2. Aufbau eines Beatmungsgerätes (Abbildung 02)

2. Aufbau eines Beatmungsgerätes (Abbildung 02)
2.1. Anschlüsse
- ein Anschluss für Druckluft und einer für Sauerstoff, diese beiden Gase werden über einen Gasmischer zu dem Atemgas gemischt, das der Patient erhalten soll (FiO2)
- ein Anschluss für Strom und einer für Potentialausgleich
2.2. Aufbau außerhalb des Gerätes
- ein Schlauchsystem, das aus einem Inspirationsschlauch und
einem Exspirationsschlauch besteht.
Ausnahme:
Geräte, die zur Heimbeatmung, Notfallbeatmung (Oxylog,
Medumat) bzw. zur Nicht-Invasiven-Ventilation (Beatmung)
(NIV) benutzt werden. Hier ist nur ein Beatmungsschlauch für
die Inspiration vorhanden. Die Exspirationsluft entweicht über
eine patientennahe Öffnung. Es gibt zwei Typen dieser „Einschlauchsysteme“. Ein System mit Exspirationsventil (Oxylog)
und ein sogenanntes Leckageschlauchsystem (Carina oder BiPap Vision®). Leckagesysteme haben eine kontinuierliche Öffnung zur Umgebungsluft und verlieren sowohl bei Inspiration
als auch bei Exspiration Volumen (Leckage).
- Vorrichtung zur Befeuchtung und Erwärmung des Atemgases
(Atemgaskonditionierung, Atemgasklimatisierung). Noch im
Einsatz: aktive Anfeuchtung plus Wasserfallen zur Aufnahme
überschüssiger Flüssigkeit im Schlauchsystem, oder alternativ
Geräte mit inspiratorischer und/oder exspiratorischer Schlauchheizung. Immer öfter: HME (mit oder ohne Filterfunktion)
(HME = Heat and Moisture Exchangers) also „Wärme- und
Feuchtigkeitsaustauscher“. Wenn eine Filterfunktion vorhanden ist (HME-Filter), besteht eine nahezu einhundertprozentige Viren- und Bakterienretention.
- Evtl. eine Vorrichtung zur Medikamentenverneblung (VenturiPrinzip oder Ultraschall)
Alternativ eine Vorrichtung zur Applikation von Aerosolen z. B. MiniSpacer®, Tube Inhaler® oder einige geschlossene Absaugsysteme.
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2.3. Aufbau geräteintern
2.3. Aufbau geräteintern
- ein Pneumatikelement, das den Inspirationsdruck aufbaut, bei
modernen Geräten übernimmt diese Funktion ein gesteuertes
Inspirationsventil
- eine elektronische Steuerung der Beatmungsvorgänge bzw.
der Ventile (siehe 2.5.)
- ein Exspirationsventil (letzteres manchmal extern)
- Messvorrichtungen für Druck, Flussgeschwindigkeit (Flow),
Atemfrequenz, Atemzug- oder Atemminutenvolumen und
Sensoren, die Patientenaktivitäten messen können (Trigger),
damit die Maschine auf den Patienten reagieren kann
a: Inspirations-Ventil offen.
b: Exspirations-Ventil geschlossen.
Die meisten, heute gebräuchlichen Beatmungsgeräte arbeiten nicht mit einem Balgen, (Pneumatik) sondern mit einem Flow-Ventil.
Die Farbcodierung der Gasschläuche ist von der EU geändert. Momentan sind in
der Übergangsphase schwarze Schläuche gebräuchlich (angezeigt wird die alte
Farbcodierung).
Abbildung 02: Schema Beatmungsgerät
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2. Aufbau eines Beatmungsgerätes
2.4. Bedienung und Überwachungselemente
- Einstellmöglichkeiten für Beatmungsparameter
- Digital- und/oder Analoganzeigen zur Überwachung der gemessenen Werte
- Einstellmöglichkeiten und Anzeigen von Alarmgrenzen
- Bildschirm zur Anzeige von Beatmungskurven
(Flow, Druck, Volumen, Loops)
2.5. S
teuerung der Ventile durch das Beatmungsgerät
Für einen maschinellen Beatmungshub sind folgende Steuerungsabläufe nötig:
• Das Inspirationsventil benötigt die Information, wann
es sich öffnen soll.
• Das Inspirationsventil benötigt die Information, wann
es sich schließen soll.
• Gleiches gilt für das Exspirationsventil.
• Die Steuerung zur Öffnung des Inspirationsventils bekommt das Gerät über einen sogenannten Trigger.
