AirTrap Control, Triggersperrzeit und exspiratorische Druckrampe

Beatmung bei COPD

Vinsp. Vinsp.= ∫Ti

o·dt·

Vexsp. Vexsp.= ∫Te

Ti

·dt·

BEATMUNG

2 Beatmung bei COPD

Vorwort

Die vorliegende Broschüre spannt einen Bogen von der Darstellung der grund-legenden atemmechanischen Störungen bei COPD mit emphysematischer Kom-ponente, den Schwierigkeiten, die diese Störungen für die Spontanatmung und für eine mechanische Beatmung nach sich ziehen, bis hin zur Vorstellung be-sonderer therapeutischer Optionen zur Optimierung der Beatmung.

Im ersten Kapitel soll dem Leser zunächst ein Grundverständnis für die besondere Pathophysiologie des Krankheitsbilds COPD und Lungenemphysem und ihre Auswirkungen auf die Atemmechanik vermittelt werden. Im zweiten Kapitel werden besondere Beatmungsfunktio-nen beschrieben, deren Wirkungsweise darauf ausgerichtet ist, diese Limitatio-nen unter der Beatmung zu überwinden.

3Beatmung bei COPD

Inhalt

Besonderheiten der Atemmechanik bei COPD .................................................................. 4

Kollaps kleiner Atemwege ............................................................................................ 5

Exspiratorische Flusslimitation und dynamische Hyperinflation ........................ 9

I:E-Verhältnis .................................................................................................................. 11

Fluktuationen im exspiratorischen Flussverlauf .................................................... 12

Die Störungen im Überblick ...................................................................................... 13

Therapeutische Funktionen zur Beatmung bei COPD ..................................................... 15

AirTrap Control ............................................................................................................ 15

Triggersperrzeit ............................................................................................................ 18

Die exspiratorische Druckrampe ............................................................................. 21

Übersicht der Beatmungsfunktionen .......................................................................24

Zusammenfassung ......................................................................................................................25

Literatur ........................................................................................................................................27

4 Beatmung bei COPD

Besonderheiten der Atemmechanik bei COPD

Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung leiden oft an schwe-rer Atemnot. Vielfältige Störungen der Atemmechanik haben eine Minderven-tilation zur Folge, die lebensbedrohlich

werden kann. Das Hauptkennzeichen dieser Störungen ist eine Limitation des exspiratorischen Flusses, die vielfältige, auf den nächsten Seiten erläuterte Kon-sequenzen hat.

exsp

irat

oris

cher

Flu

ssin

spir

ator

isch

er F

luss

Zeit

TeTiVexsp. = ∫Vexsp.·dt·

Ti

oVinsp. = ∫Vinsp.·dt·

5Beatmung bei COPD

Kollaps kleiner Atemwege

Abb. 1: Darstellung der Kollaps-Neigung durch Lungenemphysem und chronisch obstruktive Bronchitis im Vergleich mit gesundem Lungengewebe an einem Zahlenbeispiel. Die Zahlen repräsentieren nur exemplarisch die möglichen Druckverhältnisse zu Beginn einer Exspiration.

elastischer Strukturverlust

elastische Aufhängung der kleinen Atemwege

verminderte elastische Rückstellkraft + 1 hPa

elastische Rückstellkraft + 3 hPa

+ 5 hPa

+ 2 hPa

∆paw = 2 hPa∆paw = 1 hPa

Unterdruck im Atemweg und Kollaps

Gesundes Lungengewebe

Lungengewebe mit Kollaps-Neigung

+ 6 hPa + 4 hPaEmphysemgesunde

Alveole

Ödem+Sekret

Thoraxraum + 3 hPa

+ 3 hPa+ 3 hPa

6 Beatmung bei COPD

Die Ursache der Flusslimitationen liegt im gemeinsamen Auftreten zweier Phäno-mene.1

1. Entzündliche Veränderungen der Atemwege (chronisch obstruktive Bronchitis) bewirken eine Konstrik-tion der Bronchialmuskulatur, die Bildung von Schleimhautödemen und eine gesteigerte Sekretproduktion. Diese Veränderungen haben eine Ver-engung des Atemweglumens und Er-höhung der Widerstände gegenüber der Ein- und Ausatemströmung zur Folge.

2. Die Bildung eines Lungenemphysems bedeutet den Abbau von Alveolar-zwischenwänden und von elastischem Lungengerüst. Der Strukturverlust des Lungenparenchyms hat eine Vermin-derung der für die Ausatmung erfor-derlichen elastischen Rückstellkräfte und der bindegewebsartigen Aufhän-gung kleiner Atemwege zur Folge.

