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Effekte wiederholter Erstellung der pulmonalen
Druck-Volumen-Kurve auf
Gasaustausch und Hämodynamik beim
experimentellen Lungenversagen
Von der Medizinischen Fakultät der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Medizin genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Britta Waskowiak
aus
Stolberg
Berichter: Herr Universitätsprofessor Dr. med. Rolf Rossaint
Herr Privatdozent Dr. med. Rolf Dembinski
Tag der mündlichen Prüfung: 19. März 2009 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.
Inhaltsangabe
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ............................................................................................................... 1. EINLEITUNG........................................................................................................................................ 1 1.1 HINTERGRUND DER UNTERSUCHUNG ........................................................................................ 1 1.2 PATHOPHYSIOLOGIE........................................................................................................................ 2 1.3 DARSTELLUNG DER ARDS-LUNGE IN DER COMPUTERTOMOGRAPHIE ............................. 3 1.4 DERZEITIGE THERAPIEANSÄTZE DES ARDS.............................................................................. 4 1.4.1 LUNGENPROTEKTIVE BEATMUNG ............................................................................................ 4 1.4.2. ALVEOLÄRE REKRUTIERUNG.................................................................................................... 4 1.5 DRUCK-VOLUMEN-KURVEN (PV-KURVEN)................................................................................ 6 1.5.1 BEIM LUNGENGESUNDEN............................................................................................................ 6 1.5.2 BEIM ARDS-PATIENTEN................................................................................................................ 8 1.6 PV-KURVE ........................................................................................................................................... 9 2. MATERIAL UND METHODEN ....................................................................................................... 10 2.1 VERSUCHSTIERE ............................................................................................................................. 10 2.2 NARKOSE .......................................................................................................................................... 10 2.3 INSTRUMENTIERUNGEN ............................................................................................................... 11 2.3.1 INVASIV .......................................................................................................................................... 11 2.3.1.1. GRUNDSÄTZLICHES PRINZIP DER MESSWERTAUFNAHME .......................................... 11 2.3.1.2 MESSUNG DES ARTERIELLEN DRUCKS............................................................................... 12 2.3.1.3 MESSUNG DES ZENTRALVENÖSEN UND PULMONALARTERIELLEN DRUCKS.......... 12 2.3.1.4 MESSUNG DES HZV................................................................................................................... 13 2.3.2 NONINVASIVE MEßMETHODEN................................................................................................ 14 2.4 MESSWERTE ..................................................................................................................................... 15 2.4.1 BEATMUNGSPARAMETER ......................................................................................................... 15 2.4.2 PARAMETER DES GASAUSTAUSCHES .................................................................................... 16 2.4.3 PARAMETER DER LUNGENMECHANIK................................................................................... 17 2.4.4 HÄMODYNAMISCHE MESSWERTE........................................................................................... 18 2.4.5 PARAMETER DES PV-TOOLS...................................................................................................... 19 2.4.6 MESSWERTAUFNAHME .............................................................................................................. 20 2.5 EXPERIMENTELLES PROTOKOLL................................................................................................ 21 2.5.1 INDUKTION DES AKUTEN LUNGENVERSAGENS ................................................................. 21 2.5.2 AUFBAU UND ANSCHLÜSSE DER DATENAUFNAHME ........................................................ 22 2.5.3 POSITIONIERUNG UND MESSUNGEN IM CT .......................................................................... 23 2.5.4 GRUNDLINIENMESSUNG ............................................................................................................ 24 2.5.5 PV-TOOL ......................................................................................................................................... 26 2.5.6 POST-PV .......................................................................................................................................... 27 2.6 CT-AUSWERTUNGEN...................................................................................................................... 28 2.7 STATISTIK ......................................................................................................................................... 30
3. ZIEL DER UNTERSUCHUNG.......................................................................................................... 31 4. ERGEBNISSE...................................................................................................................................... 32 4.1 ÜBERSICHT ....................................................................................................................................... 32 4.2 HÄMODYNAMISCHE MESSWERTE VOR UND NACH WIEDERHOLTER PV-KURVENERSTELLUNG ......................................................................................................................... 33 4.3 BEATMUNGSPARAMETER UND BELÜFTUNG VOR UND NACH WIEDERHOLTER PV-KURVENERSTELLUG ............................................................................................................................ 34 4.4 ANHAND DER PV-KURVE ERMITTELTE PARAMETER............................................................ 35 4.5 VERÄNDERUNGEN DER LUNGENVOLUMINA IM CT VOR UND NACH PV-KURVENERSTELLUNG ......................................................................................................................... 36 4.6 BEISPIELABBILDUNGEN................................................................................................................ 38 5. DISKUSSION....................................................................................................................................... 39 6. ZUSAMMENFASSUNG ..................................................................................................................... 42 7. LITERATURLISTE............................................................................................................................ 43
Abkürzungsverzeichnis ARDS Acute Respiratory Distress Syndrome BGA Blutgasanalyse C Compliance CaO2 Arterieller Sauerstoffgehalt CcO2 Pulmonalkapillärer Sauerstoffgehalt CO2 Kohlendioxid CO Cardiac Output COHb Carboxymethämoglobinspiegel CLIN Compliance im linearen Teil der PV-Kurve cm Zentimeter CMAX Maximale Compliance COPD Chronisch Obstruktive Lungenerkrankung CRS Statische Compliance CT Computertomographie CTOT Totale Compliance CvO2 Venöser Sauerstoffgehalt CVP Zentralvenöser Druck dia diastolisch E Exspiration EKG Elektrokardiogramm FiO2 Inspiratorische Sauerstoffkonzentration FRC Funktionelle Residualkapazität h Stunde Hb Hämoglobin HbaO2 Oxygeniertes Hämoglobin HF Herzfrequenz HU Houndsfield-Einheiten HZV Herzzeitvolumen I Inspiration i.m. intramuskulär K Korrekturfaktor kg Kilogramm KG Körpergewicht l Liter LIP Lower Inflection Point LVEDP Linksventrikulärer enddiastolischer Druck MAP Mittlerer arterieller Druck MetHb Methämoglobinspiegel min Minute ml Milliliter mm Millimeter MIP Mean Inspiratory Pressure MPAP Mittlere Pulmonalarterielle Druck NaCl Natriumchlorid O2 Sauerstoff PaCO2 Arterieller Kohlendioxidpartialdruck PaO2 Arterieller Sauerstoffpartialdruck PaO2/FiO2 Verhältnis von artriellem Sauerstoffpartialdruck zur inspiratiorischen Sauerstoffkonzentration PAK Pulmonaliskatheter PAOP Pulmonalarterieller Verschlussdruck PAP Pulmonalarterieller Druck
PCCO Pulse Contour Cardiac Output PECO2 Partialdruck des gemischten exspiratorischen Kohlendioxids PEEP Positive Endexpiratory Pressure PIP Peak Inspiratory Pressure PCO2 Kohlendioxidpartialdruck PO2 Sauerstoffpartialdruck PV-Kurve Druck-Volumen-Kurve (Pressure-Volume Curve) PVR Pulmonary Vessel Resistance PCWP Pulmonary Capillary Wedge Pressure / Pulmonalkapillärer Verschlussdruck QS/QT Intrapulmonaler Rechts-Links-Shunt QT Totale Perfusion QVA Shuntperfusion QVA/QT Venöse Durchmischung RCexp Exspiratorische Zeitkonstante RR Arterieller Blutdruck RV Residualvolumen SaO2 Arterielle Sauerstoffsättigung SpO2 Periphere Sauerstoffsättigung SvO2 Venöse Sauerstoffsättigung SVR Systemic Vessel Resistance sys systolisch Tb Bluttemperatur TE Exspirationstidalvolumen Ti Injektionstemperatur Ti/TOT Inspiratory To Total Time Ratio TLC Total Lung Capacity / Totale Lungenkapazität UIP Upper Inflection Point VD/VT(phys) Physiologisches Totraumvolumen VHYP Volumen hyperventilierter Lungenareale Vi Injektionsvolumen Vi/TOT Verhältnis der Inspirationszeit zum gesamten Atemzyklus VMAX Maximales Volumen VNON Volumen nicht ventilierter Lungenareale VNORM Volumen normal ventilierter Lungenareale VPEEP Volumen bei anliegendem positiven endexspiratorischen Druck Vrec Rekrutierbares Volumen VT Tidalvolumen / Atemzugvolumen VTEX Exspiratorisches Atemhubvolumen ZEEP Zero Endexpiratory Pressure ZVD Zentralvenöser Druck
1
1. Einleitung
1.1 Hintergrund der Untersuchung
Ashbaugh et al formulierten und beschrieben erstmalig 1967 die Bezeichnung „acute
respiratory distress syndrome, ARDS“ für einen Symptomenkomplex aus schwerer
Dyspnoe, Tachypnoe und Zyanose, welcher sich unter Sauerstoffzufuhr nicht
entscheidend besserte. [1], [2]
Die Bezeichnung ARDS wurde zunächst als Abkürzung für „Adult Respiratory Distress
Syndrome“ verwendet, steht aber nun unabhängig vom Alter der Patienten für die akute
respiratorische Insuffizienz („Acute Respiratory Distress Syndrome“).
Die Inzidenz liegt bei lediglich 1,5 – 3,5 pro 100.000 Einwohner pro Jahr; jedoch weist
ARDS trotz einer Verbesserung der Überlebensraten in den letzten zehn Jahren immer
noch eine Letalität von 40 bis 50 % auf. [1]
Bezüglich der Definition des ARDS empfahl die „American-European Consensus
Conference on ARDS“ 1994 die Verwendung der folgenden Kriterien:
1. akutes Auftreten der Erkrankung,
2. ein Verhältnis von arteriellem Sauerstoffpartialdruck zu inspiratorischer
Sauerstoffkonzentration (PaO2:FiO2) von 200 mmHg oder weniger,
3. bilaterale Infiltrationen auf der a.p. Thoraxröntgenaufnahme,
4. pulmonalkapillärer Verschlussdruck (Pulmonary Capillary Wedge Pressure, PWCP)
von 18 mmHg oder weniger, falls keine Anzeichen einer linksartrialen Hypertension
vorliegen. [3], [4]
2
1.2 Pathophysiologie
Das ARDS kann sowohl im Rahmen einer systemischen Erkrankung wie Sepsis,
Polytrauma oder Schock, als auch infolge einer direkten Lungenschädigung wie z.B.
Pneumonie, Aspiration, Thoraxtrauma oder anderen schweren Erkrankungen auftreten.
Unabhängig von der Genese handelt es sich beim ARDS um einen diffusen
Entzündungsprozess, der beide Lungenflügel betrifft. [5] Es wird vermutet, dass es zu
einer systemischen Aktivierung zirkulierender Neutrophiler Granulozyten kommt [6],
welche sich an den pulmonalen Kapillaren anlagern [7] und durch Degranulation ihrer
zytoplasmatischen Granula proteolytische Enzyme und Sauerstoffmetabolite freisetzen.
Der resultierende Endothelschaden und ein Kapillarleck führen zu einer Exsudation in
das Lungenparenchym. [5] Bei der Schädigung des Alveolarepithels sind sowohl Typ I,
als auch die den Surfactant produzierenden Typ II Alveolarzellen betroffen, hieraus
resultieren die folgenden Punkte:
1. unter normalen Umständen ist das Alveolarepithel weniger durchlässig als das
Endothel, die erhöhte Durchlässigkeit des Epithels im Rahmen des ARDS kann somit
zu Einblutung in die Alveolen führen. [3]
2. Die erhöhte Durchlässigkeit in Verbindung mit der Schädigung der Typ II
Alveolarzellen haben eine Störung des normalen epithelialen Flüssigkeitstransports
zur Folge, was die Ausbildung eines Lungenödems fördern kann. [8], [9]
3. Die Schädigung der Typ II Zellen führt sowohl zu einer verminderten Produktion des
Surfactant, als auch zu einem verminderten Austausch desselben; [10] dies kann zu
charakteristischen Veränderungen der Surfactantzusammensetzung beitragen. [11],
[12]
4. Der Verlust der epithelialen Barriere kann bei Patienten mit einer bakteriellen
Pneumonie einen septischen Schock zur Folge haben. [13]
5. Letztlich kann die unzureichende und unorganisierte Regeneration des
Alveolarepithels zur Entwicklung einer Fibrose führen. [14]
Die pathologischen Veränderungen der ARDS-Lunge können einem akuten und einem
subakuten oder chronischen Stadium zugeordnet werden.
