in the assumption status were not documented, since these were logged often already in process minutes, which made however the digital collection more difficult. Due to these observations the impression developed that a need exists here for the simplification of minutes. The employment frequency was relatively small with 0,68 employments per day, which is connected with the large area of application and the small inhabitants -, and hospital density. The ITW Wurzburg was predominantly used during the regular reservation times. Only a small portion (<10%)the employments took place outside of these times. The total length of application in the median amounted to 3 h 30 min. per ITW employment. The longest employment section was thereby the reinforcement time with 1 h 15 min. in the median. It contained both the re-establishment of the readiness of application of the vehicle, as well as the return trip for the location and tracing. The shortest employment section was the treatment time locally with 30 minutes in the median. It was noticeable that centripetal transportation required significantly longer treatment times than centrifugal transportation. Only 67.5% of the transports reached the patients within one hour. In order to realize a time up to one hour to reach the patients, at least two further ITW locations would be necessary in Schweinfurt and Aschaffenburg. This appears however considering the extent of utilization of the ITW Würzburg, the small number of immediately transportation and the costs, not adequately. Three quarters of all transportation were long-distance haulage, with an average distance of the goal hospital of 72 km. Centripetal and centrifugal transportation were approximately equally represented. The patient collective of the ITW Würzburg corresponded on intensive care units. Three-quater of the patients were older than 50 years. Altogether the portion of the male patients outweighed. Most frequently patients with intracranial bleedings, cerebral ischemia and head injuries were transported. This group patients with acute coronary syndrome and patients with Sepsis followed. Over half of the patients, transportet with the ITW Wurzburg, required artificial ventilation. It was noticeable that independently of the mode of transportation, the number of the BIPAP respirated patients increased. This rise was strongest in the case of the centrifugal transportation. The PEEP in the case of centripetal transportation was significantly more often increased as in the case of centrifugal or central-central transportation, which suggests like already the treatment time, a more intensive therapy. The structure quality of the ITW Wurzburg considering equipment and staff fullfill the demanded standards. Especially considering the patient collective, equipment and qualification of the staff have a crucial meaning. Existing standards may not be fallen below regarding an adequate supply of the patients. Improvement need exists only regarding the process quality. This applies in particular to the documentation, the appropriate documentation tools and the extent of utilization of the ITW Wurzburg. Regarding the documentation a time near electronic documentation is desirably with development in the framework this work provided Data base. Concerning the extent of utilization of the ITW, there is surely still potential. Here is a better information policy over the advantages and application of the ITWs usefull. The artificially respirating management showed an intensification of the artificial respiration particularly in the case of centripetal transportation, which underlines the meaning of the ITWs as part of the intensive-medical supply.

Die Analyse komplexer Zusammenhänge durch Modellierung und Simulation hat in der Medizin stark zugenommen. Bei der funktionellen Analyse des respiratorischen Systems bilden Ventilationsmechanik und Gasaustausch zwei wesentliche Schwerpunkte, die sich in komplexen Modellen vereinigen lassen. Die Identifikation der Parameter eines vereinigten Modells anhand von Messungen bei Patienten liefert differenzierte Informationen über deren Zustand. Die allgemeinen Rahmenbedingungen bei dieser wie bei jeder anderen Identifikation sind philosophischer Natur und werden in einem erkenntnistheoretischen Kapitel behandelt. Schwerpunkte der Identifikation des vereinigen Modells sind: Ventilationsmechanik, anatomischer Totraum und Perfusionsverteilung.:Verzeichnis der Abkürzungen IX 1 Einleitung 1 2 Modellierung und Modelle – die Widerspiegelung der Realität 3 3 Modelle des respiratorischen Systems 11 3.1 Atmung und maschinelle Beatmung 11 3.2 Anatomie 12 3.3 Physiologie 14 3.4 Modelle der Ventilationsmechanik 18 3.5 Modelle für Gasaustausch, -mischung und -transport 21 3.6 Vereinigtes Modell der Ventilationsmechanik und des Gasaustauschs 22 3.7 Modelle und Entscheidungsunterstützungssysteme 23 3.8 Problemstellung und Motivation 25 4 Modellstruktur – Verteilungsmuster lungenphysiologischer Parameter 27 4.1 Grundlagen 27 4.2 Verteilungen lungenphysiologischer Parameter 28 4.3 Approximation – Struktur des vereinigten Modells 30 5 