Die teils schwerwiegende Wirkung die-ser beiden Effekte wird in Abb. 1 an ei-nem Zahlenbeispiel gezeigt und im Fol-genden erläutert:

Für die Auswärtsströmung in der Ex-spiration sind die elastischen Rückstell-kräfte der Alveolarwände verantwort-lich. Für sehr tiefe Atemlagen kommen zusätzliche einwärts gerichtete Kräfte

durch den vorgespannten Thorax hinzu. Dieser Druck trägt zu den die Ausat-mung bestimmenden Rückstellkräften bei, liegt aber gleichzeitig auch an den Atemwegen selbst außen an und kann deren Querschnitte verengen.

Die Druckdifferenz zwischen dem Inne-ren des Atemwegs und seiner Umgebung ist die physikalische Größe, die zusam-men mit der elastischen Aufhängung im Lungengerüst über den Querschnitt des Atemwegvolumens entscheidet oder im Extremfall bestimmt, ob der Atemweg offen bleibt oder kollabiert.

Während in gesunden Lungenbezirken die elastischen Rückstellkräfte von Al-veolarwänden hoch sind, ist im Emphy-sem die austreibende Kraft reduziert und gleichzeitig die elastische Aufhän-gung der Atemwege im umgebenden Parenchym vermindert. Zusammen mit den obstruktiv bedingt größeren Druck-verlusten entlang der Atemwege führt dies zu der für COPD typischen ungüns-tigen Druckverteilung und kann lokale Kollaps-Ereignisse verursachen.

Gleichzeitig führt die Verengung der Atemwege zu erhöhten Druckverlus-ten während der Ausströmung, womit entlang der Strömung in Richtung der oberen Atemwege der intrabronchiale

7Beatmung bei COPD

Druck schneller absinkt als in einer ge-sunden Lunge. Diese ungünstigen Be-dingungen führen für die von chronisch obstruktiver Bronchitis und Emphysem betroffene Lunge dazu, dass an einem bestimmten Punkt entlang des Atem-wegs der lokale Druck unter den umge-benden Thoraxdruck sinkt. An diesem Punkt kollabiert der betroffene Bronchi-alzweig und die lokale Ausatemströmung kommt für den Moment zum Erliegen. Die verminderte elastische Aufhängung der Bronchialwände durch den emphy-sembedingten Verlust an Elastizität be-günstigt dabei die Kollaps-Neigung.

Nach einem Zusammenbruch lokaler Strömung findet nachfolgend ein Druck-

ausgleich mit den Lungenarealen auf Alveolarebene statt und der betroffene Atemweg kann unter der Vorausset-zung wieder eröffnet werden, dass die verbleibende Rückstellkraft im Emphy-sembezirk nun größer ist als der umge-bende Thoraxdruck.

Die dargestellten Ereignisse von Ver-schluss- und Wiedereröffnungsvorgän-gen in Bronchialzweigen können als ein sich zyklisch wiederholender Vorgang ablau-fen. Sie begleiten häufig – nach Überschreitung eines Flussspitzenwer-tes – die frühe Phase der Exspirationen und verschwinden typischerweise im weiteren Verlauf.

8 Beatmung bei COPD

Die Druckverhältnisse in Abb. 1 sind exem-plarisch gewählt und können in der Realität naturgemäß sehr verschieden ausfallen.

In der gesunden Lunge beträgt hier der durch vorgespannte Alveolarwände austreibende Druck zu Beginn der Exspiration 6 hPa, wäh-rend dieser im Emphysem nur bei 4 hPa liegt. Dieser Druck entsteht durch die gemeinsame Wirkung der Thoraxspannung mit einem re-sultierenden Überdruck von 3 hPa und den jeweiligen elastischen Rückstellkräften in der Alveolar- bzw. „Emphysem“-Wand. Diese Rückstellkräfte führen im gezeigten Beispiel zu einem Druck von 1 hPa für das Emphy-sem und sind damit kleiner als der Druck mit 3 hPa in der gesunden Alveole. Entlang der

verengten Atemwege der kranken Lunge rechts findet mit der Auswärtsströmung ein stärkerer Druckverlust (∆pAW) von 2 hPa bis zu einem bestimmten Punkt entlang des Atemwegs statt.

Während für die gesunde Lunge auf dem schematisch angedeuteten Strömungsab-schnitt der intrabronchiale Druck immer größer ist als der umgebende thorakale Druck, liegt für die kranke Lunge der Druck an dieser Stelle mit einem Absolutwert von 2 hPa bereits unter dem Thoraxdruck. Die elastische Aufhängung der Bronchialwände ist geringer als bei der gesunden Lunge. Bei diesen Druckverhältnissen kollabiert der Atemweg.

