Aus der Strahlenklinik und Poliklinik
Geschäftsführender Direktor Prof. Dr. Dr. h.c. R. Felix Universitätsklinikum Charité Campus Virchow–Klinikum Medizinische Fakultät der Humboldt–Universität zu Berlin
Röntgen–Thorax–Aufnahmen
zur radiologischen Quantifizierung des Lungenödems bei Patienten mit Akutem Atemnotsyndrom des Erwachsenen
(ARDS)
Inaugural–Dissertation zur
Erlangung der medizinischen Doktorwürde am Virchow–Klinikum
Medizinische Fakultät Charité der Humboldt–Universität zu Berlin
vorgelegt von Anke Zippler
aus Berlin
Referent: PD Dr. U. Keske Co-Referent: Prof. Dr. K.-J. Wolf
Prof. Dr. W. Reisinger
Gedruckt mit Genehmigung des Virchow–Klinikums, Medizinische Fakultät Charité der Humboldt–Universität zu Berlin.
Promoviert am: 07.05.1999
Inhaltsverzeichnis I
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis I
Tabellenverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis V
Abkürzungsverzeichnis VII
1 Einleitung 1
1.1 ARDS . . . 1
1.1.1 Definition und Prognose . . . 1
1.1.2 Pathologie . . . 3
1.1.3 Verlauf und Stadieneinteilung . . . 4
1.1.4 Diagnose und Bewertungssysteme . . . 7
1.1.5 Therapie . . . 11
1.2 Strahlenexposition . . . 15
1.3 Bildqualität der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen . . . 18
2 Fragestellung 20 3 Strahlenexposition der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahme 22 3.1 Einleitung . . . 22
3.2 Material und Methode . . . 22
3.3 Ergebnisse . . . 23
3.4 Diskussion . . . 26
3.5 Schlußfolgerung . . . 27
4 Inter– und Intraobservervariabilität verschiedener Röntgen–Thorax–Scores 28 4.1 Einleitung . . . 28
4.2 Material und Methode . . . 29
4.3 Ergebnisse . . . 30
4.4 Diskussion . . . 32
4.5 Schlußfolgerung . . . 34
Inhaltsverzeichnis II
5 Qualitätsbeurteilung der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahme 35
5.1 Einleitung . . . 35
5.2 Material und Methode . . . 35
5.3 Ergebnisse . . . 35
5.4 Diskussion . . . 37
5.5 Schlußfolgerung . . . 39
6 Evaluation der Katheter– und Tubuslage der Thorax–Liegendaufnahmen 40 6.1 Einleitung . . . 40
6.2 Material und Methode . . . 40
6.3 Ergebnisse . . . 42
6.4 Diskussion . . . 42
6.5 Schlußfolgerung . . . 44
7 Beurteilung der Röntgen–Thorax–Scores anhand klinischer Parameter 45 7.1 Material und Methode . . . 45
7.2 Ergebnisse . . . 47
7.2.1 Korrelationen . . . 47
7.2.2 Korrelationen ausgewählter Patientengruppen . . . 49
7.2.3 Multivarianzanalyse . . . 55
7.2.4 Multivarianzanalyse ausgewählter Patientengruppen . . . 61
7.3 Diskussion . . . 73
7.4 Schlußfolgerung . . . 77
8 Zusammenfassung 79
Literaturverzeichnis 82
Curriculum Vitae 93
Danksagung 94
Tabellenverzeichnis III
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1.1: ARDS–Letalität in den Jahren 1968 bis 1995 2 Tabelle 1.2: Zeitlicher Ablauf von klinischen, pathologischen und röntgenologischen
Befunden beim ARDS 5
Tabelle 1.3: Lungenveränderungen des ARDS nach Ostendorf et al. 8 Tabelle 1.4: Radiologische Stadieneinteilung des ARDS nach Rommelsheim et al. 8 Tabelle 1.5: Morel–Score zur Schweregradeinteilung des ARDS 9 Tabelle 1.6: Murray–Score zur Schweregradeinteilung des ARDS 10 Tabelle 1.7: Radiologisches Scoring des ARDS nach Miniati et al. 11 Tabelle 1.8: Natürliche und künstliche Strahlenbelastung in der Bundesrepublik
Deutschland 15 Tabelle 1.9: Wichtungsfaktoren zur Berechnung der effektiven Dosen nach ICRP 60 17
Tabelle 3.1: Organdosen in mSv für alle Aufnahmen 24
Tabelle 3.2: Effektive Dosis, errechneter Lebenszeitverlust und das Risiko an einem strahleninduzierten Malignom zu sterben für eine Röntgen–Thorax–
Aufnahme sowie für alle Aufnahmen eines Patienten. 25 Tabelle 4.1: Variationskoeffizienten der Intra– und Interobservervariabilität für die
Röntgen–Scores 31
Tabelle 4.2: Korrelationskoeffizienten und Kappa–Werte für die Intra– und
Interobservervariabilität der Röntgen–Scores 31
Tabelle 6.1: Literaturvergleich zu Auftreten und Fehlpositionierung von zentralen
Venenkathetern, Pulmonalarterienkathetern und Trachealtuben 42 Tabelle 7.1: Korrelation der Röntgen–Score–Werte mit ausgewählten klinischen
Parametern im Gesamtkollektiv 47
Tabelle 7.2: Korrelation der Röntgen–Score–Werte mit ausgewählten klinischen
Parametern bei Patienten während der ECMO–Therapie 50 Tabelle 7.3: Korrelation der Röntgen–Score–Werte mit ausgewählten klinischen
Parametern bei Patienten ohne ECMO–Therapie. 50
Tabelle 7.4: Korrelation der Röntgen–Score–Werte mit ausgewählten klinischen Parametern bei Patienten während des ersten Drittels der
Gesamtbeatmungszeit. 52
Tabelle 7.5: Korrelation der Röntgen–Score–Werte mit ausgewählten klinischen Parametern bei Patienten während des zweiten Drittels der
Gesamtbeatmungszeit. 52
Tabellenverzeichnis IV
Tabelle 7.6: Korrelation der Röntgen–Score–Werte mit ausgewählten klinischen Parametern bei Patienten während des letzten Drittels der
Gesamtbeatmungszeit. 53
Tabelle 7.7: Mittelwerte der korrespondierenden klinischen Parameter O2–Index und Shunt für den Röntgen–Scores nach Morel et al. im Gesamtkollektiv. 56 Tabelle 7.8: Mittelwerte der korrespondierenden klinischen Parameter O2–Index und
Shunt für den Röntgen–Scores nach Murray et al. im Gesamtkollektiv. 57 Tabelle 7.9: Mittelwerte des korrespondierenden klinischen Parameters O2–Index für
den Röntgen–Scores Rommelsheim et al. im Gesamtkollektiv. 58 Tabelle 7.10: Mittelwerte des korrespondierenden klinischen Parameters Shunt für den
Röntgen–Scores Rommelsheim et al. im Gesamtkollektiv. 59 Tabelle 7.11: Mittelwerte der korrespondierenden klinischen Parameter O2–Index und
Shunt für den neuen Score im Gesamtkollektiv. 60
Abbildungsverzeichnis V
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 3.1: Zusammenhang zwischen dem Thoraxdurchmesser in cm und der
effektiven Dosis einer Aufnahme in mSv. 25
Abbildung 4.1: Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen von Patientin Nr 16,
abweichende Beurteilung der Auswerter 30
Abbildung 4.2: Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen von Patient Nr 9, keine
Unterschiede in der Beurteilung verschiedener Auswerter 32 Abbildung 5.1: Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen von Patient Nr 15, verkippte
Aufnahme 36
Abbildung 5.2: Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen von Patientin Nr 20, Aufnahme
verkippt und verdreht 37
Abbildung 6.1: Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen von Patient Nr 17, technisch
suboptimale Aufnahme, Pulmonaliskatheterfehllage 41 Abbildung 7.1: Korrelation der Röntgen–Score–Werte nach Morel et al. sowie
Murray et al. mit dem Shunt in % für das Gesamtkollektiv. 48 Abbildung 7.2: Korrelation der Röntgen–Score–Werte nach Miniati et al. sowie dem
neuen Score mit dem Shunt in % für das Gesamtkollektiv. 48 Abbildung 7.3: Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen von Patient Nr 21 49 Abbildung 7.4: Korrelation der Röntgen–Score–Werte mit dem Shunt bei Patienten
ohne ECMO–Therapie. 51
Abbildung 7.5: Korrelation der Röntgen–Score–Werte nach Morel et al. mit dem Shunt und dem PEEP bei Patienten während des letzten Drittels der
Gesamtbeatmungszeit. 53
Abbildung 7.6: Korrelation der Röntgen–Score–Werte nach Murray et al.mit dem Shunt und dem PEEP bei Patienten während des letzten Drittels der
Gesamtbeatmungszeit. 54
Abbildung 7.7: Korrelation der Röntgen–Score Werte des neuen Score mit dem Shunt und dem PEEP bei Patienten während des letzten Drittels der
Gesamtbeatmungszeit. 54
Abbildung 7.8: Korrelation der Röntgen–Score Werte nach Miniati et al. mit dem Shunt und dem PEEP bei Patienten während des letzten Drittels der
Gesamtbeatmungszeit. 54
