Collier und Affeldt verglichen 1954 die Effektivität von zwei unterschiedlichen Cuirass-Respiratoren relativ zur Effektivität eines Tankrespirators, der den damaligen Goldstandard darstellte10. Ein Cuirass umschloss nur den Thorax, der zweite hingegen umschloss zusätzlich das Abdomen und setzte auf dem Schambein auf.
Untersucht wurden Patienten mit fortgeschrittener Poliomyelitis, die maximale Vitalkapazitäten von 250ml ohne Unterstützung erreichten. Aufgrund dieser Tatsache wurden die Patienten als komplett gelähmt bezeichnet und waren somit nicht mehr in der Lage, die Messungen wesentlich durch Eigenatmung zu beeinflussen. Die
Druckamplituden verglichen. Gemäß der demographischen Daten wurde für jeden Patienten die theoretische Totalkapazität errechnet. Die gemessenen Volumina wurden als prozentualer Anteil dieser Totalkapazität dargestellt, um Patienten unterschiedlicher Größe, Gewichts, Geschlechts und Alters vergleichen zu können.
Die im Tankrespirator erzielten Werte von ca. sieben bis 17% (Tidalvolumen pro berechnete Totalkapazität) wurden für den Gerätevergleich als Referenzwert (100%) der jeweiligen Druckamplitude festgelegt. Insgesamt waren beide Cuirass-Respiratoren dem Tank unterlegen. Der Thorax-Abdomen-Cuirass erreichte eine relative Effektivität zum Tank von 61-65%. Der nur-Thorax-Cuirass erzielte nur 47-59% Effektivität. Die Autoren begründen dies mit dem unterschiedlichen Ausmaß an umschlossener Körperoberfläche, auf die der Druckgradient einwirken kann. Der nur-Thorax-Cuirass hemme zusätzlich durch die Befestigung die Zwerchfellbeweglichkeit bei der Inspiration. Tabelle 1 zeigt die zurückerrechneten Tidalvolumina im Tankrespirator einschließlich der von den Autoren berechneten Totalkapazität und den Originalergebnissen als relativer Wert.
Tabelle 1: Aus den relativen Tidalvolumina zurückerrechnete Absolutwerte der Tidalvolumina im Tankrespirator. Nach Collier &
Affeldt 195410.
Bryce-Smith und Davis publizierten ebenfalls 1954 eine Studie über den Vergleich dreier damals üblicher Respiratoren: Tankrespirator, Cuirass-Respirator und dem sogenannten „Rocking Bed“8. Eine Positivdruckbeatmung wurde nicht untersucht.
Untersucht wurden post-operative Patienten ohne Lungenschäden nach nicht-thorakalen Eingriffen. Die Patienten wurden für die Dauer der Messungen intravenös sediert und relaxiert. Das „Rocking Bed“ war ein Respirator, der über gleichmäßige Kippbewegungen in der Längsachse der Patienten die Ventilation erzeugte.
Es war nur mit Tank und Cuirass eine suffiziente Beatmung möglich. Die Grenze hierfür setzten die Autoren bei einem minimalen Tidalvolumen von 350 ml. Der Tank ermöglichte die effektivste Beatmung, d.h. die genannte Minimalanforderung wurde bereits mit einem geringen Negativdruck von –12 cmH2O bei allen Patienten durch Tidalvolumina von 403 – 535 ml übertroffen. In einem Fall bereits mit genau 350 ml bei –8 cmH2O. Die geringere Effektivität des Cuirass-Respirators begründeten die Autoren mit der Beeinträchtigung der Thoraxbeweglichkeit durch die Cuirassfixierung. Die insuffiziente Ventilation des „Rocking Beds“ wurde mit dem eher geringen Kippwinkel von 20 und 40° begründet. Außerdem war das „Rocking Bed“ nicht zur Nachbeatmung sedierter Patienten vorgesehen, sondern nur als Unterstützung der Eigenatmung nach pulmonalen Erkrankungen.
Als Besonderheit wurde von Bryce-Smith und Davis eine zusätzliche Messreihe durchgeführt, in der externer Negativdruck in der Inspiration mit externem Positivdruck während Exspiration kombiniert wurde.
In einer experimentellen Studie zeigten Maloney und Whittenberger 1951, dass externe Negativdruckbeatmung bezogen auf die Druckverhältnisse zwischen Atemwegen und Thoraxoberfläche einer Positivdruckbeatmung entspricht62. Die Auswirkung auf die Hämodynamik zwischen beiden Beatmungsformen waren vergleichbar.
