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Kühlen und Hypothermieim
Rettungsdienst
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J. Schöchlin:
Kühlen und Hypothermie im RettungsdienstSeite 1
Physik und Praxis
Karlsruhe, 29.10.2010
Dr. Jürgen Schöchlin
p2hc = physics to health care
Kühlen tut gut …
traditional „en(d)swell“
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… aber wie kühlt man am besten?
Beutel mit „hot ice“
Roter Faden
I. Etwas Thermodynamik muss sein
II. Kalte Infusionen
III. Externe Kühlung
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IV. Fazit
(I) Grundlagen1. Der Begriff Kälte existiert in der Physik nicht als Faktum.
2. Die Physik bzw. die Thermodynamik redet ausschließlich von Wärme oder Wärmeenergie.
3. Ein Zustand ohne bzw. mit Null Wärme ist (per Definition) der absolute (Temperatur-)Nullpunkt.
4. Dieser ist der Ursprung der Kelvin-Temperaturskala mit T0=0K.
5. Die Kelvin-Skala hat deshalb keine negativen Werte: T ∈ (0,∞)K.
6. Der Schmelzpunkt von Wasser (T=0°C) befindet sich bei
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6. Der Schmelzpunkt von Wasser (T=0°C) befindet sich bei T=273,15K. Analog gilt: T0= −273,15°C.
7. Die Celsiusskala und die Kelvin-Skala sind äquidistant: ∆T = 1K = 1°C.
8. „Kälte“ aus der Umgangssprache bedeutet in der Physik weniger Wärme(energie).
9. „Kühlen“ bedeutet demnach Wärme(energie) entziehen.
(I) Etwas Geschichte
„Door metentot weten“
„Durch Messen zum Wissen“
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Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr und Heike KamerlinghOnnes im Kältelabor der Universität Leiden, Holland (1919).
Quelle: Wikipedia.
… durch Entzug/Verlust/Transport von Wärme(energie):
1. Wärmestrahlung (= e/m Strahlung)
2. Wärmemitführung (Wärmetransport durch Teilchen)
3. Wärmeleitung (Wärmetransport ohne Teilchen,
4Tt
Q∝
∂
∂
(I) Wie kühlt man?
Dewar-Gefäß
Stefan-Boltzmann-Gesetz
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3. Wärmeleitung (Wärmetransport ohne Teilchen, → Energiediffusion)
4. Phasenübergänge (1. Ordnung)Wärme wird „verbraucht“, aber T=const.Beispiele: Schmelzen, SiedenUmordnungsvorgänge � potentielle Energiekinetische Energie der Teilchen bleibt konstant
Dewar-Gefäß
Wesentlicher Effekt bei Flüssigkeiten/Gasen: Wärmemitführung
(I) Mischen
Großer Vorteil:
Die benötigte Zeit zum Erreichen des Temperaturgleichgewichtes ist nur eine Frage der Durchmischung bzw. der
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Versuch zur Bestimmung der spezifischen Wärme von Metallen mit Hilfe eines Kalorimeters.
Quelle: Uni Jena
Durchmischung bzw. derMischungsgeschwindigkeit.
