High-Flow-Therapie und -Befeuchtung: - Vapotherm

High-Flow-Therapie und -Befeuchtung:
Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen,
Technologie und Forschung
Thomas Miller, Ph.D.
Director, Clinical Research and Education
Vapotherm, Inc.
Research Assistant Professor für Pädiatrie
Jefferson Medical College

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High-Flow-Therapie und -Befeuchtung: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen, Technologie und Forschung
Einleitung
Vapotherm, Inc. ist der Marktführer auf dem Gebiet
temperaturkontrollierter High-Flow-Befeuchtungssysteme
für die respiratorische Therapie. Diese medizinischen Geräte
werden derzeit in Krankenhäusern, Einrichtungen für subakute
Fälle sowie im Heimbereich bei Patienten im Säuglings-,
Kinder- und Erwachsenenalter eingesetzt und dienen
dazu, dem Atemgas warme Feuchtigkeit zuzusetzen. Die
Vapotherm-Geräte sind für die Zufuhr von Atemgasen über
eine Nasenkanüle bei Durchflussraten von bis zu 8 l/Min. bei
Säuglingen und 40 l/Min. bei Erwachsenen zugelassen. Dies
wird auch als High-Flow-Therapie (HFT) bezeichnet.
Vapotherm-Nasenkanülen
Was ist die High-Flow-Therapie
(HFT)?
Die High-Flow-Therapie (HFT) arbeitet mit Durchflussraten,
die größer sind als die inspiratorischen Durchflussraten des
Patienten bei verschiedenen Atemminutenvolumen. Bisher
wurden für die HFT Gesichtsmasken eingesetzt, wobei die
hohen Durchflüsse das Maskenvolumen durchspülen und
so für hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentrationen
sorgen. Die Maskentherapie ist zwar effektiv bei der
Unterstützung der Oxygenierung, sie unterliegt jedoch
Einschränkungen durch Faktoren wie die Unfähigkeit,
zu essen/trinken und zu kommunizieren, sowie
klaustrophobische Gefühle. Diese führen zu einer
schlechten Patientencompliance.
Eine Alternative ist die herkömmliche Nasenkanüle,
mit der sich eine bessere Compliance sowie höherer
Patientenkomfort erreichen lassen. Die Kanülen führen
zusätzlichen Sauerstoff zu, lassen sich über lange Zeit
bequem tragen und erlauben es den Patienten, ohne
Unterbrechung der Therapie zu essen und zu sprechen. In
der konventionellen Therapie mit Nasenkanüle sind jedoch
höhere Durchflüsse (über 2 l/Min. bei Neugeborenen
oder 6 l/Min. bei Erwachsenen), die zur Erfüllung der
inspiratorischen Anforderungen ohne Einströmen
von Raumluft erforderlich sind, nicht möglich. Diese
Einschränkung der konventionellen Kanülentherapie ist
Folge der Beschwerden und Reizungen, die durch die
Zufuhr kalten, trockenen Atemgases in die Nasenwege
hervorgerufen werden 12 . Die Technologie von Vapotherm
hat die konventionelle Kanülentherapie durch die
optimale Konditionierung des Atemgases grundlegend
transformiert. Unsere patentrechtlich geschützte
Erwärmungs- und Befeuchtungstechnologie erlaubt es,
Atemgase bei hohen Durchflussraten zuzuführen und
gleichzeitig auf Körpertemperatur und bis zu 99,9 %
relative Feuchtigkeit zu halten 3 .
Atemphysiologie und
Alveolarventilation
Zum Verständnis der Mechanismen, die der HFT
zugrunde liegen, sollten wir uns einige Grundsätze der
Atemphysiologie ins Gedächtnis rufen. Unter normalen
Atembedingungen entfallen etwa 30 % des eingeatmeten
Atemzugvolumens auf den anatomischen Totraum. Zu
Beginn der Inspiration füllt sich dieser Totraum mit
endexspiratorischem Gas, das von der letzten Exspiration
Nase und Nasenhöhlen
Stirnhöhle Nasenmuschel Keilbeinhöhle
Mittlere
Nasenmuschel
Innere
Nasenöffnung
Die Nasenhöhle ist so
aufgebaut, dass zum
Konditionieren des
eingeatmeten Gases eine
maximale Oberfläche zur
Verfügung steht
Mittlere
Nasenmuschel
Äußere Nasenöffnung
Nasen-
Rachenraum

3
verblieben ist. Dieses anatomische Totraumvolumen spielt zwar eine grundlegend wichtige Rolle
1. zur Erwärmung und Befeuchtung des inspiratorischen Gases und
2. zum Transport des Gases zum Thorax und zur Verteilung in die Lungenregionen. Der Anteil des Totraums
(endexspiratorischen Gases) an einem neuen Atemzug wirkt sich jedoch auf die Atemeffizienz aus.
