High-Flow-Therapie und -Befeuchtung: - Vapotherm
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<strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong> <strong>und</strong> -<strong>Befeuchtung</strong>:<br />
Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen,<br />
Technologie <strong>und</strong> Forschung<br />
Thomas Miller, Ph.D.<br />
Director, Clinical Research and Education<br />
<strong>Vapotherm</strong>, Inc.<br />
Research Assistant Professor für Pädiatrie<br />
Jefferson Medical College
2<br />
<strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong> <strong>und</strong> -<strong>Befeuchtung</strong>: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen, Technologie <strong>und</strong> Forschung<br />
Einleitung<br />
<strong>Vapotherm</strong>, Inc. ist der Marktführer auf dem Gebiet<br />
temperaturkontrollierter <strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Befeuchtung</strong>ssysteme<br />
für die respiratorische <strong>Therapie</strong>. Diese medizinischen Geräte<br />
werden derzeit in Krankenhäusern, Einrichtungen für subakute<br />
Fälle sowie im Heimbereich bei Patienten im Säuglings-,<br />
Kinder- <strong>und</strong> Erwachsenenalter eingesetzt <strong>und</strong> dienen<br />
dazu, dem Atemgas warme Feuchtigkeit zuzusetzen. Die<br />
<strong>Vapotherm</strong>-Geräte sind für die Zufuhr von Atemgasen über<br />
eine Nasenkanüle bei Durchflussraten von bis zu 8 l/Min. bei<br />
Säuglingen <strong>und</strong> 40 l/Min. bei Erwachsenen zugelassen. Dies<br />
wird auch als <strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong> (HFT) bezeichnet.<br />
<strong>Vapotherm</strong>-Nasenkanülen<br />
Was ist die <strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong><br />
(HFT)?<br />
Die <strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong> (HFT) arbeitet mit Durchflussraten,<br />
die größer sind als die inspiratorischen Durchflussraten des<br />
Patienten bei verschiedenen Atemminutenvolumen. Bisher<br />
wurden für die HFT Gesichtsmasken eingesetzt, wobei die<br />
hohen Durchflüsse das Maskenvolumen durchspülen <strong>und</strong><br />
so für hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentrationen<br />
sorgen. Die Maskentherapie ist zwar effektiv bei der<br />
Unterstützung der Oxygenierung, sie unterliegt jedoch<br />
Einschränkungen durch Faktoren wie die Unfähigkeit,<br />
zu essen/trinken <strong>und</strong> zu kommunizieren, sowie<br />
klaustrophobische Gefühle. Diese führen zu einer<br />
schlechten Patientencompliance.<br />
Eine Alternative ist die herkömmliche Nasenkanüle,<br />
mit der sich eine bessere Compliance sowie höherer<br />
Patientenkomfort erreichen lassen. Die Kanülen führen<br />
zusätzlichen Sauerstoff zu, lassen sich über lange Zeit<br />
bequem tragen <strong>und</strong> erlauben es den Patienten, ohne<br />
Unterbrechung der <strong>Therapie</strong> zu essen <strong>und</strong> zu sprechen. In<br />
der konventionellen <strong>Therapie</strong> mit Nasenkanüle sind jedoch<br />
höhere Durchflüsse (über 2 l/Min. bei Neugeborenen<br />
oder 6 l/Min. bei Erwachsenen), die zur Erfüllung der<br />
inspiratorischen Anforderungen ohne Einströmen<br />
von Raumluft erforderlich sind, nicht möglich. Diese<br />
Einschränkung der konventionellen Kanülentherapie ist<br />