Abbildung 7.9: Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen von Patientin Nr 22 55 Abbildung 7.10: Mittelwertvergleich für die korrespondierenden Parameter Shunt und
O2–Index mit den Röntgen–Scores für Daten ohne ECMO Therapie. 63
Abbildungsverzeichnis VI
Abbildung 7.11: Mittelwertvergleich für die korrespondierenden Parameter Shunt und O2–Index mit den Röntgen–Scores für alle Daten während einer
ECMO Therapie. 65
Abbildung 7.12: Mittelwertvergleich für die korrespondierenden Parameter Shunt und O2–Index mit den Röntgen–Scores für das erste Beatmungsdrittel. 68 Abbildung 7.13: Mittelwertvergleich für die korrespondierenden Parameter Shunt und
O2–Index mit den Röntgen–Scores für das zweite Beatmungsdrittel. 70 Abbildung 7.14: Mittelwertvergleich für die korrespondierenden Parameter Shunt und
O2–Index mit den Röntgen–Scores für das letzte Beatmungsdrittel. 73
Abkürzungsverzeichnis VII
Abkürzungsverzeichnis
AaDO
2 Alveolo-arterielle Sauerstoffdruckdifferenz
ALI acut lung injury
ap anterior-posterior Strahlengang ARDS Acute Respiratory Distress Syndrome AU Alter zum Zeitpunkt der Untersuchung DLR digitale Lumineszenz-Radiographie
E effektive Dosis
ECCO2-R-LFPPV Extracorporale CO2-Elimination mit niederfrequenter Beatmung mit kleinen Atemzugvolumina und PEEP
ECMO Extracorporale Membranoxygenierung FiO
2
inspiratorische Sauerstoffkonzentration
Gy Gray
ICRP Internationale Strahlenschutzkommission IRV Beatmung mit umgekehrtem Atemzeitverhältnis IVOX intravenöse Membranoxygenierung
LZV0 Lebenszeitrisiko durch ein strahleninduziertes Malignom
m Meter
mSv Millisievert
NO Stickoxid
O
2 Sauerstoff
PaO
2 arterieller Sauerstoffpartialdruck PaO
2/FiO
2 Hypoxämiescore
PAP Pulmonalarteriendruck
PcCMV druckkontrollierte maschinelle Beatmung PEEP positiv- endexpiratorischer Atemwegsdruck QS/Q
F intapulmonaler Rechts-Linksshunt
r Korrelationskoeffizient
RF Risikofaktor in mSv-1
RH Risiko an einem strahleninduzierten Malignom zu sterben
Sv Sievert
Einleitung 1
1 Einleitung
1.1 ARDS
1.1.1 Definition und Prognose
Seit der Erstbeschreibung des Akuten Atemnotsyndroms des Erwachsenen (ARDS) 1967 durch Ashbaugh [2] gilt das ARDS noch immer als die schwerste Form einer Lungenparenchym- verletzung [4].
Prädisponierend für das Auftreten eines ARDS werden von der Amerikanisch–Europäischen Konsensus Konferenz verschiedene Krankheitsbilder genannt [9]. Sowohl direkte Lungenschädigungen wie Pneumonie, Aspiration, Beinahe–Ertrinken [91], Inhalationstrauma und Lungenkontusion, als auch systemische Erkrankungen mit einer sekundären Schädigung der Lunge wie Sepsis [11], Polytrauma [2], Schock jeder Genese, Massentransfusionen, Pankreatitis und große chirurgische Eingriffe gelten als Risikofaktoren für das ARDS. Die Wahrscheinlichkeit der Entstehung eines ARDS ist abhängig von Art und Schwere der Grunderkrankung und steigt beim Zusammentreffen mehrerer Risikofaktoren [103]. Die höchste Inzidenz des ARDS besteht mit 38% bei der Sepsis, dann folgen Aspiration (30%), Massentransfusionen (24%) und Lungenkontusion (18%) [99]. Die durchschnittliche Inzidenz bei Vorliegen eines Risikofaktors liegt nach Fowler bei 6% und steigt bei Vorliegen von zwei oder mehr Risikofaktoren auf 25%
[39].
Die sichere Diagnostik des ARDS gestaltet sich aufgrund der in den ersten 24 bis 48 Stunden, in der Initial–und Frühphase [88] eher blanden Klinik sehr schwierig. Die in dieser Zeit prolongiert auftretende arterielle Hypoxämie zeigt meist im Röntgen–Thorax–Bild nur einen sehr geringes Korrelat. Von der Amerikanisch–Europäischen ARDS Konsensus Konferenz wurden 1992 Einschlußkriterien definiert [9]. Diese Einschlußkriterien sind der plötzliche Beginn, ein Verhältnis von arteriellem Sauerstoffpartialdruck durch inspiratorischen Sauerstoffanteil (PaO2/ FiO2, Hypoxämie oder O2–Score) <200 mmHg, bilaterale Infiltrationen im Röntgenbild des Thorax sowie ein pulmonalarterieller Verschlußdruck von <18 mmHg bei klinisch ausgeschlossener linksatrialer Hypertonie [9]. Vom ARDS abzugrenzen sind zum einen
Einleitung 2
Krankheitsbilder mit Hypoxämie und pulmonalen Infiltraten, bedingt durch Hyperhydratation und/oder Herzinsuffizienz [9], sowie die akute Lungenverletzung (acute lung injury, ALI). Die Differenzierung des weniger schweren Krankheitsbildes des ALI zum ARDS erfolgt aufgrund des Hypoxämie–Scores (bei ALI <300 mmHg, beim ARDS <200 mmHg) [120].
Die Therapie dieser Erkrankung, deren pathophysiologisches Korrelat vor allem aus einer anhaltenden, ausgeprägten Störung des pulmonalen Gasaustausches mit einer Erhöhung des intrapulmonalen Rechts–Links–Shunts, einem extremen Abfall der Lungencompliance, einem Anstieg des extravasculären Lungenwassers sowie einem interstitiellen und / oder alveolären Lungenödem besteht gestaltet sich nach wie vor als schwierig. Bei den oftmals jungen Patienten ohne wesentliche Vorerkrankungen kommt es im Verlauf der Erkrankung häufig zu einer zusätzlich therapiebedingten Schädigung der Lunge. Ein weiteres Problem stellt die häufige Entwicklung einer generalisierten Sepsis mit Multiorganversagen dar [24, 8]. Trotz modernster Therapieansätze ist das Krankheitsbild des ARDS nach wie vor durch eine hohe Letalität gekennzeichnet [112, 75, 115] (Tabelle 1.1).
Ein Vergleich der Letalitätsraten ist jedoch nur bedingt möglich, da neben anderen therapeutischen Möglichkeiten im Verlauf der Jahre auch die unterschiedliche ARDS–Definition, das Patientenkollektiv und das Studiendesign großen Einfluß auf die Zahlen nehmen [78].
Tabelle 1.1: ARDS–Letalität in den Jahren 1968 bis 1995 [25, 31, 73, 76, 105, 125].
Publikationszeitraum Letalität
1968–1969 70–94%
1971–1979 37–90%
1980–1986 25–90%
1987 65%
1988 59%
1990 90%
1993 27%
1995 30%
Einleitung 3
1.1.2 Pathologie
Kennzeichnend für das ARDS ist das Permeabilitätsödem. Durch eine Vielzahl von Reaktionen des Lungengewebes auf unterschiedliche endogene und exogene Noxen kommt es zu einer gesteigerten Permeabilität der alveolokapillären Membran [1, 16, 38, 53, 85] und so zum Lungenödem. Der Austritt proteinreicher Flüssigkeit aus den Lungenkapillaren erklärt sich durch die gesteigerte Permeabilität und ein Überschreiten der Transportkapazität der Lymphgefäße, die die anfallende Flüssigkeit nicht ausreichend drainieren können [38]. Somit zeigt sich eine Unterscheidung zu anderen Formen des Lungenödems, wie dem kardialen Lungenödem welches durch eine linksatriale Druckerhöhung hervorgerufen wird und dem renalen Lungenödem, dem ursächlich eine Hyperhydratation zugrunde liegt. Durch das so entstandene zunächst interstitielle und später alveoläre Ödem kommt es zu einer Reduktion aller Lungenvolumina. Zur Beeinträchtigung der Lungenfunktion führen vor allem eine verringerte funktionelle Residualkapazität wie auch eine erhöhte Totraumventilation. Ebenso kommt es zu einer Verminderung der Lungendehnbarkeit (Compliance), die zusätzlich bedingt wird durch eine verstärkte Bronchomotorenaktivität und das Einwirken von Mediatoren wie Adenosindiphosphat, Histamin, Serotonin, Prostaglandine, Leukotriene und andere [109, 112, 121]. Hierdurch kommt es zur Ausbildung von Mikroatelektasen vor allem in den lageabhängigen Anteilen der Lunge [42, 112] und zu einer weiteren Zunahme der schon erhöhten Totraumventilation [73]. Die gefürchtete therapierefraktäre Hypoxie [2, 20, 38] begründet sich weiter durch eine verstärkte Perfusion vermindert oder gar nicht belüfteter Lungenareale und einer daraus resultierenden erhöhten intrapulmonalen Shuntfraktion (QS/QT) [33, 46, 103]. Ferner werden Atelektasen durch eine Schädigung des pulmonalen Sufactantsysthems, deren Schwere mit der Störung der respiratorischen Funktion korreliert, begünstigt [52, 103].