Messungen am Patienten 32 5.1 Vorbereitung 32 5.2 Protokoll 34 6 Ventilationsmechanik 36 6.1 Systemtheoretische Grundlagen der Identifikation 36 6.1.1 Systemtheoretische Ein-/Ausgangsbeschreibung 37 6.1.2 Selektion der Methoden zur Identifikation 38 6.2 Übertragungsfunktionen der Modelle 46 6.2.1 Zeitkontinuierliche Modelle 46 6.2.2 Zeitdiskrete Modelle 48 6.3 Rückrechnung der identifizierten Parameter in physikalische 50 6.4 Gütekriterium, Restriktion und Vergleichsmethode 51 6.5 Ergebnisse der Identifikation 53 6.5.1 Thoraxmechanik 53 6.5.2 Mechanik des respiratorischen Systems 57 6.6 Diskussion 68 7 Anatomischer Totraum 74 7.1 Grundlagen 74 7.2 Identifikation des Anstiegs der Phase III des Exspirogramms 75 7.3 Identifikation des seriellen Totraums 77 7.4 Diskussion 81 8 Perfusionsverteilung und Gasaustausch 84 8.1 Grundlagen 84 8.2 Blutgasmodelle 85 8.3 Modelle des stationären Gasaustauschs 87 8.4 Modell des an die Ventilationsmechanik gekoppelten Gasaustauschs 92 8.5 Diskussion 96 9 Zusammenfassung 99 A Anhang 102 A-1 Fachglossar 102 A-2 Indirekte Messung der Pleuradruckänderung mit ösophagealem Ballon 105 A-3 Grundlagen der multiplen Inertgaseliminationstechnik (MIGET) 106 A-4 Anmerkungen zum Abtasttheorem 108 A-5 Bestimmung der Flow-Sensor-Kennlinie mit einer Kalibrierspritze 109 A-6 Rückrechnung der identifizierten in physikalische Parameter 110 A-7 Dokumentation zum Einfluß der Filterperiodendauer TF auf die Standardabweichung des Identifikationsfehlers 113 Literaturverzeichnis 115 / The analysis for complex relationships using modeling and simulation in medicine has substantially increased. Ventilation mechanics and gas exchange are the key elements of the functional analysis of the respiratory system and can be united in a complex model. The parameter identification of the unified model based on patient measurements provides detailed information about the patient's status. The general framework of this and other identifications is philosophical and discussed in an epistemological chapter. The key topics of the identification of the unified model are ventilation mechanics, anatomical dead space, and perfusion distribution.:Verzeichnis der Abkürzungen IX 1 Einleitung 1 2 Modellierung und Modelle – die Widerspiegelung der Realität 3 3 Modelle des respiratorischen Systems 11 3.1 Atmung und maschinelle Beatmung 11 3.2 Anatomie 12 3.3 Physiologie 14 3.4 Modelle der Ventilationsmechanik 18 3.5 Modelle für Gasaustausch, -mischung und -transport 21 3.6 Vereinigtes Modell der Ventilationsmechanik und des Gasaustauschs 22 3.7 Modelle und Entscheidungsunterstützungssysteme 23 3.8 Problemstellung und Motivation 25 4 Modellstruktur – Verteilungsmuster lungenphysiologischer Parameter 27 4.1 Grundlagen 27 4.2 Verteilungen lungenphysiologischer Parameter 28 4.3 Approximation – Struktur des vereinigten Modells 30 5 Messungen am Patienten 32 5.1 Vorbereitung 32 5.2 Protokoll 34 6 Ventilationsmechanik 36 6.1 Systemtheoretische Grundlagen der Identifikation 36 6.1.1 Systemtheoretische Ein-/Ausgangsbeschreibung 37 6.1.2 Selektion der Methoden zur Identifikation 38 6.2 Übertragungsfunktionen der Modelle 46 6.2.1 Zeitkontinuierliche Modelle 46 6.2.2 Zeitdiskrete Modelle 48 6.3 Rückrechnung der identifizierten Parameter in physikalische 50 6.4 Gütekriterium, Restriktion und Vergleichsmethode 51 6.5 Ergebnisse der Identifikation 53 6.5.1 Thoraxmechanik 53 6.5.2 Mechanik des respiratorischen Systems 57 6.6 Diskussion 68 7 Anatomischer Totraum 74 7.1 Grundlagen 74 7.2 Identifikation des Anstiegs der Phase III des Exspirogramms 75 7.3 Identifikation des seriellen Totraums 77 7.4 Diskussion 81 8 Perfusionsverteilung und Gasaustausch 84 8.1 Grundlagen 84 8.2 Blutgasmodelle 85 8.3 Modelle des stationären Gasaustauschs 87 8.4 Modell des an die Ventilationsmechanik gekoppelten Gasaustauschs 92 8.5 Diskussion 96 9 Zusammenfassung 99 A Anhang 102 A-1 Fachglossar 102 A-2 Indirekte Messung der Pleuradruckänderung mit ösophagealem Ballon 105 A-3 Grundlagen der multiplen Inertgaseliminationstechnik (MIGET) 106 A-4 Anmerkungen zum Abtasttheorem 108 A-5 Bestimmung der Flow-Sensor-Kennlinie mit einer Kalibrierspritze 109 A-6 Rückrechnung der identifizierten in physikalische Parameter 110 A-7 Dokumentation zum Einfluß der Filterperiodendauer TF auf die Standardabweichung des Identifikationsfehlers 113 Literaturverzeichnis 115

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.

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.

