Kapitel 11

Beatmungsformen


Einführung

In diesem Kapitel sollen einige gebräuchliche Formen der unterstützten Spontanatmung und der Beatmung dargestellt werden. Im einzelnen werden behandelt: CPAP, PEEP, ASB, volumenkonstante und zeitgesteuerte Beatmung (CMV), SIMV, druckkontrollierte und zeitgesteuerte Beatmung (DGV), und BIPAP.


CPAP

Was ist CPAP?

CPAP-Atmung heißt Spontanatmung mit, gegenüber dem Atmosphärendruck, dauerhaft erhöhtem Druck innerhalb der Luftwege und Lunge: engl. Continuous Positive Airway Pressure (Anhaltender Positiver Atemwegs-Druck). Zum Verständnis ist es günstig sich vor Augen zu führen, was bei der normalen Spontanatmung geschieht (Abb.1 und 4). In den Luftwegen und der Lunge ist der Luftdruck erstmal nicht anders als in der Umgebung. Wenn wir einatmen (Inspiration) vergrößern wir, vor allem durch Kontraktion des Zwerchfells, des wichtigsten Atemmuskels, das Volumen des Brustkorbs und erzeugen dadurch einen geringen Unterdruck gegenüber der Außenluft. Aufgrund dieses Druckunterschiedes, der bei ruhiger Spontanatmung weniger als 5 cm Wassersäule beträgt, strömt Luft durch die "Luftwege" (Nase, Mund, Rachen, Trachea, Bronchien) in die Lunge bis dort wieder der Umgebungsdruck herrscht. Zum Ausatmen brauchen wir keine Atemarbeit zu leisten. Die Erschlaffung des Zwerchfells sowie die elastischen Kräfte der Lunge führen zur Verkleinerung des Brustkorbs. Es wird wieder eine geringe Druckdifferenz gegenüber der Umgebung aufgebaut, diesmal aber in umgekehrter Richtung. Dadurch strömt das Atemgas aus der Lunge nach außen: Wir atmen aus (Exspiration). Die Atemfrequenz (Zahl der Atemvorgänge pro Minute) beträgt beim Erwachsenen in Ruhe 12 bis 16 und ist beim Kleinkind ungefähr doppelt so hoch. Eine Abfolge von Einatmung und Ausatmung nennt man Atemzyklus.


Abbildung 1: Spontanatmung

Es ist nun möglich, den Druck innerhalb der Luftwege und Lunge anhaltend über den Atmosphärendruck anzuheben. Wir können dann weiter wie vorher spontan atmen, nur daß die Atemdruckkurve auf ein Niveau oberhalb des Luftdrucks angehoben ist (Abb.2 und 4).


Abbildung 2: CPAP-Atmung


Was ist der Sinn der CPAP-Atmung?

CPAP-Atmung wird aus zwei Gründen angewendet:

1. Vorbeugung und Therapie von Atelektasen,

2. Verminderung der Atemarbeit.

Atelektasen sind kollabierte, das heißt nicht belüftete, Alveolen oder größere Lungenabschnitte. Die Störung wird im Kapitel 10 behandelt. Bei CPAP-Atmung bleiben die Lungen ­ und damit die Alveolen ­ immer etwas mehr gebläht als bei normaler Spontanatmung. Es befindet sich aufgrund des höheren Durchschnittsdrucks immer etwas mehr Gas in der Lunge als bei normaler Spontanatmung. Die funktionelle Residual-Kapazität ist erhöht (Abb.3). Dadurch wird das "Zusammenfallen" von Alveolen am Ende der Ausatmung verhindert. Weniger kollabierte Alveolen bedeuten weniger venöse Beimischung (geringeren Shunt) und damit bessere Sauerstoffaufnahme.



Abbildung 3: Lungenvolumina mit und ohne CPAP


Die Funktionelle Residualkapazität ist die Gasmenge, die nach einer normalen Ausatmung noch in der Lunge verbleibt. Beim Erwachsenen sind das ungefähr 2300 ml. Ein Teil davon kann zusätzlich willkürlich ausgeatmet werden: Das Exspiratorische Reservevolumen.

"Präoxygenisierung": Vor einer geplanten Intubation oder Extubation soll die funktionelle Residualkapazität durch mehrminütiges Atmen von 100 % Sauerstoff weitgehend mit Sauerstoff "gefüllt" werden, das heißt der Luft-Stickstoff wird durch Sauerstoff ersetzt. Während der Atempause zur Intubation oder bei Problemen nach Extubation hat der Körper eine Sauerstoffreserve für ungefähr 5 bis 10 Minuten. Aus der Lunge strömt während dieser Zeit auch während des Atemstillstands Sauerstoff ins Blut.

Atemarbeit: Die Lunge kann man sich wie einen Kinder-Luftballon vorstellen (Abb.3 und 4). Je mehr er aufgeblasen wird, desto höher steigt der Druck im Inneren. Dieser Druckanstieg ist aber nicht gleichmäßig ("linear") sondern hat einen s-förmigen Verlauf. Für die Entfaltung kollabierter oder fast kollabierter Alveolen braucht man einen relativ hohen Druck (links vom Punkt A in Abb.4), die weitere Entfaltung geht dann "leichter" (zwischen den Punkten A und B), bis ­ kurz vor dem "Platzen" ­ der Druck wieder stärker ansteigt (rechts von Punkt B). Die Dehnbarkeit nennt man statische Compliance. Hohe Compliance heißt, daß mit relativ wenig Druck ein relativ großes Volumen in die Lunge gebracht werden kann. Oder anders ausgedrückt: Die Kräfte, die versuchen die Luft aus der Lunge zu drücken, sind relativ gering. Durch CPAP wird die Lunge in den Bereich niedriger Compliance vorgebläht (etwa bis zum Punkt A). In diesem Bereich kann der für die Einatmung erforderliche Unterdruck mit geringerer Anstrengung erzeugt werden, als bei Spontanatmung ohne CPAP. Die muskuläre Atemarbeit ist geringer. Auch der PEEP, der später behandelt wird, bläht die Lunge in diesen Bereich der besseren Dehnbarkeit vor.


