Beatmungseinstellungen

Druck- und volumenkontrollierte Beatmung bei variierender Compliance und Resistance.

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Das Modell

Die ganze Simulation ist eine einzige Gleichung, die, die jedes Beatmungsgerät implizit löst: die Bewegungsgleichung für ein lineares, widerstandsbehaftetes elastisches Gefäß. Drei Terme, drei ablesbare Größen — der PEEP-Term ist die Basis, der elastische Term ist die Compliance, und der resistive Term ist der einzige, der verschwindet, wenn der Fluss null wird. Der Plateaudruck ist deshalb die Bewegungsgleichung bei Nullfluss und der Spitzendruck dieselbe Gleichung bei Fluss, und der Unterschied zwischen ihnen IST der resistive Term, in cmH₂O gemessen und nicht erschlossen. Die Inertanz wird weggelassen: sie trägt bei den Flussbeschleunigungen, die ein Beatmungsgerät erzeugt, weniger als 1 cmH₂O bei.

In der Volumenkontrolle wird das Tidalvolumen mit konstantem Fluss geliefert, einer Rechteckwelle. Das ist die Kurvenform, auf der die Okklusionstechnik der Literatur ruht — Broseghini, Pelosi und Leatherman messen alle mit Constant-flow-Inflation — und die einzige, bei der Spitzendruck minus Plateaudruck genau R · Fluss ist statt R · Endfluss. Eine dezelerierende Kurvenform hätte die Ablesung ungefähr und den Punkt unscharf gemacht.

In der Druckkontrolle wird der Atemwegsdruck von der ersten Millisekunde an auf dem Zieldruck gehalten, und das Volumen füllt sich exponentiell mit der Zeitkonstante τ = R · C. Garantiert wird der DRUCK, und das Volumen ist es, das variiert; in der Volumenkontrolle umgekehrt. Dieselbe Senkung der Compliance, die in der Volumenkontrolle den Plateaudruck hebt, senkt in der Druckkontrolle stattdessen das Tidalvolumen, ohne dass sich eine Zahl in der Druckzeile des Beatmungsgeräts bewegt — der klinisch gefährlichste Unterschied zwischen den Modi, und er ist nur zu sehen, wenn es beide gibt. Die Resistance verschwindet hier vollständig aus der Druckkurve und zeigt sich allein in der Steigung der Flusskurve.

Die Ausatmung ist passiv und monoexponentiell mit demselben τ. Im Steady State beginnt jeder Atemhub von dem Volumen aus, das der vorige nicht entleeren konnte, und die Volumenbilanz ergibt das eingeschlossene Volumen als V_T · k/(1 − k) mit k = e^(−T_E/τ). Die geometrische Form und nicht die Einbandform V_T · k ist die richtige: das Trapping häuft sich über die Atemhübe hinweg bis zum Gleichgewicht an, und bei T_E/τ = 1 unterscheiden sich die beiden mit 37 % gegenüber 58 % des Tidalvolumens. Der Auto-PEEP ist das eingeschlossene Volumen, geteilt durch die Compliance. In der Druckkontrolle hängen Tidalvolumen und Trapping wechselseitig voneinander ab und werden numerisch gelöst.

Die mechanische Leistung wird durch numerische Integration der Inspiration gerechnet und nicht aus Gattinonis geschlossener Form. Die geschlossene Form setzt konstanten Fluss voraus und setzt den eingestellten PEEP in den PEEP-Term ein, was sie sowohl in der Druckkontrolle als auch dann falsch macht, wenn es einen Auto-PEEP gibt: bei der COPD-Voreinstellung ergibt das Integral 23,3 J/min und die geschlossene Form 19,3. Die Leistung wird pro kg Predicted Body Weight normiert, denn in dieser Form berichten Costa u. a. sie. Die alveoläre Ventilation wird mit einem anatomischen Totraum von 2,2 ml/kg PBW gerechnet — mit Absicht dem anatomischen, denn das physiologische verlangt den PaCO₂ und das ausgeatmete CO₂, die das Modell nicht hat.