Der Trigger kann eine Zeit sein, die sich über eine
eingestellte Beatmungsfrequenz und ein dazugehöriges I:E-Verhältnis oder eine vorgegebene Inspirationszeit ergibt (maschineller Trigger).
Der Trigger kann eine Patientenaktion sein, die
von einem Sensor in der Maschine registriert wird
(Patienten-Trigger) (siehe 3.2.).
• Der Verschluss des Inspirationsventils kann volumen-,
druck-, zeit- und flowgesteuert sein.
- Volumensteuerung:
Das
Inspirationsventil
schließt sich, wenn ein voreingestelltes Atemzugvolumen appliziert ist.
- Drucksteuerung: Das Inspirationsventil schließt
sich, wenn ein voreingestellter Druck erreicht ist.
- Zeitsteuerung: Das Inspirationsventil schließt
sich, wenn eine voreingestellte Zeit erreicht ist.
- Flowsteuerung: Das Inspirationsventil schließt
sich, wenn ein fest vorgegebener Inspirationsflow
unterschritten wird.
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2.6. Allgemeine Funktionsbeschreibung
• Der Verschluss des Exspirationsventils geschieht entweder über eine eingestellte Zeit, die sich aus der Beatmungsfrequenz und dem dazugehörigem I:E-Verhältnis
ergibt (Exspirationszeit), oder über einen Inspirationsversuch des Patienten (Trigger).
• Die Öffnung des Exspirationsventils geschieht automatisch beim Verschluss des Inspirationsventils, über eine
aktive Druckgrenzeneinstellung oder über eine eingestellte Zeit (Plateau) (siehe 3.4.).
Aus der Kombination dieser Steuerungsmechanismen ergeben
sich die vielfältigen Beatmungsmuster.
In den Gerätebeschreibungen der Beatmungsgeräte steht, wie
das jeweilige Gerät gesteuert wird. Für das Verständnis ist es
wichtig, die Bezeichnungen für die Steuerungsmechanismen der
Beatmungsgeräte und die Bezeichnungen der Beatmungsmuster
nicht zu verwechseln.
2.6. Allgemeine Funktionsbeschreibung
Das Luft-Sauerstoff-Gemisch wird über ein pneumatisches System
unter Druck gesetzt (bei moderneren Geräten werden Druck und
Flow direkt über das Inspirationsventil generiert). Während einer Inspiration öffnet sich das Inspirationsventil und das erwärmte und befeuchtete Atemgas (alternativ HME-Filter) wird unter
Druck über das Inspirationssystem in den Patienten geleitet. Das
Exspirationsventil ist während dieser Zeit geschlossen, um einen
Druckaufbau in der Lunge des Patienten zu ermöglichen. Durch
verschiedene Steuerungssysteme (siehe nachfolgende Beschreibung der Beatmungsfunktionen) wird am Ende der Inspiration
das Inspirationsventil verschlossen (keine Möglichkeit zur Rückatmung verbrauchter Atemluft) und das Exspirationsventil öffnet
sich. Die Luft kann nun über das Exspirationsschlauchsystem und
diverse Messvorrichtungen die Beatmungsmaschine verlassen.
Die Exspiration ist immer ein „passiver“ Vorgang. Das Atemgas
wird nicht aktiv aus dem Patienten heraus gesogen. Durch die
Eigenelastizität der Lunge und des Thorax kommt es wie bei der
Spontanatmung zur Exspiration.
21
3. Parameter
3.1. Inspirationsflow
Der Inspirationsflow (auch Peak Flow genannt) wird in Litern pro
Minute angegeben und ist die Einstellung für die Geschwindigkeit, mit der die Maschine das Atemgas während einer Inspiration gibt.
Die Höhe des Flows wirkt sich auf den Beatmungsdruck aus. In
der Regel bedeutet das: Je höher der Flow, desto schneller füllt
sich die Lunge und desto höher ist der Spitzendruck. Bei einem
vorgegebenen Volumen bleibt der Plateaudruck jedoch konstant
(siehe auch 3.4., 8.3.1. und Abbildung 47).
3.2. Trigger
Als Trigger (Patienten-Trigger, siehe 2.5.) bezeichnet man die
Möglichkeit eines Beatmungsgeräts, Inspirationsbemühungen
des Patienten zu registrieren und darauf zu reagieren.