Erläuterung der Kollaps-Neigung anhand des Zahlenbeispiels aus Abb. 1 auf Seite 5:

Abb. 1, verkleinerte Darstellung

9Beatmung bei COPD

Exspiratorische Flusslimitation und dynamische Hyperinflation

Auf der Ebene der großen Atemwege sind die distal stattfindenden Kollaps-Ereignisse in der Summe als Limitation des Exspirationsflusses (Exspiratori-sche Flusslimitation, EFL) wahrnehmbar. Ein entsprechender Flussverlauf ist in Abb. 2 zusammen mit einem physiologi-schen Flussverlauf dargestellt.

Da die Fläche unter dem Flussverlauf (Integral) das Exspirationsvolumen re-präsentiert, ist sofort erkennbar, dass dieses im Vergleich mit einem physiolo-gischen Flussverlauf vermindert ist.

Abb. 2: exspiratorische Flusslimitation und Verminderung des Exspirationsvolumens

physiologischer Exspirationsverlauf,

Exspirationsverlauf mit Flusslimitation und vermindertem exspiratorischem Tidalvolumen VT.

Vte (EFL)Vte (Normal)

Kollaps kleinerer Atemwege exspiratorische Flusslimitation

Im Gegensatz zur Exspiration ist der inspiratorische Fluss bei COPD nicht durch eine Kollaps-Neigung beeinträch-tigt und damit das eingeatmete Volumen im Vergleich mit dem Exspirationsvolu-men weniger limitiert. Einer Einatmung folgt also eine unvollständige Ausatmung.

Bei andauerndem Ungleichgewicht findet eine Verschiebung der Atemlage mit ab-nehmender inspiratorischer Reserve und wachsendem endexspiratorischem Vo-lumen statt und der intrinsische positiv endexspiratorische Druck (PEEPi) steigt.

Zeit

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

10 Beatmung bei COPD

Dieser Vorgang wird als dynamische Hy-perinflation oder Air Trapping bezeich-net. Ein dabei aufgebauter intrinsischer PEEP hat eine Erhöhung der Atemlast im Sinne eines Schwellwertes zur Folge, der bei jeder spontanen Inspiration zusätz-lich zu einer der Atemtiefe proportiona-len Last überwunden werden muss.

Eine weitere Konsequenz der Überblä-hung ist ein Tiefstand des Zwerchfells, eine mechanisch ungünstige Position, die einen erheblichen Kraftverlust bedeutet. Die Atemexkursionen finden darüber

hinaus im oberen Bereich der Comp-liance-Kurve statt (vgl. Abb. 3). Die Lun-ge stellt sich hier quasi restriktiv dar, was neben der verminderten Effektivität der Muskelkontraktion eine weitere Erhö-hung der Atemarbeit zur Folge hat.

Die vorgestellten Aspekte der mecha-nisch ungünstigen Situation bei COPD und Lungenemphysem bewirken, dass die Atmung unter vermehrter Anstren-gung und bei verminderter Volumen-verschiebung stattfindet. Die Spontan-atmung ist deutlich erschwert und die

Abb. 3: Compliance-Kurve der Lunge mit Kennzeichnung von Bereichen normaler Compliance und geringerer Dehnbarkeit in der Nähe der 'inflection points'

∆V∆p

∆V∆p

TLC

FRC

RV

C = 50 ml/ mbar

C = 100 ml/ mbar

C = 50 ml/ mbar

∆V

∆p

intrapulmonaler Druck (mbar)

oberer inflection

point

unterer inflection

point

11Beatmung bei COPD

I:E-Verhältnis

Die exspiratorische Flusslimitation führt zwangsläufig zu einer patientenseitigen Anpassung des Atemmusters. Die Zeit-anteile für die Exspiration werden grö-ßer und es ergeben sich die für COPD typischen kleinen I:E-Zeitverhältnisse.

Die Wahl einer korrekten Beatmungs-einstellung ist in dieser Lage erschwert. Ein geeignetes I:E-Verhältnis ist vom Aus-maß der aktuellen Überblähung abhängig und kann insbesondere bei Exazerbatio-nen Extremwerte erfordern. Auch ein variabler Tonus der Bronchialmuskulatur

trägt zur Varianz des Atemmusters bei. Ein sich änderndes Maß der Obstrukti-on selbst innerhalb eines Tages kann an einem Beatmungsgerät unterschiedliche Einstellungen erfordern.

ventilatorischen Reserven sind stark ein-geschränkt. Dies kann – insbesondere bei körperlicher Belastung – zur Unfä-higkeit führen, den Vorgaben durch das Atemzentrum ventilatorisch zu folgen. Der Patient leidet an Atemnot.

Auch eine mechanische Beatmung ist, be-dingt durch die funktionelle Restriktion im oberen Bereich der Compliance-

Kurve, erschwert. Eine hinreichen-de mechanische Ventilation ist unter Umständen nur noch bei größeren Beatmungsdrücken möglich.