TmcQ ∆⋅⋅=∆ Q = Wärmemenge/-energieT = Temperaturc = Spezifische Wärmekapazitätm = Masse
(I) Mischtemperatur
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( ) ( ) 12222111 TTTmitTTmcTTmc mmm <<−⋅⋅=−⋅⋅
2211
222111
mcmc
TmcTmcTm
⋅+⋅
⋅⋅+⋅⋅=
21
2211
2211
222111
03,0
03,0
cc
TcTc
mcmc
TmcTmcTm
⋅+
⋅⋅+⋅=
⋅+⋅
⋅⋅+⋅⋅=
(II) Kalte Infusion nach ERC
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21 03,0 cc ⋅+
)Empfehlung (ERC 03,030
Beispiel) se,(Körpermas 80
)4 Wasser, Wärme(spez.4200
Körper) Wärme(spez. 3470
11
1
2
1
11
2
11
1
mmkgmlm
kgm
CbeiKkgJc
KkgJc
⋅≅⋅=
=
°=
=
−
−−
−−
Annahmen:
• Kühlung mit Infusionslösung, Menge lt. ERC: 30 ml/kg, (bei 60 ml/kg ungefähr doppelter Kühlungseffekt)
Spez. Wärme Infusionslösung
T1 (°C) T2 (°C) Tm (°C) ∆∆∆∆T1 (K)
37,0 5,0 35,9 1,1
36,0 5,0 34,9 1,1
35,0 5,0 33,9 1,1
37,0 7,0 35,9 1,1
(II) Wertebereiche
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• Spez. Wärme Infusionslösung ≈ Spez. Wärme von Wasser ≈ 4.200 J/(kg K), bei T2=5°C
• Spez. Wärme Körper≈ 3.470 J/(kg K) bei T1=37°C, Quelle: D.C. Giancoli, Physik.
• Kühlschrank für NEF nach DIN 75079: → 5°C, bei max. 5 l Aufnahmekapazität.
37,0 7,0 35,9 1,1
36,0 7,0 35,0 1,0
35,0 7,0 34,0 1,0
37,0 9,0 36,0 1,0
36,0 9,0 35,1 0,9
35,0 9,0 34,1 0,9
Parameter Werte Auswirkung
Temperaturdifferenz∆T = T1 – T2
∆T = [33…23] K Kühlung: ∆T1 = [1,2 … 0,8] K
T1 nach Reanimation: hoch (∼ 37,0°C)Zieltemperatur kann nicht
erreichet werden
T1 nach Reanimation: niedrig (∼ 35,0°C)Zieltemperatur kann gerade
erreichet werden
(II) Diskussion
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T1 nach Reanimation: niedrig (∼ 35,0°C)erreichet werden
Infusionsrate: < 100 ml/minInfusionsmenge von 30 ml/kg wird bis KH evt. nicht erreicht
Narkose: nicht ausreichendMuskelzittern,
� Wiedererwärmung
Quelle:Studie (randomisiert und kontrolliert) von S.A. Bernard et al., durchgeführt in Australien 2005 bis 2007, veröffentlicht in Circulation 122 (2010) 737-742.
Inhalt:− Hypothermie nach Rea durch Rettungsdienst− Infusionen: T2<8°C, max. 2000ml, ∅=1900ml− keine Angaben zum Körpergewicht!− Kühlgruppe: n=118, Kontrollgruppe: n=116
(II) Die Realität
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Ergebnisse:
− Studiengruppe direkt nach der Rea: T1=35,9°C Kontrollgruppe: T1=35,8°C
− Kühlung bis zur Notaufnahme mit Infusionen: ∆T1=1,3Kohne Kühlung (Kontrollgruppe): ∆T1=0,4K
− die resultierende Kühlung durch Infusionen lag lediglich bei: ∆T1=0,9K− ein verbessertes Outcome (durch Präklinik) konnte nicht nachgewiesen werden
(II) Experiment
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(III) Externe Kühlung
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… durch Entzug/Verlust von Wärme(energie):
1. Wärmestrahlung (= e/m Strahlung)
2. Wärmemitführung (Wärmetransport durch Teilchen)
3. Wärmeleitung (Wärmetransport ohne Teilchen,
Erinnerung: Wie kühlt man?
Dewar-Gefäß
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3. Wärmeleitung (Wärmetransport ohne Teilchen, → Energiediffusion)
4. Phasenübergänge (1. Ordnung)Wärme wird „verbraucht“, aber T=const.Beispiele: Schmelzen, SiedenUmordnungsvorgänge � potentielle Energiekinetische Energie der Teilchen bleibt konstant
Dewar-Gefäß
(III) Beispiel: Klinik
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(III) Beispiel: Rettungsdienst
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Bildquelle: EMCOOLS
(I) Wärmeleitung
Wärmemenge Q1
Körper-Temperatur: T1
End-Temperatur: Te
Wärmemenge Q2
Temperatur Kühlkörper: T2
End-Temperatur: Te
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Wärmestrom [in W]
Temperatur: Te
Tl
A
t
Q∆=
∂
∂λ
Wärmeleitfähigkeit λ [in W/(m K)]
Endtemperatur Te [in K]
Temperatur: Te
(III) Beispiel: EMCOOLSKühlelement
Haut
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Video: EMCOOLS, 03:32 min
(III) Kühlrate
Kühlrate: ∅=3,3°C/h
(mit EMCOOLSpad)
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(mit EMCOOLSpad)
(III) Endtemperatur ?