Bei gesunden Menschen ist die alveoläre Sauerstoffkonzentration niedriger als die der Umgebungsluft,
während die alveoläre Kohlendioxidkonzentration höher ist als die der Umgebungsluft. Dieser Unterschied
zwischen Umgebungsgas und alveolärem Gas ist abhängig von der Alveolarventilation sowie dem
Blutgasgehalt. Die Alveolarventilation unterscheidet sich vom häufiger verwendeten Begriff des
Atemminutenvolumens in Bezug auf die Abhängigkeit vom Totraum.
Atemminutenvolumen = Atemzugvolumen x Atemfrequenz
Atemminutenvolumen = (Atemzugvolumen - Totraum) x Atemfrequenz
Basierend auf der Beziehung zwischen den Ventilationsparametern führt eine Reduktion des
Totraumsvolumens dazu, dass für eine adäquate Alveolarventilation ein geringeres Atemminutenvolumen
erforderlich ist. Somit hat das Totraumvolumen, selbst bei gesunden Menschen, direkten Einfluss
auf das Atemzugvolumen und/oder die Anforderungen an die Atemfrequenz und in der Folge auf
die Atemanstrengung. In dieser Hinsicht ist die HFT über eine Kanüle in der Lage, durch Flutung des
nasopharyngealen anatomischen Totraums und Unterstützung der Atemarbeit die Atemeffizienz zu
erhöhen. Zuerst muss jedoch für eine optimale Atemgaskonditionierung gesorgt werden.
Bedeutung der Atemgaserwärmung und -befeuchtung
Das Schleimhautgewebe im Nasen-Rachenraum hat die Funktion, Atemgas vor Eintritt in den unteren Atemtrakt
zu erwärmen und anzufeuchten 4 . Dies wird anatomisch über eine große Oberfläche erreicht, die mit dem
HFT über eine Kanüle
ist in der Lage, durch
Flutung des nasopharyngealen
anatomischen
Totraums
und Unterstützung
der Atemarbeit die
Atemeffizienz zu erhöhen.
Zuerst muss jedoch
für eine optimale
Atemgaskonditionierung
gesorgt werden.
Respiratorisches System
Oberer Atemtrakt
Nasen-Rachenraum
Rachen
Kehlkopf
Unterer Atemtrakt
Luftröhre
Primärbronchien
Bronchiolen
Lunge

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inspiratorischen Gas interagiert. Folglich kann es zu einer
Überbeanspruchung des Gewebes im Nasen-Rachenraum
kommen, wenn der Gasfluss des Atemminutenvolumens
höher ist als normalerweise und das Gas eine Temperatur
unterhalb der Körpertemperatur hat sowie ungesättigt (d. h.
mit weniger als 100 % relativer Feuchtigkeit) ist. Eine solche
Überbeanspruchung des Gewebes im Nasen-Rachenraum
führt zu einer signifikanten Dysfunktion, Austrocknung
und Schädigung der Nasenschleimhaut 5 – 8 , was zudem mit
hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Staphylokokkensepsis
beiträgt 9 . Selbst bei geringen Durchflüssen ist die
konventionelle Therapie mit Nasenkanüle unbequem und
führt zu zahlreichen Patientenbeschwerden, insbesondere
in Bezug auf Nasen- und Mundtrockenheit 10 .
24 Stunden auf die jeweils andere Behandlungsform
umgestellt (konventionelle oder Vapotherm). Anhand
eines verblindeten Bewertungssystems, das nasales
Erythem, Ödeme, Schleimhautverdickung und
Blutung auf einer Skala von 2 bis 10 berücksichtigt,
wurde festgestellt, dass die Verträglichkeit bei
Säuglingen unter Vapotherm-Therapie verglichen zur
konventionellen Befeuchtung wesentlich höher war
(2,7 ± 1,2 vs. 7,8 ± 1,7; p < 0,001).
Wie wirkt sich HFT auf die Atmung
aus?
Vapotherm, Inc.
Dampfübertragungspatrone
(aufgeschnittene
Darstellung)
Warmes
Wasser
Atemgas
Warmes Wasser
Fluss
Atemgas
Querschnitt des
schlauchs
Rückfluss
Vapotherm, Inc. Erwärmter
Triple-Lumen-Zufuhrschlauch
(aufgeschnittene Darstellung)
Idealerweise sollte das inspiratorische Gas auf
Körpertemperatur (37 °C) erwärmt und auf 100 %
relative Feuchtigkeit angefeuchtet werden 11,12 . Zudem
führt eine Befeuchtung mit Dampf im Gegensatz zu
Wasseraerosol mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu
einer Verletzung der Atemwege und Lunge, da es nicht
zu einem latenten Wärmeverlust und Ablagerung von
Wassertröpfchen kommt 12 . Die Membrantechnologie von
Vapotherm ermöglicht den Übertritt von Wasser in das
Atemgas als Dampfphase und, wie in einem Laborversuch
durch Waugh und Granger bewiesen, stellt Atemgase bei
Körpertemperatur und mit 99,9 % relativer Feuchtigkeit
über den gesamten Durchflussbereich bis zu 40 l/Min.
bereit 3 .
