Narkosesysteme -technische Konzepte und Funktion

Jan A. Baum

St. Elisabeth-Stift,Damme

Das Narkosesystem ist die interaktiveSchnittstelle zwischen dem Narkosegerät, dem Narkosebeatmungsgerät und demPatienten. Narkosesysteme haben folgende Funktion:

¨ Zubereitung des Narkosegases,

¨ Trennung des Narkosegases von derUmgebungsatmosphäre,

¨ Elimination des ausgeatmetenKohlendioxidsdurch Ableitung (Nicht-Rückatemsysteme) oder CO₂-Absorption(Rückatemsysteme),

¨ Klimatisierung der Narkosegase,

¨ Bildung eines Narkosegasreservoirs,

¨ Zuleitung der Narkosegase zumPatienten.

1. Differenzierung der Narkosesysteme entsprechend dertechnisch-konstruktiven Konzeption:

1.1 Systeme ohne Reservoir

Die Systeme ohne Reservoirgewährleisten keine Trennung zwischen den Narkosegasen und derUmgebungsatmosphäre. Eine exakte Kontrolle der appliziertenNarkosegaskonzentrationen ist nicht möglich, möglich hingegen derunkontrollierte Zutritt von Außenluft.

Systeme ohne Reservoir sind durch einfachstentechnischen Aufbau gekennzeichnet, sie bieten geringsten Atemwiderstand.Beispiele: Insufflationssysteme, wie z. B.der Davies-Meyer-Insufflationsspatel,und die Narkosemasken zur Tropfnarkose mit Chloroform und Äther, wie z. B. dieSchimmelbuschmaske.

1.2 Nicht-Rückatemsysteme

Bei den Nicht-Rückatemsystemen fehltein apparatives Element zur Absorption des in der Ausatemluft enthaltenenKohlendioxids. Sie sind somit vom technischen Konzept her nicht auf dieWiederverwendung der in der Ausatemluft enthaltenen unverbrauchten Narkosegaseangelegt.

1.2.1 Flowgesteuerte Nicht-Rückatemsysteme

Die Elimination derkohlendioxidhaltigen Ausatemluft erfolgt bei den flowgesteuertenNicht-Rückatemsystemen durch einen adäquat hohen Frischgasstrom: dieser kanndem Strom der Ausatemluft gleichgerichtet (Spülgassysteme) oder entgegengerichtet sein (Syteme mitAusatemventil). Die Vorteiledieser Systeme werden in ihrem einfachen technischen Aufbau und dem geringenAtemwiderstand gesehen. Die flowgesteuerten Nicht-Rückatemsysteme, die nacheiner von Mapleson vorgegebenen Einteilung differenziert werden, werden heutein Deutschland kaum noch in der Klinik eingesetzt.

Die Effektivität flowgesteuerterNicht-Rückatemsystemenwird mit dem niedrigsten Frischgasfluß beschrieben, mitdem die Rückatmung kohlendioxidhaltiger Ausatemluft sicher verhindert wird.Dabei ist der Grad der Auswaschung kohlendioxidhaltiger Ausatemluft bei denflowgesteuerten Nicht-Rückatemsystemen abhängig von:

¨ der Systemgeometrie (Anordnung vonFrischgaseinlaß, Reservoirbeutel und Ausatemventil sowie der Dimensionierungdes Systems),

¨ dem Atemmuster (Tidalvolumen,Atemzeitverhältnis, Atemfrequenz, Dauer der exspiratorischen Pause, Totraum),

¨ der Art der Atmung (Spontanatmung,Beatmung)

¨ und dem Frischgasfluß.

Klassifizierung derfflowgesteuerten Nicht-Rückatemsysteme n. Mapleson

1.2.2 Ventilgesteuerte Nicht-Rückatemsyteme

Bei den ventilgesteuertenNicht-Rückatemsystemen wird die Inspirations- von der Ausatemluft durch einpatientennah angebrachtes Nicht-Rückatemventil getrennt. Eine Rückatmung ist technischunmöglich, da die gesamte Ausatemluft über dieses Ventil in die Umgebungabgeleitet wird. Der Patient wird mit reinem Frischgas beatmet, derFrischgasfluß muß dem Atemminutenvolumen entsprechen. Ein in den Inspirationsschenkel des Systems eingefügtesReservoir sichert ein ausreichendes Gasvolumen auch bei tiefer Einatmung mithohem Spitzen-Inspirationsstrom.