Wärmemenge Q1
Körper-Temperatur: T1
End-Temperatur: Te
Wärmemenge Q2
Temperatur Kühlkörper: T2
End-Temperatur: Te
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Wärmestrom [in W]
Temperatur: Te
Endtemperatur Te [in K]
Temperatur: Te
2211
222111
mcmc
TmcTmcTe
⋅+⋅
⋅⋅+⋅⋅=
… durch Entzug/Verlust von Wärme(energie):
1. Wärmestrahlung (= e/m Strahlung)
2. Wärmemitführung (Wärmetransport durch Teilchen)
3. Wärmeleitung (Wärmetransport ohne Teilchen,
Erinnerung: Wie kühlt man?
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3. Wärmeleitung (Wärmetransport ohne Teilchen, → Energiediffusion)
4. Phasenübergänge (1. Ordnung)Wärme wird „verbraucht“, aber T=const.Beispiele: Schmelzen, SiedenUmordnungsvorgänge � potentielle Energiekinetische Energie der Teilchen bleibt konstant
(III) Umsetzung
− EMCOOLSpads (Set mit 10 Stück) mind. 72h bei T2= -9°Cgefrieren � Spezialkühlschrank (z. B. in Klinik oder in der RW)
− EMCOOLSpads sind einsatzbereit, wenn alle Teile fest(gefroren) sind.
− thermische Kapazität lt. Hersteller: 1.620kJ bei 6,2kg im Temperaturbereich von T2= -9…0°C� c = c ≈ 29 kJ/(kg K)
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2� ceff = c2 ≈ 29 kJ/(kg K)� (hypothetisches) therm. Gleichgewicht: Te ≈19°C (10 Pads, 80 kg)
Für den präklinischen Einsatz:
− Die EMCOOLSpads müssen in eine spezielle Kühlbox (= EMCOOLSbox) umgeladen und mit einem Kühlakku (= EMCOOLSkeep) vor demAuftauen bewahrt werden. Konservierungszeit: 24h.
− Es ist eine Fahrzeughalterung notwendig.
(III) Kosten
Einmalig pro Fall Listenpreis(netto)
Spezialgefrierschank 895,00 €
Temperatursensor 1.639,00 €
10x EMCOOLSpad 620,00 €
2x EMCOOLSpad 124,00 €
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2x EMCOOLSpad 124,00 €
Transportbox 869,00 €
Fahrzeughalterung 459,00 €
EMCOOLSkeep 215,00 €
− typisch in den ersten 48h nach Kreislaufstillstand: Hyperpyrexie � obligatorisch: Kühlung (nicht ausreichend untersucht)
− Hypothermie � cerebrale Stoffwechselrate für O2 sinkt um 6%/K
− Hypothermie � Hemmung entzündlicher Reaktionen
− Hypothermie � Apoptose (programmierter Zelltod) wird unterdrückt
− Zieltemperatur Te=[32…34]°C, Dauer: 12-24h
− Infusion: Ringer- oder NaCl-Lösung, T2=4°C, 30ml/kg � ∆T1=1,5K
− Infusions-Methode nur zur Einleitung der Hypothermie
(IV) ERC 2010
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− Infusions-Methode nur zur Einleitung der Hypothermie
− weitere Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Hypothermie nötig
− die Körpertemperatur sinkt in der 1h nach Reanimation auch ohne Kühlung (Bernard, 2010: ∆T1=0,4K)
− Muskelzittern muss unbedingt vermieden werden � Narkosetiefe
− Kühlung in der Präklinik: Laborergebnisse deuten einen Effekt an, aber: bisher durch keine Studie, die das (sauber) belegt
(IV) Fazit für die Praxis
1. Kalte Infusionslösungen im Rahmen der präklinischenHypothermiebehandlung stellen für den Rettungsdienst ein logistisches Problem dar:
