Modul 22: Physiologie der künstlichen Beatmung

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1 Modul 22: Physiologie der künstlichen Beatmung Stichworte: Atemvolumina - Atemkapazitäten Atemfrequenz - Compliance Atemwegswiderstand obstruktive/restriktive Ventilationsstörungen Druckverhältnisse während der Inspiration und Exspiration Atemantriebe Kapnometrie Partialdrücke der Atemgase alveolärer Gastaustausch periphere Sauerstoffsättigung des Hämoglobins Lungenkreislauf Lern-Inhalte Die künstliche Beatmung ist ein Verfahren, das bei jeder Vollnarkose eingesetzt wird und in der Intensivmedizin ein wichtiges therapeutisches Verfahren darstellt. Die Aufrechterhaltung der Lungenventilation des Patienten ist dabei vom Anästhesisten oder Intensivmediziner sicherzustellen. Dazu ist es erforderlich, die physiologischen Kenntnisse der Atemmechanik und des pulmonalen Gasaustausches zu beherrschen. Sie bilden die Basis für Durchführung und Überwachung der Beatmung eines Patienten. Ein wesentlicher Unterschied zur physiologischen Atmung besteht bei den (Be-)Atmungsdrücken. Während bei einer physiologischen Atmung die Luft durch die Erzeugung eines Unterdrucks in die Lungen gesaugt wird, gelangt die Luft bei künstlicher Beatmung durch einen Überdruck in die Lungen. Der Beatmungsdruck darf nicht zu hoch sein (<25 mmhg), da sonst die zarte Alveolarmembran verletzt wird und die Lungenkapillaren komprimiert werden. Dieses Modul zeigt, dass die klinisch-praktische Tätigkeit der künstlichen Beatmung den Transfer des physiologischen Kernwissens voraussetzt. Fallbeispiel Klinischer Fall: Eine 25-jährige Frau (1,70 m groß, 65 kg schwer) hat eine Blinddarmentzündung, die operativ versorgt werden muss. Die Operation wird in Vollnarkose durchgeführt. In Vorbereitung für die Narkose werden zunächst bei der Patientin das Kreislauf-Monitoring (EKG, Blutdruckmessung) und der Sensor für die Sauerstoffsättigung (Pulsoxymetrie) angelegt. Vor der Injektion der Narkosemedikamente atmet die Patientin für kurze Zeit über die Beatmungsmaske reinen Sauerstoff (Präoxygenierung). Mit Eintritt der Narkose beatmet der Anästhesist die Patientin zunächst über die Maske. Bei vollständiger Relaxierung wird die Patientin endotracheal intubiert, an das Beatmungsgerät angeschlossen und normoventiliert. Die Beatmung ist problemlos möglich. Der Binddarm soll laparoskopisch entfernt werden. Dazu werden nach den üblichen Vorbereitungen die Operationsinstrumente über kleine Hautschnitte in den Bauchraum eingeführt. Um ideale Operationsbedingungen zu gewährleisten, wird der Bauch mit CO2 "aufgeblasen" und die Patientin in Kopf-Tieflage gebracht. Der Anästhesist stellt als Folge dieser Manöver deutliche Veränderungen der Beatmungsparameter fest und muss umgehend seine Beatmung umstellen, um die Normoventilation wieder zu erreichen. Am Ende der Operation nach dem Entfernen der Operationsinstrumente und dem Ablassen des CO2 aus dem Bauchraum registriert der Anästhesist die umgekehrten Veränderungen der Beatmungsparameter, so dass er diese erneut anpassen muss. Vor der Extubation stellt der Anästhesist sicher, dass der Patient wieder spontan atmen kann und sein Atemantrieb vorhanden ist. 22-1

