Maschinelle Beatmung

Das Atmungssystem lässt sich in zwei Kompartimente unterteilen:

1. Die Lunge als Gasaustauschorgan
2. Die Atempumpe (Atemmuskulatur, Atemzentrum etc.).

Entsprechend wird die respiratorische Insuffizienz in Lungenparenchymschaden (Oxygenierungsproblem) und Atempumpversagen (Ventilationsproblem) unterteilt.

 Definition

Maschinelle Beatmung: Medizinisches Verfahren zur Unterstützung oder vollständigen Übernahme der Atmungsfunktion einer Person durch ein Beatmungsgerät (Respirator), das die kontrollierte Zufuhr von Sauerstoff und die Entfernung von Kohlendioxid (CO2) sicherstellt.

Vergleich von physiologischer Atmung und maschineller Beatmung

Physiologisch wird bei der Inspiration ein Unterdruck erzeugt, der das Atemgas in die Lunge „saugt“. Bei der maschinellen Beatmung wird im Gegensatz dazu ein Überdruck erzeugt, der das Atemgas in die Lunge „presst“.

Hämodynamische Effekte der maschinellen Beatmung:

• Erhöhter intrathorakaler Druck
• Erhöhter pulmonaler Gefäßwiderstand (PVR)
• Erhöhte rechtsventrikuläre Nachlast
• Erniedrigte rechtsventrikuläre Vorlast
• Erniedrigte linksventrikuläre Vorlast
• Abfall des Herzzeitvolumens

Übersicht über verschiedene Formen der Beatmung

Bei den verschiedenen Unterkategorien der maschinellen Beatmung kann eine grobe Unterscheidung zwischen assistierter und kontrollierter Beatmung vorgenommen werden, wobei diese wiederum volumen- oder druckbasiert sein können.

Im Allgemeinen werden volumen- und druckkontrollierte Beatmungsformen als gleichwertig angesehen, sofern die Grenzwerte der lungenprotektiven Beatmung eingehalten werden.

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	Volumenkontrollierte Beatmung (VCV)	Druckkontrollierte Beatmung (PCV)
Beatmungzyklus
Einstellbare Beatmungsparameter	Atemzugvolumen (AZV, Vt,Tidalvolumen) Beatmungsfrequenz (f) PEEP Inspirations-Exspirations-Verhältnis (I/E)  → Aus dem eingestellten Atemzugvolumen resultiert ein entsprechender Beatmungsdruck (Pinsp) → Drucklimitierung (Pmax)	Inspirationsdruck (Pinsp) Beatmungsfrequenz (f) PEEP Inspirations-Exspirations-Verhältnis (I/E)  → Aus dem eingestellten Inspirationsdruck resultiert abhängig von der Compliance der Lunge das applizierte Atemzugvolumen
Vorteile	Konstantes Atemzugvolumen auch bei intraoperativen pulmonalen Druckveränderungen → z.B. Laparoskopie	Gute Druckkontrolle mit geringerer Gefahr eines Barotraumas Konstantes inspiratorisches Druckplateau und der dezelerierende Flow → Öffnung kollabierter Alveolen
Nachteile	Potentielle Gefahr eines Barotraumas durch hohen Spitzendruck → Es sollte eine Drucklimitierung (Pmax ≤30 mmHg) eingestellt werden	Pulmonale Druckveränderungen können mit schwankenden Atemzugvolumina einhergehen  → Gefahr der Hyper- oder Hypoventilation mit konsekutiver respiratorischer Alkalose oder Azidose Bsp.: Laparoskopie: Kapnoperitoneum führt zu einem erhöhten pulmonalen Druck → Geringeres Atemzugvolumen → Pinsp muss angepasst werden, um eine ausreichende Ventilation zu gewährleisten

PEEP (Positive EndExspiratory Pressure)

• Definition: Positiver Druck, der am Ende der Ausatmung in den Atemwegen aufrechterhalten wird, um die Lungenbelüftung zu verbessern und das Kollabieren der Alveolen zu verhindern
• Vorteile:
  • Verbesserte Oxygenierung der Lunge durch Offenhalten der Alveolen
  • Erhöhte funktionelle Residualkapazität (FRC)
  • Senkung der linksventrikulären Vorlast
  • Verbesserte Compliance
    → Maschinelle Beatmung: geringere Beatmungsdrücke notwendig
    → Bei erhaltener Spontanatmung: reduzierte Atemarbeit
• Nachteile: insbesondere bei hohem PEEP
  • Erhöhter intrathorakaler Druck 
    → Reduzierter venöser Rückstrom zum Herzen → Reduziertes Herz-Zeit-Volumen
    → Erhöhter Hirndruck durch verminderten venösen Abfluss
  • Erhöhter intrapulmonaler Druck
    → Ab einem bestimmten Druckniveau nimmt die Compliance der Lunge wieder ab
    → Barotrauma
• Standardeinstellung: 5–7 mbar

 Info

PEEP beim kardialen Lungenödem

Inspirationsdruck (P_insp)