Die Technologie
hinter einer optimalen
Atemgaskonditionierung
Die Vapotherm-Geräte beinhalten ein patentiertes System
mit Dampfübertragungspatrone, über die Wasserdampf
in den Atemgasstrom diffundiert, während das Gas
gleichzeitg auf die verschriebene Temperatur (in der Regel
37 °C) erwärmt wird. Dieses System unterscheidet sich
wesentlich von den herkömmlichen Befeuchtersystemen
mit Heizplatte. Die Vapotherm-Geräte nutzen zudem
einen Zufuhrschlauch mit Triple-Lumen-Hülle und
firmeneigene Nasenkanülen, die für die Aufrechterhaltung
der Temperatur und zur Minimierung der Kondensation
(Ausregnung) optimiert sind. Diese beiden letzteren
Merkmale schützen das Atemgas, sodass das Gas den
Patienten mit derselben Temperatur und Feuchtigkeit
erreicht, die in der Membranpatrone erzeugt wurden.
In einer randomisierten Crosssover-Studie bewerteten
Woodhead und Kollegen die Auswirkung von Vapotherm im
Vergleich zur konventionellen HFT auf die Nasenschleimhaut
von Frühgeborenen nach der Extubation 13 . Dreißig Säuglinge
wurden 24 Stunden lang entweder mit Vapotherm oder
konventioneller HFT behandelt und dann für weitere
Das Fluten des Totraums in der Nasen-Rachenhöhle trägt zur
Verbesserung der Alveolarventilation bei.
Da es mithilfe der Vapotherm-Technologie möglich ist,
dem Patienten Atemgas genau bei Körpertemperatur und
gesättigt zuzuführen, lässt sich nun über eine Nasenkanüle
ein hoher Durchfluss erzielen. In dieser Hinsicht ist
HFT aufgrund einer Reihe grundlegender physiologischer
Mechanismen effektiv. Diese Mechanismen verbessern
die Atemeffizienz, unabhängig von einer bestimmten
Erkrankung.
CO 2
-Ventilation
Durch die Zufuhr von Flüssen, die über den Bedürfnissen
des Patienten liegen, führt HFT zu einer Auswaschung
des nasopharyngealen Totraums. Wie jede Reduktion des
anatomischen oder physiologischen Totraums trägt diese
Therapie dazu bei, höhere Konzentrationen an alveolären
Gasen in Bezug auf Kohlendioxid und Sauerstoff zu
erreichen 14 . Während also die Low-Flow-Therapie mit
Nasenkanüle nur für eine Oxygenierung sorgt, wirkt sich
die HFT zudem auf die Eliminierung des CO 2
aus.

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Effiziente Oxygenierung
Die HFT über eine Nasenkanüle arbeitet mit denselben
Prinzipien wie die HFT über eine Gesichtsmaske, um durch
Verhindern des Einströmens von Raumluft während der
Inspiration eine hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentration
zu erzielen. Da jedoch bei der HFT über eine Nasenkanüle
der anatomische Totraum durch Nutzung des Nasen-
Rachenraums als Gasreservoir verkleinert wird, hat diese
Therapieform, basierend auf der Gleichung für die
Alveolarventilation, das Potenzial, eine höhere alveoläre
Sauerstoffkonzentration als durch eine Maskentherapie zu
erzielen. Auf diese Weise können Patienten im Vergleich
zur konventionellen Therapie mit Maske oder Kanüle
oftmals eine bessere Oxygenierung aufrechterhalten oder
benötigen eine geringere FiO 2
.
Atemarbeit
Die Dehnbarkeit der Nasenschleimhaut, die die
physiologische Atemgaskonditionierung ermöglicht,
führt außerdem zu einem signifikanten Widerstand
bei der Inspirationsanstrengung im Verhältnis zur
Exspirationsanstrengung 15 . Da der in der HFT erzeugte
Durchfluss ausreichend ist, um dem inspiratorischen
Durchfluss eines Patienten zu entsprechen oder diesen zu
übertreffen, minimiert die HFT mit hoher Wahrscheinlichkeit
den inspiratorischen Widerstand im Nasen-Rachenraum.
Diese Änderung des Widerstands führt zu einer Änderung
der Atemwiderstandsarbeit.