12 Beatmung bei COPD

Fluktuationen im exspiratorischen Flussverlauf

Abb. 4: exspiratorischer Flussverlauf mit Flusslimitation und Signalstörungen durch zyklisches Verschließen und Wiedereröffnen von Bronchialzweigen. Die Störungen sind gegenüber realen Verhältnissen zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt.

Dem lokalen exspiratorischen Ver-schluss von Atemwegen kann, wie oben erläutert, die Wiedereröffnung fol-gen. Das Zusammenspiel vieler kleiner Flussanteile im Exspirationsstrom, die diesem Phänomen unterliegen, führt zu einem weiteren für das Emphysem charakteristischen Verhalten. Die zy-klisch stattfindenden Verschluss- und Wiedereröffnungs-Ereignisse provozie-ren auf Ebene der großen Atemwege, wo sich alle Flussanteile überlagern, Flussschwankungen. Diese Fluktuationen

exsp. Fluss beim Lungenemphysem

normaler Exspirationsfluss

Fluktuation durch zyklischen Bronchialkollaps und nachfolgende Wiedereröffnung

sind zeitlich nach dem Überschreiten des exspiratorischen Flussspitzenwertes zu beobachten.

Abb. 4 zeigt einen entsprechenden ty-pischen Verlauf mit Signalfluktuationen.

Aus Sicht eines Beatmungsgerätes stel-len diese Fluktuationen erhebliche Störungen dar. Eine assistierte oder assistiert-kontrollierte Beatmung kann durch diese Störungen stark beein-trächtigt werden. Fluktuationsbedingte kurzzeitige Flussanstiege leiten die Trig-

Zeit

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

13Beatmung bei COPD

geralgorithmen fehl und können vom Beatmungsgerät falsch als Inspirations-bemühungen interpretiert werden. Die Gefahr von Asynchronität zwischen Pa-tient und Beatmungsgerät ist hier groß und ein 'Fighting' des Patienten gegen den Respirator ist nicht ausgeschlossen.

Häufig führen diese Schwierigkeiten in einer Beatmungssituation zu Geräteein-stellungen mit wenig sensitiven Trigger-schwellen, um überhaupt eine Synchro-nisation des Beatmungsgerätes mit dem

Patienten zu ermöglichen. Bei Inspirati-onsbeginn ist eine hohe Triggerschwelle natürlich von Nachteil. Die Atemarbeit des Patienten wird hierdurch grundsätz-lich erhöht bzw. der Grad der Entlastung der Atempumpe durch das Beatmungs-gerät vermindert.

Die Störungen im Überblick

In Abb. 5 sind die Besonderheiten dieser für COPD und Lungenemphysem typi-schen atemmechanischen Situation noch einmal zusammengefasst.

Die genannten Aspekte führen auch unter der Beatmung zu beträchtlichen Schwierigkeiten. Ergebnisse insbeson-dere der nicht-invasiven Beatmung sind für Patienten mit COPD weniger gut als beispielsweise für Patienten mit neuro-muskulären oder Thoraxwanderkran-kungen.2 Für die assistierte Beatmung werden Schwierigkeiten im Hinblick auf die Synchronität zwischen Patient

und Beatmungsgerät besonders bei der COPD hervor gehoben.3 Eine adäquate Therapiecompliance der Patienten ist oft schwer zu erzielen.

Die im folgenden Kapitel dargestellten Beatmungsfunktionen können helfen, die mechanische Ventilation zu verbessern und die Akzeptanz der Beatmung seitens des Patienten zu erhöhen.

14 Beatmung bei COPD

Abb. 5: Kollaps-Ereignisse bei COPD und Lungenemphysem während der Ausatemphase und Auswirkungen auf die Atemmechanik für die Spontanatmung und mechanische Beatmung

zyklischer Kollaps kleiner Atemwege

schwierige Therapie / geringe Patientencompliance

exspiratorische Flusslimitation

dynamische Überblähung

Anstieg des PEEPi

Zwerchfelltiefstand und Verminderung der

effektiven Zwerchfellkraft

funktionelle Restriktion

hohe Beatmungsdrucke

Fluktuationen im Flussverlauf

Fehltriggerung

Einstellung unempfindlicher

Triggerstufen

Erhöhung der Atemarbeit unter

assistierter Beatmung

Asynchronität mit Beatmungsgerät

Erhöhung der Atemarbeit

Auswirkung der Störungen auf die Beatmung

allgemeine Auswirkungen auf die Atemmechanik

15Beatmung bei COPD

Air Trapping oder die dynamische Über-blähung sind die Hauptkonsequenzen der exspiratorischen Flusslimitation mit den bereits beschriebenen Folgen für die Atemmechanik. Unter einer Beatmung kann das Phänomen des Air Trappings provoziert oder verschlimmert werden, wenn die Geräteeinstellungen – evtl. nur phasenweise – nicht genau auf die aktuellen Bedürfnisse des Patienten ab-gestimmt sind. Abb. 6 zeigt beispielhaft

einen Exspirationsflussverlauf, der durch ein Beatmungsgerät vorzeitig abgebro-chen wird. Der Patientenfluss beträgt zum Zeitpunkt der Umschaltung in die Inspiration nicht Null, die Ausatmung ist also unvollständig und es besteht die Ge-fahr des Air Trappings.