Although liquid ventilation has been researched and studied for the last six decades, it did not achieve its expected optimal performance. Within this work, a deeper understanding of the fluid dynamics during liquid ventilation shall be gathered to extend the already available clinical knowledge about this ventilation strategy. In order to reach this goal, advanced optical flow measurement techniques are applied in different models of the human conductive airways to obtain global velocity fields, identifying prominent flow structures and to determine important dissolved oxygen transport paths. As the velocity measurements revealed, the evolving flow field is strongly dominated by secondary flow effects and is highly dependent on the local airway geometry. During the visualization experiments of the dissolved oxygen concentration fields, different transportation paths occur at inspirational and expirational flow. The initial concentration distribution can be linked to the underlying flow fields but decouples after the peak velocity phases. With higher flow rates/ tidal volumes, a more homogeneously distributed oxygen concentration can be reached.:List of Figures ....................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................XIII Nomenclature ........................................................................................ XV 1 Introduction......................................................................................... 1 1.1 Motivation ........................................................................................1 1.2 Research objectives........................................................................... 3 1.3 Outline............................................................................................ 4 2 State of the art .................................................................................... 5 2.1 Liquid Ventilation............................................................................. 5 2.2 In vitro modeling.............................................................................. 8 2.3 Flow measurements ......................................................................... 11 2.4 Gas transport..................................................................................13 3 Flow field measurements ................................................................... 16 3.1 Hydrodynamic Model.......................................................................16 3.1.1 Lung replica ..........................................................................16 3.1.2 Flow parameter .....................................................................18 3.1.3 Limitations ...........................................................................22 3.2 Particle Tracking Velocimetry (PTV) ................................................24 3.2.1 Measurement principle ...........................................................24 3.2.2 Double-frame 2D-PTV ...........................................................25 3.2.3 Time-resolved 3D-PTV ..........................................................28 3.2.4 Phase-locked ensemble PTV ................................................... 31 3.3 Experimental set-up and measurement procedure ...............................33 3.3.1 Lung flow facility...................................................................33 3.3.2 2D-PTV configuration............................................................36 3.3.3 3D-PTV configuration............................................................36 3.4 Results & Discussion........................................................................38 3.4.1 Artificial lung........................................................................38 3.4.2 Realistic lung ........................................................................52 3.5 Conclusion ......................................................................................59 4 Oxygen transport ...............................................................................61 4.1 Hydrodynamic Model....................................................................... 61 4.1.1 Lung replica .......................................................................... 61 4.1.2 Flow parameter .....................................................................62 4.1.3 Limitations ...........................................................................65 4.2 Oxygen Sensitive Dye ......................................................................66 4.3 Experimental set-up......................................................................... 71 4.4 Results & Discussion........................................................................75 4.4.1 Constant flow rate .................................................................75 4.4.2 Oscillatory flow .....................................................................83 4.5 Conclusion ......................................................................................90 5 Summary............................................................................................ 92 6 Outlook .............................................................................................. 95 Bibliography ............................................................................................ 97 / Trotz intensiver Forschung in den letzten sechs Jahrzehnten, befindet sich die Flüssigkeitsbeatmung immernoch weit entfernt vom klinischen Alltag. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, um das Wissen um die strömungsmechanischen Effekte während der Flüssigkeitsbeatmung zu vertiefen. Dazu werden verschiedene Modellexperimente durchgeführt, bei welchen moderne laseroptische Strömungsmessmethoden zum Einsatz kommen. Untersucht werden dabei unterschiedlich komplexe Geometrien der leitenden menschlichen Atemwege mit dem Ziel wesentliche Strömungsstrukturen, globale Geschwindigkeitsfelder und wichtige Transportwege des gelösten Sauerstoffs zu identifiziern. Die Geschwindigkeitsmessungen zeigen ein stark durch sekundäre Strömungseffekte dominiertes Geschwindigkeitsfeld, welches wesentlich von der lokalen Geometrie abhängig ist. Durch die qualitative und quantitative Erfassung der gelösten Sauerstoffkonzentrationsfelder können wichtige Transportwege aufgedeckt werden. Diese unterscheiden sich deutlich zwischen inspiratorischer und expiratorischer Strömungsrichtung. Die initialen Konzentrationsfelder stimmen mit den unterliegenden Geschwindigkeitsfeldern überein, unterscheiden sich ab der verzögernden Strömungsphase jedoch. Höhere Volumenströme/Tidalvolumen tragen dabei zu einer gleichmäßigeren Konzentrationsverteilung bei.:List of Figures ....................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................XIII Nomenclature ........................................................................................ XV 1 Introduction......................................................................................... 1 1.1 Motivation ........................................................................................1 1.2 Research objectives........................................................................... 3 1.3 Outline............................................................................................ 4 2 State of the art .................................................................................... 5 2.1 Liquid Ventilation............................................................................. 5 2.2 In vitro modeling.............................................................................. 8 2.3 Flow measurements ......................................................................... 11 2.4 Gas transport..................................................................................13 3 Flow field measurements ................................................................... 16 3.1 Hydrodynamic Model.......................................................................16 3.1.1 Lung replica ..........................................................................16 3.1.2 Flow parameter .....................................................................18 3.1.3 Limitations ...........................................................................22 3.2 Particle Tracking Velocimetry (PTV) ................................................24 3.2.1 Measurement principle ...........................................................24 3.2.2 Double-frame 2D-PTV ...........................................................25 3.2.3 Time-resolved 3D-PTV ..........................................................28 3.2.4 Phase-locked ensemble PTV ................................................... 31 3.3 Experimental set-up and measurement procedure ...............................33 3.3.1 Lung flow facility...................................................................33 3.3.2 2D-PTV configuration............................................................36 3.3.3 3D-PTV configuration............................................................36 3.4 Results & Discussion........................................................................38 3.4.1 Artificial lung........................................................................38 3.4.2 Realistic lung ........................................................................52 3.5 Conclusion ......................................................................................59 4 Oxygen transport ...............................................................................61 4.1 Hydrodynamic Model....................................................................... 61 4.1.1 Lung replica .......................................................................... 61 4.1.2 Flow parameter .....................................................................62 4.1.3 Limitations ...........................................................................65 4.2 Oxygen Sensitive Dye ......................................................................66 4.3 Experimental set-up......................................................................... 71 4.4 Results & Discussion........................................................................75 4.4.1 Constant flow rate .................................................................75 4.4.2 Oscillatory flow .....................................................................83 4.5 Conclusion ......................................................................................90 5 Summary............................................................................................ 92 6 Outlook .............................................................................................. 95 Bibliography ............................................................................................ 97