Bryce-Smith und Davis setzten den exspiratorischen Positivdruck im Tank deshalb als externe Form der Wechseldruckbeatmung ein, um einen positiven Einfluss auf
jedoch nicht statt. Die gemessenen Tidalvolumina stiegen aber in allen Untersuchungen an. Zusätzlich wurde der Einfluss von 7,5 und 15°
Trendelenburglagerung (Kopf-tief-Lagerung). Die Kopf-tief-Lagerung führte zu einer Verminderung der Tidalvolumina. Die Autoren geben keine Begründung oder vermutete Erklärung für diesen Effekt an. Tabelle 2 zeigt die gemessenen Tidalvolumina im Tankrespirator in horizontaler Rückenlage.
Patient Nr. 1 2 3 4 5 6 Mittelwert SD Median Tabelle 2: Erzielte Tidalvolumina im Tankrespirator in normaler Rückenlage mit den zugehörigen Negativdrücken, bzw. Negativ- und Positivdrücken im Tank. Mittelwert, Standardabweichung (SD) und Median nachträglich berechnet. Nach Bryce-Smith & Davis 19548.
2.) Fragestellungen
Corrado et al. haben gezeigt (siehe Kapitel 1.3.1, Seite 20), dass die Anwendung von externer Negativdruckbeatmung bei der Therapie der akuten Ateminsuffizienz der nicht invasiven Positivdruckbeatmung gleichwertig ist. Besonders der sequentielle Einsatz beider Verfahren birgt Vorteile und verringert die Anzahl invasiv zu beatmender Patienten32. Somit gibt es auch in der modernen Intensivmedizin Argumente für den Einsatz der externen Negativdruckbeatmung bei Patienten mit COPD.
Auch in der Therapie des ARDS wurde externer Negativdruck zur Unterstützung der Spontanatmung44, 56, in Kombination mit IPPV5, 57, 63
und als alleinige Beatmung49, 50 in Einzelfällen und Pilotstudien erfolgreich eingesetzt.
Der erschwerte Zugang zum Patienten im Tankrespirator stellt aber bei der Behandlung des kritisch Kranken ein Problem dar, welches zur Entwicklung des Kammerrespirators an der MHH führte (siehe Methodik 3.1.3, Seite 44). Das verwendete Pumpenaggregat der Firma Coppa ist allerdings für den Einsatz an Tankrespiratoren entwickelt worden, so dass das erste Ziel dieser Untersuchung ist, nachzuweisen, dass das Aggregat in der Lage ist, das im Vergleich zum Tank deutlich höhere Kammervolumen ausreichend zu pumpen und somit eine suffiziente externe Negativdruckbeatmung zu ermöglichen.
Bisher hat es noch keinen direkten Vergleich bei Gesunden von nicht invasiver Positivdruckbeatmung und den verschiedenen Formen der externen Negativdruckbeatmung bezüglich der Wirkung auf die Druck-Volumen-Beziehung von Lunge und Thorax gegeben. Die Studien von Collier & Affeldt10 und Bryce-Smith
& Davis8 untersuchten 1954 die Effektivität der verschiedenen Formen der externen
Negativdruckbeatmung am Patienten. Zu diesem Zeitpunkt stellte der Tankrespirator den Goldstandard dar. Ein Vergleich mit Positivdruckbeatmung fand aber beiden Studien nicht statt.
Nach physiologischen Gesichtspunkten ist bei gleichbleibender Compliance die Erzeugung des Druckgradienten über der Thoraxwand ohne Einfluss auf das zu erwartende Volumen. Es ist demnach zu vermuten, dass eine identische Druckdifferenz der Absolutwerte von Positiv- bzw. Negativdruck die gleiche Volumendifferenz bewirkt. Dieser Zusammenhang soll bei den verschiedenen nicht invasiven Beatmungsformen verglichen werden.
Zu diesem Zweck wurde bei zwölf gesunden Freiwilligen das erzielte Atemminutenvolumen als dynamischer Parameter und die Änderung der funktionellen Residualkapazität (ΔFRC) als statischer Parameter bei vier Druckstufen (+/- 5, 10, 15, und 20 cmH2O) untersucht. Ein messbares Atemminutenvolumen mit dem Kammerrespirator und dem Coppa Aggregat galt dabei als Nachweis eines suffizienten Systems zur externen Negativdruckbeatmung.
Schließlich soll durch diese beiden Aspekte eine Ausgangsbasis geschaffen werden, mit der zukünftig die Umstellung von einer Positivdruckbeatmung auf eine externe Negativdruckbeatmung mit dem Kammerrespirator bei kritisch kranken Patienten erleichtert wird.