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Aus der ehemaligen Abteilung für Angewandte Physiologie Institut für Physiologie der Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum Ehemalige Leiterin Prof. Dr. med. Marianne E. Schläfke Transkutane Kapnographie im Schlaflabor: Validität und Implementation bei Schlafapnoe Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum Vorgelegt von Nicolas Delis aus Herne 2004
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Aus der ehemaligen
Abteilung für Angewandte Physiologie
Institut für Physiologie der Medizinischen Fakultät
der Ruhr-Universität Bochum
Ehemalige Leiterin Prof. Dr. med. Marianne E. Schläfke
Transkutane Kapnographie im Schlaflabor: Validität und
Implementation bei Schlafapnoe
Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der Medizin
einer
Hohen Medizinischen Fakultät
der Ruhr-Universität Bochum
Vorgelegt von
Nicolas Delis
aus Herne
2004
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Dekan: Prof. Dr. med. G. Muhr
Referent: PD Dr. med. T. Schäfer
Korreferent: Prof. Dr. med. B. M. J. Sanner
Tag der Mündlichen Prüfung: 18.01.2005
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Meiner Familie
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Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis ......................................................................................................... 6 1. Einleitung ........................................................................................................................... 7
1.1. AASM Taskforce Guidelines.......................................................................................... 7 1.2. Einfluss des Kohlendioxides auf die Atmung.................................................................. 9 1.3. Atmung im Schlaf ........................................................................................................ 11 1.4. Störung der Atmung während des Schlafes................................................................. 13
1.4.1 Obstruktive Apnoen............................................................................................... 14 1.4.2. Zentrales Schlafapnoe-Syndrom .......................................................................... 15 1.4.3. Therapiemöglichkeiten von SBAS ........................................................................ 18
1.5. Methoden der CO2-Messung ....................................................................................... 19 1.5.1. Gerätearten.......................................................................................................... 19 1.5.2. Arterielle Blutgasanalyse...................................................................................... 19 1.5.3. Endtidale Kapnographie....................................................................................... 20 1.5.4. Transkutane Kapnographie .................................................................................. 21
1.5.4.1. Aufbau der transkutanen Elektrode ............................................................... 23 1.5.4.2. Der chemisch-physikalische Mechanismus der tcpCO2-Messung .................. 24
1.6. Problemstellung und Zielsetzung der Studie................................................................ 25 2. Methoden.......................................................................................................................... 26
2.1. Allgemeine Grundlagen............................................................................................... 26 2.1.1. Patientenkollektiv ................................................................................................. 26 2.1.2. Schlaflaborausstattung......................................................................................... 26 2.1.3. Statistik................................................................................................................ 27
2.2. Transkutane Kapnographie ......................................................................................... 27 2.3. Endtidale Kapnographie .............................................................................................. 28 2.4. Validierung der drei transkutanen Elektroden als grundlegende Untersuchung ............ 28
2.4.1. Vergleich der drei transkutanen Elektroden mit der BGA ...................................... 29 2.4.2. Validierung unter additivem CO2........................................................................... 29
2.5. Klinische Anwendung im Schlaflabor........................................................................... 29 2.5.1. Driftkorrektur ........................................................................................................ 30 2.5.2. Vergleich der transkutanen Kapnographie mit der BGA ........................................ 31 2.5.3. Transkutane und endtidale Kapnographie im Vergleich ........................................ 32
2.6. Vergleich OSA zu ZSA: CO2-Partialdruck bei Apnoen.................................................. 33 3. Ergebnisse ....................................................................................................................... 35
3.1. Validierung der drei transkutanen Elektroden als grundlegende Untersuchung ............ 35 3.1.1. Vergleich der drei transkutanen Elektroden mit der BGA ...................................... 35 3.1.2. Validierung bei additiver CO2-Gabe...................................................................... 35
3.2. Klinische Anwendung im Schlaflabor........................................................................... 37 3.2.1. Driftkorrektur ........................................................................................................ 37 3.2.2. Vergleich der transkutanen Kapnographie mit der BGA ........................................ 39 3.2.3. Transkutane und endtidale Kapnographie im Vergleich ........................................ 43
3.3. Vergleich OSA zu ZSA: CO2-Partialdruck bei Apnoen.................................................. 45 3.3.1. Zentrale Apnoephasen ......................................................................................... 46 3.3.2. Obstruktive Apnoephasen .................................................................................... 48
4. Diskussion........................................................................................................................ 51 4.1. Hauptergebnisse ......................................................................................................... 51 4.2. Validierung der drei transkutanen Elektroden .............................................................. 51
4.2.1. Vergleich der drei transkutanen Elektroden mit der BGA ...................................... 51 4.2.2. Validierung unter additiver CO2-Gabe................................................................... 52
4.3. Klinische Anwendung im Schlaflabor........................................................................... 52 4.3.1. Vergleich der transkutanen Kapnographie mit der BGA ........................................ 52 4.3.2. Driftkorrektur ........................................................................................................ 54 4.3.3. Transkutane und endtidale Kapnographie im Vergleich ........................................ 54
4.4. Vergleich OSA zu ZSA: CO2-Partialdruck bei Apnoen.................................................. 56 4.4.1. Zentrale Apnoephasen ......................................................................................... 57 4.4.2. Obstruktive Apnoephasen .................................................................................... 58
4.5. Methodenkritik............................................................................................................. 60
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4.5.1. Applikationsort der Elektrode................................................................................ 60 4.5.2. Studiendesignbedingte Überlegungen.................................................................. 61 4.5.3. Strikte Kriterien .................................................................................................... 62 4.5.4. Anmerkungen zur Technik der visuellen Auswertung............................................ 62
5. Schlussfolgerungen......................................................................................................... 63 6. Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 64 7. Verzeichnis der Abbildungen .......................................................................................... 76 8. Verzeichnis der Tabellen ................................................................................................. 77 Anhang ................................................................................................................................. 78
Skripte ............................................................................................................................... 78 Script 1.......................................................................................................................... 78 Script 2.......................................................................................................................... 79 Script 3.......................................................................................................................... 81
Adressen der Schlaflabore................................................................................................. 83 Danksagung ......................................................................................................................... 84 Lebenslauf............................................................................................................................ 85
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Abkürzungsverzeichnis AP Phase aufeinanderfolgender repetitiver Apnoen
BGA Blutgasanalyse
CO2 Kohlendioxid
CPAP continuous positive airway pressure; Beatmungstechnik, nicht-
invasiv
et endtidal
ICSA Idiopathische zentrale Schlafapnoe
mmHg Millimeter Quecksilbersäule
MW Mittelwert
NREM non rapid eye movement sleep; Schlafphase
OSA obstruktives Schlafapnoe
OSAS obstruktives Schlafapnoesyndrom
paCO2 arterieller Kohlendioxidpartialdruck
pCO2 Kohlendioxidpartialdruck
pO2 Sauerstoffpartialdruck
REM rapid eye movement sleep; Schlafphase
SBAS Schlafbezogene Atmungsstörung
SD Standardabweichung
SP Phase stabiler, regelmäßiger Atmung
tc transkutan
ZSA Zentrale Schlafapnoe
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1. Einleitung Die American Academy of Sleep Medicine Task Force legte in ihren 1999
publizierten Standards fest, dass die Messung des arteriellen
Kohlendioxidpartialdruckes [paCO2] in der Diagnostik schlafbezogener
Atmungsstörungen, beispielsweise von Hypoventilationen während des
Schlafes, den Goldstandard darstellt. Da es aber im Rahmen einer
Polysomnographie nicht praktikabel ist, den paCO2 kontinuierlich invasiv zu
messen, wird die transkutane Kapnographie [tcCO2] empfohlen; allerdings
existierte zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Arbeit lediglich eine Studie
zur Präzision von tcCO2 bei nächtlichen Hypoventilationen, so dass auf Grund
der geringen Datenlage von einer generellen Empfehlung zum Einsatz von
tcCO2 im Schlaflabor abgesehen wird, bis die Durchführbarkeit in weiteren
Studien geprüft worden ist (AASM Taskforce, 1999).
