Sauerstoff als Trägergas in der klinischen Anästhesie
Oxygen as carrier gas in general anaesthesia
J. Baum1, B. von Bormann2, J. Meyer3und H. Van Aken4
1Abteilung für Anästhesie und Intensivmedizin, Krankenhaus St. Elisabeth-Stift, Damme (Chefärzte: Prof. Dr. J. Baum / Dr. G. Sachs)
2Klinik für Anästhesiologie, operative Intensivmedizin und Schmerztherapie, St. Johannes-Hospital, Duisburg-Hamborn (Chefarzt: Prof. Dr. B. von Bormann)
3Klinik und Poliklinik für Anästhesie und Intensivmedizin, Evangelisches Krankenhaus Bethesda, Duisburg (Chefarzt: Prof. Dr. J. Meyer)
4Klinik und Poliklinik für Anästhesiologie und operative Intensivmedizin der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (Direktor: Prof. Dr. Dr. h.c. H. Van Aken)
Zusammenfassung: Der Trend zum Verzicht auf Lach- gas macht es nötig, über Alternativen zum herkömmli- chen Lachgas-Sauerstoff-Trägergasgemisch nachzu- denken.
Für den Gebrauch einer Trägergasmischung aus Sauerstoff und Luft spricht, dass sich im Atemsystem eine zur erforderlichen oder angestrebten Sauerstoff- konzentration komplementäre Stickstoffkonzentra- tion im Atemsytem etabliert. Es gibt keinerlei Kontra- indikationen für ein solches Gasgemisch, die Gaszu- sammensetzung im Atemsystem kann jedem Erforder- nis entsprechend angepasst werden.
Für die Beschränkung auf Sauerstoff als einzigem Bestandteil des Trägergases sprechen folgende Über- legungen: Nicht alle Narkosegeräte sind mit Gas- dosiereinrichtungen für Luft ausgerüstet, oder diese sind nicht für die Dosierung niedriger Gasflüsse geeig- net. Die Zumischung der zweiten Trägergaskom- ponente Luft wäre somit unmöglich oder zumindest unwirtschaftlich. Hohe Sauerstoffkonzentrationen werden in der Einleitungs- und der Ausleitungsphase zum Schutz der Patienten regelhaft angewandt.
Während des Ablaufes einer Narkose garantieren sie durch Vergrößerung des intrapulmonalen Sauerstoff- speichers eine hohe Patientensicherheit in allen gewollten oder akzidentellen Apnoephasen. Wird auf die Beimischung einer zweiten Gaskomponente zum Sauerstoff verzichtet, ist die Entwicklung hypoxischer Gasgemische im Atemsystem ausgeschlossen, dies unabhängig vom Trägergasfluss. Die Narkoseführung wird durch den alleinigen Gebrauch von Sauerstoff nicht nur sicherer, sondern auch einfacher, weil die gerade bei Niedrigflussnarkosen beobachteten großen Unterschiede zwischen der Trägergaszusammenset- zung und der Gaszusammensetzung im Atemsystem entfallen. Die Beschränkung auf Sauerstoff als Träger- gas könnte zu einer erheblichen technischen Verein- fachung der Gasdosiersysteme führen. Sie brächte des Weiteren logistische Vorteile, da Ankauf, Vorratshal- tung und Transport von Gasflaschen mit der zweiten Trägergaskomponente Luft entfallen.
Hohe Sauerstoffkonzentrationen im Atemgas erhöhen nicht nur die Patientensicherheit, sie senken darüber
hinaus die Auftretenshäufigkeit postoperativer Wund- infektionen und möglicherweise auch die Auftretens- häufigkeit von Übelkeit und Erbrechen. Die unter hohen Sauerstoffkonzentrationen zu beobachtende Zunahme der Bildung von Atelektasen scheint bezüg- lich der postoperativen Atmungsfunktion und des Gasaustausches im Vergleich zur Beatmung mit nied- rigen Sauerstoffkonzentrationen keine wesentliche kli- nische Bedeutung zu haben. Mit Rekruitmentma- növern und der Einstellung eines positiv endexspirato- rischen Druckes kann der Atelektasenbildung entge- gengewirkt werden. Eine zeitlich auf 6 bis 8 Stunden begrenzte Beatmung mit hohen Sauerstoffkonzen- trationen wird von zahlreichen Autoren für den gesun- den Patienten als unproblematisch und nicht nachtei- lig angesehen.
Zu beachten sind allerdings die Kontraindikationen für die Beatmung mit hohen Sauerstoffkonzentra- tionen: Bei Patienten mit starker bronchialer Sekre- tion kann es durch Verschluss der Bronchiolen mit Sekret und konsekutivem Ausschluss abhängiger Alveolarregionen von der Ventilation zu gravierender Ausbildung von Resorptionsatelektasen kommen.
Eine verminderte Hyperoxietoleranz ist nach stattge- habter Säureaspiration, schweren entzündlichen Alterationen des Lungenparenchyms, bei prämaturen Neonaten und bei Patienten unter Chemotherapie mit Bleomycin und Mitomycin anzunehmen. Auch laser- chirurgische Eingriffe in Regionen, die unmittelbar dem Beatmungsgas ausgesetzt sind, verbieten wegen der Entzündungs- und Brandunfallgefahr den Einsatz hoher Sauerstoffkonzentrationen. Diese im klinischen Alltag der Regelversorgung eher selten vorkommen- den Kontraindikationen erfordern den Einsatz von Narkosegeräten, die mit einer zweiten Gasdosierein- richtung für Luft ausgerüstet sind.