Im akuten Stadium kommt es zu ausgedehnter Zerstörung der Typ I-Zellen, erhöhter
Endothel- und Epithelpermeabilität, interstitiellem Ödem, zur Bildung von hyalinen
Membranen und Entstehung von Mikrothromben, Thrombozytenaggregaten und
Fettembolie in den kleinen Gefäßen. Im chronischen Stadium beobachtet man ein
deutlich verbreitertes Interstitium durch Einlagerung von Ödemflüssigkeit, Fibrinfasern
3
und proliferierenden Zellen, die Umwandlung der Typ I-Zellen in Typ II-Zellen, sowie
ein alveoläres Lungenödem. [1]
Letztlich resultieren eine ausgeprägte Hypoxämie, bedingt durch den hohen
intrapulmonalen Rechts-links-Shunt (Qs/Qt) als Ausdruck der Perfusion nicht ventilierter
Lungenareale und eine stark verminderte Lungencompliance. [1]
1.3 Darstellung der ARDS-Lunge in der Computertomographie
In der ARDS-Lunge findet sich eine inhomogene Verteilung von ventilierten und nicht
ventilierten Lungenabschnitten, wobei die für das Krankheitsbild typischen
Verdichtungen vor allem in den abhängenden Lungenabschnitten auftreten. [15]
Gattinoni et al. entwickelten aufgrund der quantitativen Analysen der CT-Veränderungen
das Konzept der „Babylung“.
Dieses Modell beschreibt drei unterschiedliche Zonen der ARDS-Lunge:
Zone H („healthy“): gesunde Lungenareale, mit normaler Compliance und normalen
Ventilations- / Perfusionsverhältnissen;
Zone R („recruitable“): potentiell für den Gasaustausch erhaltene Areale; die
atelektatischen Bereiche sind gesund und bedürfen nur der Entfaltung durch geeignete
Atemzugvolumina (VT) und / oder PEEP;
Zone D („diseased“): Areale mit Verdichtungen, in denen kein Gasaustausch stattfindet.
Dies sind bei alveolärer Verdichtung die sog. „wahren“ Shuntareale und bei vaskulärer
Verdichtung der alveoläre Totraum.
Da die normal ventilierten Areale (Zone H) beim schweren ARDS nur noch 20 – 30 %
der ehemaligen Atemoberfläche ausmachen, hat der ARDS-Patient bildlich gesprochen
nur noch eine „Babylunge“. [1], [16]
Ziel der adäquaten Therapie des ARDS sollte unter anderem die Überführung der Zone R
in die Zone H sein.
4
1.4 Derzeitige Therapieansätze des ARDS
Die folgenden Punkte gehören zu den derzeit wichtigsten Therapieansätzen des ARDS:
a.) Konzept der lungenprotektiven Beatmung,
b.) alveoläre Rekrutierung.
1.4.1 Lungenprotektive Beatmung
Das Ziel der lungenprotektiven Beatmung ist es, den mechanischen Stress der Lunge so
gering wie möglich zu halten, hierbei wird auch ein Anstieg des arteriellen
Kohlendioxidpartialdruckes (PaCO2) zu Gunsten einer schonenderen Beatmung
(„permissive Hyperkapnie“), in Kauf genommen. Man verwendet nun grundsätzlich ein
niedriges Tidalvolumen und einen hohen PEEP, wodurch insgesamt Scherkräfte reduziert
und inflammatorische Reaktionen vermindert werden; letztendlich führt dies zu einem
besseren Outcome. [17]
1.4.2. Alveoläre Rekrutierung
Die alveoläre Rekrutierung atelektatisscher Lungenabschnitte ist notwendig zur
Verbesserung des Gasaustauschs. Hierbei werden ehemals atelektatische Areale für die
Ventilation wieder zugänglich gemacht, was zu einer Verminderung des Shuntvolumens
und damit zu einer Verbesserung des Ventilations- / Perfusionsverhältnisses führt.
Zu beachten ist jedoch, dass hohe inspirartorische Sauerstoffkonzentrationen [18], große
Atemzugvolumina [19] und hohe Atemwegsdrücke [20] der ARDS-Lunge mehr schaden,
als nützen. Die traditionellen Beatmungsmethoden mit hohen Beatmungsdrucken und –
volumen können zu Baro- und Volumentraumata führen und fördern so durch vermehrtes
Auftreten von Scherkräften die entzündliche Komponente des ARDS. Im Einzelnen
kommt es zu einem deutlich pathologischen Anstieg der Infiltration durch neutrophile
Granulozyten, [21], [22], einem Anstieg der Zytokinkonzentration in der
Lavageflüssigkeit, [23] und einer Erhöhung der Zytokinkonzentration im systemischen
Kreislauf. [24], [25].
5
Dies ist vor allem von Bedeutung, da klinische Studien eine erhöhte Sterblichkeit bei
Patienten mit dauerhaft erhöhten Zytokinspiegeln nachgewiesen haben. [26], [27], [28],
[29]
Umgekehrt zeigten sich in Tierversuchen mit lungenprotektiven Beatmungsstrategien
auffallend niedrige Zytokinspiegel. [23]
Zur Rekrutierung atelektatischer Lungenabschnitte stehen nun mehrere Methoden zur
Verfügung: spezielle Beatmungsmanöver können zur Rekrutierung führen, [30], [31] die
Beatmung an sich führt in Abhängigkeit vom verwendeten Beatmungsdruck [32], PEEP
[33] und den Atemzugvolumina [34] zu einer Rekrutierung.
Das ursprüngliche „Open-Lung-Manöver“ nach B. Lachmann umfasst hierbei die
folgenden Schritte [30], [35], [36]:
1 Eröffnung der Lunge. Durch Überschreiten eines „Öffnungsdruckes“ durch Erhöhung
der Beatmungsdrucke werden die atelektatischen Bezirke wiedereröffnet. Letztlich
resultiert hieraus ein Anstieg des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes.
2 Ermittlung des Verschluss- oder Kollapsdruckes. Langfristig sollten die Druckwerte
im Rahmen der Beatmung möglichst niedrig gewählt werden, der Druck, ab dem die
Alveolen erneut kollabieren soll aber andererseits nicht unterschritten werden. Das
heißt, der gewählte PEEP muss ausreichend hoch gewählt werden, um ein erneutes
Kollabieren zu verhindern und möglichst niedrig, um ein Barotrauma der Lunge zu
vermeiden.
3 Wiedereröffnen der Lunge. Der Eröffnungsdruck wurde im ersten Schritt ermittelt, so
dass der ermittelte Druck nun für einige weitere Atemzüge eingestellt werden kann.
4 Offenhalten der Lunge. Im Verlauf soll die Beatmungstherapie das erneute Auftreten
von Atelektasen vermeiden. Hierzu wird nun der unter Schritt 2 ermittelte optimale
PEEP eingestellt.
Insgesamt soll dieses Konzept zu einer Stabilisierung des exspiratorischen
Lungenvolumens führen. Des Weiteren wird durch die Reduzierung bzw. Vermeidung
des ständigen Wechsels zwischen Kollaps und Wiedereröffnung das alveoläre Surfactant-
System weniger geschädigt und so in seiner Funktion erhalten. [30], [35], [36]
Es gibt jedoch noch keine Übereinstimmung darüber, wie die Parameter gesetzt werden
müssen, um eine ausreichende Rekrutierung zu erreichen. [32]
6
1.5 Druck-Volumen-Kurven (PV-Kurven)
1.5.1 Beim Lungengesunden
Seit den 40er Jahren ist die Druck-Volumen-Kurve die klassische, physiologische
Methode, um die atemmechanischen Gegebenheiten des Atemtraktes zu beschreiben. [37]
Spätere Studien beschreiben die Rolle der PV-Kurven für das Beatmungsmanagment
beim ARDS [38]. PV-Kurven werden üblicherweise oberhalb eines Referenzvolumens
aufgezeichnet, welches dem Volumen der funktionellen Residualkapazität entspricht, also
dem Volumen, das nach normaler Exspiration noch in der Lunge verbleibt; oder bei
vorliegendem „air trapping“-Phänomen (z.B. bei COPD-Patienten) dem jeweils
erreichten endexspiratorischen Volumen. [39] Zum „air trapping“-Phänomen führt ein
exspiratorischer Bronchiolenkollaps im Anschluss an eine tiefe Inspiration.
PV-Kurven können typischerweise in drei Segmente eingeteilt werden, die durch zwei
Umschlagpunkte von einander separiert werden. Zumeist findet sich ein erstes Segment
mit niedriger Compliance. Diesem schließt sich ein mittleres, lineares Segment mit
größerer Compliance (CLIN) an. Getrennt werden diese beiden Segmente durch den lower
inflection point (LIP). Der mittlerer steile Anteil wird beendet durch den upper inflection
point (UIP) in dessen Folge die Kurve wieder flacher wird. [39]
Die statische Druck-Volumen-Kurve, bzw. ihr Verlauf ist Ausdruck der Beschaffenheit
und Funktionsfähigkeit der Lunge und des Thorax, wenn bei gleich bleibenden
Druckverhältnissen und ohne Flow das Lungenvolumen konstant gehalten wird [40]. Die
Messung der statischen Compliance ist also nur bei fehlender Muskeleigenaktivität
korrekt. Dies erfordert tiefe Sedierung bzw. Muskelrelaxation. Rechnerisch kann die
statische Compliance des gesamten Lungen-Thorax-Systems unter statischen
Bedingungen durch folgenden Quotienten bestimmt werden:
CRS = Volumenanteil (inspirat. oder exspirat.)/ Druckdifferenz ( Verschlussdruck oder
Plateaudruck – PEEP).
7
Wird nun die Druck- / Volumen-Relation auf verschiedenen Volumenniveaus bestimmt,
so kann eine statische Druck-Volumen-Kurve erstellt werden, aus deren Verlauf sich die
folgenden Punkte ableiten lassen:
1. die maximale Steigung ergibt die maximale statische Compliance,
2. der flachere obere Kurvenanteil weist auf die Grenze der Lungendehnbarkeit hin,
3. der flachere untere Kurvenanteil weist auf Wiedereröffnung von Alveolen zu Beginn
der Inspiration hin.
PV-Kurven haben also einen linearen bis sigmoiden Verlauf. Auf der Abszisse wird
üblicherweise das exspiratorische Tidalvolumen und auf der Ordinate der transpulmonale
Druck aufgetragen. Beim LIP handelt es sich um den ersten Punkt der PV-Kurve mit
maximaler Krümmung. Bis zu diesem Punkt steigt der Druck pro Volumenschritt
besonders stark an. Der LIP ist dann der Punkt, an dem der Lungenöffnungsdruck
überschritten wird und nach dessen Erreichen die Kurve linear ansteigt. Der LIP kann
durch Einstellen des PEEP überwunden werden.
Beim UIP handelt es sich dementsprechend um den zweiten Punkt mit maximaler
Krümmung der Kurve. Am UIP ist die Grenze der Lungendehnbarkeit erreicht, so dass in
seiner Folge der Druckanstieg pro Volumeneinheit wieder größer wird.
