Wirkung der nicht-invasiven Beatmung (NIV) auf die zerebrale Sauerstoffversorgung

HINTERGRUND

Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist eine nicht-invasive Methode zur Messung des Blutflusses in Geweben, die erstmals 1977 für die Sauerstoffversorgung von zerebralem Gewebe verwendet wurde ein Detektor. In den letzten 20 Jahren gab es eine enorme Entwicklung in der Instrumentierung und Anwendung von NIRS. Diese Technik ermöglicht nun die Messung der Sauerstoffversorgung des Gehirngewebes. 2-13 Das INVOS Brain Oxymeter (IBO) ist ein zuverlässiger Trendmonitor für Veränderungen der regionalen zerebralen Oxygenierung (rSO2) und korreliert mit der Hämoglobinsättigung in venösem, kapillarem und arteriellem Blut unter Verwendung eines Algorithmus, der auf dem Beer-Lambert-Gesetz basiert. 4,14 Das IBO-System verwendet Licht mit Wellenlängen zwischen 730-810 nm, das Schichten des menschlichen Körpers durchdringt, darunter die Haut, den Schädel und das Gehirn. Es wird entweder im Gewebe verstreut oder von vorhandenen Chromophoren absorbiert. Im eher transparenten nahen Infrarotbereich gibt es viele lichtabsorbierende Chromophore, aber nur drei sind für die Oxygenierung wichtig, nämlich Hämoglobin (HbO2), Desoxyhämoglobin (Hb) und Cytochromoxidase (CtOx). Oxygeniertes und deoxygeniertes Hämoglobin absorbieren Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen, was eine Unterscheidung dieser beiden Formen von Hämoglobin ermöglicht.15 Die Sensoren ("SomaSensors") werden mit einem integrierten medizinischen Kleber auf der Stirn des Patienten angebracht.16 Das Verfahren wird angewendet, indem zwei Quelle-Detektor-Abstände im Sensor verwendet werden: ein "naher" (flacher), 3 cm von der Quelle entfernter und ein "ferner" (tiefer), 4 cm von der Quelle entfernter. Beide Proben dringen gleich gut in das Gewebe unter der Lichtquelle ein, mit dem Unterschied, dass der 4-cm-Quellendetektor Signale tiefer im Gehirn misst.8,17 Die Subtraktion der nahen Probe von der fernen sollte ein Signal zurücklassen, das hauptsächlich aus der Hirnrinde stammt. 16 Das richtige Management der Sauerstoffversorgung des Gehirns ist ein wesentlicher Bestandteil aller anästhesiologischen Verfahren. Dennoch bleibt das Gehirn während der perioperativen Phase und der intensivmedizinischen Therapie eines der am wenigsten überwachten Organe. Bisher wurde die anästhesiologische Anwendung von NIRS als Methode zur Messung der zerebralen Oxygenierung nur bei Patienten nach Herzoperationen oder zerebrovaskulären Operationen, älteren Patienten nach größeren Bauchoperationen und Neugeborenen untersucht. 18-21 Diese Studien weisen darauf hin, dass die gemessene zerebrale Oxygenierung zusätzlich zum Herzzeitvolumen durch den relativen Blutanteil im arteriellen oder venösen Teil des Kapillarbetts, die Hämoglobinkonzentration und die systemische Sättigung beeinflusst wird. Die genauen Auswirkungen von Veränderungen der systemischen Sättigung (SaO2) auf die zerebrale Oxygenierung (rSO2) sind noch unbekannt. Es ist eine aktuelle Annahme, dass rSO2 direkt mit SaO2 assoziiert ist, sodass eine Erhöhung von SaO2 auch zu einer Erhöhung von rSO2 führt. Die Sauerstoffmenge im arteriellen Blut hängt vom eingeatmeten Sauerstoff und dem pulmonalen Gasaustausch ab. Diese beiden Parameter werden in erster Linie von der individuellen Atembeatmung beeinflusst. Patienten mit chronischer respiratorischer Insuffizienz oder nur einer vorübergehenden (akuten) Ateminsuffizienz (z. B. nach Vollnarkose) werden routinemäßig mit einer CPAP-Therapie (Continuous Positive Airway Pressure) behandelt. Es wird auch häufig zur Behandlung von Schlafapnoe und bei Neugeborenen (insbesondere Frühgeborenen) eingesetzt. Bei diesen Patienten kann die CPAP-Beatmung die Notwendigkeit einer trachealen (Re-)Intubation verhindern oder eine frühere Extubation ermöglichen.