Die Triggerempfindlichkeit muss korrekt eingestellt werden. Bei
zu hoch eingestellter Triggerschwelle muss der Patient sich sehr
anstrengen (über längere Dauer bis zur Erschöpfung), um eine
Aktion der Maschine auszulösen. Ist der Wert zu niedrig eingestellt, kann es zur „Autotriggerung“ kommen. In diesem Fall
wird die Triggerschwelle z. B. bei kleinsten Manipulationen am
Schlauchsystem überschritten.
3.2.1. Druck-Trigger
Will der Patient einatmen, stellt er durch die Vergrößerung des
Thorax einen negativen Druck in der Lunge und somit im gesamten System her, der vom Beatmungsgerät erkannt wird. Ist
der Druckunterschied groß genug (Triggerschwelle), reagiert die
Maschine, je nach eingestelltem Beatmungsmuster, entweder
mit einem maschinellen Atemhub (assistierte Beatmung) oder
einer unterstützenden Maßnahme (z. B. PS / ASB) darauf.
Die Triggerschwelle oder Triggerempfindlichkeit ist bei einigen
Geräten fest vorgegeben, bei anderen kann der Wert eingestellt
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3.2. Trigger
werden. Klassischerweise ist der eingestellte Wert des DruckTriggers 2 mbar (als Standardwert) unterhalb des PEEP.
Bei der Einstellung muss der Anwender nicht rechnen, sondern
nur einen vollen Zahlenwert eingeben. Das Beatmungsgerät berücksichtigt den eingestellten PEEP.
Abbildung 03: Schema Drucktrigger
a: Inspirations- und Exspirationsventil sind geschlossen...
b:... versucht der Pat. einzuatmen erzeugt er erst einmal nur einen negativen
Druck im System...
c: . .. wird dabei der Druck unter den eingestellten Wert des Drucktriggers
gesenkt (-2 mbar) reagiert die Maschine darauf.
Abbildung 04: Drucktrigger
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3. Parameter
3.2.2. Flow-Trigger
In der Phase des Beatmungszyklus, in dem der Patient die Möglichkeit bekommt spontan zu atmen, wird im Beatmungssystem
ein kontinuierlicher Flow von z. B. 2l/min aufgebaut. Beide Ventile sind geöffnet, deshalb kann, bei der Inspirationsbemühung
des Patienten kein negativer Druck aufgebaut werden. Der existierende kontinuierliche Flow wird aber um 3-5 l/min (als Standardwert für den Flowtrigger) erhöht. Das Gerät misst dann
einen Gesamtflow von 5-7 l/min und reagiert auf diese Information, je nach eingestelltem Beatmungsmuster, entweder mit
einem maschinellen Atemhub (assistierte Beatmung) oder einer
unterstützenden Maßnahme (z. B. PS / ASB).
Der Vorteil ist, dass der Patient nicht erst einen negativen Druck
aufbauen muss, um einen Atemzug zu bekommen, sondern von
Beginn der Inspirationsbemühung an einen Flow bekommt, wie
es auch physiologisch bei der Spontanatmung der Fall ist.
a: Inspirations- und Exspirationsventil sind offen. Ein kontinuierlicher Flow fließt
durch das System ...
b:... versucht der Pat. einzuatmen, kann er deshalb keinen negativen Druck im
System aufbauen, sondern nur den kontinuierlichen Flow erhöhen ...
c: . .. wird dabei der Flow über den eingestellten Wert des Flowtriggers erhöht (3-5 l/min) reagiert die Maschine darauf.
Abbildung 05: Flowtrigger
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3.3. PEEP
3.2.3. NAVA[1] [2]
NAVA bedeutet Neurally Adjusted Ventilatory Assist oder neural
regulierte Beatmungshilfe.
Eine neue Form der Triggerung eines Beatmungsgerätes ist mit
dem Servo i der Firma Maquet möglich. Hier wird über eine spezielle Magensonde mit distal angebrachten Elektroden die elektrische Aktivität des Zwerchfells (edi = electric diaphragmatic
impulse) gemessen.
NAVA ist aber nicht nur eine neue Form der Triggerung sondern
geht noch weiter, indem die Intensität der elektrischen Impulse
proportional auf die Höhe der Unterstützung durch das Beatmungsgerät wirkt. Das Bedeutet, dass ein großer Zwerchfellimpuls eine hohe Unterstützung erzeugt.
Letztendlich kann auch die Messung der Zwerchfellaktivität als
Diagnoseparameter herangezogen werden, um z. B. Informationen über den Atemimpuls oder eine Volumenanforderung zu
erhalten.
