Verschiedene Beatmungsformen in der außerklinischen Anwendung

Abb 6 PSV-Atmung an der Astral 150, Fa. ResMed

In der außerklinischen Beatmung wird eine Vielzahl unterschiedlicher Beatmungsformen angewandt. Deren Übersicht und Funktionsweise darzustellen ist Ziel dieses Artikels. Sehr häufig wird die Druckkontrollierte Beatmung PCV bzw. A-PCV angewandt, da es die meisten Vorteile für beatmete Patienten hat. Wesentlich seltener sind die volumenkontrollierte Beatmung VCV und die druckunterstützende Beatmung PSV. Auch Mischformen wie die druckregulierte- volumenkontrollierte Beatmung finden sich selten.

1  Spontanatmung und Überdruckbeatmung

Die Lunge ist ein unter Spannung stehendes elastisches Organ. Durch Kontraktion des Zwerchfells und der äußeren Rippenmuskeln wird der Brustkorb vergrößert, das Lungengewebe gedehnt und somit wird innerhalb der Lunge ein geringer Unterdruck erzeugt. Luft strömt daher bei der Inspiration (Einatmung) in die Lunge hinein bzw. wird „einsaugt“. Die Exspiration (Ausatmung) geschieht passiv. Das Zwerchfell erschlafft, die elastischen Kräfte der Lunge wirken, wodurch sich der Brustkorb verkleinert. Durch den nun entstandenen geringen Überdruck innerhalb der Lunge, strömt Luft hinaus. Die Luft strömt immer entlang einer Druckdifferenz, vom Ort höheren Drucks zum Ort niedrigeren Drucks. Künstliche Beatmung ist eine Überdruckbeatmung, eine Beatmung mit positivem Druck. Während bei der Spontanatmung der Luftdruck in der Einatmung negativ ist, so ist er bei der künstlichen Beatmung immer positiv. Das ist zunächst einmal unphysiologisch und kann die Lunge schädigen. Daher wird versucht, die Lunge schonend zu beatmen, das nennt man lungenprotektive Beatmung.

2  Unterscheidungsmerkmale der Beatmungsformen

Die Beatmungsformen können danach unterteilt werden, ob die Atemarbeit des Patienten vollständig übernommen wird oder nicht. Man spricht von mandatorischer oder kontrollierter Beatmung, wenn die Atemarbeit des Patienten vollständig vom Respirator übernommen wird. Kann der Patient noch einen Teil der Atemarbeit leisten, dann spricht man von assistierter oder augmentierter Beatmung oder Atemhilfe. Beatmungsformen werden nach den Kontrollmechanismen unterschieden. Druckkontrollierte Beatmung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beatmungs- bzw. Luftdrücke vom Anwender festgelegt werden. Volumenkontrollierte Beatmung beschreibt die Verabreichung eines festgelegten Atemzugvolumens. Beatmungsformen werden nach den Steuerungsarten unterteilt. Steuerungsarten definieren, wann sowohl die Einatemphase als auch die Ausatemphase beginnt und endet. Dabei kann sie einerseits vom Beatmungsgerät zeitlich gesteuert werden. Andererseits kann der Patient es auslösen, triggern.

Abb 1 Sinusflow bei links Spontanatmung (schnelle Einatmung: gestrichelte Linie),
Konstanter Flow mittig bei volumenkontrollierter Beatmung
Dezelerierender Flow rechts bei druckkontrollierter Beatmung

3  Druckkontrollierte Beatmung – Pressure Controlled Ventilation PCV

Die druckkontrollierte Beatmung ist eine Form der kontrollierten Beatmung. Die Atemarbeit wird vom Respirator übernommen. Ausgehend von einem PEEP bzw. EPAP, der gesichert die Atemwege und Alveolen offen halten soll, beginnt die Inspiration. Es wird so viel Luft geliefert, bis ein vorbestimmter Luftdruck Pinsp / Pin / Pi aufgebaut ist. Dieser wird so hoch eingestellt, dass eine ausreichende Belüftung hergestellt ist. Die Geschwindigkeit, mit der die Luft strömt, hängt von der Flankensteilheit bzw. der Einstellung der Rampe / der Kurve / des Anstiegs ab. Ist der vorbestimmte Luftdruck in den Atemwegen erreicht, wird dieses Luftdruckniveau für die gesamte Dauer der Inspiration aufrechterhalten. Die Dauer der Inspiration richtet sich nach den Einstellwerten des Tinsp / Ti oder des I:E-Verhältnisses. Ist die Inspirationszeit abgelaufen, wird die verabreichte Luft über das Exspirationsventil wieder auf das PEEP-Niveau gesenkt. Die Exspirationsphase beginnt und seine Dauer richtet sich nach der errechneten Zeit des I:E-Verhältnisses. Dann beginnt ein neuer Beatmungszyklus.