Summary: The current trend toward strict avoidance of the use of nitrous oxide means that detailed considera- tion of alternative carrier gas mixtures is required.
Preferably, a mixture of oxygen and medical air could be used. This would allow free selection of any oxygen concentration in accordance with the individual pa-
1. Einleitung: Der Verzicht auf Lachgas
Der aktuelle Trend, auf den Einsatz von Lachgas als Bestandteil des Trägergases zu verzichten, erscheint um so mehr gerechtfertigt, als die aktuellen Über- sichtsarbeiten zum Thema Lachgas übereinstimmend den routinemäßigen Gebrauch dieses Inhalations- anästhetikums ablehnen und dessen Einsatz nur bei gegebener Indikation für gerechtfertigt halten [1, 2].
Zwingende Indikationen für Lachgas lassen sich aber bei der alternativen Verfügbarkeit neuerer Anästheti- ka und Analgetika mit ähnlich günstiger Pharmako- kinetik heute kaum mehr definieren. Der nur geringe Beitrag von Lachgas im Rahmen einer Kombinations- anästhesie [3] und zahlreiche unerwünschte und nicht unerhebliche Nebenwirkungen [4, 5] sind weitere Argumente für einen generellen Verzicht auf den Einsatz von Lachgas.
2. Trägergaszusammensetzung bei Verzicht auf Lachgas
Als Trägergas wird die an der Gasdosiereinrichtung einzustellende Gasmischung bezeichnet. Sie kann – neben dem unverzichtbaren Sauerstoff – Stickstoff, Lachgas, Xenon oder Cyclopropan enthalten, wobei die drei zuletzt genannten Gase ihrerseits selbst Narkosegase sind. Die Zusammensetzung des Träger- gases wird im Wesentlichen von der erforderlichen Sauerstoffkonzentration bestimmt, die so zu wählen ist, dass für den jeweiligen Patienten eine ausreichen- de Oxigenierung gewährleistet wird. Die Konzen-
tration weiterer Trägergaskomponenten ergibt sich somit komplementär zur erforderlichen Sauerstoff- konzentration. Der Trägergasfluss und dessen Zusam- mensetzung müssen des Weiteren der Art, dem techni- schen Aufbau und der gewünschten Nutzung des Nar- kosesystems angepasst werden [6]. Bei der Durch- führung von Inhalationsnarkosen wird das Trägergas vor Einleitung in das Narkosesystem über einen Ver- dampfer geleitet und mit einem Inhalationsanästhe- tikum angereichert. Die an der Gasdosiereinrichtung eingestellte Gasmischung dient somit als Transport- medium für das Inhalationsanästhetikum, was den Begriff Trägergas erklärt. Das Mischgas, das letztend- lich in das Narkosesystem eingeleitet wird, wird als Frischgas bezeichnet. Bei Verzicht auf Lachgas stellt sich unmittelbar die Frage, welche Trägergasmischung bei der Durchführung von Allgemeinanästhesien alternativ zum Einsatz kommen sollte.
2.1 Sauerstoff und medizinische Luft als Trägergas Auf den ersten Blick scheint die einfache und kosten- günstige Lösung dieser Frage die Zumischung von medizinischer Luft zum Sauerstoff zu sein [7]. Das Trägergas besteht dann aus einem Gemisch von Sauer- stoff und Stickstoff. Dies ist ein Gasgemisch, für das es keinerlei Kontraindikationen gibt. Die Trägergas- zusammensetzung kann problemlos an die gewünschte inspiratorische Sauerstoffkonzentration angepasst werden. Stickstoff nimmt wegen seiner sehr geringen Löslichkeit im Blut kaum am alveolären Gasaustausch teil, der Uptake dieses Gases durch den Patienten ist extrem gering.
Bei der Durchführung von Narkosen mit hohem Frischgasfluss über ein Rückatemsystem stellt sich bei tient’s needs. There are absolutely no contraindica-
tions to the use of a gas mixture consisting of oxygen and nitrogen. However, not all anaesthetic machines are equipped with a gas control system for medical air.
The use of pure oxygen as the carrier gas would be an alternative. For safety reasons, high inspiratory oxygen concentrations are used routinely during induction and emergence phases. High inspiratory oxygen concentrations would significantly increase the pulmo- nary oxygen reservoir, improving safety during intend- ed or accidental intraoperative apnoeic phases. The use of pure oxygen as the carrier gas would eliminate any risks resulting from the development of hypoxic gas mixtures and would make low flow techniques not only safer, but even more simple. Not using a second carrier gas component would also be advantageous in relation to logistic considerations, as it would not be necessary to store and transport a second type of gas cylinder.
High inspiratory oxygen concentrations significantly reduce the incidence of postoperative wound infec- tions and may reduce the incidence of postoperative nausea and vomiting. The increased tendency for resorption atelectases to develop can be overcome by carrying out recruitment maneuvers and using venti-
lation with positive end-expiratory pressure. Several authors consider ventilation with high oxygen concen- trations for a limited period of 6 - 8 hours not harmful in healthy patients.
However, the contraindications to the application of high oxygen concentrations need to be carefully ob- served. Severe bronchial secretion increases the inci- dence of resorption atelectases, and decreased toler- ance for hyperoxia is observed after acid aspiration, in severe pulmonary inflammation, in premature neo- nates, and in patients undergoing chemotherapy with Bleomycin or Mitomycin. High oxygen concentrations must be avoided during laser surgery if the surgical area is in direct contact with the breathing gas.