Darüber hinaus ist die Messung des Kohlendioxidpartialdruckes im Schlaflabor
von Interesse, seit gezeigt werden konnte, dass die Genese von zentralen
Apnoen während des Schlafes bei einem bestimmten Patientenkollektiv
unmittelbar vom paCO2 abhängig ist (Xie et al, 1997). Diesbezüglich wird im
Folgenden noch eine ausführlichere Darstellung folgen.
1.1. AASM Taskforce Guidelines Zum besseren Verständnis der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen
sollen nun zunächst die Ausführungen der AASM Taskforce erläutert werden.
Das Ziel der 1999 von der AASM-Taskforce publizierten Guidelines war es,
einen gemeinsamen Standard zu schaffen; es sollten Definitionen der
Schlafbezogenen Atmungsstörungen [SBAS] bei Erwachsenen erstellt und die
in der Diagnostik eingesetzten Methoden im Vergleich zu einem festzulegenden
Goldstandard evaluiert werden. Hierbei wurde die vorhandene Literatur
bezüglich ihrer Evidenz und der Qualität der vorhandenen Studien sowie deren
Übereinstimmung bewertet.
Hypoventilationen während des Schlafes sind demnach definiert als Phasen, in
welchen im Vergleich zum Wachsein der pCO2 um über 10 mmHg ansteigt.
Dabei ist der invasiv zu messende paCO2 als Goldstandard anzusehen (AASM
Taskforce, 1999). Im Rahmen einer nächtlichen Polysomnographie ist es
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jedoch unmöglich, eine arterielle Blutgasanalyse durchzuführen, ohne die
Schlafstruktur zu stören. Daher ist nach anderen praktikablen Methoden zu
fahnden.
Eine Möglichkeit, pCO2 nicht-invasiv zu messen, stellt die endtidale
Kapnographie dar. Hierbei wird der Kohlendioxidpartialdruck nicht-invasiv im
exspirierten Luftgemisch registriert. Dies ist allerdings erschwert bei nicht-
invasiv beatmeten Patienten [NIV] und bei Patienten mit einer strukturellen
Lungengrunderkrankung, welche kein einheitliches Ventilations-Perfusions-
Verhältnis zeigen. Auch ist die Präzision dieser Methode im Vergleich zum
Goldstandard gering, wie die Taskforce für diese Methode auf Grund des
Vergleiches mit dem Goldstandard mit hohem Evidenzgrad festgestellt hat.
Nach der vorhandenen Literatur kann diese Methode daher nicht für die
Evaluierung nächtlicher Hypoventilationen eingesetzt werden.
Die transkutane Kapnographie stellt eine weitere Methode dar, pCO2 nicht-
invasiv zu messen. Für diese Methode konnte gezeigt werden, dass sie im
Vergleich zum Goldstandard eine gute Übereinstimmung zeigt. In der Studie
von Sridhar et al. (1993) wurde bei wachen Patienten unter Belastung der mit
der arteriellen Blutgasanalyse erhaltene paCO2 mit dem transkutan
gemessenen Kohlendioxidpartialdruck [tcCO2] verglichen; die Autoren kamen
zu dem Schluss, dass die transkutane Kapnographie unter diesen Bedingungen
ein verlässliches Abbild des paCO2 darstellt.
In einer weiteren Studie wurde tcCO2 mit paCO2 während des Schlafes
evaluiert. Es wurden hierbei drei Kapnographen unterschiedlicher Hersteller
untersucht. Die Autoren untersuchten die transkutane Kapnographie während
einer nächtlichen Polysomnographie bei drei Patientengruppen: unter spontaner
Raumluftatmung, unter additiver Sauerstoffgabe und unter NIV. Es wurden
jeweils die ersten drei tcCO2-Messungen von zweiminütiger stabiler Atmung vor
der Blutentnahme in die Auswertung eingeschlossen. Dies gelang bei 17
Patienten. Die Autoren fanden, dass 64% der Variabilität von paCO2 sich mit
der Variation von ptcCO2 erklären ließen. Des Weiteren konnten sie feststellen,
dass sich herstellerabhängig in 43%, 50% bzw. 67% der Werte Abweichungen
von mehr als 10 mmHg im Vergleich finden ließen. Sanders et al. folgern daher,
dass die Methode der transkutanen Kapnographie sich nicht für eine nächtliche
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Polysomnographie im Schlaflabor zur Abschätzung des paCO2 eignet (Sanders
et al., 1994).
Folglich stellt die AASM Taskforce fest, dass es sich bei der transkutanen
Kapnographie um eine Methode handelt, die bisher in der Literatur nur
unzureichend untersucht worden ist; daher ist die transkutane Kapnographie als
eine Methode anzusehen, deren Potential in Zukunft nach ausführlicherer
Evaluierung durch weitere Studien steigen könnte (AASM Taskforce, 1999).
