Atmen Atemhilfen Atemphysiologie und Beatmungstechnik Wolfgang Oczenski Unter Mitarbeit von Harald Andel Alois Werba 9., überarbeitete und erweiterte Auflage 279 Abbildungen Georg Thieme Verlag Stuttgart New York
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http:// dnb.d-nb.de abrufbar. 1. Auflage 1993: Blackwell-MVZ, Wien 2., erweiterte Auflage 1996 3., unveränderte Auflage 1996 4., komplett überarbeitete und erweiterte Auflage 2000 5., aktualisierte Auflage 2001 (alle Blackwell Wissenschafts-Verlag Berlin, Wien) 6., unveränderte Auflage 2003: Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart 7., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2006 8., überarbeitete Auflage 2008 1. polnische Auflage 2003 9. Aufl., 2012 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14 70469 Stuttgart Deutschland Telefon: +49/(0)711/8931-0 Unsere Homepage: www.thieme.de Zeichnungen: WEYOU, Leonberg Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe Redaktion: Julia Waldherr, Billigheim Satz: medionet Publishing Services Ltd, Berlin gesetzt aus Adobe Indesign CS5 Druck: L.E.G.O. S.p.A., in Lavis (TN) ISBN 978-3-13-137699-2 1 2 3 4 5 6 Auch erhältlich als E-Book: eisbn (PDF) 978-3-13-152049-4 Wichtiger Hinweis: Wie jede Wissenschaft ist die Medizin ständigen Entwicklungen unterworfen. Forschung und klinische Erfahrung erweitern unsere Erkenntnisse, insbesondere was Behandlung und medikamentöse Therapie anbelangt. Soweit in diesem Werk eine Dosierung oder eine Applikation erwähnt wird, darf der Leser zwar darauf vertrauen, dass Autoren, Herausgeber und Verlag große Sorgfalt darauf verwandt haben, dass diese Angabe dem Wissensstand bei Fertigstellung des Werkes entspricht. Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag jedoch keine Gewähr übernommen werden. Jeder Benutzer ist angehalten, durch sorgfältige Prüfung der Beipackzettel der verwendeten Präparate und gegebenenfalls nach Konsultation eines Spezialisten festzustellen, ob die dort gegebene Empfehlung für Dosierungen oder die Beachtung von Kontraindikationen gegenüber der Angabe in diesem Buch abweicht. Eine solche Prüfung ist besonders wichtig bei selten verwendeten Präparaten oder solchen, die neu auf den Markt gebracht worden sind. Jede Dosierung oder Applikation erfolgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Autoren und Verlag appellieren an jeden Benutzer, ihm etwa auffallende Ungenauigkeiten dem Verlag mitzuteilen. Geschützte Warennamen (Marken) werden nicht besonders kenntlich gemacht. Aus dem Fehlen eines solchen Hinweises kann also nicht geschlossen werden, dass es sich um einen freien Warennamen handelt. Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikro verfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Geleitwort zur 9. Auflage Während die Beatmungstherapie noch vor 10 Jahren als supportive Maßnahme während operativer Eingriffe und der Behandlung kritisch kranker Patienten gesehen wurde, stellt sie heutzutage eine wesentliche Therapiesäule in der Intensivmedizin dar. Die differenzierte Beatmung und Unterstützung der Spontanatmung kann nachweislich eine iatrogene Lungenschädigung und mögliches akutes Lungenversagen verhindern bzw. bei einer erkrankten Lunge die Morbidität und Mortalität verringern. Eine fundierte Kenntnis der Physiologie und Pathophysiologie der Atmung und der daraus ersichtlichen diagnostischen wie therapeutischen Möglichkeiten stellt daher einen wesentlichen Bestandteil der fachlichen Kompetenz von Anästhesisten und Intensivmedizinern dar. Vorliegendes Standardwerk arbeitet diesen Themenkomplex seit nunmehr 19 Jahren strukturiert und klar verständlich auf. Die kontinuierliche und gewissenhafte Aktualisierung, welche nun zur 9. überarbeiteten Auflage führte, geben dem Leser die Gewissheit, seine Fachkenntnis mit diesem Buch auf neuesten Stand zu bringen. Text und Abbildungen jeweils aus einer Hand vermeiden Redundanzen und erlauben auch in der Kürze eine verständliche Einführung in die Thematik und die Darstellung komplexerer Sachverhalte. Ich möchte den Autoren zu diesem Werk gratulieren und wünsche auch dieser Auflage eine sehr weite Verbreitung. Wien, im Januar 2012 Univ.-Prof. Dr. Klaus Markstaller Vorstand der Klinischen Abteilung für Allgemeine Anästhesie und Intensivmedizin, Medizinische Universität Wien 5
