Systeme setzen sich definitionsgemäß aus mehreren Komponenten zusammen. Bei Anästhesiegeräten können diese einzelnen Komponenten nach unterschiedlichen technischen Prinzipien konzipiert sowie unterschiedlichen konstruktiven Konzeptionen gebaut werden. Als System können sie sich dann differenziert verhalten. Die zunehmenden Sicherheitsstandards bei ebenfalls größer werdendem ökonomischem Druck machen den gezielten Einsatz dieser Geräte notwendig. Eine fundierte Kenntnis der technischen Funktionen ist daher unerlässlich.
Systeme setzen sich definitionsgemäß aus mehreren Komponenten zusammen. Bei Anästhesiegeräten können diese einzelnen Komponenten nach unterschiedlichen technischen Prinzipien konzipiert sowie unterschiedlichen konstruktiven Konzeptionen gebaut werden. Als System können sie sich dann differenziert verhalten.
Ein Anästhesiesystem ist eine mechanische Gerätekombination zur Beatmung, O2-Dosierung und Durchführung einer Narkose mit verdampfbaren (volatilen) Anästhetika.
Die erste Einteilung wurde 1953 von Moyers [7] vorgenommen: Er teilte die Geräte nach den Kriterien („Reservoir oder kein Reservoir“ und „Rückatmung oder keine Rückatmung“ ein; Tab. 1; [7]).
Schreiber [8] modifizierte 1972 diese Einteilung. Neben der Rückatmung hat er die Kohlendioxidabsorption in den Vordergrund gestellt.
Einteilung der Anästhesiesysteme in der Modifikation nach Schreiber
Offen → keine Rückatmung
Halboffen → partielle Rückatmung ohne Kohlendioxidabsorption
Halbgeschlossen → partielle Rückatmung mit Kohlendioxidabsorption
Geschlossen → komplette Rückatmung mit Kohlendioxidabsorption
Offene Systeme
Bei offenen Systemen findet keine Rückatmung statt. Der Ausatemschenkel ist zur Atmosphäre hin offen.
Bei Geräten mit konstantem Flow sollte der Frischgasfluss mindestens genauso hoch sein wie der maximale, inspiratorische Flow, also mindestens das 3-fache des Atemminutenvolumens.
Bei „Demand-flow-Geräten“, also Geräten, die nur während der Inspiration einen Fluss liefern, ist der Fluss gleich dem Atemminutenvolumen. In diese Gruppe fallen alle Intensivrespiratoren. Auch die sich selbst füllenden Handbeatmungsbeutel (z. B. Ambu-Beutel) gehören in diese Gruppe.
Nachteile sind der hohe Verbrauch an Anästhetika und medizinischen Gasen (Sauerstoff und Lachgas) sowie die trockene, kalte Inspirationsluft. Dies erfordert bei längerer Beatmung (Intensivtherapie) eine Erwärmung und Befeuchtung des Atemgases.
Bei der Schimmelbuschmaske kann man weder beatmen noch Sauerstoff zuführen. Man kann daher von keinem Anästhesiesystem sprechen.
Halboffene Systeme
Bei den halboffenen Systemen, den Handbeatmungssystemen, wird ein Teil der Ausatemluft wieder eingeatmet. Das Kohlendioxid wird aber nicht zuvor chemisch gebunden.
Mapleson [5] hat diese Geräte systematisiert. Je nach Position von Frischgaseinlass, Handbeatmungsbeutel und Druckbegrenzungsventil werden 5 Gruppen unterschieden (Abb. 1; [7]). Gebräuchlich sind nur noch Systeme der Gruppen C und D.
Abb. 1
Einteilung der halboffenen Systeme. a Mapleson A, b Mapleson B, c Mapleson C, d Mapleson D, e Mapleson E
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Bei den Systemen nach Mapleson C (Water-System) ist der Frischgaseinlass nahe am Patienten positioniert. Während der ersten Phase der Exspiration werden schon Exspirationsgas und Frischgas gemischt und gelangen von dort in das Reservoir. Nach dem Öffnen des Abströmventils entweichen Ausatemluft und Frischgas. Um eine Rückatmung zu vermeiden, muss der Frischgasfluss doppelt so hoch sein wie das Atemminutenvolumen.
Bei den Systemen nach Mapleson D (Kuhn-System) befindet sich die Ausatemöffnung im Handbeatmungsbeutel (Kuhn-System) oder an seinem Ende (Jackson-Rees-System). Im Faltenschlauch wird das initiale Ausatemgas mit Frischgas gemischt und füllt das Reservoir. Nur bei einer endexspiratorischen Pause wird das Exspirationsgas aus dem Faltenschlauch gespült. Dann kann eine Rückatmung schon bei einem Frischgasfluss mit doppeltem Atemminutenvolumen verhindert werden.