Die Compliance der Lunge ist ein Maß für deren elastische Dehnbarkeit und entspricht
der Steigung des linearen Anteils der Kurve (CLIN), ist also definiert als
Volumenänderung pro Druckänderung.
Zahlreiche Studien haben versucht, die Bedeutung der Umschlagpunkte zu klären, da
man der Meinung war, dass dies für die Beatmungsstrategie bei ARDS-Patienten von
Bedeutung sein könnte.
Obwohl die Erstellung der PV-Kurven seit Jahren als eine der Methoden des Monitorings
bei ARDS herangezogen wird [38], haben sie ihre Hauptbedeutung doch als Leitlinie
beim Beatmungssetting. Im Konzept der lungenprotektiven Beatmung dienen Druck-
Volumen-Kurven vor allem zur Festlegung des PEEP und des Plateaubeatmungsdruckes.
Um einen endexspiratorischen Kollaps der Lungenalveolen zu vermeiden, sollte dass
PEEP-Level über dem LIP gewählt werden [41]. Des weiteren zeigte sich bei Patienten,
in deren PV-Kurven sich ein LIP klar festlegen ließ ein besseres Outcome bei
Rekrutierungsmanövern mittels PEEP-Beatmung [42]. Es ist jedoch zu beachten, dass der
UIP den Beginn der Lungenüberdehnung anzeigt, so dass der Plateaudruck diesen Punkt
nicht überschreiten sollte [43]. Die Festlegung des PEEP über dem LIP und des
8
Plateaudruckes unter dem UIP führt zu weniger entzündlichen Reaktionen [44] und einer
niedrigeren Letalität [41].
1.5.2 Beim ARDS-Patienten
Typischerweise zeigt die inspiratorische PV-Kurve bei vorliegendem ARDS oberhalb der
funktionellen Residualkapazität einen sigmoiden Verlauf. Dies entspricht dem
Kurvenverlauf zwischen Residualvolumen und totalem Lungenvolumen der gesunden
Lunge. Während beim Lungengesunden der Anfangsteil der Kurve bis zum Erreichen des
Tidalvolumens linear verläuft, zeigt sie beim ARDS-Patienten einen abgeflachten Verlauf
und das Tidalvolumen ist in einem früheren Bereich der Kurve erreicht.
Im frühen Stadium des ARDS zeigt die PV-Kurve charakteristischer Weise einen
Umschlagpunkt im frühen Anteil der Kurve. Die Compliance, also die Steigung der
Kurve, zeigt hingegen einen normalen Verlauf. Im Spätstadium des ARDS, wobei man
hiervon zum Zeitpunkt von mehr als zwei Wochen nach Krankheitsbeginn spricht, kann
häufig kein LIP mehr festgelegt werden und die Compliance ist reduziert. Während der
UIP beim Lungengesunden bei einem Lungenvolumen von 85-90% der TLC (totale
Lungenkapazität) definiert werden kann, tritt er beim ARDS bei einem wesentlich
geringeren Volumen auf. Eine weitere Drucksteigerung oberhalb dieses Punktes führt
nunmehr zu einer wesentlich geringeren Volumenzunahme [39].
Anhand eines mathematischen Modells der ARDS-Lunge zeigte Hickling [45], das die
alveoläre Rekrutierung auch nach Überschreiten des LIP noch im linearen Bereich der
PV-Kurve weiter stattfindet. Der UIP hingegen zeigt möglicherweise an, dass das im
Zuge der Lungenaufblähung beendet ist, was nicht unbedingt mit einer Überdehnung
einhergehen muss. Jonson et al. [46] konnten diese Ergebnisse beim ARDS-Patienten
bestätigen. Die Autoren untersuchten den Effekt des PEEP auf die alveoläre Rekrutierung
und konnten zeigen, dass die Wiedereröffnung der Alveolen oberhalb des LIP
kontinuierlich fort schritt. Weiterhin konnten sie zeigen, dass entgegen der
vorherrschenden Annahmen, das PEEP-induzierte alveoläre Rekruitment mit einer
Abnahme der Compliance (CLIN) einhergeht. Tatsächlich ist die höhere Compliance bei
ZEEP (also einem endexspiratorischen Druck von Null) Ausdruck der fortschreitenden
Wiedereröffnung von zuvor kollabierten Bereichen am Ende der Exspiration. Wenn nun
die Lunge durch einen gewählten PEEP bereits vollständig rekrutiert ist, findet dieses
Phänomen nicht statt und die Compliance (CLIN) ist dementsprechend geringer.
9
Zusammenfassend kann man sagen, dass der LIP auf Grund der obigen Studienergebnisse
nicht als der Punkt aufgefasst werden kann, an dem die Rekrutierung der Alveolen endet
und daher ist es schwierig, ihn sich zur Optimierung der PEEP-Einstellung beim
beatmeten Patienten zu nutze zu machen. [39]
Während PEEP ein exspiratorisches Manöver ist, das angewendet wird, um einem
Alveolarkollaps vorzubeugen, ist der LIP ein Bestandteil der inspiratorischen PV-Kurve,
der möglicherweise in einem Verhältnis zur alveolären Wiedereröffnung steht. Daher
könnte es von Bedeutung sein, das Verhältnis zwischen dem LIP und den Alveolarkollaps
näher zu untersuchen, um letztendlich die Bedeutung des LIP für die Optimierung der
PEEP-Einstellung einstufen zu können. [39]
1.6 PV-Kurve
Abbildung modifiziert nach S.M. Maggiore, J.-C. Richard, L. Bochard
PV-Kurve: a.) beim Lungengesunden, b.) beim ARDS-Patienten c) Tangenten zur Ermittlung von LIP und UIP
10
2. Material und Methoden
2.1 Versuchstiere
Bei den Versuchstieren für die im Folgendem beschriebenen Versuche handelte es sich
um acht weibliche, deutsche Hausschweine, die zum Zeitpunkt der Versuche im Mittel
31,3+/- 1,9 kg wogen.
Bis zum Zeitpunkt der Versuche wurden die Tiere tierärztlich betreut und zeigten keine
Anzeichen für bestehende Erkrankungen.
In den letzten 24 Stunden vor dem jeweiligen Versuch wurden die Tiere nüchtern
gehalten.
Die Versuche wurden von der zuständigen Behörde der Bezirksregierung Köln
genehmigt (AZ 50.203.2AC38 3/03).
2.2 Narkose
Zur Einleitung der Narkose wurden die Versuchstiere zunächst mit 4 mg/kg
Körpergewicht (KG) Azaperon (Stressnil), 0,01 mg/kg KG Atropin und nach 20 Minuten
mit 10 mg/kg KG Ketamin (Ketanest) i.m. prämediziert. In Anschluss hieran wurde nach
weiteren 20 Minuten bei jedem Versuchstier ein intravenöser Zugang mit einer
Verweilkanüle (Vygon, Ecouen, Frankreich) in eine Ohrvene gelegt. Über diese Kanüle
wurde in der Folge die Narkose mit 5 mg/kg KG Thiopental (Trapanal) eingeleitet und
mit einer kontinuierlichen Infusion von 6-12 mg/kg KG Propofol, 5-10 mikrog/kg /h
Fentanyl (Fentanyl) und 8-12 mg/kg KG/h Pancuronium fortgeführt.
Die intratracheale Intubation erfolgte mit einem 8,0 – 8,5 mm I.D. Endotrachealtubus
(Mallinckordt, Athlone, Ireland), im Anschluss hieran wurden die Versuchstiere in
Rückenlage fixiert. Die Beatmung erfolgte mittels eines Standardventilators (Galileo
Gold, Hamilton, Rhäzüns, Schweiz) volumenkontrolliert mit einem Atemzugvolumen
von 8 ml/kg KG, einer Frequenz von 18 – 25 / min, wobei der PaCO2 auf Werte zwischen
35 – 40 mmHg eingestellt wurde, FiO2 1.0, einem Inspirations / Exspirationsverhältnis
von 1 : 1,5 und einem PEEP (positive endexpiratory pressure) von 10 cmH2O. Der PEEP
11
sollte einem Kollabieren der Atemwege vorbeugen, diente also dem Offen halten der
Atemwege während der Ausatmung.
Mit Beginn der Instrumentierung erfolgte die Gabe von 500 ml HAES 10%, danach
wurde bis zum Ende des Versuches kontinuierlich Ringer-Lösung von 4 ml/kg KG/h
gegeben.
2.3 Instrumentierungen
2.3.1 Invasiv
2.3.1.1. Grundsätzliches Prinzip der Messwertaufnahme Zur invasiven Messwertaufnahme musste jeweils das venöse und arterielle Gefäßsystem
punktiert, eine Verweilkanüle gelegt und ein Katheter in das Gefäßsystem eingebracht
werden. Die aufgenommenen Druckmesswerte wurden automatisch in ein
Monitorüberwachungsgerät übertragen.
Eine Druckmesseinheit bestand jeweils aus einem Katheter, einem flüssigkeitsgefüllten
Druckmesssystem, einem Druckwandler (Transducer) (pvb, Medizintechnik, Kirchseeon,
Deutschland), Anschlusskabel und Monitor (AS/3 Compact, Datex-Ohmeda, Achim,
Deutschland) zur grafischen und numerischen Anzeige.
Die im Gefäßsystem herrschende Druckamplitude wurde über das mit 0,9%iger NaCl-
Lösung gefüllte Messsystem von der Katheterspitze mechanisch bis zum Druckwandler
übertragen, hier wurde der Druck in ein elektrisches Signal umgewandelt und zum
Monitor weitergeleitet.
Als Referenzpunkt für alle Druckmessungen diente der rechte Vorhof. Der Druckwandler
wurde daher in Höhe des rechten Vorhofes an einem Infusionsständer angebracht. Ein zu
hoch angebrachter Transducer hätte eine falsch niedrige Druckanzeige und ein zu niedrig
angebrachter eine falsch hohe Druckanzeige zur Folge gehabt.
Vor jedem Messbeginn wurde ein Nullabgleich durchgeführt. Hierzu wurde das mit
Kochsalzlösung gefüllte System gegen den atmosphärischen Druck geöffnet, der
Druckaufnehmer und die Vorhofebene waren hierbei auf ein Höhenniveau zu bringen.
Der atmosphärische Druck wurde als Nulldruck bezeichnet und am Monitor eingestellt.
12
2.3.1.2 Messung des arteriellen Drucks Unter sterilen Bedingungen wurde die Arteria femoralis mit Hilfe eines 16 G
Arterienkatheters (Vygon, Ecouen, Frankreich) punktiert. Dieser arterielle Zugang diente
der Messung des mittleren arteriellen Blutdruckes (MAP) und der Entnahme arterieller
Blutproben zur Blutgasanalyse. Bei der intraarteriellen Druckmessung wurde das mit
Kochsalzlösung gefüllte System mit dem arteriellen Katheter verbunden und dieses
Drucksystem an den Druckwandler angeschlossen. Nach dem Nullabgleich wurden am
Monitor die grafische Darstellung einer Druckkurve sowie der systolische Blutdruck, der
diastolische Blutdruck und der arterielle Mitteldruck abgebildet.
2.3.1.3 Messung des zentralvenösen und pulmonalarteriellen Drucks Zur Messung des Venendruckes, des Druckes in der Pulmonalarterie, des
Herzzeitvolumens, der pulmonalarteriellen Bluttemperatur sowie zur Blutentnahme aus
der Pulmonalarterie wurde die V. femoralis in gleicher Weise wie die Arteria femoralis
jedoch mittels eines 8,5 Fr Venenkatheters (Arrow Deutschland, Erding, Germany)
punktiert und ein Pulmonaliskatheter (PAK) (SP5107, 7.5F, Becton Dickinson GmbH,
Heidelberg, Germany) nach der Technik von Swan und Ganz in die Pulmonalarterie
eingelegt.