1.2. Einfluss des Kohlendioxides auf die Atmung Bevor jedoch auf die Technik der transkutanen Kapnographie und die
unterschiedlichen schlafbezogenen Atmungsstörungen eingegangen werden
kann, folgt eine Darstellung über den Zusammenhang von Schlaf und Atmung
sowie die Rolle des CO2 für die Atmung.
pCO2 und Ventilation stehen in wechselseitiger Abhängigkeit. Willkürliche
Steigerung der Ventilation führt zur Abatmung von CO2. Folglich sinkt der
alveoläre und arterielle pCO2 ab. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden,
dass Veränderungen des paCO2, etwa durch Erhöhung der CO2-Konzentration
in der Einatmungsluft, Veränderungen der Ventilation bewirken. Hierin zeigt sich
der Effekt eines rückgekoppelten Regelkreises. Für die Registrierung des pCO2
und des pH-Wertes existieren periphere und zentrale Chemorezeptoren, wobei
der zentrale Chemorezeptor 25fach sensibler auf pH-Wert-Veränderungen
reagiert als der periphere (Schläfke, 1981).
Die Veränderungen der Atmung auf Grund chemosensibler Reize folgen nicht
dem arteriellen, sondern eher dem venösen Kohlendioxidpartialdruck, wie
schon Landmesser et al. (1957) beobachteten. So korreliert die Ventilation bei
schnellen Änderungen des alveolären pCO2 enger mit dem venösen CO2-Druck
im Jugularvenenblut als mit dem paCO2. Dabei existiert eine Schwelle, unter
der die Ventilation kaum vom paCO2 abhängig ist. Der Regelmechanismus
reagiert also auf Hypoventilation, durch die der pCO2 ansteigt, bei
Hyperventilation mit einem konsekutiven Abfall des paCO2 ist er jedoch nahezu
unwirksam (Loeschke, 1960)
Der zentrale respiratorische Rhythmusgenerator wird allerdings nicht nur von
chemischen Reizen beeinflusst, sondern auch von Dehnungsrezeptoren der
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Atemwege, von nicht rückgekoppelten Afferenzen wie beispielsweise Schmerz
sowie vom Aktivierungsniveau des zentralen Nervensystems (Schläfke et
Koepchen, 1996; Abb. 1).
Abb. 1: Zentrale Rhythmogenese der Atmung
1: chemische Rückkopplung, 2: mechanische Rückkopplung, 3: nicht rückgekoppelte
Afferenzen, 4: zentrale Aktivierung / Hemmung (nach: Schläfke et Koepchen, 1996).
Eine Übersicht über den Prozess der Lokalisierung der zentralen
Chemosensibilität und deren Funktionsmechanismus findet sich in Schläfke,
1981. Bei der Katze ist das chemosensitive Gebiet nicht im Bereich des
respiratorischen Rhythmusgenerators lokalisiert, sondern caudal des Pons
zwischen der Pyramidenbahn und den siebten bis elften Hirnnervenwurzeln,
250-300 µm unterhalb der ventralen medullären Oberfläche. In diesem Gebiet
konnten drei Areale von besonderer Chemosensitivität gefunden werden: ein
rostrales Areal M (Mitchell et al., 1963), ein kaudales Areal L (Loeschke et al.,
1970) sowie ein intermediäres Areal S (Schläfke and Loeschke, 1967).
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Eine auf eine Hypoventilation folgende respiratorisch bedingte Azidose des
arteriellen Blutes führt zu einer Erhöhung des pCO2 der Extrazellulärflüssigkeit
des Gehirns, einer Verminderung des pH und einer Erhöhung des Bikarbonats;
diese Veränderungen vollziehen sich dabei innerhalb einer Minute. Sie sind die
Konsequenz eines schnellen Austausches von Bikarbonationen zwischen der
Extrazellularflüssigkeit und den Gliazellen, entsprechend dem Hamburger Shift
im Blut. Ermöglicht wird dies durch eine erhöhte Anzahl an Kapillaren und eine
Erweiterung der Extrazellularräume im Bereich der zentralen Chemorezeptoren.
Dabei findet sich in diesem Areal fast keine Diffusionsbarriere für Kohlendioxid.
Dieses kann daher frei zwischen Blut, Extrazellularflüssigkeit und den
Gehirnzellen permeieren.
In diesen Gebieten findet sich eine spezifische chemosensible Antwort; so
reagieren Neurone des kaudalen Areals umgekehrt zu Änderungen des pH.
Dabei zeigt sich, dass die chemosensitiven Bereiche der Neuronen nahe dem
Soma lokalisiert sind.
1.3. Atmung im Schlaf Im Anschluss an die anatomisch-physiologische Darstellung der zentralen
respiratorischen Zentren befasst sich dieses Kapitel mit dem Einfluss des
Schlafes auf die Atmungsregulation. Zum besseren Verständnis sollen auch
Prozesse während schlafbezogener Atmungsstörungen angesprochen werden.
Hierbei stellen obstruktive Atmungsstörungen Alterationen durch anatomische
wie funktionelle Einflüsse und zentrale Atmungsstörungen zerebral verursachte
Veränderungen dar. Im folgenden Kapitel wird auf diese Atmungsstörungen und
deren klinische Bedeutung noch ausführlicher eingegangen werden.
Der zentrale Atemrhythmusgenerator ist während des Schlafes vor allem von
der Stimulation der Chemorezeptoren durch CO2 und Hypoxie abhängig
(Bülow, 1963; de Backer, 1998; Douglas et al., 1982; Hudgel et al., 1984;
Schläfke et Koepchen, 1996; White et al., 1985). Die zentrale Chemosensitivität
ist herabgesetzt, wobei es Hinweise gibt, dass dies durch mechanische
Faktoren verursacht ist (de Backer, 1998; Parisi et al., 1992; Verbraecken et al.,
1995). Zusätzlich ist der Stoffwechsel während des Schlafes vermindert
(Douglas et al., 1982).
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Die arterielle Kohlendioxidkonzentration [paCO2] ist im NREM-Schlaf um 4-8
mmHg erhöht, die arterielle Sauerstoffkonzentration [paO2] um 3-10 mmHg
erniedrigt (Douglas et al., 1982).
Zusätzlich findet sich sowohl bei Patienten mit zentralen Apnoen als auch bei
normokapnischen Patienten mit obstruktiven Apnoen eine gesteigerte zentrale
Chemosensitivität, dies führt bei letzteren zu einer Verkürzung der Dauer der
Apnoen (Verbraecken et al., 1998). Bei OSAS-Patienten mit chronischer
Hyperkapnie ließ sich eine verminderte Chemosensitivität auf CO2 nachweisen
(Verbraecken et al., 1995).