Der größte Vorteil wird darin gesehen, dass die Innervierung des
Zwerchfells der erste Impuls für eine Inspiration ist und zeitlich
vor der Erzeugung eines Flows (Flowtrigger) oder einer Druckverminderung (Drucktrigger) liegt. Über diese, noch engere
Verknüpfung des Patienten mit dem Respirator, soll ein noch
höherer Patientenkomfort bezüglich der Steuerung und Reaktionsgeschwindigkeit geschaffen werden.
Ob sich dieses Verfahren in der Praxis bewährt müssen Erfahrungswerte und Studien zeigen.
3.3. PEEP
PEEP bedeutet Positive End Expiratory Pressure (positiver endexspiratorischer Atemwegsdruck). Die Bezeichnung PEEP findet
man bei der maschinellen Beatmung. Bei der Spontanatmung
auf einem PEEP-Niveau spricht man von CPAP (siehe 6.1.).
Der PEEP ist eine Druckeinstellung, die auf das Exspirationsventil
des Beatmungsgerätes wirkt und ein Absinken des Atemwegdrucks, am Ende der Exspiration, unter den eingestellten Wert
verhindert. Dadurch wird ein endexspiratorischer Kollaps der
Alveolen verhindert, kollapsgefährdete Lungenkompartimente
bleiben offen und es resultiert eine Vergrößerung der funktio25
3. Parameter
nellen Residualkapazität (FRK oder FRC, das Volumen, welches
physiologisch nach einer Exspiration in der Lunge verbleibt).
Aufgrund der vergrößerten pulmonalen Gasaustauschfläche verkleinert sich der intrapulmonale Rechts-Links-Shunt (Alveolen
die durchblutet aber nicht belüftet werden) und begünstigt den
Ventilations-Perfusions-Quotienten.
Mit einfachen Worten: Der Gasaustausch insgesamt wird verbessert, da mehr Alveolen durchblutet und belüftet werden. Das
Ergebnis ist, dass die FiO2 (Fraktion der inspiratorischen Sauerstoffkonzentration) in den meisten Fällen nach Einstellung eines
PEEP reduziert werden kann.
Ein eingestellter Spitzendruck öffnet die Alveolen, der PEEP hält
sie offen. Lungenkompartimente mit niedriger Compliance und
hoher Resistance werden offen gehalten. Eine vorgespannte Alveole kann trotz niedriger Compliance leichter gefüllt werden
(ein Luftballon der neu ist, ist schwerer aufzupusten, als einer
der schon z. T. aufgepustet ist). Insgesamt reduziert sich der
Atemwegswiderstand und bei gleichem Tidalvolumen resultiert
ein niedriger Beatmungsdruck.
Hohe PEEP-Einstellungen können sich negativ auf Organperfusionen auswirken. Durch den erhöhten Druck im Thorax wird
der venöse Rückfluss zum Herzen behindert. Dies kann zu einer
Abnahme der Nieren-, Leber-, Zwerchfell- und Hirndurchblutung
führen. Bei Patienten mit einem Hirnödem kann der intracranielle Druck ansteigen. Die geringere diastolische Füllung des Herzens bewirkt vor allem bei Volumenmangel eine Verminderung
des Auswurfs und Senkung des Herzzeitvolumens (HZV).
Deshalb ist eine Einstellung des PEEP patientenorientiert vorzunehmen. Ziel ist ein PEEP, der den größtmöglichen Nutzen für
die Lunge und den kleinstmöglichen Schaden für den Kreislauf
des Patienten darstellt, um die Sauerstofftransportkapazität zu
optimieren.
Es gibt unterschiedliche Methoden den sogenannten „Best
PEEP“ zu ermitteln. Eine davon ist unter dem Thema LOOPS (siehe 12.2.) zu finden.
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3.4. Plateau
a: Als Beispiel ein Volumenkontrollierter Beatmungshub mit eingestelltem Atemzugvolumen...
b: . ..ein PEEP wird eingestellt. Das Exspirationsventil lässt nur noch den Druck
und damit auch das Volumen oberhalb des PEEP-Drucks entweichen...
c: . ..es folgt der gleiche Volumenkontrollierte Beatmungshub mit gleichem
Atemzugvolumen (siehe a:) der nun aber auf dem höheren Druckniveau beginnt, dementsprechend wird auch der Spitzendruck höher.