Ansonsten muss zur Vermeidung einer Rückatmung der Frischgasfluss höher sein als der inspiratorische Spitzenfluss, etwa das 3-fache des Atemminutenvolumens.
Halbgeschlossene Systeme
Bei den halboffenen Systemen ist der Gasverbrauch hoch. Schon am Anfang des 20. Jahrhunderts wurden daher Geräte entwickelt, die eine Rückgewinnung der Exspirationsluft anstrebten. Charakteristisch für diese Systeme ist der CO2-Absorber im Inspirationsschenkel. Da das Atemgasgemisch in diesen Systemen zirkuliert, werden sie auch als Kreissysteme bezeichnet (Abb. 2).
Abb. 2
Komponenten des Kreissystems
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In diesen Systemen ist der Frischgasfluss deutlich niedriger als das Atemminutenvolumen, aber höher als die Aufnahme durch den Patienten.
In den älteren Rückatemsystemen wurde das Frischgas kontinuierlich eingespeist (z. B. Dräger Sulla 808). Daher ist bei diesen Geräten das Atemzugvolumen abhängig vom Frischgasfluss.
Bei neueren Systemen wird das Frischgas während der Inspiration in einem Reservoir gespeichert und erst in der Exspirationsphase in das System eingeleitet, die sog. „Frischgasentkopplung“. Elektronisch gesteuerte Geräte leiten das Frischgas nur während der Exspirationsphase in das Patientensystem. Durch die verbesserte Technik ist es möglich, den Frischgasfluss sehr stark zu reduzieren.
Sinkt der Frischgasfluss unter 1 l/min spricht man von „Low-flow-Anästhesie“, bei einem Fluss unter 500 ml/min von „Minimal-flow-Anästhesie“.
Da unter diesen Bedingungen die Konzentrationen im Frischgas sich deutlich von den Konzentrationen im Inspirationsschenkel unterscheiden, ist ein aufwändigeres Monitoring notwendig. Neben dem Einspareffekt der Gase und Anästhetika wird eine bessere Klimatisierung der Atemgase erreicht, die durch die chemische Reaktion im CO2-Absorber noch unterstützt wird (Abschn. 2.5)
Geschlossene Systeme
Wird nur der vom Patienten aufgenommene Gasanteil ersetzt, spricht man von einem geschlossenen System. Dieses System stellt hohe Anforderungen an Monitoring und Regulierung. Dieses System ist Voraussetzung für das 2005 zugelassene Anästhesiegas Xenon, da dieses sehr teuer ist.
Vertreter dieses Systems sind die Geräte Dräger Zeus (Abb. 3), EKU Tangens 2C XE, Heinen und Löwenstein Vita Q und Taema Felix dual.
Abb. 3
Geschlossenes System. (Dräger Zeus)
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Technik der Anästhesiesysteme
Gasversorgung
Flaschenversorgung
Sauerstoff und Druckluft werden in Druckflaschen bis zu einem Druck von 200 bar (1 bar = 105 Pa) komprimiert. Der noch vorhandene Vorrat dieser Flaschen kann leicht nach folgender Formel berechnet werden:
Flaschendruck [bar] × Volumen der Flasche [l] = Vorrat an Gas [l]
Lachgasliegt bei einem Druck über 52 bar als Flüssigkeit vor. Daher kann aus der Druckanzeige nicht auf die Menge des noch vorhandenen Lachgases geschlossen werden. Der Inhalt der Druckflasche kann nur durch Wiegen ermittelt werden. Dabei entspricht 1 kg flüssiges Lachgas 500 l entspannten Lachgases. Von dem Gesamtgewicht muss noch das Leergewicht der Stahlflasche abgezogen werden. Dieses ist auf der Flasche angegeben.
Die Gase in den Flaschen werden durch einen Druckminderer (Abb. 4) auf einen Druck von 5 bar herabgesetzt. Der Druckminderer ist so konstruiert, dass er auch bei schwankendem Flaschendruck einen konstanten Druck abgibt.
Abb. 4
Druckminderer. Die Feder unter der Membran drückt diese nach oben, sodass über das Ventil aus dem Hochdruckteil Gas in die Kammer einströmen kann. Übersteigt der Druck in der Kammer den mit der Stellschraube eingestellten Wert, z. B. 5 bar, wird die Membran nach unten gedrückt und das Ventil schließt sich
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Zentrale Gasversorgung
In den modernen Kliniken erfolgt die Gasversorgung über ein Rohrleitungssystem. Diese Gasversorgung ist Bestandteil der Ausstattung des Anästhesiearbeitsplatzes und wird daher in Kap. Ausstattung des Arbeitsplatzes ausführlicher besprochen.