Da bei Patienten mit zentralen Apnoen paCO2 signifikant niedriger als bei
Patienten mit obstruktiven Apnoen ist (Verbraecken et al., 1998), kann ein
gesteigerter zentraler Atmungsantrieb zu periodischen Atemmustern durch
einen gesteigerten Rückkopplungsmechanismus führen (Verbraecken et al.,
1995). Im Verlauf von Hyperventilationen im NREM-Schlaf fällt paCO2 unter die
Apnoeschwelle, so dass eine zentrale Apnoe entsteht; diese Schwelle für die
Auslösung einer zentralen Apnoe liegt im Allgemeinen unterhalb von 35 mmHg
(de Backer, 1998; Skatrud and Dempsey, 1983; Verbraecken et al., 1998). Der
Apnoe folgende Weckreaktionen im Sinne eines Arousals können wiederum
Hyperventilationen auslösen und somit die Phase unregelmäßiger und instabiler
Atmung verstärken (de Backer, 1998). Dabei ist die Länge der zentralen Apnoe
auch von der Stärke des Arousals abhängig (Xie et al., 1994).
Die Tonisierung der oberen Atemwege nimmt mit einer Verminderung des
zentralen Chemosensitivität ab, die Kollabilität und somit die Wahrscheinlichkeit
einer Obstruktion folglich zu (Badr, 1996). Es finden sich viele Apnoen und
Hypopnoen als Folge eines deutlichen Tonusverlustes der akzessorischen
Atmungs- und Haltungsmuskulatur, sowie einer generell verminderten
Tonisierung der Skelettmuskulatur (Smith et al., 1997). Zudem ist die
funktionale Residualkapazität in horizontaler Körperposition – mit der Folge
einer Reduktion der kaudal gerichteten Tracheatraktion - verringert. Dies führt
zu einem höheren respiratorischen Widerstand und begünstigt Desaturationen
und Kohlendioxidretention bei gegebener Apnoedauer (Dempsey et al., 1996).
Da wiederholte obstruktive Apnoen mit einer gesteigerten Atmungsantwort auf
CO2 assoziiert sind, steigt die Tonisierung und somit vermindert sich die
Wahrscheinlichkeit einer Obstruktion (Verbraecken et al., 1995).
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Die gesteigerte Chemosensitivität bei normokapnischen obstruktiven
Schlafapnoepatienten kann durch eine längere Therapie mit nasalem CPAP
vermindert werden (Verbraecken et al., 2000). Dies könnte auf einem
Lernprozess beruhen, der möglichst wenig Dyspnoeempfinden bei möglichst
optimaler Ventilation erzielen soll (Oku et al., 1996). Als Folge bieten diese
Patienten dann weniger schlafbezogene Atmungsstörungen und somit eine
geringere Fragmentation des Schlafes (Verbraecken et al., 2000).
Aus diesen Ausführungen wird deutlich, dass eine erhöhte zentrale
Chemosensitivität einerseits zu vermehrt unregelmäßiger Atmung, andererseits
durch eine erhöhte Tonisierung der oberen Atemwege zu einer Verkürzung der
Apnoedauer führen kann (de Backer, 1995, de Backer 1998).
1.4. Störung der Atmung während des Schlafes Die schlafbezogenen Atmungsstörungen [SBAS] sind eine Gruppe von
verschiedenen Krankheitsbildern, die durch eine Verminderung der Atmung im
Schlaf bis hin zum Atmungsstillstand charakterisiert sind (Peter et al., 1987).
Eingeteilt werden diese in Störungen mit und ohne Obstruktion der oberen
Atmungswege (Deutsche Gesellschaft für Pneumologie, Arbeitsgruppe
Nächtliche Atmungs- und Kreislaufregulationsstörungen 1991; Deutsche
Gesellschaft für Pneumologie, Arbeitsgruppe Nächtliche Atmungs- und
Kreislaufregulationsstörungen 1993; AWMF-Leitlinie der Deutschen
Gesellschaft für Pneumologie in Zusammenarbeit mit der Deutschen
Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin 1997). Die SBAS ohne
Obstruktion werden eingeteilt in die zentrale Apnoe und die Hypoventilation. Zu
den schlafbezogenen Atmungsstörungen mit Obstruktion der oberen Atemwege
zählen solche mit partieller Obstruktion (Schnarchen, Hypopnoe) und solche mit
totaler Obstruktion (Apnoe). Des Weiteren lassen sich gemischte Apnoen
differenzieren, die gekennzeichnet sind durch eine initiale zentrale Apnoe,
welche in eine obstruktive Apnoe übergeht (Peter et al., 1989).
Schlafbezogene Atmungsstörungen finden sich bei 2% aller Frauen sowie bei
4% aller Männer (Fletcher 1995; Young et al, 1993). Dieser
geschlechtsspezifische Unterschied ist möglicherweise durch hormonelle
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Einflüsse bedingt (Brooks and Strohl, 1992, Cistulli et al., 1994; Katragadda et
al., 1997; Popovic and White, 1998; Zhou et al., 2000).
1.4.1 Obstruktive Apnoen
Obstruktive Apnoen, ausgelöst durch mechanische Verlegung der oberen
Atemwege, werden in klinischen Kollektiven bei mehr als 90% der Patienten mit
Schlafapnoesyndromen gefunden; damit ist das obstruktive Schlafapnoe-
Syndrom die häufigste SBAS (Gottlieb, 2002). Die Prävalenz wird mit 2% für
Frauen und 4% für Männer zwischen 30 und 60 Jahren angegeben (Young et
al., 1993). Adipositas (Kyzer and Charuzi, 1998; Loube 2001; Strohl and
Redline, 1996) sowie pathologische Veränderungen der oberen Atemwege wie
nasale Obstruktion (Friedman et al., 2001; Hooper 2001) oder myotone
Dystrophie (Guilleminault et al. 1978) sind die häufigsten Ursachen eines
OSAS.
Die Leitsymptome des OSAS sind starkes Schnarchen, exzessive
Tagesmüdigkeit und vom Partner bemerkte Atmungsstillstände im Schlaf.
Daneben bestehen häufig assoziierte Symptome wie Konzentrationsstörungen,
Depressionen, durch die Einschlafneigung verursachte Unfälle am Arbeitsplatz
sowie im Straßenverkehr (Cassel et al., 1991; Martikainen et al., 1992; Ulfberg
et al., 1996), Impotenz und Durchschlafstörungen (Hoffstein and Szalai, 1993;
Stradling and Crosby 1991).
Im Laufe der Jahre kann es durch dieses Krankheitsbild zu irreversiblen
Organschäden kommen, die das Herz-Kreislaufsystem betreffen und unter
anderem zu Hypertonie, Herzinfarkt, Apoplexie und Atherosklerose führen
können (Deutsche Gesellschaft für Pneumologie, 1991; Duchna et al., 2000;
Levinson et al., 1993; Partinen and Guilleminault, 1990; Rossner et al., 1991).