− Kühlschrank im NEF zu klein− für RTW keine DIN-Vorschrift
2. Beim Mischkühlungsverfahren mit Infusionen ist max. eine Abkühlung von ca. 1,0K zu schaffen.
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Abkühlung von ca. 1,0K zu schaffen.
3. Patienten kühlen um ca. 0,5K während des Transports aus.
4. Das EMCOOLS-System ist für die Präklinik geeignet.
5. Die Kosten (pro Fall) können vom Rettungsdienst z.Zt. nicht abgerechnet werden: � Abstimmungen mit Kliniken im Bereich sind notwendig.
(IV) ZusammenfassungMaterial Wärmekapazität
[J / kg K]Wärmeleitfähigkeit
[W / m K]
Wasser, bei 20°C 4.187 0,6
Eis (ρStahl ≈ 7�ρHot-Ice) 1.380 – 2.100 2,3
Schokolade 3.140
Alkohol (Ethanol) 2.428
Paraffin 2.094
Stahl 477 48 – 58
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Stahl 477 48 – 58
Alu (ρAl ≈ 1/3�ρStahl) 896 236
Kupfer 381 401
Messing 389 120
Kohlenstoff, Grafit 715 119 – 165
Kohlenstoff, Diamant 472 2.300
HypoCarbon® (29.000) 35
Fragen ?
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Kontakt
= physics to health care
Dr.rer.nat. Jürgen SchöchlinBergstr. 20 B
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Bergstr. 20 B76287 Rheinstetten
www.p2hc.de
(1) M. Holzer: Mild therapeutic hypothermia to improve the neurologic outcome after cardiac arrest, N. Engl. J. Med. 346,8 (2002) 549-556
(2) S.A. Bernard et al.: Treatment of comatose survivors of out-of-hospital cardiac arrestwith induced hypothermia, N. Engl. J. Med. 346,8 (2002) 557-563
(3) J.P. Nolan et al.: Therapeutic hypothermia after cardiac arrest. An advisory statementby the Advanced Live Support Task Force of the International Liaison Committee on Resuscitation, Resuscitation 57 (2003) 231-235
(4) F. Kim et al.: Pilot Study of rapid infusion of 2l of 4°C normal saline for induction ofmild hypothermia in hospitalized, comatose survivors of out-of-hospital cardiac arrest,
Literatur/Quellen 1
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mild hypothermia in hospitalized, comatose survivors of out-of-hospital cardiac arrest, Circulation 112 (2005) 715-719
(5) N. Pichon et al.: Efficacy of and tolerance to mild induced hypothermia aufter out-of-hospital cardiac arrest using an endovascular cooling system, Critical Care 11 (2007)
(6) T. Uray, R. Malzer: Out-of-hospital surface cooling to induce mild hypothermia in human cardiac arrest: A feasibility trial. Resuscitation (2008)
(7) B. Wolff et al.: Early achievement of mild therapeutic hypothermia and the neurologicoutcome aufter cardiac arrest, Int. J. of Cardiology (2008)
(8) K. Bayegan et al.: Rapid non-invasive external cooling to induce mild therapeutichypothermia in adult human-sized swine, Resuscitation 76 (2008) 291-298
(9) S.A. Bernard et al.: Induction of therapeutic hypothermia by paramedics after resuscitation from out-of-hospital ventricular fibrillation cardiac arrest, Circulation 122(2010) 737-742
(10) ERC Richtlinien 2010
(11) Produktunterlagen EMCOOLS, Fa. Mefina medical, Massweiler
Literatur/Quellen 2
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