• Definition: der vom Beatmungsgerät während der Inspiration erzeugte Druck, um die Atemgase in die Lungen zu befördern
• Allgemein:
  • Bei PCV: direkt einstellbar
  • Bei VCV: der Inspirationsdruck resultiert aus dem eingestellten Atemzugvolumen → Drucklimitierung
• Standardeinstellung: ~10–15 mbar (Lungengesunde)

Inspiratorische Sauerstofffraktion (F_iO₂)

• Definition: Volumenanteil von Sauerstoff im eingeatmeten Gasgemisch
• Bereich: 0,21 bis 1,0 (21 % bis 100 %)
• Allgemein:
  • Durch Applikation von 100 % Sauerstoff bei Ein- und Ausleitung kann eine Sauerstoffreserve aufgebaut werden → Verlängert die Zeit bis zum Auftreten einer Hypoxie
  • Resorptionsatelektasen (siehe S. 80)
  • Eine hohe F_iO₂ (>60 %) über mehrere Tage führt durch reaktive Sauerstoffspezies zu Gewebeschädigung und Lungenfibrose

Atemzugvolumen (Vt, Tidalvolumen)

• Definition: während eines Beatmungs- bzw. Atemzyklus ein- und ausgeatmetes Volumen
• Allgemein
  • Bei VCV: direkt einstellbar
  • Bei PCV: Atemzugvolumen resultiert aus eingestelltem Inspirationsdruck (P_insp) und der Compliance der Lunge
• Zielwert: 6–8 ml/kgKG (Ideales Körpergewicht)

Beatmungsfrequenz

• Definition: Anzahl der Atemzüge pro Zeiteinheit (meist Minuten)
• Allgemein
  • Bei Einstellung auf ausreichendes Atemzugvolumen achten
  • Auf Veränderungen der pH und p_aCO₂-Werte bei Hyper- oder Hypoventilation achten
  • Vermeidung von „Air-Trapping“ (Anstieg des endexspiratorischen Lungenvolumens durch zu hohe Atemfrequenz)

 Tipp

Atemfrequenz (min) = 60/Atemzykluszeit (sek). Die Atemzykluszeit ist von Beginn der Inspiration bis Ende der Exspiration. Bsp. Atemzykluszeit von 6 sek: 60/6= 10/min. Die Atemfrequenz beträgt 10 Atemzüge pro Minute.

Inspirations-Exspirations-Verhältnis (I/E, Atemzeitverhältnis)

• Definition: Verhältnis von Inspirationszeit zu Exspirationszeit
• Allgemein
• Physiologisch:
  • Erwachsene: 1:1,5 bis 1:2,5
  • Kindern: 1:1
• Intraoperativ: ~1:1,5 bis 1:2
• Bei Obstruktion (z.B. COPD): bei zu kurzer Exspirationszeit ist bei obstruktiver Lungenerkrankung keine vollständige Ausatmung mehr möglich → Es kann zu einer sukzessiven Überblähung der Lunge kommen („Air-Trapping“)

 Achtung

Eine Beatmung mit umgekehrtem Atmungszeitverhältnis (Inspirationszeit > Exspirationszeit) wird nicht empfohlen.

Flow (Gasflow)

• Inspirationsflow:
  • Flussgeschwindigkeit eines bestimmten Atemvolumens bei Inspiration (l/min)
  • Je größer der Inspirationsflow ist, desto schneller erfolgt die Dehnung der Lunge
• Frischgasflow:
  • Von außen zugeführte Frischgasmenge
  • Bei Ein- und Ausleitung: hoher Frischgasflow (4–6 l/min) wichtig für das rasche An- und Abfluten der Inhalationsanästhetika
  • Intraoperativ: Minimal-Flow-Narkose (Frischgasflow: 0,5 L/min) oder Low-Flow-Narkose (Frischgasflow: 1 l/min) → Reduzierter Verbrauch von Narkosegasen durch Rückatmung

Grundeinstellungen des Beatmungsgeräts:

• Beatmungsform: PCV oder VCV
• PEEP: 5–7 mbar
• P_insp: 10–15 mbar einstellen bzw. anstreben
• F_iO₂
  • Bei Ein- und Ausleitung: 1,0 → Um Sauerstoffreserve aufzubauen
  • Intraoperativ: ~0,4–0,8 (je nach Standard der Klinik und Vorerkrankungen)
• Atemzugvolumen: 6–8 ml/kgKG (Standardgewicht) einstellen bzw. anstreben
• Beatmungsfrequenz: 10–12/min
• I/E: 1:2 (~ Inspirationszeit T_insp= 1,7 sek)
• Frischgasflow: initial 4–6 l/min, im Verlauf reduzieren

Beispielhafte Darstellung eines Monitors eines Beatmungsgeräts

Lungenprotektive Beatmung (bei Acute Respiratory Distress Syndrome/ARDS)

Das Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) ist eine schwere hyperkapnische respiratorische Insuffizienz, die durch eine akute Schädigung der Lunge gekennzeichnet ist. Es ist charakterisiert durch eine erhöhte Permeabilität der alveokapillären Membran, eine Entzündungsreaktion und die Ausbildung eines Lungenödems. Durch eine lungenprotektive Einstellung der Beatmungsparameter sollen beatmungsbedingte Schäden (Baro- oder Volutrauma) vermieden werden.