Folge der Beschwerden <strong>und</strong> Reizungen, die durch die<br />
Zufuhr kalten, trockenen Atemgases in die Nasenwege<br />
hervorgerufen werden 12 . Die Technologie von <strong>Vapotherm</strong><br />
hat die konventionelle Kanülentherapie durch die<br />
optimale Konditionierung des Atemgases gr<strong>und</strong>legend<br />
transformiert. Unsere patentrechtlich geschützte<br />
Erwärmungs- <strong>und</strong> <strong>Befeuchtung</strong>stechnologie erlaubt es,<br />
Atemgase bei hohen Durchflussraten zuzuführen <strong>und</strong><br />
gleichzeitig auf Körpertemperatur <strong>und</strong> bis zu 99,9 %<br />
relative Feuchtigkeit zu halten 3 .<br />
Atemphysiologie <strong>und</strong><br />
Alveolarventilation<br />
Zum Verständnis der Mechanismen, die der HFT<br />
zugr<strong>und</strong>e liegen, sollten wir uns einige Gr<strong>und</strong>sätze der<br />
Atemphysiologie ins Gedächtnis rufen. Unter normalen<br />
Atembedingungen entfallen etwa 30 % des eingeatmeten<br />
Atemzugvolumens auf den anatomischen Totraum. Zu<br />
Beginn der Inspiration füllt sich dieser Totraum mit<br />
endexspiratorischem Gas, das von der letzten Exspiration<br />
Nase <strong>und</strong> Nasenhöhlen<br />
Stirnhöhle Nasenmuschel Keilbeinhöhle<br />
Mittlere<br />
Nasenmuschel<br />
Innere<br />
Nasenöffnung<br />
Die Nasenhöhle ist so<br />
aufgebaut, dass zum<br />
Konditionieren des<br />
eingeatmeten Gases eine<br />
maximale Oberfläche zur<br />
Verfügung steht<br />
Mittlere<br />
Nasenmuschel<br />
Äußere Nasenöffnung<br />
Nasen-<br />
Rachenraum
3<br />
verblieben ist. Dieses anatomische Totraumvolumen spielt zwar eine gr<strong>und</strong>legend wichtige Rolle<br />
1. zur Erwärmung <strong>und</strong> <strong>Befeuchtung</strong> des inspiratorischen Gases <strong>und</strong><br />
2. zum Transport des Gases zum Thorax <strong>und</strong> zur Verteilung in die Lungenregionen. Der Anteil des Totraums<br />
(endexspiratorischen Gases) an einem neuen Atemzug wirkt sich jedoch auf die Atemeffizienz aus.<br />
Bei ges<strong>und</strong>en Menschen ist die alveoläre Sauerstoffkonzentration niedriger als die der Umgebungsluft,<br />
während die alveoläre Kohlendioxidkonzentration höher ist als die der Umgebungsluft. Dieser Unterschied<br />
zwischen Umgebungsgas <strong>und</strong> alveolärem Gas ist abhängig von der Alveolarventilation sowie dem<br />
Blutgasgehalt. Die Alveolarventilation unterscheidet sich vom häufiger verwendeten Begriff des<br />
Atemminutenvolumens in Bezug auf die Abhängigkeit vom Totraum.<br />
Atemminutenvolumen = Atemzugvolumen x Atemfrequenz<br />
Atemminutenvolumen = (Atemzugvolumen - Totraum) x Atemfrequenz<br />
Basierend auf der Beziehung zwischen den Ventilationsparametern führt eine Reduktion des<br />
Totraumsvolumens dazu, dass für eine adäquate Alveolarventilation ein geringeres Atemminutenvolumen<br />
erforderlich ist. Somit hat das Totraumvolumen, selbst bei ges<strong>und</strong>en Menschen, direkten Einfluss<br />
auf das Atemzugvolumen <strong>und</strong>/oder die Anforderungen an die Atemfrequenz <strong>und</strong> in der Folge auf<br />
die Atemanstrengung. In dieser Hinsicht ist die HFT über eine Kanüle in der Lage, durch Flutung des<br />
nasopharyngealen anatomischen Totraums <strong>und</strong> Unterstützung der Atemarbeit die Atemeffizienz zu<br />