3.1  Ablauf der druckkontrollierten Beatmung

Ausgehend von einem PEEP / EPAP – Niveau, das gesichert die Atemwege und Alveolen offen halten soll, beginnt die Inspiration (- Abb.9.6). Es wird so viel Luft geliefert, bis ein vorbestimmter Luftdruck P insp aufgebaut ist. Dieser wird so hoch eingestellt, dass eine ausreichende Belüftung hergestellt ist. Die Geschwindigkeit, mit der die Luft geliefert wird, hängt von der Flankensteilheit bzw. der Einstellung der Rampe ab.

Abb 2 Ablauf der druckkontrollierten Beatmung

Ist der vorbestimmte Luftdruck in den Atemwegen erreicht, wird dieses Luftdruckniveau für die gesamte Dauer der Inspiration aufrechterhalten. Die Dauer der Inspiration richtet sich nach den Einstellwerten des Tinsp oder des I:E – Verhältnisses. Die Dauer der Rampe gehört schon zur Inspirationszeit. Ist die Inspirationszeit abgelaufen, wird die verabreichte Luft über das Exspirationsventil wieder auf das PEEP / EPAP – Niveau gesenkt. Die Exspirationphase beginnt und seine Dauer richtet sich nach der errechneten Zeit des I : E Verhältnisses bzw. nach deren Vorgaben. Dann beginnt ein neuer Beatmungszyklus. Alle Parameter werden vom Beatmungsgerät ausgerechnet und als Messwert angezeigt. Mit einer druckkontrollierten Beatmung ist eine gesicherte Beatmung des Patienten hergestellt. Der Beatmungsdruck wird für die Dauer der Inspirationszeit konstant gehalten.

3.2  Anwendung der PCV Beatmung

Die PCV Beatmung ist für Menschen geeignet, deren Fähigkeit zu eigener Atmung verloren ist, so bei hoher und vollständiger Querschnittslähmung oder bei vollständig ausgeprägter neuromuskulärer Erkrankung. Die Menschen sind tetraplegisch und haben eine vollständige Ateminsuffizienz ohne Eigenatmung. Die A-PCV Beatmung ist zudem für alle Menschen geeignet, die noch Eigenatemaktivität haben. Sie sollen bei Bedarf weitere Beatmungshübe auslösen können, der Respirator soll ihnen dabei helfen. Das betrifft Menschen, die sowohl kontinuierlich als auch intermittierend beatmet sind. Die intermittierende druckkontrollierte Beatmung soll eine Erholung der Atemmuskulatur bewirken, die umso ausgeprägter ist, je länger die Dauer der Beatmung ist, in der Regel in den Nachtstunden. Sowohl beim Anschließen an die Beatmung als auch während der Ruhe- und Erholungsphasen haben die Menschen jedoch eigene Atemaktivität. Das muss zugelassen werden.

4  Volumenkontrollierte Beatmung – VCV

Die volumenkontrollierte Beatmung ist eine Form der kontrollierten Beatmung. Es wird ein gezieltes Tidalvolumen eingestellt und dem Patienten verabreicht. Der eingestellte Flow bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Luft verabreicht wird. Der Atemzyklus richtet sich nach den Einstellungen der Beatmungsfrequenz und des Atemzeitverhältnisses. Eine volumenkontrollierte Beatmung erscheint als die klassische Form der Beatmung. Sie hat den Vorteil, dass für die Patienten eine sichere und zuverlässige Beatmung gewährleistet wird. Als Nachteil erscheinen unbekannt hohe Beatmungsdrücke, Pendelluft, Scherkräfte und Emphysembildung.

4.1  Ablauf einer volumenkontrollierten Beatmung

Zu Beginn der Inspiration strömt die Luft mit einem bestimmten Flow (mit einer bestimmten Geschwindigkeit) in die Lungen ein. Der Luftdruck steigt kontinuierlich an und erreicht dann einen sog. Spitzendruck der Ppeak oder PIP, der auch in den Messwerten angezeigt wird. Je größer der Flow eingestellt wird, desto schneller steigt der Druck an. Je niedriger der Flow eingestellt wird, desto langsamer steigt der Druck an. Moderne Beatmungsgeräte gestalten den Flow derart, dass er über die gesamte Inspirationszeit aufrecht erhalten bleibt. Dadurch kommt es gar nicht zur Entwicklung eines Spitzendrucks.

