Fabry, B.

Haberthür, C.

Zappe, D.

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Computer unterstütztes rückgekoppeltes Beatmungssystem: Validierungeines neuen Beatmungsmodus für eine minimale DruckbelastungZappe D., Fabry B., Haberthür C.Klinische Physiologie, Klinik für Heiz- ÄThoraxchirurgie, Universitätskliniken, Spitalstt 21, CH-4031 Basel, SchweizEINLEITUNG:Ein Grossteil der intensivpflegebedürftigen Patienten istinfolge ungenügender eigener Atemleistung teilweise odervollständig auf die Unterstützung durch ein Beatmungsgerätangewiesen. Ausgehend von etablierten Vorgaben am Beginnder Beatmung für die Wahl des Beatmungsmodus und fürderen Einstellwerte am Beatmungsgerät erfolgt die weitereAnpassung anhand der Reaktionen eines Patienten auf dieÄnderung dieser Einstellwerte. Dabei werden die notwendigenEinstellungen am Beatmungsgerät vom behandelndenArzt-/Pflegeteam vorgenommen, womit der Regelkreis Beatmungs-gerät-Patient-Beatmungsgerät geschlossen wird.Die Regelstrecke Beatmungsgerät-Patient ist von zweiGrossen abhängig, einerseits von den Eigenschaften desBeatmungsgerätes und des gewählten Beatmungsmodus undandererseits von den individuellen Gegebenheiten desPatienten. Während bestehende Beatmungsmodi weiterverbessert werden können, lassen sich die individuellen Gege-benheiten des Patienten nur über seinen Heilungsprozessbeeinflussen. Die rückführende Regelstrecke im RegelkreisBeatmungsgerät-Patient-Beatmungsgerät wird in der Regel(sieht man von einer automatisierten Hotfallbeatmung beimAuftreten eines Atemstillstandes ab) ausschliesslich vombehandelnden Arzt-/Pflegeteam gebildet und ist deshalb vondessen klinischen Erfahrung und von dessen zeitlichen Res-sourcen abhängig. Das führt dazu, dass die Beatmungsdauerunnötig verlängert und damit dasAuftreten ihrer potentiellenNebenwirkungen erhöht werden kann. Zudem können neueMessmethoden zur Erfassung relevanter atemmechanischerund atemregulatorischer Determinanten, welche eine Opti-mierung und insbesondere eine individuelleAnpassung derBeatmung ermöglichen, mangels Erfahrung überhaupt nichtoder mangels Zeit nicht regelmässig durchgeführt werden.Um die Beatmungstherapie zu verbessern und insbesondere,um sie an die individuellen Gegebenheiten eines Patientenoptimal anzupassen, sind deshalb folgende Voraussetzungenunabdingbar 1) ein von technischen Unzulänglichkeitenweitestgehend befreiter Beatmungsmodus, 2) die Kenntnisvon bestehenden und die Erarbeitung neuer atemmechanischerund atemregulatorischer Determinanten sowie derenzuverlässige und reglemässige Messung während derBeatmung 3) die Einbindung dieser Determinanten in einBeatmungskonzept und 4) die Rückmeldung der Patienten-reaktion an das Beatmungsgerät in Form einer rückgekoppel-ten Beatmung, welche zusammen mit dem Beatmungskonzepteine automatisierte Beatmung erlaubtWir stellen im Folgenden ein rückgekoppeltes Beatmungs-system vor, welches im Unterschied zu anderen rückge-koppelten Beatmungssystemen [1] auf einem neuen, vontechnischen Unzulänglichkeiten weitgehend befreitenBeatmungsmodus basiert und zeigen die mit diesem Systemgewonnenen ersten Resultate hinsichtlich einer für dieOptimierung der Beatmung determinierenden Grosse.METHODEN:Konzept eines neuen Beatmungsmodus für die Spontan-atmung. Herkömmliche Modi zur Unterstützung spontan-atmender, intubierter Patienten weisen eine oder mehreremodusbedingte Nachteile auf, welche gerade für schwerkrankePatienten von erheblichem Nachteil sein können. Diese Nach-teile sind 1) die zusätzliche, vom Patienten aufzubringendeAtemarbeit infolge Vernachlässigung der Flussabhängigkeitdes Tubuswiderstandes, 2) die Abhängigkeit von einemTriggerkriterium für die In- und Exspiration, was zu Desyn-chronisation zwischen Patient und Beatmungsgerät und zuFehltriggemngen fuhren kann, und 3) die Diskrepanz zwischender uniformen Druckunterstützung und dem variablenAtem-muster des Patienten. Mit dem neuen Modus "ProportionalAssist Ventilation, PAV" wird der Patient hinsichtlich seineselastischen Atem widerstandes proportional zu dem von ihmgeforderten Atemhubvolumen (VPPS) und hinsichtlich seinesresistiven Atemwiderstandes proportional zu dem von ihmgeforderten Gasfluss (FPPS) unterstützt Während mit PAVDesynchronisation und Fehltriggemngen vermieden werdenund sich die vom Beatmungsgerät gelieferte Druckun-terstützung den Bedürfnissen des Patienten anpasst, kann 1AVdie durch den Tubus widerstand verursachte zusätzlicheAtem-arbeit nicht ausreichend kompensieren Dies wird jedoch mitdem von uns entwickelten Modus " AutomaticTube Compen-sation, ATC" ermöglicht, weicherden flussabhängigen nicht-linearen Druckabfall über dem Tubus in In- und Exspirationvollständig kompensieren kann ("elektronische Extubation").Tubuskompensation(Berechnung desDruckabfalls am Tubus)volumenproportionaleOruckunterstützungflussproportionaleDruckunterstützungPatientAbb. 