erhöhen. Zuerst muss jedoch für eine optimale Atemgaskonditionierung gesorgt werden.<br />
Bedeutung der Atemgaserwärmung <strong>und</strong> -befeuchtung<br />
Das Schleimhautgewebe im Nasen-Rachenraum hat die Funktion, Atemgas vor Eintritt in den unteren Atemtrakt<br />
zu erwärmen <strong>und</strong> anzufeuchten 4 . Dies wird anatomisch über eine große Oberfläche erreicht, die mit dem<br />
HFT über eine Kanüle<br />
ist in der Lage, durch<br />
Flutung des nasopharyngealen<br />
anatomischen<br />
Totraums<br />
<strong>und</strong> Unterstützung<br />
der Atemarbeit die<br />
Atemeffizienz zu erhöhen.<br />
Zuerst muss jedoch<br />
für eine optimale<br />
Atemgaskonditionierung<br />
gesorgt werden.<br />
Respiratorisches System<br />
Oberer Atemtrakt<br />
Nasen-Rachenraum<br />
Rachen<br />
Kehlkopf<br />
Unterer Atemtrakt<br />
Luftröhre<br />
Primärbronchien<br />
Bronchiolen<br />
Lunge
4<br />
<strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong> <strong>und</strong> -<strong>Befeuchtung</strong>: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen, Technologie <strong>und</strong> Forschung<br />
inspiratorischen Gas interagiert. Folglich kann es zu einer<br />
Überbeanspruchung des Gewebes im Nasen-Rachenraum<br />
kommen, wenn der Gasfluss des Atemminutenvolumens<br />
höher ist als normalerweise <strong>und</strong> das Gas eine Temperatur<br />
unterhalb der Körpertemperatur hat sowie ungesättigt (d. h.<br />
mit weniger als 100 % relativer Feuchtigkeit) ist. Eine solche<br />
Überbeanspruchung des Gewebes im Nasen-Rachenraum<br />
führt zu einer signifikanten Dysfunktion, Austrocknung<br />
<strong>und</strong> Schädigung der Nasenschleimhaut 5 – 8 , was zudem mit<br />
hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Staphylokokkensepsis<br />
beiträgt 9 . Selbst bei geringen Durchflüssen ist die<br />
konventionelle <strong>Therapie</strong> mit Nasenkanüle unbequem <strong>und</strong><br />
führt zu zahlreichen Patientenbeschwerden, insbesondere<br />
in Bezug auf Nasen- <strong>und</strong> M<strong>und</strong>trockenheit 10 .<br />
24 St<strong>und</strong>en auf die jeweils andere Behandlungsform<br />
umgestellt (konventionelle oder <strong>Vapotherm</strong>). Anhand<br />
eines verblindeten Bewertungssystems, das nasales<br />
Erythem, Ödeme, Schleimhautverdickung <strong>und</strong><br />
Blutung auf einer Skala von 2 bis 10 berücksichtigt,<br />
wurde festgestellt, dass die Verträglichkeit bei<br />
Säuglingen unter <strong>Vapotherm</strong>-<strong>Therapie</strong> verglichen zur<br />
konventionellen <strong>Befeuchtung</strong> wesentlich höher war<br />
(2,7 ± 1,2 vs. 7,8 ± 1,7; p < 0,001).<br />
Wie wirkt sich HFT auf die Atmung<br />
aus?<br />
<strong>Vapotherm</strong>, Inc.<br />
Dampfübertragungspatrone<br />
(aufgeschnittene<br />
Darstellung)<br />
Warmes<br />
Wasser<br />
Atemgas<br />
Warmes Wasser<br />
Fluss<br />
Atemgas<br />
Querschnitt des<br />
schlauchs<br />
Rückfluss<br />
<strong>Vapotherm</strong>, Inc. Erwärmter<br />
Triple-Lumen-Zufuhrschlauch<br />
(aufgeschnittene Darstellung)<br />
Idealerweise sollte das inspiratorische Gas auf<br />
Körpertemperatur (37 °C) erwärmt <strong>und</strong> auf 100 %<br />
relative Feuchtigkeit angefeuchtet werden 11,12 . Zudem<br />
führt eine <strong>Befeuchtung</strong> mit Dampf im Gegensatz zu<br />
