Vorlesung Beatmung

Diese Lerneinheit führt den Inhalt des Vortrags als zusammenhängenden Text aus, ergänzt um Hintergrund und die aktuelle Evidenz. Wo die Folien fachlich zu korrigieren waren, ist der Text richtiggestellt. Der Text der Folien im Wortlaut folgt im letzten Abschnitt.

Passende Inhalte im E-Learning: Respiratorische Insuffizienz, Physiologie der Sauerstoffversorgung.

Die maschinelle Beatmung kehrt die Physiologie der Atmung um, und dieser Unterschied erklärt fast alle ihre Nebenwirkungen. Bei der Spontanatmung erzeugt die Kontraktion von Zwerchfell und Atemhilfsmuskulatur einen negativen intrathorakalen Druck; die Luft strömt in die Lunge, und die Exspiration erfolgt passiv durch die Rückstellkräfte von Lunge und Thorax. Bei der Überdruckbeatmung drückt das Gerät Gas mit positivem Druck in die Lunge; die Exspiration erfolgt ebenfalls passiv. Der entscheidende Unterschied liegt im Vorzeichen des intrathorakalen Drucks: Die Spontanatmung saugt Blut zum Herzen, die Überdruckbeatmung behindert den venösen Rückstrom. Maschinelle Beatmung ist in diesem Sinn „unphysiologisch“, und das Ziel jeder Beatmungstherapie ist deshalb die Rückführung zur Spontanatmung, so früh wie möglich.

Resistance und Compliance

Zwei Größen beschreiben, welche Drücke nötig sind, um Gas in die Lunge zu bewegen. Die Resistance ist der Strömungswiderstand der Atemwege, berechnet als Druckdifferenz geteilt durch den Fluss, in mbar pro Liter und Sekunde. Sie beschreibt eine Druck-Fluss-Beziehung und steigt bei Bronchospasmus, Sekret und engen Tuben. Besonders wichtig ist der Innendurchmesser des Tubus, denn bei laminarer Strömung ist der Widerstand nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Radius: Ein Tubus mit 7,0 mm statt 8,0 mm Innendurchmesser hat bereits etwa den 1,7-fachen Widerstand, ein Tubus mit 6,0 mm etwa den dreifachen. Bei Kindertuben und bei teilweise verlegten Tuben wird daraus rasch die entscheidende Größe.

Die Compliance ist die Dehnbarkeit von Lunge und Thorax, berechnet als Volumenänderung geteilt durch Druckänderung, in ml pro mbar. Sie beschreibt eine Volumen-Druck-Beziehung. Beim beatmeten Lungengesunden liegt die Compliance des Atemsystems etwa bei 50 bis 100 ml/mbar; sie sinkt bei Atelektasen, Lungenödem, ARDS, Pneumothorax, Adipositas, Pneumoperitoneum und erhöhtem Bauchdruck. Aus beiden Größen zusammen ergibt sich, welcher Anteil des Beatmungsdrucks für die Überwindung von Widerständen aufgebracht wird und welcher Anteil die Lunge dehnt.

Das Druck-Volumen-Diagramm

Trägt man Volumen gegen Druck auf, ergibt sich eine S-förmige Kurve. Der Lungengesunde atmet im linearen, steilen Teil der Kurve, wo die Atemarbeit am geringsten ist. Verschiebt sich die funktionelle Residualkapazität nach unten, etwa bei Beatmung ohne PEEP, oder nach oben, etwa bei der Überblähung in COPD und Asthma, arbeitet die Lunge in flacheren Abschnitten der Kurve, und die Compliance sinkt. Ziel der Beatmung ist deshalb, den günstigen Druckbereich zu treffen: oberhalb des unteren Inflektionspunktes, an dem sich kollabierte Alveolen wieder öffnen, und unterhalb des oberen, ab dem die Lunge überdehnt wird. Praktisch nutzt man dafür heute weniger die klassische Kurve als die Kennzahlen der Beatmung, vor allem den Plateaudruck und den Druckunterschied zwischen Plateau und PEEP, den „driving pressure“. In einer großen Auswertung randomisierter ARDS-Studien war dieser Druckunterschied die Variable, die am engsten mit der Sterblichkeit zusammenhing (Amato, NEJM 2015); Werte über etwa 15 mbar gelten als ungünstig.