2 Physiologisches Kernwissen Beginn der Beatmung: Vor der Intubation eines Patienten muss sich der behandelnde Arzt im Klaren darüber sein, welche Parameter am Beatmungsgerät voreingestellt werden müssen. Insbesondere gilt das für das Atemzugvolumen, die Atemfrequenz und den Beatmungsdruck. Denn die Aufrechterhaltung der Normoventilation liegt jetzt ganz in seinen Händen. In der Klinik wird das Atemzugvolumen üblicherweise auf das Körpergewicht bezogen: 6-7 ml/kg Körpergewicht gelten als allgemeine Richtwerte. Das normale Körpergewicht wird berechnet nach: Körpergröße in cm 100. So ergibt sich z.b. für einen normalgewichtigen Patienten, der 180 cm groß ist, ein Atemzugvolumen von ~500 ml. Der physiologische Bereich der Atemfrequenz liegt bei Atemzüge/min, so dass in dem genannten Beispiel ein initiales Atemminutenvolumen von 6 7 L resultiert. Der Beatmungsdruck entspricht dem Druck in den oberen Atemwegen, mit dem das Beatmungsgerät die Luft in die Lunge des Patienten leitet. Er sollte bei einem gesunden Patienten so niedrig wie möglich sein, um das Risiko einer mechanischen Schädigung der Lunge zu minimieren. Übliche Werte liegen meist bei <10 mmhg. Zu hohe Beatmungsdrücke (>25 mmhg) würden zusätzlich die Lungenkapillaren komprimieren und dadurch den An- und Abtransport der Atemgase beeinträchtigen. Überwachung der Beatmung: Oberstes Ziel der Beatmung ist die Normoventilation. D.h. der Gasaustausch des beatmeten Patienten muss so erfolgen wie bei einer natürlichen Atmung, so dass normale Partialdrücke der Atemgase und eine normale Sauerstoffsättigung erzielt werden. Dafür ist die kontinuierliche Überwachung der Atmung des Patienten zwingend erforderlich. Abweichungen von den angestrebten Normwerten können dann sofort erkannt und durch Anpassungen der Einstelungen am Beatmungsgerät korrigiert werden. Die arterielle Blutgasanalyse liefert zwar die genauesten Werte über die Atemgase. Sie ist jedoch ein invasives Verfahren und erlaubt keine kontinuierliche Überwachung. Daher hat sich sog. Kapnometrie als wichtigste Methode zur Überwachung einer Beatmung etabliert. Dabei wird kontinuierlich bei jedem Atemzug der CO 2 -Partialdruck in der Inspirations- und Exspirationsluft gemessen. Von besonderer Bedeutung ist dabei der endexspiratorische pco 2, der dem alveolären pco 2 entspricht und ca. 40 mmhg betragen sollte. Eine Hypoventilation würde sich in der Kapnometrie durch einen zu hohen pco 2 zeigen. Darüber hinaus wird bei einem Patienten die Sauerstoffsättigung mit Hilfe der Pulsoxymetrie kontinuierlich überwacht. Angestrebte Werte liegen bei 97%. Läge die Sauerstoffsättigung bei einem Lungen-gesunden Patienten z.b. bei 90 %, muss man auf Grund der besonderen Form der Sauerstoff-Bindungskurve des Hämoglobins von einem deutlich erniedrigten po 2 ausgehen, so dass die Beatmung dringend zu korrigieren wäre. Unter Berücksichtigung der Werte von Kapnometrie und Pulsoxymetrie müssen die zu Beginn einer Narkose voreingestellten Beatmungsparameter üblicherweise modifiziert und an die Bedürfnisse des jeweiligen Patienten angepasst werden. 22-2

3 Physiologie der künstlichenn Beatmungg Modul 22 Abb. 22-1: Screenshot des Beatmungsmonitors der TestChest. Die gezeigten g Parameter erlauben die Überwachung der Beatmung. Methode Gerät/Material Zwei identische Arbeitsplätze bestehend aus: 1. Intubationskopf 2. TestChest (Lungensimulator) 3. Beatmungsbeutel Abb. 22-2: Versuchsaufbau der TestChest Durchführung Die Teilnehmer dieses Moduls sollen bei der Bedienung des Lungensimulators rotieren, so dass jeder eine Beatmungs-Aufgabe durchführt. Skizzieren Sie die wesentlichen Befunde des Überwachungsmonitors in Ihrem Protokoll. 22-3

4 1. Computer und TestChest werden separat eingeschaltet. Der Ein-Schalter für die TestChest findet sich auf ihrer Rückseite. 2. Nach dem Einschalten des Laptops links auf das Touchpad klicken und zum Anmelden das Passwort eingeben. Dieses liegt am Arbeitsplatz aus. 3. Das weiß hinterlegte Symbol für die TestChest -Software mit dem linken Touchpad anklicken. 4. Es erscheint eine neue Oberfläche. In der unteren Taskleiste das rot hinterlegte Symbol AQAI SIS wählen. 5. In der neuen Oberfläche Show Simulation anklicken. 6. Es erscheint nun der Überwachungsmonitor des Lungensimulators. 7. Wählen Sie in der oberen Menuleiste Select Patient den Patienten Nr. 1 aus. 8. Wählen Sie in der Menu-Leiste Start -> Start Data Acquisition. 9. Über Data Acquisition in der Menu-Leiste können Sie zwischen einer zeitlich komprimierten Darstellung ( Freezing Mode ) und einer Darstellung mit hoher zeitlicher Auflösung ( Continuously ) wählen. 10. Jetzt können Sie die Beatmung mit dem Beatmungsbeutel beginnen. 11. Unten rechts auf dem Überwachungsmonitor ist ein Clear All -Schalter, mit dem sie die Bildschirmdarstellung jeder Zeit während eines Experimentes löschen können. 12. Mit dem Schalter Drucken (unten rechts) wird die aktuelle Bildschirm-darstellung zum Drucker gesendet 22-4

