Lungensimulator

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Lungensimulatoren sind Geräte oder Software, die für die Ausbildung sowie für Testzwecke z. B. von Beatmungssystemen eingesetzt werden.

Dabei unterscheidet man zwischen mechanisch/pneumatischen Lungensimulatoren und komplex/physiologischen Lungensimulatoren.

Mechanisch/pneumatische Lungensimulatoren

Ein Lungensimulator besteht zumindest aus einem Widerstandselement, z. B. einem Schlauch und einem elastischen Element, z. B. einem Ballon. Mathematisch wird das durch die sogenannte „Bewegungsgleichung“ oder „equation of motion“ dargestellt und zwar als Funktion in Abhängigkeit der Zeit:

$p_{\text{aw}}(t)=R_{\text{aw}}\cdot {\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}+{\frac {V(t)}{C_{\text{rs}}}}$

wobei

$p_{\text{aw}}(t)$ der Atemwegsdruck,

$R_{\text{aw}}$ der Atemwegswiderstand,

${\dot {V}}(t)={\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}$ der Gasfluss in den Atemwegen,

$C_{\text{rs}}$ die totale respiratorische Compliance und

$V(t)$ das in die Lunge eingeströmte Volumen sind.

Allerdings fehlen in der obigen Gleichung zwei wichtige Elemente: der konstante Term $K$ und der von der Atemmuskulatur erzeugte Atemwegsdruck $P_{\text{musc}}(t)$. Die vollständige Gleichung sieht daher so aus:

$p_{\text{aw}}(t)=R_{\text{aw}}\cdot {\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}+{\frac {V(t)}{C_{\text{rs}}}}+P_{\text{musc}}(t)+K$

Dabei kommt der Konstanten $K$ in der klinischen Praxis eine große Bedeutung zu, entspricht sie doch dem sogenannten intrinsic PEEP, der sowohl therapeutisch wie auch traumatisch wirken kann.

In der klinischen Praxis kommen einfache Testlungen zur Anwendung aber auch komplexere Ausführungen. Oft werden Lungensimulatoren für atemphysiologische Grundlagenstudien verwendet und spezifisch auf diese Bedürfnisse angepasst.

Autonomer Baby Lungensimulator. Der eigentliche Lungensimulator sitzt im Silikon-Körper, der detailliert ausgestaltet ist, um ein maximales Simulationserlebnis zu ermöglichen. Der Körper selber ist für die Lungensimulation nicht wichtig, sondern die eingebaute Apparatur. Zum System gehört auch ein Vitalparameter-Monitor, der das Resultat der respiratorischen Behandlung widerspiegelt (nicht abgebildet).

Komplex/physiologische Lungensimulatoren

Werden die mechanisch/pneumatischen Elemente durch Gasaustausch, nicht-lineare Compliance, kollabierbar und rekrutierbare Volumina, Toträume, Shunt, Herz-Lungen Interaktion etc. erweitert, dann spricht man von komplex/physiologischen Lungensimulatoren. Die Ventilation der Lungen steuert hier die physiologische Reaktion des Systems, je nachdem wie die einzelnen Parameter eingestellt werden. Die folgende Gleichung ist für den Gasaustausch von Bedeutung:

$V'_{A}=(V_{t}-V_{d})\cdot AF$

wobei

$V'_{A}={\dot {V}}_{A}$ die alveoläre Ventilation als Änderung des Lungenvolumens in Abhängigkeit von der Zeit,

$V_{t}$ das Tidalvolumen,

$V_{d}$ der anatomische oder serielle Totraum und

$AF$ die Atemfrequenz sind.

Die Variablen sind hier das Tidalvolumen und die Atemfrequenz.

Zu den Parametern gehören unter anderem:

• $C_{L}$: Lungen-Compliance
• $V_{d}$: anatomischer oder serieller Totraum
• $V'_{CO_{2}}$ und $V'_{O_{2}}$: CO₂ Produktion und O₂ Verbrauch
• $C_{W}$: Chest wall Compliance
• $F_{iO_{2}}$: Konzentration des eingeatmeten Sauerstoffs O₂

In Kombination mit der obigen „Equation of Motion“, kann mit der Gasaustauschgleichung der Partialdruck von CO₂ und O₂ im arteriellen Blut berechnet werden. Simuliert man dazu noch den ineffektiven Gasaustausch in kollabiertem Lungengewebe, so kann die pathologische Beimischung von venösem Blut ebenfalls berechnet werden. In Summe erhält man so einen Lungensimulator welcher automatisch reagiert. Fügt man eine Regelung der Atmung hinzu so erhält man ein autonomes System, ein autonomer Lungensimulator. Wichtig für diese Art von Simulatoren ist, dass die verwendeten Modelle transparent gemacht werden.