Funktionsdarstellung der Nicht-Rückatemsysteme:a. ventilgesteuert, b. flowgesteuert ohne Ausatemventil (Mapleson E), c.flowgesteuert mit Ausatemventil

1.3 Rückatemsysteme

In der Anästhesie wird unter dem BegriffRückatmung die Wiederverwendungder in der Ausatemluft des Patienten enthaltenen unverbrauchten Gase undNarkosemittel im Inspirationsgas verstanden werden.

Das technische Kennzeichen der Rückatemsystemeist der Kohlendioxidabsorber, ein mit Atemkalk gefüllter Behälter zur chemischen Absorption desin der Ausatemluft enthaltenen Kohlendioxids. Diese Systeme sind somit vomtechnischen Konzept her konsequent auf die Rückatmung der in der Ausatemluftenthaltenen unverbrauchten Narkosegase angelegt.

1.3.1 Pendelsysteme

Bei den Pendelsystemen ist derKohlendioxidabsorber, über den der Patient sowohl ein- als auch ausatmet,patientennah angebracht. Bei längerem Gebrauch vergrößert sich durch dieErschöpfung des Atemkalks der apparative Totraum. Wegen der patientennahenPosition des Absorbers ist das System unhandlich, vom technischen Aufbau jedochsehr einfach. Pendelsysteme werden heute in Deutschland nicht mehr in derKlinik eingesetzt.

1.3.2 Kreissysteme

Durch die Funktion der in den Gasstromeingefügten unidirektionalen Ein- und Ausatemventile zirkuliert das Narkosegas in einemZwangskreislauf vom Ex- zum Inspirationsschenkel des Patientenschlauchsystems.Ein- und Ausatemweg gehen an einem patientennahen Y-Stück ineinander über. Ausdem unidirektionalen Strom der Gase resultiert die zwangsweise Trennung derAus- von der Einatemluft. Die Ausatemluft, die nicht als Überschußgas aus demSystem abgeleitet wird, wird durchdie von der Ventilfunktionvorgegebenen Richtung der Gasströmung zwangsläufig über den Absorber geleitet.In der überwiegenden Mehrzahl aller Kreissysteme wird die unidirektionaleZirkulation des Gasstroms mittels Ventilsteuerung realisiert.

Bei den Kreissystemen ohne Ventilsteuerung wirdauf solche unidirektionalen Ventile verzichtet. Das Narkosegas zirkuliert, voneinem Gebläse angetrieben, kontinuierlich unidirektional im Kreisystem, wodurchebenfalls eine sichere Kohlendioxidabsorption und die kontinuierlicheDurchmischung der Ausatemluft mit dem Frischgas gewährleistet ist. Dies wirdbei zwei Dräger-Geräten realisiert, dem PhysioFlex- und dem ZEUS-Narkosegerät .

Funktionsdarstellungeines Kreissystems

1.4 Kohlendioxidabsorption

Zur chemischen Absorption des ausgeatmetenKohlendioxids wird ein Granulat aus einer Mischung von Alkali- undErdalkalimetallhydroxiden (Atemkalk) verwandt, das in einem Kanister in den Strom des Atemgases eingebrachtwird. Es werden aktuell zwei differente Atemkalksorten in Deutschlandeingesetzt:

Kaliumhydroxidfreier Natriumkalk besteht aus 2-4% Na(OH), etwa 80% Ca(OH)2 und 14-19% H2O. 100gAtemkalk können stöchiometrisch 26 l Kohlendioxid entsprechend folgender chemischer Reaktionenabsorbieren.

CO2 + H2O = H2CO3

H2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2 H₂O

Bei dieser exothermen Reaktion entstehen pro Molabsorbierten Kohlendioxids 13.7 Kcal.

