(Prof. Dr. Med. M. Quintel) Des Zentrum Anaesthesiologie, Rettungs- Und Intensivmedizin in Der Medizinischen Fakultät Der Universität Göttingen
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Aus der Abteilung Operative Intensivmedizin (Prof. Dr. med. M. Quintel) des Zentrum Anaesthesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin in der Medizinischen Fakultät der Universität Göttingen Experimentelle und klinische Untersuchung der elektrischen Impedanztomographie zur regionalen Lungenfunktionsprüfung beatmeter Patienten Habilitationsschrift (kumulatives Verfahren) zur Erlangung der Venia legendi in der Medizinischen Fakultät der Georg-August Universität zu Göttingen von Dr. med. José Hinz, DEAA Göttingen 2005 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung .................................................................................................... 3 2. Material und Methoden............................................................................... 9 2.1 Durchgeführte Studien................................................................................ 9 2.2 Elektronenstrahl-Computertomogram (EBCT)......................................... 16 2.3 Ventilationsszintigraphie (SPECT)........................................................... 16 2.4 Elektrische Impedanztomographie............................................................ 17 2.4.1 Funktionelle Impedanztomographie...........................................................18 2.4.2 Regionale PV-Kurven ................................................................................20 2.5 Pneumotachographie................................................................................. 21 2.6 Offener Stickstoffauswaschvorgang......................................................... 22 2.7 Statistik...................................................................................................... 22 3. Ergebnisse ................................................................................................. 24 3.1 Studie I...................................................................................................... 24 3.2 Studie II:.................................................................................................... 26 3.3 Studie III:.................................................................................................. 31 3.4 Studie IV:.................................................................................................. 34 3.5 Studie V..................................................................................................... 36 4. Diskussion................................................................................................. 41 5. Zusammenfassung..................................................................................... 53 2 1. Einleitung Die maschinelle Beatmung ist Bestandteil moderner medizinischer Therapiekonzepte, um bei Störungen des pulmonalen Gasaustausches eine ausreichende Versorgung des Patienten mit Sauerstoff und die Elimination von Kohlendioxid zu gewährleisten. Bei einer Erschöpfung der Atemmuskulatur als Folge akuter oder chronischen Erkrankung mit erhöhter Atemarbeit wird durch eine maschinelle Beatmung die Atemmuskulatur entlastet (Wrigge et al. 1999). Dies erlaubt eine Erholung der Atemmuskulatur, die neben der Therapie der Grunderkrankung für eine Rekonvaleszenz des Patienten unumgänglich ist. Bei Patienten mit schweren lebensbedrohlichen Erkrankungen wie Sepsis, Polytrauma oder isolierten Lungenversagen gehört die maschinelle Beatmung zum etablierten Behandlungskonzept (Andrews et al. 2005, Dellinger et al. 2004, Hudson und Steinberg 1999). Die maschinelle Beatmung führt jedoch auch regelmäßig zu einer Verschlechterung der Lungenfunktion. Sie ist gekennzeichnet durch eine Zunahme der alveolo-kapillären Sauerstoffdifferenz, so dass eine inspiratorische Sauerstofffraktion (FiO2) von mindestens 0,3 für die Beatmung empfohlen wird (Sykes et al. 1965). Es wurde dabei ein kausaler Zusammenhang zwischen der maschinellen Beatmung, schlechter werdender Lungenfunktion und dem Auftreten von nicht beatmeten Lungenregionen (Atelektasen) diskutiert. Computertomographische Untersuchungen des Thorax unterstrichen diesen Zusammenhang (Brismar et al. 1985, Gunnarsson et al. 1991, Hedenstierna et al. 1986). Weiterhin wurde gezeigt, dass die Größe der Atelektasen mit dem intrapulmonalen Rechts-Links-Shunts korreliert (Bendixen et al. 1963). Eine 3 besondere Bedeutung für die Entstehung von Atelektasen kommt der inspiratorischen Sauerstofffraktion (FiO2) zu. Wird bei einer Narkoseeinleitung auf eine Präoxygenierung mit reinem Sauerstoff (FiO2 = 1,0) verzichtet, oder reduziert man die FiO2 direkt nach der endotrachealen Intubation auf 0,3, so ist die Größe der Atelektasen signifikant kleiner als nach Präoxygenierung und dreiminütiger Beatmung mit reinem Sauerstoff (Reber et al. 1996). Eröffnet man atelektatische Lungenareale während maschineller Beatmung durch die kurzfristige Anwendung eines erhöhten Atemwegsdruck (PAW), so ist die Geschwindigkeit des erneuten Auftretens sowie die Größe der entstehenden Atelektasen ebenfalls von der FiO2 abhängig (Rothen et al. 1995). Atelektasen erklären jedoch nicht nur die Zunahme der alveolo-kapillären Sauerstoffdifferenz von Patienten in Narkose, sondern sie kennzeichnen auch das akute Lungenversagen bei Patienten in seiner schwersten Ausprägung, dem „Acute Respiratory Distress Syndrome“ (ARDS) (Bernard et al. 1994). Großflächige dorso-basale Atelektasen sind beim ARDS typischerweise nachweisbar (Gattinoni et al. 1986, Gattinoni et al. 1988). Wie bei lungengesunden Patienten in Narkose korreliert auch beim ARDS der intra-pulmonale Rechts-Links-Shunt mit der Größe der Atelektasen (Gattinoni et al. 1988). Das Ziel jeder Beatmung muss daher sein, die Entstehung von Atelektasen zu verhindern und bereits vorhandene Atelektasen wieder zu eröffnen und für den Gasaustausch zu rekrutieren. Lachmann formulierte in einem Editorial den Grundsatz „Open up the lung and keep the lung open“ (Lachmann 1992). Deshalb wurden verschiedenste Vorschläge gemacht, um Atelektasen zu vermeiden oder zu rekrutieren. Dazu gehören das „open lung“ Konzept (Lachmann 1992), die superpositionierte 4 Spontanatmung während maschineller Beatmung (Putensen et al. 2001), die maschinelle Beatmung mit inversen Inspiration-Exspiration-Zeitverhältnissen (Sydow et al. 1994), die Bauchlagerung des Patienten (Flatten et al. 1998), die nicht invasive Beatmung (Brochard 2000) oder die maschinelle Beatmung mit positiv end-exspiratorischen Drucken (PEEP) (Neumann et al. 1998b). Die Beatmung schädigt jedoch bei inadäquater PEEP und/oder Plateaudruck die Lunge sekundär durch zyklisches Kollabieren und Wiedereröffnen von Alveolen (Dreyfuss und Saumon 1998, Pinhu et al. 2003). Die dabei entstehenden Scherkräfte führen zur Freisetzung von inflammatorischen Zytokinen (Chiumello et al. 1999, Ranieri et al. 1999) und verursachen dadurch sekundäre Schäden an anderen Organen (Andrews et al. 2005, Plotz et al. 2003, Plotz et al. 2004, Slutsky und Tremblay 1998). Inadäquate hohe Beatmungsdrucke und hohe Tidalvolumina (VT), die zur Eröffnung kollabierter Lungenregionen bei Rekrutierungsmanövern eingesetzt werden, können durch eine Überdehnung des Lungenparenchyms und konsekutivem Einriss von Lungenepithelien ebenfalls sekundäre Lungenschäden hervorrufen und damit zu einer progredienten Verschlechterung der Lungenfunktion führen (Downey und Granton 1997, Kacmarek 1999, Matamis et al. 1984, Pelosi und Gattinoni 1996, Sykes 1991). Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass eine Beatmung mit hohem positivem end-exspiratorischem Atemwegsdruck (PEEP) und kleinen Tidalvolumina (VT), welche die oben beschriebenen Scherkräfte minimiert und den Plateaudruck reduziert, die Prognose von Patienten mit akutem Lungenversagen günstig beeinflusst (Amato et al. 1998, The Acute Respiratory Distress Syndrome Network 2000). Nach bisherigem Kenntnisstand kann der adäquate PEEP und 5 Plateaudruck aus Druck-Volumen-Kurven (PV-Kurve) der Lunge bestimmt werden, so dass die Messung der Atemmechanik von Bedeutung ist (Gattinoni et al. 1984). Der PEEP wird aus dem unteren Inflektionspunkt (LIP) der PV-Kurve bestimmt, wohingegen der Plateaudruck den oberen Inflektionspunkt (UIP) nicht überschreiten sollte. Kritisch bleibt jedoch anzumerken, dass Druck-Volumen- Kurven der gesamten Lunge nicht repräsentativ sind für alle Lungenregionen, da sie sich bezüglich der Atemmechaniken regional unterscheiden. In einer Studie konnte durch Computertomographie (CT) gezeigt werden, dass Patienten mit ARDS regional unterschiedliche Compliances aufweisen (Puybasset et al. 2000). Deshalb wurde bei beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen (ALI) und ARDS empfohlen, zur Respiratoreinstellung regionale pulmonale Inhomogenitäten in die Überlegungen der atemmechanischen Messungen mit einzubeziehen und dass Techniken wünschenswert sind, die die regionale Funktion der Lunge überwachen (Rouby et al. 2002). Die Computertomographie des Thorax ist die sensitivste Methode zur Erkennung von Atelektasen und Überblähungen der Lunge sowie der Überwachung der regionalen Atemmechanik und derer Inhomogenität. Sie liefert anhand der Hounsfield-Einheiten (HU) Informationen über regionale Atelektasen und Lungenvolumen (Gattinoni et al. 1987). Der Nachteil dieses Verfahren ist die Strahlenbelastung des Patienten, die wiederholte oder sogar kontinuierliche CT-Untersuchungen zur Objektivierung von Respiratoreinstellungen einschränken. Bei einer weiteren Methode zur Messung der regionalen Lungenfunktion, der Ventilationsszintigraphie wird ein Radiopharmakon (Tc-99m Albumin-Mikropartikel) inhaliert und mit hochauflösenden Kollimatoren aus 6 verschiedenen Kameraprojektionen