Atemminutenvolumen und Änderung der funktionellen Residualkapazität bei externer Negativdruckbeatmung im Vergleich zur Positivdruckbeatmung

Aus der

Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin der Medizinischen Hochschule Hannover

Atemminutenvolumen und

Änderung der funktionellen Residualkapazität bei externer Negativdruckbeatmung

im Vergleich zur Positivdruckbeatmung

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin in der Medizinischen Hochschule Hannover

vorgelegt von

Marcus Capewell

aus Sehnde Höver

Hannover im Juni 2008

Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover am 22.09.2008

Gedruckt mit Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover

Präsident: Prof. Dr. Dieter Bitter-Suermann

Betreuer der Arbeit: PD Dr. med. Konstantinos Raymondos

Referent/Referentin: PD Dr. med. Michael Bund

Korreferent/Korreferentin: Prof. Dr. med. Marius Höper

Tag der mündlichen Prüfung: 22.09.2008

Promotionsausschussmitglieder:

Prof. Dr. Ulrich Lips Prof. Dr. Winfried Beil PD Dr. Matthias Bahr

Danksagung

Ich danke meinen Eltern, die mir dieses Studium ermöglicht haben.

Meiner Familie, insbesondere meiner Ehefrau Dörte danke ich für Ihre Unterstützung und ihre Geduld.

Meinen Brüdern für Ihr Interesse.

Ich danke Herrn PD Dr. med. K. Raymondos für die Überlassung des Themas und die Einführung in die intensivmedizinische Therapie. Seine Diskussionsbereitschaft und Fürsorge sind wesentlich für mich gewesen.

Mein Dank gilt auch Herrn Dr. med. W. Knitsch für die Überlassung der „Eisernen Lunge Modell MHH 3“.

Gewidmet meinem Vater

‚Papa Joe‘

Sämtliche physiologischen Untersuchungen mit externer Negativdruckbeatmung und Positivdruckbeatmung geschahen nach vorheriger, ausführlicher Aufklärung der Probanden. Von allen Probanden wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt.

Zu der vorliegenden Studie liegt ein Votum der Ethikkommission der Medizinischen Hochschule Hannover mit der Nummer 2849 vor.

Es wurde auf den Antrag zur Studie „Nomogramme für Atemzugvolumen, Atemminutenvolumen und End-Exspiratorisches Lungenvolumen bei nicht-invasiver Negativdruckbeatmung und nicht-invasiver Positivdruckbeatmung“ aus der Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin der Medizinischen Hochschule Hannover aus dem Jahr 2001 erteilt.

Inhaltsverzeichnis

Seite

1.) Einleitung 1

1.1) Entwicklung der Beatmung in der Intensivmedizin 1

1.1.1) Geschichte der „Eisernen Lunge“ 1

1.1.2) Übergang von externer Negativdruckbeatmung

zu Positivdruckbeatmung 8

1.2) Atemmechanische Grundlagen von Atmung und Beatmung 9

1.2.1) Spontanatmung 9

1.2.2) Druck-Volumen-Beziehung von Lunge und Thorax 11

1.2.3) Positivdruckbeatmung 12

1.2.4) Externe Negativdruckbeatmung 13

1.2.5) Experimentelle Studien zur externen Negativdruckbeatmung 16

1.3) Aktuelle Anwendungsbereiche für die externe Negativdruckbeatmung 19

1.3.1) Patienten mit obstruktiven Lungenerkrankungen 20 1.3.2) Patienten mit Trachealverletzungen und -fisteln 21 1.3.3) Patienten mit akuter Lungenschädigung 22 1.3.3.1) Atemnotsyndrom des Neugeborenen 22 1.3.3.2) Einzelfallberichte bei spontan-atmenden Patienten 24 1.3.3.3) Vergleich von PEEP und CENP unter IPPV 25 1.3.3.4) Alleinige externe Negativdruckbeatmung 27

1.3.4) Cuirass-Respiratoren 28

1.3.5) Externe Negativdruckbeatmung an der MHH bis 1991 29

1.4) Vergleichsstudien zur externen Negativdruckbeatmung 1954 29

2.) Fragestellungen 33

3.) Methodik 35

3.1) Verwendete Beatmungsgeräte 35

3.1.1) Vorstufen des Tankrespirators an der MHH 35 3.1.2) Tankrespirator modifiziertes Modell „MHH 3" 42

3.1.3) Kammerrespirator 44

3.1.4) Evita 2 49

3.2) Durchführung der Messungen von Atemminutenvolumen und

zur Änderung der funktionellen Residualkapazität (ΔFRC) 49

3.3) Statistische Methoden 52

4.) Ergebnisse 53

4.1) Demographische Daten 53

4.2) Ergebnisse zu den Untersuchungen über das Atemminutenvolumen 54

4.3) Ergebnisse zu den Untersuchungen über die ΔFRC 60

4.4) Ergebnisse zur Druck-Volumen-Beziehung der errechneten

statischen Compliance bei den Untersuchungen zur ΔFRC 63

5.) Diskussion 67

5.1) Diskussion zu den Untersuchungen über das Atemminutenvolumen 68

5.2) Diskussion zu den Untersuchungen über die ΔFRC

und der daraus berechneten statischen Compliance 77

6.) Zusammenfassung 84

7.) Literaturverzeichnis 87

8.) Anhang 91

8.1) Originaldaten der 12 Probanden 91

8.2) Lebenslauf 103

8.3) Erklärung 107

Abbildungsverzeichnis

Seite Abbildung 1: „Spirophore“ nach Dr. Woillez, Paris 1876. Aus [28]. 2

Abbildung 2: „Biomotor“ nach Prof. Eisenmenger. Aus [28]. 2

Abbildung 3: Schematische Darstellung der „Eisernen Lunge“. Aus [28]. 3

Abbildung 4: Externe Negativdruckbeatmung mit einer „Eisernen Lunge“.

Aus [52]. 4

Abbildung 5: Externe Negativdruckbeatmung mit dem Raumrespirator.

Aus [24]. 5

Abbildung 6: Innenansicht des Raumrespirators. Aus [24]. 6

Abbildung 7: Einsatz von Emerson Tankrespiratoren. Aus [52]. 7

Abbildung 8: Pleuradruck Ppl und intrapulmonaler Druck PA

während der Spontanatmung. Aus [60].

Mit freundlicher Genehmigung des Georg Thieme Verlags, Stuttgart. 10 Abbildung 9: Statische Compliance von Lunge und Thorax. Aus [60].

Mit freundlicher Genehmigung des Georg Thieme Verlags, Stuttgart. 11 Abbildung 10: Grundprinzipien von Positivdruckbeatmung und externer Negativdruckbeatmung. Aus [60].

Mit freundlicher Genehmigung des Georg Thieme Verlags, Stuttgart. 13 Abbildung 11: Tankdruckmessung und simultane Atemwegsdruckmessung.

Aus [43]. 14

Abbildung 12: Schematische Darstellung des transmuralen bzw.

transpulmonalen Druckgradienten bei Positivdruckbeatmung und

externer Negativdruckbeatmung. Aus [37].

Mit freundlicher Genehmigung des Georg Thieme Verlags, Stuttgart. 15 Abbildung 13: Tankrespirator E 52 von Dräger. Aus [48]. 36

Abbildung 14: Reiselunge Schneider. Aus [48] 38

Abbildung 15: Tankrespirator „MHH 1“. Aus [48]. 39

Abbildung 16: Tankrespirator „MHH 2“. Aus [48] 40

Abbildung 17: Tankrespirator „MHH 3“. Aus [48] 41 Abbildung 18: Kopf- und Schulterbereich der Tankrespiratoren MHH 1-3.