5 Aufgabe 1: Beatmung eines Patienten mit normaler Lungenfunktion: Der Patient ist 180 cm groß und hat ein Körpergewicht von 70 kg. Beatmen Sie den Patienten so lange, bis die Kurven und Messwerte auf dem Überwachungsmonitor stabil sind und der Patient normoventiliert ist. Begründen Sie, an Hand welcher Parameter Sie die Normoventilation erkennen. Berücksichtigen Sie bei Ihren Überlegungen: Inspiration, Exspiration, Atemzug- und Atemminutenvolumen, alveolärer Gasaustausch, Partialdrücke der Atemgase, Druckverhältnisse in der Lunge Notieren Sie die ermittelten Werte für die Normoventilation. Atemzugvolumen: Atemminutenvolumen: Atemfrequenz: Beatmungsdruck: Endexspiratorischer pco 2 : Was ist/sind der/die wichtigste/n Parameter für die Überwachung einer Beatmung? Begründen Sie Ihre Auswahl! 22-5

6 Aufgabe 2: Übernehmen Sie die Werte der Normoventilation aus Aufgabe 1 und verändern Sie 1. das Atemzugvolumen auf die Hälfte, 2. das Atemzugvolumen auf das Doppelte. Beatmen Sie den Patienten so lange, bis sich die Kurven und Messwerte auf dem Beatmungsmonitor stabilisiert haben. Welche Folgen hat die veränderte Beatmung? Durch welches Manöver können Sie die pathologischen Messwerte unter Beibehaltung des veränderten Atemzug-volumens korrigieren? 22-6

7 Aufgabe 3: Übernehmen Sie die Werte der Normoventilation aus Aufgabe 1 und verändern Sie 1. die Atemfrequenz auf 40/min, 2. die Atemfrequenz auf 7/min. Beatmen Sie den Patienten so lange, bis sich die Kurven und Messwerte auf dem Beatmungsmonitor stabilisiert haben. Welche Folgen hat die veränderte Beatmung? Durch welches Manöver können Sie die pathologischen Messwerte unter Beibehaltung der veränderten Atemfrequenz korrigieren? 22-7

8 Aufgabe 4: Übernehmen Sie die Werte der Normoventilation aus Aufgabe 1 und verändern Sie 1. den Beatmungsdruck auf 15 mmhg, 2. den Beatmungsdruck auf 7 mmhg. Beatmen Sie den Patienten so lange, bis sich die Kurven und Messwerte auf dem Beatmungsmonitor stabilisiert haben. Welche Folgen hat die veränderte Beatmung? Durch welches Manöver können Sie die pathologischen Messwerte unter Beibehaltung des veränderten Beatmungs-druckes korrigieren? Können Sie den Beatmungsdruck unabhängig vom Atemzug-volumen variieren? Begründen Sie Ihre Antwort. 22-8

9 Aufgabe 5: Rufen Sie auf der oberen Menuleiste Select Patient den Patienten Nr. 4 aus. Starten Sie den Überwachungsmonitor wie in Aufgabe 1 (Wählen Sie in der Menu- Leiste Start -> Start Data Acquisition ). Beginnen Sie die Beatmung mit einer Frequenz von 14/min und einem Atemzugvolumen von 500 ml. Welche Veränderung bemerken Sie bei der Bedienung des Beatmungsbeutels? Welche Beatmungsparameter haben sich bei diesem Patienten im Vergleich zu dem aus Aufgabe 1 verändert? Beurteilen Sie die Parameter während in der Kurve des Atemzugvolumens die Optionen Auto Scale und absolutes Volumen nacheinander gewählt werden, und fangen Sie dabei mit Auto Scale an. Wie erklären Sie die veränderten Kurvenverläufe auf dem Beatmungsmonitor? Was können die zugrunde liegenden Ursachen dafür sein? Durch welches Manöver können Sie die Parameter den Normalbedingungen annähern? 22-9