AirTrap Control bietet für die kontrol-lierte oder assistiert-kontrollierte Be-atmung bei COPD die Möglichkeit, die Exspiration im Hinblick auf eine mögli-

Therapeutische Funktionen zur Beatmung bei COPD

AirTrap Control

Abb. 6: unvollständige Exspiration durch verfrühte Umschaltung in die Inspiration durch das Beatmungsgerät. Die Störungen sind gegenüber realen Verhältnissen zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt.

exsp. Fluss ≠ 0

EPAP

IPAP

Umschaltung in die

Inspiration

Zeit

TE aus Einstellfrequenz

Beatmungsdruck

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

16 Beatmung bei COPD

Abb. 7: Verschiebung des Zeitpunktes der Umschaltung auf den Inspirationsdruck (im Vergleich mit Abb. 6) durch AirTrap Control, basierend auf dem analysierten Flussverlauf: Es findet eine vollständige Ausatmung statt.

che Überblähung zu überwachen. Die Wirkung von AirTrap Control ist am Bei-spiel der Kurve in Abb. 7 gezeigt. Durch Überwachung des Exspirationsverlaufs wird zum Ende der eingestellten Ausa-temzeit geprüft, ob ein Restfluss vorhan-den ist. Deuten Atemzugverläufe auf ein Air Trapping und Anstieg des intrinsi-schen PEEP hin, wird die mandatorische (T-Modus) bzw. die maximal zulässige

Exspirationszeit (ST-Modus) angepasst, um tiefere Exspirationen zu ermögli-chen und der dynamischen Hyperinflati-on entgegen zu wirken. Es wird also bei entsprechender Notwendigkeit zusätz lich Exspirationszeit zugelassen, Trigger-sperrzeit um einer Lungenüberblähung vorzubeugen und die funktionelle Resi-dualkapazität zugunsten einer erhöhten inspiratorischen Kapazität zu senken.

korrigierter Zeitpunkt der Umschaltung in die Inspira-

tion durch AirTrap Control

EPAP

Zeit

TE aus Einstellfrequenz + Verlängerung

Beatmungsdruck

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

17Beatmung bei COPD

Unter AirTrap Control wird also eine Verminderung des endexspiratorischen Lungenvolumens und Senkung des in-trinsischen PEEP (PEEPi) begünstigt. Mit sinkender Atemlage und bei ausreichen-dem Abstand von der totalen Lungen-kapazität wird die Lungencompliance größer, wie aus der Compliance-Kurve (Abb. 3) zu ersehen ist. Damit wird die Beatmung vereinfacht und – bei gleichem Beatmungsdruck – das Tidalvolumen ge-steigert.

Durch situatives Verlängern von Atem-zykluszeiten kann natürlich die Momen-tanfrequenz sinken. Bei steigendem Tidalvolumen kann sich dies dennoch positiv auf das Atemminutenvolumen aus-wirken.

Betrachtet man an Stelle der von au-ßen messbaren Minutenventilation die alveoläre Ventilation, also das Maß des Luftaustausches auf Ebene der Alveolen,

ist die Bilanz auch für eine phasenweise abgesenkte Frequenz bei gleichzeitig ver-größertem Tidalvolumen typischerweise noch günstiger, weil der Anteil der ana-tomischen Toträume weniger ins Ge-wicht fällt.

Die CO2- Elimination kann also auch bei einer vorübergehend sinkenden Atem-frequenz verbessert werden. Insbeson-dere auf längere Sicht ist durch das Ab-senken der Atemruhelage und Erhöhung der inspiratorischen Reserve eine besse-re Ventilation zu erwarten.

Limitierung der AusatemverlängerungVerschiedene Kriterien stellen sicher, dass unter einer Beatmung mit AirTrap Control die resultierende Minimalfre-quenz nur bedingt absinken kann.

alveoläre Minutenventilation

Valv = (Vtidal – VTotraum) · Atemfrequenz

Limitierung der Ausatemverlängerung

Die voreingestellte Exspirationszeit TE wird um max. 50 % verlängert.

TE wird um maximal 0,8 Sekunden verlängert.