Aus [48]. 41

Abbildung 19: Modifizierter Tankrespirator „MHH 3“. [Eigenes Foto]. 43

Abbildung 20: Konstruktionszeichnungen zum Kammerrespirator. Aus [52]. 46

Abbildung 21: Der neu entwickelte Kammerrespirator. [Eigenes Foto]. 47

Abbildung 22: Das Pumpenaggregat der Firma Coppa. Aus [52]. 48

Abbildung 23: Monitor- und Steuerungseinheit des Pumpenaggregats.

[Eigenes Foto]. 75

Tabellenverzeichnis

Seite Tabelle 1: Aus den relativen Tidalvolumina zurückerrechnete

Absolutwerte der Tidalvolumina im Tankrespirator.

Nach Collier & Affeldt 1954 [10]. 30

Tabelle 2: Erzielte Tidalvolumina im Tankrespirator in

normaler Rückenlage mit den zugehörigen Negativdrücken, bzw. Negativ- und Postivdrücken im Tank. Mittelwert,

Standardabweichung (SD) und Median nachträglich berechnet.

Nach Bryce-Smith & Davis 1954 [8]. 32

Tabelle 3: Demographische Daten der Probanden. 53

Tabelle 4: Ergebnisse der Untersuchungen zum Atemminutenvolumen bei verschiedenen Druckamplituden von Positivdruckbeatmung über Maske

und externer Negativdruckbeatmung mit Tank- oder Kammerrespirator. 56

Tabelle 5: Ergebnisse zu den Untersuchungen über die ΔFRC

durch verschiedene end-exspiratorische Druckniveaus. 61

Tabelle 6: Errechnete statische Compliance aus den Werten der ΔFRC

bei verschiedenen end-exspiratorischen Druckniveaus. 64

Anhangtabelle 1: Originaldaten von Proband 1. 91

Anhangtabelle 2: Originaldaten von Proband 2. 92

Anhangtabelle 3: Originaldaten von Proband 3. 93

Anhangtabelle 4: Originaldaten von Proband 4. 94

Anhangtabelle 5: Originaldaten von Proband 5. 95

Anhangtabelle 6: Originaldaten von Proband 6. 96

Anhangtabelle 7: Originaldaten von Proband 7. 97

Anhangtabelle 8: Originaldaten von Proband 8. 98

Anhangtabelle 9: Originaldaten von Proband 9. 99

Anhangtabelle 10: Originaldaten von Proband 10. 100

Anhangtabelle 11: Originaldaten von Proband 11. 101

Anhangtabelle 12: Originaldaten von Proband 12. 102

Verzeichnis der Graphiken

Seite Graphik 1: Ergebnisse der Untersuchungen zum Atemminutenvolumen bei

verschiedenen Druckamplituden von Positivdruckbeatmung über Maske

und externer Negativdruckbeatmung mit Tank- oder Kammerrespirator. 58

Graphik 2: Ergebnisse zu den Untersuchungen über die ΔFRC durch

verschiedene end-exspiratorische Druckniveaus. 62

Graphik 3: Ruhedehnungskurven zur Darstellung der Druck-Volumen-

Beziehung bei verschiedenen end-exspiratorischen Druckniveaus. 66

1.) Einleitung

1.1) Entwicklung von Beatmung in der Intensivmedizin

1.1.1) Geschichte der „Eisernen Lunge“

Im Jahr 1832 wurde von dem schottischen Arzt John Dalziel erstmals ein Gerät zur Unterstützung der Atmung in dem Artikel „On sleep and an apparatus for promoting artificial respiration“ beschrieben¹⁸. Die Effektivität dieses ersten Tankrespirators im klinischen Alltag blieb unbekannt. 1840 beschrieb Dr. Lewis wie es ihm gelang, mit Hilfe von Dr. Dalziels Respirator bei einem ertrunkenen Seemann Atembewegungen hervorzurufen, die ausreichten, eine Kerze auszupusten⁴². Bei Tankrespiratoren wird der gesamte Körper des Patienten mit Ausnahme des Kopfes umschlossen. Durch Verringerung des Druckes in der Kammer wird der Druck im Thorax des Patienten auf negative Werte gegenüber dem Atmosphärendruck verringert und Luft strömt über die der Umgebungsatmosphäre zugewandten äußeren Atemwege passiv in die Lungen. In folgenden Jahren wurden weitere Konstruktionen, die ebenfalls auf dem Prinzip der externen Negativdruckbeatmung basierten, vorgestellt. 1864 patentierte Alfred F. Jones aus Kentucky den ersten amerikanischen Tankrespirator²⁷. 1874 präsentierte der Österreicher Ignaz von Hauke den ersten Cuirass-Respirator.

Cuirass-Respiratoren umfassen, je nach Modell, Teile von Thorax und Abdomen.

Von Hauke nutze bereits kontinuierlichen Positivdruck über eine Atemmaske, erprobte anschließend kontinuierlichen Negativdruck und gelang schließlich zur intermittierenden Negativdruckbeatmung synchron zur Inspiration^{65, 66, 67}. 1876 wurde

von Eugene Joseph Woillez mit dem „Spirophore“ der erste französische Tankrespirator eingeführt (Abb. 1)^{67, 41}.

Abb. 1: „Spirophore“ nach Dr. Woillez, Paris 1876. Eine Besonderheit stellt der Indikatorstab auf dem Brustkorb des Patienten dar, durch den die Atemexkursionen des Patienten angezeigt wurden. Aus [28].

1927 ließ Rudolf Eisenmenger mir dem „Biomotor“ einen Cuirass-Respirator patentieren, der positive und negative Drücke im Wechsel einsetzte (Abb. 2)⁴⁵. Dieser befand sich ab 1935 häufig im klinischen Einsatz25, 26, 34, 35

.

Abb. 2: „Biomotor“, Patent von Prof. Eisenmenger, Ungarn. Ein wahlweise Hand- oder Motor-betriebener Cuirass-Respirator, der Thorax und Abdomen umschloss. Aus [28].

1929 beschrieben der Ingenieur Philip Drinker, der Kinderarzt Charles F. McKhann und der Physiologe Louis A. Shaw einen elektrisch betriebenen Tankrespirator, der unter der Bezeichnung „Eiserne Lunge“ in den USA und Europa weite Verbreitung fand (Abb. 3 & 4)^21-23.

Abb. 3: Schematische Darstellung der „Eisernen Lunge“, patentiert durch P. Drinker und L.A. Shaw. Aus [28].

In den folgenden Jahren wurde die Eiserne Lunge mehrfach modifiziert, das Grundprinzip eines Tankrespirators blieb jedoch erhalten.

Abb. 4: Externe Negativdruckbeatmung mit einer „Eisernen Lunge“ 1937. Unter dem Tank war das elektrisch betriebene Aggregat untergebracht, das die Druckveränderungen im Tank erzeugte. Aus [52].

Eine Weiterentwicklung und Vereinfachung bei der Patientenpflege stellte der 1933 von Drinker und James L. Wilson entwickelte sogenannte „room-sized respirator“

(engl. Beatmungsraum) dar (Abb. 5)²⁴. Dieser funktionierte nach dem Prinzip der Eisernen Lunge. Es befanden sich bis zu vier Patienten mit dem gesamten Körper mit Ausnahme des Kopfes gleichzeitig in dem „room-sized respirator“.

Abb. 5: Externe Negativdruckbeatmung mit dem Raumrespirator 1933. Es sind die Köpfe zweier Patienten sichtbar, die auf den beiden oberen Beatmungsplätzen behandelt werden.

Aus [24].