Während obstruktiver Apnoen erhöht sich die Aktivität der respiratorischen
Muskulatur besonders während des NREM-Schlafs, da der pCO2 ansteigt und
folglich der sensorische Input der Chemorezeptoren. Die erhöhte Tonisierung
des Pharynx ist nicht allein durch eine verstärkte Aktivität der Chemorezeptoren
ausgelöst, sondern z.B. auch durch Aktivierung von Mechanorezeptoren der
oberen Atemwege oder ein verändertes Schlafstadium (Okabe et al., 1993;
Okabe et al. 1994). Das Vigilanzniveau und damit die Schlaftiefe können sich
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schlafstadienabhängig verringern (Berry et al., 1998; Berry and Gleeson, 1997;
Guilleminault et al., 1993). Dieser Mechanismus liegt einem Arousal zugrunde.
Hierbei wird der obere Atemwegswiderstand parallel zu einer verstärkten
Innervation der respiratorischen Muskulatur vermindert (Chow et al., 1994);
dieser Effekt ist besonders deutlich zu Beginn dieser Weckreaktion (Khoo et al.,
1996). Ist diese Ventilationssteigerung zu stark, kann dies erneut zu einer
übermäßigen Ventilationsverminderung mit folgender CO2-Retention führen.
Auf diesem Wege können sich periodische Phasen von abwechselnd
regelrechter Atmung und Apnoen sowie Hypopnoen entwickeln.
Den Goldstandard in der Therapie des OSAS stellt die Verminderung der
Kollabilität der oberen Atemwege durch die nasale CPAP-Therapie dar (Sullivan
et al., 1981). Ein besonderer Stellenwert bei der weiteren Erforschung der
obstruktiven Schlafapnoe wurde auf die Pathophysiologie der Obstruktion der
oberen Atemwege (Leung and Bradley, 2001; Sforza et al., 1999) und deren
Auswirkung auf Tagesschläfrigkeit und andere kognitive Funktionen (Orth et al.,
2002) gelegt.
1.4.2. Zentrales Schlafapnoe-Syndrom
Zentrale Schlafapnoen werden durch Störungen der zentralen
Atmungsregulation hervorgerufen (White, 1985). Eine Über- oder
Unteraktivierung der neuralen Rückkopplungsmechanismen ist hierbei ein
zugrundeliegender Faktor (American Sleep Disorders Association, 1997).
Bei zentralen Apnoen sistiert die Atmung aufgrund eines verminderten
zentralen Atmungsantriebes; eingeteilt werden diese in Apnoen mit und ohne
Hyperkapnie.
Die hyperkapnische Form der zentralen Schlafapnoe entwickelt sekundär
Hypoventilationssyndrome, bei denen eine Reduktion des Atmungsantriebs
aufgrund einer Insensibilität der zentralen Chemorezeptoren vorliegt. Hierbei ist
der arterielle pCO2 erhöht. Zudem kommt es mit dem Beginn der
Einschlafphase zu einer weiteren Depression der Chemosensitivität, was zu
einem Anstieg der Reizschwelle für pCO2 und pO2 führt. Hierdurch verringert
sich der Atmungsantrieb, und es kommt zum Auftreten von zentralen Apnoen
(Bradley and Phillipson, 1992).
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Nicht-hyperkapnische Formen der zentralen Schlafapnoe [CSA] treten ebenfalls
auf; der paCO2 ist dabei erniedrigt oder normal. Im Gegensatz zu den
hyperkapnischen Formen der zentralen Schlafapnoe ist die zentrale
Chemosensitivität hier erhöht. Nicht-hyperkapnische CSA treten häufig als
Folge einer schweren Grunderkrankung (z.B. Herzinsuffizienz) oder einer
primär erhöhten Chemosensitivität auf. Letztere Erkrankung wird als
idiopathische zentrale Schlafapnoe bezeichnet (Bradley, 2002). Patienten mit
dieser Erkrankung zeigen eine ähnliche Tagessymptomatik wie Patienten mit
OSAS, zusätzlich zeigt sich häufig eine Insomnie (Wisskirchen and Teschler,
2000). Am Tage sowie in der Nacht besteht eine Hyperventilation, und ihre
zentralen und peripheren respiratorischen Ventilationsantriebe sind gesteigert
(Xie et al., 1994; Xie et al., 1995; Xie et al., 2001). Der Abfall des pCO2
aufgrund dieser Hyperventilation liegt bei 2-4 mmHg (Dempsey et al., 1996; Xie
et al., 1997) und ist bei Frauen größer als bei Männern (Zhou et al., 2000).
Zentrale Apnoen bei diesen Patienten folgen einer plötzlichen Erhöhung des
Atemzugvolumens und der Minutenventilation und sind oft mit Arousals
assoziiert, welche mit einer Erniedrigung des pCO2 einhergehen. Wird die
Apnoeschwelle unterschritten, folgt eine zentrale Apnoe, welche einen Anstieg
des pCO2 und ein Überschreiten der Apnoeschwelle bedingt. Da diese
Patienten eine gesteigerte Chemosensibilität zeigen, welche den pCO2 nahe
der Apnoeschwelle hält, können schon geringfügige Erniedrigungen des pCO2
des Blutes zu einer Apnoe führen (Abb. 2). (Xie et al., 1994; Xie et al., 1995, Xie
et al., 1997).
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Abb. 2: Effekt von additivem CO2 bei Patienten mit ICSA
Desaturationen verschwinden bei Gabe von CO2 und treten unter Raumluftatmung wieder auf.
Registrierung eines Patienten mit ICSA. Aus: Xie et al, 1997
Auch bei Patienten, die bei zentralen Apnoen Cheyne-Stokes Atmung zeigen,
kann durch eine geringfügige Steigerung der Ventilation eine Unterschreitung
der Apnoeschwelle herbeigeführt werden (Bradley and Phillipson, 1992;
Naughton et al., 1993). Verursacht wird dies durch eine erhöhte
Chemosensibilität, welche den respiratorischen Rhythmusgenerator destabili-
siert (Cherniak and Longobardo, 1973; Khoo et al., 1982; Sun et al., 1999).
Eine Instabilität des respiratorischen Rhythmusgenerators kann - unabhängig
von anderen Faktoren - durch Arousals verursacht werden (Horner et al., 2001).
Arousals triggern und verstärken die Überreaktion der zentralen
Atmungsregulation, sowohl bei Patienten mit Cheyne-Stokes Atmung bei
zentralen Schlafapnoen als auch bei Patienten mit idiopathischer zentraler
Schlafapnoe, und führen so konsekutiv zum Auftreten von zentralen Apnoen
(Naughton et al. 1993; Xie et al., 1994; Xie et al., 1995).
Bei diesem Patientengut werden zentrale Apnoen also direkt durch
Verminderung des paCO2 unter die Apnoeschwelle ausgelöst und sistieren,
wenn die Apnoeschwelle wieder überschritten wird.