Das maximale TE beträgt 8 s bei Minimalfrequenz.

Die kleinste mögliche Frequenz liegt auch mit AirTrap Control bei

fmin = 6 /min.

18 Beatmung bei COPD

In Kapitel 1 wurde erläutert, dass die Ex-spiration phasenweise von Fluktuationen oder Schwankungen begleitet ist, die die Triggeralgorithmen von Beatmungsgerä-ten fehl leiten können.

Abb. 8 zeigt eine typische Situation mit Druckverlauf unter der Beatmung bei einem sensitiv eingestellten Trigger ohne eine eingestellte Sperrzeit. Steile Flankenanstiege im Exspirationsverlauf entlang der Fluktuationen können einem Beatmungsgerät frühe Inspirationsbe-

Abb. 8: Assistierte Beatmung mit Fehltriggerung durch Fluktuationen im Flussverlauf bei sensitiv eingestelltem Trigger ohne Triggersperrzeit. Die Fluktuationen sind gegenüber realen Verhältnissen übertrieben dargestellt. In der Praxis würde durch den Druckanstieg der exspiratorische Fluss beeinflusst, was in der Abbildung zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.

Triggersperrzeit

mühungen vortäuschen. Solche Anstiege werden entsprechend unter der assis-tierten oder assistiert-kontrollierten Beatmung von einem Triggeralgorithmus bei Einstellung einer sensitiven Trigger-stufe mit einem vorzeitigen Umschalten in die Inspirationsphase beantwortet. In einer solchen Beatmungssituation ist eine Asynchronität zwischen Patient und Ventilator sehr wahrscheinlich und auch ein Fighting des Patienten ist möglich.

EPAP

IPAP

durch Fluktuationen im Fluss-Signal provoziertes Umschalten auf den Inspirationsdruck

kurzes geräteseitiges TE durch Fehltriggerung

Zeit

Beatmungsdruck

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

19Beatmung bei COPD

In der Praxis wird häufig die Wahl einer Triggerstufe mit geringer Sensitivität ge-wählt, um dieses Problem zu umgehen. Dies geschieht natürlich zu Lasten der Atemarbeit des Patienten, dessen Atem-pumpe bei einem unempfindlich einge-stellten Trigger deutlich später und da-mit weniger durch das Beatmungsgerät entlastet wird.

Einen Ausweg bietet hier die Funktion Triggersperrzeit. Bei aktivierter Trig-gersperrzeit wird für die eingestellte Zeitperiode mit Beginn der Exspiration ein Umschalten auf das inspiratorische

Druckniveau zunächst temporär ge-blockt. Mit Ablauf dieser einstellbaren Zeit wird dem Beatmungsgerät dann für die entscheidende Phase wieder ermöglicht, auf Triggersignale zu rea-gieren und in die Inspiration umzu-schalten, in der mit einer patienten-seitigen Inspiration zu rechnen ist. Da die beschriebenen Fluktuationen mit zunehmender Exspirationszeit abneh-men bzw. ganz verschwinden, lässt sich mit der aktiven Sperrzeit die Trigger- sensitivität höher einstellen, ohne dass Fehltriggerungen provoziert werden.

Abb. 9: Vermeidung der zu frühen Umschaltung in die Inspirationsphase des Beatmungsgerätes (vgl. Abb. 8) durch die Einstellung einer geeigneten Triggersperrzeit

EPAP

Triggersperrzeit verhindert bei Fluktuationen im Flussverlauf ein zu frühes Umschalten auf den Inspirationsdruck.

Triggersperrzeit

Zeit

Beatmungsdruck

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

20 Beatmung bei COPD

Abb. 10: Einstellung der Triggersperrzeit am Beatmungsgerät. Die geblockte Zeit und der Zeitpunkt eines spontanen Atemzugs werden angezeigt.

Trigger

Expirationszyklus Online-Darstellung der Position im Expirationszyklus

maßstäbliche Darstellung der Sperrzeit (hier 1,2 s)

Durch einen nur im entscheidenden Er-wartungszeitraum aktiven Trigger bei sensitiv gewählter Triggerstufe lässt sich die Atemarbeit gegenüber einer her-kömmlichen assistierten Beatmung wei-ter senken.

In Abb. 9 ist die Wirkung der Funktion bei einer sinnvoll gewählten Trigger-sperrzeit dargestellt. Für jeden Atemzug ignoriert das Beatmungsgerät am Anfang der Exspiration innerhalb dieser ge-

blockten Zeit patientenseitig generierte Signalanteile, die den Beginn einer Inspi-ration vortäuschen können. Erst nach dem jeweiligen Ablauf der Triggersperr-zeit wird eine Umschaltung in die Inspi-ration zugelassen. Die Einstellung der Triggersperrzeit erfolgt – wie in Abb. 10 dargestellt – im Verhältnis zur maximal zur Verfügung stehenden Ausatemzeit, die sich aus eingestellter Hintergrund-frequenz und I:E-Verhältnis ergibt.