It is still an open question whether the inspiratory oxygen concentration of just 80% that is reported in several current papers provides an optimum balance between the benefits and disadvantages of high oxygen concentrations.
Schlüsselwörter: Hyperoxie – Luft – Maschinelle Beat- mung – Nebenwirkungen
Keywords: Hyperoxia – Air – Ventilation, Mechanical – Adverse Effects.
Klinische Anästhesie
Anästh Intensivmed 2004;45:124-135 Sauerstoff als Trägergas
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einem Trägergasfluss von 4 L/min (1 l/min O2, 3 L/min medizinische Luft) in der Regel und sehr verlässlich eine inspiratorische Sauerstoffkonzentration von etwa 40% ein. Unter den heute gegeben technischen Vor- aussetzungen und entsprechend der Forderung nach wirtschaftlichem Einsatz der Ressourcen sollten die Möglichkeiten der Rückatmung mittels Durchführung von Niedrigfluss-Inhalationsnarkosen konsequent genutzt werden. Bei einem Trägergasfluss von 0.5 L/min (Minimal-Flow-Anästhesie) muss die Sauer- stoffkonzentration wegen der Zunahme der sauer- stoffverarmten Rückatmungsfraktion erheblich gestei- gert werden. Mit der Einstellung von 0,3 L/min O2und 0,2 L/min medizinischer Luft, was einer Sauerstoff- konzentration von 68% im Trägergasgemisch ent- spricht, lässt sich in der Regel die inspiratorische Sauerstoffkonzentration von 40% aufrechterhalten [8, 9]. Wegen der Zunahme der Rückatmungsfraktion ist die Sauerstoffkonzentration im Atemsystem aber in erheblichem Maße vom individuellen Sauerstoff- verbrauch abhängig. Bei geringem Sauerstoffver- brauch stellt sich eine deutlich höhere, bei hohem Sauerstoffverbrauch eine deutlich geringere inspirato- rische Sauerstoffkonzentation ein. Trotz des Verzichts auf den Einsatz von Lachgas ist während der Durch- führung von Niedrigflussnarkosen im Einzelfall die Entwicklung hypoxischer Gasgemische im Narkose- system nicht sicher auszuschließen (Abb. 1).
Dies gilt gleichermaßen auch für die Durchführung von Narkosen mit geschlossenem Rückatemsystem, die sich erst bei Verzicht auf den Einsatz von Lachgas mit konventionellen Narkosegeräten realisieren lassen [8, 9]. Nach einer etwa 10 Minuten dauernden Hoch- flussphase (Trägergaszusammensetzung 1 l/min O2, 3 L/min medizinische Luft) wird der Trägergasfluss auf das Sauerstoffvolumen reduziert, das der Patient pro Minute aufnimmt. Bei erwachsenen Patienten sind dies entsprechend der vereinfachten Brody-Formel zwischen 0,2 - 0,3 L Sauerstoff pro Minute (Abb. 2).
Da diese Formel aber nur eine grobe Schätzung des jeweiligen individuellen Sauerstoffverbrauches zu- lässt, kann die inspiratorische Sauerstoffkonzentration wiederum mehr oder weniger vom angestrebten Wert abweichen (Abb. 3).
Aus der im Einzelfall möglichen Abweichung der inspiratorischen Sauerstoffkonzentration vom ange- strebten Sollwert, wie sie für die verschiedenen Varian- ten der Niedrigflussnarkose hier beschrieben werden, resultiert jedoch prinzipiell kein erhöhtes Risiko, muss doch jeder Anästhesiearbeitsplatz entsprechend der geltenden technischen Norm EN 740 und der Empfehlungen der DGAI zum Sicherheitsmonitoring mit einer Sauerstoffmessung im Atemsystem und einem Pulsoximeter ausgestattet sein [10].
Die Tatsache aber, dass bei einigen älteren Geräten die Gasdosiereinrichtungen für medizinische Luft nicht im Niedrigflussbereich kalibriert sind oder gar eine Gasdosiereinrichtung für medizinische Luft völlig fehlt, setzt einer generellen Verwendung eines Sauer- stoff-Luft-Gemisches als alternativem Trägergas zum gewohnten Sauerstoff-Lachgas-Gemisch Grenzen.
2.2 Sauerstoff als Trägergas
Als alternative Lösung bietet es sich an, Sauerstoff allein als Trägergas einzusetzen, da jedes Narkosegerät mit einer Gasdosiereinrichtung für Sauerstoff ausgerü- stet ist. Nach einer etwa 10 Minuten dauernden Initial- phase mit einem Trägergasfluss von 4,0 L/min O2, die der Etablierung der gewünschten Narkosemittel- konzentration dient, wird der Gasfluss bei Minimal- Flow-Narkosen auf 0,5 L/min oder bei Narkosen mit geschlossenem System gar auf 0,2 - 0,3 L/min redu- ziert. Bei letztgenanntem Verfahren nimmt die inspira- torische Sauerstoffkonzentration während der Initial- phase auf etwa 94% zu, um dann nach Flowreduktion in den folgenden 60 Minuten auf etwa 88 - 85% abzu- fallen. Dies ist auf den Eintrag von Stickstoff in das Atemsystem zurückzuführen, der wegen seiner niedri- gen Blutlöslichkeit nur langsam aus den Körperge- weben ausgewaschen wird und dann im Atemsystem akkumuliert. Die inspiratorische Sauerstoffkonzen- tration, die sich während der Initialphase im Atem- system einstellt, ist von deren Dauer und vom initialen Flow abhängig, während das Maß der Stickstoff-
Abbildung 1: Online-Registrierungen inspiratorischer Sauerstoffkonzentrationen im Ablauf von Minimal-Flow- Narkosen, Trägergas: Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch.