Abbildung 4: Compliancekurve, Spontanatmung, und CPAP-Atmung: Die Kurve vom Nullpunkt nach rechts oben zeigt das Verhältnis von Druck und Volumen wenn kein Atemgas fließt (Kurve der statischen Compliance). Um bei Spontanatmung 500 ml einzuatmen muß hier ein Druckunterschied von 9 cmH2O überwunden werden (vom Nullpunkt bis zum Punkt A). Während der Einatmung wird dieser Druck als negativer Druck erzeugt (vom Nullpunkt bis ­- 9 cmH2O). Infolge der Strömungswiderstände und der Trägheit von Lunge und Brustkorb ergibt sich eine "Schleifenform". Beginnt bei CPAP-Atmung der Atemzyklus am Punkt A (CPAP-Druck = 9 cmH2O), so muß der Druckunterschied bis zum Punkt B überwunden werden. Dieser beträgt hier 15 ­ - 9 = 6 cmH2O. Die Atemschleife liegt flacher, die Atemarbeit ist geringer.


Manchmal wird im Umgang mit wachen Patienten so verfahren, als ob CPAP-Atmung (zum Beispiel als Atemtherapie über ein Mundstück) anstrengender wäre als Spontanatmung ohne Überdruck. Aus dem hier dargestellten folgt, daß dieses falsch ist. Wenn CPAP-Atmung den Patienten anstrengt, dann lediglich durch "Nebeneffekte" wie Festhalten des Schlauchsystems oder willkürliches Geschlossenhalten des Mundes. Die eigentliche Atemarbeit ist in jedem Fall geringer. Der wache Patient muß sich allerdings im allgemeinen erst an das "fremde Gefühl" gewöhnen.


Geräte

Ein einfaches und sehr gut funktionierendes System zum Verständnis der CPAP-Atmung ist in Abb.5 schematisch dargestellt. Das System hat keinerlei Widerstände durch Ventile, so daß der Patient völlig frei atmen kann. Ein "Triggern" ist nicht erforderlich. In früheren Jahren wurden solche ­ selbst zusammengebauten ­ Systeme auf vielen Intensivstationen angewendet. Die Mechanik gängiger Narkosegeräte im Modus "spontan/manuell" entspricht auch dieser Anordnung. In neuerer Zeit versuchen die Gerätehersteller dasselbe mittels entsprechender Ausrüstung der Beatmungsgeräte möglich zu machen. Viele der zur Zeit noch in Anwendung befindlichen Geräte sind in dieser Hinsicht mangelhaft. Häufig ist durch Erfordernis der "Triggerung", zu langsame Gaslieferung, und geräteinterne Strömungswiderstände die Atmung erschwert. Nur ein Gerät, das eine ähnlich "ruhige" Atemdruck-Kurve ermöglicht wie in der Abbildung 2 dargestellt, kann als gut geeignet bezeichnet werden. Moderne Geräte erfüllen diese Anforderung im allgemeinen.


Abbildung 5: CPAP-System. Eine beliebige Ein- und Ausatmung ist möglich. Die Eintauchtiefe in das Wassergefäß rechts legt die Höhe des Überdrucks fest.


Wie hoch soll der CPAP-Druck sein?

Ideal wäre die Erstellung einer individuellen Compliance-Kurve (wie in Abb.4) für jeden Patienten. Da das im allgemeinen nicht realisierbar ist, muß man sich auf grobe Abschätzungen und Erfahrungswerte aus wissenschaftlichen Untersuchungen verlassen. Wenn man weitgehend lungengesunde Patienten mit Überdruckwerten im Bereich von 5 cmH2O atmen läßt (prophylaktische CPAP-Atmung) und Intensivpatienten mit bereits erhöhtem Shunt mit etwa 10 cmH2O ("therapeutische CPAP-Atmung"), so wird man im allgemeinen im erwünschten Bereich der Compliancekurve liegen. Für die Höhe des PEEP (siehe unten) gilt das entsprechend.



PEEP

Was ist PEEP?

PEEP leistet für den beatmeten Patienten dasselbe, wie CPAP für den spontan atmenden: Die Lunge wird so vorgebläht, daß die Beatmung sich im Bereich der besten Compliance abspielt. Die Abkürzung PEEP bedeutet (engl.) Positive End Exspiratory Pressure (Positiver End-Exspiratorischer Druck). Alle Formen der Beatmung, die in den folgenden Abschnitten besprochen werden, stellen letztlich während der Einatmung ein "Aufblasen" der Patientenlunge mit anschließender passiver Ausatmung dar. Die passive Ausatmung wird aber bei Anwendung eines PEEP nicht bis zum Erreichen des Druckausgleichs mit der Umgebung geführt (das wäre ZEEP = Zero End Exspiratory Pressure, "Null-End-Exspiratorischer Druck"), sondern es verbleibt ein erhöhter Druck und damit auch ein erhöhtes Volumen in der Lunge. Man könnte auch sagen: Die Ausatmung wird auf "CPAP-Niveau" beendet. Oder: Die Funktionelle Residualkapazität (s. o.) ist erhöht. Die Einstellung der Höhe des PEEP erfolgt nach denselben Kriterien wie die des CPAP-Niveaus. Die Unterschiede liegen ausschließlich in der Inspiration, das heißt in der ganzen oder teilweisen Übernahme der inspiratorischen Atemarbeit durch das Gerät. Die Beatmung bewegt sich über den flachen Bereich der Compliance-Kurve (Abb.6). Die "Schleifenform" entsteht wieder aufgrund der Atemwegswiderstände und der Trägheit von Lungengewebe und Brustkorb.
 


Abbildung 6: Compliancekurve und Beatmung mit PEEP. Die "Beatmungsschleife" liegt über dem flachen Bereich der Compliancekurve zwischen A und B. Der PEEP ist hier 6 cmH2O, der Beatmungsdruck 15 ­ - 6 = 9 cmH2O. Würde die Beatmung vom Nullpunkt ausgehen (ZEEP) wäre für das gleiche Hubvolumen von 750 ml ein Beatmungsdruck von 12 cmH2O erforderlich. Die Beatmungsschleife würde zwischen dem Nullpunkt und Punkt C liegen. Ein wesentlich höherer PEEP wäre auch ungünstig, weil die Beatmung dann zum Teil im steileren Bereich der Compliancekurve (rechts von Punkt B) ablaufen würde.


