Relativer Beitrag des Tidalvolumens, der Atemfrequenz und des PEEP zur Entstehung einer beatmungsbedingten Lungenschädigung
Relative contribution of tidal volume, respiratory rate and PEEP to the development of ventilator-induced lung injury
by Hannah Grünhagen
Date of Examination:2025-04-24
Date of issue:2025-04-02
Advisor:Prof. Dr. Michael Quintel
Referee:Prof. Dr. Stefan Andreas
Referee:Prof. Dr. Thomas Meyer
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11167
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Format:PDF
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Abstract
English
Due to its high mortality rate, acute respiratory failure in adults is a challenge in intensive care medicine today. The most efficient treatment option is still mechanical ventilation. However, this harbours the risk of ventilation-induced lung injury (VILI). Unphysiological, excessive settings of individual ventilation parameters can cause such lung damage. These include the tidal volume (TV), the respiratory rate (RR) and the positive end-expiratory pressure (PEEP). These components were combined in a single variable, the mechanical power (MP). The present study investigated the contribution of tidal volume, respiratory rate and PEEP to the development of VILI and whether an increase in each of the three variables at the same absolute mechanical power leads to a different functional and/or structural damage pattern of the lung. 42 healthy pigs were mechanically ventilated for 48 hours. The test animals were randomly allocated to the three test groups (High-TV, High-RR and High-PEEP). In each group, the determinant variable was set much higher than the physiological level, while the other ventilation parameters were adjusted so that the resulting MP of all three test groups remained the same. Data on respiratory mechanics, hemodynamics and gas exchange were collected every six hours. Samples from the lungs were histologically fixed and assessed for elementary lesions using light microscopy. It was found that the time course of the variables relating to respiratory mechanics, hemodynamics and gas exchange differed between the three groups. In the High-TV-Group, the typical time course of a VILI was seen with an increase in stress and strain. In addition, the lung damaging ventilation in this group led to an increase in extravascular lung water (EVLW) and a decrease in functional residual capacity (FRC), while the specific lung elastance remained almost constant over the duration of the experiment. For this group, this resulted in a reduced lung volume with preserved intrinsic properties. In the High-RR-Group, ventilation at unphysiologically high frequencies led to the development of an auto-PEEP. The increase in EVLW and lung weight at the end of the experiment was similar compared to the High-TV-Group. The increase in specific lung elastance and the decrease in FRC indicate a progressively reduced lung volume with a loss of elasticity of the lung tissue in this experimental group. The lung-damaging ventilation in the High-PEEP-Group led to a decrease in lung elastance and the pressures in the lungs. The specific lung elastance also decreased, which, together with the likewise reduced FRC, indicates a reduced lung volume with a decrease in the structural load on the lungs. In addition, there were far-reaching hemodynamic impairments in the High-PEEP-Group compared to the other two groups. While the time course of the investigated variables differed between the three experimental groups, the histological findings of lung damage in the three groups were indistinguishable at the end of the experiment. The work shows that each major component of the ventilatory cycle can contribute to the development of lung injury and that hemodynamics also play a key role in the manifestation of ventilator-induced lung injury. With the same mechanical power, the respiratory rate has as great an impact on the development of lung injury as the tidal volume. Despite the different time course, the three variables investigated in the present study resulted in histologically indistinguishable lung damage. Although it is difficult to transfer conclusions from experimental work to clinical scenarios, the present work provides some fundamental insights into the etiology of ventilation-induced lung injury and emphasizes the importance of the mechanical power as a superior ventilation parameter.