Wasseraerosol mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu<br />
einer Verletzung der Atemwege <strong>und</strong> Lunge, da es nicht<br />
zu einem latenten Wärmeverlust <strong>und</strong> Ablagerung von<br />
Wassertröpfchen kommt 12 . Die Membrantechnologie von<br />
<strong>Vapotherm</strong> ermöglicht den Übertritt von Wasser in das<br />
Atemgas als Dampfphase <strong>und</strong>, wie in einem Laborversuch<br />
durch Waugh <strong>und</strong> Granger bewiesen, stellt Atemgase bei<br />
Körpertemperatur <strong>und</strong> mit 99,9 % relativer Feuchtigkeit<br />
über den gesamten Durchflussbereich bis zu 40 l/Min.<br />
bereit 3 .<br />
Die Technologie<br />
hinter einer optimalen<br />
Atemgaskonditionierung<br />
Die <strong>Vapotherm</strong>-Geräte beinhalten ein patentiertes System<br />
mit Dampfübertragungspatrone, über die Wasserdampf<br />
in den Atemgasstrom diff<strong>und</strong>iert, während das Gas<br />
gleichzeitg auf die verschriebene Temperatur (in der Regel<br />
37 °C) erwärmt wird. Dieses System unterscheidet sich<br />
wesentlich von den herkömmlichen Befeuchtersystemen<br />
mit Heizplatte. Die <strong>Vapotherm</strong>-Geräte nutzen zudem<br />
einen Zufuhrschlauch mit Triple-Lumen-Hülle <strong>und</strong><br />
firmeneigene Nasenkanülen, die für die Aufrechterhaltung<br />
der Temperatur <strong>und</strong> zur Minimierung der Kondensation<br />
(Ausregnung) optimiert sind. Diese beiden letzteren<br />
Merkmale schützen das Atemgas, sodass das Gas den<br />
Patienten mit derselben Temperatur <strong>und</strong> Feuchtigkeit<br />
erreicht, die in der Membranpatrone erzeugt wurden.<br />
In einer randomisierten Crosssover-Studie bewerteten<br />
Woodhead <strong>und</strong> Kollegen die Auswirkung von <strong>Vapotherm</strong> im<br />
Vergleich zur konventionellen HFT auf die Nasenschleimhaut<br />
von Frühgeborenen nach der Extubation 13 . Dreißig Säuglinge<br />
wurden 24 St<strong>und</strong>en lang entweder mit <strong>Vapotherm</strong> oder<br />
konventioneller HFT behandelt <strong>und</strong> dann für weitere<br />
Das Fluten des Totraums in der Nasen-Rachenhöhle trägt zur<br />
Verbesserung der Alveolarventilation bei.<br />
Da es mithilfe der <strong>Vapotherm</strong>-Technologie möglich ist,<br />
dem Patienten Atemgas genau bei Körpertemperatur <strong>und</strong><br />
gesättigt zuzuführen, lässt sich nun über eine Nasenkanüle<br />
ein hoher Durchfluss erzielen. In dieser Hinsicht ist<br />
HFT aufgr<strong>und</strong> einer Reihe gr<strong>und</strong>legender physiologischer<br />
Mechanismen effektiv. Diese Mechanismen verbessern<br />
die Atemeffizienz, unabhängig von einer bestimmten<br />
Erkrankung.<br />
CO 2<br />
-Ventilation<br />
Durch die Zufuhr von Flüssen, die über den Bedürfnissen<br />
des Patienten liegen, führt HFT zu einer Auswaschung<br />
des nasopharyngealen Totraums. Wie jede Reduktion des<br />
anatomischen oder physiologischen Totraums trägt diese<br />
<strong>Therapie</strong> dazu bei, höhere Konzentrationen an alveolären<br />
Gasen in Bezug auf Kohlendioxid <strong>und</strong> Sauerstoff zu<br />
erreichen 14 . Während also die Low-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong> mit<br />
Nasenkanüle nur für eine Oxygenierung sorgt, wirkt sich<br />
die HFT zudem auf die Eliminierung des CO 2<br />
aus.