Die pulmonalarterielle Hypertension als ein weiteres Charakteristikum des ARDS entsteht in Folge eines erhöhten Widerstandes in der Lungenstrombahn. Ursächlich hierfür sind zum einen das Auftreten von Mikroembolien [38, 50, 51, 88, 89, 134], sowie eine begleitende Endothelschwellung und eine Aktivierung vasoaktiver Substanzen wie Thromboxan A2 [38].
Das barorezeptive Reflexsystem wurde von Felix und Banzer [35, 36] nach tierexperimentellen Grundlagen, die 1946 von Euler und Liljestrand erforscht wurden (Euler–Liljestrand–Reflex), auch beim Menschen beobachtet und angiographisch bewiesen. Beim hier auch für den Menschen
Einleitung 4
nachgewiesenen Euler–Liljestrand–Reflex handelt es sich um eine pulmonalarterielle Drucksteigerung, verursacht durch eine Verminderung des O2–Partialdrucks. Dabei kommt es durch Vasokonstriktion zu einer Umverteilung des Blutes in die gut belüfteten Areale Die Vasokonstriktion verstärkt noch die schon bestehende pulmonalarterielle Hypertonie.
Unzureichend belüftete Bezirke werden aus der Perfusion ausgeschaltet. Beim ARDS wird dieses System vermutlich außer Kraft gesetzt, da es zu einem erhöhten intrapulmonalen Rechts–Links–
Shunt kommt [33, 46, 103].
Zu einer Progredienz der Gewebshypoxie kommt es auch aufgrund der kardialen Belastung. Ein Anstieg der Nachlast des rechten Ventrikels begründet sich zum einen durch die Entstehung der pulmonalarteriellen Hypertension und wird durch eine Erhöhung des intrapulmonalen Druckes auf Grund der maschinellen Ventilation mit positiv–endexpiratorischem Druck (PEEP) noch verstärkt. Es kommt zu einer Störung der Kontraktionsdynamik bei erhöhtem enddiastolischen und endsystolischem Volumen und zu einem Abfall des Schlagvolumen. Da die O2–Aufnahme des Gewebes direkt vom O2–Angebot abhängig ist, hat eine Verminderung des Schlagvolumens erhebliche Folgen für die Gewebsoxygenierung. Die schlechte Sauerstoffversorgung wiederum ist ein prädisponierender Faktor für das Versagen weiterer Organe [38]. Ursächlich für die Störung der O2–Extraktion des Gewebes wird die bereits bestehende Sauerstoffschuld des Organismus und somit sehr geringe Hypoxämietoleranz angenommen. Diese Störung findet sich ebenfalls bei Patienten mit Sepsis [38]. Viele zelluläre und humorale Mediatoren des ARDS sind auch in der Pathogenese der Sepsis von großer Bedeutung. Es handelt sich beim ARDS wahrscheinlich weniger um eine isolierte Lungenschädigung, als vielmehr um eine pulmonale Manifestation einer systemischen Entzündungreaktion [38]. Die enge Verknüpfung äußert sich auch im Auftreten der Sepsis als Risikofaktor mit der höchsten ARDS–Rate und als häufigste späte Todesursache der Patienten mit ARDS [38].
1.1.3 Verlauf und Stadieneinteilung
Die ersten Symptome des ARDS sind nicht von anderen Störungen der pulmonalen Funktion zu unterscheiden und äußern sich in Anstieg der Atemfrequenz (Tachypnoe) und Dyspnoe. Die Messung der arteriellen Blutgase zeigt eine milde Hypoxie und hyperventilationsbedingte Hypokapnie. Im weiteren Verlauf führt die therapierefraktäre Hypoxie [2, 20, 38] zu zunehmender
Einleitung 5
Dyspnoe und Tachypnoe. Bei vielen Patienten kann dieser initiale Verlauf der Erkrankung nicht beobachtet werden, da sie aufgrund ihrer zum ARDS führenden Erkrankung schon intubiert und beatmet sind. Der Krankheitsverlauf des ARDS vollzieht sich meist in charakteristischer, ähnlicher Weise, wobei sich die gleichförmige Progredienz der pathologischen Befunde unabhängig vom auslösenden Ereignis darstellt [104]. Je nach Autor wird der Verlauf des ARDS in 3–5 Stadien eingeteilt. Exemplarisch soll hier die Einteilung nach Mittermayer [88, 89]
wiedergegeben werden (Tabelle 1.2).
Die Initialphase umfaßt die erste Stunde der Erkrankung und zeigt eine eher blande Klinik [4].
Kennzeichnend ist das beginnende Ödem, welches sich zunächst peribronchial und perivasculär, aber auch im Bindegewebe der Interlobär– und Lobärsepten beobachten läßt. Die Lymphbahnen sind aufgrund des Überschreitens ihrer Transportkapazität erweitert [38]. Das extravasale
Tabelle 1.2: Zeitlicher Ablauf von klinischen, pathologischen und röntgenologischen Befunden beim ARDS [30].
Phase Klinik Pathologie Röntgen
Initialphase (1. Stunde)
diskrete Dyspnoe, respiratorische Alkalose
makroskopisch düsterrot, Kapillarstauung, perivasculäres, peribronchiales Ödem,
extravasales Lungenwasser gering gesteigert
Verbreiterung der Gefäßschatten und Bronchialwände perihiläre Verdichtungen
Frühphase (1.–24. Stunde)
Dyspnoe, Tachypnoe, Bewußtseinsstörung
perivasculäres und peribronchiales sowie interstitiell–alveoläres Ödem, Granulozytensticking, Endotheldefekte,
Mikrothromben, extravasales Lungenwasser massiv gesteigert
diffuse Trübungen mit verbreiterten Gefäßschatten
Intermediärphase (2.–7. Tag)
reversible respiratorische Insuffizienz
interstitiell und alveoläres Ödem, Mikroatelektasen, hyaline Membranen, Mikrothromben, beginnende Zellproliferation, extravasales Lungenwasser gleichbleibend
interstitielle
Strukturvermehrung durch Ödem und beginnende Zellproliferation, fleckförmige und
aufgelockerte flächenhafte Verschattungen durch Ödem und Atelektasen
Spätphase (nach einer Woche)
therapieresistente respiratorische Insuffizienz
interstitielle Faservermehrung und massive Zellproliferation, Lungenfibrose, extravasales Lungenwasser gleichbleibend
grobretikuläre, streifige Verdichtungen, flächenhafte Trübungen,
Bronchopneumonien, Beatmungskomplikationen
Einleitung 6
Lungenwasser ist nur gering erhöht, der Blutgehalt der Lunge kann bis auf das Doppelte gesteigert sein.
Die Frühphase umfaßt etwa den ersten Tag des Krankheitsverlaufs [88]. Erste zellpathologische Befunde in Form eines beginnenden Endothelschadens lassen sich jetzt nachweisen. Teilweise ist dieser nur indirekt an eingewanderten Granulozyten zu erkennen. Die Endothelschädigung beginnt an der Zelloberfläche mit einer Zytoplasmaschwellung und Bläschenbildung.
Mitochondrien quellen auf und später platzen die Zellmambranen und das endoplasmatische Membransystem. Es finden sich nur noch leere Basalmembranrohre. Das extravasale Lungenwasser ist jetzt erheblich erhöht. [88]. Als frühes Korrelat des Schocks finden sich Mikrothromben, wobei die Zusammensetzung der Thromben je nach Schockart verschieden sein kann [106, 108, 126]. Die Veränderungen der Früh– und Initialphase sind noch voll reversibel.