Gasdosierung
Die Gasdosierung der medizinischen Gase (Sauerstoff, Druckluft, Lachgas) erfolgt durch mechanisch oder elektronisch gesteuerte Feinnadelventile (Abb. 5). Bei den mechanischen Ventilen wird die Flussstärke mittels Glasröhrenrotametern angezeigt. Diese sind konisch, (der Durchmesser wird nach oben weiter), und nur für ein definiertes Gas geeicht. Je nach eingestelltem Fluss schwimmen die Messkörper in entsprechender Höhe.
Abb. 5
Gasdosiersystem
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Um die Verabreichung eines hypoxischen Gasgemisches zu verhindern, sind moderne Narkosesysteme mit einem ORC-Ventil ausgestattet (Abb. 6). Dieses Ventil ist im Lachgasschenkel der Gasdosiereinheit integriert. Sauerstoff und Lachgas drücken jeweils auf 2 miteinander verbundene Membranen und steuern so die Lachgaszufuhr. Diese wird im Bedarfsfall soweit reduziert, dass kein hypoxisches Gemisch entstehen kann.
Abb. 6
Oxygen-ratio-control-Ventil. Wird der Durchfluss durch das O2-Ventil reduziert, so verringert sich dementsprechend auch der Druck. Der dadurch erhöhte Lachgasdruck in der ORC-Ventil-Kammer schließt das Ventil entsprechend
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Die elektronischen Ventile sind werkseitig kalibriert und werden regelmäßig gewartet. Im Routinebetrieb erfolgt bei ihnen keine Messung des Flusses, d. h. es wird davon ausgegangen, dass die Abgabe stimmt.
Durch die verbesserte Dosierung und ein entsprechendes Monitoring gibt es Narkosegeräte, die in der Lage sind, den Gasfluss dem Bedarf anzupassen (z. B. Dräger Zeus im Modus „Autoflow“). Dabei variiert der Gasfluss vom Ersatz der Aufnahme durch den Patienten (geschlossenes System) bis hin zur Kompensation einer großen Leckage (defekter Tubuscuff) von 18 l/min.
Lachgassperrventil
Das Lachgassperrventil ist Bestandteil des Hochdruckteils der Narkosesysteme. Es soll verhindern, dass bei einem Ausfall der O2-Versorgung nur Lachgas in das Narkosesystem strömt (Abb. 7) und hierdurch bedingt Hypoxien bzw. Todesfälle auftreten [14].
Abb. 7
Lachgassperrventil. Die Feder schließt das Lachgasventil. Erst wenn im O2-Schenkel ein Überdruck herrscht, wird der Bolzen nach rechts gedrückt und das Lachgasventil öffnet sich
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Der strömende Sauerstoff drückt über eine Membran auf einen Bolzen, der die Lachgaszufuhr freigibt. Sinkt der Druck des Sauerstoffs unter 1 bar, so wird durch eine Feder das Lachgasventil versperrt. Es kann kein Lachgas mehr strömen.
Cave
Das Lachgassperrventil kann nicht in allen Fällen die Verabreichung eines hypoxischen Gemischs verhindern. Es ist trotzdem möglich, an der Gasdosiervorrichtung nur Lachgas aufzudrehen.
Moderne Narkosegeräten verfügen über ein „oxygen ratio control system“ (ORC; s. oben). Dieses verhindert das Auftreten eines hypoxischen Gasgemischs.
Narkosemitteldosierung
Volatile Narkosemittel werden in flüssiger Form bevorratet. Sie werden jedoch in gasförmigem Zustand in niedriger Dosierung in das Patientensystem eingeleitet. Je nach Bauart des Narkosegerätes sind unterschiedliche Dosiereinrichtungen für die Narkosemittel notwendig (Abb. 8).
Abb. 8
Verschiedene Narkosemitteldosiereinrichtungen. a Oberflächenverdampfer, b Desfluranverdampfer, c Vernebler, d elektronische Dosierung (Erklärungen Text)
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Oberflächenverdunster
Verdampfen
bezeichnet den Übergang eines flüssigen Stoffes in den gasförmigen Aggregatzustand.
Verdunsten
bezeichnet das Entweichen von Gasmolekülen aus einer Flüssigkeit unterhalb des Siedepunkts.
Ein Teil des Frischgasflusses wird über die Flüssigkeit der volatilen Anästhetika (Halothan, Enfluran, Isofluran, Sevofluran und Desfluran) geleitet und dabei aufgesättigt, während der andere Teil im Nebenfluss (Bypass) vorbeigeleitet wird. Ein Regelventil (Handrad) begrenzt den Anteil des Flusses, welcher über die Flüssigkeit streicht und steuert dadurch die Anästhetikakonzentration im Gesamtfrischgas.