10 Aufgabe 6: Rufen Sie auf der oberen Menuleiste Select Patient den Patienten Nr. 3 aus. Starten Sie den Überwachungsmonitor wie in Aufgabe 1 (Wählen Sie in der Menu- Leiste Start -> Start Data Acquisition ). Beginnen Sie die Beatmung mit einer Frequenz von 14/min und einem Atemzugvolumen von 500 ml. Welche Veränderung bemerken Sie bei der Bedienung des Beatmungsbeutels? Welche Beatmungsparameter haben sich bei diesem Patienten im Vergleich zu dem aus Aufgabe 1 verändert? Was können die zugrunde liegenden Ursachen dafür sein? Durch welches Manöver können Sie die Parameter den Normalbedingungen annähern? Fragen zur Diskussion: Wieso darf der Beatmungsdruck nicht auf zu hohe Werte steigen? 22-10

11 Klinisches Kernwissen: Beatmung während einer Narkose Einleitung der Narkose: Während einer Vollnarkose sind die Patienten üblicherweise endotracheal intubiert. Dadurch wird unter anderem sicher gestellt, dass während der Narkose kein regurgitierter Magensaft in die Lunge gelangt und eine Aspirationspneumonie auslöst. Vor der Intubation atmet der Patient reinen Sauerstoff (Präoxygenierung). Dadurch wird in der Lunge ein Sauerstoffspeicher angelegt, der von der Größe der funktionellen Residualkapazität abhängt. Die Präoxygenierung stellt sicher, dass der Patient während der eigentlichen Intubation, wenn er nicht beatmet werden kann, immer noch ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird. Am Ende der Schwangerschaft und bei sehr adipösen Patienten ist die funktionelle Residualkapzität stark vermindert, so dass die Sauerstoffsättigung dieser Patienten während einer Intubation schnell auf niedrige Werte absinken kann. Sie müssen deshalb besonders schnell intubiert werden, um eine potenziell gefährliche Hypoxie zu vermeiden. Beatmung während der Laparoskopie: Kopftieflage und der mit CO2 "aufgeblasene" Bauch haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Beatmung. Bei dieser speziellen Lagerung drücken die Eingeweide gegen das Zwerchfell. Dieser Effekt wird durch den erhöhten intrabdominellen Druck als Folge des aufgeblasenen Bauchs verstärkt. In der Konsequenz muss ein höherer Beatmungsdruck aufgewendet werden, um das normale Atemzugvolumen aufrechtzuerhalten. Der Quotient aus Volumen und Druck, die Compliance, ist erniedrigt. Das Peritoneum stellt eine große Oberfläche dar, über die CO2 während einer Laparoskopie resorbiert wird. Der Anästhesist muss also dafür sorgen, dass nicht nur das im Metabolismus gebildete CO2 abgatmet wird sondern auch das über das Pneumo-Peritoneum zusätzlich resorbierte CO2. Die Herausforderung besteht darin, dass diese zusätzliche Atemleistung unter den erschwerten Bedingungen einer verminderten Compliance erfolgen muss. Um den Beatmungsdruck nicht auf zu hohe Werte ansteigen zu lassen (>25 mmhg), kann das Beatmungsmuster dabei so abgewandelt werden, dass die Patienten mit einer höheren Frequenz und einem geringeren Atemzugvolumen ventiliert werden. Beatmung am Ende der Operation: Die Extubation ist nur möglich, wenn der Patient spontan atmet, also sein Atemantrieb vorhanden ist. Er darf daher zu diesem Zeitpunkt nicht hyperventiliert werden, da bei niedrigem pco2 kein/zu wenig Atemantrieb vorhanden ist. Allerdings muss das Narkosegas vorher trotzdem abgeatmet worden sein. Beatmungsverfahren: Die Beatmungsgeräte können in zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden: Volumenlimitiert und Druck-limitiert. Bei dem Volumen-limitierten Verfahren wird am Beatmungsgerät ein definiertes Volumen voreingestellt, und das Gerät passt den dafür erforderlichen Druck automatisch an. Bei der Druck-limitierten Beatmung wird eine Obergrenze für den Beatmungsdruck festgelegt, und das Gerät leitet Luft in die Lungen des Patienten, bis der voreingestellte Druck erreicht wird. Dieser Druck wird dann bis zum Ende der Inspiration aufrechterhalten