Gestrichelte Linie: Mittelwerte (n=17, mittl. Gew. 76,8 (45-106) kg, mittl. Alter 48,8 (13-87) Jahre, mittl. Größe 169,5 (152-184) cm). Im Einzelfall kann in Abhängigkeit vom Sauerstoffverbrauch die insp. Sauerstoffkonzen- tration erheblich von diesen Mittelwerten abweichen:
A: 70 J., 51 kg, 152 cm; B: 32 J., 105 kg, 182 cm. C: In die- sem Fall (32 J., 106 kg, 184 cm ) fiel die insp. Sauerstoff- konzentration gar auf 22 Vol% ab (Pfeilmarkierung), so dass im weiteren Verlauf der Narkose mit 0,5 L/min Sauerstoff gearbeitet werden musste.
Abbildung 2: Die vereinfachte Brody-Formel zur Berech- nung des Sauerstoffverbrauches in mL/min (KG[kg]:
Körpergewicht in Kilogramm.
akkumulation und damit der nach Flowreduktion zu beobachtende Abfall der FiO2um so akzentuierter ist, je kräftiger der Patient und je niedriger der Träger- gasfluss ist. Festzuhalten bleibt, dass, auch wenn mit reinem Sauerstoff als Trägergas gearbeitet wird, beim Einsatz von Rückatemsystemen und Durchführung von Niedrigflussnarkosen den Patienten immer ein Sauerstoff-Stickstoff-Gasgemisch angeboten wird, wobei die inspiratorische Sauerstoffkonzentration in der Regel zwischen 80 - 90% liegt (Abb. 4).
Zugegebenermaßen gibt es erhebliche Vorbehalte gegenüber der Anwendung hoher Sauerstoffkonzen- trationen während der Durchführung von Narkosen, so dass vor klinischer Etablierung eines solchen Narkoseregimes die Vor- und Nachteile sorgsam abzu- wägen sind.
2.2.1 Hohe Sauerstoffkonzentrationen und die Lunge Eine Minderventilation abhängiger Lungenareale, Bildung von Kompressionsatelektasen, Verminderung der funktionellen Residualkapazität, Zunahme des intrapulmonalen Shunts und Abnahme der Com- pliance sind Phänomene, die bei jeder Allgemein- anästhesie zu beobachten sind. Die Entwicklung dieser Veränderungen beginnt bereits mit der Einleitung einer Narkose. Die Rückenlage als solche, die Dys- funktion der Atemmuskulatur und die sich verändern- den Ventilations-Perfusions-Verhältnisse sind die Ursachen dieser Veränderungen. Als begünstigende Faktoren gelten Übergewicht, hohes Lebensalter und ein erhöhter intraabdomineller Druck [11, 12]. Die Ausbildung halbmondförmiger Atelektasen in abhän- gigen Lungenarealen wird gleichermaßen unter mode- raten als auch hohen Sauerstoffkonzentrationen beob- achtet [11, 13 - 15]. Anästhesiebedingte Dystelektasen können durch Recruitment-Manöver geöffnet und verhindert werden, zu denen die manuelle Blähung der Lungen mit einem Druck bis 40 cm H2O über 8 - 15 Sekunden und die Einstellung eines positiv endex- spiratorischen Drucks zwischen 5 - 10 cm H2O gehören [11, 12, 16, 17].
Die Bedeutung hoher Sauerstoffkonzentrationen für die Ausbildung von Atelektasen wird unterschiedlich gewichtet. In zahlreichen Arbeiten, vor allem von der Arbeitsgruppe um Hedenstierna, wird einer hohen Sauerstoffkonzentration im Beatmungsgas und der daraus resultierenden Begünstigung der Ausbildung von alveolären Resorptionsatelektasen eine entschei- dende Bedeutung zugemessen [18 - 21]. Bei der Beat- mung mit hohen Sauerstoffkonzentrationen führen Rekruitmentmanöver nur zu kurzdauernder Eröff- nung der Atelektasen [18, 20], und es wird geschluss- folgert, dass während der Durchführung von Narkosen eine Beatmung mit hohen Sauerstoffkonzentrationen vermieden werden sollte [19]. Zweifellos wird die Bildung von Resorptionsatelektasen bei Beatmung mit hohen Sauerstoffkonzentrationen durch Sekretverhalt in den Bronchiolen mit konsekutiver Ausgrenzung abhängiger Alveolarbereiche von der Ventilation besonders begünstigt [11, 18, 22]. Andere Autoren beobachten ebenfalls eine Zunahme von Atelektasen bei Beatmung mit hohen Sauer-
stoffkonzentrationen, diese sei aber im Vergleich zur Beatmung mit niedrigen Konzentrationen moderat und bezüglich des postoperativen Gasaustausches und der Atmungsfunktion klinisch kaum relevant [23, 24].
