Grenzwerte der Mechanical Power für die Entstehung einer akuten beatmungsinduzierten Lungenschädigung

Aßmann, David Jerome

dc.contributor.advisor	Quintel, Michael Prof. Dr.
dc.contributor.author	Aßmann, David Jerome
dc.date.accessioned	2023-07-05T14:56:09Z
dc.date.available	2023-07-28T00:50:11Z
dc.date.issued	2023-07-05
dc.identifier.uri	http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/14754
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9979
dc.format.extent	XX Seiten	de
dc.language.iso	deu	de
dc.subject.ddc	610	de
dc.title	Grenzwerte der Mechanical Power für die Entstehung einer akuten beatmungsinduzierten Lungenschädigung	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Treshold Values of Mechanical Power for Development of Acute Ventilator-Induced Lung Injury	de
dc.contributor.referee	Quintel, Michael Prof. Dr.
dc.date.examination	2023-07-20	de
dc.description.abstractger	Beim Acute respiratory distress syndrome (ARDS) handelt es sich um einen lebensbedrohlichen Zustand des Lungenversagens. Trotz intensiver Forschung ist die Mortalität des ARDS wei-terhin auf hohem Niveau. Die hierbei häufig lebensnotwendige mechanische Beatmung kann die vorbestehende Lungenschädigung in Form einer beatmungsinduzierten Lungenschädigung (ventilator-induced lung injury, VILI) sekundär aggravieren und so zur Mortalität beitragen. Die bisherige Studienlage empfiehlt zur Prävention einer VILI neben der Bauchlagerung die Begrenzung des Tidalvolumens auf 6 ml/kgKG sowie eine Begrenzung des driving pressures auf 15 cmH2O, andere Beatmungsparameter werden bisher nicht berücksichtigt. Die Theorie der Mechanical Power (MP) bietet, basierend auf ingenieurswissenschaftlichen Kon-zepten, einen unifizierenden Parameter und quantifiziert das schädliche Potential der Beatmung anhand der vom Beatmungsgerät abgegebenen Energie. Dabei berücksichtigt die Berechnungsformel alle verwendeten Beatmungsparameter. In der retrospektiven Auswertung vorangegangener Experimente hatten sich Hinweise auf einen Grenzwert von 25 J/min für die Entwicklung eines schweren beatmungsinduzierten Lungenschadens ergeben. Ziel dieser Ar-beit war die prospektive Untersuchung dieses Grenzwertes an einem Großtiermodell. Hierzu wurden 42 gesunde Hausschweine mit einem Gewicht von 24 ± 2 kg randomisiert in 2 Versuchsgruppen mit einer MP von 15 J/min sowie 30 J/min aufgeteilt. Jede Versuchsgruppe bestand aus je drei Untergruppen, in denen die identische MP respektive über ein hohes Tidal-volumen, eine hohe Atemfrequenz oder einen hohen PEEP erzielt wurde. Die Tiere wurden über 48 Stunden in Allgemeinanästhesie nach Studienprotokoll beatmet, dabei wurden alle 6 Stunden respiratorische und hämodynamische Parameter bestimmt. Das Ausmaß der Lungenschädigung wurde primär anhand eines histopathologischen Bewertungsschemas der nach Versuchsende entnommenen Lungenproben beurteilt. Es entwickelte sich durch sowohl die Beatmung mit 15 J/min als auch mit 30 J/min ein schwerer beatmungsinduzierter Lungenschaden, allerdings zeigte sich weder in den histopatho-logischen, noch in den lungenmechanischen oder hämodynamischen Parametern ein signifikan-ter Unterschied im Ausmaß zwischen den Versuchsgruppen. Damit konnten wir den Grenz-wert von 25 J/min als Schwellenwert überraschenderweise nicht bestätigen. In dieser Arbeit variierte innerhalb der Untergruppen mit identischer MP das Tidalvolumen von 10,5 ± 1.2 bis 33,3 ± 5.2 ml/kgKG, beim driving pressure wurden Werte von 9.4 ± 1.1 bis 30,9 ± 5.5 cmH2O erreicht. Interessanterweise war das histologische Ausmaß des Lungenscha-dens über alle Untergruppen hinweg nahezu identisch. Damit war in dieser Arbeit die Mechani-cal Power zur Quantifizierung der Lungenschädigung besser geeignet als die etablierten Parame-ter Tidalvolumen und driving pressure. Dieses Ergebnis unterstützt erneut die Hypothese, dass die schädlichen Eigenschaften der mechanischen Beatmung wesentlich von der Gesamtheit der einwirkenden Energie und vom Zusammenspiel ihrer Bestandteile abhängen und die isolierte Betrachtung eines einzelnen Parameters unzureichend ist. Wesentliche Limitationen dieser Arbeit sind die nicht leitlinienkonforme freizügige Volumen-substitution, welche die Lungenschädigung aggraviert haben könnte, sowie die Verwendung eines „single hit“-Modells, welches zur Induktion einer messbaren Lungenschädigung im ver-suchszeitraum hohe Beatmungsenergien außerhalb der klinischen Routine erforderte. Da auch die doppelte Höhe der MP zu keinem ausgeprägteren Lungenschaden führte, können die Ergebnisse als indirekter Hinweis auf die Existenz eines biomechanischen Grenzwertes interpretiert werden. Bei Überschreitung dieses bisher undefinierten Grenzwertes tritt ein ful-minanter Lungenschaden auf, welcher auch bei einer weiteren Steigerung der Beatmungsener-gie nicht relevant zunimmt. Ein solcher Grenzwert liegt vermutlich deutlich unterhalb des verwendeten niedrigen MP-Levels von 15 J/min. Die Identifikation eines solchen Grenzwertes der MP böte enormes Potential für die Translati-on in die klinische Praxis, so wäre erstmal die Definition eines Fensters der sicheren Beatmung möglich. Hieraus ließe sich weiterführend die Rationale für den Einsatz von extrakorporalen Lungenersatzverfahren ableiten. Zu diesem Aspekt sind weitere Untersuchungen mit niedrige-ren Leveln der Mechanical Power und unter Einbeziehung des Faktors Zeit notwendig.	de