Abbildung 06: Schema PEEP
3.4. Plateau
Das Plateau wird in Zeit (Sekunden) oder in Prozent der Atemzugsdauer eingestellt. Bei modernen Beatmungsmustern wird
die Plateauzeit automatisch generiert (siehe 4.1.1.). Die Einstellung eines Plateaus bewirkt, dass nach einer Inspiration das Inspirations- und Exspirationsventil während der Plateauzeit geschlossen bleiben. Die Inspirationszeit wird verlängert, es fließt
während der Plateauphase kein Gas vom Respirator in die Lunge
(no-flow-Phase) (siehe Abbildung 07).
In der Lunge gibt es Bereiche (Kompartimente), die sich während
der Inspirationsphase schnell füllen (kleine Zeitkonstante) und
Bereiche, die sich langsam füllen (große Zeitkonstante) (siehe
11.3.).
27
3. Parameter
Als Folge der Druckdifferenz zwischen diesen Kompartimenten
kommt es während der Plateauphase zu einer Umverteilung
der Alveolarluft von Kompartimenten mit kleiner Zeitkonstante
zu solchen mit großer Zeitkonstante (Pendelluft) (siehe Abbildung 08). Durch die Umverteilung des Atemgases in der Lunge
kommt es zum Abfall des Spitzendrucks auf den Plateaudruck.
Vorteile:
• die längere Verweildauer des Frischgasvolumens in
der Lunge
• die größere Anzahl an Alveolen, die durch den Pendelluftausgleich besser belüftet werden
• Verbesserung der Oxygenierung
Nachteile:
• wenn sich durch eine lange Plateauzeit das Inspirations-Exspirations-Verhältnis zu Lasten der Exspiration umkehrt, kann es zum sogenannten Airtrapping
kommen (siehe 3.4.1.)
Vorbeugung:
Ein möglichst niedrig gewählter Flow füllt die Kompartimente mit unterschiedlicher Zeitkonstante von
Beginn der Inspiration an gleichmäßig. Dabei wird
eine automatische Plateauzeit verkürzt bis ganz aufgehoben.
Dabei ist zu beachten, dass ein zu niedriger Flow von
einem relativ wachen Patienten nicht toleriert wird.
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3.4. Plateau
Abbildung 07: Schema Plateau
Abbildung 08: Flow / Plateau / Pendelluft
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3. Parameter
3.4.1. Intrinsischer PEEP
Wenn das Inspirationsvolumen während der Exspiration nicht
vollständig aus der Lunge entweichen kann (endexspiratorischer
Restflow), bleibt endexspiratorisch ein höheres Restvolumen in
der Lunge (höhere Funktionelle Residualkapazität). Dieses wird
als intrinsischer PEEP oder Auto-PEEP bezeichnet. Es kommt zu
einer Umverteilung der Alveolarluft zugunsten der langsamen
Kompartimente (siehe 11.3.), Alveolen werden stärker belüftet
und bleiben offen. Zunächst resultiert daraus eine bessere Oxygenierung. Nimmt die FRC allerdings progredient zu, d. h. mit jedem Atemzug, verbleibt endexspiratorisch mehr Volumen in der
Lunge, so kommt es im Verlauf zu einer pathologischen Überdehnung der Lunge (dynamische Überblähung). Gefährdet sind
vor allem Patienten mit obstruktiven Lungenerkrankungen.
Das erhöhte Restvolumen bedingt, je nach Beatmungsmuster,
folgende Einstellungsänderungen am Respirator:
• Bei einer druckkontrollierten Beatmung muss das
Minutenvolumen überwacht werden. Der Inspirationsdruck bleibt konstant, aber die Atemzugvolumina
werden geringer.
• Bei einer volumenkontrollierten Beatmung muss die
Druckgrenze korrekt eingestellt sein. Das Atemzugvolumen bleibt konstant, aber der Inspirationsdruck
erhöht sich.
Der Intrinsische PEEP und der am Beatmungsgerät eingestellte
PEEP addieren sich zum sogenannten Effektiven PEEP.
Vorteil des Intrinsischen PEEP gegenüber dem am Beatmungsgerät eingestellten PEEP ist, dass der Intrinsische PEEP überwiegend
auf die Lungenbezirke mit einer niedrigen Resistance und hoher
Compliance (hohe Zeitkonstante) wirkt (wo er auch am meisten
Sinn macht), wogegen der eingestellte PEEP auf die gemeinsame
Resistance wirkt.
3.5. I:E
Ein Atemzyklus besteht aus Inspiration und Exspiration. Die Inspiration ist normalerweise kürzer als die Exspiration, im Verhält30

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