Die Intermediärphase beschreibt den Krankheitsverlauf des ARDS etwa bis zum Ende der ersten Woche und kennzeichnet sich durch den Übergang in ein proliferatives Stadium. Es kommt zu einer Schädigung der gesamten Gasaustauschbarriere, da nun auch die Alveozyten geschädigt werden [33, 119, 134]. Zunächst betrifft die Schädigung die membranösen Typ I Alveozyten, später auch die granulären Typ II Alveozyten [88]. Durch die Schädigung der Typ II Alveozyten kommt es zur Störung der Sufactantsynthese und der Zellregeneration [33, 119] und somit vermehrt zu Mikroatelektasen und einem alveolären Ödem [33, 52]. Durch Austritt von Fibrin kommt es in Verbindung mit epithelialen Zelltrümmern zur Ausbildung hyaliner Membranen [3, 40, 96, 104]. Neben exsudativen Veränderungen kommt es durch Proliferation autochtoner Zellen am Ende der ersten Woche zur sogenannten kubischen Transformation. Die untauglichen Typ II Alveolarzellen sind verbreitert und produzieren keinen oder dysfunktionellen Surfactant [33, 88, 104, 119]. Durch Fibroblastenwucherung werden die Kapillaren von der gasaustauschenden Oberfläche abgedrängt. Exsudative und proliferative Veränderungen können nebeneinander auftreten und sind bis zum Ende der ersten Woche in etwa der Hälfte der Fälle reversibel.
Die Spätphase hat als wesentliches Merkmal die zunehmende Fibrosierung der Lunge [56].
Ursächlich hierfür gilt eine Fibroblastenwucherung in den Alveolarwänden und eine gesteigerte Fibroplasie im perivaskulären und peribronchialen Bindegewebe [3, 40, 104]. Es kommt zu einer Verdickung des Interstitiums auf das Siebenfache. Zusätzlich findet sich durch Reepitelialisierung und Reendothelialisierung eine Zunahme der Endothelbarriere auf das Zweifache und der
Einleitung 7
Epithelbarriere auf das Dreifache [3, 88]. Das Spätstadium galt früher als irreversibel. Mit den Möglichkeiten der modernen Intensivmedizin kann es auch im Spätstadium zu einer Heilung mit nur geringen Residuen kommen.
1.1.4 Diagnose und Bewertungssysteme
Die Diagnose des ARDS stützt sich auf die von der Amerikanisch–Europäischen ARDS Konsensus Konferenz definierten Einschlußkriterien [9]: plötzlicher Beginn, PaO2/FiO2
<200mmHg, bilaterale Infiltrate im Röntgenbild des Thorax, sowie ein pulmonalarterieller Verschlußdruck von <18mmHg bei klinisch ausgeschlossener linksatrialer Hypertonie. Sowohl die Labordaten, als auch radiologische, lungenmechanische und hämodynamische Veränderungen zeigen eine charakteristische Progredienz im Verlauf der Erkrankung. Für die charakteristischen Veränderungen des Thorax–Röntgenbildes und der klinischen Daten wurde zur Schweregradeinteilung des ARDS verschiedene Bewertungssysteme entwickelt. Die wichtigsten Differentialdiagnosen sind das renale und das kardiale Lungenödem [84, 86], sowie die massive Lungenarterienembolie [30, 36, 87]. Vor allem die Lungenarterienembolie kann klinisch ein nahezu identisches Bild zur Initialphase des ARDS zeigen und läßt sich aufgrund des ebenfalls unauffälligen Röntgenbildes nur durch weiterführende Diagnostik wie Lungenszintigraphie und pulmonale Angiographie vom ARDS differenzieren [30, 36].
Die Computertomographie der Lunge ist für die eigentliche Diagnose des ARDS nur von untergeordneter Bedeutung [78]. Von großem Nutzen ist es, im Verlauf der Erkrankung pathologische Befunde wie Pneumothoraces, Pleuraergüsse, Bullae oder Abszesse lokalisiert darzustellen. Vor allem in den dorsalen und ventralen Abschnitten der Lunge können Veränderungen dadurch detailliert nachgewiesen und gezielt therapiert werden. Auch die inhomogene Verteilung der Lungenparenchymveränderung kann im CT nachgewiesen werden [82].
Bei der Unterscheidung der Bewertungssysteme läßt sich eine grobe Einteilung nach rein radiologischen Einteilungen und radiologischen Bewertungen in Zusammenhang mit klinischen Parametern durchführen. Eine Mittelposition nimmt der Röntgen–Score nach Miniati et al. [87]
ein , da die Differenzierung der Veränderungen in diesem Score Rückschlüsse auf hämodynamische Störungen zuläßt.
Einleitung 8
Die ersten rein röntgenologische Einteilung wurde 1975 von Ostendorf publiziert und 1978 umfangreich von Mittermayer ergänzt [96, 88]. Dieser Röntgen–Score zeigte auch erstmals den engen Zusammenhang des Röntgenbildes mit pathologischen Befunden in der Unterteilung in vier Stadien (siehe Tabelle 1.3).
Rommelsheim et al. [110, 111] definierten anhand des chronologischen Verlaufs der Erkrankung fünf Stadien, wobei das pathomorphologische Korrelat hier nicht mit aufgeführt wird. Nicht berücksichtigt ist ferner die der Ödemphase folgende Lungenfibrose (siehe Tabelle 1.4).
Auch in diesem Score ist der Verlauf des zunächst interstitiellen uns später alveolären Lungenödems [13, 29, 128, 133] Grundlage der Einteilung der Veränderungen des Röntgenbildes.
Tabelle 1.3: Lungenveränderungen des ARDS nach Ostendorf et al. [96].
Phase Radiologischer Befund Histopathologischer Befund
Initialphase (1. Stunde)
Gefäßschatten und Bronchialwände verbreitert, perihiläre Verdichtung
Ödem des extraalveolären Bindegewebes
Frühphase (1. Tag)
diffuse Trübung, verbreiterte Gefäßschatten interstitielles Lungenödem der Alveolarsepten
Intermediärphase (2. bis 7. Tag)
interstitielle Strukturvermehrung durch Ödem und Zellproliferation, fleckförmige und aufgelockerte, flächenhafte Verschattung durch Ödem und Atelektasen; schwer differenzierbare pneumonische Herde
interstitielles und herdförmig
intraalveoläres Ödem, evtl. herdförmige Atelektasen, hyaline Membranen
Spätphase (nach 1. Woche)
grobretikuläre, streifige Verdichtungen, Beatmungskomplikationen (Emphysem, Pneumothorax, Bullae u.a.),
Bronchopneumonien
interstitielle Fibrose der Alveolarsepten
Tabelle 1.4: Radiologische Stadieneinteilung des ARDS nach Rommelsheim et al. [110].
Stadium Röntgenbefunde
I insbesonders perihilär auftretende, verbreiterte und unscharfe Gefäßzeichnung
II schleierartige, homogene Verdichtungen, die zentral und peripher beginnen und auf einer Seite vorauseilen können oder auch regional –zumeist zuerst in den Unterfeldern– auftreten. In typischen Fällen treten diese Erscheinungen als Schmetterlingsfigur auf
III Milchglasartige Trübung beider Lungen, positives Bronchopneumogramm. Ödemring um orthograd projizierte Bronchien
IV Kleinfleckige oder retikulär konfluierende Infiltrate über die gesamte Lunge verteilt oder auch regional betont oder in den Unterfeldern
V nahezu die gesamte Lunge gleichförmig bedeckt oder großflächig infiltrativ verdichtet, diffuse homogene Trübung
Einleitung 9
Dem Röntgenbefund wird aufgrund des chronologischen Verlaufs und des pathologischen Korrelats [2, 63, 72, 88, 96] ein bestimmter Schweregrad der Erkrankung zugeordnet. Im zeitlichen Verlauf können Stadien übersprungen werden oder so rasant progredient sein, daß sie nicht dokumentiert wurden. Ferner kann es zur Rückbildung einzelner Stadien kommen [96, 112, 144].
Bewertungssysteme, die in ihrer Einteilung auch die Veränderungen von klinischen Parametern berücksichtigen sind der ARDS–Score nach Morel et al. [92] und der von der Amerikanisch–
Europäischen ARDS–Konsensus–Konferenz empfohlene [9] ARDS–Score nach Murray et al.
[94]. Für den ARDS–Score nach Morel et al. [92] wird neben dem Röntgenbefund die Compliance, der mittlere Pulmonalarteriendruck (PAP) sowie die Alveolo–arterielle Sauerstoffdruckdifferenz dividiert durch die inspiratorische Sauerstoffkonzentration (AaDO2/ FiO2) bewertet. Bei einem PEEP >5 cmH2O erhöht sich der errechnete Score–Wert AaDO2/FiO2 um +1. Der Röntgenbefund differenziert zwischen interstitieller Zeichnungsvermehrung und fleckiger bzw. ausgedehnter Konsolidierung (siehe Tabelle 1.5). Der Gesamtscore berechnet sich aus der Addition der Einzelgewichtungen dividiert durch die Anzahl der verwendeten Komponenten.