Des Weiteren ist eine adäquate Erwärmung und
Befeuchtung der leitenden Atemwege durch Zufuhr von
warmem, feuchtem Gas im Vergleich zu trockenem,
kälterem Gas assoziiert mit höherer Leitfähigkeit und
Lungencompliance 16 . Fontanari und Kollegen zeigten
außerdem, dass Rezeptoren in der Nasenschleimhaut auf
kaltes und trockenes Gas reagieren und zum Schutz ein
Zusammenziehen der Bronchien bewirken. Dies gilt sowohl
für gesunde Probanden 17 als auch für Asthmatiker 18 . Somit
fördert die Zufuhr von Atemgas bei Körpertemperatur
und in gesättigter Form zu einer optimalen mechanischen
Reaktion des Atemsystems.
Energieaufwand zur Atemgaskonditionierung
Die Nasenwege verbrauchen Energie, um die inspiratorische
Luft von Umgebungstemperatur auf 37 °C zu erwärmen und
Wasser zur Befeuchtung der einströmenden Luft auf 100 %
relative Feuchtigkeit zu verdampfen 4,19,20 . Viele der an diesem
Prozess beteiligten Faktoren sind zwar noch unklar oder
schwer definierbar, unserer Ansicht nach lässt sich jedoch
feststellen, dass der Prozess der Atemgaskonditionierung
einen signifikanten Energieaufwand erfordert. Dieser
Energieaufwand verringert sich, wenn das Atemgas bei
Körpertemperatur und gesättigt zugeführt wird.
Beziehung zwischen Durchfluss
und Druck
Vor über fünfzehn Jahren zeigten Dr. Locke und
Kollegen, dass bei Anwendung einer Nasenkanüle selbst
bei geringen Durchflüssen unbeabsichtigterweise ein
Atemwegsüberdruck erzeugt werden kann, wenn die
Prongs im Verhältnis zu den Nasenöffnungen relativ groß
sind 21 . Tatsächlich werden Low-Flow-Nasenkanülen auf der
Neugeborenenintensivstation häufig zur CPAP-Generierung
eingesetzt, wobei relativ große Nasenprongs (im Verhältnis
zum Innendurchmesser der Nasenöffnungen) verwendet
werden und der Mund des Patienten geschlossen
gehalten wird, um einen pharyngealen Druck von bis
zu 8 cmH 2
O zu erzeugen 2 . Diese Erfahrungen aus der
Vergangenheit geben Anlass zur Sorge darüber, welcher
nasopharyngeale Druck mit High-Flow-Nasenkanülen
entstehen könnte.
In einer Reihe von Laboruntersuchungen und klinischen
Studien wurde nun geklärt, dass die Druckentwicklung
im Nasen-Rachenraum und in den Luftwegen durch
Leckage um die Nasenprongs und den Mundbereich
herum bestimmt wird 22-24 . Wenn die Vapotherm-HFT
gemäß den Empfehlungen mit Nasenprongs durchgeführt
wird, deren Durchmesser höchstens ½ des Durchmessers
der Nasenöffnungen beträgt, und der Mund frei geöffnet
werden kann, kommt es zu einer allenfalls leichten
Druckerzeugung. Dr. Saslow und Kollegen am Cooper
University Hospital (Camden, NJ, USA) zeigten, dass bei
Säuglingen unter HFT mit bis zu 8 l/Min. die dehnenden
Drücke nicht höher waren als die Drücke, die durch CPAP mit
6 cmH 2
O erzeugt werden. In manchen Fällen waren
die Drücke sogar signifikant geringer (bei 5 l/Min.;
p = 0,03) 25,26 . Dr. Kubicka und Kollegen zeigten, dass bei
27 Neugeborenen, die Durchflüsse von bis zu 5 l/Min.
über eine Kanüle erhielten, der Druck im Mund nie über
5 cmH 2
O lag 23 . Dr. Wilkinson und Kollegen zeigten, dass
die Drücke im Nasen-Rachenraum bei Säuglingen während
einer HFT relativ gering und vorhersagbar waren, wenn
die Durchflüsse gemäß dem Körpergewicht normalisiert
wurden 24 .
Gleichwohl wurde in Studien zur Bewertung der High-Flow-
Therapie mit dem Ziel, einen dehnenden Atemwegsdruck
bei geschlossenem Mund zu erzielen, festgestellt, dass
in der Regel nur ein leichter Überdruck entsteht 23,27 . Die
Vapotherm-Geräte sind keine CPAP (Continuous Positive
Airway Pressure)-Geräte und nicht dafür konzipiert, einen
festgelegten Druck zu applizieren. Die Technologie dient
dazu, konditionierte Atemgasflüsse in einem offenen
System über eine einfache Nasenkanüle zuzuführen.

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High-Flow-Therapie und -Befeuchtung: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen, Technologie und Forschung
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