In dem gesamten Raum werden rhythmisch subatmosphärische Drücke erzeugt. Die Patienten wurden somit synchron beatmet. Ärzte und Pflegepersonal gelangten über eine Schleuse in den „room-sized respirator“. Ärztliche und pflegerische Maßnahmen waren, im Gegensatz zur klassischen Eisernen Lunge, auch während der Beatmung problemlos durchführbar (Abb. 6). Trotz dieser Vorteile hat sich der „room-sized respirator“ nie so weit verbreiten können, wie dies bei der Eisernen Lunge der Fall war.

Abb. 6: Innenansicht des Raumrespirators. Der Rumpf und die Extremitäten der Patienten befinden sich innerhalb, die Köpfe außerhalb des Raumes. Durch externen Negativdruck wurden die vier Patienten gleichzeitig beatmet. Eine Krankenschwester pflegt unterdessen einen Patienten. Aus [24].

Abb. 7: Einsatz von Emerson Tankrespiratoren in der sogenannten „Drinker Polio Ward“ im Los Angeles County Hospital 1952. Die fischgrätenmusterartige Anordnung der Tankrespiratoren sollte möglichst platzsparend das Herausfahren der Patienten aus den Tanks ermöglichen. Aus [52].

Bis zu Beginn der fünfziger Jahre wurden auch die Cuirass-Respiratoren weiterentwickelt und modifiziert, so dass in den USA 1947 einheitliche Standards für diese Respiratoren festgelegt wurden¹⁶.

1.1.2) Übergang von Negativdruckbeatmung zu Positivdruckbeatmung

1952 kam es in Kopenhagen zu einer schweren Poliomyelitis–Epidemie (virale Infektionskrankheit des Rückenmarks, die zu Atemlähmung führen kann;

„Kinderlähmung“). In einem Zeitraum von 19 Wochen erkrankten 2722 Menschen an akuter Poliomyelitis, davon benötigten insgesamt 316 Menschen respiratorische Unterstützung. Als zu Beginn der Epidemie im Blegdam Krankenhaus für 70 beatmungspflichtige Patienten nur eine Eiserne Lunge und sechs Cuirass- Respiratoren zur Verfügung standen, entschieden sich der Epidemiologe Lassen und der Anästhesist Ibsen die Patienten zu tracheotomieren und manuell mittels Beatmungsbeutel mit IPPV (intermittend positive pressure ventilation) zu beatmen⁴⁰. Dazu wurden über 2000 freiwillige Helfer in der Technik der manuellen Beatmung unterrichtet. Lassen beobachtete außerdem, dass die Mortalität der Langzeitbeatmung bei Poliomyelitis mit Positivdruckbeatmung mit 40% um die Hälfte niedriger war, als dies in den Jahren zuvor bei der etablierten Therapie in einer Eisernen Lunge der Fall war. Angeregt durch diese Ergebnisse, verglichen Safar et al. 1961 die Beatmungsmuster von Poliomyelitispatienten am Baltimore City Hospital für den Zeitraum 1952 bis 1960. Die Besonderheit dieser Studie bestand darin, dass beide Patientengruppen mittels Tracheotomie beatmet wurden. Es ergab sich erneut eine deutliche Senkung der Mortalität von 80% unter externer Negativdruckbeatmung auf 17% unter Positivdruckbeatmung⁵⁴. Danach setzte sich die Positivdruckbeatmung schnell als Beatmungsmethode der Wahl weltweit durch. Die Vorteile des besseren Zugangs zum Patienten, und somit einer deutlichen Erleichterung der Pflege oder des Monitorings, übertrafen die sich einstellenden Nachteile, wie höhere Infektionsgefahr der Atemwege⁷ oder Beeinflussung der Hämodynamik⁵³.

1.2) Atemmechanische Grundlagen von Atmung und Beatmung

Spontanatmung, Positivdruckbeatmung und externe Negativdruckbeatmung unterscheiden sich in dem Verlauf der Atemwegsdrücke während eines Atemzyklus.

Diese Unterschiede sollen kurz vorgestellt werden.

1.2.1) Spontanatmung

Die treibende Kraft der Inspiration bei Spontanatmung ist ein Druckgefälle zwischen intrapulmonalem und Atmosphärendruck. Der intrapulmonale Druck ist der Druck in den Atemwegen. Der intrapulmonale Druck wird im klinischen Alltag am Beginn des Endotrachealtubus bzw. bei wachen, spontan atmenden Patienten am Mund gemessen. Dieser Druck ist aber nicht zu jedem Zeitpunkt dem intrapulmonalen Druck gleichzusetzen, da die Reibungswiderstände der Atemwege einen verzögerten Druckausgleich intrapulmonal bedingen. Über das Zwerchfell und die Zwischenrippenmuskulatur wird das Volumen des Brustkorbs vergrößert. Die Lunge ist durch den mit einem Flüssigkeitsfilm gefüllten Pleuraspalt verschieblich an der Innenseite des Brustkorbs aufgehängt. Das Bestreben der Lunge sich zu verkleinern, führt zu einem gegenüber der Umgebung negativen Druck im Pleuraspalt. Der Druck im Pleuraspalt beträgt in Ruhe ca. –4 cmH2O. In diesem Ruhezustand am Ende einer normalen Ausatmung sind die elastischen Kräfte von Lunge, mit der Bestrebung, sich zu verkleinern, und die des Thorax, mit der Bestrebung, sich zu vergrößern, im Gleichgewicht. Vergrößert sich der Brustkorb, sinkt dieser intrapleurale (auch intrathorakale) Druck auf ca. –7 cmH2O ab. Die Lunge folgt den Brustkorbbewegungen über ihre Anheftung an den Pleuraspalt. Durch Vergrößerung

Atmosphärendruck ist (intrapulmonaler Druck). Der intrapulmonale Druck sinkt auf ca. –2 cmH2O in der Inspiration ab . Das Druckgefälle zwischen Atemwegen und Atmosphäre führt zu einem Lufteinstrom in die Lunge. Die Exspiration erfolgt bei Ruheatmung passiv, da nun, am Ende einer Inspiration, sowohl Lunge als auch Thorax gedehnt sind und eine gemeinsame elastische Kraft in Richtung Ruhelage resultiert. Dabei steigt der intrapulmonale Druck auf ca. +2 cmH2O und das inspirierte Luftvolumen wird ausgeatmet. Der intrapleurale Druck erreicht wieder den Ruhewert von –4 cmH2O. Bei angestrengter Atmung kann die Exspiration auch aktiv und bei Bedarf über die Ruhelage hinaus erfolgen. In diesem Fall kann auch der intrapleurale Druck positive Werte annehmen.

Abb. 8: Pleuradruck Ppl und intrapulmonaler Druck PA während der Spontanatmung. Aus [60].

1.2.2) Druck-Volumen-Beziehung von Lunge und Thorax

Bei sehr langsamer Ventilation oder bei willkürlichen bzw. künstlichen Atempausen können die Atemwegswiderstände bei der Betrachtung der Atemarbeit vernachlässigt werden. Es verbleiben die elastischen Kräfte von Lunge und Thorax. Unter diesen quasi-statischen Bedingungen können Änderungen des Lungenvolumens in Abhängigkeit der zugehörigen Drücke aufgezeichnet werden. Man erhält die sogenannte Ruhedehnungskurve. Für die Druck-Volumen-Beziehung des Gesamtsystems Lunge und Thorax wird die Druckdifferenz von Atemwegs- und Atmosphärendruck, also der intrapulmonale Druck bei verschiedenen inspirierten Volumina, bestimmt. Aus den ermittelten Werten erhält man die Ruhedehnungskurve von Lunge und Thorax. Die Steilheit der Ruhedehnungskurve wird als Volumendehnbarkeit oder Compliance bezeichnet:

CLunge+Thorax = ΔV/ΔPpul.