Für den ARDS–Score nach Murray et al. [94] wird im Röntgenbild lediglich das Vorhandensein bzw. das Fehlen einer alveolären Infiltration in den vier Lungenquadranten berücksichtigt. An klinischen Parametern werden die Compliance, der PEEP sowie die Hypoxämie (PaO2/FiO2) bewertet (siehe Tabelle 1.6). Der Gesamtscore berechnet sich ebenfalls durch Addition der Einzelbewertungen dividiert durch die Anzahl der verwendeten Komponenten. Eine
Tabelle 1.5: Morel–Score zur Schweregradeinteilung des ARDS [92].
Score Röntgenbefund AaDO2/FiO2
(mmHg)
Compliance (ml/cmH2O)
PAP (mmHg)
0 normal <300 >80 <20
1 mäßige interstitielle Zeichnungsvermehrung
300–375 71–80 20–24
2 deutliche interstitielle Zeichnungsvermehrung
375–450 51–70 25–29
3 fleckige Konsolidierung 450–525 31–50 30–35
4 ausgedehnte Konsolidierung >525 <30 >35
Einleitung 10
Gesamtbewertung von 0 zeigt keinen Lungenparenchymschaden, eine Bewertung zwischen 0,1 und 2,5 zeigt einen milden bis moderaten Lungenparenchymschaden. Bei einem Ergebnis von
>2,5 spricht man von einem schweren Lungenparenchymschaden (ARDS).
Die Analyse des Röntgenbildes nach dem Röntgen–Score von Miniati et al. [87] ergibt eine differenzierte Quantifizierung des Lungenödems. Die Bewertung der in Tabelle 1.7 aufgeführten Punkte erfolgt für jede Lunge einzeln. Der niedrigere Scorewert wird auf einen gering ausgeprägten Befund angewandt, der höhere Scorewert beschreibt einen deutlich ausgeprägten Befund. Durch die Differenzierung von Größe und Dichte der Hilusgefäße, dem Pneumobronchogramm und der rechtsseitigen Herzvergrößerung mit Vorwölbung der Arteria pulmonalis lassen sich Rückschlüsse auf mögliche hämodynamische Störungen ziehen.
Tabelle 1.6: Murray–Score zur Schweregradeinteilung des ARDS [94].
Komponenten Punkte Komponenten Punkte
Röntgenbild des Thorax PEEP (cmH2O)
keine alveolären Infiltrate 0 <5 0
alveoläre Infiltrate in einem Quadranten 1 6–8 1
alveoläre Infiltrate in zwei Quadranten 2 9–11 2
alveoläre Infiltrate in drei Quadranten 3 12–14 3
alveoläre Infiltrate in allen vier Quadranten 4 >15 4
Hypoxämie (PaO2/FiO2) Compliance (ml/cmH2O)
>300 0 >80 0
225–299 1 60–79 1
175–224 2 40–59 2
100–174 3 20–39 3
<100 4 <19 4
Einleitung 11
1.1.5 Therapie
Grundlegend in der Therapie des ARDS ist nach wie vor die maschinelle Beatmung mit PEEP.
Durch Drucklimitierung und Kombination mit anderen Therapieformen wie permissive Hyperkapnie, Lagerung, Dehydratation und seitendifferente Beatmung sollen die therapieinduzierten Schäden so gering wie möglich gehalten werden [115, 116]. Wird mit diesen Verfahren allein eine Besserung der pulmonalen Funktion nicht erreicht, werden Verfahren des extracorporalen Gasaustausches zur Unterstützung eingesetzt [115, 116]. Als erfolgversprechende Ergänzung zur konventionellen Therapie sind die Surfactantapplikation, die Inhalation von Stickstoffmonoxid sowie die partielle Flüssigkeitsbeatmung mit Kohlenwasserstoffen (Perfluorocarbonen) in der Erprobung im klinischen Alltag [83]. Durch die Applikation anderer Substanzen wie z.B. Kortikosteroide oder Leukotrien B4–Rezeptor–Antagonisten wurden positive Einflüsse auf den Krankheitsverlauf berichtet, jedoch sind diese Therapieansätze klinisch noch nicht etabliert [37, 73, 141, 142].
Während der letzten Jahre haben neue Erkenntnisse dazu geführt, die bisherige Beatmungstherapie des ARDS zu revidieren [78]. Drei beatmungsinduzierte Hauptschädigungsfaktoren des traditionellen Beatmungskonzeptes sind grundlegend für eine Änderung des Beatmungsregimes verantwortlich. Die hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentration [79], große Atemzugvolumina [28] und hohe Atemwegsdrücke [71]
Tabelle 1.7: Radiologisches Scoring des ARDS nach Miniati et al. [87] Jede Lunge wird separat beurteilt. Die linke Zahl bezieht sich auf eine geringe, die rechte Zahl auf eine deutliche Ausprägung des entsprechenden Befundes.
Röntgenbefund Score Röntgenbefund Score
rechtsseitige Herzvergrößerung mit Vorwölbung der A. pulmonalis
2 oder 4 Abnormitäten der Hilusgefäße (Größe und Dichte)
1 oder 2
Pneumobronchogramm 2 oder 4 ausgedehnte weiße Lunge 20
diffus erhöhte Lungendichte fleckig erhöhte Lungendichte
zentral 1 oder 2 zentral 2 oder 4
peripher 2 oder 4 peripher 5 oder 10
zentral und peripher 3 oder 6 zentral und peripher 7 oder14
Einleitung 12
führen zu einer zusätzlichen Schädigung der Lunge. Die neue Beatmungsstrategie basiert auf dem Prinzip der druckkontrollierten Beatmung. Bei dieser Form der kontrollierten maschinellen Ventilation wird bei vorgegebener Frequenz über einen definierten Zeitraum ein bestimmter Druck in der Patientenlunge erzeugt, der über die Inspirationsphase aufrechterhalten wird [78].
Für verschiedene dieser Beatmungsformen wie z.B. die PcCMV–IRV (pressure controlled inverse ratio ventilation) mit umgekehrtem Atemzeitverhältnis zeigen Studien einen günstigen Effekt auf die Oxygenierumg [132]. Sowohl die PcCMV–IRV, als auch eine Vielzahl anderer Beatmungsmodi werden in der Therapie eingesetzt, jedoch gibt es noch keine randomisierten Studien in denen dieses Konzept überprüft wurde.
Durch das Regime der druckkontrollierten Beatmung sind aufgrund der stark verminderten Lungencompliance nur geringe Atemzugvolumina möglich. Als Folge der dadurch entstehenden Verminderung der alveolären Ventilation kommt es zu einem Anstieg des arteriellen Kohlendioxydpartialdruckes, der als Teil des Therapiekonzeptes toleriert und als permissive Hyperkapnie bezeichnet wird [58]. Erfahrungen mit ARDS Patienten haben gezeigt, daß auch eine ausgeprägte Hyperkapnie, wenn sie sich über einen Zeitraum von Tagen entwickelt, gut toleriert wird und die Überlebensraten günstig beeinflußt [58, 59, 77].
Eine Reduktion des interstitiellen und alveolären Lungenödems führt zu einer besseren Oxygenierung und einer Zunahme der Compliance [5, 15, 115]. Dies wird unter anderem durch eine negative Flüssigkeitsbilanz erreicht und der Gasaustausch so verbessert. Die Dehydratation als Bestandteil des Konzeptes zur konservativen Therapie des ARDS kann sowohl medikamentös durch Schleifendiuretika als auch apparativ, bei nicht ausreichendem Erfolg, mittels Ultrafiltration oder Dialyse erreicht wird [5, 15, 115, 122].
Eine weitere hilfreiche und einfach durchzuführende Maßnahme ist die Lagerungstherapie. Vor allem die Bauchlage, aber auch eine kontinuierlich durchgeführte Seitenlage führen zu einer Verbesserung der Oxygenierung. Ursächlich dafür ist eine verbesserte Durchblutung der besser belüfteten Lungenanteile und eine daraus resultierende Zunahme des Ventilations–
Perfusionsverhältnisses [62, 115, 122, 135]. Eine effizientere Bronchiallavage wird ebenfalls diskutiert [135]. In vielen Fällen lassen sich durch diese einfachen Maßnahmen toxische Sauerstoffkonzentrationen und / oder hohe Atemwegsspitzendrücke vermeiden [63, 115, 135, 143].