Wann wird PEEP angewandt?

Bei gestörter Lungenfunktion mit erhöhtem Shunt können mittels PEEP Atelektasen wieder eröffnet werden. Eine Besserung der Sauerstoffaufnahme ist praktisch immer möglich. Da jede Beatmung eine erhöhte Gefahr der Atelektasenbildung beinhaltet, sollten heute Beatmungsformen ohne PEEP nicht mehr angewendet werden (prophylaktische Anwendung von PEEP, zum Beispiel während der Narkose-Beatmung). Für die Höhe des PEEP gilt das über das CPAP-Niveau gesagte entsprechend.

IPPV: Diese häufig gehörte Abkürzung für Beatmung bedeutet Intermittend Positive Pressure Ventilation. Sie stammt aus der Zeit, in der PEEP noch nicht routinemäßig angewendet wurde: Nur während der Inspiration war ein positiver Druck in den Luftwegen. Bei zeitgemäßer Beatmung mit PEEP ist der Druck in den Luftwegen zwar während der Inspiration höher, aber eben auch in der Exspirationsphase nicht Null (ZEEP), sondern auch positiv (PEEP).

Nebenwirkungen

Höherer PEEP führt im allgemeinen zu geringerem Shunt. Allerdings kann der Beatmungs-Spitzendruck in der Lunge ansteigen. Das muß keineswegs so sein, weil durch PEEP die Atelektasenbildung vermindert und die Beatmung in den Bereich der besseren Compliance verschoben wird. So kann mit weniger Druck mehr Volumen in die Lunge "gepumpt" werden. Zu hoher Druck während der Inspiration sollte vermieden werden, weil er das Lungengewebe schädigen kann ("Barotrauma"). Druck und Volumen sollten sich zwischen den Punkten A und B auf der Compliancekurve bewegen (Abb.6). Durch entsprechende Einstellung der Beatmungsparameter (siehe unten) ist dies fast immer möglich.

Die Zunahme des Drucks im Brustraum führt bei PEEP und CPAP zu einer Verminderung des venösen Blut-Rückflusses zum rechten Herzen. Bei Beatmung wird der mittlere Druck im Brustkorb noch zusätzlich durch die Druckanstiege während der Inspiration erhöht. Hämodynamisch gesehen nimmt die Vorlast ab. Dieser relative Volumenmangel muß durch entsprechende Volumentherapie (nach hämodynamischen Meßwerten) ausgeglichen werden. Bei CPAP- oder PEEP-Drucken bis ungefähr 5 cmH2O sind die hämodynamischen Beeinträchtigungen im allgemeinen vernachlässigbar. PEEP und CPAP können auch einen günstigen Einfluß auf das Herzminutenvolumen haben. Ein geringerer Shunt senkt den pulmonalen Gefäßwiderstand. Die Pulmonale Hypoxische Vasokonstriktion (Kapitel 10) wird weniger "in Anspruch genommen".



ASB

Was ist ASB?

Die englische Bezeichnung Assisted Spontaneous Breathing (Assistierte Spontanatmung) gibt das Prinzip von ASB gut wieder. Weitere Bezeichnungen sind: Augmented Spontaneous Breathing (to augment = vergrößern), PSV = Pressure Support Ventilation, und IPS = Inspiratory Pressure Support (to support = unterstützen). Der spontan atmende Patient erhält vom Gerät bei jedem Atemzug eine mehr oder weniger hohe Unterstützung ("Assistenz") seiner Einatemarbeit durch Lieferung eines Überdrucks (Abb.7). Dabei wird in jedem Fall genug Gas geliefert um den Patienten spontan soviel Volumen einatmen zu lassen wie er möchte. Dieser Überdruck wird nur während der Einatmung geleistet. Deshalb ist es notwendig, daß das Gerät den Beginn der Einatmung erkennt. Dies geschieht über Gasfluß- oder Druck-Sensoren. Das Gerät muß auch erkennen wann der Patient "genug" eingeatmet hat und gerne wieder ausatmen würde (Ende der Inspirationsphase). Dafür sind zwei Prinzipien gebräuchlich, die auch parallel angewendet werden können: Drucksteuerung und "Terminal-Flow-Steuerung".  Drucksteuerung: Wenn im System (Schläuche und Patientenluftwege) der vorgegebene ASB-Druck erreicht ist, schaltet das Gerät die Druckunterstützung aus und ermöglicht die Ausatmung.  Terminal-Flow-Steuerung: Sobald der Gasfluß ("Flow") vom Gerät zum Patienten einen bestimmten Wert (nahe Null) unterschreitet, also kaum noch Gas zum Patienten fließt, wird die Druckunterstützung abgeschaltet. Dieses Prinzip ermöglicht eine bessere Anpassung an die tatsächlichen "Einatmungsbedarf" des Patienten.

Für die Unterstützung des spontan atmenden Patienten sind im allgemeinen nur geringe ASB-Drucke (5 bis 10 cmH2O) erforderlich. (Diese Drucke werden zum PEEP addiert.) Der Patient atmet ja im wesentlichen selbst.


Abbildung 7: ASB. Der PEEP bzw. CPAP-Druck beträgt in diesem Beispiel 10 cmH2O, der ASB-Druck 7 cmH2O.

Anwendung von ASB

ASB ist vor allem zur Entwöhnung (engl. weaning) von intensiveren Beatmungsformen (siehe weiter unten) von Vorteil. Nachdem während der Beatmungszeit die Atemarbeit vollständig vom Gerät geleistet wurde, kann mittels ASB die Atemarbeit jedes einzelnen Atemzugs stufenweise wieder vom Patienten übernommen werden.

Bei Patienten mit ausreichendem Atemantrieb kann ASB auch als primäre Beatmungsform zum Einsatz kommen.