Abb. 9: Statische Compliance von

Für die Bestimmung der Ruhedehnungskurve des Thorax muss der intrathorakale Druck, also der Druck im Pleuraspalt, gemessen werden. Dies kann vereinfacht über die Messung des Ösophagusdruckes erfolgen. Dann kann in analoger Weise die Ruhedehnungskurve des Thorax erstellt werden und die Compliance des Thorax allein errechnet sich entsprechend wie folgt:

CThorax = ΔV/ΔPpleu.

Für die Ruhedehnungskurve der Lunge wird die Differenz aus intrapulmonalem und intrapleuralem Druck in Beziehung zur Volumenänderung gesetzt. Die Compliance der Lunge ist demzufolge:

CLunge = ΔV/Δ(Ppul-Ppleu).

1.2.3) Positivdruckbeatmung

Bei der Positivdruckbeatmung wird in der Inspiration Luft mit einem gegenüber der Umgebung positiven Druck in die Lungen eingeblasen. Dieses Verfahren hat zur Folge, dass der intrapleurale und der intrapulmonale Druck in der Inspiration ansteigen. Es resultiert ein transpulmonaler Druckgradient von innen nach außen, Lunge und Thorax erweitern sich. Der Anstieg des intrapulmonalen Drucks ist von der Höhe des Beatmungsdrucks abhängig. Üblich Beatmungsdrücke bei lungengesunden Erwachsenen liegen im Bereich von +12 bis +25 cmH2O. Die Exspiration erfolgt ebenfalls passiv über die elastischen Rückstellkräfte. Bei Bedarf kann über einen positiven end-exspiratorischen Druck („positive end expiratory

pressure“, PEEP) ein Kollaps der Alveolen am Ende der Ausatmung verhindert werden. Es wird eine maschinell veränderte Atemruhelage erreicht.

Abb. 10: Grundprinzipien von Positivdruckbeatmung (Überdruckbeatmung) und externer Negativdruckbeatmung (Unterdruckbeatmung). Aus [60].

1.2.4) Externe Negativdruckbeatmung

Bei der externen Negativdruckbeatmung wird das Druckgefälle zwischen Atemwegen und Umgebung bzw. Beatmungsschläuchen über eine Verringerung des intrapulmonalen Drucks gegenüber der Atmosphäre erreicht. Zunächst wird der Kammerdruck um den Brustkorb herum auf negative Werte verringert. Der Brustkorb

und die Lunge werden geweitet und der intrapulmonale Druck wird geringer als der Atmosphärendruck. Auch in diesem Fall entsteht ein transpulmonaler Druckgradient, der von intrapulmonal (Umgebungsdruck) nach außen (den Thorax umschließend) gerichtet ist und den Lufteinstrom in die Atemwege und die Lunge bewirkt. Dies wurde von Maloney und Whittenberger bereits 1951 in einer experimentellen Studie gezeigt⁶².

Abb. 11: Obere Kurve: Druckverlauf im Tankrespirator bei externer Negativdruckbeatmung in Relation zum Umgebungsdruck. Untere Kurve: Simultane Druckmessung in den Atemwegen in Relation zum Tankdruck. Aus [43].

Somit ist sowohl bei der Positivdruckbeatmung als auch bei der externen Negativdruckbeatmung die treibende Kraft des Luftstroms ein transpulmonaler Druckgradient von innen (höherer Druck) nach außen (niedrigerer Druck). Nur die Erzeugung dieses Druckgefälles ist unterschiedlich. Demzufolge ist anzunehmen, dass der gleiche Druckgradient bei demselben Patienten die gleiche

Atemvolumenveränderung bewirkt. Abbildung 12 verdeutlicht dies anhand eines vereinfachten Modells.

Abb. 12: Schematische Darstellung des transmuralen bzw.

transpulmonalen Druckgradienten bei Positivdruckbeatmung und externer Negativdruckbeatmung. Aus [37].

1.2.5) Experimentelle Studien zur externen Negativdruckbeatmung

1993 publizierten Shoptaugh et al. eine experimentelle Studie über die atemmechanischen Effekte von positivem end-exspiratorischen Druck (PEEP) und kontinuierlichem (externem) Negativdruck (CNP)⁵⁹.

Es wurden vier Kaninchen untersucht, die durchgehend mit Positivdruck beatmet wurden. Eine Lungenschädigung wurde nicht induziert. Zu der intermittierenden Positivdruckbeatmung mit Inspirationsdrücken von 16 cmH2O wurden PEEP oder CNP von +/- 2 bis 8 cmH2O jeweils paarweise appliziert. Die Inspirationsdrücke wurden dahingehend angepasst, so dass PEEP und CNP bei vergleichbaren Werten des transpulmonalen Drucks (TPP) untersucht werden konnten. Die Messungen wurden dynamisch, bei fortgesetzter Ventilation durchgeführt. Atemwegsdruck am Tubus, Ösophagusdruck und Tankdruck wurden über Druckaufnehmer direkt gemessen. Als Referenzdruck wurde jeweils der Barometerdruck verwendet.

Volumina wurden mittels Spirometer und die Änderung der FRC mittels Helium- Dilutionsmethode gemessen. Der Vergleich erfolgte intraindividuell. Eine medikamentöse Unterdrückung der Spontanatmung fand nicht statt. Mit Positivdruckbeatmung und CNP waren weniger spontane Atemzüge zu beobachten bei gleichzeitig höherem mandatorischem Atemminutenvolumen. Entsprechend konnte ein signifikant niedrigerer pCO2 gemessen werden. Außerdem konnte unter CNP eine signifikant höhere dynamische Compliance beobachtet werden. Schließlich waren bei ähnlichen TPP mit CNP signifikant höhere Änderungen der FRC zu erzielen.

Die Autoren vermuten grundlegende Unterschiede in der Art und Weise wie CNP zu einer Verlagerung der Atemmittelage führt. Einerseits könnten regionale

Unterschiede in der Thorax-Lungen-Struktur zu unterschiedlicher Rekrutierung führen. Andererseits seien die Effekte von CNP auf das Zwerchfell nur bedingt beurteilbar gewesen, da keine Muskelrelaxierung eingesetzt wurde.

In einer experimentellen Studie verglichen Grasso et al. 2008 die Effektivität von Positivdruckbeatmung und externer Negativdruckbeatmung³³. Untersucht wurden narkotisierte Kaninchen nach ARDS Induktion durch Surfactant Auswaschung. Die externe Negativdruckbeatmung wurde mittels eines eigens hierfür konstruierten Tankrespirators durchgeführt. Als Pumpenaggregat wurde eine kommerzielle Hayek® Pumpe verwendet. Diese werden sonst für Cuirass-Respiratoren klinisch eingesetzt. In mehreren Messreihen wurden verschiedene Parameter untersucht:

Ausmaß der Lungenschädigung und Einfluss der Beatmungsformen auf die Oxigenierung, globale und regionale Lungendurchblutung während der Beatmung, transpulmonale Drücke und Lungenvolumina während verschiedener end exspiratorischer Positivdrücke (PEEP) gegenüber end exspiratorischer Negativdrücke im Tank und schließlich Beatmung mit gleichzeitiger, thorakaler Computertomographie. Die Vergleiche erfolgten jeweils interindividuell zwischen der Positivdruck- und der Negativdruckgruppe.

Bei der Beatmung mit externem Negativdruck wurde der exspiratorische Negativdruck im Tank identisch zum PEEP in der Kontrollgruppe eingestellt.

Inspiratorische Drücke wurden so eingestellt, dass ein Tidalvolumen von 12 ml/kg resultierte. Über die Atemfrequenzen wurde bei beiden Beatmungsformen der pCO2

zwischen 35 und 45 mmHg gehalten. Die FiO2 war immer bei 1,0.