Vorwort zur 9. Auflage Fast 20 Jahre sind vergangen, seitdem der im Juli 2011 unerwartet verstorbene Univ.-Prof. Dr. Alois Werba die Idee zu einem Beatmungskompendium geboren hat. Mittlerweile hat sich Atmen Atemhilfen zu einem Standardwerk der Atemphysiologie und Beatmungstechnik entwickelt, welches seit vielen Jahren als Lehrmittel für die Vorbereitung auf die Facharztprüfung für Anästhesiologie und Intensivmedizin von der Österreichischen Gesellschaft für Anästhesiologie, Reanimation und Intensivmedizin (ÖGARI) empfohlen wird. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Intensiv- und Narkosebeatmung so wie des extrakorporalen Gasaustausches, aber auch die große Nachfrage machten innerhalb von nur wenigen Jahren eine komplette Überarbeitung und Erweiterung dieses Lehrbuchs notwendig. Das bewährte Konzept wurde auch bei der 9. Auflage beibehalten: ein didaktisch klar strukturiertes, übersichtliches sowie leicht verständliches kompaktes Lehrbuch, untermauert mit klaren Rechenbeispielen und konkreten Therapievorschlägen. Das Buch orientiert sich am klinischen Praxisalltag und beantwortet wesentliche Fragen zur Atemphysiologie, der perioperativen Lungenfunktion und maschinellen Beatmung im Intensiv- und Anästhesiebereich. Es zeichnet sich vor allem durch seine Praxisnähe aus (nach dem Motto Aus der Praxis für die Praxis ). Mehrfarbige übersichtlich dargestellte Schemata ergänzen den kompakten Text, wichtige Formeln, Textstellen sowie Respiratoreinstellungen, Therapievorschläge und Algorithmen sind grafisch hervorgehoben und in Form von Merke- oder Info-Kästen hinterlegt. Zusätzliche Kapitel wurden in die Neuauflage aufgenommen, bestehende Kapitel wurden komplett überarbeitet und umfassend erweitert. Als Beispiele möchte ich anführen: die präoperative pulmonale Risikoevaluierung, die Beatmungsform Neurally Adjusted Ventilatory Assist (NAVA), der automatische Weaning-Modus SmartCare sowie Verfahren der PEEP-Optimierung. Des Weiteren werden aktuelle Themen erörtert und diskutiert, wie z.b. die Durchführung von Rekruitmentmanövern oder die Entwöhnung vom Respirator auf Basis von stratifizierten Weaning-Protokollen. Die Neuauflage gibt auch einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Verfahren des extrakorporalen Gasaustausches sowie über alternative Beatmungsstrategien wie die superponierte Hochfrequenzjetventilation (SHFJV) bzw. die Hochfrequenzoszillationsventilation (HFOV). Dieses Fachbuch bietet dem Behandlungsteam auf der Intensivstation und im Operationssaal gleichermaßen pathophysiologische Grundlagen und praktische Verfahrensweisen, dem Medizinstudenten bietet es einen leicht verständlichen Überblick über die Atemphysiologie und Lungenfunktion sowie über das Funktionsprinzip der verschiedenen maschinellen Atemhilfen. Die jungen Assistenzärzte 7