Alternativ werden vorrangig Ausmaß, Lokalisation und Dauer des operativen Eingriffs [25], die Dys- funktion der Atemmuskulatur und die Kompression abhängiger Alveolarbezirke [11, 26] als verursachend für die postoperative Verschlechterung der Atmungs- funktion der Lungen angesehen, und der Atemgaszu- sammensetzung nur geringe Bedeutung zugemessen.
Neben der Bildung von Resorptionsatelektasen wird auch die Schädigung oder Bildungsstörung von Surfactant durch die Beatmung mit hohen Sauerstoff- konzentrationen als Ursache für die perioperative
Abbildung 3: Online-Registrierungen inspiratorischer Sauerstoffkonzentrationen im Ablauf von Narkosen mit geschlossenem System, Trägergas während der initialen Hochflussphase: Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch. Die sich entwickelnde insp. Sauerstoffkonzentration ist wiederum in erheblichem Maße vom individuellen Sauerstoff- verbrauch abhängig: A: 9 J., 26 kg, 128 cm; B: 51 J., 72 kg, 171 cm; C: 36 J., 73 kg, 172 cm; D: 48 J., 73 kg, 180 cm; E:
15 J., 71 kg, 183 cm.
Abbildung 4: Mittelwerte von Online-Registrierungen in- und exspiratorischer Sauerstoffkonzentrationen im Ablauf von Narkosen mit geschlossenem System, Trägergas:
Sauerstoff, (n=11, mittl. Gew. 74,4 (50-93) kg, mittl. Alter 54,8 (30-74) Jahre, mittl. Größe 167 (152-186) cm). Die ver- tikalen Linien geben die Amplitude zwischen maximaler und minimaler insp. Sauerstoffkonzentration in diesem Patientenkollektiv an.
Verschlechterung der Atmungsfunktion der Lungen diskutiert [27].
Nach 6- bis 12-stündiger Sauerstoffexposition können Brustschmerz, Engegefühl, retrosternale Beklemmung und Husten auftreten. Die Vitalkapazität kann ver- mindert sein, Atemfrequenz, physiologischer Shunt, Pulmonalarteriendruck und extravaskuläres Lungen- wasser bleiben jedoch unverändert [28, 29]. In zahlrei- chen Publikationen wird resümierend festgestellt, dass unter normobaren Bedingungen eine zeitlich auf 6 bis 12 Stunden begrenzte Beatmung mit reinem Sauer- stoff vom lungengesunden Patienten ohne nachteilige Folgen toleriert wird [24, 29 - 33].
2.2.2 Hohe Sauerstoffkonzentrationen und das Herz- Kreislaufsystem
Hohe Sauerstoffkonzentrationen in der Beatmungs- luft bedingen einen hohen Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut. Dies kann bei starkem Abfall der Hämoglobinkonzentration eine normale Gewebsoxi- genierung sichern [32]. Hohe arterielle Sauerstoff- partialdrücke führen jedoch auch zu einer Vaso- konstriktion von Arteriolen mit entsprechender Per- fusionsminderung in den abhängigen kapillären Stromgebieten, pulmonaler Vasodilatation und vagal vermittelter Bradykardie [32, 34]. Der Sauerstoff- verbrauch nimmt unter Hyperoxie ab, bei normovolä- mischer Anämie hingegen leichtgradig zu [32, 35].
Hohe Sauerstoffkonzentrationen sollten bei normoxä- mischen Patienten mit linksventrikulärer Myokard- insuffizienz nur mit Vorsicht angewandt werden, da Hyperoxie zu einer Verminderung der diastolischen Ventrikelerschlaffung mit erhöhtem linksventri- kulärem Füllungsdruck führe [36].
Die klinische Relevanz gerade auch der systemischen Vasokonstriktion bei Anwendung hoher Sauerstoff- konzentrationen bleibt unklar, da ungeachtet der Perfusionsminderung der Sauerstoffpartialdruck in den Geweben wegen der Hyperoxämie erhöht ist.
2.2.3 Hohe Sauerstoffkonzentrationen und Gewebs- reaktionen
Hohe Sauerstoffpartialdrucke in den Geweben führen zu vermehrter Bildung von freien Sauerstoffradikalen.
Diese sind sehr kurzlebig, können aber Nukleinsäuren, Lipide der Zellmembranen und Proteine angreifen [27, 33, 37]. Freie Sauerstoffradikale sind die Deter- minanten für die Sauerstofftoxizität [28]. Zugleich werden aber auch antioxidative Prozesse aktiviert und
die Aktivität antioxidativer Enzyme nimmt zu [28, 33].