Ist ­ - egal aus welchen Gründen ­ - der Patient nicht in der Lage den Hauptanteil der notwendigen Atemarbeit selbst zu erbringen, kann diese fast vollständig vom Gerät übernommen werden. Lediglich der Trigger-Impuls (kurze Einatmungs-Bemühung) ist notwendig. Die Lunge wird nach jedem Triggerimpuls bis zum Erreichen des eingestellten ASB-Kriteriums (s. o.) gebläht und anschließend die Exspiration freigegeben. Wenn der Patient sehr wenig eigene Atemarbeit zu leisten imstande ist, sind für ein ausreichendes Atem-Minuten-Volumen im allgemeinen ASB-Drucke von 15 bis 25 cmH2O (über PEEP) erforderlich. Es handelt sich dann um eine assistierte Beatmung. Für eine möglichst gleichmäßige Lungenbelüftung ist diese Beatmungsform aber ungünstig und Patienten mit derart eingeschränkter Fähigkeit zur Spontanatmung sollten besser mit einer der weiter unten beschriebenen Beatmungsformen behandelt werden.

Während der Entwöhnungsphase muß der Patient den Strömungswiderstand des Tubus zusätzlich zur "normalen" Atemarbeit überwinden. Die Anwendung eines geringen ASB-Drucks kann diese zusätzliche Atemarbeit ausgleichen. Einige neuere Geräte berechnen (aus Gasfluß, Tubusdurchmesser, und Atemzugvolumen) den Strömungswiderstand und gleichen ihn gezielt aus. Dieses Verfahren heißt Automatische Tubus-Compensation (ATC).



Volumenkonstante, zeitgesteuerte Beatmung

Einführung

Diese Beatmungsform ist die zur Zeit (noch?) auf Erwachsenen-Intensivstationen gebräuchlichste. Gleichbedeutende Bezeichnungen sind "kontrollierte Beatmung" und CMV (engl. Continuous Mandatory Ventilation, zu deutsch etwa "Dauernde Zwangsbeatmung"). Bei dieser Beatmungsform wird die gesamte Atemarbeit vom Gerät (Respirator) übernommen. Über die Einstell-Möglichkeiten der verschiedenen "Parameter" kann eine möglichst effektive und schonende Beatmung (Ventilation) angestrebt werden. Die Ziele sind eine möglichst gleichmäßige Belüftung aller Lungenanteile und Beatmung im "günstigen" Bereich der Compliance-Kurve (Abb.6). Dadurch wird die Sauerstoffaufnahme gebessert ohne das Lungengewebe durch zu hohe Drucke zu schädigen. Das Atemminutenvolumen, und damit die CO2-Elimination, ist durch die Geräteeinstellung vorgegeben und konstant.


Beatmungs-Parameter

Hubvolumen (HV, engl. Tidal Volume, TV): Bezeichnet die Atemgasmenge, die bei einem Atemzyklus zuerst in den Patienten hinein und anschließend wieder aus ihm heraus gelangt. Normalerweise ist dabei das ausgeatmete Volumen genau so groß wie das eingeatmete.

Frequenz: Zahl der Atemzyklen pro Minute. Meist wird bei Erwachsenen mit Frequenzen zwischen 10 und 16 beatmet.

Inspiratorischer Flow: Was "Flow" (zu deutsch "Fluß") bedeutet wird manchmal schwer verstanden. Es ist die Geschwindigkeit mit der das Atemgas in die Lunge (inspiratorischer Flow) oder aus der Lunge (exspiratorischer Flow) strömt, gemessen in Liter/Minute. Bei Spontanatmung können wir willkürlich sehr schnell ("forciert") einatmen oder ausatmen, oder eben sehr langsam. Der Asthmatiker atmet aufgrund seiner höheren Atemwegs-Widerstände langsamer aus. Wenn wir "kräftig pusten" atmen wir mit hohem Flow aus. Bei Beatmung ist die Geschwindigkeit mit der das Atemgas zum Patienten strömt (inspiratorischer Flow) am Gerät einstellbar. Bei höherem inspiratorischem Flow gelangt das gleiche Atemzugvolumen in kürzerer Zeit in die Lunge. Wenn wir einen "Beatmungsbeutel" sehr schnell leerdrücken wird der Patient mit hohem inspiratorischen Flow beatmet. Ebenso wenn sich der Balg eines Beatmungsgerätes sehr schnell leert. Es ist dann ein hoher Flow eingestellt worden. (Mit dem "Frischgas-Flow" an Narkosegeräten hat das alles überhaupt nichts zu tun.)

Für den Flow sind Einstellungen um 30 Liter/Minute gebräuchlich. Beispiel: Bei einem Atem-Hubvolumen (TV) von 700 ml und einem Flow von 30 l/min würde man 1,4 sec (= tinflat) benötigen um das TV in die Lunge zu bringen: 30.000 [ml] : 60 [sec] = 700 [ml] : tinflat [sec]  tinflat = (700 x 60) : 30.000 = 1,4 [sec]. Wir nennen diese Zeit Inflationszeit. Ein niedriger Flow ermöglicht im allgemeinen eine Inflation mit niedrigen Drucken. Das eingeatmete Gasvolumen "hat mehr Zeit" um sich gleichmäßig in der Lunge zu verteilen. Um einen niedrigen Flow anwenden zu können, muß die Einatmungszeit ausreichend lang sein. Das heißt das I:E-Verhältnis (siehe nächster Absatz) muß einen hohen Anteil der Inspirationszeit aufweisen.

I:E-Verhältnis und inspiratorisches Plateau: Aus der Frequenz-Einstellung ergibt sich die Länge eines Atemzyklus. I:E legt die anteiligen Zeiten der Inspiration und der Exspiration fest. Beispiel: Frequenz 10/min, I:E = 1:1. Daraus ergibt sich eine Atemzykluszeit von 6 sec, eine Inspirationszeit von 3 sec, und eine Exspirationszeit von ebenfalls 3 sec. Definitionsgemäß dauert die Inspirationszeit vom Beginn der Einatmung bis zum Beginn der Ausatmung. Sind 1,4 sec (siehe Beispiel im vorhergehenden Absatz "Flow") für die Einatmung erforderlich, verbleibt das Atemgas die restlichen 1,6 sec der Inspirationszeit in der Lunge. Diese Zeit nennt man (engl.) "inflation hold" oder "Plateau" oder "inspiratorische Pause". Die Inspirationszeit setzt sich also aus der Inflationszeit und der inspiratorischen Pause zusammen (Abb.8).