P_aw(t) = PEEP_tot + V(t)/C_rs + R_aw · V̇(t)Volumenkontrolle: P_Plateau = PEEP_tot + V_T/C_rs, P_Spitze = P_Plateau + R_aw · V_T/T_iDruckkontrolle: V_T = C_rs · ΔP_eff · (1 − e^(−T_i/τ)), ΔP_eff = ΔP_insp − PEEP_iτ = R_aw · C_rs, k = e^(−T_E/τ), T_E = 60/RR − T_iV_gefangen = V_T · k/(1 − k), PEEP_i = V_gefangen/C_rs, PEEP_tot = PEEP_set + PEEP_iΔP (Driving Pressure) = P_Plateau − PEEP_tot = V_T/C_rsMP = 0,098 · RR · ∫ P_aw · V̇ dt [J/min]V_A = RR · (V_T − V_D), V_D = 2,2 ml/kg PBWPBW = 45,5 + 0,91 · (Größe_cm − 152,4) für Frauen, 50 + 0,91 · (Größe_cm − 152,4) für Männer

Tipps

  • Nehmen Sie Status asthmaticus und lesen Sie die beiden obersten Ablesungen. Der Spitzendruck beträgt 65,8 cmH₂O und der Plateaudruck 18,3 — der Alarm geht bei einer Zahl los, die die Alveolen nie sehen. Ziehen Sie dann Resistance herunter und sehen Sie den Spitzendruck fallen, während der Plateaudruck stehen bleibt.
  • Wechseln Sie zwischen ARDS, 6 ml/kg und ARDS, 12 ml/kg — die alte Beatmung. Dieselbe Lunge, dasselbe Atemminutenvolumen von 10,1 l/min in beiden — aber die Driving Pressure geht von 12,7 auf 25,5 cmH₂O. Das ist die ganze ARDSNet-Studie in einem Tastendruck.
  • Nehmen Sie COPD-Exazerbation, zu schnell beatmet und sehen Sie sich die Flusskurve an: die exspiratorische Kurve schafft es nicht zurück auf null, bevor der nächste Atemhub beginnt. Ziehen Sie dann die Atemfrequenz von 24 auf 15 herunter und sehen Sie den Auto-PEEP von 3,9 auf 1,1 cmH₂O fallen.
  • Schalten Sie Druckkontrolle ein und ziehen Sie an der Compliance. In der Volumenkontrolle stieg der Plateaudruck; hier steht jeder Druck still, und stattdessen fällt das Tidalvolumen. Keine Zahl in der Druckzeile des Beatmungsgeräts bewegt sich.
  • Ziehen Sie am Standardkörpergewicht (PBW), ohne sonst etwas anzurühren. Die Zahl der Milliliter steht still, während sich ml/kg verschiebt — und 6 ml/kg ist die einzige Beatmungseinstellung, die nie auf das gemessene Gewicht gerechnet werden darf.
  • Schalten Sie Inspiratorische Pause aus. Der Plateaudruck verschwindet aus der Kurve, bleibt aber in der Ablesung stehen, da er aus der Bewegungsgleichung bei Nullfluss berechnet wird. Am Bett muss man das Manöver durchführen, um die Zahl zu bekommen.