Der verwendete Swan-Ganz-Katheter, besaß mehrere Lumen und an der Katheterspitze
einen kleinen Ballon. Durch Füllung des Ballons mit Luft wurde der Katheter mit dem
Blutstrom in die Pulmonalisarterie eingeschwemmt. Er gelangte dann über den rechten
Vorhof in die rechte Herzkammer und von dort in einen Ast der Pulmonalarterie. Die
jeweilige Lage war an entsprechenden Änderungen der Druckkurve zu erkennen.
Durch Auffüllen des Ballons auf einen Wert, der zum vollständigen Verschluss des
Pulmonalarterienastes führte, war es möglich, den pulmonalkapillären Verschlussdruck
(Wedge-Druck/PCWP/PAOP) unter der Vorstellung zu bestimmen, dass der Ballon die
Arterie stromaufwärts komplett verschließt und sich dann über das distale Katheterlumen
der Druck der Flüssigkeitssäule stromabwärts bestimmen lässt. [47] Da es zwischen dem
linken Vorhof und den Lungenkapillaren keine Gefäßklappen gibt, entsprach der
ermittelte Wedge-Druck idealerweise dem Druck im linken Vorhof.
13
Das distale Lumen des Katheters endet an der Katheterspitze und diente neben der
Messung des pulmonalarteriellen Druckes, des Wedge-Druckes, zur Entnahme
gemischtvenöser Blutproben.
Das proximale- oder ZVD (zentralvenöse Druck)-Lumen endete ca. 30 cm unterhalb der
Katheterspitze und diente zur Messung des zentralvenösen Druckes.
Das Ballonlumen endete unmittelbar unterhalb der Katheterspitze und diente zum Füllen
und Entleeren des Ballons, was einmal dem Einschwemmen (Vorschub) des Katheters
diente und andererseits zur Bestimmung des Wedge-Drucks notwendig war.
2.3.1.4 Messung des HZV Das Herzzeitvolumen (HZV) wurde über die Thermodilutions- oder
Kälteverdünnungsmethode (S5 compact monitor, Datex Ohmeda, Duisburg, Germany)
bestimmt. Hierzu wurde über das proximale Lumen des PAK, vor dem ein
Temperaturfühler angebracht war, 10ml gekühlte (die Temperatur musste unter der
Bluttemperatur liegen), sterile Kochsalzlösung appliziert. Am distalen Ende des PAK
befand sich ebenfalls ein Temperaturfühler. Zu Beginn der Injektion, wurde nun am
proximalen Lumen die Temperatur der gekühlten Injektionslösung registriert. In Höhe
des rechten Vorhofs vermischte sich die kältere Injektionslösung mit Blut, wodurch es
insgesamt zu einem Temperaturabfall kam. Aus letzterem wurde das aktuelle
Herzminutenvolumen mittels des Stuart-Hamilton-Algorithmus errechnet:
Abbildung 1: Bestimmung des Herzminutenvolumens mittels Thermodilutionsmethode.
Modifiziert nach [48].
Stuart-Hamilton-Algorithmus
Thermodilutionskurve
14
Tb = Bluttemperatur
Ti = Injektionstemperatur
Vi = Injektionsvolumen
K = Korrekturfaktor der spezifischen Wärmekapazität und Dichte von Wasser
und Blut
∫ ∆Tb x dt = Fläche unter der Thermodilutionskurve
Die Messung des HZV und des Wedge-Druckes wurden jeweils dreimal hintereinander
pro Messzyklus durchgeführt. Als Messwert wurde der Mittelwert aus drei aufeinander
folgenden Messungen notiert.
2.3.2 Noninvasive Meßmethoden Über nonivasives Monitoring wurden bei den Versuchstieren der Sauerstoffgehalt im
peripheren Blut, das CO2 in der Ausatemluft und die Herzaktionen überwacht.
Über ein am Schwanz der Tiere befestigtes Pulsoxymeter (Datex –Ohmeda, Achim,
Deutschland) wurde der prozentuale Anteil des oxygenierten Hämoglobins am gesamten
Hämoglobin bestimmt. SpO2 entsprach hierbei der pulsoxymetrisch gemessenen
Sauerstoffsättigung des peripheren Blutes. Gemessen wurde bei der Pulsoxymetrie die
Lichtmenge, die von der Lichtquelle auf der einen Seite des Schwanzes zum
Lichtempfänger auf der anderen Seite gelangte. Die Extinktion des Lichtes korreliert
dabei mit der O2-Beladung des Häm-Komplexes. Des weiteren konnte über das
Pulsoxymeter die Herzfrequenz bestimmt werden. Das Erkennen des Signals erfolgte
hierbei über ein Plethysmogramm, dass heißt über die grafische Darstellung der
Pulskurve sowie über eine numerische Erfassung der Pulsfrequenz.
Zur Überwachung während des Versuches wurde die Bestimmung des CO2-Gehaltes in
der Ausatemluft im Seitenstromverfahren durchgeführt. Pro Minute wurden 200 ml Luft
kontinuierlich vor dem Y-Stück des Beatmungsschlauches abgesaugt und in einer CO2-
Messzelle erfasst. Die Messung beruhte darauf, dass CO2 infrarote Strahlen absorbiert
und z.B. Stickstoff dies nicht tut. Die absorbierte Strahlenmenge hing somit vom CO2-
Gehalt der Ausatemluft ab. Zur Bestimmung des CO2 in der Ausatemluft und zur
Berechnung des Totraumvolumens siehe 2.4.2.
15
Beim Elektrokardiogramm (EKG) werden die elektrischen Impulse, die bei der
Herzaktion entstehen, an der Hautoberfläche registriert. Es wurde eine dreipolige EKG-
Standardableitung verwendet.
2.4 Messwerte
Während des Versuches wurden sowohl hämodynamische Messwerte, als auch
Beatmungsparameter bestimmt und aufgezeichnet, um den Einfluss des PV-Manövers auf
den Gasaustausch und die Hämodynamik beim Versuchstier zu erfassen.
2.4.1 Beatmungsparameter Der Gasfluss wurde über einen Differentialdruckaufnehmer (Hamilton Medical, range –
999 to +999 l/min, accuracy ±5 %.) der ebenfalls zwischen Trachealtubus und Y-Stück
des Beatmungsschlauchs geschaltet war kontinuierlich errechnet und angezeigt. Das
Tidalvolumen wurde aus dem integrierten Flusssignal errechnet. Das Minutenvolumen
war als Tidalvolumen mal Atemfrequenz definiert.
Die folgenden Parameter wurden pro Messzyklus bestimmt:
- Tidalvolumen (VT): Entspricht dem Atemzugvolumen, welches man beim beatmeten
Patienten an der Beatmungsmaschine einstellt.
Weitere Beatmungsparameter:
- VTEX : Entspricht dem exspiratorisch gemessenen Atemhubvolumen, welches hier bei
Volumenkontrollierter Beatmung konstant blieb.
- Vi/TOT: Entspricht dem Verhältnis der Inspirationszeit zum gesamten Atemzyklus.
- paO2: Sauerstoffpartialdruck arteriell. Der arterielle Sauerstoffpartialdruck beträgt
normalerweise 95 mmHg und ist der Teildruck, unter dem Sauerstoff im Blut gelöst ist.
- paCO2: Kohlendioxidpartialdruck arteriell, beträgt normalerweise 40 mmHg.
16
2.4.2 Parameter des Gasaustausches Physiologisches Totraumvolumen (VD/VT(phys)): dies entspricht dem Volumen, welches
am Gasaustausch nicht teilnimmt. Also der Summe des anatomischen und des alveolären
Totraumanteils am jeweiligen Tidalvolumen. Es ist abhängig von der Größe des
Totraumes. Dieser kann eingeteilt werden in den anatomischen Totraum, der den oberen
Respirationstrakt vom Mund bis zu den Bronchiolen umfasst und beim Gesunden dem
funktionellen oder totalen, physiologischen Totraum entspricht. Der funktionelle Totraum
erfasst bei bestimmten Lungenerkrankungen den so genannten alveolären Totraum mit.
Letzterer umfasst Alveolargebiete, die infolge einer Minderbelüftung oder
Minderdurchblutung oder beidem nicht mehr am Gasaustausch teilnehmen.
Die Berechnung des physiologischen Totraumes erfolgt nach der von Enghoff
modifizierten Bohrschen Gleichung:
VD/VTphys = paCO2-pECO2/paCO.
-paCO2: arterieller CO2-Partialdruck
-pECO2: Partialdruck des gemischten exspiratorischen CO2. Zur Bestimmung dieses
Parameters wurde das Exspirationsvolumen in einer 10 l –Box über 60 Sekunden
gesammelt und aus einer Probe das PECO2 bestimmt (ABL510, Radiometer Kopenhagen,
Dänemark).
Oxygeniertes Hämoglobin (HbaO2): hierunter versteht man das Hämoglobinmolekül,
welches an seinem Eisenanteil Sauerstoff gebunden hat. Die Bestimmung erfolgt
photometrisch, da oxygeniertes Hämoglobin bei einer anderen Wellenlänge Licht
absorbiert, als desoxygeniertes Hämoglobin.
Venöse Durchmischung (QVA/QT) / Rechts-links-Shunt: Wenn eine Aleveolareinheit
z.B. im Rahmen einer Atelektase von der Ventilation abgeschnitten ist, ihre regionale
Durchblutung jedoch erhalten bleibt, so wird das durchströmende Blut nicht arterialisiert
und sein O2-Gehalt bleibt folglich auf venösem Niveau. Diese venöse Beimischung
verursacht eine arterielle Hypoxämie.
17
Berechnen lässt sich diese durch die Berggren`sche Formel:
QVA/QT = (CcO2-CaO2) / (CcO2-CvO2)
-QVA: Shuntperfusion
-QT: totale Perfusion (HZV)
-CcO2: pulmonalkapillärer Sauerstoffgehalt
-CaO2: arterieller Sauerstoffgehalt
-CvO2: venöser Sauerstoffgehalt
2.4.3 Parameter der Lungenmechanik Compliance (C): Die Compliance ist das Maß für die Lungendehnbarkeit, bestehend aus
Lungengewebe und Thorax mit seinen knöchernen und muskulären Anteilen. Sie
errechnet sich aus dem Verhältnis der Volumenänderung zu der damit verbundenen
Druckänderung und entspricht damit der Druck-Volumen-Beziehung innerhalb des
respiratorischen Systems.
statische Compliance (CRS): In die Messung der statischen Compliance sollten erhöhte
Strömungswiderstände nicht mit einfließen.
Um quasi-statische Bedingungen zu erreichen, muss der Inspirationsflow, also das Maß
für die applizierte Atemgasmenge pro Zeiteinheit, möglichst gering gewählt werden, so
dass Druckänderungen durch flussbedingte Widerstandsänderungen vermieden werden.
Der Einfluss von flussbedingten Druckänderungen entfällt somit. Statische Bedingungen,
d.h. das Vorliegen eines Atemgasflow von Null l/min, werden durch den Verschluss der
Atemwege in In- und Exspiration (end-inspiratory und end-expiratory hold) erreicht.
Experimentell wurde dies beim beatmeten, sedierten und relaxierten Patienten durch
folgende Versuchssettings gezeigt. Zum einen wird das applizierte Tidalvolumen
konstant gehalten und der inspiratorische Flow periodisch gewechselt und zum anderen
der inspiratorische Flow konstant gehalten und das applizierte Tidalvolumen wechselt.
Während des Versuchssettings werden dann nach jedem Atemzug endinspiratoisch die
Atemwege verschlossen (end-inspiratory hold). [49], [50]. Ausgewertet wurden jeweils
die Änderungen von Atemwegs- und ösophagealem Druck sowie der
Atemwegswiderstand und der Widerstand der Lunge selbst in Abhängigkeit von den oben
genannten Versuchssettings.