Einleitung 13
Obwohl es bis heute keine Studie über eine Verbesserung der Mortalität des schweren ARDS durch extracorporalen Gasaustausch gibt [54, 70, 93, 122] gilt diese Therapie als Ultima ratio in der Behandlung dieser schweren Erkrankung [115]. Dieses technisch sehr aufwendige, invasive und mit vielen Risikos behaftete Verfahren basiert auf dem Grundgedanken, die geschädigte Lunge zu entlasten und ihr Ruhe und Zeit zur Heilung zu gewähren [93, 115, 116]. Von verschiedenen Systemen hat sich die Extracorporale Membranoxygenierung (ECMO) durchgesetzt. Durch einen veno–venösen Bypass wird über eine kovalent mit Heparin beschichtete Oxygenierungsmembran hauptsächlich eine CO2–Elimination erreicht. Eine für die Lunge schonende Beatmungsstrategie in Form einer niederfrequenten Beatmung mit kleinen Atemzugvolumina und PEEP (Extracorporal CO2–Removal in Combination with Low Frequency Positive Pressure Ventilation, ECCO2–R–LFPPV) sichert die Sauerstoffaufnahme [41, 38, 70, 115, 122].
Eine weitere hoffnungsvolle Alternative stellt die Inhalation von Stickoxid (NO) dar [47]. NO als natürlicher Vasodilatator bewirkt durch inhalative Verabreichung eine selektive Vasodilatation in den ventilierten Bezirken des pulmonalen Gefäßbettes. Es kommt zu einer Verbesserung der Oxygenierung und einer Verminderung des pulmonalen Hypertonus [32, 114]. Durch Bindung an Hämoglobin erfolgt eine schnelle Inaktivierung des Stickoxids, so daß es nicht zu systemischen Wirkungen kommt [114]. Eine Aussage über den Einfluß auf die Überlebensraten durch NO–
Inhalation ist im Moment noch nicht möglich. Eine retrospektive Untersuchung mittels Paarbildung ergab keine Unterschiede der Letalitätsraten zwischen Patienten mit und ohne NO–
Inhalationstherapie [83].
Durch die Produktion von dysfuntionellem Surfactant und einem beschleunigten Abbau [17, 33, 52, 88, 100, 101, 116] kommt es im Verlauf des ARDS verstärkt zur Bildung von Atelektasen. Die Sufactantsubstitution ist in der Behandlung des Atemnotsyndrom des Frühgeborenen zu einer etablierten Therapie geworden, jedoch konnten die hier erzielten Therapieerfolge für das ARDS bisher nicht erreicht werden [17, 127]. Der mangelnde Erfolg läßt sich wahrscheinlich auf einen beschleunigten Abbau sowohl des eigenen, als auch des zugeführten Surfactant zurückführen [102]. Problematisch ist ferner die geringe Verfügbarkeit natürlichen Surfactants und Nebenwirkungen wie Infektionsgefahr und immunologische Reaktionen. Künstlicher Surfactant ist eine starke Vereinfachung des natürlichen Stoffes und somit weniger Effizient [83]. Da es sich
Einleitung 14
beim ARDS um eine Inaktivierung von Surfactant handelt, wird diese Therapie in ihrer Wirkung zeitlich begrenzt und nicht kausal sein [83].
Eine neue, klinisch noch wenig erprobte, Therapie ist die partielle Flüssigkeitsbeatmung mit Perfluorocarbonen. In wenigen klinischen und tierexperimentellen Studien wird durch diese Therapie eine Verbesserung der Compliance, eine Verbesserung des Gasaustausches und eine Reduktion der alveolo–arteriellen Sauerstoffdruckdifferenz publiziert [137, 61, 45]. Der Hauptmechanismus der permissiven Flüssigkeitsbeatmung scheint im Eröffnen und Offenhalten der dystelektatischen Lungenareale zu liegen [83], ähnlich der Funktion des pulmonalen Surfactant. Da die toxischen Wirkungen der Substanz, sowie die optimale Applikationsform und mögliche Langzeitwirkungen noch unzureichend erforscht sind bleibt die Bedeutung für die Therapie des ARDS noch abzuwarten [83].
Therapiemöglichkeiten mit dem Ansatz, die pathomorphologischen Veränderungen medikamentös zu beeinflussen sind in ihrem klinischen Erfolg noch nicht ausreichend gesichert.
Mit der Applikation von Glukokortikoiden [73, 90] wurden beeindruckende Effekte erzielt, jedoch existiert hier kein einheitliches Dosierungsschema und der klinische Erfolg ist nicht ausreichend gesichert.
Die Therapie des ARDS, wie sie in Spezialzentren wie dem Virchow-Klinikum durchgeführt wird, umfaßt nach umfassender Diagnostik engmaschige Überwachung, erfahrenes Personal sowie teilweise sehr aufwendige Technik. Ziel der Therapie ist die Normalisierung des Gasaustausches [115, 116], wobei der jeweilige Therapieansatz berücksichtigt, daß eine zusätzliche Schädigung der schon stark angegriffenen Lunge so gering wie möglich gehalten wird.
Einleitung 15
1.2 Strahlenexposition
Unter Strahlenexposition versteht man die Dosis an Strahlen, die ein Körper durch die verschiedenen Strahlenquellen erhält. Indem wir auf der Erde leben sind wir unausweichlich einer bestimmten Strahlenexposition ausgesetzt, die sich aus einem natürlichen und einem künstlichen Anteil zusammensetzt (Tabelle 1.8).
Die natürliche Strahlenexposition setzt sich zusammen aus kosmischer und terrestrischer Strahlenexposition, sowie einem Anteil, der durch Inkorporation natürlich vorkommender Nuklide zustande kommt. Unter kosmischer Strahlung versteht man die von der Sonne auf die Erde einwirkende Strahlung. Da die Strahlung beim Durchdringen der Luftschichten abgeschwächt wird, nimmt sie mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel zu. In 2000 m Höhe ist die effektive Dosis etwa doppelt so hoch wie der Strahlungsanteil von 0,28 mSv pro Jahr auf Meereshöhe [139]. Die terrestrische Strahlung stammt aus radioaktiven Stoffen, die ihren Ursprung in der Zeit der Erdentstehung haben und weist geographische Unterschiede auf. Über Nahrung und Trinkwasser und die darin vorkommenden natürlichen radioaktiven Stoffe wird die Körperinnere Bestrahlung zugeführt [74]. Die zivilisatorische Strahlenexposition weist große Unterschiede auf. Sie beinhaltet zum einen die Strahlenbelastung aus medizinisch–diagnostischen Maßnahmen und zu kleinen Teilen aus Strahlungen von Kernreaktoren, Atombombenversuchen
Tabelle 1.8: Natürliche und künstliche Strahlenbelastung in der Bundesrepublik Deutschland (über die gesamte Bevölkerung gemittelte Werte der jährlichen effektiven Dosis) beim Erwachsenen. Für Kinder sind zum Teil etwa 1,5 bis 2 fach höhere Werte anzusetzen [66].
Art der Strahlenbelastung jährl. effektive Dosis in mSv
Kosmische Strahlung 0,30
Terrestrische Strahlung 0,45
Körperinnere Bestrahlung 0,25
Radon und Zerfallsprodukte 1,0
Strahlung in der Medizin 1,5
Fallout 0,02
Technik, Forschung 0,02
Kerntechnische Anlagen 0,01
Beruf 0,01
Gesamt ca. 3,5
Einleitung 16
und technischen Prüfverfahren. Hieraus ergibt sich zusammen eine natürliche Untergrundstrahlung von 1–6mSv pro Jahr [107].
Zur Ermittlung der Strahlenbelastung durch radiologische Diagnostik und Therapie wurde das Konzept der kritischen Organe 1976 von der effektiven Dosis [64] abgelöst und hat Eingang in die entsprechende Fachliteratur gefunden [95, 69]. Die effektive Dosis (E) ist maßgeblich für die Einschätzung des stochastischen Risikos [19] einer Röntgenaufnahme, Malignome oder genetische Schäden zu induzieren. Die wichtigsten Erkenntnisse über das karzinogene Risiko bestimmter Strahlenbelastungen stammen aus Untersuchungen an Überlebenden der Atombombenabwürfe in Hiroshima und Nagasaki [123]. Im Rahmen dieser Ergebnisse wird im Dosisbereich von 0,5 bis 1 Gy (Gray; 1 Gray = 1 J/kg) der Begriff der Strahlenhormesis diskutiert [34]. Man versteht darunter das in Kraft treten protektiver Zellmechanismen im Bereich niedriger Strahlendosen und erklärt so die Feststellung, daß unterhalb des Dosisbereichs von 0,5 bis 1 Gy keine Erhöhung des Tumorrisikos nachweisbar ist. Diese Beobachtung wird immer wieder kontrovers diskutiert und auch in den Empfehlungen der Strahlenschutzkommission [64] heißt es vorsichtig ausgedrückt, daß «...die Wahrscheinlichkeit einer Krebserkrankung im allgemeinen mit Zunahme der Dosis wachse und dies wahrscheinlich ohne Schwelle.»