Kalziumhydroxidkalk, bei diesem Kohlendioxidabsorbens wird auf dieBeimischung von Alkalimetallhydroxiden ganz verzichtet. Es besteht imWesentlichen aus Kalziumhydroxid mit geringen Beimischungen von Kalziumchlorid,Kalziumsulphat und Zeoliten sowie Wasser. Kalziumhydroxidkalk reagiert weder innormal feuchtem noch in ausgetrocknetem Zustand mit den Inhalationsanästhetika,sodaß die Bildung von Kohlenmonoxid oder Compound A verhindert wird. Dennochist, wie auch beim Einsatz von Natriumkalk, strengstens dafür Sorge zu tragen,daß ein akzidentelles Austrocknen des Absorbens verhindert wird.

Beimischungengeringer Anteile von Silikatenund Kieselgur zum Atemkalkdienen der Stabilisierung des Atemkalkes in Granulatform und der Verhinderungvon Staubbildung.

Den meisten Atemkalksorten wird der FarbindikatorEthylviolett beigemischt, der durch Farbumschlag von Weiß auf Blau dieErschöpfung des Absorbens anzeigt. Es ist jedoch Vorsicht geboten:Farbindikatoren zeigen die Erschöpfung des Atemkalks nicht verläßlich an!

2 Differenzierung der Narkosesysteme nach funktionellen Kriterien

2.1 Offene Systeme

Gemeinsam ist den offenen Systemen, daß eineexakte Kontrolle der Zusammensetzung des vom Patienten eingeatmetenNarkosegases nicht möglich ist (Beispiele: Insufflationsspatel oderNarkosemaske nach Schimmelbusch = Systeme ohne Reservoir). Da ein adäquatesFrischgasreservoir fehlt, kommt es in Abhängigkeit vom Atemzugvolumen zuunkontrolliertem Zustrom von Raumluft oder zu unkontrollierbaren Veränderungender Narkosegaskonzentrationen.

2.2 Halboffene Systeme

Als halboffen wird ein Narkosesystem bezeichnet,bei dem das Ausatemvolumen vollständig aus dem System entfernt, und demPatienten während der folgenden Inspiration reines Frischgas zugeleitet wird.Der Frischgasflow muß also mindestens ebenso groß oder, falls es dieCharakteristik des Systems erfordert, um ein Vielfaches größer als dasAtemminutenvolumen sein. Die ungenutzt aus dem System abströmende Menge anSauerstoff, Lachgas und volatilen Anästhetika, das Überschußgasvolumen, verhältsich proportional zum Frischgasfluß. Die Narkosegaszusammensetzung istidentisch mit der des Frischgases.

2.3 Halbgeschlossene Syteme

Bei halbgeschlossenem System wird dieExspirationsluft anteilig vom Patienten zurückgeatmet, gleichzeitig aber auchÜberschußgas aus dem System abgeleitet. Dies ist nur dann möglich, wenn das indas Narkosesystem eingespeiste Frischgasvolumen größer als die vom Patientenaufgenommene Gasmenge (Uptake), kleiner aber als das Atemminutenvolumen ist.Das rezirkulierende Gasvolumen verhält sich umgekehrt proportional, das Überschußgasvolumendirekt proportional zum Frischgasflow. Mit zunehmendem Rückatemanteil nimmt derUnterschied zwischen der Zusammensetzung des Narkosegases und der desFrischgases zu.

2.4 Geschlossene Systeme

Ein Narkosesystem wird dann als geschlossenbezeichnet, wenn die gesamte Ausatemluft dem Patienten nachKohlendioxidelimination in der folgenden Inspiration erneut zugeleitet wird.Das in das System eingespeiste Frischgasvolumen entspricht exakt dem Uptake,dem Gasvolumen also, das vom Patienten zum jeweiligen Zeitpunkt aufgenommenwird. Der Erhalt des das Systemfüllenden Gasvolumens ist nur dann gewährleistet, wenn dasÜberschußgasabströmventil geschlossen und das System vollkommen dicht ist. Von„quantitativer Narkose mit geschlossenem System“ sollte dann gesprochen werden, wenn dieZusammensetzung und das Volumen des Frischgases zu jedemZeitpunkt exakt der Menge an Sauerstoff, Lachgas und Inhalationsanästhetikumentspricht, die der Patient aufnimmt. Entspricht aber nur das Volumen, nicht jedoch die Zusammensetzung des Frischgases exakt demUptake, so ist dies als „nicht-quantitativeNarkose mit geschlossenem System“zu bezeichnen.

