Quantifizierung biomechanischer Eigenschaften von Tracheen – Radiologie trifft technische Mechanik

Zielsetzung Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) führt zu auch in der Computertomographie (CT) quantifizierbaren Atemwegsobstruktionen. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es jedoch keine Daten über die mechanischen Eigenschaften von Tracheen und inwieweit sich chronische Lymphozyteninfiltrationen mit begleitendem Remodeling im Rahmen der COPD auf die Atemmechanik auswirken. Erstes Ziel dieser Grundlagenarbeit war es, eine Methodik zu etablieren, Tracheen auf ihre biomechanischen Eigenschaften zu untersuchen und ein CT-basiertes, Finite Elemente Modell zur Simulation von Atemmechanik zu erstellen.

Material und Methoden Vor der Testung von humanem Material wurde die Methodik an Schweinetracheen etabliert. Der initiale Scan erfolgte an einem dual-source CT (Somatom Force, Siemens). Anschließend wurde ein Finite Elemente Modell mit separater Darstellung von Knorpelspangen und ligamentärem Bindegewebe erstellt (Synopsys Simpleware ScanIP). Die biomechanische Messung der Tracheen erfolgte mittels Zugversuchen. Um die unterschiedlichen Materialeigenschaften klassifizieren, wurden in einem separaten Druckversuch einzelne Knorpelspangen isoliert getestet.

Ergebnisse Aus den Zugversuchen konnte aus bis zu 17% Dehnung ein linear elastisches Verhalten der Luftröhren abgeleitet werden. Dies entspricht auch physiologischen Belastungen beim Menschen. Dabei traten Steifigkeiten von 0,151 MPa auf. Höhere Dehnungen führten zu Schädigungen im Gewebe. Aus den Versuchen an Knorpelspangen konnten mittels Parameteridentifikation Materialkennwerte bestimmt werden. Mittels einer zweiten Parameteridentifikation an den Luftröhren selbst konnten damit auch die Eigenschaften des Weichgewebes identifiziert werden.

Schlussfolgerungen In dieser Grundlagenarbeit konnten nicht nur die biomechanischen Eigenschaften einer Säugetiertrachea bestimmt werden, sondern mithilfe der angefertigten CT-Bilder auch das erste, biomechanisch realistische Digitalmodell einer Trachea zur Atemwegssimulation errechnet werden. Dies dient als Grundlage für folgende Humanversuche.

Publication History

Article published online:
11 May 2021