2. Ausgabe 1996

Wärme- und Feuchtigkeitstauscher im Anästhesiekreisteil

P. P. Kleemann

Einleitung

Durch die tracheale Intubation und die Tracheotomie wird die Klimatisierungsfunktion des nasopharyngealen Raumes ausgeschaltet. Die Befeuchtungsleistung des oberen Respirationstraktes ist durch umfassende Untersuchungen belegt. Ziel jeder längerdauernden Narkosebeatmung ist, das bei physiologischer Nasenatmung vorhandene tracheobronchiale Klima aufrechtzuerhalten und Energieverluste und die Schädigung der mukoziliären Funktion zu vermeiden. In besonderem Maße gilt diese Forderung für Langzeitnarkosen  über 120 Minuten und für Patienten mit Erkrankungen des Tracheobronchialsystems. Die Beatmung mit trockenen Gasen bewirkt eine Verschiebung der "Isothermic saturation boundary" aus dem Bifurkationsbereich in Richtung der kleineren Bronchien. Die pathophysiologischen Folgen der Austrocknung des mukoziliären Epithels bis in den Bereich der Bronchiolen sind Wärme- und Energieverluste mit postoperativem Shivering, Flüssigkeitsverlust mit Behinderung und Aufhebung der mukoziliären Clearance, Sekretretention und Sekreteindickung, Complianceverminderung und Abnahme der FRC, Mikroatelektasen, arterielle Hypoxie und schließlich Inflammation und Ulzeration des respiratorischen Epithels. Da die Restitution der beschriebenen Schäden am respiratorischen Epithel aus undifferenzierten Zellen der Basalzellschicht erfolgen muß, besteht  über Tage bis Wochen eine schwere Behinderung oder Aufhebung der mukoziliären Funktion, die postoperativ pulmonale Komplikationen hervorrufen kann (1,2).

Klimatisierung im Anästhesiekreisteil

Im Anästhesiekreisteil wird die Klimatisierung des Inspirationsgasgemisches im wesentlichen von drei Vorgängen bestimmt (1,2,3):

a) Der endotracheale Tubus wirkt aufgrund seiner Oberfläche eingeschränkt als Wärme- und Feuchtigkeitstauscher.

b) Durch die Reaktion des Kohlendioxyds mit dem Atemkalk wird Wärme und Wasser erzeugt. Bei der Herstellung von Atemkalk werden erhebliche Wassermengen zugesetzt, die ebenfalls für die Anfeuchtung der Atemgase zur Verfügung stehen.

c) Die bei der Exspiration konservierte Feuchte- und Wärmemenge wird dem Patienten wieder zugeführt. Die Effizienz der Rückatmung im Narkosekreissystem hängt davon ab, in welchem Umfang dem Inspirationsgasgemisch kalte und trockene Gase aus der Frischgasleitung zugeführt werden.

Weitere Einflußfaktoren sind das Atemminutenvolumen und die Raumtemperatur. Eine Verbesserung der Klimatisierung anästhetischer Gase durch Rückgewinnung der in den Exspirationsgasen enthaltenen Wärme und Feuchte kann grundsätzlich durch zwei verschiedene Verfahren erreicht werden:

- die Anwendung von Wärme- und Feuchtigkeitstauschern,

- die Anwendung der Low- flow-, Minimal-flow-Technik oder des geschlossenen Narkosesystems.

Wirkungsprinzipien

Die ersten Wärme- und Feuchtigkeitstauscher (HME = Heat and moisture exchanger) wurden entwickelt, um bei tracheotomierten Patienten die Folgen einer Ausschaltung der Befeuchtungsleistung des oberen Respirationstraktes und damit die durch Austrocknung hervorgerufene Entzündung und Ulzeration zu verhindern (4). Sie bestanden aus Metallelementen mit großer Oberfläche. Die Effizienz dieser HME war aufgrund der physikalischen Eigenschaften (hohe Dichte und hohe thermische Konduktivität) begrenzt. Das Prinzip der HME ist physikalisch gesehen ebenso einfach wie wirkungsvoll. Während der Exspiration passieren die warmen und feuchten Gase das relativ kühle Metallelement; dabei wird das Gas abgekühlt, das Element erwärmt, und Wasser kondensiert aus dem Gas auf das Element. Während der nächsten Inspiration wird kühles und trockenes Inspirationsgas durch das Gerät geführt und so erwärmt und befeuchtet. Da der Vorgang adiabat abläuft, das heißt keine Wärme von außen zugeführt wird, wird der Wärme- und Feuchtigkeitstauscher rasch abgekühlt. Dies ist für den Kondensationsvorgang bei der nächsten Exspiration wesentlich. Neuere Wärme- und Feuchtigkeitstauscher, bei denen das Metallgehäuse durch Kunststoff ersetzt wurde, kühlen die Expirationsgase noch weiter ab, als dies der Umgebungstemperatur entsprechen würde. Sie verbessern damit die Rückgewinnung der Wärme und Feuchtigkeit aus den Exspirationsgasen bedeutend. Die Effizienz der als Einmalartikel auf dem Markt befindlichen Wärme- und Feuchtigkeitstauscher konnte erheblich verbessert werden durch