Bei der externen Negativdruckbeatmung wurde eine signifikant höhere Oxigenierung gemessen. Die Differenz von arteriellem und end-tidalem pCO2, als Parameter des

signifikant geringer. In beiden Gruppen waren das Atemminutenvolumen und der arterielle pCO2 während der Untersuchung identisch. Gleichzeitig war die Lungenschädigung nach externer Negativdruckbeatmung signifikant geringer. Es wurden keine Unterschiede in der Lungenperfusion, global oder regional, beobachtet.

In den Computertomographien konnten signifikant weniger Atelektasen in der Exspiration und ein signifikant höherer Anteil normal belüfteter Lunge in der Inspiration während der externen Negativdruckbeatmung nachgewiesen werden.

Bei den statischen Untersuchungen zu den transpulmonalen Drücken und Volumenänderungen wurden die Ergebnisse unter verschiedenen Blickwinkeln betrachtet: Positivdruckbeatmung und externe Negativdruckbeatmung wurden mit end-exspiratorischen Drücken von +/- 4, 6, 8 und 10 cmH2O kombiniert. Die resultierenden transpulmonalen Drücke und die arteriellen pO2-Werte wurden gemessen. Nach end-exspiratorischer Beatmungsunterbrechung wurde der jeweilige Druck entlastet und das ausgeatmete Volumen mittels Spirometer gemessen. In allen Fällen waren die transpulmonaler Drücke bei externem Negativdruck signifikant geringer. Die transpulmonalen Drücke wurden in zehn Blöcken von 1 bis 10 cmH2O zusammengefasst. Die erzeugten Änderungen der FRC, von den Autoren End Exspiratorisches Lungenvolumen (EELV) genannt, waren in allen Fällen bei externem Negativdruck signifikant höher. Schließlich wurden die ΔFRC in sechs Gruppen (bis 10 ml, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 und >50 ml) zusammengefasst. Die resultierenden Änderungen des arteriellen Sauerstoffpartialdrucks waren durch externen Negativdruck in allen Fällen signifikant höher.

Grasso et al. begründeten diese Erkenntnisse in mehreren Schritten:

Zum einen trage die Betrachtung des Ösophagusdrucks als Ersatz für den mittleren Pleuradruck bei der Berechnung der transpulmonalen Drücken den regionalen Unterschieden der Lungen nicht ausreichend Rechnung. Ferner müsse man einen

Druckverlust des externen Negativdrucks im Thorax berücksichtigen, somit bestehe eine Differenz zwischen angewendetem (externen) und wirksamen (pleuralem) Druck. Dass externer Negativdruck trotz dieses Druckverlustes bei Vergleich der Intervalle der transpulmonalen Drücke effektiver in der Änderung der FRC ist, begründen Grasso et al. mit einer gleichmäßigeren Wirkung des externen Negativdrucks auf den gesamten Thorax. Der externe Negativdruck könne somit effektiver auf regionale Unterschiede der Compliance im Rahmen des ARDS einwirken. Die effektivere Verringerung von Atelektasen exspiratorisch und die optimale Belüftung inspiratorisch, wie in den CT-Untersuchungen gezeigt, unterstützten diese Vermutung. Dass diese belüfteten Areale am Gasaustausch mitwirken, konnten die Autoren anhand einer geringeren Differenz des endtidalen und arteriell gemessenen Kohlenstoffdioxidpartialdruck während der externen Negativdruckbeatmung zeigen.

1.3) Aktuelle Anwendungsbereiche für die externe Negativdruckbeatmung

Nachdem die Negativdruckbeatmung mit der Eisernen Lunge vor mehr als 40 Jahren durch die Positivdruckbeatmung ersetzt wurde, ist das Grundprinzip der Beatmung – Luft in die Lungen zu pumpen – unverändert geblieben, ungeachtet der technischen Entwicklung. Die Negativdruckbeatmung wird nur an wenigen Zentren unter speziellen Fragestellungen noch eingesetzt.

1.3.1) Patienten mit obstruktiven Lungenerkrankungen

Corrado et al. haben in den Jahren 1975 bis 1991 2011 Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (chronic obstructive pulmonary disease – COPD) erfolgreich in Eisernen Lungen beatmet¹². Einige dieser Patienten hatten bereits Komplikation wie hypoxisch-hyperkapnisches Koma oder akute Luftnot durch Erschöpfung der Atemmuskulatur entwickelt^{11, 15}. Die Patienten wurden ohne Endotrachealtubus oder Tracheostomie beatmet. Einige der komatösen Patienten erreichten nach der Glasgow Coma Score Werte zwischen drei und acht und konnten ebenfalls erfolgreich mit der Eisernen Lunge ohne Endotrachealtubus beatmet werden.

Die Glasgow Coma Score (GCS) ist eine internationale, standardisierte Skala zur Beurteilung der Komatiefe. Es können Werte zwischen 15 (kein Koma) und drei Punkten (tiefes Koma) erreicht werden.

2002 führten Corrado et al. einen retrospektiven Vergleich von 53 Patientenpaaren mit akuter respiratorischen Insuffizienz bei chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung durch¹³. Die Paare stimmten bezüglich Geschlecht, Alter, Ursache der akuten Ateminsuffizienz und bezüglich ausgewählter Aufnahmebefunde (Apache II, pH und PaCO2) überein. Die eine Gruppe wurde mittels nicht-invasiver Positivdruckbeatmung über Gesichtsmaske beatmet. Die zweite Gruppe hingegen beatmeten Corrado et al. mit externem Negativdruck in einem Tankrespirator.

Es fand sich kein Unterschied in der Mortalität oder der Häufigkeit zum Wechsel auf eine invasive Positivdruckbeatmung zwischen den Gruppen. Die Dauer der Beatmung und die Länge des Krankenhausaufenthaltes waren aber in der mit Tankrespirator beatmeten Gruppe signifikant kürzer.

2004 verglichen Corrado et al. die externe Negativdruckbeatmung mittels Tank mit der invasiven Positivdruckbeatmung bei 22 Patientenpaaren in einer randomisierten klinischen Studie¹⁴. Es wurden ebenfalls Patienten mit akuter respiratorischer Insuffizienz bei chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung in diese Studie eingeschlossen. Bei Aufnahme gab es keine Unterschiede bezüglich Alter, SAPS II, PaO2/FIO2, PaCO2 und pH. Beide Beatmungsformen erzielten vergleichbare Verbesserungen dieser Werte nach einer Stunde und am Ende der Beatmung. Diese Verbesserungen waren jeweils signifikant gegenüber den Ausgangswerten. Die Mortalität unterschied sich zwischen den Gruppen nicht. Die Dauer des Krankenhausaufenthaltes war auch in dieser Studie in der Gruppe, die mit externem Negativdruck beatmet wurde, signifikant kürzer.

1.3.2) Patienten mit Trachealverletzungen und –fisteln

Robert Bartlett beschrieb 1976 in zwei Fallberichten die Beatmung mit externem Negativdruck nach operativer Revision von tracheo-ösophagealen Fisteln⁴. Die intubierten Patienten wurden mit einer Kombination aus Positiv- und Negativdruckbeatmung ventiliert. Die Eiserne Lunge diente als Trigger für die Beatmungszyklen des konventionellen Respirators. Es wurde eine deutliche Senkung der Beatmungsdrücke erreicht.

1997 wurde der Einsatz der Eisernen Lunge bei der Beatmung von zwei Patienten nach Schuss- bzw. Stichverletzung der Trachea beschrieben^{9, 36}. In beiden Fällen wurde die Negativdruckbeatmung wieder zur Reduktion der Atemwegsdrücke eingesetzt. Außerdem konnte durch die Negativdruckbeatmung eine Intubation vermieden werden³⁶. Im zweiten Fall musste eine Intubation nur kurzzeitig

angewendet werden, so dass eine Schädigung der Trachea durch den Cuff des Tubus ebenfalls minimiert werden konnte⁹.