Wegen der Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks der Flüssigkeit ist in dem Bypass eine Temperaturregelung integriert (Dehnungskörper bei Dräger, Bimetallstreifen bei Ohmeda). Diese Verdampfer erfordern einen kontinuierlichen Fluss, der allerdings sehr niedrig sein kann. Wegen des unterschiedlichen Gasdrucks der einzelnen Anästhetika sind die Verdampfer speziell für ein bestimmtes Anästhetikum kalibriert. Andere Mittel dürfen nicht eingefüllt werden. Um dies zu vermeiden, sind Vorratsflaschen und Verdampfer mit unverwechselbaren Anschlüssen versehen.
Der Siedepunkt von Desfluran von 23,5 °C kann von der Raumtemperatur sowohl unter- als auch überschritten werden. Um stabile, berechenbare Verhältnisse zu erhalten, kann man die Dosiereinheit abkühlen, unter Druck setzen, um den Siedepunkt zu erhöhen (Maquet Kion) oder aufheizen (Abb. 8). Im letzten Fall liegt Desfluran dann immer als Gas vor. Der Druck in der Frischgasleitung ist von der Höhe des Flusses abhängig. Dieser Druck wird in dem Differenzialdruckwandler ermittelt und der Druckregler entsprechend eingestellt, sodass die Abgabe von Desfluran der Flusshöhe angeglichen wird.
Venturisysteme
Das volatile Anästhetikum wird über eine Düse von dem darüberstreichenden Luftstrom angesaugt und vernebelt (Airbrush-Prinzip; Abb. 8). Daraufhin verdampft es sofort. Für dieses Prinzip ist ein hoher Fluss erforderlich. Dieser kann aber diskontinuierlich sein.
Elektronische Dosierung
Das volatile Anästhetikum wird in einer Kammer aufgeheizt. Der Dampf gelangt über elektronisch gesteuerte Feinnadelventile in den Frischgasfluss (Dräger Zeus, GE XY; Abb. 8).
Direkteinspritzung
Das flüssige volatile Anästhetikum wird direkt in das Kreissystem eingespritzt. Dieses Verfahren kann nur verwendet werden, wenn das Gasgemisch im System schnell umgewälzt wird (Maquet Flow-i).
Frischgaseinspeisung
In sehr vielen Geräten wird das Frischgas kontinuierlich eingespeist (z. B. Geräe der Firmen GE, Mindray, Taema, etc.) In den meisten Fällen wird das inspiratorische Volumen gemessen und dementsprechend das inspiratorische Tidalvolumen gesteuert. Bei hohem Frischgasflow kann es in der Plateauphase zum unkontrollierten Einströmen von Frischgas mit den dementsprechenden Druckanstiegen in der Lunge kommen.
Vornehmlich bei deutschen Systemen wird das Frischgas während der Inspiration in einem Reservoir gespeichert und erst in der Exspirationsphase in das System eingeleitet, die sog. („Frischgasentkoppelung“). Durch diese Technik wird das Frischgas besser ausgenutzt, da es nicht während der Exspiration ungenutzt verworfen wird.
Zur Technik der Frischgaseinspeisung: Abschn. 1.3.
CO2-Absorber
Das Kohlendioxid wird im Inspirationsschenkel des Kreisteils an Natriumkalk gebunden. Das Präparat enthält etwa 3 % NaOH, 14–18 % Wasser und >75 % Ca(OH)2.
Trocknet der Atemkalk vollständig aus, kann bei der chemischen Reaktion mit Kohlendioxid Kohlenmonoxid entstehen. Daher dürfen die Kalkbehälter nicht austrocknen (z. B. durch nicht abgedrehtem Gasfluss am Ende des Arbeitstages).
Die chemische Reaktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid läuft in Anwesenheit von Kaliumhydroxid und Bariumhydroxid wesentlich stärker ab. Daher sollten Atemkalkpräparate mit diesen Inhaltsstoffen nicht mehr verwendet werden [1].
Die Absorption von Kohlendioxid ist eine exotherme Reaktion, bei der pro absorbiertem Mol CO2 27.500 kcal Wärme entstehen. Das Volumen von 1 mol eines Gases beträgt 22,4 l.
Ein neueres Präparat (Amsorb) enthält anstelle von Natriumhydroxid geringe Anteile von Kalziumhydroxid und -sulfat. Diese soll sich gegenüber den Inhalationsanästhetika Desfluran und Isofluran inert verhalten.
Atemkalk enthält einen Indikator, der den Verbrauch durch Violettfärbung anzeigt. Diese Verfärbung kann nach einiger Zeit wieder verschwinden.
Da bei einem linearen Fluss die Strömung in der Mitte größer ist als an den Rändern, wird der Atemkalk im Inneren schneller verbraucht als außen. Die sichtbare Verfärbung täuscht einen geringeren Verbrauch vor (Abb. 9).