Die Einschätzung der klinischen Bedeutung des Anstiegs freier Sauerstoffradikale und der gleichzeiti- gen Aktivierung antioxidativer Prozesse sowie des daraus resultierenden Schädigungspotentials fällt im Einzelfall überaus schwer [27, 38]. So führt die hyper- oxiebedingte Aktivitätssteigerung proinflammatori- scher Zytokine, vom lungengesunden Patienten pro- blemlos toleriert, im Fall einer stattgehabten Säure- aspiration zu erhöhter Vulnerabilität der Lungen [27, 39]. Andererseits erhöht im Tierversuch eine Sepsis die Hyperoxietoleranz des Lungengewebes [27]. In die- sem Zusammenhang sei auch die erhöhte Hyper- oxieempfindlichkeit der Lungen bei Patienten unter zytostatischer Therapie mit Bleomycin oder Mitomy- cin, gegebenenfalls akzentuiert durch deren Kombi- nation mit anderen lungentoxisch wirkenden Chemo- therapeutika (Tab. 1) zu erwähnen. Die Aussagen sind nicht einheitlich, da anscheinend erst weitere Kofak- toren zu erhöhter Hyperoxieempfindlichkeit führen, wie etwa ein hohes Lebensalter, die Dauer der Sauerstoffexposition, eine additive Strahlentherapie, verminderte Kreatininclearance, vorbestehende Lungenerkrankungen, Rauchen und eine kumulative Bleomycindosis > 450 mg [40 - 47]. Nach einem bleomycinfreien Intervall von etwa sechs Monaten ist eine perioperative Sauerstoffrestriktion nicht mehr erforderlich [44]. Wegen der Unmöglichkeit, im Einzelfall die Hyperoxieempfindlichkeit der Lunge korrekt einzuschätzen, sollte bei Patienten mit vorbe- stehender schwerer entzündlicher Lungenerkrankung oder unter antineoplastischer Behandlung mit Bleomycin und Mitomycin die inspiratorische Sauerstoffkonzentration individuell auf das für eine ausreichende Oxigenierung erforderliche Minimum eingestellt werden [24, 42, 47 - 49]. Im Zweifelsfall soll- te der Rat eines Onkologen eingeholt werden [48].
Vorsicht ist auch angezeigt bei der Beatmung präma- turer Neonaten mit einem Geburtsgewicht unter 1,5 kg oder einem Reifezustand zwischen der 28. und 34.
Gestationswoche. Die unreifen Gewebe, wie z.B.
Netzhaut, Gehirn, Lunge und Darm, zeigen eine erhöhte Vulnerabilität bei Hyperoxie [29]. Zum Anderen berichten Cappelier et al., dass Neonaten eine länger dauernde Beatmung über etwa vier Tage mit mittleren Sauerstoffkonzentrationen von 92%
ohne Anzeichen eines Lungenschadens überlebten [28].
Klinische Anästhesie
Anästh Intensivmed 2004;45:124-135 Sauerstoff als Trägergas
129 Tabelle 1:Chemotherapeutika mit pulmonaler Toxizität [nach 47, 49, 50]. Chemotherapeutika, bei deren Anwen- dung die Hyperoxietoleranz des Lungengewebes vermindert sein kann (Kursiv).
Alkylanzien Anti-metaboliten Antibiotika Nitrosoharnstoffe Andere
Busulfan Azathioprin Bleomycin Carmustin Procarbacin
Chlorambucil Cytarabin Mitomycin Lomustin
Cyclophosphamid Gemcitabin
Melphalan Methotrexat
2.2.4 Klinischer Nutzen hoher Sauerstoffkonzen- trationen
An einem Patientenkollektiv mit dickdarmchirurgi- schen Eingriffen wurde gezeigt, dass das perioperative Angebot einer inspiratorischen Sauerstoffkonzen- tration von 80% gegenüber einem Kontrollkollektiv mit 40% zu einer signifikanten Abnahme postoperati- ver Wundinfektionen um 50% führt [51]. Dies wird auf eine Optimierung der Gewebssauerstoffversorgung zurückgeführt [52, 53]. Des Weiteren wurde nach peri- operativer Applikation hoher Sauerstoffkonzentrati- onen eine Verminderung der Auftretensfrequenz post- operativer Übelkeit und Erbrechens um 50% beob- achtet [54, 55]. Es erscheint fraglich, ob diese Beobach- tung generell gilt, da bei gynäkologischen Operationen die Häufigkeit von PONV durch die perioperative Applikation hoher inspiratorischer Sauerstoffkon- zentrationen nicht beeinflusst wurde [56].
2.2.5 Hohe Sauerstoffkonzentrationen und Patienten- sicherheit
2.2.5.1 Präoxigenierung
Die Anwendung hoher Sauerstoffkonzentrationen bei der Narkosebeatmung ist ein Beitrag zur Gewährlei- stung der Patientensicherheit. Eine suffiziente Präoxi- genierung mit Sauerstoff verlängert die Dauer von Apnoephase bis zum Auftreten einer Hypoxämie erheblich und sichert so die Intubationsphase [22, 57].
Für den praktisch tätigen Anästhesisten ist dies ein unverzichtbarer Sicherheitsfaktor, zumal bei der Ein- leitung von Kindern, von Schwangeren, die zur Sectio caesarea unter Vollnarkose anstehen, oder auch von adipösen Patienten. Nach suffizientem Einwaschen des Sauerstoffs dient das in der funktionellen Residualkapazität der Lungen enthaltene Gas als Sauerstoffreservoir. Das Auffüllen des intrapulmona- len Sauerstoffspeichers ist die einzige therapeutisch nutzbare Möglichkeit, Sauerstoff zu bevorraten [58].
Bei einer alveolären Sauerstoffkonzentration von 88%
enthält die FRC eines erwachsenen Patienten etwa 2.250 mL Sauerstoff, womit im Extrem eine Apnoe- phase von etwa 10 Minuten überbrückt werden kann [57, 58]. Selbst aus der Arbeitsgruppe um Hedenstierna wird zur Risikominimierung die Präoxigenierung mit reinem Sauerstoff trotz der erhöhten Neigung zu Atelektasenbildung empfohlen [22].