Grundlage zur Berechnung der Strahlenexposition ist die Energiedosis, die die auf Materie übertragene Energie pro Masse beschreibt. Die gesetzliche Einheit ist das Gray (1 Gray = 1 J/kg).
Die im Strahlenschutz maßgebliche Größe ist die Äquivalentdosis, die sich aus der Multiplikation der Energiedosis mit dem Bewertungsfaktor q ergibt Da q für eine äußere Exposition mit Röntgenstrahlen den Zahlenwert 1 hat, sind Energie–und Äquivalentdosis zahlenmäßig identisch [74, 95]. Die Maßeinheit für die Äquivalentdosis ist das Sievert (1 Sv = 1 J/kg).
Basierend auf mathematischen Phantomen kann mit Hilfe publizierter Konversionsfaktoren die Organdosis berechnet werden [26, 27, 97]. Für die Differenzierung der Organe mit ihrer unterschiedlichen Dichte und Größe steht zur mathematischen Berechnung ein männliches und ein weibliches Menschenphantom zur Verfügung. Bei der Verwendung von Konversionsfaktoren sollte stets bedacht werden, daß es sich um Näherungswerte handelt, die durch mathematische Simulation ermittelt wurden [95]. Den interindividuellen Unterschieden der Patienten in Bezug auf Körperbau, Organgröße und Organlage kann somit nicht Rechnung getragen werden. Die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit der einzelnen Gewebe wird durch die effektive Dosis in
Einleitung 17
gewissem Umfang berücksichtigt. Wenn den einzelnen Organen die von der Internationalen Strahlenschutzkommission empfohlenen Wichtungsfaktoren [64] zugeordnet werden, kann aus ihnen die effektive Dosis berechnet werden (Tabelle 1.9).
Die effektive Dosis ermöglicht es, das stochastische Risiko mit einer Zahl zu benennen, die sowohl für die Strahlenexposition des Ganzkörpers, als auch des Teilkörpers berechnet werden kann. Im Zusammenspiel mit den von Cohen publizierten allgemeinen Lebensrisiken [23] und dem von Schicha et al. publizierten multiplikativen Risikomodell [118] läßt sich das individuelle Strahlenrisiko für jeden Patienten bestimmen. Dies läßt sich berechnen als Verlust an Lebenserwartung und Risiko des Todes an einem strahleninduzierten Malignom. Im Gegensatz
Tabelle 1.9: Wichtungsfaktoren zur Berechnung der effektiven Dosen nach ICRP 60 [64].
Organ Wichtungsfaktoren
nach ICRP 60
Gonaden 0,20
rotes Knochenmark 0,12
Lunge 0,12
Magen 0,12
unterer Dickdarm 0,12
Brust 0,05
Schilddrüse 0,05
Speiseröhre 0,05
Harnblase 0,05
Leber 0,05
Haut 0,01
Knochenoberfläche 0,01
Restkörper 0,05a
a. hier sind oberer Dickdarm, Dünndarm, Gehirn, Muskel, Pankreas, Milz, Nebenniere, Niere, Thymus, Uterus als Restkörper definiert. Wenn ein Organ eine exzessiv hohe Dosis erhält, erfolgt eine Aufteilung je zur Hälfte in das Organ mit der höchsten Dosis und für die mittlere Dosis im verbleibenden Restkörper.
Summe 1,00
Einleitung 18
zum individuellen oder kollektiven Mortalitätsrisiko ist der Verlust an Lebenserwartung in Tagen eine für jeden greifbare Größe.
1.3 Bildqualität der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen
Röntgen–Thorax–Aufnahmen stellen bei Patienten auf Intensivstationen eine häufige, diagnostisch und therapeutisch wichtige, röntgenologische Untersuchung dar [7, 57, 68].
Aufgrund des meist schlechten Allgemeinzustandes der Patienten sollen zusätzliche Belastungen für den Patienten vermieden werden. Die Aufnahmen werden darum in der Regel unter erschwerten Bedingungen auf der Intensivstation am Patientenbett durchgeführt. Die Durchführung und Beurteilung dieser Liegendaufnahmen erfordert eine enge und gute Zusammenarbeit zwischen Intensivmedizinern, Radiologen, Pflegepersonal und Röntgenassistenten [7]. Zum einen kann so die Belastung für den Patienten so gering wie möglich gehalten werden und zum anderen können trotz der schwierigen Bedingungen qualitativ gute Aufnahmen erzielt werden. Die eingeschränkte Kooperationsfähigkeit der Patienten erfordert viel Gefühl und Erfahrung um Aufnahmen in tiefer Inspiration anzufertigen. Der außerhalb des Patienten befindliche Teil von Kathetern und Drainagen, sowie Monitorkabel erschweren die Positionierung der Röntgenkassette unter dem Rücken des Patienten. Alle Kabel und Schlauchverbindungen sollten während der Aufnahme wenn möglich außerhalb des Bildes liegen um Artefakte dieser Art weitgehend zu vermeiden.
Für Thoraxaufnahmen die im Stehen, in Hartstrahltechnik mit einem bewegtem Raster angefertigt wurden gelten differenzierte Qualitätskriterien. Diese sind bei Liegendaufnahmen auf Intensivstationen nur bedingt anwendbar. Kriterien wie die Abbildung des Gefäßnetzes in der Peripherie, scharfe Darstellung der Gefäße, des Herzrandes und des Zwerchfells, aus dem Lungenfeld gedrehte Scapula, Darstellung von Rippen und Wirbelkörpern hinter dem Herz, Aufnahme in Inspiration [65, 129, 140] lassen sich aufgrund der pathologischen Veränderungen und der Aufnahmebedingungen meist nicht erfüllen. Die Kriterien der Einsicht in den retrokardialen Raum und das Mediastinum sind durch das Fehlen der zweiten Ebene nicht zu erfüllen.
Einleitung 19
Die Thorax–Röntgen–Aufnahmen dienen der Verlaufskontrolle vor allem bei beatmeten Patienten und auch der Überprüfung der Position iatrogen eingebrachter Katheter und Drainagen. Die Beurteilung des Verlaufs pulmonaler Veränderungen wird oft durch die unterschiedlichen Helligkeitscharakteristika einzelner Aufnahmen erschwert [146]. So ist manchmal zwischen Befundänderung oder aufnahmebedingten Veränderungen nur schwer oder gar nicht zu differenzieren [48]. Die fehlende Belichtungsautomatik der Film–Folien–Technik hat zur Folge, daß ca. 15% der Aufnahmen fehlbelichtet sind und wiederholt werden müssen [146]. Oft ist die akkurate Einstellung des ap–Strahlenganges nicht möglich, so daß die Aufnahmen nach kranial oder kaudal verkippt oder nach rechts oder links verdreht sind. Diese Veränderung der Projektion erschwert die Beurteilung der Konturen und Größen im Einzelbild und im Verlauf.
Durch die Einführung der digitalen Lumineszenzradiographie konnte die Anzahl fehlbelichteter Aufnahmen auf unter 1% reduziert werden [145]. Bieten die apparativen Voraussetzungen ausreichend Speicherkapazität, ist der nachträgliche Neuausdruck auch nachbearbeiteter Bilder problemlos möglich. Die Möglichkeiten der digitalen Bildverarbeitung und der Nachbereitung am Monitor eröffnen die Chance ohne weitere Belastung für Patient und Personal Details herauszuarbeiten, Bilder in gleicher Qualität im Hinblick auf Befundveränderungen zu beurteilen oder über eine kantenbetonte Darstellung die Lage von Kathetern und Drainagen genauer zu beurteilen [21, 145, 146, 60].
Fragestellung 20
2 Fragestellung
Bei einer komplexen Erkrankung wie dem ARDS ist die Frage nach einer technisch einfachen, mit klar strukturierten Bewertungskriterien versehenen und gut reproduzierbaren Diagnostik ein Kriterium, um den Vergleich unterschiedlicher Studien und Therapieansätze objektivieren zu können. Die bei beginnender pulmonaler Problematik, sowie auf Intensivstationen meist täglich durchgeführte Röntgen–Thorax–Aufnahme bietet die Kriterien einer technisch einfachen und gut reproduzierbaren Diagnostik.
Die Strahlenexposition der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen auf Intensivstationen ist bei der oft großen Anzahl durchgeführter Aufnahmen meist schwer zu beurteilen. Die Komplexität und die hohe Letalität des Krankheitsbildes des ARDS lassen die Frage nach der Strahlenbelastung der Röntgendiagnostik als sehr nebensächlich erscheinen. Da es sich meist um junge Patienten handelt und die durchgeführte Diagnostik in Bezug auf die Strahlenbelastung oft nicht mehr überschaubar ist, sollte diese Frage dennoch nicht außer acht gelassen werden. Als eine der Grundlagen der oft kontrovers diskutierten Effektivität der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen [7, 55, 124, 12] wird die Strahlenexposition, das damit verbundene Strahlenrisiko, sowie der daraus errechenbare Lebenszeitverlust bei Patienten mit dem Krankheitsbild des ARDS ermittelt.