Vereinfachungen. Das Modell hat ein Kompartiment, eine Compliance und eine Resistance, beide über den gesamten Atemzug konstant. Deshalb gibt es kein tidales Rekrutieren, keine Überdehnung, keine Inflektionspunkte und keine Hysterese, und der Stressindex kann nicht von 1 abweichen. Die Folge ist, dass sich das beste PEEP-Niveau hier nicht finden lässt: PEEP zu erhöhen hebt nur jeden Druck und nie die Compliance, weil das Modell keine kollabierte Lunge zu eröffnen hat. Das ist die schwerste Einschränkung, und sie gilt für jede Schlussfolgerung über PEEP. Dem Modell fehlen außerdem die Streuung der Zeitkonstanten und die Pendelluft, und — schwerer wiegend — seine Exspiration ist monoexponentiell mit demselben τ = R · C wie die Inspiration, berechnet mit der inspiratorischen Resistance. Eine solche Lunge kann nicht flusslimitiert sein, und die Flusslimitierung IST der Mechanismus beim schweren Asthma und bei der COPD: der exspiratorische Fluss wird dort von Atemwegen bestimmt, die unter ihrem eigenen transmuralen Druck kollabieren, nicht vom verbliebenen Volumen. Auto-PEEP und Plateaudruck stimmen deshalb in der Richtung, sind aber quantitativ zu niedrig, und die Unterschätzung wächst, je länger die Exspiration zugelassen wird. Bei den COPD-Einstellungen von Roesthuis et al. gibt das Modell etwa 1 cmH₂O, wo sie 9 ± 3 maßen. Die Asthma-Voreinstellung IST Leathermans zwölf Patienten, und dort liegt der Plateaudruck des Modells mit 18,3 cmH₂O fünf unter ihren gemessenen 23,3 ± 2,6, bei einem Auto-PEEP von 0,40 gegenüber den rund 5,3, die ihr Plateau bei gleicher Compliance impliziert; der endexspiratorische Fluss wird 11,5 ml/s gegenüber ihren 38,6. Spitzendruck und Tidalvolumen trifft das Modell dagegen: 65,8 gegenüber 66,4 ± 9,5 cmH₂O. Die Frequenzsenkung, die sie vornahmen, wird nicht reproduziert. Als sie von 18 auf 12 Atemzüge/min gingen, fiel der Plateaudruck um 2,1 cmH₂O, und das Modell gibt 1,3; als sie von 12 weiter auf 6 gingen, fiel er um weitere 2,0, während das Modell 0,4 gibt, weil eine exponentielle Exspiration dann bereits abgeschlossen ist und eine flusslimitierte es nicht ist. Unter 12 Atemzügen/min ist die Kurve des Modells praktisch flach, und eine verlängerte Exspiration bringt dort weniger als bei einem wirklichen Patienten. Eine eigene, höhere exspiratorische Resistance behebt das nicht: diejenige, die Leathermans Plateau bei 12 Atemzügen/min trifft, ergibt 29,6 cmH₂O bei 18 und 18,8 bei 6, also falsch in beide Richtungen, und seine eigenen Endflüsse implizieren zwei verschiedene Zeitkonstanten über die beiden Schritte — der Fehler steckt in der Exponentialform und nicht im Wert der Konstanten. Lesen Sie Auto-PEEP und Plateaudruck bei schwerer Obstruktion als eine Richtung, nicht als einen Messwert. Das Modell kennt keinen Atemwegskollaps — alle Einheiten stehen immer mit der Atemwegsöffnung in Verbindung, während Leatherman und Ravenscraft zeigten, dass ein gemessener Auto-PEEP in einer schwer überblähten Lunge 5 ± 3 cmH₂O betragen kann — es zeigt also den optimistischen Fall. Das eingeschlossene Volumen wird bei 3,6 Litern über der FRC begrenzt, dem höchsten Volumen, das Tuxen und Lane beim Menschen maßen; greift die Grenze, sagt die Abbildung es ausdrücklich, und die Ablesungen sind dann ein Alarm und keine Messwerte. Das Modell hat keine Brustwand, keinen Pleuradruck und keinen Ösophagusballon: gezeigt wird ausschließlich Atemwegsdruck, und transpulmonaler Druck, Lungenstress und Strain liegen außerhalb. Genau deshalb sieht die Adipositas-Voreinstellung gefährlich aus und ist es vielleicht nicht, und deshalb kann eine normale Brustwand mit niedriger Compliance weit unter 30 cmH₂O geschädigt werden. Das Modell hat keinen Gasaustausch — keinen PaO₂, keinen PaCO₂, keinen Shunt, keine V/Q-Verteilung. Der Totraum wird anatomisch angenommen, 2,2 ml/kg PBW, während der physiologische beim ARDS weit größer ist; Nuckton et al. fanden früh im Verlauf ein V_D/V_T von 0,58, sodass die alveoläre Ventilation gerade bei den Patienten zu optimistisch ist, bei denen sie am meisten zählt. Das Modell hat keine Hämodynamik: die Hypotension, die Tuxens Patienten bei hohen Lungenvolumina bekamen, gibt es nicht, wie hoch der VEI auch steigt. Der Patient ist im gesamten Modell sediert und relaxiert — keine Spontanatmung, keine Triggerung, keine Asynchronie, keine Druckunterstützung — und jeder Messwert, auf dem die zitierten Quellen beruhen, wurde mit Okklusionstechnik unter Relaxierung erhoben. Es gibt keine Leckage, keine Tubuskompensation, keinen Befeuchter und keine Schlauchcompliance, obwohl ein wirklicher Kreislauf 2–4 ml pro cmH₂O schluckt; keine Inertanz, keine Gaskompression und keine BTPS-Korrektur. Die inspiratorische Pause wird als Messmanöver an einem einzigen Atemzug gezeichnet und verkürzt deshalb in der Rechnung die Exspirationszeit nicht, was eine Pause bei jedem Atemzug getan hätte. Die eingezeichneten Grenzen — Plateaudruck 30, Driving Pressure 15, mechanische Leistung um 17 J/min, VEI 20 ml/kg — stammen aus Kohorten bestimmter Populationen und sind keine physiologischen Konstanten; Amatos 15 stammt aus einer Mediationsanalyse von neun randomisierten Studien und nicht aus einem randomisierten Vergleich von ΔP-Zielen, und Costa et al. zeigten, dass ein Modell mit Driving Pressure und Frequenz allein die Mortalität ebenso gut vorhersagte wie die vollständige Leistungsgleichung. Und das Modell weiß nicht, welche Diagnose der Patient hat: dass die Compliance 34 beträgt, sagt nicht, ob es ARDS, Adipositas oder Überblähung ist.

Das Modell beruht auf

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