5<br />
Effiziente Oxygenierung<br />
Die HFT über eine Nasenkanüle arbeitet mit denselben<br />
Prinzipien wie die HFT über eine Gesichtsmaske, um durch<br />
Verhindern des Einströmens von Raumluft während der<br />
Inspiration eine hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentration<br />
zu erzielen. Da jedoch bei der HFT über eine Nasenkanüle<br />
der anatomische Totraum durch Nutzung des Nasen-<br />
Rachenraums als Gasreservoir verkleinert wird, hat diese<br />
<strong>Therapie</strong>form, basierend auf der Gleichung für die<br />
Alveolarventilation, das Potenzial, eine höhere alveoläre<br />
Sauerstoffkonzentration als durch eine Maskentherapie zu<br />
erzielen. Auf diese Weise können Patienten im Vergleich<br />
zur konventionellen <strong>Therapie</strong> mit Maske oder Kanüle<br />
oftmals eine bessere Oxygenierung aufrechterhalten oder<br />
benötigen eine geringere FiO 2<br />
.<br />
Atemarbeit<br />
Die Dehnbarkeit der Nasenschleimhaut, die die<br />
physiologische Atemgaskonditionierung ermöglicht,<br />
führt außerdem zu einem signifikanten Widerstand<br />
bei der Inspirationsanstrengung im Verhältnis zur<br />
Exspirationsanstrengung 15 . Da der in der HFT erzeugte<br />
Durchfluss ausreichend ist, um dem inspiratorischen<br />
Durchfluss eines Patienten zu entsprechen oder diesen zu<br />
übertreffen, minimiert die HFT mit hoher Wahrscheinlichkeit<br />
den inspiratorischen Widerstand im Nasen-Rachenraum.<br />
Diese Änderung des Widerstands führt zu einer Änderung<br />
der Atemwiderstandsarbeit.<br />
Des Weiteren ist eine adäquate Erwärmung <strong>und</strong><br />
<strong>Befeuchtung</strong> der leitenden Atemwege durch Zufuhr von<br />
warmem, feuchtem Gas im Vergleich zu trockenem,<br />
kälterem Gas assoziiert mit höherer Leitfähigkeit <strong>und</strong><br />
Lungencompliance 16 . Fontanari <strong>und</strong> Kollegen zeigten<br />
außerdem, dass Rezeptoren in der Nasenschleimhaut auf<br />
kaltes <strong>und</strong> trockenes Gas reagieren <strong>und</strong> zum Schutz ein<br />
Zusammenziehen der Bronchien bewirken. Dies gilt sowohl<br />
für ges<strong>und</strong>e Probanden 17 als auch für Asthmatiker 18 . Somit<br />
fördert die Zufuhr von Atemgas bei Körpertemperatur<br />
<strong>und</strong> in gesättigter Form zu einer optimalen mechanischen<br />
Reaktion des Atemsystems.<br />
Energieaufwand zur Atemgaskonditionierung<br />
Die Nasenwege verbrauchen Energie, um die inspiratorische<br />
Luft von Umgebungstemperatur auf 37 °C zu erwärmen <strong>und</strong><br />
Wasser zur <strong>Befeuchtung</strong> der einströmenden Luft auf 100 %<br />
relative Feuchtigkeit zu verdampfen 4,19,20 . Viele der an diesem<br />
Prozess beteiligten Faktoren sind zwar noch unklar oder<br />
schwer definierbar, unserer Ansicht nach lässt sich jedoch<br />
feststellen, dass der Prozess der Atemgaskonditionierung<br />
einen signifikanten Energieaufwand erfordert. Dieser<br />
Energieaufwand verringert sich, wenn das Atemgas bei<br />
Körpertemperatur <strong>und</strong> gesättigt zugeführt wird.<br />
Beziehung zwischen Durchfluss<br />
<strong>und</strong> Druck<br />
Vor über fünfzehn Jahren zeigten Dr. Locke <strong>und</strong><br />
Kollegen, dass bei Anwendung einer Nasenkanüle selbst<br />