Für die Wahl der Therapie ist eine Unterscheidung entscheidend: Versagt der Gasaustausch in der Lunge, oder versagt die Atempumpe? Beim Parenchymversagen, der hypoxämischen oder Typ-I-Insuffizienz, ist der Sauerstoffpartialdruck erniedrigt, das Kohlendioxid zunächst normal oder niedrig; Ursachen sind Pneumonie, Lungenödem, ARDS, Atelektasen und Lungenembolie. Beim Atempumpenversagen, der hyperkapnischen oder Typ-II-Insuffizienz, steigt das Kohlendioxid, weil die Ventilation nicht ausreicht; hier helfen Sauerstoff allein und PEEP wenig, entlastet werden muss die Atemmuskulatur.

Die Ursachen des Atempumpenversagens lassen sich nach ihrem Ort ordnen. Zentral liegen Störungen des Atemantriebs, etwa durch Opioide und Sedativa, Hirnstammläsionen oder eine zentrale Schlafapnoe, sowie hohe Querschnittlähmungen. Peripher liegen Obstruktion und Restriktion der Atemwege und des Thorax, Verletzungen der Thoraxwand, Zwerchfellhernien und Zwerchfelllähmungen sowie Störungen der neuromuskulären Übertragung, etwa Myasthenie, Guillain-Barré-Syndrom, Polyneuritiden, Critical-Illness-Polyneuropathie und Muskelatrophien. Häufig mischen sich beide Formen: Eine Pneumonie belastet die Atempumpe zusätzlich, und ein erschöpfter Patient mit COPD hat neben der Hyperkapnie fast immer auch Ventilations-Perfusions-Störungen.

Am Beatmungsgerät werden Einstellungen vorgenommen, die entweder fest vorgegeben sind, dem Patienten Freiheitsgrade lassen oder als Begrenzung wirken. Zu den wichtigsten gehören die inspiratorische Sauerstoffkonzentration, das Atemminutenvolumen mit Atemfrequenz und Atemhubvolumen, der maximale Inspirationsdruck, der positive endexspiratorische Druck (PEEP), die inspiratorische Druckunterstützung, das Atemzeitverhältnis mit Inspirations- und Exspirationszeit, die Triggerempfindlichkeit und die Anstiegszeit des Drucks, die Rampe. Wer eine Einstellung ändert, sollte wissen, ob sie eine Vorgabe, eine Begrenzung oder einen Freiheitsgrad des Patienten verändert.

Die Nomenklatur

Die Bezeichnungen der Beatmungsformen sind historisch gewachsen und je nach Hersteller verschieden; eine internationale Norm ordnet sie seit einigen Jahren nach einem einheitlichen Schema. Grundsätzlich unterscheidet man drei Gruppen. Die kontrollierte Beatmung („continuous mandatory ventilation“, CMV) gibt alle Atemhübe vor, entweder volumenkontrolliert (VC-CMV) oder druckkontrolliert (PC-CMV). Die augmentierte Beatmung kombiniert vorgegebene Hübe mit Spontanatmung, etwa als SIMV oder als BIPAP mit zwei Druckniveaus, ebenfalls druck- oder volumenkontrolliert. Die Spontanatmung mit Unterstützung arbeitet mit kontinuierlichem positivem Druck (CPAP) und Druckunterstützung (Pressure Support).