dc.description.abstracteng	Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is a life-threatening condition characterized by lung failure. Despite intensive research, ARDS mortality remains high. Mechanical ventilation, often required to allow survical, can secondary aggravate pre-existing lung damage, leading to ventilator-induced lung injury (VILI) and contributes to mortality. Current evidence recommends limiting tidal volume to 6 ml/kg predicted body weight and driving pressure to 15 cmH2O to prevent VILI, while other ventilator parameters have not been considered. The theory of Mechanical Power (MP) is based on engineering concepts and offers a unifying parameter that quantifies the harmful potential of ventilation by measuring the energy delivered by the ventilator, including all ventilator parameters. Retrospective analysis of previous experiments indicated a threshold value of 25 J/min for the development of severe ventilator-induced lung injury. This study aimed to prospectively investigate this threshold value using a large animal model. Forty-two healthy domestic pigs weighing 24 ± 2 kg were randomized into two experimental groups: one with an MP of 15 J/min and the other with 30 J/min. Each experimental group consisted of three subgroups in which the same MP was achieved using high tidal volume, high respiratory rate, or high positive end-expiratory pressure (PEEP) respectively. The animals were mechanically ventilated according to the study protocol under general anesthesia for 48 hours, with respiratory and hemodynamic parameters measured every 6 hours. The extent of lung damage was primarily assessed using a histopathological scoring system based on lung tissue samples taken after the end of the experiment. Both the 15 J/min and 30 J/min ventilation groups developed severe ventilator-induced lung injury. However, there was no significant difference in the extent of lung damage among the experimental groups in terms of histopathological, lung mechanical, or hemodynamic parameters. Thus, we unexpectedly could not confirm a threshold value of 25 J/min. Within subgroups with identical MP, tidal volume ranged from 10.5 ± 1.2 to 33.3 ± 5.2 ml/kg predicted body weight, and driving pressures ranged from 9.4 ± 1.1 to 30.9 ± 5.5 cmH2O. Interestingly, the histological extent of lung damage was nearly identical across all subgroups. Therefore, Mechanical Power was found to be a better parameter for quantifying lung damage than the established parameters of tidal volume and driving pressure. This result further supports the hypothesis that the harmful effects of mechanical ventilation depend on the total energy applied and the interaction of its components, and the isolated consideration of a single parameter is insufficient. Significant limitations of this study include the liberal fluid substitution, not compliant with current guidelines, which may have aggravated lung damage, and the use of a "single-hit" model requiring high ventilation energies outside of clinical routine to induce a measurable lung injury within the study period. As doubling the MP did not result in more pronounced lung damage, these findings can be interpreted as an indirect indicator of the existence of a biomechanical threshold. Exceeding this undefined threshold leads to fulminant lung injury, which does not significantly increase with further increase in ventilation energy. Such a threshold is likely to be well below the “low” MP level of 15 J/min used in this study. Identifying such a threshold value for MP would bear enormous potential for translation into clinical practice, allowing for the definition of a window of safe ventilation. This would subsequently provide a rationale for the use of extracorporeal lung support techniques. Further investigations using lower levels of Mechanical Power and considering the factor of time are necessary in this regard.	de
dc.contributor.coReferee	Andreas, Stefan Prof. Dr.
dc.subject.ger	Lungenversagen	de
dc.subject.ger	Beatmung	de
dc.subject.ger	Schweine	de
dc.subject.ger	Großtiermodell	de
dc.subject.ger	beatmungsinduzierte Lungenschädigung	de
dc.subject.eng	Mechanical	de
dc.subject.eng	Ventilation	de
dc.subject.eng	Mechanical Power	de
dc.subject.eng	Mechanical Ventilation	de
dc.subject.eng	MP	de
dc.subject.eng	VILI	de
dc.subject.eng	ventilator-induced lung injury	de
dc.subject.eng	Ventilator	de
dc.subject.eng	Power	de
dc.subject.eng	PEEP	de
dc.subject.eng	ventilator strategy	de
dc.subject.eng	ARDS	de
dc.subject.eng	pig	de
dc.subject.eng	animal study	de
dc.subject.eng	Histopathological evaluation	de
dc.subject.eng	lung failure	de
dc.subject.eng	Window of safe ventilation	de
dc.subject.eng	Translational research	de
dc.subject.eng	Biomechanical threshold	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-ediss-14754-4
dc.affiliation.institute	Medizinische Fakultät	de
dc.subject.gokfull	Medizin (PPN619874732)	de
dc.description.embargoed	2023-07-28	de
dc.identifier.ppn	1852119209
dc.notes.confirmationsent	Confirmation sent 2023-07-05T15:15:01	de

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Human- und Zahnmedizin [2999]

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