21Beatmung bei COPD

verminderte Gefahr von Fehl-Triggerungen

Einstellung sensitiver Triggerstufen möglich, dadurch Reduktion der Atemarbeit

verbesserte Synchronität zwischen Patient und Beatmungsgerät, damit Stabilisierung der Beatmungssituation

Vorteile der Triggersperrzeit

Die exspiratorische Druckrampe

Eine ungebremste Exspiration und ein schneller Übergang von einem hohen inspiratorischen Beatmungsdruck auf ei-nen exspiratorischen Druck (PEEP) beim Lungenemphysem kann zum lokalen Kol-laps von Atemwegen und zur Flusslimita-tion führen oder diese begünstigen, wie in Kapitel 1 beschrieben. Der krankhaft veränderte Atemweg ist dabei sich selbst und den erläuterten ungünstigen mecha-nischen Verhältnissen überlassen.

Abb. 11 zeigt einen entsprechenden Flussverlauf bei Vorliegen eines Lun-genemphysems, zusammen mit einem Beatmungsdruckverlauf mit steil einge-stelltem Übergang zwischen Inspirati-onsdruck und Exspirationsdruck.

Grundsätzlich ist es jedoch möglich, über eine kurzfristig wirksame pneuma-tische Schienung zu Beginn der Exspira-tion gerade auch kleine Atemwege vor dem Kollaps zu schützen. Für die Spon-tanatmung wird z. B. von der deutschen Atemwegsliga die Anwendung exspirato-risch wirksamer Stenosen zur intrabron-chialen Druckerhöhung empfohlen.4

Diese Druckerhöhung verschiebt das Kräftegleichgewicht an der Bronchi-alwand zugunsten eines vergrößerten Atemwegquerschnitts und kann den Atemweg länger oder idealerweise grundsätzlich offen halten.

22 Beatmung bei COPD

Eine vergleichbare Wirkung lässt sich un-ter der Beatmung durch Anwendung ei-ner exspiratorisch verlängerten Druck-rampe realisieren. Deren Wirkung auf den Flussverlauf zeigt Abb. 12.

Die Anwendung einer exspiratorisch langsam fallenden Druckrampe ist na-türlich möglich ohne die Verwendung eines angehobenen extrinsischen PEEP oder EPAP durch das Beatmungsgerät. Eine Druckrampe ist aus dem Grund besonders wirksam, da der Gegendruck

gerade in der Phase wirkt, in der der Betrag des Flusses groß und der umge-bende Thoraxdruck durch Überblähung besonders hoch ist. In dieser frühen ex-spiratorischen Phase ist also die Kollaps-Gefahr besonders ausgeprägt und eine exspiratorische Rampe – ähnlich der Wirkung der Lippenbremse – stellt als Gegenmaßnahme einen sehr günstigen Druckverlauf dar.

Die alternative Anhebung des endex-spiratorischen Druckes kann dagegen

Abb. 11: exspiratorischer Flussverlauf unter Beatmung bei steilem Druckabfall und EPAP oder PEEP ≠ 0

exsp. Flusskurve beim Lungenemphysem

ohne „Schienung”

EPAP

IPAP

steiler Druckabfall

Zeit

Beatmungsdruck

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

23Beatmung bei COPD

Nachteile mit sich bringen, da entweder der wirksame Beatmungsdruck (Druck-differenz zwischen IPAP und PEEP) ver-mindert wird oder der inspiratorische Druck weiter angehoben werden muss.

Durch die intrabronchiale Druckerhö-hung am Beginn der Exspiration und eine gegebenenfalls zu beobachtende Vermin-derung des exspiratorischen Spitzenflus-ses kann dem exspiratorischen Kollaps entgegen gewirkt werden. Der Ausa-temfluss bleibt im Mittel größer und das

Abb. 12: Auswirkung eines flachen Druckübergangs zwischen Inspirationsdruck und Exspirationsdruck auf den Flussverlauf in der Ausatmung (gestrichelte Linie: Verlauf bei steilem Druckabfall, durchgezogene Linie: Verlauf bei flachem Druckabfall): Der Fluss bleibt im Mittel größer und das Exspirationsvolumen kann durch die vorübergehende Schienung gesteigert werden.

Anhebung der exsp. Flusskurve

durch phasenweise „Schienung” der

Atemwege

EPAP

flacher Druckabfall

Zeit

Beatmungsdruck

IPAP

exsp

irat

oris

cher

Flu

ss

Volumen kann besser abgeatmet bzw. die Atemlage gesenkt werden.