Die Wahl zwischen Volumen- und Druckkontrolle folgt praktischen Überlegungen. Die volumenkontrollierte Beatmung garantiert das Atemzugvolumen und damit die CO₂-Elimination, weshalb sie für die Notfallbeatmung, die intraoperative Beatmung der gesunden Lunge bei wechselnden Gegendrücken und für das isolierte Schädel-Hirn-Trauma mit dem Ziel eines konstanten CO₂ geeignet ist; der Druck ergibt sich aus Volumen und Compliance und muss begrenzt und überwacht werden. Die druckkontrollierte Beatmung begrenzt den Druck und verteilt das Gas in inhomogenen Lungen gleichmäßiger, weshalb sie bei obstruktiven und restriktiven Störungen, bei ARDS und Trauma und für die postoperative Nachbeatmung bevorzugt wird; hier schwankt das Volumen mit der Compliance und muss überwacht werden. Unabhängig vom Modus gilt die lungenprotektive Beatmung mit einem Atemzugvolumen um 6 ml je Kilogramm des berechneten Körpergewichts und einem Plateaudruck unter etwa 30 mbar, die in der ARDS-Network-Studie (NEJM 2000) die Sterblichkeit von 40 auf 31 % senkte.

Die nichtinvasive Beatmung überträgt die Unterstützung über eine Maske, ohne den Atemweg zu instrumentieren. Sie kommt bei respiratorischer Insuffizienz mit erhaltener Spontanatmung in Betracht und vermeidet die Komplikationen der invasiven Beatmung, vor allem Sedierung, Atemwegsschäden und beatmungsassoziierte Pneumonien. Die deutsche Leitlinie zur nichtinvasiven Beatmung bei akuter respiratorischer Insuffizienz empfiehlt den frühzeitigen Einsatz bei akuter hyperkapnischer Insuffizienz und Exazerbation einer COPD mit einem pH unter 7,35 und einem PaCO₂ über 45 mmHg und beim kardiogenen Lungenödem. Für die COPD ist die Evidenz besonders stark: Die nichtinvasive Beatmung senkt dort Intubationsrate und Sterblichkeit. Beim kardiogenen Lungenödem bessert sie Luftnot und Gasaustausch rasch und senkt die Intubationsrate. Sie soll außerdem zur Präoxygenierung vor der Intubation hypoxämischer Patienten eingesetzt werden, erlaubt die frühe Extubation von Patienten mit COPD nach kurzer invasiver Beatmung mit anschließender nichtinvasiver Fortführung und dient nach längerer Beatmung von mehr als 48 Stunden der prophylaktischen Weiterbehandlung.

Absolute Kontraindikationen sind eine fixierte oder funktionelle Verlegung der Atemwege, eine gastrointestinale Blutung oder ein Ileus und Verbrennungen im Gesichtsbereich. Relative Kontraindikationen sind eine Bewusstseinstrübung mit unzureichenden Schutzreflexen wegen der Aspirationsgefahr und eine massive Sekretretention. Entscheidend ist die Verlaufskontrolle: Bessern sich Atemfrequenz, Luftnot und Blutgase innerhalb der ersten ein bis zwei Stunden nicht, ist die Intubation nicht länger aufzuschieben, weil eine verzögerte Intubation die Prognose verschlechtert.

Nasale High-Flow-Therapie

Die nasale High-Flow-Therapie liefert über eine weiche Nasenbrille angewärmtes, vollständig befeuchtetes Gas mit hohem Fluss, meist 30 bis 60 l/min, bei frei einstellbarer Sauerstoffkonzentration. Indiziert ist sie bei Hypoxämie und als Atemtherapie während Pausen der nichtinvasiven Beatmung sowie nach der Extubation. Ihre Wirkung beruht auf mehreren Mechanismen: Der hohe Fluss spült das CO₂ aus dem Nasen-Rachen-Raum aus und verringert so die Totraumventilation, es entsteht ein niedriger, flussabhängiger positiver Atemwegsdruck von einigen Millibar, der Alveolen offenhält, die Anfeuchtung verbessert den Sekrettransport, und die hohen Flüsse decken den inspiratorischen Spitzenfluss des Patienten, sodass die eingestellte Sauerstoffkonzentration tatsächlich ankommt. In der FLORALI-Studie (NEJM 2015) war die High-Flow-Therapie bei akuter hypoxämischer Insuffizienz mit einer niedrigeren 90-Tage-Sterblichkeit verbunden als Sauerstoff über Maske oder nichtinvasive Beatmung, ohne die Intubationsrate insgesamt zu senken. Die deutsche Leitlinie sieht bei akuter hypoxämischer Insuffizienz keinen eindeutigen Vor- oder Nachteil gegenüber CPAP und nichtinvasiver Beatmung; bei der hyperkapnischen Insuffizienz bleibt die nichtinvasive Beatmung das Verfahren der Wahl.