Abb. 9
Verbrauch des Atemkalks im Absorber. a bei linearem Fluss primär zentraler Verbrauch (verbrauchter Kalk blau dargestellt), b späterer Zeitpunkt bei linearem Fluss, c uneinheitlicher Verbrauch bei nicht gleichmäßiger Füllung
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Bei nicht gleichmäßiger Füllung kann in dem Kalkabsorber der Strom nicht gleichmäßig sein, sodass sich eine Straße aus verbrauchtem Kalk bilden kann, die evtl. von außen nicht gesehen wird.
Die Verfärbung des Atemkalks ist daher nur ein grober Indikator für seinen Funktionszustand. Mit dem modernen Narkosegerätmonitoring wird aber auch die inspiratorische CO2-Konzentration überwacht. So ist eine gute Ausschöpfung des Atemkalks möglich, insbesondere dann, wenn der Kalkabsorber während des Betriebes gewechselt werden kann.
Patientensystem
Zum Patientensystem gehören:
In- und Exspirationsschlauch,
Kreissystem,
In- und Exspirationsventil,
Handbeatmungsbeutel,
Beatmungsbalg,
Bakterienfilter und HME („heat and moisture exchanger“ = künstliche Nase, [optional]).
Ventilator
Der Ventilator ist der mechanische Teil des Systems, welcher das Atemzugvolumen maschinell verabreicht. Die heutigen Geräte sind zeitgesteuert, d. h. Inspirations- und Exspirationszeit werden durch die Atemfrequenz und das I:E-Verhältnis vorgegeben. Die Inspirationszeit unterteilt sich nochmals in Insufflationszeit (Einblaszeit) und Pausendauer. Der Antrieb erfolgt entweder über Gas-, Kolben- oder Turbinenantrieb.
Gasantrieb
Der Beatmungsbalg wird durch Druckluft ausgedrückt. Dabei kann es sich um einen Balg in einem Behälter („Bag-in-bottle“-System der meisten Narkosegeräte) handeln oder um eine Kammer, die durch eine bewegliche Membran getrennt ist (z. B. Heinen und Löwenstein Vita Q). Bei diesem Gerät wird das Antriebsgas im Gerät von einer Turbine erzeugt. Es ist daher nicht auf eine Versorgung mit Druckgasen angewiesen.
Eine Sonderform ist das Gerät Maquet Flow-i. Bei diesem Gerät gibt es keine mechanische Trennung zwischen Patientengas und Antriebsgas. Das Antriebsgas ist hier Sauerstoff. Bei Leckagen im Atemsystem werden diese durch das Antriebsgas kompensiert. Diese Leckagen werden nicht angezeigt, und es kommt zu einem unkontrolliertem Anstieg der O2-Konzentration und einem Abfall der volatilen Gaskonzentration.
Die Ausdrückgeschwindigkeit, und dadurch die Insufflationszeit, werden durch die Höhe des Arbeitsflusses bestimmt. Die Länge der inspiratorischen Pause verhält sich dementsprechend entgegengesetzt.
Bei Geräten, die nur den volumenkonstanten Beatmungsmodus besitzen, wird der Balg komplett ausgedrückt und so das kompressible Gerätevolumen möglichst klein gehalten. Bei Geräten, die auch eine druckkontrollierte Beatmung anbieten, wird der volle Balg nur z. T. geleert, da während der druckkontrollierten Beatmung das Atemzugvolumen nicht bestimmbar ist.
Kolbenantrieb
Bei dieser Antriebstechnik wird das Atemzugvolumen in einer Kolbenkammer gespeichert. Der Kolbenantrieb erfolgt über einen Keilriemen, der mit einem Elektromotor verbunden ist (z. B. Dräger Cato oder Primus) oder mit einem Schneckenantrieb (z. B. Megamed Mivolan).
Turbinenantrieb
In dem Patientensystem ist eine Turbine integriert, die das Volumen im Kreissystem ständig in eine Richtung fließen lässt. Ein gerichteter hoher Fluss durch eine Turbine gewährleistet eine Reinigung von Kohlendioxid und gleiche Gaskonzentrationen im gesamten System. Dieser hohe Gaswechsel hat den Nebeneffekt, dass sich der Atemkalk nicht so stark aufheizt wie in herkömmlichen Systemen. Die Gefahr der Compund-A-Bildung bei der Nutzung von Sevofluran ist daher geringer.
Die Exspiration wird von einem Proportionalventil gesteuert. Wird das Exspirationsventil geschlossen, strömt das geförderte Gasgemisch in die Patientenlunge. Beim Öffnen des Ventils kommt es zu einem Druckabfall, welcher den Patienten ausatmen lässt. Dieses System kommt ohne Patientenkammer aus und hat daher ein kleines Gerätevolumen (z. B. Dräger Perseus, Zeus).