Abbildung 8: CMV

Das früher übliche, und auf manchen älteren Respiratoren noch voreingestellte, I:E-Verhältnis 1:2 hat nur noch historische Bedeutung. Zur Ermöglichung eines niedrigen Flows und eines ausreichend langen inspiratorischen Plateaus wird heute meist mit einem Inspirationsanteil von 50 % (I:E = 1:1) oder höher beatmet. Bei stärker geschädigtem Lungengewebe ermöglicht ein I:E-Verhältnis im Bereich von etwa 2:1 häufig noch eine schonende Beatmung. Das I:E-Verhältnis 2:1 ist umgekehrt wie das früher übliche 1:2. Deshalb wird manchmal von "umgekehrtem Atemzeitverhältnis" (engl. Inverted Ratio Ventilation = IRV   )  gesprochen. Dieser Ausdruck ist entbehrlich.


Spitzendruck, Plateaudruck, Flow-Formen

Den höchsten Atemwegsdruck während eines Atemzyklus bezeichnet man als Spitzendruck (engl. peak pressure). Er findet sich im allgemeinen am Ende der Inflation (Abb.8). Anschließend fällt der Druck wieder etwas ab und stabilisiert sich während der Plateauzeit (Plateaudruck). Während der Inflation hat sich das Atemgas noch nicht gleichmäßig in der Lunge verteilt und zusätzlich erhöhen Strömungswiderstände in den Atemwegen den Druck im Patientenschlauchsystem. Der Plateaudruck gibt eher die Dehnbarkeit des Lungengewebes wieder. Diese Dehnbarkeit (statische Compliance) ist bei geschädigter Lunge vermindert. Der Spitzendruck, der ja außerhalb des Patienten gemessen wird, ist ­ aufgrund der Strömungswiderstände ­ höher als der Druck in den Alveolen. Ungeachtet dessen kann davon ausgegangen werden, daß bei hohem Spitzendruck zumindest teilweise auch in tieferen Lungenabschnitten relativ hohe Drucke zu finden sind. Ein Ziel der Beatmungseinstellung sollte deshalb die Vermeidung hoher Spitzendrucke sein, um druckbedingte Schädigungen des Lungengewebes ("Barotrauma") zu vermeiden. Weiter oben wurde bereits dargestellt, daß dies zum Teil durch niedrigen Flow zu erreichen ist. In der Abb.9 sind drei Atemdruck-Kurven im Vergleich zu sehen: Die linke Kurve stellt den höchsten Flow dar, die rechte den niedrigsten. Man kann den Einfluß auf den Spitzendruck deutlich erkennen. Das I:E-Verhältnis und die statische Compliance (Plateaudruck) sind bei allen drei Kurven gleich. Man sieht auch, daß ein niedrigerer Flow zur Verkürzung der Plateauzeit führt.


Abbildung 9: Flow und Spitzendruck

Ein immer anwendbares "Patentrezept" für die Beatmungseinstellung gibt es nicht. Sowohl die langsame und damit schonende Inflation (niedriger Flow) als auch eine längere Plateauzeit (bessere Gasverteilung in der Lunge) haben ihre Vorteile. Wir werden weiter unten sehen, daß neuere Beatmungstechniken (DGV und BIPAP) diese Vorteile kombinieren können.

Dezelerierender Flow: Bei manchen Beatmungsgeräten lassen sich verschiedene "Flow-Formen" wählen. Der herkömmliche Flow ist ein sogenannter "Rechteckflow" oder konstanter Flow: Während der Inflationszeit strömt das Atemgas mit konstanter Geschwindigkeit in die Lunge. Da am Beginn der Einatmung in der Lunge "noch viel Platz ist", ist der erzeugte Druck zuerst niedrig, später aber höher (Vergleich Kinder-Luftballon). Im allgemeinen findet man einen deutlich über dem Plateaudruck liegenden Spitzendruck. Bei der Wahlmöglichkeit "dezelerierender Flow" wird anfangs ein höherer und gegen Ende der Inflation ein niedrigerer Flow geliefert. Dies entspricht besser dem Ansteig des Drucks in der Lunge. Bei dieser Flowform läßt sich der Druck-Gipfel im allgemeinen deutlich reduzieren oder ganz vermeiden (Abb.10).



Abbildung 10: Druckkurve bei dezelerierendem Flow


Praktische Geräte-Einstellung der Inspirationsphase

Atemhubvolumen und Frequenz müssen immer eingegeben werden. Die weiteren Einstellungen von Flow, I:E, und inspiratorischer Pause erfordern ein je nach Gerätetyp verschiedenes Vorgehen. Die Eingabe von zweien dieser drei Parameter legt jeweils den dritten fest. Man braucht in der Praxis keine komplizierten Berechnungen durchzuführen. Das macht das Gerät und zeigt die Werte auf dem Display an. Die hier dargestellten Beispielberechnungen sollen nur zum Verständnis der verschiedenen Beatmungsparameter dienen. Wenn man das grundsätzliche Prinzip verstanden hat, wird man mit der praktischen Einstellung kaum Schwierigkeiten haben.

Einstellmöglichkeit 1:

Flow und I:E  inspiratorische Pause

Beispiel: Einstellungen: f = 10/min, TV = 600 ml, Flow = 30 l/min, I:E = 1:1. Daraus ergeben sich: Zykluszeit: 6 sec, Inspirationszeit: 3 sec. Um 600 ml mit dem gegebenen Flow in die Lunge zu bringen (Inflationszeit) benötigt man 1,2 sec: 30.000 [ml] : 60 [sec] = 600 [ml] : tinflat [sec]  tinflat = (600 x 60) : 30.000 = 1,2 [sec]. Die inspiratorische Pause beträgt also 3 sec minus 1,2 sec = 1,8 sec.

Einstellmöglichkeit 2:

Flow und inspiratorische Pause  I:E-Verhältnis

Beispiel: Einstellungen für Frequenz, Hubvolumen, und Flow wie oben. Weitere Eingabe: inspiratorische Pause = 0,5 sec. Die Inflationszeit errechnet sich wieder zu 1,2 sec (wie oben). Zu diesen 1,2 sec wird die Pausenzeit addiert. Die gesamte Inspirationszeit beträgt somit: 1,2 + 0,5 = 1,7 sec. Da die Zykluszeit wie oben 6 sec beträgt, ergibt sich eine Exspirationszeit von 6 ­ minus 1,7 = 4,3 sec. Das I:E-Verhältnis beträgt also 1,7 : 4,3 = 1 : 2,5.

