Die Analyse komplexer Zusammenhänge durch Modellierung und Simulation hat in der Medizin stark zugenommen. Bei der funktionellen Analyse des respiratorischen Systems bilden Ventilationsmechanik und Gasaustausch zwei wesentliche Schwerpunkte, die sich in komplexen Modellen vereinigen lassen.
Die Identifikation der Parameter eines vereinigten Modells anhand von Messungen bei Patienten liefert differenzierte Informationen über deren Zustand. Die allgemeinen Rahmenbedingungen bei dieser wie bei jeder anderen Identifikation sind philosophischer Natur und werden in einem erkenntnistheoretischen Kapitel behandelt. Schwerpunkte der Identifikation des vereinigen Modells sind: Ventilationsmechanik, anatomischer Totraum und Perfusionsverteilung.:Verzeichnis der Abkürzungen IX
1 Einleitung 1
2 Modellierung und Modelle – die Widerspiegelung der Realität 3
3 Modelle des respiratorischen Systems 11
3.1 Atmung und maschinelle Beatmung 11
3.2 Anatomie 12
3.3 Physiologie 14
3.4 Modelle der Ventilationsmechanik 18
3.5 Modelle für Gasaustausch, -mischung und -transport 21
3.6 Vereinigtes Modell der Ventilationsmechanik und des Gasaustauschs 22
3.7 Modelle und Entscheidungsunterstützungssysteme 23
3.8 Problemstellung und Motivation 25
4 Modellstruktur – Verteilungsmuster lungenphysiologischer Parameter 27
4.1 Grundlagen 27
4.2 Verteilungen lungenphysiologischer Parameter 28
4.3 Approximation – Struktur des vereinigten Modells 30
5 Messungen am Patienten 32
5.1 Vorbereitung 32
5.2 Protokoll 34
6 Ventilationsmechanik 36
6.1 Systemtheoretische Grundlagen der Identifikation 36
6.1.1 Systemtheoretische Ein-/Ausgangsbeschreibung 37
6.1.2 Selektion der Methoden zur Identifikation 38
6.2 Übertragungsfunktionen der Modelle 46
6.2.1 Zeitkontinuierliche Modelle 46
6.2.2 Zeitdiskrete Modelle 48
6.3 Rückrechnung der identifizierten Parameter in physikalische 50
6.4 Gütekriterium, Restriktion und Vergleichsmethode 51
6.5 Ergebnisse der Identifikation 53
6.5.1 Thoraxmechanik 53
6.5.2 Mechanik des respiratorischen Systems 57
6.6 Diskussion 68
7 Anatomischer Totraum 74
7.1 Grundlagen 74
7.2 Identifikation des Anstiegs der Phase III des Exspirogramms 75
7.3 Identifikation des seriellen Totraums 77
7.4 Diskussion 81
8 Perfusionsverteilung und Gasaustausch 84
8.1 Grundlagen 84
8.2 Blutgasmodelle 85
8.3 Modelle des stationären Gasaustauschs 87
8.4 Modell des an die Ventilationsmechanik gekoppelten Gasaustauschs 92
8.5 Diskussion 96
9 Zusammenfassung 99
A Anhang 102
A-1 Fachglossar 102
A-2 Indirekte Messung der Pleuradruckänderung mit ösophagealem Ballon 105
A-3 Grundlagen der multiplen Inertgaseliminationstechnik (MIGET) 106
A-4 Anmerkungen zum Abtasttheorem 108
A-5 Bestimmung der Flow-Sensor-Kennlinie mit einer Kalibrierspritze 109
A-6 Rückrechnung der identifizierten in physikalische Parameter 110
A-7 Dokumentation zum Einfluß der Filterperiodendauer TF auf die Standardabweichung des Identifikationsfehlers 113
Literaturverzeichnis 115The analysis for complex relationships using modeling and simulation in medicine has substantially increased. Ventilation mechanics and gas exchange are the key elements of the functional analysis of the respiratory system and can be united in a complex model.
The parameter identification of the unified model based on patient measurements provides detailed information about the patient's status. The general framework of this and other identifications is philosophical and discussed in an epistemological chapter. The key topics of the identification of the unified model are ventilation mechanics, anatomical dead space, and perfusion distribution.:Verzeichnis der Abkürzungen IX
1 Einleitung 1
2 Modellierung und Modelle – die Widerspiegelung der Realität 3
3 Modelle des respiratorischen Systems 11
3.1 Atmung und maschinelle Beatmung 11
3.2 Anatomie 12
3.3 Physiologie 14
3.4 Modelle der Ventilationsmechanik 18
3.5 Modelle für Gasaustausch, -mischung und -transport 21
3.6 Vereinigtes Modell der Ventilationsmechanik und des Gasaustauschs 22
3.7 Modelle und Entscheidungsunterstützungssysteme 23
3.8 Problemstellung und Motivation 25
4 Modellstruktur – Verteilungsmuster lungenphysiologischer Parameter 27
4.1 Grundlagen 27
4.2 Verteilungen lungenphysiologischer Parameter 28
4.3 Approximation – Struktur des vereinigten Modells 30
5 Messungen am Patienten 32
5.1 Vorbereitung 32
5.2 Protokoll 34
6 Ventilationsmechanik 36
6.1 Systemtheoretische Grundlagen der Identifikation 36
6.1.1 Systemtheoretische Ein-/Ausgangsbeschreibung 37
6.1.2 Selektion der Methoden zur Identifikation 38
6.2 Übertragungsfunktionen der Modelle 46
6.2.1 Zeitkontinuierliche Modelle 46
6.2.2 Zeitdiskrete Modelle 48
6.3 Rückrechnung der identifizierten Parameter in physikalische 50
6.4 Gütekriterium, Restriktion und Vergleichsmethode 51
6.5 Ergebnisse der Identifikation 53
6.5.1 Thoraxmechanik 53
6.5.2 Mechanik des respiratorischen Systems 57
6.6 Diskussion 68
7 Anatomischer Totraum 74
7.1 Grundlagen 74
7.2 Identifikation des Anstiegs der Phase III des Exspirogramms 75
7.3 Identifikation des seriellen Totraums 77
7.4 Diskussion 81
8 Perfusionsverteilung und Gasaustausch 84
8.1 Grundlagen 84
8.2 Blutgasmodelle 85
8.3 Modelle des stationären Gasaustauschs 87
8.4 Modell des an die Ventilationsmechanik gekoppelten Gasaustauschs 92
8.5 Diskussion 96
9 Zusammenfassung 99
A Anhang 102
A-1 Fachglossar 102
A-2 Indirekte Messung der Pleuradruckänderung mit ösophagealem Ballon 105
A-3 Grundlagen der multiplen Inertgaseliminationstechnik (MIGET) 106
A-4 Anmerkungen zum Abtasttheorem 108
A-5 Bestimmung der Flow-Sensor-Kennlinie mit einer Kalibrierspritze 109
A-6 Rückrechnung der identifizierten in physikalische Parameter 110
A-7 Dokumentation zum Einfluß der Filterperiodendauer TF auf die Standardabweichung des Identifikationsfehlers 113
Literaturverzeichnis 11