18
2.4.4 Hämodynamische Messwerte Systemic vessel resistance (SVR): Der systemische Widerstand des Gesamtsystems
entspricht der Summe der Einzelwiderstände aller Gefäßgebiete und wird wie folgt
errechnet:
SVR = (MAP – ZVD) / HZV
-MAP: mittlerer arterieller Druck
-ZVD: zentralvenöser Druck
-HZV: Herzminutenvolumen
Der SVR wird hauptsächlich durch den Zustand der präkapillären Widerstandsgefäße
beeinflusst.
Pulmonary vessel resistance (PVR): Entspricht dem im pulmonalkapillären Gefäßsystem
herrschenden Widerstand und wird analog zum Ohmschen Gesetz über den Druckabfall
zwischen Pulmonalarterie (PAP) und Lungenkapillaren (PCWP) und dem
Herzzeitvolumen (HZV) errechnet:
PVR = (PAP – PCWP) / HZV
Herzfrequenz (HF): Entspricht den Herzschlägen pro Minute und kann sowohl über das
Pulsoxymeter, als auch anhand des EKGs bestimmt werden.
Mittlerer arterieller Druck (MAP): Berechnet wird der MAP über die folgende Formel:
(2xRRdia + 1xRRsys)/3. Der systolische und diastolische Blutdruck konnten jeweils bei
liegender arterieller Verweilkanüle abgelesen werden. Abhängig sind die Einzelwerte und
damit auch der MAP vom Schlagvolumen und vom peripheren Gefäßwiderstand. Das
Monitorsystem berechnete den MAP durch Integrierung der Fläche unter der systolischen
und diastolischen Blutdruckkurve.
Zentralvenöser Druck (CVP/ZVD): Druck, der im intrathorakalen, zentralen
Hohlvenensystem herrscht. Er entspricht in etwa dem Füllungsdruck der rechten
Herzkammer. Definitionsgemäß wird der ZVD in der Vena cava superior im Bereich
ihrer Einmündung in den rechten Vorhof gemessen. Idealerweise kann mit dem ZVD der
rechtsventrikuläre Füllungszustand (bei geöffneter Trikuspidalklappe) und damit die
Vorlast abgeschätzt werden.
19
Pulmonalarterieller/-kapillärer Verschlussdruck (PAOP/PCWP)/Wedge-Druck: Dieser
Druck entspricht (bei geöffneter Mitralklappe) dem linksventrikulären enddiastolischen
Druck (LVEDP). Der PAOP kann zur Abschätzung der linksventrikulären Vorlast
herangezogen werden.
Cardiac Output (Herzminutenvolumen) (CO)/Herzzeitvolumen (HZV): Entspricht dem in
einer Minute aus dem Herzen gepumpten Blutvolumen und wird nach der Formel
Schlagvolumen multipliziert mit der Schlagfrequenz errechnet. Es hängt vor allem vom
venösen Rückstrom aus dem peripheren Kreislauf ab.
Arterieller Blutdruck (RR): Druck, der in den Herzkammern und den Blutgefäßen
herrscht. Im engeren Sinne der Druck, der in einer peripheren Arterie in mmHg bzw. kPa
gemessen werden kann. Der Blutdruck wurde in diesem Versuch direkt gemessen, d.h.,
über einen arteriell liegenden Katheter.
2.4.5 Parameter des PV-Tools Die in Tabelle 3 wiedergegebenen Werte konnten anhand der einzelnen PV-Kurven
ermittelt werden. LIP und UIP mussten an der grafischen Darstellung der PV-Kurven
jeweils manuell festgelegt werden, während CMAX, VMAX und VPEEP in der Folge
abgelesen werden konnten. Der UIP konnte nur in 50% der Fälle festgelegt werde,
weswegen er nicht in die Auswertung mit einging.
- LIP: Lower Inflection Point. Erster Punkt mit maximaler Krümmung der Druck-
Volumen-Kurve, an dem der Lungenöffnungsdruck überschritten ist.
- UIP: Upper Inflection Point. Zweiter Punkt mit maximaler Krümmung der Druck-
Volumen-Kurve, an dem die Grenze der Lungendehnbarkeit erreicht ist.
- CTOT: Totale Compliance. Die totale Compliance beschreibt die elastischen
Eigenschaften von Lunge und Thorax, d.h. die Volumenänderung pro Druckänderung.
Unter kontrollierter Beatmung entspricht die totale Compliance dem Verhältnis von
Atemhubvolumen zur Differenz zwischen in- und exspiratorischem Atemdruck.
- CMAX : Entspricht der maximalen Compliance und ist definiert als Abschnitt der größten
Steigung der PV-Kurve. Sie ist ein Standardparameter, mit dem sich eine Aussage über
die Elastizität der Lunge treffen lässt. Berechnet wird sie, in dem man delta V durch delta
P, also die Druck- durch die Volumendifferenz, dividiert.
20
- VMAX : Entspricht dem maximalem Volumen, welches in der Lunge gemessen werden
kann und kann mit dem zugehörigen Beatmungsdruck an der PV-Kurve abgelesen
werden.
- VPEEP : Entspricht dem Volumen, welches bei Anliegen des gewählten PEEPs in die
Lunge gelangt und kann ebenfalls an der PV-Kurve abgelesen werden.
2.4.6 Messwertaufnahme Zu jedem Messzeitpunkt wurde die Herzfrequenz, der systolische, diastolische und
mittlere arterielle Blutdruck (MAP), der systolische, diastolische und mittlere
pulmonalarterielle Druck (MPAP), der zentralvenöse Druck (ZVD) und die
Körpertemperatur in Grad Celsius am Monitor abgelesen und tabellarisch festgehalten.
Die Mittelwerte von Wedge-Druck (PCWP) und Herzzeitvolumen (HZV), ermittelt aus
jeweils drei Messungen pro Messzyklus, wurden ebenfalls am Monitor angezeigt und in
Tabellen übertragen. Pro Messzeitpunkt wurden zwei Blutproben, eine arterielle und eine
gemischtvenöse entnommen. Zur Blutentnahme wurden heparinisierte 1-ml-Spritzen
(Bloodgas Monovette, Sarstedt, Nümbrecht) verwendet, die unmittelbar nach Abnahme
des Blutes luftdicht verschlossen wurden. Die Messung der Probe erfolgte unmittelbar
nach jeder Abnahme in einem Blutgasanalysegerät; dabei wurden aus jeder dieser Proben
der Sauerstoffpartialdruck (PO2), der Kohlendioxidpartialdruck (PCO2), der
Hämoglobinwert (Hb) und die Sauerstoffsättigung bestimmt (ABL 510, Radiometer
Kopenhagen, Dänemark). Beim Einspritzen der Proben war darauf zu achten, dass beim
Einfüllen der Proben keine Außenluft mit eingezogen wurde, da dies die Ergebnisse
verfälscht hätte.
Im Anschluss wurden an einem Spektrometer (OSM 3, Radiometer, Kopenhagen,
Dänemark), welches vor der Messung auf die Tierspezies geeicht werden musste, der
Gesamthämoglobinwert (Hb), die arterielle (SaO2) und venöse (SvO2)
Sauerstoffsättigung, der Methämoglobinspiegel (MetHb) und der
Carboxymethämoglobinspiegel (COHb) bestimmt. Nach der Messung wurden die
Messsysteme automatisch mit steriler Kochsalzlösung durchgespült.
21
2.5 Experimentelles Protokoll
2.5.1 Induktion des akuten Lungenversagens Nach der Instrumentierung wurde mit repetetiven Lavagen von jeweils einem Liter
körperwarmer Kochsalzlösung der Surfactant der Lunge ausgewaschen. Hierzu wurde der
Beatmungsschlauch diskonnektiert und über den Tubus, durch multiples Lavagieren der
Lunge, sterile Kochsalzlösung in die Tierlunge gespült. Durch Kopftieflagerung wurde
die Lavageflüssigkeit anschließend in einen Auffangbehälter ausgespült. Da Surfactant
oder „Anti-Atelektasefaktor“ die Oberflächenspannung in den Alveolen herabsetzt,
kommt es bei Surfactantmangel zunehmend zu einem Alveolarkollaps, erniedrigter
Compliance und resultierender pulmonaler Insuffizienz. Die Lavagen wurden so lange
wiederholt, bis ein PaO2/FiO2 kleiner 100 mmHg für mehr als eine Stunde erreicht wurde
und stabil blieb, da unter diesen Bedingungen von einer standardisierten, akuten
Lungenschädigung ausgegangen werden konnte.
Sobald bei den Versuchstieren das akute Lungenversagen stabil war, wurden die Tiere in
den CT-Raum gebracht und auf dem Buckytisch in Rückenlage gelagert (Abbildung 2).
Abbildung 2: Lagerung der Versuchstiere auf dem CT-Tisch.
22
2.5.2 Aufbau und Anschlüsse der Datenaufnahme Zur Datenaufnahme wurde ein Überwachungsmonitor verwendet, wie er auch in der
Patientenbetreuung zur Anwendung kommt (AS/3 Compact, Datex-Ohmega, Achim,
Deutschland). Durch Zustecken von Modulen an den Monitor konnte dieser entsprechend
konfiguriert werden. Die folgenden Parameter wurden kontinuierlich überwacht und zu
den einzelnen Messzeitpunkten dokumentiert:
• Herzfrequenz,
• periphere Sauerstoffsättigung (SPO2),
• systolischer-, diastolischer- und arterieller Mitteldruck,
• CO2-Gehalt der Ausatemluft,
• ZVD und
• Bluttemperatur.
Am Monitor des in die Arteria femoralis eingebrachten PiCCO-Katheters (F. Pulsion
Medical Systems, München) konnten das HZV und der Wedge-Druck abgelesen werden.
PiCCO leitet sich ab von PCCO, wobei diese Abkürzung wiederum für „pulse contour
cardiac output“ steht. Das PiCCO-Gerät integriert die Thermodilutionstechnik und die
Pulskonturtechnik. Indiziert ist der Einsatz des Gerätes im klinischen Alltag bei
Patienten, bei denen ein kardiovaskuläres und volumetrisches Monitoring notwendig ist.
Abbildung 3: Monitoranzeige bei Bestimmung des HZV mittels Thermodilutionsmethode.
23
Die Durchführung der Thermodilutionsmethode und die Berechnung des
Herzzeitvolumens mittels der Stuart-Hamilton-Methode wurde unter Punkt 2.3.1.4 bereits
erläutert.
Bei der Pulskonturanalyse kann das kontinuierliche Herzzeitvolumen durch die
Herzfrequenz und die Fläche unter der aortalen Druckkurve bestimmt werden. Hierzu
benötigt das PiCCO-Gerät einen Kalibrierungsfaktor, welcher nach Bestimmung des
transpulmonalen HZVs vom Gerät berechnet werden kann. Des Weiteren ist die
Bestimmung des transpulmonalen HZVs als Referenz nötig, um die patientenindividuelle
Compliance zu bestimmen. Bei der Pulskonturanalyse wird davon ausgegangen, dass die
Compliance der Aorta abhängig von arteriellem Blutdruck und Schlagvolumen ist und
damit umgekehrt die Compliance durch die zeitgleiche Messung dieser beiden Parameter
bestimmt werden kann. [48]
Als Respirator wurde der Gallileo Gold (Galileo Gold, Hamilton, Rhäzüns, CH) mit
integrierter EDV-Schnittstelle, über die der Anschluss an einen Laptop zur
Datenaufnahme gegeben war, verwendet.