bei geringen Durchflüssen unbeabsichtigterweise ein<br />
Atemwegsüberdruck erzeugt werden kann, wenn die<br />
Prongs im Verhältnis zu den Nasenöffnungen relativ groß<br />
sind 21 . Tatsächlich werden Low-<strong>Flow</strong>-Nasenkanülen auf der<br />
Neugeborenenintensivstation häufig zur CPAP-Generierung<br />
eingesetzt, wobei relativ große Nasenprongs (im Verhältnis<br />
zum Innendurchmesser der Nasenöffnungen) verwendet<br />
werden <strong>und</strong> der M<strong>und</strong> des Patienten geschlossen<br />
gehalten wird, um einen pharyngealen Druck von bis<br />
zu 8 cmH 2<br />
O zu erzeugen 2 . Diese Erfahrungen aus der<br />
Vergangenheit geben Anlass zur Sorge darüber, welcher<br />
nasopharyngeale Druck mit <strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-Nasenkanülen<br />
entstehen könnte.<br />
In einer Reihe von Laboruntersuchungen <strong>und</strong> klinischen<br />
Studien wurde nun geklärt, dass die Druckentwicklung<br />
im Nasen-Rachenraum <strong>und</strong> in den Luftwegen durch<br />
Leckage um die Nasenprongs <strong>und</strong> den M<strong>und</strong>bereich<br />
herum bestimmt wird 22-24 . Wenn die <strong>Vapotherm</strong>-HFT<br />
gemäß den Empfehlungen mit Nasenprongs durchgeführt<br />
wird, deren Durchmesser höchstens ½ des Durchmessers<br />
der Nasenöffnungen beträgt, <strong>und</strong> der M<strong>und</strong> frei geöffnet<br />
werden kann, kommt es zu einer allenfalls leichten<br />
Druckerzeugung. Dr. Saslow <strong>und</strong> Kollegen am Cooper<br />
University Hospital (Camden, NJ, USA) zeigten, dass bei<br />
Säuglingen unter HFT mit bis zu 8 l/Min. die dehnenden<br />
Drücke nicht höher waren als die Drücke, die durch CPAP mit<br />
6 cmH 2<br />
O erzeugt werden. In manchen Fällen waren<br />
die Drücke sogar signifikant geringer (bei 5 l/Min.;<br />
p = 0,03) 25,26 . Dr. Kubicka <strong>und</strong> Kollegen zeigten, dass bei<br />
27 Neugeborenen, die Durchflüsse von bis zu 5 l/Min.<br />
über eine Kanüle erhielten, der Druck im M<strong>und</strong> nie über<br />
5 cmH 2<br />
O lag 23 . Dr. Wilkinson <strong>und</strong> Kollegen zeigten, dass<br />
die Drücke im Nasen-Rachenraum bei Säuglingen während<br />
einer HFT relativ gering <strong>und</strong> vorhersagbar waren, wenn<br />
die Durchflüsse gemäß dem Körpergewicht normalisiert<br />
wurden 24 .<br />
Gleichwohl wurde in Studien zur Bewertung der <strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<br />
<strong>Therapie</strong> mit dem Ziel, einen dehnenden Atemwegsdruck<br />
bei geschlossenem M<strong>und</strong> zu erzielen, festgestellt, dass<br />
in der Regel nur ein leichter Überdruck entsteht 23,27 . Die<br />
<strong>Vapotherm</strong>-Geräte sind keine CPAP (Continuous Positive<br />
Airway Pressure)-Geräte <strong>und</strong> nicht dafür konzipiert, einen<br />
festgelegten Druck zu applizieren. Die Technologie dient<br />
dazu, konditionierte Atemgasflüsse in einem offenen<br />
System über eine einfache Nasenkanüle zuzuführen.
6<br />
<strong>High</strong>-<strong>Flow</strong>-<strong>Therapie</strong> <strong>und</strong> -<strong>Befeuchtung</strong>: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen, Technologie <strong>und</strong> Forschung<br />
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WP DEBR Rev2 9/08