Vorwort zur 9. Auflage in der Anästhesie und Intensivmedizin, Inneren Medizin, Pulmologie, Kardiologie, Neonatologie, Pädiatrie sowie Chirurgie und Neurochirurgie/Neurologie finden in Atmen Atemhilfen einen praxisorientierten Begleiter zu dem komplexen Thema der maschinellen Beatmung. Dem Facharzt dient das Buch als Refresher, in dem das Funktionsprinzip neuer Beatmungsmodi wie z.b. Neurally Adjusted Ventilatory Assist (NAVA) oder SmartCare sowie das Funktionsprinzip der verschiedenen Verfahren der extrakorporalen Oxygenierung und Decarboxylierung oder der Hochfrequenzbeatmung erklärt werden. Atmen Atemhilfen mit seinen 279 Farbabbildungen stellt somit einen zuverlässigen und unentbehrlichen Ratgeber in Fragen der maschinellen Beatmung auf der Intensivstation und im Operationssaal dar und nimmt in der Bibliothek vieler Intensivstationen einen festen Platz ein. Über Rückmeldungen in Form von Vorschlägen, Hinweisen und Kritik, die zu einer weiteren Optimierung dieses Lehrbuchs beitragen, würde ich mich sehr freuen. Wien, im Januar 2012 Univ.-Doz. Dr. Wolfgang Oczenski Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird auf die Nennung der weiblichen Form verzichtet. Entsprechende Begriffe gelten im Sinne der Gleichbehandlung für beide Geschlechter. 8
Danksagung An dieser Stelle möchte ich Herrn Univ.-Prof. Dr. Harald Andel für die Erstellung der Farbgrafiken danken. Bei Herrn Univ.-Prof. Dr. Christoph Hörmann möchte ich mich für die Bereitschaft bedanken, seine Erfahrungen auf dem Gebiet der extrakorporalen Membranoxygenierung weiterzugeben. Außerdem möchte ich mich bei Herrn Univ.-Doz. Dr. Martin Wald für den fachlichen Beirat auf dem Gebiet der maschinellen Beatmung in der Neonatologie bedanken. Dank gebührt auch allen Mitarbeitern des Georg Thieme Verlags für die gute Kommunikation und hervorragende Zusammenarbeit. Verlag und Autor wünschen Atmen Atemhilfen auch in Zukunft eine weite Verbreitung und freuen sich über Rückmeldungen und Anregungen für eine nächste Auflage. Wien, im Januar 2012 Univ.-Doz. Dr. Wolfgang Oczenski 9
Anschrift Univ.-Doz. Dr. Wolfgang Oczenski Krankenhaus der Stadt Wien-Hietzing mit neurologischem Zentrum Rosenhügel Abteilung für Anästhesie und Intensivmedizin Karl Landsteiner Institut für Anästhesiologie und Intensivmedizin Wolkersbergenstraße 1 1130 Wien ÖSTERREICH 10
Abkürzungen AaDO 2 Alveolo-arterielle Sauerstoffpartialdruckdifferenz A/C Assist/Control AMV Atemminutenvolumen APRV Airway Pressure Release APV Adaptive Pressure Support RDS Acute Respiratory Distress Syndrom ASB Assisted Spontaneous Breathing ATC Automatic Tube Compensation Bi-Level VG Biphasic Positive Airway Pressure-Level Volume Guarantee BIPAP Biphasic Positive Airway Pressure C Compliance CaO 2 Arterial Oxygen Content Ca-vDO 2 Arteriovenöse Sauerstoffgehaltsdifferenz CC Closing Capacity CMV Controlled Mechanical COPD Chronic Obstructive Pulmonary Disease CPAP Continuous Positive Airway Pressure CPPV Continuous Positive Pressure CT Computertomografie CV Closing Volume CvO 2 Mixed Venous Oxygen Content DO 2 I Oxygen Delivery-Index ECCO 2 -R Extracorporeal CO 2 -Removal ECMO Extracorporeal Membrane Oxygenation Edi electrical activation of diaphragmatic impulse etco 2 Endtidal CO 2 f, AF Atemfrequenz FEV 1 Forciertes expiratorisches Volumen in einer Sekunde FGE Frischgasentkopplung FIO 2 Fraction of Inspired Oxygen FRC Functional Residual Capacity HBO Hyperbare Oxygenierung HFOV High Frequency Oscillation HFV High Frequency HLS Heart Lung Support HPS Hepatopulmonales Syndrom HPV Hypoxische pulmonale Vasokonstriktion ila Interventional Lung Assist ILV Independent Lung IPPB Intermittent Positive Pressure Breathing IPPV Intermittent Positive Pressure IPPV-Assist Intermittent Positive Pressure - Assist IRV Inverse Ratio ISB Intermittierende Selbstbeatmung ISO International Organisation for Standardization LIP Lower Inflection Point LSM Laser Safety Mode MAP Mean Airway Pressure; Mean Arterial Pressure 11