1.3.3) Anwendung von kontinuierlichem externem Negativdruck bei Patienten mit akuter Lungenschädigung

1.3.3.1) Atemnotsyndrom des Neugeborenen

Ein weiteres Einsatzgebiet der externen Negativdruckbeatmung in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts war die Therapie des Atemnotsyndrom des Neugeborenen, NRDS – „neonatal respiratory distress syndrome“, oder synonym ebenfalls verwendet IRDS – „idiopathic respiratory distress syndrome“ und „hyaline membrane disease“ nach dem histologischen Befund. In Einzelfällen wurde die externe Negativdruckbeatmung aber auch bei älteren Kindern oder post-operativ nach Fallot-Korrektur in der pädiatrischen Intensivmedizin eingesetzt.

Bancaleri et al. berichteten 1973 von 12 Neugeborenen mit IRDS, die erfolgreich mit kontinuierlichem externen Negativdruck behandelt wurden³. Mit einem modifizierten Air Shields® Inkubator wurde der externe Negativdruck im Sinne eines Tankrespirators bei den Kindern appliziert. Es zeigten sich signifikante Anstiege von pO2 und funktioneller Residualkapazität bei gleichzeitiger Abnahme der dynamischen Compliance. Die Werte für pH und pCO2 blieben unverändert. Die Autoren vermuteten einerseits eine Rekrutierung kollabierter Lungenabschnitte, aber gleichzeitig eine Überdehnung der gesunden Areale.

Sanyal et al. behandelten fünf Kinder im Alter von 4-11 Jahren mit Pneumocystis carinii Pneumonie mit kontinuierlichem externen Negativdruck unter

Spontanatmung⁵⁵. Zur Anwendung kam ein modifizierter Emerson Tankrespirator.

Die Autoren betonten die Vorteile der Beatmung ohne Sedierung und Intubation, stellten aber gleichzeitig die Probleme des limitierten Zugangs zum Patienten für Pflegemaßnahmen und die Gefahr von Druckstellen bei längerer Anwendung heraus.

Der erfolgreiche Einsatz auch bei älteren Kindern lässt nach Aussage der Autoren den externen Negativdruck zu einer möglichen Therapieoption auch bei Erwachsenen werden.

1990 berichteten Cvetnic et al. über die Behandlung von 37 Neugeborenen mit kontinuierlichem externem Negativdruck unter konventioneller Positivdruckbeatmung¹⁷. Bei gleichbleibendem pH und pCO2 konnte ein signifikanter Anstieg des pO2 erzielt werden. Die Verbesserung der Oxigenierung gelang mit geringeren Druckamplituden des Negativdrucks als dies zuvor bei der Verwendung von PEEP notwendig war. Die Autoren vermuteten einen gleichmäßigen Effekt des externen Negativdrucks auf den gesamten Thorax. Aufgrund der kleinen Patientenzahl betrachteten die Autoren die Anwendung von externem Negativdruck als Option, gaben aber keine generelle Empfehlung ab.

1994 untersuchten Gappa et al. die Effekte von kontinuierlichem externem Negativdruck auf 18 Neugeborene nach Behandlung eines NRDS²⁹. Die spontan- atmenden Kinder wurden in einem modifizierten Inkubator behandelt. Der externe Negativdruck wurde von allen Kindern ohne Stress toleriert und die periphere Sauerstoffsättigung blieb während der Untersuchung unverändert. Es zeigte sich eine deutliche Abnahme der Atemfrequenz unter Negativdruck, insbesondere durch Verlängerung der Exspirationszeit. Ursächlich hierfür vermuteten die Autoren eine Zunahme des Vagotonus durch die erhöhten transpulmonalen Drücke.

Bei Untersuchungen zur dynamischen Compliance konnten Gappa et al. im

Compliance eine deutliche Zunahme derselben nachweisen. Bei den sieben Kindern mit zuvor normaler Compliance waren keine Unterschiede festzustellen.

Shekerdemian et al. publizierten 2000 drei Fallberichte über externe Negativdruckbeatmung mit einem Cuirass-Respirator⁵⁸. Nach unkomplizierter operativer Fallotkorrektur entwickelten drei Kinder einen kardiogenen Schock mit low-output-Syndrom. Die konventionelle Positivdruckbeatmung mit PEEP wurde daher durch eine externe Negativdruckbeatmung mit dem Hayek Oscillator^® ersetzt.

Es gelang in allen drei Fällen eine suffiziente Beatmung zu gewährleisten, ohne die Herzarbeit mit Positivdrücken im Thorax zusätzlich zu erschweren. Bis zur hämodynamischen Stabilisierung wurden die Patienten mit dem Cuirass-Respirator beatmet. In Abständen von zwei bis vier Stunden wurden kurze Phasen der Positivdruckbeatmung für Pflegemaßnahmen eingesetzt. Entgegen den Befürchtungen der Autoren kam es während der Negativdruckbeatmung nicht zu Wundheilungsstörungen der Sternotomienarben, erhöhter Inzidenz von Blutungsproblemen oder Druckstellen durch den Cuirass.

1.3.3.2) Einzelfallberichte bei spontan-atmenden Patienten

Bereits 1976 behandelten Sanyal et al. eine erwachsene Leukämiepatientin mit Pneumocystis carinii Pneumonie mit kontinuierlichem externem Negativdruck unter Spontanatmung⁵⁶. Bei der 21-jährigen Patientin kam es unter gezielter Therapie der Pneumonie zu einer respiratorischen Insuffizienz. Ein modifizierter Tankrespirator wurde verwendet, um die Patientin spontanatmend mit externen Negativdrücken von –18 bis –1 cmH20 zu behandeln. Der Tankdruck wurde zunächst so gewählt, dass bei einer FiO2 von 0,5 ein PaO2 von 70mmHg erreicht wurde. In der Folge wurde bei stabilen PaO2 von über 70 mmHg eine Reduktion des FiO2 vorgenommen. Nach

Erreichen einer FiO2 von 0,35 wurde unter der gleichen Maßgabe begonnen, den Tankdruck zu erhöhen. Nach zwei Phasen mit externem Negativdruck von insgesamt 132 Stunden konnte die Patientin aus dem Tank entlassen werden. Während der Behandlung traten keine Beeinträchtigung von Blutdruck oder Herzfrequenz auf. Der pH und PaCO2 waren stabil und die Patientin tolerierte die Atemunterstützung in beiden Phasen gut.

1985 beschrieben Morris und Elliott die Anwendung von kontinuierlichem externem Negativdruck mit einer Eisernen Lunge bei einer spontanatmenden Patientin mit ARDS. Die Patientin war nicht in der Lage, positive Atemwegsdrücke über eine Gesichtsmaske zu tolerieren. Um die Intubation und mechanische Beatmung zu vermeiden, wurde die Patientin in einer Eisernen Lunge mit einem kontinuierlichem externem Negativdruck versorgt und konnte somit weiterhin eigenständig atmen⁴⁴.

1.3.3.3) Vergleich von PEEP und CNEP unter IPPV

1995 verglichen Torelli et al. die hämodynamischen Effekte einer Beatmung ohne PEEP, mit 10 cmH2O PEEP und 10 cmH20 kontinuierlichem externem Negativdruck (CNEP) bei 15 Schädel-Hirn-Traumapatienten⁶³. Von diesen 15 Patienten hatten neun ein begleitendes Thoraxtrauma. Die Anwendung des CNEP erfolgte mittels eines Ponchos. In allen Fällen zeigte sich ein signifikanter Anstieg des Herzindex unter der Beatmung in Kombination mit CNEP. Die pulmonale Shuntfraktion hingegen war unter CNEP größer, somit war CNEP weniger effektiv in der Verhinderung eines end-exspiratorischen Alveolarkollaps.