- Verminderung der Wärmeleitfähigkeit und Optimierung der Kondensation,

- Vergrößerung des Totraums,

- Vergrößerung der wirksamen Oberfläche und

- Beschichtung der Oberfläche mit hydrophilen Materialien, zum Beispiel Kalziumchlorid, die Wasser adsorbieren und wieder abgeben (1,4,5).

Auch Bakterienfilter aus hydrophoben Materialien wirken als Wärme- und Feuchtigkeitstauscher (1). Die Effizienz der Wärme- und Feuchtigkeitstauscher wird letztlich von den je nach Atemzyklus wechselnden Temperaturen, dem Atemzugvolumen, der Atemfrequenz, der relativen Feuchte der eingespeisten Gase, der den Materialien eigenen Wärmekapazität und Konduktivität sowie dem Wassergehalt der Elemente abhängen. Auch die Größe des respiratorischen Wasserverlustes wird von allen diesen Faktoren bestimmt. Eine Rolle spielt dabei die Dichtigkeit des Systems, da es, wie nachgewiesen werden konnte, durch Cuff- Undichtigkeit zur irreversiblen Enthalpieverlusten kommen kann.

Risiken

Wärme- und Feuchtigkeitstauscher bewirken, wenn sie in das Anästhesiekreissystem gebracht werden, in Abhängigkeit von ihrer Porengröße und Oberfläche eine Erhöhung des Beatmungswiderstandes. Durch Einlagerung von Blut, Sekret und Flüssigkeit kann der Beatmungsdruck ansteigen. Gemäß der DIN EN 740 und DIN EN 743 sollte der maximale Beatmungswiderstand 2,5 cm H2O bei einem Gasfluß von 60 L/min betragen. Für Wärme- und Feuchtigkeitstauscher gilt die ISO- Norm. Die Resistance der HME darf nach 24 Stunden mit simulierter Patientenbeatmung 5 cm H2O x L ^-1 x sec ^-1 nicht  überschreiten. In der Literatur sind schwere Zwischenfälle, wie der beidseitige Spannungspneumothorax, als Folge der Obstruktion des Filters im Beatmungssystem beschrieben worden. Als Ursachen werden fehlerhafte Produkte und die Obstruktion des Filtermediums durch Körpersekret und Blut angegeben. Es ist deswegen zu fordern, daß das Narkosebeatmungsgerät, in dem ein Filter patientennah zwischen Tubus und Y-Stück eingefügt ist, eine sichere  Überwachung des Beatmungsdruckes vor und nach dem Filter zuläßt. HME bewirken eine von ihrem Volumen abhängige Erhöhung des Totraums. Bei kontrollierter Beatmung und adäquatem Monitoring, zum Beispiel der ET [CO2], ergeben sich in der Regel keine Probleme. Nasse Filter erhöhen die Atemarbeit, wenn der Patient spontan atmet. Auch bei Patienten mit schwerem ARF (Acute respiratory failure) verursacht der Filter ungünstige mechanische Beatmungseffekte und ist demzufolge kontraindiziert. Letztlich muß berücksichtigt werden, daß die Benutzung des Filters im Narkosekreissystem nicht nur die Gefahr der Obstruktion des Systems erhöht, sondern auch das Risiko der Diskonnektion durch zwei zusätzliche Konnektionsstellen (6).