Die Begriffe "offenes, halboffenes,halbgeschlossenes und geschlossenes Narkosesystem" sollten nicht zur technisch-konstruktivenDifferenzierung von Narkosesystemen gebraucht werden, da eine technischeDefinition dieser Begriffe nicht eindeutig sein kann. Trotzdem sind dieseBegriffe unverzichtbar zur exakten Beschreibung der Nutzung vonNarkosesystemen.

3 Narkosesysteme unter technischen und funktionellen Aspekten

3.1 Nutzungsmöglichkeitendifferenter Narkosesysteme

	offen	halboffen	halb-geschlossen	geschlossen
Rückatemsysteme	Æ	+	+	+
Flowgesteuerte Nicht-Rückatemsysteme	(+)1	+	(+)2	Æ
Ventilgesteuerte Nicht-Rückatemsysteme	(+)1	+	Æ	Æ
Systeme ohne Reservoir	+	(+)3	Æ	Æ

+: adäquate Nutzungsmöglichkeit, (+): problematischer,unsicherer Grenzbereich der Nutzung, Æ: Nutzungvom technischen Konzept her unmöglich.

1: Übergang zum offenen System möglich bei unzureichenderDimensionierung des Reservoirs, zugeringem Frischgasflow, großem Inspirationsvolumen und daraus resultierendemEintritt von Luft in den Inspirationsschenkel des Systems.

2: Nutzung als halbgeschlossenes System nur begrenzt möglich., Rückatmung  CO2-haltigerAusatemluft muß durch Einstellung eines adäquat hohen Frischgasflowsausgeschlossen werden, partielle Rückatmung der CO2-freien Ausatemluft aus der Totraumventilation aber vertretbar.

3: Übergang zum halboffenen System ist möglich, wenn die Atemwegeoder ein artefizieller Kamin als Gasreservoir bei kontinuierlicher Zuleitungvon Frischgas mit hohem Flow (Insufflationssysteme) dienen. Wenn der Flow unterdiesen Voraussetzungen zu niedrig ist, ist sogar ein Übergang zumhalbgeschlossenen System mit unkontrollierbarer CO2-Rückatmung möglich.

3.2 Nutzung differenterNarkosesysteme in Abhängigkeit vom Frischgasflow

	halboffen	halbgeschlossen	geschlossen
Rückatemsysteme	VF ³ AMV	AMV > VF > Uptake	VF = Uptake
Flowgesteuerte Nicht-Rückatemsysteme	VF » AMV	VF » AMV	Æ
Ventilgesteuerte Nicht-Rückatemsysteme	VF = AMV	Æ	Æ

VF:Frischgasflow, AMV: Atemminutenvolumen, Uptake: Gesamtgasuptake des Patienten.

3.3 Funktion eines Rückatemsystemsin Abhängigkeit vom Frischgasfluß (VF)

	Funktion des Rückatemsystems
VF > AMV	Halboffen: Gaszusammensetzung im Inspirationsschenkel des Narkosesystems entspricht der des Frischgases
AMV > VF >> VU	Halbgeschlossen: Gaszusammensetzung im Inspirationsschenkel des Narkosesystems entspricht annähernd der des Frischgases, geringer Rückatmungsanteil
AMV >> VF > VU	Halbgeschlossen: Differenz zwischen der Gaszusammensetzung im Inspirationsschenkel des Narkosesystems und der des Frischgases ist umso größer, je niedriger der Frischgasflow ist, hoher Rückatmungsanteil
VF = VU	Geschlossen: Differenz zwischen der Gaszusammensetzung im Inspirationsschenkel des Narkosesystems und der des Frischgases ist abhängig vom jeweiligen Uptake des Patienten, gesamte Ausatemluft wird nach CO2-Absorption zurückgeatmet

3.4 Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Narkosesysteme

Der Vorteil der Systeme ohne Reservoir ist in ihrem wirklich äußerst simplentechnischen Aufbau zu sehen. Diese Systeme können unter den widrigstenGegebenheiten und Infrastrukturbedingungen eingesetzt werden. Nachteilig sind das Fehlen der exakten Kontrolle derNarkosegaszusammenstzung und die Möglichkeit eines unkontrollierten Zustromsvon Luft. Systeme ohne Reservoir werden in den Industrie- aber auch in denSchwellenländern kaum mehr eingesetzt.