Scholz et al. verglichen 1997 Positivdruckbeatmung und positiven end- exspiratorischen Druck mit Positivdruckbeatmung und kontinuierlichen externen

untersucht. Beide Beatmungsmethoden wurden für jeweils vier Stunden appliziert.

Der kontinuierliche externe Negativdruck wurde mit einem Cuirass, dem Hayek Oscillator^®, erzeugt. Der Negativdruck wurde auf Werte eingestellt, die eine identische Vergrößerung der funktionellen Residualkapazität erzeugte wie zuvor der positive end-exspiratorische Druck. Dies wurde ermittelt über Entlastung des PEEP bzw. des Negativdruckes zur normalen end-exspiratorischen Ruhelage und Messung des Volumenunterschieds von mechanisch erzeugter zu natürlicher funktioneller Residualkapazität. Um einen PEEP von durchschnittlich 11 cmH20 zu ersetzen, waren Negativdrücke von 12 bis 30 cmH2O notwendig. Es fanden sich keine Unterschiede bezüglich des pO2/FiO2 Quotienten. Das Sauerstoffangebot war aber unter Beatmung mit kontinuierlichem Negativdruck durch signifikanten Anstieg des Herzindex erhöht.

Borelli et al. verglichen 1998 unter Positivdruckbeatmung die Auswirkungen von kontinuierlichem externem Negativdruck versus PEEP bei neun Patienten mit akuter Lungenschädigung⁵. In dieser Studie wurden die kontinuierlichen negativen Drücke mittels eines Poncho Wraps erzeugt. Ein Poncho Wrap ist ein Negativdruckbeatmungsgerät, das dem Patienten wie eine Jacke angezogen wird.

Die negativen Drücke wirken, wie bei einem Cuirass, auf Thorax und Abdomen.

Beide Druckanwendungen erreichten vergleichbare Verbesserungen der Oxigenierung. Dabei entsprach eine Beatmung mit –20 cmH2O Negativdruck einem PEEP von 15 cmH2O. Der externe Negativdruck erzeugte allerdings nicht die hämodynamischen Nebenwirkungen einer PEEP Beatmung.

1.3.3.4) Alleinige Negativdruckbeatmung

Unsere Arbeitsgruppe beschrieb die ersten Anwendungserfahrungen der kontinuierlichen externen Negativdruckbeatmung als alleinige Beatmung mit dem Tankrespirator „MHH 3“ vor und nach Modifikation⁵¹. Es folgte eine Studie zum Vergleich der Effekte der kontinuierlichen externen Negativdruckbeatmung mit dem Tankrespirator zur Positivdruckbeatmung bei sechs ARDS Patienten^{49, 52}. Schließlich wurden sechs Fallberichte zur Anwendung des Kammerrespirators bei ARDS Patienten publiziert^{50, 52}.

Im Rahmen der ersten Anwendungserfahrungen konnte gezeigt werden, dass mit dem Tankrespirator eine suffiziente Ventilation im Vergleich zur Positivdruckbeatmung ohne negative Auswirkungen für Patienten möglich ist⁵¹. Es zeigten sich aber auch die Schwachstellen des Modells „MHH 3“, die schließlich zur Modifikation führten (siehe Methodik 3.1.1 und 3.1.2, ab Seite 35).

Schließlich wurde an einem kleinen Kollektiv von sechs ARDS Patienten ein direkter Vergleich der externen Negativdruckbeatmung mittels dem modifizierten Modell

„MHH 3“ und der Positivdruckbeatmung im BIPAP Modus durchgeführt⁴⁹. Es wurden jeweils nach Blähmanöver 2h kontinuierlicher Positivdruckbeatmung (CPPV) mit 2h kontinuierlicher externer Negativdruckbeatmung (CENPV) intraindividuell verglichen.

Es zeigten sich signifikant bessere Oxigenierungsindices unter CENPV. Dabei wurden unter CPPV und CENPV sich entsprechende Atemzug- und end- exspiratorische Lungenvolumina erreicht und Atemwegs- und intraabdominellen Drücke waren unter CENPV signifikant geringer. Als Ursache wurde eine positive Beeinflussung des Ventilations-Perfusions-Verhältnisses, besonders in zwerchfellnahen Lungenabschnitten, unter CENPV vermutet.

Nach Fertigstellung des Kammerrespirators wurde dieser bei sechs ARDS Patienten eingesetzt⁵⁰. Hier zeigte sich in vier Fällen ebenfalls eine signifikante Verbesserung des Oxigenierungsindex. Die Intervalldauer und –anzahl von CENPV mittels Kammer und CPPV unterschieden sich nicht. Ein entscheidender Vorteil der CENPV Anwendung mit dem Kammerrespirator war aber, der leichtere und schnellere Zugang zum Patienten in der Kammer und die Möglichkeit, aufgrund der Kammergröße eine differenzierte Lagerungstherapie des Patienten in der Kammer durchzuführen. Daraus ließ sich schließen, dass die Anwendung von CENPV mittels Kammerrespirator besonders in der Behandlung von kritisch kranken Intensivpatienten dem Einsatz von Tankrespiratoren überlegen ist.

1.3.4) Cuirass-Respiratoren

Die Negativdruckbeatmung mit Cuirass Ventilatoren ist zuerst vor 134 Jahren beschrieben worden und somit ca. 42 Jahre jünger als die Negativdruckbeatmung mit Tankrespiratoren⁶⁴. Cuirass Ventilatoren befinden gegenwärtig hauptsächlich als sogenannte „Heimbeatmungsgeräte“ unter anderem von der Firma Respironics Inc.

(USA) im Einsatz. Daneben werden Cuirass Ventilatoren auch in der klinischen Praxis getestet und eingesetzt⁵⁷. Ambrosino et al. verwendeten 1990 einen Cuirass Ventilator bei der Beatmung von acht Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung². Weiterhin werden Cuirass Ventilatoren, z. B. der Hayek Oscillator^, bei Operationen im Bereich der oberen Luftwege und experimentell bei Reanimationen eingesetzt^{19, 20, 61}.

1.3.5) Negativdruckbeatmung an der MHH bis 1991

Seit 1984 wird an der Med. Hochschule Hannover eine Eiserne Lunge eingesetzt.

Pichlmayr et al. verwendeten 1984 noch ein wieder instand gesetztes Modell der Fa.

Dräger zur postoperativen Nachbeatmung von vier Risikopatienten, um auf diesem Wege die Intubationsdauer zu verkürzen und Sedierung zu reduzieren⁴⁶. Pohl et al.

entwickelten nach dem Vorbild dieser klassischen Eisernen Lunge einen Tankrespirator „MHH 3“⁴⁸. Diese Eiserne Lunge wurde erfolgreich in einem Einzelfall zur Atemunterstützung und Entfaltung von Atelektasen³⁸, und bei fünf weiteren Patienten nach abdominalchirurgischen Eingriffen zur postoperativen Nachbeatmung eingesetzt³⁹. Bei 56 Patienten nach abdominalchirurgischen Operationen wurden die hämodynamischen Effekte der Eisernen Lunge und der MHH-Modelle im Vergleich zu einem Positivdruckbeatmungsgerät getestet⁴⁷. In allen Fällen war eine suffiziente Beatmung möglich.

1.4) Vergleichstudien zur externen Negativdruckbeatmung 1954

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.

