Lungenmodellierung

Mathematische und experimentelle Analyse von Atmungsabläufen

Ziel

Die Inertgasauswaschung (IGW) ist eine mögliche Methode zur Beurteilung von Ventilationsinhomogenitäten (VI) in den Atemwegen der Lunge unter Verwendung eines eingeatmeten Tracergases, die die Bestimmung charakteristischer Atemwegsparameter und deren Abweichung von physiologischen Werten bei obstruktiven Lungenerkrankungen wie Asthma, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und zystischer Fibrose (CF) ermöglicht. In der klinischen Praxis ist die Anwendung von IGWs begrenzt infolge der komplexen Auswertung und Interpretation der Messdaten. Das Ziel unserer Arbeit ist die Entwicklung eines mathematischen und physikalischen Modells der menschlichen Lunge, um die IGWs bewerten und  diese in eine reproduzierbare und zuverlässige klinische Methode zur Diagnose von obstruktiven Lungenerkrankungen umsetzen zu können.

Mathematisches Modell eines verzweigten Atemwegnetzwerks
Mathematisches Modell eines verzweigten Atemwegnetzwerks

Mathematische Modellierung

Die mathematische Modellierung umfasst sowohl die Simulation als auch den Entwurf. Physikalische Prozesse in der menschlichen Lunge werden mit Hilfe von Gastransportprozessen simuliert, wobei wichtige geometrische Annahmen und Vereinfachungen berücksichtigt werden. Auf dieser Grundlage wird ein Algorithmus entwickelt, um eine virtuelle dreidimensionale Struktur des menschlichen Bronchialbaums zu erzeugen, die aus einem Netzwerk von verzweigten Rohren besteht. Diese virtuelle Struktur wird dann als Vorlage für den 3D-Druck verwendet.

3D-Wachsdruck eines Bronchialbaums mit 3 Generationen
3D-Wachsdruck eines Bronchialbaums mit 3 Generationen

Physikalische Modellierung

Die physikalische Modellierung umfasst die Entwicklung und Herstellung von Prototypen mit geeigneten Materialien, Geometrien und Mechaniken für die Reproduktion der Gasverteilung in der menschlichen Lunge. Es werden verschiedene Produktionsverfahren und Polymere untersucht. Die Komplexität der menschlichen Lungenanatomie, die infolge der zunehmenden (asymmetrischen) Verzweigung der Atemwege mit über 20 Generationen gekennzeichnet ist, wird durch einen modularen Ansatz reduziert. Hierbei werden die größeren und kleineren Bronchien in Abhängigkeit der vorherrschenden konvektiven und diffusiven Transportprozesse unterteilt. Besonders die kleinen Atemwege stellen eine Herausforderung für die Herstellung dar.

Gasmessstand mit Massendurchflusreglern
Gasmessstand mit Massendurchflusreglern

Versuchsanordnungen

Für die Erzeugung von Atemgasgemischen, die tatsächlich (und potentiell) in der klinischen Diagnostik eingesetzt werden, wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der aus Massendurchflussreglern für 6 verschiedene Gase (N2, CO2, O2, Ar, He, SF6), einer Gasmischeinheit und einem Gasanalysesystem einschließlich eines Quadrupol-Massenspektrometers besteht. Dies ermöglicht die Simulation und Analyse von Auswaschtechniken an verschiedenen physikalischen Lungenmodellen, die in diesen Aufbau integrierbar sind und sowohl physiologische als auch patho(physio)logische Zustände nachbilden können.

Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt  Christoph Schmidt
M. Sc.

Christoph Schmidt

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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