Die Narkose wurde über Spritzenpumpen (Perfusor fm, BBraun, Melsungen)
kontinuierlich verabreicht. Nach Induktion des Lungenschadens und vor Beginn des
Experiments wurden die Tiere bei gleich bleibender Sedierungstiefe zusätzlich mittels
Dauerinfusion von Pancuronium muskulär relaxiert.
Zur Bestimmung des HZV wurde Kochsalzlösung im Eisbad auf 0° gekühlt.
2.5.3 Positionierung und Messungen im CT Es wurden jeweils in Inspirations- und Exspirationsstellung CT-Scans der gesamten
Lunge durchgeführt (contingous axial spiral CT, 4 mm slices reconstructed, window –
1024 to +3074 Hounsfield Units (HU), Sensation 16, Siemens, Erlangen, Germany).
In Exspirationsstellung wurde ein Frontalscan aufgenommen und die Schicht 2cm
oberhalb des Zwerchfelldoms eingestellt. Diese Referenzschicht wurde für die Dauer der
gesamten Untersuchung beibehalten; von ihr ausgehend wurden pro Tier jeweils 35 Scans
ausgewertet.
24
2.5.4 Grundlinienmessung Für 10 Minuten wurden die Versuchstiere mit einem PEEP von 10 beatmet, dann wurde
je ein CT der gesamten Lunge in Inspiration und in Exspiration aufgenommen. Die
Berechnung des Anteils der Atelektasen am Gesamtvolumen, die Dichteanalyse und
Frequenzverteilung der Dichte in Houndsfield Einheiten erfolgte nach Versuchsende mit
einem dafür ausgelegten Programm der Firma Siemens.
Nach den CT-Aufnahmen wurden jeweils
• eine BGA (arteriell und gemischtvenös) entnommen, sowie
• HZV, PCWP,
• MAP, MPAP,
• Atemfrequenz,
• VT,
• I:E und
• PEEP abgelesen.
Nach Durchführung aller Messungen wurden mit dem Laptop fünf Atemzüge
aufgezeichnet.
25
Nun wurde eine Druck-Volumen-Kurve (PV-Kurve) erstellt, hierzu nutzten wir das im
Respirator (Galileo Gold, Hamilton) integrierte PV-Tool, und der
• lower inflection point (LIP),
• upper inflection point (UIP),
• Druck am Umschlagspunkt der Kurve Pinf.,
• Maximale Compliance C und
• Rekrutierbares Volumen Vrec bestimmt.
Die Messpunkte auf der PV-Kurve LIP und UIP wurden jeweils grafisch manuell am
Monitor des Respirators mittels Cursor eingestellt (Abbildung 5).
Abbildung 4: Ermittlung von LIP und UIP
26
2.5.5 PV-Tool Das verwendete PV-Tool war in einen Standardventilator (Galileo Gold, Hamilton),
integriert. Es handelte sich hier um ein Manöver zum Aufzeichnen einer statischen
Druck-Volumen-Kurve, die unter „quasistatischen“ Bedingungen, mit äußerst geringem
Flow, generiert wurde.
Während der Messung wurden die Versuchstiere mit Pancuronium medikamentös
relaxiert, da eine Kontraktion der Thoraxwandmuskulatur zu einer Verminderung der
Compliance geführt hätte und keine statische Kurve hätte aufgezeichnet werden können.
Durch den bei geringem Druckanstieg vorherrschenden niedrigen Inspirationsfluss von
<2 l/min (Flow von nahezu Null) bestanden während des Versuches quasi-statische
Bedingungen und es konnten keine durch den Atemwiderstand bedingte
Druckdifferenzen wirksam werden.
Ablauf des PV-Manövers
1. Die Exspirationsphase des aktuellen Kontrollhubs wurde verlängert und der Druck auf
Null reduziert, dies führte zu einer annähernd vollständigen Entleerung der Lunge.
2. Im Beatmungsschlauchsystem wurde so lange Druck aufgebaut, bis der vordefinierte
Spitzendruck, in diesem Fall 40 mmHg, nach der Anwender definierten Anstiegszeit,
während der beschriebenen Versuche 15 Sekunden anlag. Es wurden dann der Druck
in Echtzeit sowie die druckinduzierten Volumenwerte aufgezeichnet.
3. Der Druck wurde aufgebaut, bis der PEEP-Wert erreicht war. Die Exspirationszeit war
3RCexp und wurde anhand des vorherigen Kontrollatemhubs ermittelt. Das Fenster
blieb mit der für die Analyse eingefrorenen Kurve geöffnet.
4. Die normale kontrollierte Beatmung wurde fortgesetzt.
27
RCexp ist hierbei eine exspiratorische Zeitkonstante. Die Zeit, mit der sich die Lunge
entleert, wie nachfolgend erklärt:
Aktuelle TE % Entleerung (TE entspricht dem Exspirationstidalvolumen, also dem
Volumen, welches vom Patienten exspiriert wird)
1 x RCexp 63%
2 x RCexp 86,5%
3 x RCexp 95%
4 x RCexp 98%
RCexp wird berechnet als 75% Exspirationsvolumen und dem Flow bei 75% Vt. [51]
Intervention mehrfach PV-Tool
Hierzu wurde die Lunge mit einem konstanten Druckanstieg von 2 mbar/sec über ca. 15
Sekunden bis zu einem Spitzendruck von 40 mbar insuffliert, die Druck- und zugehörigen
Volumenwerte wurden online erfasst und grafisch sowie mathematisch dargestellt und
ausgewertet. In Abständen von 60 sec. wurde das PV-Tool in der oben beschriebenen Art
fünfmal hintereinander ausgeführt.
2.5.6 Post-PV Zunächst wurden wiederum zwei CTs (in- und exspiratorisch) gefahren, BGA-,
Hämodynamik- und Atemparameter aufgenommen, im Anschluss erfolgte eine erneute
Aufzeichnung von fünf Atemzügen mit dem Laptop. Im Anschluss hieran erfolgten dann
erneut CT-Aufnahmen in In- und Exspiration sowie eine Wiederholung der
hämodynamischen und respiratorischen Messungen.
28
2.6 CT-Auswertungen
Mit Hilfe des „Pulmo“-Programms der Firma Siemens wurden die angefertigten
Multischicht-CTs von apikal nach basal ausgewertet. Die Volumina der gesamten Lunge
wurden vor und nach 5-maliger Anwendung des PV-Tools aufgezeichnet und mittels des
Programms am Anschluss an die Versuchsreihe genau bestimmt.
Das Programm analysierte Dichteverteilungen anhand von Graufärbungen (Houndsfield-
Einheiten = HU), wobei die Graufärbung mit der wasserbedingten Gewebedichte
korreliert:
HU -1000 = Luft,
HU 0 = Wasser,
HU -1000 bis +100 = Lunge.
Es wurden in diesem Versuch noch zusätzlich die folgenden Grauabstufungen definiert:
-1000 bis -900 HU entsprach überblähtem Lungengewebe,
-900 bis -500 HU entsprach dem normalen, belüfteten, Lungengewebe,
-500 bis -400 HU entsprach verdichtetem, vermindert belüfteten, Lungengewebe,
-100 bis +100 HU entsprach nicht belüftetem, atelektatischen und / oder ödematösem
Lungengewebe. [52], [53]
Zur Auswertung wurden Ränge von -1000 bis +100 HU in Schritten von 100 HU
aufgeteilt.
Durch das Progamm wurde semiautomatisch die Lunge nach den o.g. Grauabstufungen
eingeteilt. Die Unterscheidung zwischen atelektatischem, komprimierten Lungengewebe
ohne Belüftung und anderen umliegenden Geweben gelang nicht immer sicher, so dass
die auszuwertenden Bezirke von Hand korrigiert werden mussten. Die Begrenzung der
Lunge orientierte sich dabei an der inneren Pleuragrenze. Zur manuellen Bearbeitung
wurde das Lungengewebe mit einem Mauszeiger umfahren und markiert (Abbildung 6).
Auf diese Weise wurde jedes vierte Schnittbild manuell nachbearbeitet und zur
Auswertung gespeichert. Das Programm Pulmo gab dabei am Ende jeder Messreihe im
Rahmen der automatischen Auswertung für jede Schicht den prozentualen Anteil der
einzelnen Dichtewerte sowie die gesamte Fläche an. Das Volumen jedes HU-Bereiches
ergab sich aus dem Produkt:
%-Anteil x Fläche x analysierte Schichtdicke.
29
Dabei entspricht Vnon = dem Volumen in den nicht ventilierten Arealen, VHyp = dem
Volumen in den hyperventilierten Arealen und Vnorm = dem Volumen in den normal
ventilierten Arealen. Das Gesamtvolumen ergab sich aus der Summe aller Volumina pro
Schicht. Die Ränge pro Lungenschnitt wurden hierbei farblich, tabellarisch und als
Diagramm dargestellt. Rechnerisch wurden nochmals die Werte für die gesamte Lunge,
aber auch seitengetrennt aufgelistet.
a) Exspiration
b) Inspiration
Abbildung 5: CT-Bilder nach manueller Nachbearbeitung.
Die auf der Abbildung exemplarisch dargestellte Nachbearbeitung der CT-Schnittbilder
diente dem Einschluss der atelektatischen Bezirke in die Auswertung.
30
2.7 Statistik
Von allen erhobenen Messwerten wurden Mittelwert und Standardabweichung
(mean±SD) bestimmt. Die Daten, die vor und nach den Manövern aufgenommen wurden,
wurden jeweils mittels des Wilcoxon-Rangsummentests analysiert. Dieser Test ist der
gebräuchlichste nichtparametrische Test für das Lokalisationsproblem in der
mathematischen Statistik und dient somit dem Vergleich der Mediane zweier
unabhängiger Zufallsgrößen. [54]
Zur Prüfung der Korrelation zweier Werte (vor-/nach den Manövern) wurde der
Rangkoeffizient nach Spearman berechnet.
.
mit: rg(x) = Rang von x
Der Spearman-Rangkorrelationskoeffizient ist benannt nach Charles Spearman und wird
oft mit dem griechischen Buchstaben ρ (rho) bezeichnet. Im Prinzip ist ρ ein Spezialfall
des Pearson Produkt-Moment Korrelationskoeffizienten, bei dem die Daten in Ränge
konvertiert werden, bevor der Korrelationskoeffizient berechnet wird. [55]
Mittels eines Programmpakets zur Varianzanalyse für wiederholte Messungen wurden
alle erhobenen Daten nach wiederholter PV-Kurvenerstellung mit den direkt nach
Induktion des Lungenversagens erhobenen Werten verglichen (SPSS WIN 11.01, SPSS
Inc., Chicago, Ill., USA). Die Signifikanzunterschiede wurden mit einer
Irrtumswahrscheinlichkeit von p<0,05 angenommen.
Die „fractional changes“ wurden als delta = (vor/nach)-1 angenommen. Durch ihre
Anwendung wurden unterschiedliche Parameter miteinander vergleichbar.
31
3. Ziel der Untersuchung
Unter Zugrundelegung der oben genannten Mechanismen bei Eröffnung und Kollaps von
Alveolen während der Erstellung der PV-Kurve ist davon auszugehen, dass am Ende der
Inflation eine signifikante Rekrutierung stattgefunden hat. Das Ziel der Untersuchung war
es herauszufinden, ob die wiederholte Erstellung von Druck-Volumen-Kurven beim
experimentellen Lungenversagen zu einer Rekrutierung von atelektatischem
Lungengewebe und damit zu einer Verbesserung des Gasaustausches führen würde. Das
Manöver zur Erstellung der PV-Kurve war von einem ähnlichen Prinzip wie ein
Rekrutierungsmanöver, so dass bei wiederholtem Ausführen des PV-Manövers ebenfalls
eine Rekrutierung erwartet wurde.
