Tytuł Projektu: Opracowanie optymalnej wentylacji płuc minimalizującej ryzyko urazu płuc wywołanego respiratorem (VILI)

Kierownik Projektu ‒ prof. dr hab. inż. Marek Darowski

Streszczenie

Projekt koncentruje się na badaniach dotyczących mechanizmów wpływu sztucznej wentylacji na niehomogeniczne, patologicznie zmienione płuca.

Celami projektu jest wyraźne poszerzenie wiedzy o obecnym stanie wiedzy na temat czynników ryzyka urazu płuc wywołanego przez respirator (Ventilatory Induced Lung Injury – VILI), spowodowanego przez: barotraumę, wysokie ciśnienie wyjściowe (tzw. napędowe) dostarczane z respiratora, volutraumę, biotraumę i ergotraumę. VILI jest najpoważniejszym efektem ubocznym sztucznej wentylacji płuc. Rezultaty naszych badań pokażą, jakie metody wentylacji lub nastawy respiratora (parametry wentylacji) mogą być najbardziej odpowiednie, aby uniknąć VILI, szczególnie u pacjentów z patologią płuc. Uwzględnione zostaną różne kryteria minimalizacji ryzyka VILI (maksymalne ciśnienie pęcherzykowe, praca oddechowa oraz moc oddechowa).

Od ponad 70 lat, sztuczna wentylacja płuc jest realizowana za pomocą respiratorów mechanicznych, w większości przypadków niewydolności układu oddechowego lub podczas operacji chirurgicznych. Respiratory działają automatycznie, wytwarzając periodycznie dodatnie ciśnienie w drogach oddechowych, co skutkuje stale zmieniającym się dodatnim ciśnieniem w pęcherzykach płucnych. U pacjentów z patologią płuc lub/i w przypadku źle dobranych parametrów wentylacji, takich jak zbyt wysokie ciśnienie wdechowe lub objętość oddechowa, może dojść do tzw. urazu płuc wywołanego respiratorem (VILI), czyli poważnego, czasem śmiertelnego efektu ubocznego wentylacji. Płuca mają właściwości lepkosprężyste, więc stres i napięcie płucne powodujące VILI zależą od ciśnienia wdechowego i prędkości jego zmian, która jest proporcjonalna do przepływu wdechowego. Oznacza to, że moc mechaniczna jako iloczyn ciśnienia wdechowego i przepływu wdechowego dostarczana do płuc jest dobrym wskaźnikiem ryzyka wystąpienia VILI.

W projekcie przyjęto więc tezę, że optymalna metoda wentylacji to taka, która dostarcza żądaną objętość oddechową do płuc przy minimalnej mocy wdechowej. Tak więc celami badawczymi w projekcie są: opracowanie optymalnej metody wentylacji płuc minimalizującej ryzyko wystąpienia VILI oraz ocena skuteczności optymalnej wentylacji płuc na modelu zmienionych patologicznie płuc. Badania kliniczne są kosztowne, czasochłonne i wielu pacjentów jest potrzebnych do badań dla uzyskania statystycznie potwierdzonych wyników badań. Poza tym takie autorytety instytucjonalne jak Komisja Europejska czy Food and Drug Administration (USA) zachęcają badaczy do zmniejszania liczby eksperymentów na zwierzętach i zastępowania ich badaniami in silico, zwłaszcza w fazie przedklinicznej. W przeciwieństwie do badań klinicznych – modelowanie układu respirator-płuca i wykorzystanie symulacji do badania ich interakcji jest tanie, oszczędza czas i generalnie jest łatwe do wykonania dla doświadczonych badaczy wyposażonych w odpowiednie narzędzia eksperymentalne. Bardzo ważne jest również to, że badania na wirtualnych pacjentach, takich jak modele płuc, są pozbawione kwestii etycznych. Dla osiągnięcia celów projektu badania symulacyjne zostaną przeprowadzone na opracowanym w IBIB PAN hybrydowym (pneumatyczno-komputerowym) symulatorze układu oddechowego człowieka, który umożliwia połączenie pompy wentylatora mechanicznego z komputerowym modelem płuc umieszczonym w symulatorze, za pomocą transformatorów impedancji (Fig. 1).

Fig. 1. Układ pomiarowy:hybrydowy symulator oddechowy (część fizyczna) (1), komputer typu PXI,
(National Instruments), w czasie rzeczywistym rozwiązujący  równania numerycznego modelu układu oddechowego (2), komputer służący do sterowania symulatorem (3) i pompą wentylacyjną (4) (IBIB PAN).

Prezentacja posterowe NBC 2025 & PCBBE 2025

1. Urbankowski Tomasz, Kozarski Maciej, Stankiewicz Barbara,  Pasledni Raman, Darowski Marek. Spontaneous Breathing and Mechanical Power Management: Toward Safer Ventilation Practices. Book of Abstracts (P41) of NBC 2025 & PCBBE 2025, June 16-18, 2025, Warsaw, Poland.

2. Pasledni Raman, Kozarski Maciej, Stankiewicz Barbara, Urbankowski Tomasz, Darowski Marek. The influence of the ventilation methods on respiratory variables. Book of Abstracts (P42) of NBC 2025 & PCBBE 2025, June 16-18, 2025, Warsaw, Poland.

Publikacje

1. Marek Darowski, Raman Pasledni, Tomasz Urbankowski, Barbara Stankiewicz, Krzysztof Jakub Pałko, Maciej Kozarski, Krzysztof Zieliński. Reducing the risk of ventilator-induced lung injury through inspiratory pressure and flow adaptation: A proof-of-concept study. Biomedical Signal Processing and Control 115, 2026; 109405, https://doi.org/10.1016/j.bspc.2025.109405 (IF=4.9 (2024); 140 p. MNiW)
2. Urbankowski T., Pasledni R., Darowski M. Mechanical power in mechanical ventilation and its association with ventilator-induced lung injury: A systematic review. Respir Med. 2025 Dec;250:108525. https://doi.org/10.1016/j.rmed.2025.108525. (IF=3.1 (2024); 100 p. MNiW)