Abb 3 Spitzendrücke und Plateauphasen bei unterschiedlich hohem Flow

Ist ein Spitzendruck erreicht, so ist das vorbestimmte und eingestellte Hubvolumen in den Lungen appliziert. Dabei ist der Wert des Spitzendruckes zunächst unbekannt. Der Druck fällt nach Erreichen des Spitzendrucks wieder leicht ab und pendelt sich auf einem niedrigeren Niveau, dem Plateaudruck, ein. Auch dessen Höhe ist zunächst unbekannt.

4.1.1  Warum fällt der Luftdruck wieder ab ?

So lange die Luft in die Lungen hineingepresst wird, kann sie sich nicht gleichmäßig verteilen. Einige Lungenareale erhalten mehr Luft, vor allem das Bronchialsystem, andere weniger. Die Luft staut sich quasi, deshalb steigt auch der Luftdruck. Dieser wird gemessen und als Spitzendruck (Ppeak oder PIP) angezeigt. Ist das gesamte Hubvolumen verabreicht, verbleibt meist noch ein Rest der Inspirationszeit. In dieser Phase hat die Luft Zeit, sich gleichmäßig in den Lungen zu verteilen. Es entsteht jedoch Pendelluft, die nachteilig für die Patienten ist. Der Druck in dieser Phase fällt auf das Niveau des Plateaudrucks ab.

4.1.2  Plateauphase

Die Zeit des Plateaudrucks wird Plateauphase genannt. Sie bleibt für den Rest der Inspiration erhalten. Der Patient kann während dieser Zeit nicht ausatmen, da die Ventile geschlossen sind. Während der Plateauphase wird die inspirierte Luft folglich in den Lungen gehalten. So besteht ausreichend Zeit für den Gasaustausch.

 

Abb 4 VCV Druckkurven

4.2  Anwendung der volumenkontrollierten Beatmung

Dieser Beatmungsmodus wird Patienten angeboten, bei denen es wichtig ist, dass ein gesichertes Atemzugvolumen verabreicht wird, da sonst die Hypoventilation droht. Das betrifft v.a. Menschen mit Restriktionen der Lungen (Lungenfibrose, Obesitas Hypoventilationssyndrom, thorakal-restriktive Erkrankungen).

Aber auch ein gewisser Beatmungskomfort ist wichtig. So ist bekannt, dass Menschen, die mit dem Respirator Respironics PLV 100 beatmet wurden, sich bei einem Gerätewechsel sehr schwer tun und eine druckkontrollierte Beatmung selten tolerieren. Einen neuen Respirator zu finden, der einen annähernden Komfort bei der Beatmung bietet ist die Herausforderung von dem Beatmungszentrum.

Tabelle 1: Einstellparameter bei der Volumen- und Druckkontrollierten Beatmung

Volumenkontrolliert Druckkontrolliert
FiO2

Sauerstoffkonzentration

FiO2

Sauerstoffkonzentration

PEEP PEEP
Atemzugvolumen  VT P insp

Beatmungsdruck

Beatmungsfrequenz  f Beatmungsfrequenz  f
I : E  oder  Ti / T tot I : E  oder  Ti / T tot
Einatemzeit  T insp Einatemzeit  T insp
Flow – Luftgeschwindigkeit Rampe / Flanke
Trigger Trigger
P max P max

 

5  Druckregulierte – volumenkontrollierte Beatmung

Beide Vorteile einer druckkontrollierten und einer volumenkontrollierten Beatmung können in einer Beatmungsform miteinander kombiniert werden, als druckregulierte- volumenkontrollierte Beatmung. Das optimale Atemzugvolumen wird ebenso wie eine „vernünftige“ Beatmungsfrequenz für den jeweiligen Patienten ausgewählt. Aus Atemzugvolumen und Beatmungsfrequenz resultiert das Atemminutenvolumen (AMV oder MV). Nach der Grundeinstellung erfolgen nun ein paar „Testbeatmungshübe“. Daraufhin errechnet der Respirator, wie hoch der Beatmungsdruck sein muss (Abb. 5). Der Druck wird dabei nur so hoch gewählt, dass das vorbestimmte Atemzugvolumen gesichert verabreicht werden kann. Die Höhe des Inspirationsdrucks kann von Atemzyklus zu Atemzyklus variieren. Der Respirator wird den Inspirationsdruck automatisch, selbstständig herunter- oder hochregulieren. Diese selbstständige Regulation des Beatmungsdrucks erfolgt in kleinen Schritten von 2–3 mbar. Damit wird vermieden, dass unbeabsichtigt hohe Drücke entstehen, die die Lunge schädigen können.