Die CPAP-Therapie wurde 1971 von Dr. George Gregory und Kollegen auf der Neugeborenen-Intensivstation der University of California in San Francisco entwickelt 22 und dann 1981 von Professor Colin Sullivan am Royal Prince Alfred Hospital in Sydney, Australien, modifiziert. 23 Anfänglich wurde die CPAP-Therapie hauptsächlich zur häuslichen Behandlung der obstruktiven Schlafapnoe eingesetzt. Heutzutage wird es häufig auf Intensivstationen als eine Form der nicht-invasiven mechanischen Beatmung eingesetzt. Dort ist sie meist Untergruppen von Patienten vorbehalten, bei denen die Sauerstoffbehandlung über eine Gesichtsmaske nicht ausreicht. Patienten unter CPAP-Therapie werden auf der Intensivstation engmaschig überwacht. Die Behandlung unterstützt die Spontanatmung des Patienten durch den Aufbau eines positiven endexspiratorischen Drucks (PEEP). Der von den meisten Patienten benötigte Druck liegt zwischen 5 und 12 cmH2O. Der Patient kann seine eigene Atemfrequenz sowie die Atemtiefe individuell bestimmen.

Ziele:

Primäres Studienziel ist die Untersuchung der Wirkung der CPAP-Therapie auf rSO2 in Bezug auf die Vitalparameter Hämoglobin, SaO2 (analysiert durch BGA) und SpO2. Diese kombinierten Messungen können verwendet werden, um die Wirkung der CPAP-Therapie auf rSO2 weiter zu beschreiben. Bisher wurde diese Art von Studie nicht an Patienten auf der Intensivstation durchgeführt. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, neue Erkenntnisse über den Einfluss der CPAP-Therapie auf die zerebrale Sättigung zu gewinnen. Zusätzlich werden Unterschiede in SaO2 und Vitalparametern mit dem rSO2 korreliert. Auch das Auftreten von Erbrechen und Übelkeit, Kopfschmerzen und Unruhe während der CPAP-Therapie wird registriert.

Die folgenden Parameter werden gemessen, berechnet und im CRF (Fallberichtsformular) notiert:

• Blutdruck (BP)
• Herzfrequenz (HR) und Rhythmus
• rSO2 (linke und rechte Hemisphäre)
• BGA: arterieller Sauerstoffpartialdruck (PaO2)
• BGA: pH, Elektrolyte (Na, K, Ca), Glukose, Laktat, SaO2
• BGA: Hb, Hk, MetHb, CoHb, SO2, pCO2, BE, SBC
• Beatmung: CPAP, MV, RR, TV, Druckunterstützung, Pmean
• ASA-Klassifizierung: 1-6
• Körperliche Störungen unter CPAP mit ja oder nein, wenn ja angegeben:

Augen, Ohren, Nase, Hals Atemwege Herz-Kreislauf-Muskel-Skelett-Urogenitaltrakt Haut Endokrine Neurologisch Psychiatrische Hypothese

Null- und Alternativhypothese:

H0: Es gibt KEINE Änderung von rSO2 während der CPAP-Therapie. H1: Es gibt eine Änderung von rSO2 während der CPAP-Therapie. Fehler 1. und 2. Art und Trennschärfe α = 0,05 Trennschärfe = 0,9 Zwischenanalyse

• Statistische Methodik Randomisierte, beobachtende, experimentelle, monozentrische klinische Studie.
• Berechnung der Stichprobengröße:

Gepaarter t-Test, Mittelwert der Differenz: 5 %, SD der Differenz: 10 %; Effektgröße von 0,5; eine Fehlerwahrscheinlichkeit zweiseitig: 0,05; Leistung: 0,9; Gesamtstichprobengröße: 50 Patienten. (5% Drop-out-Rate inbegriffen).

