Heterogenität der pulmonalen Perfusion Neue Ergebnisse aufgrund einer fraktalen Analyse

Summary

Regional perfusion of the lung is not distributed homogeneously within the organ. This phenomenon has been explained by the classical concept of West et al. based on the isolated canine lung. The concept stresses the importance of different gravitational forces along the vertical axis of the lung resulting in three zones in which no pulmonary perfusion (zone 1), waterfall-like perfusion (zone 2), and continuous blood flow (zone 3) prevail. In this article, we review recent publications in which observations have been made which cannot be explained by the West model. A new concept of distribution of regional pulmonary perfusion is presented which centers on vascular factors which are better suited to account for observed blood flow heterogeneities. The pulmonary vasculature is composed of repetitions of one structural unit: the vessel bifurcation. Apart from its size, each single bifurcation is similar to all others. The pulmonary vessel tree can, therefore, be considered to be self-similar. Self-similarity has been identified as a design principle of living nature. Self-similar objects can produce heterogeneity which is also self-similar when viewed at different scales of magnification. For measurement of the structure of such objects and their function, i.e., in this case the heterogeneity of pulmonary perfusion, fractal geometry is best suited. Distribution of blood flow within the lung can be described by means of fractal analysis, and all phenomena of perfusion distribution can easily be explained when applying this concept. Furthermore, since the basis of fractal analysis is pulmonary vascular anatomy, it lends itself for the study of blood flow distribution. A major advantage is the independence of fractal parameters from resolution of perfusion measurements. Thus, fractal analysis can be used to compare results that have been obtained using different resolutions and different species. Fractal methods have previously been used in medicine for other purposes. Nonlinear analyses of heart beat variability can predict the onset of malign cardiac dysrhythmias hours before actual appearance in the ECG. Very similar methods applied to electrical brain activity have been shown to allow prediction of epileptical seizures approximately 15 min prior to appearance of clinical symptoms.

Zusammenfassung

Die Durchblutung der Lunge ist nicht gleichmäßig über das Organ verteilt. Bislang wurde dieser Befund durch das West-Konzept erklärt. Dieses geht davon aus, daß die regionale Perfusion bestimmt wird durch die Differenz der vaskulären und alveolären Drucke. Übersteigt der alveoläre Druck den arteriellen Druck, so sistiert der regionale Blutfluß. West et al. postulierten daher 3 Zonen, in denen der pulmonale Blutfluß in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen unterschiedliche Charakteristiken aufweist. In dieser Übersicht werden aktuelle Studien vorgestellt, welche die alleinige Gültigkeit des West-Modells für die pulmonale Perfusionsheterogenität in vivo in Frage stellen. Die Annahme, daß die Heterogenität der Lungendurchblutung hauptsächlich das Ergebnis von Druckgradienten sei, ist nicht ausreichend, um die Realität zu beschreiben. Der pulmonale Gefäßbaum ist strukturell aus einer Grundeinheit – der Gefäßbifurkation – aufgebaut, die sich in verschiedenen Größen immer wieder findet. Abgesehen von ihrer Größe ist jede Gefäßaufzweigung allen anderen Bifurkationen ähnlich. Diese Selbstähnlichkeit ist ein Designprinzip der Natur. Selbstähnliche Objekte werden zweckmäßig mit den Mitteln der fraktalen Geometrie betrachtet. Die beobachtete Verteilung der pulmonalen Durchblutung kann daher mit fraktalen Parametern besser beschrieben werden, als durch den Einfluß der Schwerkraft. Die fraktale Analyse läßt im Gegensatz zum West-Modell zu, alle beobachteten Phänomene der Heterogenität der Durchblutung zu erklären. Sie ist auf den tatsächlichen anatomischen Gegebenheiten aufgebaut und stellt daher die Methode der Wahl zur Untersuchung der Perfusionsverteilung dar. Konventionelle Heterogenitätsparameter sind störanfällig gegenüber Unterschieden der Meßmethodik. Bei zunehmender räumlicher Auflösung wächst die Heterogenität der pulmonalen Perfusion an und verhindert daher standardisierte Vergleiche zwischen verschiedenen Studien. Fraktale Parameter unterliegen dieser Auflösungsabhängigkeit nicht und ermöglichen daher den Vergleich von Ergebnissen, die mit unterschiedlichen Untersuchungstechniken an verschiedenen Spezies gemessen worden sind. Neben fraktalen Analysen der Perfusionsheterogenität wurden diese Methoden auch zur Beurteilung der Variabilität der Schlagfolge des Herzens und der elektrischen Aktivität des Gehirns verwendet. Mittels der Ergebnisse solcher Untersuchungen kann das Auftreten maligner Herzrhythmusstörungen um Stunden und der Beginn von Krampfanfällen um etwa 15 Minuten vorhergesagt werden.