Tankdruck

[cmH2O] Anzahl Pat.

mittlere berechn. TC

[ml] VT/TC

mittleres VT [ml]

-10 14 4670 0,071 331,57

-15 14 4670 0,109 509,03

-20 12 4670 0,138 644,46

-30 7 4670 0,178 831,26

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

Tankdruck [cmH2O]

-8 242 222 285 306 350 242 274,5 44,1 263,5

-12 403 403 509 530 535 443 470,5 56,3 476

-16 524 584 672 733 700 605 636,3 71,9 638,5

-20 605 726 825 876 834 847 785,5 93,1 829,5

-24 746 827 1039 1101 1091 1049 975,5 137,4 1044 -28 887 1009 1202 1233 1214 1221 1127,7 132,2 1208

-8+5 363 302 367 448 432 363 379,2 48,6 365

-12+5 504 464 570 733 576 544 565,2 84,4 557

-16+5 605 605 754 855 700 726 707,5 86,9 713

-20+5 726 767 897 1060 864 947 876,8 110,9 880,5 -24+5 847 968 1081 1253 1070 1169 1064,7 131,3 1075,5 -28+5 927 1109 1121 1304 1133 1321 1152,5 132,6 1127 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 Spontanatmung^{44, 56}, in Kombination mit IPPV5, 57, 63

und als alleinige Beatmung^{49, 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.

3.) Methodik

3.1) Verwendete Beatmungsgeräte

3.1.1) Vorstufen des Tankrespirators an der MHH

Bereits in den achtziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts wurden an der MHH Patienten mit externer Negativdruckbeatmung behandelt (siehe Kapitel 1.3.5, Seite 29). Die Arbeitsgruppe um Frau Professorin Ina Pichlmayr verwendete dabei verschiedene Tankrespiratoren, modifizierte und erweiterte diese⁴⁸. Diese Geräte und ihre Modifikation nach Übernahme durch unsere Arbeitsgruppe sollen hier kurz vorgestellt werden.

Für die Untersuchungen in dieser Studie wurden das modifizierte Modell „MHH 3“

(siehe 3.1.2, Seite 42), im weiteren Tank oder Tankrespirator genannt, und der neu entwickelte Kammerrespirator (siehe 3.1.3, Seite 44) verwendet.

Die ersten Einsätze der externen Negativdruckbeatmung an der MHH wurden mit einer „Eisernen Lunge“ der Firma Dräger durchgeführt, dem Modell E 52 (Abb. 13, Seite 36). Laut Gebrauchsanweisung der Firma Dräger aus dem Jahr 1958 elektrisch betrieben, aber mit zusätzlichem Handbetrieb für den Notfall.

Abb. 13: Tankrespirator E 52 von Dräger. Mit einem baugleichen Gerät erfolgten Anfang der achtziger Jahre die ersten Anwendungsstudien zur Nachbeatmung chirurgischer Patienten. Mit dem durchsichtigen sogenannten „Dom“ (oberes Bild) konnte bei geöffnetem Tank nicht-invasive Positivdruckbeatmung wie bei der modernen Helmbeatmung durchgeführt werden. Verbindungsleitungen von Kathetern mussten über die Halsabdichtung ausgeführt werden. Der Zugang zur Liege war nur von einer Seite aus möglich (unteres Bild). Aus [48].

Das in der MHH verwendete Modell wurde im Keller des Nordstadtkrankenhauses gefunden und zunächst von den Forschungswerkstätten der MHH restauriert und in einen wieder betriebsfähigen Zustand versetzt. Der Tank dieses Gerätes bestand noch aus einer Metall-Kunststoffkonstruktion. Diese Konstruktion und die Kombination von Tank und Elektromotor auf einem Fahrgestell resultierten in einem Gewicht von ca. 950 kg für diese Beatmungseinheit.

Als nächster Schritt wurde eine von der Stiftung Pfennigparade in München gebaute sogenannte Reiselunge verwendet (Abb. 14, Seite 38). Eine Neuerung war die Trennung von Tank und Antrieb, außerdem wurde der Tank aus Aluminium hergestellt. Somit ließ sich das Gewicht auf 30 kg für den Tank und 35 kg für das Antriebsaggregat verringern. Trotzdem blieben zwei Probleme für den postoperativen Einsatz in der Intensivmedizin bestehen: Die Patienten mussten in Längsrichtung in die Kammer geschoben werden und zur Inspektion des Patienten stand weiterhin nur ein kleines Kunststofffenster zur Verfügung.

Abb. 14: Reiselunge Schneider 1980 aus den Behindertenwerkstätten der Stiftung Pfenningparade. Aus [48].

Bei dem Modell „MHH 1“ wurde der Tank erstmals nicht mehr aus Metall sondern aus durchsichtigem PVC hergestellt (Abb. 15, Seite 39). Ferner war es möglich die PVC-Haube von der Tankunterlage zu lösen. Somit erleichterte man die Umlagerung

des Patienten auf die Tankunterlage und ermöglichte die Inspektion des gesamten Patienten. Dieses Modell wurde außerdem mit einer 20° Oberkörperhochlage konstruiert. Probleme dieses Modells waren zum einen die Kopflagerung des Patienten und die Leckagenabdichtung am Halsauslaß der Haube und zum anderen die Ausleitung von Drainagen und Kathetern des Patienten.

Abb. 15: Tankrespirator „MHH 1“. In Anlehnung an die Reiselunge Schneider konnte dieser Tank auf einem Klinikbett positioniert werden. Aus [48].

Bei dem Modell „MHH 2“ wurde die Haube bereits im Hals-/Schulterbereich zum Fußende hin abgeflacht, um eine bequemere Kopflagerung des Patienten zu erreichen (Abb. 16, Seite 40). Außerdem wurde die Länge der Haube auf 182 cm erhöht. In die Unterlage wurden Kanäle unterhalb der Dichtungsnut für die Haube eingefügt, um Katheter unabhängig von der Haube und ihren Durchgriffsöffnungen aus der Kammer leiten zu können. Somit konnte die Haube im Notfall jederzeit

entsprechend leistungsstärkere Turbine mit einer ebenfalls neuen Steuerungseinheit kombiniert, die jetzt auch die Variation des Atemzeitverhältnisses (Dauer der Einatmungsphase zu Dauer der Ausatmungsphase) ermöglichte.

Abb. 16: Tankrespirator „MHH 2“. Haube und Grundplatte auf einem Klinikbett, am rechten Bildrand ist das Turbinenaggregat zu sehen. Aus [48].

Bei dem Modell „MHH 3“ (Abb. 17, Seite 41) wurden nur wenige Änderungen vorgenommen. Die Winkel im Halsbereich der Haube wurden optimiert (Abb. 18, Seite 41). Die Turbinensteuerung über einen Taktgenerator wurde durch eine Mikroprozessorsteuerung ersetzt. Diese vereinfachte die Eingabe von Atemfrequenz und Atemzeitverhältnis. Außerdem wurde ein neues Exspirationsventil mit größerem Querschnitt in die Haube eingesetzt.

Abb. 17: Tankrespirator „MHH 3“. Wie zuvor wurde der Tank auf einem Klinikbett gelagert. Rechts das Turbinenaggregat mit eingebauter Mikroprozessor-Steuerung. Außerdem ist der formstabile Saugschlauch zwischen Tank und Turbine zu sehen. Aus [27].

Abb. 18: Kopf- und Schulterbereich der Tankrespiratoren „MHH 1“, „MHH 2“ und „MHH 3“. Schon bei dem ersten Modell war, entgegen zu anderen Tankrespiratoren, eine Oberkörperhochlage möglich. In der weiteren Entwicklung wurde der Winkel in der Grundplatte und der Haube angepasst, sowie die Haube am Halsdurchlass abgeflacht, um den Patientenkomfort zu erhöhen.

Aus [27].

Dieses Modell wurde von unserer Arbeitsgruppe übernommen und nochmals modifiziert.