METHODEN In diese randomisierte klinische Studie werden 50 Probanden ab 18 Jahren aufgenommen, die sich einer Behandlung auf einer Intensivstation der Medizinischen Universität Wien (13C1, 13C2, 13C3, 13B1, 13I1, 9D, E11 (Neurochirurgische Intensivstation)) unterziehen und eine intermittierende CPAP-Therapie benötigen. Weder der Antragsteller noch der klinische Prüfer werden an der Entscheidung über die Indikation zur CPAP-Therapie beteiligt.

Die Studie wird gemäß der Deklaration von Helsinki (1964) und den Richtlinien für gute klinische Praxis (GCP) sowie den Empfehlungen der Website des Equator-Netzwerks einschließlich aktueller Überarbeitungen durchgeführt. Das Studienprotokoll wird der Ethikkommission der Medizinischen Universität Wien zur ethischen Genehmigung vorgelegt. Die Studie wird bei clinicaltrials.gov registriert. Die Teilnahme an der klinischen Studie erfolgt unabhängig von der medizinischen Indikation für den Aufenthalt des Patienten auf der Intensivstation. Vor der Zulassung zur Studie muss der Proband der Teilnahme zugestimmt haben, nachdem ihm Art, Umfang und mögliche Folgen des Verfahrens in für ihn verständlicher Form erläutert wurden. Der Patient muss mündlich und schriftlich zustimmen. Die Zustimmung der Person wird mit der Unterschrift des Prüfers bestätigt. Alle Namen der Versuchspersonen werden in den Akten der Ermittler geheim gehalten. Die Probanden werden durch Dokumentation und Bewertung in der ihnen während der Studie zugewiesenen Anzahl identifiziert. Die Teilnehmer werden darauf hingewiesen, dass die gesamten Studiendaten gespeichert und vertraulich behandelt werden. Es wird ein Datenprotokoll anhand eines Fallberichtsformulars verwendet.

Die Probezeit beträgt 30min. Die Studie beginnt 15 Minuten vor CPAP und endet, wenn das rSO2 des Patienten unter CPAP-Therapie einen stabilen Zustand erreicht (keine Veränderung des rSO2 ± 2 % für 3 Minuten, maximal 15 Minuten). Die Teilnehmer müssen nicht an Folgebesuchen teilnehmen.

Diese Studie wird an Patienten mit gutem Zugang zur Stirn durchgeführt. Die NIRS-Messung (IBO) wird am frontalen Kortex auf beiden Seiten des Kopfes durchgeführt. Emissions- und Detektionssonden müssen angeschlossen werden, nachdem die Stirn des Patienten mit einem weichen Tuch oder Wattepad abgewischt wurde. Während der gesamten Untersuchung werden die SaO2, der Blutdruck (kontinuierlich invasiv oder nicht invasiv in 3-Minuten-Intervallen) und das EKG aufgezeichnet. Diese Vitalfunktionen sind Teil der routinemäßigen Überwachung auf der Intensivstation. Die Studie besteht aus zwei Teilen, d. h. mit oder ohne Beatmungsunterstützung. Die Reihenfolge des Beginns der Studie mit oder ohne CPAP-Therapie wird randomisiert. Während jedes Teils werden die Messungen durchgeführt, bis ein stationärer Zustand erreicht ist (keine Änderung von rSO2 ± 2 % für 3 min), jedoch mit einer maximalen Dauer von 15 min. Die Untersuchung ist sicher, nicht-invasiv, schmerzfrei und kann durch tragbare Geräte sehr flexibel, schnell und kostengünstig durchgeführt werden. Die Daten werden sowohl von der rechten als auch von der linken Hemisphäre gesammelt.

Das Gerätesystem darf nur in Übereinstimmung mit dem genehmigten Prüfplan und dem CE-Zertifikat bei Probanden verwendet werden, die eine CPAP-Therapie erhalten und eine Einverständniserklärung unterzeichnet haben. Die Verwendung des Geräts ist auf zugelassene Prüfärzte beschränkt. Nach jedem Untersuchungsintervall wird eine BGA durchgeführt.