Pulmonale Nebenwirkungen

Die beatmungsinduzierte Zwerchfellschwäche entsteht schnell: Bereits nach etwa 18 bis 69 Stunden vollständig kontrollierter Beatmung fanden sich in Biopsien menschlicher Zwerchfelle deutliche Atrophiezeichen (Levine, NEJM 2008). Das ist ein wesentliches Argument dafür, die Spontanatmung so früh wie möglich zuzulassen. Die beatmungsassoziierte Lungenschädigung hat vier Mechanismen: das Volutrauma durch Überdehnung, das Barotrauma durch zu hohe Drücke mit der Gefahr eines Pneumothorax, das Atelektrauma durch das wiederholte Öffnen und Kollabieren von Alveolen und das Biotrauma, die Freisetzung von Entzündungsmediatoren, die auch andere Organe schädigen. Die beatmungsassoziierte Pneumonie entsteht durch Mikroaspiration entlang des Cuffs; vorbeugend wirken Oberkörperhochlagerung, Mundpflege, Cuffdruckkontrolle und, bei längerer Beatmung, die subglottische Sekretdrainage. Die Sauerstofftoxizität droht bei hoher inspiratorischer Sauerstofffraktion über längere Zeit, über reaktive Sauerstoffspezies und Resorptionsatelektasen. Und die Gegenatmung, das „fighting the respirator“, ist meist kein Grund für mehr Sedierung, sondern ein Hinweis auf eine unpassende Einstellung, auf Schmerz, Delir, Sekret oder eine Verschlechterung der Lunge.

Hämodynamische Nebenwirkungen

Der erhöhte intrathorakale Druck wirkt über mehrere Wege auf den Kreislauf. Er vermindert den venösen Rückstrom zum rechten Herzen, weil das Blut gegen einen höheren Vorhofdruck zurückfließen muss. Er erhöht den pulmonalen Gefäßwiderstand, besonders bei Überdehnung der Alveolen, und damit die Nachlast des rechten Ventrikels. Beides senkt Schlagvolumen und Herzzeitvolumen. In der Folge sinkt die Durchblutung von Nieren, Leber und Splanchnikusgebiet, was bei langer Beatmung zur Organdysfunktion beiträgt. Und der verminderte jugularvenöse Rückstrom erhöht den intrakraniellen Druck, was beim Schädel-Hirn-Trauma bedacht werden muss. Ein Teil dieser Wirkungen ist erwünscht: Bei Linksherzinsuffizienz senkt der erhöhte intrathorakale Druck die Nachlast des linken Ventrikels und entlastet das Herz.

Zusammenfassung

Die physiologischen Zusammenhänge zu kennen und anzuwenden ist die Grundlage jeder Beatmung, und ihr Ziel ist immer die Rückführung zur Spontanatmung. Die Indikation richtet sich danach, ob ein Parenchymversagen oder ein Versagen der Atempumpe vorliegt. Die Parameter und ihre Konsequenzen müssen bekannt sein: Sauerstofffraktion, PEEP, Inspirationsdruck, Inspirationszeit, Atemfrequenz und Atemzugvolumen. Und Beatmungsmodus und Invasivität werden an den Patienten und an das Krankheitsbild angepasst: An den Patienten, der gegen das Gerät atmet und dem mit nichtinvasiver Beatmung oder nasalem High-Flow oft besser geholfen ist, und an das Krankheitsbild, das bei ARDS und COPD unterschiedliche Strategien verlangt.

Der Text aller Folien, wie in der bisherigen Textfassung; Einordnungen stehen an den betroffenen Folien.

Vortrag aus der Klinik für Anästhesiologie des Marien Hospital Herne. Ausgearbeitete Fassung für das E-Learning, September 2026.