24 Beatmung bei COPD

Übersicht der Beatmungsfunktionen

Abb. 13: Übersicht der Beatmungsfunktionen und ihrer Auswirkungen auf die Beatmung bei COPD

erweiterte Beatmungsfunktionalität durch:

AirTrap Control

Erhöhung des Tidalvolumens

Schienung der kleinen Atemwege

erhöhte Synchronität

zwischen Patient und

Beatmungsgerät

verstärkte Entlastung

der Atempumpe

Senkung des PEEPi und Verminderung der funktionellen Restriktion

verbesserte alveoläre Ventilation

keine zu frühe Umschaltung in die Inspirationsphase

exspiratorische Druckrampe

Triggersperrzeit

25Beatmung bei COPD

COPD und Lungenemphysem sind durch besondere atemmechanische Limitatio-nen gekennzeichnet. Diese beruhen im Wesentlichen auf dem zyklischen Kol-labieren einzelner Atemwege während der Ausatmung. Die Ursachen dafür sind Atemwegsobstruktionen und Struktur-verlust im Lungenparenchym.

Diese pathophysiologischen Besonder-heiten der Atemmechanik beeinträch-tigen nicht nur die Spontanatmung der Patienten erheblich. Die Erzielung einer hinreichenden Ventilation kann auch un-ter der Beatmung schwieriger sein im Vergleich mit anderen Erkrankungen, die zu einer Beatmungspflicht führen. Auch eine Entlastung der Atempumpe durch die Beatmung kann durch diese besonderen Störungen erschwert sein. Dennoch ist die maschinelle Beatmung ein wesentlicher Bestandteil der Thera-pie von COPD bei Hypoventilation und überlasteter Atempumpe.

Die Beatmungstherapie lässt sich dabei durch verschiedene therapeutische Op-tionen sinnvoll ergänzen und optimieren. Mit AirTrap Control kann die assistiert-kontrollierte oder kontrollierte Beat-mung besser an die dynamische Hyper-inflation und eine damit einhergehende

funktionelle Versteifung durch weit nach oben hin verschobene Atemruhelage angepasst werden. Durch Überwachung der exspiratorischen Flusskurve wird ei-ner Überblähung entgegen gewirkt oder eine Entblähung ermöglicht.

An den besonderen Verlauf der exspi-ratorischen Flusskurve mit Signalfluk-tuationen lässt sich eine assistierte oder assistiert-kontrollierte Beatmung besser mit Hilfe der Triggersperrzeit anpas-sen. Durch temporäres Ausschalten des Triggers am Anfang der Exspiration wer-den – in den für eine Umschaltung in die nachfolgende Inspiration entscheiden-den Phasen – hohe Triggersensitivitäten möglich. Die Beatmung wird stabiler und die Synchronität zwischen Patient und Ventilator verbessert, die Entlastung der Atempumpe durch die Beatmung wird erhöht.

Eine temporäre pneumatische Schie-nung in der besonders kritischen Phase zu Beginn einer Exspiration ist über eine geeignete exspiratorische Druckram-pe möglich. Die Wirkung ist physikalisch mit dem Prinzip der Lippenbremse un-ter Spontanatmung vergleichbar. Auf diese Weise kann der exspiratorischen Flusslimitation und damit der dynami-

Zusammenfassung

26 Beatmung bei COPD

schen Hyperinflation „an der Wurzel” entgegen gewirkt werden.

Mit diesen therapeutischen Funktionen steht der mechanischen Beatmung ein erweitertes „Arsenal” zur Verfügung.

Die einzelne oder kombinierte Anwen-dung dieser Funktionen sollte bei COPD immer in Betracht gezogen werden, spätestens aber dann, wenn die kon-ventionelle Beatmung an ihre Grenzen stößt und Ventilation und Entlastung der Atempumpe unzureichend bleiben.

27Beatmung bei COPD

Literatur

1 O'Donnell DE and Laveneziana P: Physiology and consequences of lung hyperinflation in COPD. Eur Respir. Rev 2006; 15: 100, 61-67.

2 Elliot MW: Non-Invasive Ventilation in Chronic Obstructive Pulmonary Disease. In: Simonds AK, editor. Non-Invasive Respiratory Support, 3rd ed. London: Hodder Arnold; 2007. p.216.

3 Nava S, Carlucci A and Ceriana P: Patient-ventilator interaction during noninvasive ventilation: practical assess-ment and theoretical basis. Breathe 2009; 5: 323-332

4 Vogelmeier C, Buhl R, Criée CP et al.: Leitlinie der Deutschen Atemwegsliga und der Deutschen Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin zur Diagnostik und Therapie von Patienten mit chronisch obstruktiver Bronchitis und Lungenemphysem (COPD). Pneumologie 2007: e1-e40.

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