Keywords: ventilator-induced-lung-injury; ARDS; VILI; PEEP; mechanical power; lung damage
German
Das akute Lungenversagen des Erwachsenen ist aufgrund seiner hohen Mortalität auch heute noch eine Herausforderung in der Intensivmedizin. Die effizienteste Therapieoption stellt nach wie vor die mechanische Beatmung dar. Diese birgt allerdings das Risiko eines beatmungsinduzierten Lungenschadens (Ventilation-induced Lung Injury, VILI) in sich. Unphysiologische, zu hohe Einstellungen einzelner Beatmungsparameter können eine solche Lungenschädigung hervorrufen. Dies sind unter anderem das Tidalvolumen (TV), die Atemfrequenz (AF) und der Positive end-exspiratorische Druck (Positive End-Expiratory Pressure, PEEP). Diese Komponenten wurden in einer einzigen Variablen, der Mechanischen Energie (Mechanical Power, MP), vereint. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welchen Anteil das TV, die AF und der PEEP an der Entstehung eines VILI haben und ob die Erhöhung je einer der drei Variablen bei gleicher absoluter MP zu einem anderen funktionellen und/oder strukturellen Schadensbild der Lunge führt. Es wurden 42 gesunde Schweine über 48 Stunden maschinell beatmet. Es erfolgte eine randomisierte Zuteilung der Versuchstiere in die drei Versuchsgruppen (High-TV, High-AF und High-PEEP). In jeder Gruppe wurde die jeweils determinierende Variable weit höher als das physiologische Niveau eingestellt, die anderen Beatmungsparameter wurden so angeglichen, dass die resultierende MP aller drei Versuchsgruppen gleich blieb. Alle sechs Stunden wurden Daten zur Atemmechanik, zur Hämodynamik und zum Gasaustausch erhoben. Proben aus der Lunge wurden histologisch fixiert und lichtmikroskopisch hinsichtlich elementarer Läsionen beurteilt. Es zeigte sich, dass der zeitliche Verlauf der atemmechanischen, hämodynamischen und den Gastaustausch betreffenden Variablen zwischen den drei Gruppen unterschiedlich war. In der High-TV-Gruppe zeigte sich der typische zeitliche Verlauf eines VILI mit einem Anstieg von Stress und Strain. Außerdem führte die lungenschädliche Beatmung in dieser Gruppe zu einem Anstieg des extravaskulären Lungenwassers (EVLW) und zu einer Abnahme der funktionellen Residualkapazität (FRC), während die spezifische Lungen-Elastance über die Dauer des Experiments nahezu konstant blieb. Für diese Versuchsgruppe ergab sich folglich ein verringertes Lungenvolumen mit erhaltenen intrinsischen Eigenschaften. In der High-AF-Gruppe führte die Beatmung mit unphysiologisch hohen Frequenzen zur Entstehung eines Auto-PEEP. Die Zunahme an EVLW und das Lungengewicht am Experimenten-Ende glichen dem der High-TV-Gruppe. Der Anstieg der spezifischen Lungen-Elastance und die Abnahme der FRC sprechen für ein progressiv entstandenes verringertes Lungenvolumen mit einem Verlust der Dehnbarkeit des Lungengewebes in dieser Versuchsgruppe. In der High-PEEP-Gruppe wirkte durch die lungenschädliche Beatmung eine sehr hohe Belastung auf die Lunge. Es kam zu einer Abnahme der Lungen- Elastance und der Drücke in der Lunge. Auch die spezifische Lungen-Elastance nahm ab, was zusammen mit der ebenfalls verringerten FRC auf ein verringertes Lungenvolumen mit Abnahme der strukturellen Belastung der Lunge schließen lässt. Zusätzlich kam es in der High-PEEP-Gruppe im Vergleich zu den beiden anderen Gruppen zu weitreichenden hämodynamischen Beeinträchtigungen. Während sich der zeitliche Verlauf der untersuchten Variablen zwischen den drei Versuchsgruppen unterschied, waren die histologischen Befunde der Lungenschäden bei den drei Gruppen am Experimenten-Ende nicht zu unterscheiden. Die Arbeit zeigt, dass jede wichtige Komponente des Beatmungszyklus einen Beitrag zur Entstehung von Lungenschäden leisten kann und dass auch die Hämodynamik eine Schlüsselrolle bei der Manifestation einer beatmungsinduzierten Lungenverletzung spielt. Bei gleicher MP hat die AF eine ebenso große Auswirkung auf die Entstehung eines Lungenschadens, wie das TV. Trotz des unterschiedlichen zeitlichen Verlaufs führten die drei untersuchten Variablen in der vorliegenden Arbeit zu einem histologisch nicht unterscheidbaren Lungenschaden. Obwohl es schwierig ist, Schlussfolgerungen aus experimentellen Arbeiten auf klinische Szenarien zu übertragen, liefert die vorliegende Arbeit einige grundlegende Erkenntnisse zur Genese beatmungsinduzierter Lungenschäden und unterstreicht die Bedeutung der MP als übergeordneter Beatmungsparameter.
Schlagwörter: ARDS; VILI; Mechanical Power; Beatmungsinduzierter Lungenschaden