Abb 5 selbstständige Druckregulation des Respirators bei der druckregulierten – volumenkontrollierten Beatmung

Die Einstellung eines P max / P limit bewirkt, dass der Beatmungsdruck nur bis zu einem bestimmten Niveau ansteigen kann, ihn aber nicht überschreitet. Das dient der Vermeidung zu hoher Beatmungsdrücke. Die selbstständige Regulation des Beatmungsdruckes entbindet den Anwender von der ständigen manuellen Eingabe. Sie hat jedoch den Nachteil, dass dabei dennoch unterschiedlich hohe Atemzugvolumina entstehen.

  • Der Respirator errechnet z. B., dass der Druck erniedrigt werden muss. Bliebe der Druck auf dem bestehenden hohen Niveau, so würde zu viel Atemzugvolumen geliefert. Das langsame Absenken des Drucks bewirkt, dass das Atemzugvolumen sinkt, jedoch nicht unmittelbar sofort. Für 2–5 Atemzyklen wird weiterhin ein zu hohes Volumen geliefert.
  • Der Respirator errechnet z. B., dass der Druck erhöht werden muss. Bliebe der Druck auf dem bestehenden niedrigen Niveau, so würde zu wenig Atemzugvolumen geliefert. Das langsame Anheben des Drucks bewirkt, dass das Atemzugvolumen vorsichtig steigt, jedoch nicht unmittelbar sofort. Für 2–5 Atemzyklen wird immer noch ein zu geringes Volumen geliefert

6  Druckunterstützende Beatmung – PSV

Die druckunterstützende Beatmung (PSV – Pressure Support Ventilation) soll dem Patienten bei der Eigenatmung unterstützen. Die Unterstützung geschieht durch die gleichzeitige Verabreichung eines Luftdruckes mit der spontanen Einatmung des Patienten. Der Patient bestimmt, wie oft und wie tief er atmet. Der spontan atmende Patient erhält vom Respirator bei jedem Atemzug eine Hilfestellung, eine Luftdruckunterstützung den sog. Pressure-Support / PS. Die patienteneigene Einatemarbeit wird durch Lieferung eines Überdrucks vom Respirator unterstützt wird. Auch bei der PSV Atmung befindet sich der Luftdruck in den Lungen immer im positiven Bereich. Dennoch kommt dies einer physiologischen Spontanatmung nahe. Die grundsätzliche Voraussetzung für die Anwendung des PSV-Modus ist die Fähigkeit des Menschen, überhaupt spontan atmen zu können. Er bestimmt selbst eine Atemfrequenz, seine Atemtiefe, ob er lange oder kurze Atemzüge machen möchte.  Jedoch ist er meist nicht kräftig genug eine ausreichende Atemtiefe, ein ausreichenden Atemzugvolumen Vt zu erreichen. Die druckunterstützende Beatmung soll dem Patienten bei der Eigenatmung unterstützen.

6.1  Back-Up

Das „Back-Up“ Programm ist für den Patienten eine Sicherheit, für den Fall, dass er aufgrund von Erschöpfung, trotz Druckunterstützung, nicht mehr selbstständig atmet. In dem Fall wird automatisch die „Back-Up“ Funktion aktiviert und der Patient nach den Prinzipien der druckkontrollierten Beatmung beatmet. Dazu wird zusätzlich eine Atemfrequenz und eine Inspirationszeit eingestellt. Damit eine ausreichende Lungenbelüftung erhalten bleibt, kann zusätzlich ein Sicherheitsatemzugvolumen Vt eingestellt werden. Damit stellt die „Back-Up“ Funktion eine Apnoe-Ventilation dar und sichert dem Patienten die Ventilation.

Abb 6 PSV-Atmung an der Astral 150, Fa. ResMed

6.2  Beispielhafter Ablauf der PSV-Atmung

Der Ablauf der PSV-Atmung wird anhand der Abb 12.4 dargestellt und verdeutlicht.

  • PEEP von 4 cm H2O,
  • Trigger Stufe 3 , bedeutet einen Schwierigkeitsgrad mittel,
  • Hilfsdruck bzw. PSV von +14 cmH2O oberhalb des PEEP-Niveaus,
  • Anstieg von 200 ms = 0,2 s (entspricht auch Rampe, siehe –Kap.9.2.7)