Monitoring
Volumenmessung
Zur Volumenmessung wird heute von den meisten Firmen ein Pneumotachograph eingesetzt (Abb. 10). Das Hitzdrahtanemometer wird ausschließlich bei Geräten der Firma Dräger eingesetzt und hat wegen der großen Verbreitung dieser Geräte einen hohen Stellenwert. Der Drallkörper kommt auch noch in einigen Geräten zum Einsatz.
Abb. 10
Volumenmesser. a Pneumotachograph, b Hitzdrahtanemometer, c Drallkörper
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Pneumotachograph
In dem Gasfluss ist ein Strömungswiderstand eingebaut. Der Druck ist nach dem Widerstand kleiner. Dieser Druckunterschied wird als Fluss umgerechnet. Bei dieser Methode ist auch die Richtung des Gasflusses erkennbar.
Hitzdrahtanemometer
Im Gasstrom befinden sich 2 Drähte. Der eine wird auf eine konstante Temperatur aufgeheizt, der zweite dient als Temperaturfühler. Bei einem vorbeifließenden Luftstrom kühlt sich der geheizte Draht proportional zum Fluss ab. Er wird wieder aufgeheizt und dieser zusätzliche elektrische Strom wird als Gasfluss angegeben. Die Flussrichtung kann bei dieser Methode nicht erkannt werden.
Ultraschallmessung
Der Gasstrom wird durch Ultraschall gemessen (Maquet Flow-i). Diese Methode hat den Vorteil, dass der Atemwegswiderstand genauso wie beim Hitzdrahtanemometer nicht beeinflusst wird, aber eine Flussrichtung erkennbar ist.
Druckmessung
Die Druckmessung erfolgt heute durch druckabhängige elektrische Widerstände.
Sauerstoffkonzentrationsmessung
Die O2-Konzentrationsmessung wird heute überwiegend mit 2 Verfahren durchgeführt. Der preiswerteren, sich aber verbrauchenden galvanischen Zelle steht die teurere, schnellere, sich nicht verbrauchende paramagnetische Messung gegenüber.
Galvanische Zelle
Die galvanische Zelle funktioniert ähnlich wie eine Batterie. Allerdings ist die Spannung abhängig von der O2-Konzentration, die durch eine semipermeable Membran in die Zelle eindringt. Die Zelle wird dabei verbraucht. Daher sollte am Ende der Narkose die O2-Zelle der Raumluft ausgesetzt werden.
Paramagnetische O2-Messung
Sauerstoff besitzt im Gegensatz zu anderen Gasen paramagnetische Eigenschaften. Diese werden ausgenutzt, um die O2-Konzentration zu messen. In dem Messgerät werden über 2 Kapillaren das zu messende Gasgemisch und ein Referenzgas (Raumluft) in einem gepulsten elektromagnetischen Feld zusammengeführt. Dabei entsteht in den beiden Kapillaren eine von der SO2-Differenz abhängige Druckdifferenz. Diese wird dann elektronisch aufgearbeitet und als Konzentration angegeben.
Kapnometrie
Die Messung der CO2-Konzentration erfolgt durch Infrarotabsorptionsspektrometrie. Asymmetrische Moleküle wie Kohlendioxid, Lachgas und Wasserdampf absorbieren viel Infrarotlicht. Die symmetrischen Moleküle wie Sauerstoff und Stickstoff tun dies nicht. Daher wird diese Methode zur Messung der CO2-Konzentration benutzt; diese muss dann um die entsprechende Lachgaskonzentration korrigiert werden.
Bei der Hauptstromkapnometrie misst der Infrarotsensor das gesamte Patientengas. Dabei wird rechnerisch der Messwert um die gesättigte Wasserdampfkonzentration in der Exspirationsluft korrigiert. In Anwesenheit von Lachgas erfolgt die weitere Korrektur durch einen festen Faktor. Daher ist diese Methode etwas ungenauer.
Anästhetika
Die Gasprobe wird in eine Sensorkammer des Monitors gepumpt. In dieser Kammer befinden sich 2 piezoelektrische Kristalle, die mit der für sie charakteristischen Eigenfrequenz oszillieren. Einer der beiden Kristalle gibt die Bezugsfrequenz ab. Der andere Kristall, welcher die spezielle Eigenschaft besitzt, Anästhetikamoleküle zu absorbieren, ändert seine Frequenz proportional zur jeweiligen Gaskonzentration. Der Frequenzunterschied der beiden Kristalle wird elektronisch gemessen und als Konzentration ausgegeben.
Sicherheitsanforderungen
An die Sicherheitsanforderungen der Narkosesysteme werden vom Gesetzgeber (vgl. [3]) hohe Ansprüche gestellt. Die folgenden Alarm- und Schutzvorrichtungen sollen geräteseitige Gefährdungen des Patienten ausschließen:
Energieausfallalarm,
O2-Versorgungsalarm.