- 18 -
1.4.3. Therapiemöglichkeiten von SBAS
Obstruktive Apnoen werden mit der CPAP-Therapie (continuous positive airway
pressure) behandelt; diese ist zur Zeit der Goldstandard und wird ab einer
gewissen Häufigkeit von Apnoen oder Schwere der Tagessymptomatik
eingesetzt (Grunstein et al., 1995; Grunstein et al., 2001; Hashimoto et al.,
2000); die Anzahl der Apnoen wird verringert und die gestörte Kreislauffunktion
verbessert sich (Huang et al., 1996; Malone et al., 1991; Piper and Sullivan,
1996).
Jeder Therapie sollte eine ausreichende Diagnostik vorausgehen (AASM
Taskforce, 1999). Nach Diagnosestellung eines zentralen Schlafapnoe-
Syndromes muss besondere Sorgfalt auf die Diagnostik der hier häufig
zugrundeliegenden kardialen Erkrankungen gelegt werden. Bei Vorliegen z.B.
einer Herzinsuffizienz ist die medikamentöse Therapie dieser die Basistherapie
auch der zentralen Atmungsstörung. Als weitere Therapiemöglickeiten bieten
sich danach die nächtliche Sauerstofftherapie sowie die BiLevel-Therapie an;
bei dieser Therapie handelt sich um eine Form der nicht-invasiven Beatmung,
bei welcher im Gegensatz zur CPAP-Therapie kein konstanter positiver Druck
appliziert wird, sondern das Druckniveau in der Inspirationsphase höher ist als
in der Exspirationsphase.
CPAP-Geräte der neuesten Generation titrieren innerhalb eines vorgegebenen
Druckbereiches den optimalen CPAP-Druck selbsttätig ein (Autoset CPAP) und
werden dem unterschiedlichen Druckbedarf während der verschiedenen
Schlafstadien gerecht. Mit Hilfe dieser Technik kann der durchschnittliche
mittlere Druck gesenkt werden (Teschler et al, 2000). Dabei stimmen die mit
dieser Methode eingestellten Drucke mit den manuell eingestellten Drucken
auch über einen längeren Beobachtungszeitraum überein (Teschler et al,
1997).
Des Weiteren kann der zentrale Atmungsantrieb gesteigert werden durch Gabe
von Theophyllin, Azetazolamid, Clomipramin und Medroxyprogesteron, bei
jedoch unterschiedlicher Effektivität (Rasche et al., 1999).
Die Suche nach anderen, nichtmechanischen Behandlungsformen wird
ebenfalls weitergeführt. So wurde durch Einsatz eines Herzschrittmachers die
Herzfrequenz während des Schlafes geringfügig erhöht, wodurch die Anzahl
- 19 -
von obstruktiven Schlafapnoen um 60% vermindert wurde (Garrigue et al.,
2002, Gottlieb, 2002).
1.5. Methoden der CO2-Messung
1.5.1. Gerätearten
Messmethoden, die im Schlaflabor angewendet werden sollen, sollten den
Schlaf selbst möglichst wenig stören; eine Messgröße von besonderem
Interesse ist die arterielle Kohlendioxidkonzentration, wird doch die Atmung
während des Schlafes vom metabolischen respiratorischen Regulationssystem
gesteuert wird (Schläfke and Koepchen, 1996).
Verschiedene Verfahren sind entwickelt worden, um den pCO2 zu messen. Es
existieren Geräte zur in-vitro Untersuchung, die Blutgasanalyse-Geräte, und
Geräte zur in vivo / ex vivo-Untersuchung, welche als Blutgasmonitore
bezeichnet werden (Shapiro, 1999).
Eine invasive Messmethode ist die arterielle Blutgasanalyse; nicht-invasive
Verfahren stellen die transkutane sowie die endtidale Kapnographie dar.
Besonders vorteilhaft für den Gebrauch in der Schlafmedizin sind die beiden
letztgenannten Methoden, da sie eine kontinuierliche nicht-invasive
Registrierung während des Schlafes ermöglichen (AASM Taskforce, 1999).
1.5.2. Arterielle Blutgasanalyse
Die physikalisch-chemischen Grundlagen der Blutgasanalyse wurden bereits
1890 von Wilhelm Ostwald und Walther Nernst entdeckt, jedoch wurde erst ab
1952 dieses Verfahren in den klinischen Alltag eingeführt (Severinghaus and
Astrup, 1985). Heutzutage wird diese Methode in klinischen Einrichtungen zur
Diagnostik von vielen Krankheitsbildern eingesetzt, sei es in der
Notfallaufnahme bei Patienten mit akutem Asthmaanfall, auf der Intensivstation
als Routineuntersuchung oder auf der peripheren Station zur Einstellung einer
O2-Langzeittherapie (Raffin, 1986).
Die arterielle Blutgasanalyse stellt den Goldstandard für die Messung der
Blutgase dar. Dennoch ist die Studienlage, die Validität der Methode betreffend,
uneinheitlich (Hansen et al., 1982). Eine Studie, welche sich explizit mit der
- 20 -
Variabilität und Validität der arteriellen Blutgasanalyse beschäftigt, existiert
nicht.
1.5.3. Endtidale Kapnographie
Die alveoläre Gasoszillation wird im Steady-state hauptsächlich bestimmt durch
die metabolische CO2-Produktion, die Atmungsfrequenz und die Stärke des
Gasflusses. Weniger bedeutende Faktoren stellen die Größe des Totraumes,
Veränderungen des Herzminutenvolumens, Veränderungen der funktionellen
Residualkapazität sowie Veränderungen der Steady-state-Ventilation und somit
des Kohlendioxidpartialdruckes dar. Unter Ruhebedingungen kann der
endexspiratorische pCO2 [petCO2] als Abschätzung des arteriellen
Partialdruckes akzeptiert werden, obwohl letzterer tendenziell unterschätzt wird
(Saunders and Cummin, 1992).
Abb. 3: Originalregistrierung einer endtidalen Kapnographie
Dargestellt sind die verschiedenen Phasen der In- sowie Exspiration (Einzelheiten siehe Text).