Einstellmöglichkeit 3:

I:E und I:tinflat  Flow

Beispiel: Hubvolumen 600 ml, Frequenz 10/min, Eingabe I:E = 1:1, Eingabe des Anteils der inspiratorischen Pause an der gesamten Inspirationszeit: 20 %. Die gesamte Inspirationszeit beträgt wieder 3 sec. Davon sind 20 %, also 0,6 sec, inspiratorische Pausenzeit. Für die Inflation bleiben 3 minus 0,6 = 2,4 sec. Daraus kann der Flow errechnet werden: x [ml] : 60 [sec] = 600 [ml] : 2,4 [sec]  x = (600 x 60) : 2,4 = 15.000 [ml]. Der Flow ist also 15 l/min.


"Notfall-Einstellung" des Respirators:

 Frequenz 10/min,

Hubvolumen 10 ml/kg,

I:E = 1:1,

PEEP 5 cmH2O.

Mit diesen Einstellungen kann der Patient erst mal angeschlossen werden. Praktikable weitere Einstellungen (siehe oben) wären: Flow = 30 l/min oder Inspirat. Pausenzeit = 0,5 sec oder Anteil des Plateaus an der Inspirationszeit = 20 %.

Immer auch auf den Patienten gucken ob er auch wirklich beatmet wird! Noch zuverlässiger, ­ im Notfall aber nicht immer vorhanden, ist die Kapnometrie.

Die Kapnometrie (Anzeige der ausgeatmeten CO2-Konzentration) und die Kapnographie (Darstellung als Kurve) zeigen nicht nur sicher an, daß der Patient beatmet wird, sondern auch, daß eine Blutzirkulation vorhanden ist. Wenn kein Blut durch die Lunge fließt, kann auch kein CO2 dorthin transportiert werden.

Es kann nicht ausdrücklich genug davor gewarnt werden, eine fehlende CO2-Anzeige zu ignorieren. Ohne ausgeatmetes CO2 findet keine Ventilation der Lunge statt!

Geräte-Einstellung und BGA: Das Atemminutenvolumen wird immer zuerst nach dem arteriellen CO2 eingestellt (BGA oder endexspiratorische Messung = Kapnometrie), die FiO2 "vorläufig" nach SpO2, später nach arterieller BGA. 

Anzustrebende Werte: ET CO2: ca. 4 kPa, PaCO2: ca. 30 bis 40 mmHg, SpO2: ca. 95 bis 100 %, PaO2: ca. 80 bis 100 mmHg. Die Begriffe sind in den Kapiteln 1 und 10 näher erklärt.

Bei Kindern ist es günstig zuerst das Hubvolumen auf 10 ml/kg einzustellen und die Frequenz auf ungefähr 12 bis 16 pro Minute. Das CO2 wird dann bei Beibehaltung des Hubvolumens über Frequenzänderungen eingestellt. Es sollte möglichst eine druckbegrenzte Beatmungsform, z. B. DGV gewählt werden. Wenn das nicht möglich ist muß die Überdruckbegrenzung des Geräts ­ mit automatischem Abbruch der Inspiration ­ knapp oberhalb des Spitzendrucks eingestellt werden.




SIMV

Historisches

In den Frühzeiten der Beatmungstherapie mußten die Patienten nach der Beatmungszeit durch wiederholte ­ - erst kürzere, dann längere ­ - Spontanatmungsphasen von der Beatmung "entwöhnt" werden (engl. weaning = Entwöhnung). Das war personell aufwendig und stellte für die Patienten eine starke Belastung dar. Die Atemarbeit wurde vollständig entweder vom Gerät oder vom Patienten geleistet.

Die nächste historische Stufe war die Anwendung von CPAP während der Spontanatmungsphasen: Jetzt konnte die Atemarbeit während der Spontanatmung für den Patienten geringer gehalten werden (siehe Abschnitt CPAP).

Die Einführung von IMV (engl. Intermittent Mandatory Ventilation, zu deutsch etwa: Periodische oder unterbrochene Zwangsbeatmung) ermöglichte es, die Spontanatmungs-Phasen auf sehr kurze, aber dafür häufigere, Zeitspannen zu verteilen. Darüber hinaus konnte die Übernahme der Atemarbeit durch den Patienten stufenweise gesteigert werden. Wenn ein Patient zum Beispiel bisher mit 10 Atemzügen pro Minute beatmet war, konnte mittels IMV die Atemfrequenz zuerst auf 8, später auf 6 pro Minute reduziert werden, und so weiter. Die einzelnen Atemzüge behielten ihre Charakteristik bei (Flow, TV, Inspirationszeit, Plateau). In der "freigewordenen" Zeit hatte der Patient die Möglichkeit selbst zu atmen (CPAP-Atmung auf dem PEEP-Niveau). Das Zeitmuster der Zwangsatemzüge war starr vorgegeben und der Patient hatte sich mit seinen Spontanatmungsbemühungen anzupassen. Dies führte gelegentlich zu unkoordinierten (unsynchronisierten) Atemanstrengungen gegen den Respirator. Man ging deshalb bald dazu über, durch Einbau von Triggermechanismen eine weitgehende Anpassung (Synchronisation) des Geräts an die Atemfrequenz des Patienten anzustreben: Synchronized Intermittent Mandatory Ventilation = SIMV.

Was passiert bei SIMV?

In der Abb.11 sehen wir im oberen Teil eine CMV-Beatmungskurve, im unteren Teil wurde der Beatmungsmodus auf SIMV umgeschaltet. Die verbleibenden Beatmungshübe unterscheiden sich nicht von denen bei CMV. Die Frequenz ist ­ in diesem Beispiel ­ auf die Hälfte verringert, also zum Beispiel von 10 auf 5 Atemzüge/Minute. Wir erkennen, daß der Patient diese Zeit zu spontaner CPAP-Atmung nutzt. Auch eine andere spontane CPAP-Atemfrequenz oder gar keine Spontanatmung wären möglich. Wenn ­ entsprechend der eingestellten Frequenz ­ der Zeitpunkt für den nächsten "Zwangsatemzug" gekommen ist, wird vom Gerät ein "Trigger" aktiviert (A in der Abbildung). Die nächstfolgende Inspirationsbemühung des Patienten führt zur Verabreichung eines "Zwangsatemzugs". Der Zeitraum, der für die Trigger-Aktivierung zur Verfügung steht, wird als "Erwartungsfenster" oder "Erwartungszeitraum" bezeichnet (A bis B in der Abbildung, das Gerät "erwartet" eine Einatmungsbemühung des Patienten). Wurde der Trigger bis zum Ende dieses Erwartungszeitraums (Zeitpunkt B) nicht aktiviert, wird der Atemzug unsynchronisiert verabfolgt. Anschließend folgt wieder ein Zeitraum mit der Möglichkeit zur CPAP-Spontanatmung bis zum Beginn des nächsten "Erwartungsfensters" (Punkt C).