Diese Alarmsysteme sind eine mechanische (Abb. 11) oder elektrische Alarmeinrichtung, die bei einem Abfall des O2-Drucks in der Versorgungsleitung ertönt und nicht unterdrückt werden kann:
Abb. 11
O2-Mangelsignal. a Betriebszustand, b Druckverlust. Bei normalem Druckbetrieb wird im Reservoir ein Druck aufgebaut. Bei einem Druckabfall drückt die Feder die Membran nach unten, und das Umschaltventil öffnet den Weg zwischen Reservoir und Pfeife. Solange im Reservoir noch ein Überdruck herrscht, ertönt die Pfeife
inspiratorische O2-Messung mit Alarmfunktion,
inspiratorische Anästhesiegasmessung mit Alarmfunktion,
Atemwegsdrucküberwachung mit Alarmfunktion,
Überwachung des exspiratorischen Volumens mit Alarmfunktion,
Diskonnektionsalarm,
Kapnometrie,
Überdruckventil.
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Beatmungsgeräte
Alle heute verwendeten Intensivbeatmungsgeräte sind „offene Systeme“.
Als Funktionsprinzip kommt heute fast ausschließlich das sog. „Flowzerhacker“-Prinzip zur Anwendung. Dieses sind schnell reagierende Ventile (Ansprechzeit ca. 6 ms), die das Hochdruckgas in winzige Portionen zerlegen und durch elektronische Steuerung der Öffnungs- und Schließungszeiten jede gewünschte Flowform und -stärke modulieren können (Abb. 12).
Abb. 12
Funktionsschema eines Flowzerhackers. (Balken: Öffnungszeiten des Ventils, hellblaue Fläche: effektiver Fluss) a hoher Rechteckflow, b niedriger Rechteckflow, c Sinusflow, d deszendierender Flow
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Pumpeninfusionssysteme
Da Medikamente zur Narkoseführung immer mehr kontinuierlich verabreicht werden (insbesondere für die totale intravenöse Anästhesie, TIVA), sind hierfür Pumpeninfusionssysteme notwendig. Sie fallen daher im erweiterten Sinne auch unter die Narkosesysteme.
Gerätetypen
Spritzenpumpen
Medikamente und kleinere Flüssigkeitsmengen werden über Spritzenpumpen (meist 50-ml-Spritzen) verabreicht (Abb. 13). Der Antrieb der Spritzenpumpen besteht aus einer Schneckenstange, die durch einen elektronisch gesteuerten Schrittmotor angetrieben wird. Bei den neueren Spritzenpumpen ist in der Kolbenaufnahme ein Druckaufnehmer eingebaut. Wird dann beim Vortrieb des Spritzenkolbens ein eingestellter Druckwert überschritten, stoppt die Spritzenpumpe, es wird ein Alarm ausgelöst und der Kolben fährt etwas zurück, um den Druck in der Spritze wieder abzubauen.
Abb. 13
Schematischer Aufbau einer Spritzenpumpe
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Cave
Ältere Spritzenpumpen bauen bei einem Druckalarm einen hohen Druck in der Spritze nicht ab, sodass nach Beseitigung des Infusionshindernisses ungewollt ein Bolus appliziert werden kann.
Bei Höhenveränderungen der Spritzenpumpe relativ zum Patienten kann es kurzzeitig zum Infusionsstopp (Pumpe wird tiefer gelagert) oder einer Bolusgabe (Pumpe wird höher gelagert) kommen. Dies wird durch Lufteinschlüsse in der Pumpe noch verstärkt [9].
Infusionspumpen
Größere Infusionsmengen werden über Infusionspumpen verabreicht (Abb. 14). Dabei gibt es 2 verschiedene Antriebssysteme, die Rollerpumpe und die Peristaltikpumpe. Beiden gemeinsam ist, dass der Infusionsschlauch auf einer Seite an einer festen Wand anliegt und auf der anderen Seite von einem beweglichen Mechanismus zusammengedrückt wird. Dieser bewegt sich in Richtung Patient und transportiert so den Inhalt im Infusionsschlauch.
Abb. 14
Infusionspumpensysteme. a Rollerpumpe, b Peristaltikpumpe
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Bei der Rollerpumpe ist dies ein Rotor. Dieses System ist etwas ungenauer, andererseits können damit auch größere Mengen in schnellerer Zeit verabreicht werden.
Bei der Peristaltikpumpe komprimieren hintereinander geschaltete Lamellen den Infusionsschlauch und sorgen so für einen gerichteten Flüssigkeitstransport. Sie arbeiten genauer als die Rollerpumpe, können aber nicht so große Flüssigkeitsmengen transportieren.
Alle Infusionspumpen sind mit einem Tropfendetektor, der frühzeitig eine leere Flasche entdeckt, einer Erkennung für Luft im System und einem Überdruckalarm ausgestattet.