Der Atmungszyklus, wie er sich im Kapnogramm darstellt, lässt sich in vier
Phasen unterteilen (Abb. 3). Phase I entspricht dem Beginn der Exspiration mit
initialer Totraumventilation von Raumluft, die Kohlendioxidkonzentration
entspricht somit etwa 0 mmHg. Anschließend (Phase II) wird ein Luftgemisch
mit ansteigendem Anteil an CO2 ausgeatmet, da im Verlauf der Anteil des in
den Lungenalveolen am Gasaustausch teilgenommen Gasgemisches ansteigt;
zusätzlich ist dieses Gemisch angereichert mit CO2 aus dem lokalen
Gewebemetabolismus und es enthält Anteile verbliebener nicht ventilierter
alveolärer Luft aus der vorherigen Exspirationsphase; der gemessene
Partialdruck steigt somit an. In der folgenden Phase, Phase III, gelangt die
- 21 -
Alveolarfraktion an den Sensor; sie entspricht dem alveolären Gasgemisch. Die
letzte Phase spiegelt die beginnende Inspiration wieder, der gemessene
Partialdruck fällt wieder ab (Benumof, 1998). Möchte man alveoläre Werte
messen, so darf lediglich Phase III, die auf Grund des konstanten CO2-Druckes
einem Plateau entspricht, ausgewertet werden. Weiterhin zu beachten ist, dass
das gemessene Gas aus belüfteten Lungenanteilen stammt, ungeachtet der
Tatsache, ob diese durchblutet sind oder nicht, daher kann der gemessene
Wert den tatsächlichen pCO2 des Blutes unterschätzen. Auch werden nicht alle
Alveoli bei jedem Atemzug gleichmäßig belüftet, was ebenfalls zu falsch
niedrigen Messwerten führen kann (Broka, 2001). Die arterielle
Kohlendioxidspannung ist somit von der Lungendurchblutung abhängig, also
perfusionsgewichtet, der alveoläre pCO2 hingegen von der Lungenbelüftung
bestimmt, also ventilationsgewichtet (Schäfer, 1998).
Diese Einschränkungen haben dazu geführt, dass von einigen Autoren
bezweifelt wurde, dass mit Hilfe der Kapnographie die alveoläre Ventilation
abgebildet werden kann (Schmitz and Shapiro, 1995); nach neueren Studien
stellt die endtidale Kapnographie jedoch eine hilfreiche nicht-invasive Methode
dar, die alveoläre Ventilation während des Schlafes kontinuierlich abzubilden
(Schäfer, 2003).
1.5.4. Transkutane Kapnographie
Seit ihrer Entwicklung vor zwei Jahrzehnten (Severinghaus, 1981) ist die
Methode der transkutanen Messung der Blutgase in vielen Bereichen
eingesetzt und untersucht worden (Lang, 1998; Lang et al., 2002; Rodrigues et
al., 2001). Eine Übersicht verschiedener Studien ist in Tabelle 1
wiedergegeben.
Vor allem bei Kindern bietet sich die transkutane Kapnographie zur
Überwachung des CO2-Partialdruckes an (Rowe et al., 1980), da diese
Methode nicht-invasiv ist und daher mit geringerer Aversion der kleinen
Patienten einhergeht.
Registriert die transkutane Elektrode Werte jenseits des physiologischen
Bereiches, so ist die Validität eingeschränkt. So konnte in einem
Kaninchenmodell gezeigt werden, dass sich nach einem hämorrhagischen
- 22 -
Schock eine Akkumulation von Kohlendioxid in der Haut findet und so
überhöhte transkutane Messwerte entstehen; unter physiologischen
Bedingungen hingegen findet sich eine gute transkutan-arterielle Korrelation
(Beran et al., 1981). Bei Erwachsenen ist die Validität abhängig von dermalen
und hämodynamischen Faktoren (Abraham, 1986; Franklin, 1995). Daher
interessiert, inwiefern mit Hilfe der transkutanen Kapnographie unter
Bedingungen des Schlafes im Schlaflabor valide Werte erhoben werden
können.
Tab. 1: Studien mit transkutaner Kapnographie
Korrelationen zwischen tcCO2 und pCO2, Bias und Bereiche der Übereinstimmung in vorherigen
Publikationen sowie dieser Studie, jeweils unter Verwendung des Radiometer TINA TCM-3
Kapnographen
Hoffman et al., 1990; Sridhar et al., 1993 ; Drummond et al., 1997 ; Kesten et al., 1991 ;
Palmisano et al., 1990 ; Lang, 1998 ; Rosner et al., 1990 ; Janssens et al., 2001
Modifiziert nach Janssens et al., 2001; NB: nicht bekannt aus Publikation, d: Bias, s: SD der
Bias, Bereiche der Übereinstimmung laut Bland and Altman, 1986
Alveolärer, arterieller und der an der Hautoberfläche gemessene Partialdruck
stimmen nicht a priori überein (Hazinski et al., 1984). Durch das in die Elektrode
eingebaute Heizelement wird die dermale Durchblutung gesteigert und
autoregulatorische vasokonstriktive Veränderungen ausgeschaltet (Hanly,
1997; Severinghaus, 1981). Um Hautirritationen zu vermeiden, empfiehlt der
Hersteller einen Wechsel des Applikationsortes der Elektrode alle vier Stunden.
Es konnte jedoch gezeigt werden, dass ein Belassen der Elektrode über acht
- 23 -
Stunden weder andauernde Hautirritationen verursacht noch die Messqualität
der Elektrode verschlechtert (Janssens et al., 2001).
1.5.4.1. Aufbau der transkutanen Elektrode
Zum besseren Verständnis der Funktion der transkutanen Elektrode ist es
erforderlich, den Aufbau zu schildern. Außer dem Heizelement besteht die
kombinierte pO2 / pCO2 Elektrode aus zwei Temperatursensoren, einer
Sauerstoffelektrode vom Clark-Typ und einer Kohlendioxidelektrode vom
Severinghaus-Typ zusammengefasst in einem Elektrodenkopf (Larsen and
Linnet, 1990; Severinghaus et al., 1978; Abb. 4).
Abb. 4: Schematischer Aufbau des Elektrodenkopfes
(modifiziert nach Radiometer, 1993);
Legende: 1 Hochpräzisions-NTC-Resistoren (Temperatursensoren), 2 Platinkathode (pO2-
Elektrode), 3 die Elektrodenoberfläche umgebender Elektrolyt, 4 O2/CO2 permeable
Membranen, 5 verstärkte Feststoff pH Elektrode, 7 Elektrolytreservoir, 8 O-Ringe zur
Befestigung der Membranen, 9 Heizelement
Die aktuelle Hauttemperatur wird von einem NTC-Resistor gemessen, der in die
Ag/AgCl-Elektrode integriert ist. So kann schnell auf Veränderungen der
Hauttemperatur reagiert und die voreingestellte Elektrodentemperatur, wie
beispielsweise in dieser Studie 43,5oC, aufrechterhalten werden. Hierbei wird
eine lokale thermale Hyperämie erzeugt. Dies führt zu folgenden
Veränderungen pro Erhöhung um ein Grad Celsius: die Löslichkeit von CO2
steigt um 4,5%, der Stoffwechsel der Haut erhöht sich um 7%, die
- 24 -
CO2/Hämoglobin-Dissoziationskurve wird nach rechts verschoben und CO2
diffundiert vermehrt durch das Stratum corneum. Daher besitzen
handelsübliche tcCO2-Elektroden eine metabolische sowie eine Temperatur-
Korrektur (Hanly, 1997; Palmisano and Severinghaus, 1990; Wimberley et al.,
1985); die zusätzliche Erhöhung des Messwertes durch den lokalen
Hautmetabolismus beträgt näherungsweise 4 mmHg (Douglas et al., 1982;
Naifeh et al., 1989).