HME oder reduzierter Frischgasflow

Die Effizienz der einzelnen im Handel befindlichen HME Feuchte rückzugewinnen, wurde in zahlreichen Untersuchungen mit sehr unterschiedlichen Meßprinzipien und Versuchsanordnungen gemessen (1,5). Die Ergebnisse sind deswegen nicht ohne weiteres vergleichbar. Alle  Überlegungen, durch Konservierung und Rückführung (Recycling) der in den Exspirationsgasen enthaltenen Feuchte und Wärme eine optimale Klimatisierung zu erreichen, müssen davon ausgehen, daß nach den Gesetzen der Thermodynamik in einem adiabaten System die konservierte und zurückgeführte Enthalpie immer geringer als die primär in den Exspirationsgasen bereitgestellte sein wird. Damit sind - wenn man die Effekte des Atemkalkes nicht einbezieht - die Grenzen einer jeden möglichen Optimierung des tracheobronchialen Bioklimas durch Recycling auf einen Bereich von etwa 30 mg H2O/L und 32 bis 34 °C festgelegt (1,2,6). Jede weitere Verbesserung kann nur durch Zufuhr von Energie ( künstliche Befeuchtung oder thermostatisierte Schlauchsysteme) erfolgen (6). Die Befeuchtungsleistung der auf dem Markt befindlichen HME liegt nach eigenen Untersuchungen sowie den Ergebnissen der Literatur zwischen 20 und 30 mg H2O/L und 28 bis 32 °C (1,6). Der Vorteil der HME im Narkosekreissystem ist darin zu sehen, daß die Befeuchtung der Atemgase in der Regel sehr schnell (nach 5 bis 10 Minuten) optimale Werte erreicht. Auch unter den Bedingungen des Low- und Minimal flow ist eine effektive Rückgewinnung der in den Exspirationsgasen enthaltenen Feuchte und Wärme möglich. Eine optimale Befeuchtung der inspiratorischen Gase kann mit den vorhandenen Narkosemaschinen jedoch frühestens nach 60 Minuten erreicht werden (2,6). Durch Thermostatisierung des Schlauchsystems wird diese Zeit wesentlich verkürzt (6). Die gleichzeitige Anwendung des HME und der Low- flow- Technik ergibt keinen additiven Effekt. Unter Low- flow- Bedingungen nimmt die Befeuchtungsleistung des HME in der späteren Phase der Beatmung ab (1).

Schlußfolgerungen

Die Befeuchtungsleistung der HME hat wegen der günstigen Klimatisierungsbedingungen des halbgeschlossenen Kreissystems untergeordnete Bedeutung (3). Deshalb sollte die Befeuchtungsleistung der HME bei Allgemeinanästhesien nicht als Entscheidungskriterium im Vordergrund stehen, sondern andere Aspekte, wie effektive bakterien- und virenretentive Eigenschaften. So kann bei patientennahem Einsatz geeigneter hydrophober Filter sowohl die Befeuchtung optimiert als auch das Intervall der Wiederaufbereitung des Kreissystems verlängert werden (7).

Keywords
respiratorische Therapie, Klimatisierung der Inspirationsluft, Wärmetauscher, Feuchtigkeitstauscher, Frischgasflow, Anästhesiekreissystem

Anschrift

Literatur
1. Kleemann PP.: Tierexperimentelle und klinische Untersuchung zum Stellenwert der Kimatisierung anästhetischer Gase im Narkosekreissystem bei Langzeiteingriffen. Wiss.Ver.-Abt. Abbott, Schriftenreihe Habilitationen Wiesbaden 1989

2. Kleemann PP.: Humidity of anaesthetic gases with respect to low flow anaesthesia. Anaesth Intens Care 22, 396-408 (1994)

3. Konrad F.: Beatmungsfilter in der Anästhesie und Intensivmedizin. Hyg Med 20, 255-262 (1995)

4. Kleemann PP.: Therapie des gestörten tracheobronchialen Bioklimas. in: E.Rügheimer (Hrsg.) Respiratorische Therapie nach operativen Eingriffen. Springer Heidelberg- Berlin- New York S 421-437 (1995)

5. Rathgeber J., Züchner K., Kietzmann D., Weyland W.: Wärme- und Feuchtigkeitstauscher zur Klimatisierung der Inspirationsluft intubierter Patienten in der Intensivmedizin. Anaesthesist 44, 274-283 (1995)

6. Kleemann PP., Schickel B., Jantzen JP.:Heated breathing tubes affect humidity output of circle absorber systems. J Clin Anesth. 5, 463-467 (1993)

7. Kleemann PP.: Bakterienfilter in der künstlichen Beatmung. Anaesthesist 43, (Suppl) 3 (1994)

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