TCI-Geräte
Bei der „target controlled infusion“ (TCI) wird versucht, bei einem Patienten einen voreingestellten Plasmaspiegel eines Medikaments (z. B. Propofol) zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Dazu dienen computerkontrollierte Systeme, in denen die pharmakokinetischen Daten des entsprechenden Pharmakons implementiert sind und zusätzlich die patientenindividuellen Daten eingegeben werden können. Diese steuern bei Änderung der Zielgröße die Infusionsraten entsprechend, um diese Konzentration zu erreichen und zu halten. Gute pharmakokinetische Modelle erzielen dabei in etwa 75 % der Patienten die vorhergesagte Konzentration [2].
Der klinische Wirkspiegel weist bei den meisten Medikamenten eine große interindividuelle Spannbreite auf. Daher müssen die effektiven Plasmaspiegel patientenorientiert angesteuert werden, sodass die Abweichung vom theoretischen Wert nicht so stark ins Gewicht fällt, solange die Plasmaspiegel über der Zeit konstant bleiben. Dies wird in den Untersuchungen bestätigt. Auch klinisch sah man einen Vorteil, da in dieser Gruppe z. B. weniger Patientenbewegungen festzustellen waren [4].
Komplikationen
Gefahren der Parallelinfusion
Bei der parallelen Benutzung von maschinell verabreichten Lösungen und frei tropfenden Lösungen (Schwerkraftinfusionen) kann es bei Verschluss der Infusionsleitung zu einem Hochpumpen der maschinellen Lösungen in die freie Infusion kommen, ohne dass ein Alarm erfolgt. Nach Beseitigung des Stopps erhält der Patient dann einen Bolus. Daher wird empfohlen, zwischen der frei tropfenden Infusion und den maschinellen Infusionen ein Rückschlagventil einzubauen [6].
Außerdem muss bedacht werden, dass durch eine Änderung der Infusionsrate einer Komponente die Zufuhrrate aus den anderen Komponenten sich vorübergehend gleichsinnig verändert. Die Zusammenführung der einzelnen Leitungen sollte daher möglichst patientennah erfolgen.
Literatur
Zitierte Literatur
1.
Baum J, Van Aken H (2000) Die Wahl des „richtigen Atemkalks“. Anästhesiol Intensivmed 41:648
2.
Coetzee JF, Glen JB, Wium CA, Boshoff L (1995) Pharmacokinetic model selection for target controlled infusions of propofol. Anesthesiology 82:1328–1345CrossRefPubMed
3.
EN 740 Anästhesiearbeitsplätze und ihre Module (1998) CEN, Europäisches Kommitee für Normung, Brüssel
4.
Fechner J, Albrecht S, Ihmsen H et al (1998) Prädiktivität und Präzision einer „Target-controlled infusion“ (TCI) von Propofol mit dem System „Disoprifusor TCI“. Anästhesist 47:663–668CrossRef
5.
Fritsch N, Nouette-Gaulaulain K et al (2009) Target-controlled inhalation induction with sevoflurane in children. Paediatr Anaesth 19:126–132CrossRefPubMed
6.
Mehrfachinfusion mit Schwerkraft- und Pumpeninfusionssystemen. (1992) 2. Stellungnahme der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik. Beilage zur Gebrauchsanweisung der Spritzenpumpen, Fa. Braun, Melsungen
7.
Moyer J (1953) A nomenclature for methods of inhalation anesthesia. Anesthesiology 14:609CrossRef
8.
Schreiber P (1972) Anaesthesia equipment: performance, classification and safety. In: Frey B, Kern F, Mayerhofer O (Hrsg) Anaesthesiology and resuscitation, Bd 59. Springer, Berlin/Heidelberg/New York, S 73
9.
Schulz G, Fischer J, Neff T, Bänziger O, Weiss M (2000) Auswirkungen von Luftbläschen in der Infusionsspritze auf die Funktion von Spritzenpumpen. Anästhesist 49:1018–1023CrossRef
Weiterführende Literatur
10.
Ehrenwerth J, Eisenkraft JE, Berry JM (2013) Anesthesia equipment Principles und Applications. Saunders WB
11.
Dorsch JA, Dorsch SE (1998) Understanding anesthesia equipment. Williams & Wilkins, Baltimore
12.
Moyle JTB, Davey A (1998) Ward’s anaesthetic equipment. Saunders, London/Philadelphia
13.
Schmerbauch H (1989) Narkosegeräte und Zubehör. Schlüter, Hannover
14.
Herff H, Paal P, Lindner KH et al (2008) Lachgasbedingte Todesfälle. Komplikationen durch Verwechselungen in der Lachgaszufuhr. Anaesthesist 57:1006–1010CrossRefPubMed