Abbildung 11: CMV (oben) und SIMV (unten)


SIMV bietet somit die Möglichkeit Spontan-CPAP-Atmung mit kontrollierter Beatmung (CMV) zu kombinieren. (Bei der Einstellung CMV ist zwischen den "Zwangsatemzügen" keine Spontanatmung möglich. Das Gerät "gibt kein Gas her".)

Im allgemeinen wird man beim Übergang von CMV auf SIMV die bisherige Frequenz zuerst nur gering reduzieren, zum Beispiel von 10 auf 8 Atemzüge pro Minute. Wenn der Patient damit gut zurechtkommt, kann als nächster Schritt auf 6 Atemzüge pro Minute übergegangen werden, und so weiter. Ziel der Reduktion ist die CPAP-Spontanatmung (SIMV-Frequenz = Null). Wie rasch die einzelnen Schritte aufeinander folgen hängt vom Zustand des Patienten und der Dauer der vorhergehenden Beatmung ab: Während nach einer kurzen postoperativen Beatmungsphase von 12 bis 48 Stunden häufig eine Reduktion im Zeitabstand von wenigen Stunden möglich ist, wird dieser Zeitabstand nach einer längeren "Intensivbeatmung" etwa 12 bis 24 Stunden oder noch länger betragen. Ist die Atemarbeit für den Patienten zu hoch ("Hechelatmung", Blutdruck- und Herzfrequenzanstieg, Verschlechterung des Gasaustausches), kann problemlos wieder auf eine höhere Frequenz "zurückgegangen" werden. Gesamt-Atemfrequenzen (spontan plus SIMV) von mehr als 25 pro Minute sind Zeichen einer noch unzureichenden Fähigkeit zur Spontanatmung.

Vorteile von SIMV

Nahezu stufenlose Verringerung der vom Gerät übernommenen Atemarbeit.

Die Vorteile der Parametereinstellung der einzelnen Atemzüge bleiben erhalten: Bei jedem "Zwangsatemzug" können die Vorteile einer optimalen Einstellung von Flow, Plateau, und I:E weiter genutzt werden. Die Lunge wird dabei entfaltet ("gebläht"), was der Neubildung von Atelektasen vorbeugt. Da der Patient die Charakteristik der Atemzüge gewohnt ist, ist die Toleranz im allgemeinen sehr gut.

 Ein minimales Atemminutenvolumen ist garantiert. Auch bei unzureichendem Atemantrieb tritt allenfalls ein geringer Anstieg des PaCO2 auf, solange die SIMV-Frequenz noch ungefähr die Hälfte des eigentlich notwendigen Atemminutenvolumens "abdeckt". Das ist auch günstig, wenn man sich bei der Dosierung von sedierenden (atemdepressiven) Medikamenten einmal "verschätzt".

SIMV ist seit der ­ - historisch später erfolgten ­ - Einführung von ASB (s. o.) teilweise von dieser Beatmungsform verdrängt worden. Wie oben ausgeführt, sollte ASB nur für Patienten angewendet werden, die mit geringen Unterstützungsdrucken eine befriedigende Eigenatmung zeigen. Die Atemfrequenz sollte nicht mehr als 20 bis 25 pro Minute betragen. Wird ASB bei Patienten mit schlechter Lungenfunktion und/oder unzureichender Fähigkeit zur Spontanatmung eingesetzt, kann sich die Sauerstoff-Aufnahmefähigkeit der Lunge wieder verschlechtern. Meist ist dann eine erneute Phase "intensiverer" Beatmung nötig. Diese Probleme werden durch die neuere Beatmungsform BIPAP umgangen, die weiter unten besprochen wird. Bei manchen Geräten ist die kombinierte Anwendung von SIMV und ASB möglich. Die Spontanatemzüge erhalten dann eine Druckunterstützung (ASB).

"The process of weaning should be more a challenge for the clinician rather than the patient!"  "Der Vorgang der Entwöhnung sollte eher für den Kliniker eine Herausforderung darstellen als für den Patienten." Doreen R.G. Browne (1984)

Dieser Satz hat nach mehr als 20 Jahren nichts von seiner Aktualität verloren. Langsames und "vorsichtiges" Weaning verkürzt die gesamte Zeit am Respirator häufig deutlicher und gefährdet den Patienten weniger als eine ungeduldige "Schnell-Entwöhnung", die dann doch nicht zu anhaltendem Erfolg führt. Bei jedem Hinweis auf Überforderung des Patienten ("Hechelatmung", Stresssymptome", Abfall des PaO2 ) sollte großzügig wieder ein "Schritt zurück" erwogen werden.



Druckgesteuerte Ventilation

Die druckgesteuerte und zeitgesteuerte Ventilation (DGV = Druckgesteuerte Ventilation, engl. pressure controlled ventilation = PCV) ist eine Beatmungsform, die eine lange Plateauphase ermöglicht ohne daß diese über einen hohen Spitzendruck (siehe oben) "erkauft" werden muß.

Was geschieht bei DGV?