• VT ≤6 ml/kg Ideales Körpergewicht → Um Volutrauma zu vermeiden
• Endinspiratorischer Spitzendruck: P_max≤30 mbar → Um Barotrauma zu vermeiden
• Inspiratorische Druckdifferenz (=P_max – PEEP) ≤15 mbar
• Zielwerte der Oxygenierung: S_pO₂ 90–94 % bzw. p_aO₂ 60–80 mmHg
• Permissive Hyperkapnie (bis zu p_aCO₂-Werten von ~50-60 mmHg und bis pH von 7,2) tolerierbar zugunsten reduzierter Atemzugvolumina
• F_iO₂ <60 % → Um die Schädigung durch reaktive Sauerstoffspezies zu vermeiden

1. Abfall der Sauerstoffsättigung
2. Auffällige Kapnografiebefunde
3. Bronchospasmus

Abfall der Sauerstoffsättigung

• Initial: F_iO₂ auf 1,0 erhöhen
• „DOPES“ (Ursachen) herausfinden und beheben

 Definition

Kapnografie ist eine Überwachungstechnik, die kontinuierlich den Kohlendioxidgehalt in der Atemluft eines Patienten misst und die Daten grafisch als Kurve (Kapnogramm) darstellt. 

Kapnometrie hingegen bezieht sich auf das einmalige direkte Messung des Kohlendioxid-Gehalts in der ausgeatmeten Luft.

1.Normale Kapnografiekurve

• (1) Abatmung des des Totraumvolumens mit geringem CO₂-Gehalt
• (2) Anstieg: Abatmung CO₂-haltiger Luft aus den Alveolen
• (3) Plateauphase: die Kurve steigt nur noch langsam an die Luft kommt fast ausschließlich aus den Alveolen
  → Der höchste CO₂-Wert wird am Ende des Plateaus erreicht (endtidaler CO₂-Partialdruck/etCO₂)
• (4) In der Inspiration fällt die Kurve fällt steil ab

2. Erniedrigte Kapnografiekurve

• Erklärung: weniger CO₂ wird abgeatmet (<30 mmHg)
• Mögliche Ursachen:
  • Hyperventilation
  • Reduzierter Stoffwechsel (Hypothermie)

3. Erhöhte Kapnografiekurve

• Erklärung: mehr CO₂ wird abgeatmet (>45 mmHg)
• Mögliche Ursachen:
  • Hypoventilation
  • Gesteigerte CO2-Produktion (z.B. maligne Hyperthermie)

4. Schräges Plateau: „Sägezahn- oder Haifischkonfiguration“

• Erklärung: verzögerte Entleerung der Alveolen
• Mögliche Ursachen:
  • Obstruktion (Asthma, COPD)
  • Verlegung von Tubus oder Beatmungsschlauch

5. Unterbrechung des Kurvenverlaufs

• Erklärung: der normale Kurvenverlauf wird durch Einschnitte oder Auslenkungen kurzfristig unterbrochen
• Mögliche Ursachen:
  • Pressen durch Patient:innen
  • Spontanatmungsversuche
  • Druck von außen auf den Thorax (z.B. durch Operateur)

6. Oszillation der Kurve

• Erklärung: pulssynchrone Oszillation während der Inspiration
• Mögliche Ursachen:
  • Mangelnder Frischgasfluss

7. Fehlender Abfall auf die Nullinie

• Erklärung: inspiratorisches CO₂ 
  (CO₂-Rückatmung)
• Mögliche Ursachen:
  • Atemkalk verbraucht
  • Beatmungsgerät falsch konnektiert

8. Abfallen der Kurve

• Erklärung: die anfänglich normale Kurve wird mit jedem Atemzug flacher
• Mögliche Ursachen:
  • Low-Output-Syndrom: Lungenembolie, Myokardinfarkt
  • Ösophageale Fehlintubation (Abatmung von CO₂ aus dem Magen)

• Ursächlichen Reiz stoppen
• F_iO₂ auf 1,0 erhöhen, Frischgasfluss (>10 l/min)
• Manuelle Beatmung 
  → Häufig erschwerte Beatmung
  → „Air-Trapping“ mit fehlender Füllung des Beatmungsbeutels bei Exspiration
• Narkose vertiefen (Propofol, Inhalationsanästhetika)
• Bronchospasmolyse: β2-Sympathomimetika
  • Intravenös: Reproterol (0,09 mg i.v. als langsame Injektion über 30 bis 60 sek)
  • Inhalativ: Salbutamol (1–2 Sprühstöße bei Inspiration über Tube Inhaler)