Abkürzungen MMV MPG NAVA NIV NO OI ORC P O,1 PA, Palv PaCO 2 PaO 2 Patm PAV PCV PC-CMV PC-SIMV pecla PEEP PEF PEP Pinsp PIP PLV Pmax Pös Ppl Pplat Mandatory Minute Medizinproduktegesetz Neurally Adjusted Ventilatory Assist Non-Invasive Nitric Oxide Oxygenierungsindex Oxygen Ratio Controller Airway Occlusion Pressure Alveolardruck arterieller Kohlendioxidpartialdruck arterieller Sauerstoffpartialdruck Atmosphärendruck Proportional Assist Pressure-Controlled Pressure Controlled Continuous Mandatory Pressure Controlled-Synchronized Intermittent Positive Pressure Pumpless Extracorporeal Lung Assist Positive Endexpiratory Pressure Peak Expiratory Flow Positive Expiratory Pressure Inspiratory Pressure Peak Inspiratory Pressure Pressure-Limited ; Partial Liquid Maximal Pressure Ösophagusdruck Intrapleuraler Druck, Pleural Pressure Plateaudruck PPeak PPlateau PPS PRVC PSV Ptp PvO 2 Q Q s/q t R RM RQ RSBI SaO 2 S-CMV S-CPPV SHT SIMV S-IPPV SIRS SMI S-ORC SPN SSW SvO 2 tcpo 2 Peak Inspiratory Pressure Plateau pressure Proportional Pressure Support Pressure-Regulated Volume-Controlled Pressure Support Transpulmonaler Druck Gemischt-venöser Sauerstoffpartialdruck Perfusion Intrapulmonaler Rechts- Links-Shunt Resistance Rekruitmentmanöver Respiratorischer Quotient Rapid Shallow Breathing Index Arterielle Sauerstoffsättigung Synchronized Continuous Mandatory Synchronized Continuous-Positive Pressure Schädel-Hirn-Trauma Synchronized Intermittent Mandatory Synchronized Intermittent Positive Pressure Systemic Inflammatory Response Syndrome Sustained Maximal Inspiration Sensitive Oxygen Ratio Controller Spontaneous Schwangerschaftswoche Gemischt-venöse Sauerstoffsättigung transkutaner Sauerstoffpartialdruck 12
Abkürzungen TLC TTI UIP V V A, V alv VALI VC VC-A/C VC-CMV VC-SIMV Total Lung Capacity Tension Time Index Upper Inflection Point Flow Alveoläre Ventilator associated Lung Injury Vital Capacity Volume Controlled-Assist Control Volume Controlled Continuous Mandatory Volume Controlled-Synchronized Intermittent VCV VD/VT VG VIDD VO 2 I VPS VS VT WHO Positive Pressure Volume-Controlled Totraumquotient Volumen-Garantie Ventilator induced diaphragmatic dysfunction Oxygen Consumption index Variable Pressure Support Volume Support Tidal Volume World Health Organisation 13
Inhaltsverzeichnis 1 Anatomie des Respirationstraktes................ 25 1.1 Luftleitungssystem.............................. 25 1.2 Gasaustauschendes System........................ 31 2 Physiologie des Respirations traktes............... 35 2.1 Äußere und innere Atmung........................ 35 2.2 Zusammensetzung der Atemgase.................... 35 2.3 Respiratorischer Quotient......................... 36 2.4 Atemmechanik................................ 37 2.5 Übertragungen der Volumenänderungen des Thoraxraumes auf die Lunge................................. 40 2.6 Unterschiede zwischen Spontanatmung und Beatmung...... 40 2.7 Druckgrößen in der Atemphysiologie und Beatmungstherapie. 42 2.8 Atemmechanische Größen......................... 51 2.8.1 Physikalische Grundlagen.......................... 51 2.8.2 Resistance Maß für den Strömungs widerstand........... 53 2.8.3 Compliance Maß für die Lungendehn barkeit............. 59 Statische Compliance............................. 64 Dynamische Compliance........................... 64 Effektive Compliance............................. 65 Spezifische Compliance............................ 67 Druck-Volumen-Diagramm......................... 68 2.8.4 Atemarbeit................................... 72 2.9 Pulmonaler Gasaustausch......................... 78 2.10 Nachweis von Gasaustauschstörungen................. 86 2.11 Alveolo-arterielle Sauerstoffpartialdruck differenz.......... 87 2.12 Oxygenierungsindex............................. 90 2.13 s-/perfusionsverhältnis.................... 90 2.14 Lungendurchblutung............................ 93 2.14.1 Verteilung der Lungendurchblutung................... 95 2.14.2 Regulation der Lungendurchblutung................... 98 2.14.3 Hypoxische pulmonale Vasokonstriktion (HPV)........... 104 2.15 Totraum Totraumventilation..................... 105 2.16 Intrapulmonaler Rechts-Links-Shunt.................. 110 14