Die Inter– und Intraobservervariabilität verschiedener Röntgen–Thorax–Scores ist eine mögliche Erklärung für Schwankungen in der Befundung der Thoraxaufnahmen für die es anhand des Zustandes des Patienten und der klinischen Parameter kein Korrelat gibt. Ziel dieser Untersuchung ist es, die Röntgen–Scores nach Murray et al. [94], Morel et al. [92], Rommelsheim et al. [110], Ostendorf et al. [88, 96] und Miniati et al. [87], sowie einen neuen Röntgen–Score in Bezug auf ihre Intra– bzw. Interobservervariabilität zu validieren.
Für die Qualitätsbeurteilung der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen auf Intensivstationen sind die Qualitätskriterien für Aufnahmen, die in Hartstrahltechnik angefertigt werden, nur bedingt anzuwenden. Der meist schlechte Allgemeinzustand der Patienten und die damit verbundene mangelnde Kooperationsfähigkeit erfordern viel Erfahrung seitens der Röntgenassistenten um Aufnahmen in tiefer Inspiration anzufertigen. Veränderte Belichtungen oder leichte Verkippungen machen es teilweise schwer, aufnahmebedingte Abweichungen von
Fragestellung 21
Befundveränderungen zu differenzieren. Ein Ziel dieser Arbeit ist es, den prozentualen Anteil fehlbelichteter und verdrehter oder verkippter Aufnahmen zu ermitteln, ohne dabei eine Wertung der pathologischen Veränderungen vorzunehmen.
Die Beurteilung der Katheter–und Tubuslage auf Röntgen–Thorax Liegendaufnahmen ist bei Patienten auf Intensivstationen ein wichtiges Kriterium der radiologischen Beurteilung. Die Anlage von venösen oder arteriellen Kathetern zur intensivmedizinischen Versorgung, sowie das Einbringen von Trachealtuben zur Beatmung sind sowohl bei Neuanlage, als auch bei Positionsänderungen eine Gefahrenquelle für Komplikationen. Das frühzeitige Erkennen und Beheben dieser Komplikationen ist ein wichtiger Punkt in der Therapie. Die Ermittlung der Häufigkeit von Kathetern und Tuben auf Röntgen–Thorax–Liegenaufnahmen bei Patienten mit ARDS und die Frage nach der Häufigkeit falsch positionierter und neu angelegter Katheter und Tuben ist ein Gegenstand dieser Arbeit.
Die Beurteilung der Röntgen–Thorax–Scores anhand klinischer Parameter der Lungenfunktion soll bestehende Zusammenhänge aufzeigen und mögliche Rückschlüsse auf die klinische Relevanz der einzelnen Score Systeme darlegen. Die Röntgen–Scores nach Rommelsheim et al.
[110], Morel et al. [92], Murray et al. [94] und Miniati et al. [87] sind in der radiologischen Bewertung des ARDS weit verbreitet und werden bei der Korrelation mit klinischen Parametern in dieser Arbeit durch einen neuen Röntgenscore ergänzt. Als klinische Daten wurden der O2– Index, die Compliance, der PEEP, der Pulmonalarteriendruck und der Rechts–Links–Shunt als repräsentative Parameter der Lungenfunktion ausgewählt. Durch den Vergleich der Bewertungen der Röntgen–Thorax–Aufnahmen mit zum gleichen Zeitpunkt bestimmten klinischen Parametern sollen bestehende Zusammenhänge analysiert und die Frage nach der klinischen Wertigkeit der Thorax–Röntgen–Scores in der Verlaufsbeurteilung des ARDS diskutiert werden.
Strahlenexposition der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahme 22
3 Strahlenexposition der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahme
3.1 Einleitung
Trotz modernster Behandlungsstrategien, wie Inhalation von Stickstoffmonoxid (NO) [115], Intravenöser Membranoxygenation (IVOX) [115], Surfactanttherapie [115], Extracorporaler Membranoxygenierung (ECMO) [113] und Lagerung [98] in speziellen Zentren, werden für das ARDS als die schwerste Form einer akuten Lungenerkrankung nur Überlebensraten von 75%
genannt. Im Laufe der mehrwöchigen bis teils mehrmonatigen intensivmedizinischen Therapie stellt die Röntgen–Thorax–Aufnahme einen festen diagnostischen Bestandteil dar. Die Durchführung der Röntgenaufnahme auf der Station am liegenden Patienten beinhaltet für Patienten und Personal nur eine geringe Belastung, da nicht in einen speziellen Untersuchungsraum gefahren werden muß und der Patient im Bett liegend geröntgt wird.
Die oft diskutierte Frage nach Effektivität [7, 55, 124, 12] und therapeutischen Relevanz ist nicht Thema dieser Auswertung. Ziel dieser Untersuchung ist es, die Strahlenexposition und das damit verbundene Strahlenrisiko für die auf Intensivstationen durchgeführten Röntgen–Thorax–
Aufnahmen abzuschätzen.
3.2 Material und Methode
Ausgewertet wurden Daten von 44 Patienten (18 Frauen, 26 Männer) die sich mit Akutem Atemnotsyndrom des Erwachsenen (ARDS) in intensivmedizinischer Behandlung befanden. Das Durchschnittsalter betrug 30 Jahre (9–62 Jahre). Bei einer Spannbreite von 10 bis 188 Aufnahmen wurden durchschnittlich 52 Aufnahmen pro Patient angefertigt.
Die Röntgen–Thorax–Aufnahmen wurden als Liegendaufnahmen auf der Station mit einem Mobilett 2 (Siemens, Erlangen) durchgeführt. Die Aufnahmeparameter sind in Annäherung an die Richtlinien der Bundesärztekammer gewählt worden [18]. Es wurde eine 400er Film–
Folienkombination eingesetzt. Der Film–Fokus–Abstand betrug ein Meter. Alle Aufnahmen wurden mit einem stehenden Raster (70 Linienpaare/cm) angefertigt. Die Aufnahmespannung betrug durchschnittlich 109 kV (Spannbreite 109 – 117 kV), der durchschnittliche Röhrenstrom
Strahlenexposition der Röntgen–Thorax–Liegendaufnahme 23
pro Aufnahme 1,1 mAs (Spannbreite 0,67 – 1,4 mAs). Zur Ermittlung des thorakalen ap–
Durchmessers wurde ein im Rahmen der klinischen Diagnostik von jedem Patienten angefertigtes Computertomogramm herangezogen. Der ap–Durchmesser betrug durchschnittlich 21,88 cm (Spannbreite 17,3–28,5 cm). Durch Kenntnis des thorakalen Durchmessers konnte der jeweilige Fokus–Patient–Abstand ermittelt werden. Mit Hilfe eines Normogramms [27] wurde die Energiedosis der Röntgenstrahlung unter Kenntnis der Gesamtröhrenfilterung ermittelt und auf den tatsächlichen Film–Fokus–Abstand normiert. Durch Multiplikation der Konversionsfaktoren mit der Einfallsdosis wurde die Organdosis bestimmt [26, 27, 97] und dann entsprechend der Wichtungsfaktoren der ICRP 60 [64] die effektive Dosis (E) der Röntgen–Thorax–Aufnahmen berechnet.
Die Berechnung des durchschnittlichen Lebenszeitverlustes (LZV0) wurde auf der Basis des multiplikativen Risikomodells, nach einer von Schicha et al. [118] publizierten Formel durchgeführt. Diese Formel korrigiert den Lebenszeitverlust auch bezüglich des Patientenalters.
LZV0 = Lebenszeitrisiko durch ein strahleninduziertes Malignom RF = Risikofaktor in mSv-1
E = Exposition als effektive Äquivalentdosis in mSv (effektive Dosis) RH = Risiko an einem strahleninduzierten Malignom zu sterben AU = Alter zum Zeitpunkt der Untersuchung
Nach diesen mathematischen Grundlagen wurden dann die Organdosis, die effektive Dosis (E) und der sich daraus ergebende Lebenszeitverlust für eine Röntgen–Thorax–Aufnahme, sowie für alle Aufnahmen eines Patienten berechnet.
3.3 Ergebnisse
Die Berechnung der Organdosen ergab die höchsten Werte für Lunge und Thymus, sowie für die Brust bei Frauen. Die niedrigsten Organdosen für alle Röntgen–Thorax–Liegendaufnahmen
LZV0 RF×E×5475 RH RF×E
RF 14 4 e AU 10 22---
–
2
– 5 3 e AU 55
22---
–
2
× – ,
× +
, ×10–5
=
=
=
