Untersuchung eines Lungenmodells zur Simulation von arteriellen O2- und CO2-Partialdrücken

Zielsetzung Zur Automatisierung der Beatmung von Neugeborenen werden bereits routinemäßig FiO2-Regler eingesetzt, aktuell werden auch Lösungen für eine CO2-geführte Regelung entwickelt [1]. Für die Entwicklung und Validierung solcher Regler werden physiologische Modelle eingesetzt, welche die arteriellen O2- und CO2-Partialdrücke simulieren. Weiterhin können solche Modelle auch zum Training von medizinischen Fachkräften genutzt werden. Vor dem Einsatz solcher Modelle, sollten diese ausführlich evaluiert, und gegebenenfalls Defizite identifiziert werden.

Materialien und Methoden Nach einer Literaturrecherche haben wir ein vorhandenes Lungenmodell für Neugeborene ausgewählt [2] und anhand von Patientendaten evaluiert. Das ausgewählte Modell simuliert ein invasiv beatmetes Neugeborenes. Eingabeparameter sind die Beatmungseinstellungen: Inspiratorischer Maximaldruck (PIP), positiver endexspiratorischer Druck (PEEP), Atemfrequenz und inspiratorische Sauerstofffraktion (FiO2). Patientenbezogen werden das Körpergewicht und die dynamische Compliance (Cdyn) angegeben. Für die Simulation der arteriellen O2- und CO2-Partialdrücke werden vier für die Atmung relevante Kompartimente abgebildet: die Lunge, die Cerebrospinalflüssigkeit, das Gehirn- und das Körpergewebe. Das Modell berücksichtigt außerdem, sind der alveolär-arterielle Sauerstoffgradient und der anatomische Shunt.

Für die Evaluation wurden die simulierten arteriellen O2- und CO2-Partialdrücke mit Messungen aus Blutgasanalysen verglichen, welche als Sekundärdaten aus der BMBF-geförderten Studie NANNI entnommen wurden (FKZ 13GW0292B). Eingeschlossen wurden 11 Patienten, davon 6 Patienten mit Gewicht unter 1kg (Extremly low birth weight (ELBW)), 2 Patienten mit Gewicht zwischen 1,5 und 2,5kg (Low birth weight (LBW)) und 3 Patienten über 2,5kg (Normal birth weight (NBW)). Eine Simulation wird ausgeführt für die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden BGAs. Insgesamt wurden 452 Simulationen durchgeführt, 345 für die Gruppe ELBW, 27 für die Gruppe LBW und 80 für die Gruppe NBW.

Ergebnisse Die Streuung der Abweichungen zwischen simulierten Gas-Partialdrücken und BGAs war hoch. Für einige Simulationen entsprachen die simulierten Partialdrücke nahezu exakt den BGA-Werten, während andere Simulationen Abweichungen im O2- und CO2-Partialdruck von über 200mmHg aufzeigen. Die stärksten Abweichungen wurden bei ELBW beobachtet. Weiterhin erzeugt das Modell für hohe FiO2-Eingabewerte physiologisch unrealistische Sauerstoffpartialdrücke.

Zusammenfassung Die Schätzfehler in der untersuchten Version des Modells legen nahe, dass diese dem geplanten Einsatz entgegenstehen können. Der Effekt von FiO2 auf den O2-Partialdruck kann realistischer modelliert werden, da der Zusammenhang zurzeit rein linear angenommen wird. Die Einbindung der Variabilität von aktuell konstant gehaltenen Parametern des Modells, wie der Metabolismusrate, sollte man in Erwägung ziehen, um diverse Pathologien darzustellen.

Publication History

Article published online:
19 May 2025

• Literatur

• 1 Buglowski M. et al. "Closed-Loop Control of Arterial CO 2 in Mechanical Ventilation of Neonates." 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). IEEE. 2022
• 2 Tehrani FT.. "Mathematical analysis and computer simulation of the respiratory system in the newborn infant.". IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1993; 40: 475-481