Die Vorteile der Nicht-Rückatemsysteme sind ihr einfacher technischer Aufbau, dierasche Steuerbarkeit der Narkosegaszusammensetzung und die Möglichkeit für denAnästhesisten, die Narkosegaszusammensetzung unmittelbar aus derZusammensetzung des Frischgases einschätzen zu können. Als Nachteile gelten die geringe Ausnutzung der Narkosegase,der hohe Narkosegasverbrauch, die daraus resultierenden hohen Kosten fürNarkosegase, die hohe Narkosegasemission und das Fehlen derNarkosegasklimatisierung.

Die Vorteile der Rückatemsysteme sind die weitaus bessere Ausnutzung derNarkosegase, der niedrige Narkosegasverbrauch, die daraus resultierendeKostenminderung, die Verminderung der Narkosegasemission und die weitausbessere Narkosegasklimatisierung. Je höher der Rückatmungsanteil, desto besserwerden diese Vorteile genutzt. Als Nachteile gelten die schlechtere Steuerbarkeit derNarkosegaszusammensetzung und die unzureichend genaue Kenntnis derZusammensetzung der Narkosegase.

Während jedoch die Nachteile derNicht-Rückatemsysteme durch die technische Konzeption vorgegeben sind, könnendie Nachteile der Rückatemsysteme durch Variation der Nutzung dieser Systemeausgeglichen werden: Die spezifischen Charakteristika der Rückatemsystemewerden nur bei niedrigem Frischgasflow manifest und können gegebenfalls durchErhöhung der Frischgasflows kompensiert werden.

Der Einsatz von Rückatemsystemenentspricht der Forderung nach ökologisch vertretbarem und wirtschaftlichemGebrauch der Narkosegase, zumal die bessere Klimatisierung der Atemgase und dieVielfalt der Nutzungsmöglichkeiten ebenfalls für diese Systeme sprechen.

3.5 Charakteristika differenter Narkosesysteme

	Nicht-Rückatemsysteme	Rückatemsysteme
Technischer Aufbau	Einfach	Komplex
Steuerbarkeit der Narkosegaszusammensetzung	Veränderung der Frischgaszusammensetzung führt sofort zu entspr. Veränderung der Gaszusammensetzung im System.	Veränderung der Frischgaszusammensetzung führt erst mit zeitlicher Verzögerung zu entspr. Veränderung der Gaszusammensetzung im System.
Kenntnis der Narkosegaszusammensetzung	Narkosegaszusammensetzung entspricht der Frischgaszusammen-setzung.	Differenz zwischen der Gaszusammensetzung im System und der Frischgaszusammensetzung ist umso größer, je niedriger der Frischgasfluß.
Klimatisierung der Narkosegase	Keine, bzw. gering bei koaxialen Systemen	In Abhängigkeit vom Frischgasfluß: ausreichend bis optimal.
Narkosegasverbrauch	Hoch bis sehr hoch.	Niedrig, wenn die Möglichkeiten der Rückatmung genutzt werden.
Narkosegasemission	Umso höher je höher der Frischgasflow.	Umso geringer je niedriger der Frischgasflow.
Kosten für Narkosegase	Umso höher je höher der Frischgasflow.	Umso geringer je niedriger der Frischgasflow.
Nutzungsmöglichkeiten	Halboffen, in sehr geringem Maße halbgeschlossen.	In Abhängigkeit vom Frischgasflow: halboffen, halbgeschlossen, geschlossen.

Anschrift des Verfassers:

Prof. Dr. J. Baum

Abteilung für Anästhesie und Intensivmedizin

Krankenhaus St. Elisabeth-Stift

Lindenstraße 3-7

D-49401 Damme

Homepage: http://home.t-online.de/home/j.baum.damme

Manuskript,rev. Fassung v. Jan. 2004