Der Grund, warum diese Studie an Intensivpatienten durchgeführt wird, ist der folgende. Patienten mit respiratorischer Insuffizienz, die eine Atemunterstützung benötigen, werden selten auf normalen Krankenhausstationen untergebracht, da die Installation eines Beatmungsgeräts mit zusätzlichem CPAP-Modus von spezialisiertem Personal durchgeführt werden muss. Darüber hinaus benötigen diese Patienten eine engmaschige Überwachung, die auf der Intensivstation gewährleistet werden kann.

Schwangere sowie Personen mit schweren Herzklappen- oder neurologischen Erkrankungen werden nicht in die Beobachtungsstudie aufgenommen.

Nach Prüfung der Indikation zur CPAP-Therapie und Prüfung der Ein- und Ausschlusskriterien werden die Patienten für die Studie rekrutiert.

Die Studie wird in zwei Datenerhebungsteile unterteilt, die beide in einer Sitzung durchgeführt werden.

1. 15 Minuten vor CPAP:

   • Beginn der Datenerfassung entweder der kontinuierlichen arteriellen Blutdruckmessung (ABP)
   • oder nicht-invasiv (NIBP) bis Studienende
   • Starten der NIRS-Messung auf beiden Gehirnhälften (INVOS 5100C), bis das Verfahren abgeschlossen ist
   • Entnahme einer arteriellen oder venösen (je nach Zugang) Blutprobe für eine Blutgasanalyse (BGA)

2. 15min mit CPAP:

   • Die unter Punkt 1 durchgeführten Messungen (ABP/NIBP, NIRS) werden fortgesetzt
   • Entnahme einer weiteren arteriellen oder venösen (je nach vorhandener Leitung) Blutentnahme für eine BGA

Die Reihenfolge von Punkt 1. und 2. (ohne oder mit CPAP) wird bei demselben Patienten in Gruppe 1 und Gruppe 2 randomisiert.

OPERATIVE ZIELE

1. 1. Jahr: Ausarbeitung des Studienvorschlags. Ziele: - Literaturrecherche und Literaturrecherche

   • Ausarbeitung des Studienvorschlags
   • Detaillierte Planung der Realisierung des Projektes

   Kurzbeschreibung: Aktuelle Literatur zu CPAP-Therapie, NIRS und rSO2 wird gesichtet. Die genaue Planung der Durchführung der Studie beginnt nach Erhalt des positiven Votums der Ethikkommission. Nach Literaturrecherche und Durchführung von Vormessungen wird ein ausführliches Studienprotokoll erstellt.

2. Jahr: Initiierung des Projekts

   Ziele: - Durchführung vorläufiger Messungen und Verfeinerung des Studienprotokolls

   • Durchführung der Studie
   • Auswertung der Ergebnisse

   Kurzbeschreibung: Vorläufige Messungen mit NIRS werden durchgeführt, danach wird das Studienprotokoll verfeinert. Gemäß angepasstem Protokoll wird die Studie auf den Intensivstationen der MUW durchgeführt.

3. . Jahr: Projektabschluss, statistische Auswertung; Dateninterpretation und Schreiben der Diplomarbeit.

Ziele: - Auswertung von Daten

• statistische Analyse
• Interpretation der Ergebnisse
• Erstellung einer vorläufigen Fassung der Dissertation
• Überarbeitung der Arbeit nach Stellungnahme der Betreuer
• Verfassen einer Forschungsarbeit zur Veröffentlichung der Studienergebnisse

Kurzbeschreibung: Nach Abschluss der Studie werden alle erhobenen Daten ausgewertet und statistisch ausgewertet. Zukünftige Folgestudien, die auf diesen Ergebnissen basieren, werden entworfen. Dem Bewerber wird Zeit zur Bearbeitung seines Forschungsvorhabens im Rahmen der Forschungsgruppe „Lunge“ gewährt.

Kooperationen Das Projekt wird an der Universitätsklinik für Anästhesie, Allgemeine Intensivmedizin und Schmerztherapie der MUW durchgeführt.

Ausblick und weitere Projekte

Mehrere Projekte, die sich auf die Auswirkungen von rSO2-Änderungen in anderen Umgebungen konzentrieren, sind möglich:

• Therapie auf der Intensivstation
• Vollnarkose

LITERATUR 1-23