1: Prinzip des neuen BeatmungsmodusATC/PAV.Die dem neuen Modus ATC/PAV zugrundeliegenden theore-tischen Überlegungen und deren technische Realisierung ineinem handelsüblichen Beatmungsgerät wurden in [2]520Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1*1996vorgestellt, das Prinzip ist in der Abbildung l und imBlockschaltbild der Abbildung 2 zusammengefasstAbb. 2:BlockschaltbildförATC/PAVRückgekoppelte Beatmung. Das Prinzip und die technischeRealisierung von ATC/PAV, wie sie im Blockschaltbild derAbbildung 2 dargestellt sind, legen mit ihrer patientennahenMessung und ihrer offenen Architektur die Realisierung einerrückgekoppelten Beatmung nahe. Sie wird ermöglicht, indemdie externe Steuereinheit (control unit in Abb. 2 und 3) voneinem DOS-kompatiblen Personalcomputer angesteuert wird.Am PC lassen sich die Messmanöver zur Bestimmungwichtiger atemmechanischer und atemregulatorischer De-terminanten und die zeitliche Abfolge für deren Messungeinfach programmieren. Die Integration dieser Determinantenin Unterprogrammen zur Optimierung einzelner Beatmungs-parameter bilden zusammen mit der kontinuierlichen Er-fassung relevanter Messwerte das Grundgerüst einer zukünfti-gen Beatmungsstrategie. Neben den in der externen Steuereinheit programmierten Beatmungsmodi ATC und PAVkönnen auch alle andere Modi in das Konzept der rück-gekoppelten Beatmung integriert werden. Bisher wurde nebenATC und PAV auch der Modus "triggered Inspiratory PressureSupport, BPS" implementiertAbb. 3:Rückgekoppelte BeatmungAnwendüng.DieModilPS.ATC/FPPS undATC/VPPS sollenbei intubierten Patienten hinsichtlich einer ihrer Neben-wirkungen, nämlich der endinspiratorischen Druckbelastung,untersucht werden. Um eine zuverlässigeAussage zu erhalten,muss 1) ein Parameter verwendet werden, der die Vergleich-barkeit der vom Prinzip her unterschiedlichen Beatmungs-formen ermöglicht, 2) darf die Untersuchung zurVermeidungvon sekundärenAdaptationsvoigängen jeweils nur kurze Zeitdauern, und 3) muss die Untersuchung wegen des variablenAtem musters des Patienten mehrmals wiederholt werden AlsParameter wurde die atemzugsweise berechnete, auf dasaktuelle Atemhubvolumen normierte Differenz zwischen derdem Patienten effektiv vom Beatmungsgerät abgenommenenAtemarbeit (WOB^ und der vom Patienten infolge desTubuswiderstandes zusätzlich zu erbringenden Atemarbeit(WOBadd) herangezogen. Die Vergleichbarkeit der dreiBeatmungsformen wurde gewährleistet, indem dieDruckunterstützung (FPPS, VPPS, IPS) automaüsch soangepasst wurde, dass in jedem der drei Modi die Differenzzwischen WOB^ und WOB^ konstant blieb. Um sekundäreAdaptationsvoigänge zu vermeiden, wurde nach jeweils 30Sekunden in den nächsten Modus gewechselt Die atem-zugsweise gemessenen Werte aus insgesamt 5 Durchgängenwurden gemittelt, wobei dieAtemzüge, welche während einesModuswechsels erfolgten, von der Analyse ausgeschlossenwurden. Die Untersuchung wurde bei 20 intubierten,spontanatmenden Patienten durchgeführtRESULTATE:Trotz teilweise stark variablem Atemmuster der Patientenkonnte über die rückgekoppelte Beatmung die Differenzzwischen WOBred und WOBadd in allen drei Modi konstantgehalten werden. Ausgehend von ATC/FPPS betrug ihremittlere prozentuale Abweichung bei ATC/VPPS 7 % und beiIPS 3 %. Auf der Grundlage einer konstanter Atemarbeit prol L Atemhubvolumen konnten jetzt die drei unterschiedlichenModi ATC/FPPS, ATC/VPPS und IPS hinsichtlich dertrachealen endinspiratorischen Druckbelastung verliehenwerden. Diese betrug bei ATC/FPPS 4.8 ± 2.5 mbar (100 %),bei ATC/VPPS 8.7 ± 2.6 mbar (205 ± 60 %) und bei IPS9.313.2 mbar (217 ± 69 %) über PEERP [mbar]18IPS8o i 2i | ATC/FPPS—·— Ptrach —^ Ptrach (averaged)Abb. 4: Zeitlicher Verlauf des trachealen Spitzendrucks beieinem Patienten nach Herzoperation.ZUSAMMENFASSUNG:Die rückgekoppelte Beatmung ermöglicht eine individuelleAnpassung der Beatmung an die Bedürfnisse der Patienten.Sie führt zusammen milden Vorteilen der neuen, von techni-schen Unzulänglichkeiten weitgehend befreiten ModiATCund PAV zu einer Optimierung der Beatmung und bildet sodie Grundlage für eine automatisierte Beatmungsstrategie.LITERATUR:[1] Laubscher TP, Heinrichs W, Weiler N, Hartmann G,Bninner JX. An adaptive lung Ventilation Controller IEEETrans Biomed Eng 41:51-59; 1994[2] Fabry B, Guttmann J, Eberhard L,Wolff G. Automaticcompensation of endotracheal tube resistance in spontaneouslybreathing patients. Technology and Health Care 1:281-291;1994.Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996521

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