2.2.5.2 Intraoperative Apnoephasen
Der bei Beatmung mit hohen Sauerstoffkonzentra- tionen gut aufgefüllte pulmonale Sauerstoffspeicher kann auch bei allen akzidentellen intraoperativen Unterbrechungen der Beatmung, etwa bei Ventilator- versagen, Diskonnektion und - häufiger als gemeinhin angenommen - Bedienungsfehlern am Narkosegerät, eine erhebliche Risikominimierung bedeuten. Diese Reserve wird durch das geräteseitig verfügbare Sauer- stoffreservoir noch vergrößert [59]. Die Reaktionszeit, die Zeit zur Fehleranalyse und -korrektur, wird erheb- lich verlängert. Darüber hinaus lassen sich unter sol- chen Voraussetzungen komplexe Lagerungsmanöver, wie etwa die Positionierung eines Patienten zur lum- balen Bandscheibenoperation, nach Abnehmen des
Patienten von Narkosebeatmungsgerät in einer Phase intentionierter Apnoe erheblich einfacher und trotz- dem sicher durchführen. Auch kurzdauernde kehl- kopfchirurgische Eingriffe oder Bronchoskopien las- sen sich bei gefülltem pulmonalem Sauerstoffspeicher sicher am apnoischen Patienten ausführen.
2.2.5.3 Ausleitungsphase
Auch in der Ausleitungsphase minimiert die Füllung des pulmonalen Sauerstoffreservoirs während der gegebenenfalls auftretenden Apnoe- beziehungsweise Hypoventilationsphasen das Risiko. Die Bildungsten- denz von Atelektasen während dieser Phase [21] sollte durch ein Rekruitmentmanöver mittels manuellen Blähens der Lungen zum Zeitpunkt der Extubation verringert werden.
2.2.5.4 Entwicklung hypoxischer Gasgemische Es wurde zu Beginn dieser Abhandlung bereits darauf hingewiesen, dass bei Beatmung mit einem Trägergas- gemisch aus Sauerstoff und Lachgas oder Stickstoff während der Durchführung von Niedrigflussnarkosen im Einzelfall die Entwicklung eines hypoxischen Gasgemisches im Atemsystem nicht sicher ausge- schlossen werden kann. Wird aber Sauerstoff allein, ohne Zumischung einer zweiten Gaskomponente als Trägergas verwandt, so ist die Entwicklung hypoxi- scher Gasgemische im Atemsystem auch bei Einstel- lung niedrigster Gasflüsse, optimalster Nutzung der Rückatmung und hohem individuellem Sauerstoffver- brauch bei korrekter Funktion des Narkosegerätes unmöglich. Dies wäre nur bei Vorhandensein großer Leckagen und daraus resultierendem unkontrollier- tem Einstrom von Umgebungsluft in das Atemsystem denkbar, aber mit der vorgeschriebenen Sauerstoff- konzentrationsmessung rechtzeitig zu erfassen.
2.2.5.5 Entzündungs- und Brandunfallgefahr
Es ist selbstverständlich, dass zur Vermeidung von Brandunfällen immer dann, wenn mit hoher thermi- scher Energie gearbeitet wird und der chirurgische Arbeitsbereich unmittelbar dem Beatmungsgas ausge- setzt ist, mit möglichst niedrigen Sauerstoffkonzentra- tionen gearbeitet werden muss [37]. Dies gilt zumal für alle laserchirurgischen Eingriffe an den oberen Atem- wegen, aber auch für elektrochirurgische Techniken am Lungengewebe. Bei Insufflation sauerstoffangerei- cherter Luft nahe am Operationssitus bei analgose- dierten Patienten, wie sie in der Ophtalmochirurgie Anwendung findet, ist diese Vorsichtsmaßregel eben- falls unbedingt zu beachten.
3. Technische Implikationen
Die Vereinfachung der Trägergaszusammensetzung könnte des Weiteren weitgreifende technische Verän- derungen nach sich ziehen.
3.1 Logistik der Trägergaskomponenten
Der konsequente Verzicht auf die Beimischung von Lachgas zum Trägergas ermöglicht die Abschaltung
der zentralen Lachgasversorgung. Die technische Wartung der Versorgungsanlage, die Lachgaslogistik, und die im Fall des Verdachts der Überschreitung der Arbeitsplatzkonzentration verbindlich vorgeschriebe- ne Messung der Arbeitsplatzkonzentration werden entbehrlich [9]. Dies mag auch besonders im Arbeits- bereich niedergelassener Anästhesisten von Vorteil sein, steht doch nicht an allen Arbeitsplätzen eine Narkosegasabsauganlage zur Verfügung. Darüber hin- aus entfällt die Logistik zur Versorgung der Arbeits- plätze mit Lachgasflaschen.
Die Anforderungen an die Reinheit medizinischer Luft zu Beatmungszwecken sind seit 2002 in der europäischen Pharmakopoe definiert [60]. "Luft zum Atmen" ist damit zum Arzneimittel avanciert und die Überwachung des Herstellungsprozesses an die Apotheker übergegangen. Krankenhäuser mit Beat- mungsbetten werden nicht umhin können, ihre zentra- len Versorgungsanlagen entsprechend den Vorgaben in der Pharmakopoe um- oder beim Neubau der Versorgungsanlage für medizinische Luft diese mit den, den neuen Anforderungen entsprechenden Filter- und Trocknungsanlagen auszurüsten.
Im Bereich der ambulanten Anästhesie stellt sich jedoch die Frage, ob der Verzicht auf den Einsatz von Lachgas zwangsläufig zum Aufbau einer Logistik mit medizinischer Luft führen muss, dies mit dem einzigen Ziel, dem Trägergas Stickstoff zuzumischen. Auch unter diesem Aspekt wäre die Beschränkung auf Sauerstoff als alleinigem Trägergas vorteilhaft.