Ausgangspunkt der Atmung ist das PEEP – Niveau von 4 cm H2O. Der Patient atmet ein. Dabei wird das PEEP – Niveau etwas unterschritten. Der Patient muss eine Einatemkraft der Stufe 3 aufbringen, der einem mittleren Schwierigkeitsgrad entspricht. Dieser Wert wurde gewählt, damit eine Luftdruckunterstützung nicht zu leicht ausgelöst werden kann. Kann ein Patient diese Kraft nicht aufbringen, so wird er auch keine Druckunterstützung für seine Einatmung erhalten. Die richtige Auswahl der Trigger Stufe ist Aufgabe des Beatmungszentrums. Ist die Triggerschwelle überschritten, so wird dem Patienten parallel zu seiner eigenen Einatmung der Überdruck, der PS-Hilfsdruck bzw. die Druckunterstützung geliefert. Die Anstiegszeit bzw. Rampe ist auf 200ms (=0,2 sek.) eingestellt und bedeutet, das eingestellte PS-Hilfsdruckniveau wird nach 200 ms erreicht. Der Mensch kann aber noch weiter einatmen. Es wird ihm so lange Luft geliefert, wie er möchte. Jedoch ist auch hierbei eine Sicherheitsfunktion eingestellt. Es soll sichergestellt sein, dass die Einatmung mindestens 0,2 sek (Ti Min. dabei ist Min = Minimum) dauert und eine Zeit vom 1,5 sek (Ti Max – dabei steht Max für Maximum) nicht überschreitet. Für die gesamte Zeit der Einatmung wird das Luftdruckniveau nicht überschritten. Die gesamte Höhe des Luftdruckniveaus, das erreicht wird, ergibt sich aus dem PEEP = 4 plus dem eingestellten PSV von 14 cm H2O. Insgesamt resultiert daraus ein Luftdruck von 18 cm H2O. Dieser wird an dem Luftdruckbalken an der linken Bildschirmseite angezeigt. Einmal durch den Strich in Höhe des Wertes 18 und am oberen Ende des Druckbalkens mit dem Wert 18,7. Er ist somit leicht höher als errechnet, aber diese kleine Abweichung tritt immer wieder auf und bedeutet keine Gefahr für den Menschen.

6.3  Exspirationstrigger

Weitere mögliche Bezeichnungen: ETS – Exspiratorische Trigger Sensibilität, TG (E) – Trigger für die Exspiration, Die Inspiration ist irgendwann beendet. Der Respirator muss nun erkennen, dass der Mensch auch wieder ausatmen möchte und muss es unmittelbar zulassen. Dazu dient der Exsp.-Trigger bzw. der Exspirationstrigger. Das Beatmungsgerät misst ständig den erzeugten Luftfluss (Flow). Relativ rasch, meist schon zum Beginn der Einatmung wird eine maximale Luftfluss-Geschwindigkeit erreicht (ein maximaler Flow). Dieser Wert wird vom Beatmungsgerät gespeichert und mit dem Wert 100% gleichgesetzt. Die Bezeichnung für den maximalen Luftfluss wird PIF = Peak Inspiration Flow genannt. Im weiteren Verlauf der Einatmung / Inspiration nimmt der Luftfluss immer weiter ab.

Abb 7 Exspirationstrigger niedrig – hoch

6.4  Anwendung der PSV Beatmung

Die druckunterstützende Beatmungsform erscheint als Alternative zur druckkontrollierten Beatmung, wenn letztere nicht gut vom Patienten toleriert wird. Der Patient könnte spontan atmen aber dank der Back-Up Funktion kann die Beatmung auch von Respirator übernommen werden, falls der Patient zu erschöpft für unterstützende Spontanatmung ist.

 

 

 

 

Literatur

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Oczenski W, Andel H, Werbe A (2012) Atmen – Atemhilfen, Atemphysiologie und Beatmungstechnik, 9. Aufl. Thieme, Stuttgart

Schäfer S, Kirsch F, Scheuermann G, Wagner R (2011) Fachpflege Beatmung, 6. Aufl. Elsevier, Urban & Fischer, München

Fresenius M, Heck M, Zink W (2014) Repetitorium Intensivmedizin, 5. Aufl. Springer, Heidelberg Berlin

Campbell RS, Davis BR (2002) Pressure-controlled versus volume-controlled ventilation: does it matter? Respir Care 47: 416–424; discussion 424–426

Kezler M (2006) Volume-targeted ventilation. Early Hum Dev 82: 811–818

Brochard et al. (1989) Inspiratory Pressure Support Prevents Diaphragmatic Fatigue during Weaning from Mechanical Ventilation. Am Rev Respir Dis 139: 513–521

 

Über Hartmut Lang 1 Artikel

Fachkrankenpfleger Intensiv und Anästhesie, Atmungstherapeut (DGP und SBH), Fachbuchautor, Freiberuflicher Dozent für Beatmungs- und Atmungstherapeutische Fort- und Weiterbildungen, DIGAB Akkreditierung für die Pflegekraft außerklinische Beatmung

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