Computational fluid dynamics (CFD) has become an attractive tool in understanding the characteristic of air flow in the human lungs. Inter-subject variations make subject-specific simulations essential for understanding structure-function relationship, assessing lung function and improving drug delivery. However, currently the subject-specific CFD analysis remains challenging due, in large part to, two issues: construction of realistic deforming airway geometry and imposition of physiological boundary conditions. To address these two issues, we develop subject-specific, dynamic lung models by utilizing two or multiple volume multi-detector row computed tomography (MDCT) data sets and image registrations in this thesis. A mass-preserving nonrigid image registration algorithm is first proposed to match a pair of three-dimensional (3D) MDCT data sets with large deformations. A novel similarity criterion, the sum of squared tissue volume difference (SSTVD), is introduced to account for changes in intensity with lung inflation. We then demonstrate the ability to develop dynamic lung models by using a pair of lung volumes to account for deformations of airway geometries and subject-specific boundary conditions. The deformation of the airway geometry is derived by the registration-derived deformation field and subject-specific boundary condition is estimated from regional ventilation in a 3D and one-dimensional (1D) coupled multi-scale framework. Improved dynamic lung models are then proposed from three lung volumes by utilizing nonlinear interpolations. The improved lung models account for nonlinear geometry motions and time-varying boundary conditions during breathing. The capability of the proposed dynamic lung model is expected to move the CFD-based interrogation of lung function to the next plateau.

Eine etablierte Therapieoption zur Behandlung des Prostatakarzinoms stellt die (roboter-assistierte) laparoskopische, radikale Prostatektomie dar. Dabei erfolgen unter anderem die spezielle Lagerung des Patienten nach Trendelenburg sowie die intraoperative Applikation eines Kapnoperitoneums, um optimale Operationsbedingungen zu schaffen. Dies hat jedoch einen negativen Einfluss auf die perioperative maschinelle Ventilation des Patienten, vor allem aufgrund von Atelektasenbildung und Abnahme der pulmonalen Compliance. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, hat sich in den letzten Jahren die Anwendung eines positiven end-exspiratorischen Druckes (PEEP) etabliert. Die Bestimmung und die Höhe des optimalen PEEP-Wertes je nach individuellem Operationssetting sind Forschungsgegenstand zahlreicher Studien. Eine Methode zur Bestimmung des individuellen PEEP, auch bestPEEP genannt, ist die PEEP-Titration mit Hilfe der Elektrischen Impedanztomographie (EIT). Wir stellten die Hypothese auf, dass sich der bestPEEP über die Bestimmung des regionalen EIT-Indizes Regional Ventilation Delay Index (RVDI) anhand einer absteigenden PEEP-Titration der Lunge ermitteln lässt und dies zu einer insgesamt homogeneren Ventilation führt. In unserer Studie wurden 40 männliche Patienten eingeschlossen, die sich einer laparoskopischen, radikalen Prostatektomie unterzogen. Per Randomisierung erfolgte eine Aufteilung in 2 Studienarme. In der Kontrollgruppe wurde durchweg ein PEEP von 5 cmH2O appliziert, die Interventionsgruppe erhielt ihren bestPEEP nach absteigender PEEP-Titration individuell mit zusätzlichen Rekrutierungsmanövern. Perioperativ erfolgte ein Monitoring mittels EIT unter Bestimmung verschiedener Parameter. Es zeigte sich, dass die Bestimmung eines individuellen PEEP-Niveaus anhand des RVDI unter Einsatz der EIT zu plausiblen Ergebnissen führt. Zudem wurde in der Interventionsgruppe ein im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant höheres PEEP-Niveau mit im Durchschnitt 14,7 cmH2O ermittelt. Dies resultierte unter anderem in einer deutlich homogeneren Ventilationsverteilung, was sich anhand der EIT-Indizes Global Inhomogeneity Index (GI), Centre of Ventilation (CoV) und Tidalvolumen der nicht-abhängigen Lunge beschreiben ließ. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ermittlung des bestPEEP anhand des EIT-Indizes RVDI auch bei einem normalgewichtigen Patientenkollektiv möglich ist. Die homogenere pulmonale Ventilation kann mit einer Reduktion der ventilator-assoziierten Lungenschädigung und einem besseren Outcome des Patienten verbunden sein.:Abkürzungsverzeichnis 1. Einführung 1.1 Prostatektomie bei Prostatakarzinom und ihr perioperatives Management 1.2 Applikation eines positiven end-exspiratorischen Druckes unter maschineller Beatmung 1.3 Die Elektrische Impedanztomographie 2. Aufgabenstellung 3. Material und Methoden 3.1 Patientenkollektiv 3.2 Anästhesie und intraoperative Beatmung 3.3 Studienprotokoll und Messmethoden 3.4 Randomisierung, Datenerfassung und Statistik 4. Ergebnisse 4.1 Demographie, Risikoevaluierung und perioperative Beatmungsdauer 4.2 Perioperative pulmonale Compliance der PEEP-Gruppen 4.3 Vergleich individualisierter PEEP mittels RVDI und pulmonaler Compliance 4.4 Betrachtung EIT-Parameter während PEEP-Titration und individualisiertem PEEP 4.5 Perioperative EIT-Parameter der PEEP-Gruppen 5. Diskussion 5.1 Zusammenfassung wesentlicher Ergebnisse 5.2 Ermittlung des bestPEEP anhand des EIT-Parameters RVDI 5.3 Vergleich des PEEP-Niveaus in Kontroll- und Interventionsgruppe 5.4 Durchführung von Rekrutierungsmanövern 5.5 Auswirkung der individualisierten PEEP-Einstellung auf die Ventilationsverteilung 5.6 Neue Erkenntnisse 5.7 Limitationen der Arbeit 5.8 Schlussfolgerung / Ausblick 6. Zusammenfassung Literaturverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Selbstständigkeitserklärung Danksagung