3.2 Gasdosiereinrichtungen
Gasdosiereinrichtungen mit der Möglichkeit zur Dosierung von Lachgas müssen entsprechend der gel- tenden Norm EN 740 mit einer technischen Vorrich- tung versehen sein, die die Einstellung einer Sauer- stoffkonzentration unter 21% im Trägergas verhin- dert. Dies wird durch mechanische oder pneumatische Koppelung der Sauerstoff- an die Lachgasdosierung erreicht. Die Sicherheitsrelevanz dieser "Anti- Hypoxic-Devices" wird zu Recht angezweifelt [61, 62].
Bei Trägergas-Sauerstoffkonzentrationen zwischen 21% und 25% können sich unter den Bedingungen der Niedrigflussnarkose sehr wohl hypoxische Gasge- mische im Narkosesystem entwickeln. Darüber hinaus sind diese Systeme technisch sehr komplex und kön- nen die exakte Einstellung sehr niedriger Gasflüsse an der Gasdosiereinrichtung behindern [61]. Da in Eng- land die Gasdosiereinrichtungen vieler Narkosegeräte nicht mit einer Sauerstoffverhältnisregelung ausgerü- stet sind, wurde allein aus diesem Grunde empfohlen, die Lachgasversorgung dieser Geräte zu demontieren und auf den Einsatz von Lachgas aus Sicherheits- gründen ganz zu verzichten [63].
Bei einer Beschränkung auf die Trägergaskompo- nenten Sauerstoff und medizinische Luft muss die Gasdosiereinrichtung nicht mit einer Sauerstoff- verhältnisregelung ausgestattet sein. Auch bei alleini- ger Dosierung von medizinischer Luft enthält das Trägergas zumindest 21% Sauerstoff. Es sei auch an dieser Stelle nochmals betont, dass die Entwicklung hypoxischer Gasgemische im Atemsystem bei so nied-
riger Sauerstoffkonzentration nicht auszuschließen ist.
Die wirklich relevanten Sicherheitsmodule bleiben die Sauerstoffkonzentrationsmessung im Atemsystem und die Pulsoximetrie. Aber der technische Aufbau der Gasdosiereinrichtungen könnte bei Verzicht auf ein Modul zur Dosierung von Lachgas erheblich verein- facht werden.
Dies gälte umso mehr, wenn Narkosegeräte nur mit einer einzigen Gasdosiereinrichtung für Sauerstoff ausgerüstet wären. Ein Feinnadelventil mit nachge- schaltetem Niedrigflussmessröhrensatz würde ausrei- chen, die Notwendigkeit zur Ausstattung mit einem
"Anti-Hypoxic-Device" entfiele, da nur Sauerstoff dosiert würde.
4. Schlussfolgerung
Steht eine zentrale Gasversorgung für medizinische Luft zur Verfügung und sind die am Arbeitsplatz ver- fügbaren Narkosegeräte mit einem für den Niedrig- flussbereich ausgelegten Gasdosiersystem ausgerüstet, so kann der Anästhesist die Trägergaszusammenset- zung so wählen, dass sich die von ihm präferierte inspi- ratorische Sauerstoffkonzentration im Atemsystem einstellt. Die Möglichkeiten wirtschaftlicher Narkose- führung bis hin zur Narkose mit geschlossenem System sind nicht beschränkt.
Steht ein Narkosegerät zur Verfügung, dessen Gas- dosiersystem für medizinische Luft eine Einstellung von Gasflüssen im Niedrigflussbereich nicht zulässt, so muss der Anästhesist entscheiden, ob er auf die Möglichkeit der wirtschaftlichen Narkoseführung mittels Low-Flow- oder Minimal-Flow-Anästhesie zu Gunsten einer niedrigen inspiratorischen Sauerstoff- konzentration verzichten will. Allerdings kann mit sol- chen Geräten dennoch die Technik der Narkose mit geschlossenem System realisiert werden, bei der nach der Hochflussphase ja nur noch Sauerstoff in gering- sten Mengen dosiert wird.
Steht aber eine Gasversorgung mit medizinischer Luft gar nicht zur Verfügung oder ist das Narkosegerät nicht mit einem entsprechenden Gasdosiersystem aus- gerüstet, so kann bei Verzicht auf den Einsatz von Lachgas nur die Beschränkung auf Sauerstoff als allei- nigem Trägergas die Alternative sein. Dies ist für den begrenzten Zeitraum von sechs bis acht Stunden, in dem die weitaus überwiegende Zahl aller operativen Eingriffe durchzuführen sind, ohne Nachteil für die Patienten. Zahlreiche medizinische und Sicherheits- aspekte sprechen sogar für die vorteilhafte Anwen- dung hoher Sauerstoffkonzentrationen während der Durchführung von Narkosen.
Fraglich bleibt, ob die in zahlreichen aktuellen Publi- kationen und Untersuchungen angesprochene inspira- torische Sauerstoffkonzentration von 80% wirklich eine klinische Schwelle der Balance zwischen positi- ven und negativen Effekten hoher Sauerstoffkonzen- trationen ist [18, 64].
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Korrespondenzadresse:
Prof. Dr. med. Jan A. Baum
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Lindenstraße 3 - 7 D-49401 Damme Tel.: 05491 / 60 - 1 Fax: 05491 / 5145
E-Mail: j.baum.damme@t-online.de
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