32
4. Ergebnisse
4.1 Übersicht Um einen stabilen Lungenschaden zu induzieren, wurden im Mittel 10,2 +/- 2,3 NaCl-
Lavagen benötigt, wobei maximal 16 Liter 0,9 %ige NaCl-Lösung nötig waren.
Durchschnittlich konnte 5,5+/- 1,0 Stunden nach Einleitung der Anästhesie mit dem
experimentellen Teil begonnen werden.
Die Beatmungsparameter waren vor und nach wiederholter PV-Kurvenerstellung
identisch und es konnten keine Veränderungen von Blutdruck (RR), (VTEX) und (Ti/TOT)
verzeichnet werden. Der maximale inspiratorische Druck (PIP) nahm jedoch zu. Es zeigte
sich tendenziell eine Zunahme des physiologischen Totraums, was sich nachteilig auf die
CO2-Elimination auswirkte (p<0,01).
Eine kontinuierliche und signifikante Abnahme von VPEEP und VMAX war von einer PV-
Kurvenerstellung zur nächsten zu verzeichnen (p 0.012) (siehe Tabelle 3), was, wie
Tabelle 2 wiedergibt, mit einer Abnahme der Oxygenierung und einer Zunahme der
venösen Durchmischung ein herging. Der UIP konnte nur in 50% der Kurven bestimmt
werden, daher wurde er nicht weiter in die Analyse mit einbezogen. In Bezug auf LIP,
maximale Compliance und statische Compliance konnten keine Veränderungen
verzeichnet werden.
Die „fractional changes“ (als delta = (vor / nach) -1 angenommen) zeigten eine Abnahme
der Oxygenierung und eine Zunahme der venösen Durchmischung und des PCO2. Dies
zeigt insgesamt eine Verschlechterung des Ventilations-/ Perfusionsverhältnisses an.
In den CT-Scans zeigte sich eine unverändertes VTOT, aber eine Reduktion von VAER (p
0,047), was auf eine Zunahme von VHYP (p 0,001) und VNON (p 0,037) zurückzuführen
war (Diagramm 1). Die Verteilung der ventilierten Areale in den Lungen veränderte sich
ebenfalls. Nach wiederholter PV-Kurvenerstellung fand sich weniger Tidalventilation in
den belüfteten Lungenbezirken, während der Volumenwechsel in den hyperventilierten
(VHYP) und den nicht ventilierten (VNGF und VNON) zunahm; letzteres ist Ausdruck des
zyklischen Öffnens und Schließens atelektatischer Lungenbezirke.
33
4.2 Hämodynamische Messwerte vor und nach wiederholter PV-Kurvenerstellung
Tabelle 1: Hämodynamische Messwerte
Vor 5-maliger PV-
Kurvenerstellung
Nach 5-maliger PV-
Kurvenerstellung
HF [bpm] 87,5 (26,9) 91.6 (25,2)
MAP [mmHg] 83,6 (21,3) 84,7 (16,8)
CVP [mmHg] 8,6 (5,3) 6,5 (3,7)
PAOP [mmHg] 8,0 (3,8) 8,0 (3,7)
CO [l min/1] 3,9 (0,6) 4,0 (0,9)
RR [mmHg] 37,2 (4,5) 37,2 (4,5)
SVR [dyn x sec x cm/5] 1595 (618) 1646 (590)
PVR [dyn x sec x cm/5] 601 (131) 622 (205)
Wie der Tabelle zu entnehmen ist, ergaben sich bezüglich der Hämodynamik keine
signifikanten Veränderungen im Laufe des Versuches.
HF: Herzfrequenz,
MAP: mittlerer arterieller Druck,
CVP: zentralvenöser Druck,
PAOP: pulmonalarterieller Verschlussdruck,
CO: Cardiac ourput (Herzminutenvolumen),
RR: arterieller Blutdruck,
SVR: systemic vessel resistance,
PVR: pulmonary vessel resistance.
34
4.3 Beatmungsparameter und Belüftung vor und nach wiederholter PV-Kurvenerstellug
Tabelle 2: Beatmungsparameter
Vor 5-maliger PV-
Kurvenerstellung
Nach 5-maliger PV-
Kurvenerstellung
VT [ml] 241 (20) 240 (20)
PIP [cmH2O] * 32,6 (3,5) 34,2 (5,3)
MIP [cmH2O] * 16,5 (1,8) 17,6 (1,7)
Ti/TOT 0,5 (0,01) 0,5 (0,01)
VD /VT [%] 83,9 (3,8) 85,8 (3,9)
CRS [ml/cmH2O] 14,8 (2,7) 13,3 (1,5)
CTOT [ml/cmH2O] 9,8 (4,2) 10,1 (2,6)
PaO2 [torr] 87 (38) 62 (26)
HbaO2 [%] 85 (17) 69 (20)
PaCO2 [torr] 78 (19) 88 (25)
QVA/QT [%] 47,4 (13,6) 60,3 (17,4)
* Im Fall von PIP, MIP, PaO2, HbaO2, PaCO2 und QVA/QT ist p<0,05; bei den restlichen
Parametern zeigten sich keine signifikanten Veränderungen im Laufe des Versuches.
SVR: systemic vessel resistance,
PVR: pulmonary vessel resistance,
VT: Tidalvolumen,
VD/VT: physiologisches Totraumvolumen,
HbaO2: oxygeniertes Hämoglobin,
CRS: statische Compliance,
QVA/QT: venöse Durchmischung,
PIP: peak inspiratory pressure,
MIP: mean inspiratory pressure,
Ti/TOT: inspiratory to total time ratio,
CTOT: total compliance from PV-loop,
PaO2: Pulmonalarterieller Sauerstoffpartialdruck,
PaCO2: Pulmonalarterieller Kohlendioxidpartialdruck.
35
4.4 Anhand der PV-Kurve ermittelte Parameter
Tabelle 3: anhand der PV-Kurve ermittelte Parameter
1stes PV-
Mannöver
2stes PV-
Mannöver
3stes PV-
Mannöver
4stes PV-
Mannöver
5stes PV-
Mannöver
LIP [cmH2O] 18 (7) 21 (7) 21 (7) 19 (9) 19 (9)
CMAX
[ml/cmH2O]
21 (11) 20 (11) 22 (17) 20 (11) 20 (12)
VMAX [ml] 397 (109) 355 (113) 351 (97) 341 (106) 329 (111)
VPEEP [ml] 244 (96) 220 (97) 209 (99) 206 (95) 202 (87)
LIP: lower inflection point,
CMAX: maximale Steigung der PV-Kurve,
VMAX: Lungenvolumen bei einem maximalen PEEP von 40 cmH2O,
VPEEP: Differenz zwischen den Lungenvolumia bei PEEP und ZEEP.
Die Tabellenwerte geben die Mittelwerte der durchgeführten Messungen und in
Klammern gesetzt die jeweiligen Standardabweichungen wieder.
36
4.5 Veränderungen der Lungenvolumina im CT vor und nach PV-Kurvenerstellung
Das Diagramm zeigt die absoluten Volumina in ml bei Endexspiratorischem hold mit einem
PEEP von 10mmHg.Von oben nach unten konnten an Hand der unterschiedlichen
Schattierungen die folgenden Bezirke differenziert werden:
VHYP: entspricht dem Volumen der hyperventilierten Lungenareale,
VAER: entspricht dem Volumen der normalventilierten Lungenareale,
VNGF: entspricht dem Volumen der nahezu nicht ventilierten Lungenareale („near gas-free
tissue“),
VNON: entspricht dem Volumen der nicht ventilierten Lungenareale.
Diagramm1: absolute Lungenvolumina
Insgesamt zeigte sich kein statistisch signifikanter Verlust in Bezug auf das
Gesamtlungenvolumen (p=0,089) nach wiederholter PV-Kurvenerstellung.
Offensichtlich kam es jedoch zu einer Zunahme der nicht belüfteten Lungenbezirke
(VNON von 334 ml vor - auf 358 ml nach PV-Kurvenerstellung, p<0,05) und einer
Abnahme sowohl der nahezu nicht belüfteten und der normal ventilierten Lungenbezirke
(VAER von 614 ml vor - auf 563 ml nach PV-Kurvenerstellung, p<0,05).
Das unten stehende Diagramm 2 zeigt die Volumenunterschiede in Inspiration und
Exspiration bezogen auf die einzelnen Lungenareale.
334 358
397 361
614 563
5556
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
1600,00
BEFORE AFTER
37
Besonders deutlich zeigt sich hier die Zunahme der Tidalbelüftung in VHYP, also in den
hyperventilierten Lungenarealen und die Abnahme der Tidalbelüftung in VAER, also in
den normal belüfteten Lungenbezirken.
233 209
3251
-51-4-7
-43-0,20
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
NON
POOR
HYP
NORM
BEFORE AFTER
Diagramm 2: Lungenvolumina bezogen auf die Lungenareale in der CT
38
4.6 Beispielabbildungen
a) b)
Abbildung 1: CT in Inspiration
a) nach Induktion des Lungenversagens
b) nach Post-PV
a) b)
Abbildung 2: CT in Exspiration
a) nach Induktion des Lungenversagens
b) nach Post-PV
39
5. Diskussion
Das Ziel der Untersuchung war es herauszufinden, ob die wiederholte Erstellung von
Druck-Volumen-Kurven beim experimentellen Lungenversagen, beispielhaft beim
ARDS-Patienten, zu einer Rekrutierung von atelektatischem Lungengewebe und damit zu
einer Verbesserung des Ventilations-Perfusions-Verhältnisses führen würde. Hierzu
wurde im ersten Teil dieser Arbeit einen Überblick über die pathophysiologischen
Vorgänge beim ARDS, die derzeitigen Therapiekonzepte und die bisherige Anwendung
von Druck-Volumen-Kurven in der Patientenbehandlung gegeben.
Die Versuchsreihe zeigte überraschenderweise, dass bei dem gewählten Versuchssetting
die wiederholte Erstellung von inspiratorischen PV-Kurven mit einem maximalen Druck
von 40 cmH2O zu einem signifikanten Verlust von belüfteten Lungenvolumen und zu
einer Zunahme von schlecht- und nicht belüfteten Lungenbezirken führt.
Da die Versuchstiere volumenkontrolliert beatmetet wurden, kam es, wie zu erwarten, zu
keiner Veränderung des totalen Lungenvolumens. Es war jedoch eine Veränderung der
Tidalventilation, im Sinne einer weniger vorteilhaften Situation mit einer Zunahme der
überblähten Lungenareale zu verzeichnen. Klinisch spiegelte sich dies in einer Abnahme
der Oxygenierung und einer Zunahme des venösen Shunts und des Totraums wieder.
Bei den derzeit geläufigen Konzepten, die der Erstellung der PV-Kurve im Rahmen einer
„low flow Beatmung“ dienen, startet man das Manöver zur Kurvenerstellung bei einem
PEEP von 0 cmH20 (ZEEP). Bislang haben jedoch zahlreiche Studien gezeigt, dass die
Elimination des PEEP einen negativen Einfluss auf atelektatische Lungenbezirke beim
ARDS hat [56]. Der in diesem Versuch gewählte maximale PEEP von 40 cmH2O, hat
sich jedoch offensichtlich als zu gering erwiesen, um eine Rekrutierung atelektatischer
Lungenbezirke zu bewirken bzw. eine Derekrutierung zu verhindern. Die in der
vorliegenden Arbeit erhaltenen Ergebnisse werden in so fern durch die Arbeit von Pelosi
et al. [35] bestätigt, als dass diese zeigen konnten, dass wesentlich höhere Druckwerte
notwendig sind, um atelektatische Lungenbezirke beim ARDS effektiv zu öffnen.
