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Gesundheit+Medizin

Individuelle Lungenmodelle könnten Leben retten

Mithilfe künstlicher Intelligenz berechnet das System CT-Daten den Zustand der Patientenlunge. Die markierten Bereiche zeigen Schädigungen durch eine Covid-19-Infektion. (Bild: Jakob Richter / TUM)

Akutes Lungenversagen! Bei schweren Verläufen von Covid-19 ist eine künstliche Beatmung oft die letzte Rettung. Doch diese Maßnahme ist riskant: Es drohen lebensgefährliche Überbelastungen des Organs. Wie die Technische Universität München berichtet, könnten zukünftig digitale Modelle der Lungen von Patienten eine individuell anpasste und damit schonende Beatmung ermöglichen.

Die Verfügbarkeit von Beatmungsgeräten ist bekanntlich ein großes Thema in der Corona-Pandemie. Sie müssen für die besonders schlimmen Fälle bereitstehen: Die durch das Coronavirus Sars-CoV-2 ausgelöste Erkrankung Covid-19 kann zu einer schweren Lungenentzündung führen. Ähnlich wie bei einigen anderen Erkrankungen kann es dadurch zu einem akuten Lungenversagen (Acute Respiratory Distress Syndrome, ARDS) kommen. In diesen Fällen kann nur noch eine künstliche Beatmung das Leben der Patienten retten.

Bei diesem Verfahren wird der Patient in Narkose versetzt und bekommt einen Schlauch in die Luftröhre, durch den ein Gerät Luft in das Organ drückt, um den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid weiter zu ermöglichen. Doch so simpel, wie sich das anhören mag, ist dieses Verfahren nicht. Denn die Lunge ist ein sehr empfindliches Organ: Verursacht die künstliche Druckbelastung dauerhaft Überdehnungen, kann es zu weiteren lebensbedrohlichen Entzündungsreaktionen kommen. Deshalb muss der Beatmungsdruck individuell und je nach Zustand des Patienten angepasst werden.

Heikle Notmaßnahme

Um die optimale Beatmung einzustellen, stehen den Ärzten bisher allerdings nur ungenaue Informationen zur Verfügung. „Bisher hatten die Behandelnden keine Möglichkeit, eine Überdehnung zu erkennen. Von der Luftröhre bis in die feinsten Verästelungen besitzt die Lunge mehr als 20 Stufen der Verzweigung, und es gibt keine Messmethode, um festzustellen, was auf der Mikroebene der Lunge während der Beatmung passiert“, sagt Wolfgang Wall von der Technischen Universität München. Die mechanischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Gewebearten, der strömenden Luft und dem Flüssigkeitsfilm auf dem Gewebe sind extrem komplex, sagt der Wissenschaftler.

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Er und sein Team arbeiten deshalb bereits seit Jahren an immer detaillierteren Darstellungsmöglichkeiten der Lunge. Sie basieren auf Simulationen des Verhaltens von Gewebe und Luftstrom sowie auf mikromechanischen Versuchen an realen Gewebeproben. Ihre Arbeiten haben mittlerweile zu einem hochkomplexen digitalen Lungenmodell geführt, das Rückschlüsse auf individuelle Merkmale ermöglichtn. Dazu muss zunächst ein Computer-Tomogramm des Brustkorbs durchgeführt und ein Atemzug des Patienten analysiertwerden. Aus den Daten errechnet das Computermodell mittels künstlicher Intelligenz dann das Lungenvolumen. Es kann zudem den Zustand einzelner Lungenbereiche erkennen, die durch die Erkrankung bereits geschädigt sind.

Ein digitaler Zwilling der Patientenlunge entsteht

Das System kann dadurch detailliert aufzeigen, welche Einstellungen des Beatmungsgeräts zu welchen Belastungen auf der Mikroebene in der Lunge führen. Behandelnde können den Batmungsdruck somit entsprechend genau anpassen. Bisher ist hingegen der klinische Standard, die Einstellungen für die Beatmung anhand einer vom Körpergewicht ausgehenden Faustformel zu bestimmen.

„Über 80 Prozent der Todesfälle infolge von Covid-19 sind auf akutes Lungenversagen zurückzuführen. Bei längerfristiger künstlicher Beatmung von Patienten sinkt die Überlebensrate derzeit auf etwa 50 Prozent“, sagt Wall. „Ziel unserer Arbeiten ist es, dass in Zukunft an jedem Beatmungsplatz ein digitales Lungenmodell bei der optimalen Einstellung der Beatmung hilft und wir so die Überlebenschance deutlich erhöhen können“, so der Wissenschaftler.

Wie die TU München berichtet, haben die Erfolge der Wissenschaftler nun bereits zu einer Ausgründung geführt: Wall hat mit drei ehemaligen Mitarbeitern und klinischen Partnern das Unternehmen „Ebenbuild“ gegründet. Es soll die Forschungsergebnisse nun schnellstmöglich in die klinische Praxis bringen.

Quelle: Technische Universität München

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