Zu Beginn eines Atemzyklus wird mittels sehr hohem Flow ein vorgegebener Druck in der Lunge angestrebt. Die geräteinterne Steuerung senkt den Flow automatisch entsprechend dem Druckanstieg ab, so daß eine "Druckspitze" ganz vermieden wird: Spitzendruck = Plateaudruck. Anschließend wird dieser inspiratorische Druck für die Dauer der eingestellten Inspirationszeit beibehalten (Abb.12). Da der inspiratorische Druck der vorgegebene Parameter ist, kann sich bei wechselnder Dehnbarkeit von Brustkorb und/oder Lungengewebe das Atemhubvolumen und damit auch das Atemminutenvolumen geringfügig ändern. DGV ist, im Gegensatz zur oben beschriebenen CMV, nicht "volumenkonstant". Neben Atemfrequenz und I:E muß am Respirator der Inspirationsdruck eingegeben werden. 10 bis 20 cmH2O über PEEP ist eine praktikable "Starteinstellung". Nach Ablesen des damit erreichten Hubvolumens auf dem Display und Kontrolle der Blutgasanalyse (PaCO2) kann der Inspirationsdruck und damit das Atem-Minutenvolumen nachgeregelt werden. Besonders bei schwer geschädigtem Lungengewebe mit sehr niedriger Compliance (ARDS) konnten die früher häufig zu beobachtenden exzessiven Beatmungsdrucke mit weiterer Schädigung des Lungengewebes durch die Einführung von DGV deutlich reduziert werden.


Abbildung 12: Druckgesteuerte Ventilation 


ARDS (engl.)
Adult Respiratory Distress Syndrome:
Lungenversagen des Erwachsenen ­ in Abgrenzung zum historisch früher bekannten Lungenversagen des Frühgeborenen. Manchmal auch einfach als Acute Respiratory Distress Syndrome (Akutes Lungenversagen) gelesen. Es handelt sich um die schwerste Form der Lungenschädigung bei Intensivpatienten. Sie geht mit deutlicher Reduktion der Sauerstoff-Aufnahmefähigkeit und Lungen-Dehnbarkeit (Compliance) einher. Weiteres dazu im Kapitel 13.

DGV oder CMV mit dezelerierendem Flow? Die Abbildungen 10 und 12 sind sehr ähnlich. DGV garantiert die Begrenzung des Spitzendrucks auf den eingestellten Wert, CMV garantiert das eingestellte Hubvolumen. Moderne Geräte ermöglichen auch im CMV-Modus eine sehr schonende Beatmung.



BIPAP

Als letzte soll die "Be-Atmung" mit "Biphasic Positive Airway Pressure" vorgestellt werden. Diese Form der Atemunterstützung vereinigt CPAP-Atmung mit DGV. Der Patient atmet im CPAP-Modus spontan. Die Höhe des CPAP-Drucks bleibt jedoch nicht gleich, sondern wird zwischen 2 Werten laufend geändert (Abb. 13, 14, 15). Daraus ergibt sich auch die gleichbedeutende Bezeichnung BiLevel-Ventilation. Die Länge der einzelnen Druckphasen ("Frequenz" und "I:E"), die Höhe der Druckniveaus, und die Anstiegsgeschwindigkeit vom niedrigen auf das hohe Niveau ("Flow" oder "Flankensteilheit") sind am Gerät einstellbar. Auf dem unteren Niveau kann zusätzlich eine ASB-Unterstützung einprogrammiert werden.

 

Abbildung 13: BIPAP

Die Abbildung 13 zeigt an einem Beispiel den Beatmungsdruckverlauf: Die Spontanatmung kommt in den "kleinen" Schwankungen zum Ausdruck.

Die Einstellungen können ­ - bei geringer Fähigkeit zur Spontanatmung ­ - so gewählt werden, daß letztlich eine DGV-Beatmung resultiert: Hoher Druckunterschied, hohe Frequenz, hoher "Flow" (Abb.14). Der Unterschied zur DGV-Beatmung besteht darin, daß der Patient während des gesamten Atemzyklus "zusätzlich" spontan atmen kann. Bei einer Einstellung wie in Abb.14 wird er sich allerdings im allgemeinen beatmen lassen ohne eigene Bemühungen.


Abbildung 14: BIPAP. "DGV-ähnliche" Einstellung

Am anderen Ende des Einstellungsspektrums steht die fast "reine" CPAP-Atmung mit geringem Druckunterschied und geringer Frequenz der Umschaltung (Abb.15).


Abbildung 15: BIPAP. "CPAP-ähnliche" Einstellung


BIPAP ermöglicht somit bei jedem Ausmaß der Einschränkung der Eigenatmung eine individuell angepaßte Atemunterstützung. Aus der Arbeitsweise ergibt sich eine weitestgehende Vermeidung von Druckschäden der Lunge, ähnlich wie bei DGV. Das Atemminutenvolumen ist nicht konstant. Eine kontinuierliche Überwachung des Minutenvolumens und Kontrollen des PaCO2 oder des endexspiratorischen CO2 sind notwendig.

Zur praktischen Einstellung ist noch zu erwähnen, daß lange Phasen hohen inspiratorischen Drucks vom Patienten schlecht toleriert werden. Wenn ein relativ hohes oberes Druckniveau gewählt wird, sollte die "Wechselfrequenz" mindestens der einer "normalen" Beatmung entsprechen, also bei ungefähr 10/Minute oder höher liegen. Ist die Wechselfrequenz niedriger, muß entweder das obere Druckniveau abgesenkt werden (auf ca. 10 bis 15 cmH2O) oder die Zeitdauer des oberen Niveaus wird zugunsten des unteren Niveaus gekürzt. Es ergibt sich dadurch ein Druckverlauf ähnlich wie bei SIMV.


Fragen zur Selbstkontrolle

Welche Maßnahmen (Einstellungen am Gerät) können den Beatmungs-Spitzendruck verringern?

Welche der in diesem Kapitel beschriebenen Beatmungsformen sind für sehr schwer geschädigte Lungen am geeignetsten?

Welche Beatmungsformen zur teilweisen Übernahme der inspiratorischen Atemarbeit kennen Sie?

Was wissen Sie über den Zusammenhang zwischen Atemarbeit und CPAP?

Was bedeutet die Abkürzung SIMV?

Was ist die "Funktionelle Residualkapazität"?

Spitzendruck und Plateaudruck: Welcher Wert spiegelt eher Dehnbarkeit des Lungengewebes wieder?

Bei Beatmung ist der Druck in den Luftwegen während der Inspiration höher als während der Exspiration. Wie ist das bei CPAP?

... und bei normaler Spontanatmung?

Welche Werte für Frequenz, I:E, und Hubvolumen sind als anfängliche oder "Notfalleinstellung" geeignet?

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