Des Weiteren ist zumeist eine dauerhafte Überblähung von Nöten, um eine effektive
Rekrutierung zu erreichen und nicht nur ein kurzzeitiges Wiedereröffnen von
Atelektasen. So konnte bereits gezeigt werden, dass ein Rekrutierungsmanöver mit einem
40
Spitzendruck von 45 cmH2O, der über 40 Sekunden gehalten wird, zu einer Verbesserung
der Oxygenierung führt. [57], [58]
Die Tabelle unter Punkt 4.4 zeigt deutlich, dass jedoch trotz eines PEEP von 10 cmH2O
bereits zwischen dem ersten und zweiten Manöver ein deutlicher Volumenverlust von
VMAX 1 = 397 ml auf VMAX 2 = 355 ml zu verzeichnen war. Ein PEEP von 10 cmH2O
zwischen den einzelnen Manövern scheint also zu gering zu sein, um eine gegebenenfalls
stattgehabte Rekrutierung dauerhaft aufrechtzuerhalten. Da die Auswirkung wiederholter
PV-Kurvenerstellung auf die Hämodynamik und die Oxygenierung bei Patienten mit
ARDS schon früher untersucht wurde [59] und es hierbei insgesamt nur zu einer geringen
Verschlechterung und bei manchen Patienten sogar zu einer Verbesserung der
Oxygenierung kam, war für diese Versuchsreihe ebenfalls mit einer Rekrutierung durch
die wiederholte PV-Kurvenerstellung gerechnet worden. Der in der vorliegenden
Untersuchung gezeigte gegenteiligen Effekt, nämlich einer Zunahme der schlecht- und
nicht belüfteten Lungenbezirke, war eher überraschend. Auf der anderen Seite gilt es zu
berücksichtigen, dass die wiederholte Erstellung von PV-Kurven derzeit noch kein
klinisch relevantes Routineverfahren darstellt. So war das von uns verwendete
Beatmungsgerät (Galileo Gold, Hamilton, Rhäzüns, Schweiz) zum Zeitpunkt der
Versuchsdurchführung, das einzige Beatmungsgerät, welches mit der Absicht, die
wiederholten Erstellung der Druck-Volumen-Kurve zu ermöglichen und zu vereinfachen,
mit einem PV-Tool ausgestattet war. Des Weiteren bestanden zu der genannten Studie
[59] einige Unterschiede in Bezug auf das Versuchsprotokoll: So wurden alle Patienten
fünfzehn Minuten vor Erstellung der PV-Kurve mit ZEEP beatmet, so dass ein
Volumenverlust in Verbindung mit der Reduzierung des PEEP nicht auffiel. Des
Weiteren fand zwischen den Manövern eine Baseline-Beatmung von mehreren Minuten
statt. Und drittens lag der Spitzendruck bei 45 mmHg und bei jedem Schritt wurde ein
Inspiratorisches Plateau für drei Sekunden gehalten, so dass jedes Manöver im Ganzen
60-90 Sekunden dauerte. Insgesamt ähnelt der Ablauf also mehr einem
Rekurtierungsmanöver und bietet somit Vorteile gegenüber dem in dieser Arbeit
untersuchten Modell in Bezug auf die zu erwartende Rekrutierung.
Im hier beschriebenen Versuch wurde willkürlich eine Anzahl von fünf Wiederholungen
des PV-Manövers ausgewählt, um auch den Zeitfaktor bei der Erstellung von PV-Kurven
zu berücksichtigen. Im Klinikbetrieb kann es im Rahmen der Beatmungseinstellung auch
zu einer höheren Anzahl an wiederholten Manövern kommen, vor allem dann, wenn dem
Benutzer ein Beatmungsgerät mit integriertem PV-Tool zur Verfügung steht, so wie es
41
während dieser Versuchsreihe der Fall war. Somit ist die gewählte Anzahl an
Wiederholungen durchaus als realistisch anzusehen.
Die durchgeführten CTs der gesamten Lunge dienten der Beurteilung der
Volumenänderungen im Zuge eines Rekruitments oder Derekruitments, stellen jedoch in
dieser Form derzeit noch kein Routineverfahren dar, was einen weiteren limitierenden
Faktor der Untersuchung darstellt. Im Rahmen der Auswertung erfolgte die Abgrenzung
von atelektatischem zu normalem Lungengewebe manuell, so dass von einem konstanten
systematischen Fehler auszugehen ist, der jedoch vernachlässigt werden kann. Insgesamt
zeigten die CTs, wie die hämodynomischen und respiratorischen Versuchsergebnisse,
eine Zunahme der überblähten Areale bei Ausschluss der abhängigen, d.h. dorsal
gelegenen, Lungenbezirke von der Ventilation. Im Vergleich kam es in den normal
belüfteten Lungenbezirken vermehrt zu einer Derekrutierung als in den nicht belüfteten
Bezirken.
Hierbei ist jedoch auch die Lagerung der Versuchstiere ausschließlich in Rückenlage zu
beachten. Die vor allem in den dorsalen, zwerchfellnahen Lungenabschnitten gelegenen
Atelektasen wurden weiterhin durchblutet und so resultiert insgesamt eine Zunahme des
intrapulmonalen Shunts. Eine intermittierende Bauchlagerung könnte also theoretisch
eine Verbesserung der Oxygenierung in den dorsalen Lungenabschnitten bewirken. Aus
diesem Grund ist die Frage nach dem Einfluss der Bauchlagerung beim ARDS schon in
mehreren Studien behandelt worden. [60-63] Eine Verbesserung bezüglich des
pulmonalen Gasaustausches durch Reduktion des Ventilations-Perfusions-
Missverhältnisses konnte hierbei nachgewiesen werden. Es wäre also auch für die
durchgeführte Versuchsreihe ein positiver Einfluss zu erwarten gewesen, wobei die
Auswirkung auf das Gesamtergebnis jedoch fraglich bleibt.
42
6. Zusammenfassung
Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung sollten die Einflüsse der wiederholten PV-
Kurven-Erstellung auf die geschädigte Lunge, beispielhaft beim ARDS-Patienten,
überprüft werden. Es handelt sich um eine tierexperimentelle Studie an acht weiblichen,
deutschen Hausschweinen.
Es wurde ein bereits in der Klinik einsetzbares PV-Manöver in einem Ventilator genutzt.
Zum Erlangen des experimentellen Lungenversagens wurde durch repetetive Lavagen mit
0,9 %iger Kochsalzlösung der Surfactantfaktor aus den Tierlungen ausgewaschen.
Konnte von einer standardisierten, akuten Lungenschädigung ausgegangen werden,
wurden die Tiere volumenkontrolliert mit einem PEEP von 10 cmH2O und einem
Inspirations- / Exspirationsverhältnis von 1:1,5 weiter beatmet.
Die Erstellung der Druck-Volumen-Kurve wurde mit Hilfe eines PV-Manövers, welches
im verwendeten Ventilator integriert war, fünfmal wiederholt. Vor und nach jedem
Manöver erfolgte die Aufzeichnung hämodynamischer -, lungenmechanischer - und
Messwerte des Gasaustausches sowie die Durchführung von CT-Scans.
Eine kontinuierliche und signifikante Abnahme von VPEEP und VMAX war von einer PV-
Kurvenerstellung zur nächsten zu verzeichnen (p 0.012). Es kam zu einer signifikanten
Abnahme von PaO2 von 90,4+/-33,3 auf 70,9+/-36,3 mmHg (p kleiner 0,005), welche
durch eine Zunahme des Rechts-Links-Shunts von 47,8+/-12,7 auf 59,1+/-16,6 (p kleiner
0,05) bedingt war.
Die Auswertung der CT-Scans zeigte ein unverändertes VTOT, aber eine Reduktion von
VAER (p 0,047), was auf eine Zunahme von VHYP (p 0,001) und VNON (p 0,037)
zurückzuführen war. Die Verteilung der ventilierten Areale in den Lungen veränderte sich
ebenfalls. Nach wiederholter PV-Kurvenerstellung fand sich weniger Tidalventilation in
den belüfteten Lungenbezirken, während der Volumenwechsel in den hyperventilierten
(VHYP) und den nicht ventilierten Arealen (VNON) zunahm.
Auf Grund der erhaltenen unerwarteten Ergebnisse welche eine Abnahme der
Lungenvolumina nach Durchführung des PV-Manövers zeigen konnten, sollte die Wahl
der Parameter innerhalb des Manövers kritisch geprüft werden, um einen negativen
Einfluss auf die normal belüfteten Lungenareale zu vermeiden.
43
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[62] Guerin C, Gaillard S, Lemasson S et al. Effects of systematic prone positioning in hypoxemic acute respiratory failure. JAMA 2004; 292:2379-87.
[63] Mancebo J, Fernandez R, Blach L et al. A multicenter trial of prolonged prone ventilation in severe acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med 2006; 173:1233-9.
Danksagung
Herrn Univ.- Prof. Dr. med. R. Rossaint danke ich, dass er die Durchführung dieser
Promotionsarbeit an der Klinik für Anästhesiologie ermöglicht hat.
Herrn PD Dr. med. D. Henzler möchte ich für die Überlassung des Themas, die
konstruktive Unterstützung bei der Durchführung des experimentellen Teils sowie bei der
Anfertigung der schriftlichen Promotionsarbeit herzlich danken.
Herrn Th. Stopinski möchte ich für die Vorbereitung der Versuchstiere und für die
Unterstützung während der Versuche danken.
Nicht zuletzt gilt ein besonderer Dank meinen Eltern, die mir das Studium durch ihre
Unterstützung ermöglicht haben sowie meinen Freunden, die mich bei der Fertigstellung
der schriftlichen Promotionsarbeit unterstützt haben.
Hiermit erkläre ich, dass die dieser Dissertation zu Grunde liegenden Originaldaten bei mir, Britta Waskowiak, Karolingerstraße 49, D-40223 Düsseldorf hinterlegt sind.
Hiermit versichere ich, dass ich die von mir vorgelegte Arbeit eigenhändig und ohne unerlaubte Hilfe oder Hilfsmittel verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen verwendet habe. Aachen, den 15.10.2008
Britta Waskowiak Karolingerstraße 49 D-40223 Düsseldorf Lebenslauf Persönliche Daten Geburtsdatum: 30. März 1976 Geburtsort: 52222 Stolberg Familienstand: ledig Konfession: römisch-katholisch Schulischer Werdegang Aug. 1982 – Juni 1986 Katholische Grundschule Stolberg Aug. 1986 – Juni 1992 Städtische Realschule I Stolberg Erwerb der allgemeinen Fachoberschulreife Aug. 1992 – Juni 1995 Katholisches Goethe-Gymnasium Stolberg Erwerb der allgemeinen Hochschulreife Berufsausbildung März 1996 – März 1999 Lehranstalt für medizinisch-technische Assistenten des Universitätsklinikums der RWTH Aachen März 1999 staatliche Prüfung als Medizinisch-technische Laboratoriumsassistentin Studium der Humanmedizin Okt. 1998 – Mai 2005 Rheinisch Westfälische Technische Hochschule Aachen Examina - März 2002: 1. Staatsexamen - März 2004: 2. Staatsexamen - Mai 2005: 3. Staatsexamen Berufliche Tätigkeiten August 2005 - August 2006 Assistenzärztin in der Inneren Abteilung des Krankenhauses Neuwerk „Maria von den Aposteln“ gGmbH 41066 Mönchengladbach
Seit September 2006 Assistenzärztin in der Abteilung für Neurochirurgie des Evangelischen Krankenhauses Duisburg-Nord 47169 Duisburg Veröffentlichungen Originalarbeiten D. Henzler, A. Mahnken, R. Dembinski, B. Waskowiak, R. Rossaint, R. Kuhlen „Repeated generation of the pulmonary pressure-volume curve may lead to derecruitment in experimental lung injury” Intensive Care Medicine 2005; 31(2), 302-310 Düsseldorf, im März 2009