1.5.4.2. Der chemisch-physikalische Mechanismus der tcpCO2-Messung
Die Funktion der transkutanen Elektrode basiert auf einfachen chemisch-
physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Bevor das aus dem Blut stammende
Kohlendioxid registriert werden kann, diffundiert es durch die verschiedenen
Gewebe an die Hautoberfläche und durch die Elektrodenmembran hindurch in
den Elektrolyten. Hier reagiert es mit Wasser zu Kohlensäure (H2CO3), welche
sofort zu Karbonat (HCO3-) und Wasserstoffionen (H+) dissoziiert:
H2O + CO2 ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3- (Formel 1)
Die Konzentration an HCO3- des Elektrolyten ist fix, so dass sich
Veränderungen direkt in Veränderungen der Protonenkonentration, also des
pH-Wertes, wiederspiegeln.
Nach Henderson und Hasselbalch kann Formel 1 umformuliert werden in:
pCO2a [HCO3-]
glopKpH•
+= (Formel 2)
wobei: pK: Dissoziationskonstante von Kohlensäure, [HCO3-]: Konzentration
von Karbonat, a: Löslichkeitskoeffizient von CO2 im Elektrolyten, pCO2:
Partialdruck von CO2.
Die Membran der Elektrode ist nicht durchlässig für geladene Moleküle, so dass
die Veränderung des pH ausschließlich durch die Diffusion des Kohlendioxids
durch die Membran in den Elektrolyten hinein bedingt ist. Mit der Veränderung
des pH ändert sich die Spannung zwischen der Glaselektrode und der
Referenzelektrode. Laut Formel 2 ist diese Veränderung des pH linear
proportional zu einer Veränderung des pCO2, wenn [HCO3-] konstant gehalten
wird.
Das zwischen der Referenz- und der pCO2-Elektrode entstehende Potential
wird digitalisiert und zum Mikrocomputer in der Monitoreinheit geleitet. Dort wird
- 25 -
es konvertiert und im Monitor angezeigt (Larsen and Linnet, 1990; Larsen et al.,
1993).
Vor jeder Messung muss die Elektrode kalibriert werden. Hierzu wird der
Elektrode ein Gas angeboten, welches 5% Kohlendioxid enthält.
Alternativ kann auch eine in-vivo-Kalibration durchgeführt werden. Bei dieser
werden die von der transkutanen Elektrode gemessenen Werte gegen eine
gleichzeitig durchgeführte invasive Blutgasanalyse geeicht (Gray et al., 1987;
Hughes et al., 1984; Sridhar et al., 1993).
Im Vergleich zur endtidalen Kapnographie benötigt die transkutane
Kapnographie eine initiale Eichung, die Validität scheint von der
Hautbeschaffenheit abhängig zu sein, die Elektrode ist empfindlich gegen
mechanische Manipulation, insbesondere muss die Membran intakt bleiben,
und die Dauer der Messung ist durch die Überwärmung der Haut limitert,
wenngleich für die Belange einer Polysomnographie ausreichend. Sie
ermöglicht allerdings im Gegensatz zur endtidalen Kapnographie eine
kontinuierliche, nicht vom Atemfluss abhängige Registrierung des paCO2.
1.6. Problemstellung und Zielsetzung der Studie Die vorliegende Studie hat das Ziel, die Einsetzbarkeit der transkutanen
Kapnographie an einem unselektierten Patientenkollektiv im Schlaflabor zu
untersuchen.
Dabei ergeben sich folgende Fragestellungen:
• Welche Validität besitzt die transkutane Kapnographie im Vergleich zum
Goldstandard der arteriellen Blutgasanalyse?
• Ist eine kontinuierliche Messung des paCO2 mittels der transkutanen
Kapnographie über die Dauer einer gesamten Nachtmessung praktikabel
und reliabel?
• Lässt sich eine Korrelation der CO2-Ventilation zu verschiedenen
Atemphasen finden?
- 26 -
2. Methoden Um diese Fragestellungen beantworten zu können, wurden die verwendeten
Elektroden zunächst an Probanden charakterisiert und anschließend in die
bestehenden Schlaflaborsysteme eingebunden. Es folgten Messungen an
Patienten, welche im Hinblick auf Variabilität und Validität der transkutanen
Methode untersucht wurden; anschließend wurden selektiv Unterschiede
zwischen zentralen und obstruktiven Apnoen dargestellt.
2.1. Allgemeine Grundlagen
2.1.1. Patientenkollektiv
Die Messungen fanden statt im Schlaflabor der Medizinischen Klinik III des
Bergmannsheils Bochum sowie im Institut für Schlafphysiologie der Fachklinik
Ambrock. Beide Institute sind einer Universität angeschlossen sowie bei der
Deutschen Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin akkreditiert. Es
wurden konsekutiv und unselektiert alle Patienten des Messplatzes in diese
Studie eingeschlossen, an welchem die transkutane Elektrode installiert war.
Polysomnographien von 140 konsekutiven nicht selektierten Patienten sind in
diese Studie einbezogen worden. Hierbei handelte es sich entweder um eine
diagnostische oder eine Kontrollpolysomnographie bei bekanntem
Krankheitsbild. Tabelle 2 stellt das Kollektiv der jeweiligen Schlaflabore dar.
Tab. 2: Patientenkollektiv in beiden beteiligten Zentren
Gesamt Frauen Männer
Bergmannsheil 54 6 48
Klinik Ambrock 86 28 58
2.1.2. Schlaflaborausstattung
Während der Polysomnographie wurden das Elektroenzephalogramm [EEG],
das Elektrookulogramm, das Elektromyogramm des M. mentalis [EMG], die
Sauerstoffsättigung [SaO2], die Körperposition sowie die transkutane
Kapnographie (TINA TCM3tm, Radiometer Copenhagen) aufgezeichnet.
- 27 -
Eingesetzt wurden Elektroden vom Radiometer-Typ E5280, welche sowohl den
Kohlendioxidpartialdruck [pCO2] als auch den Sauerstoffpartialdruck [pO2]
transkutan messen können. Um die Ventilation beurteilen zu können, wurden in
Hagen-Ambrock die Induktionsplethysmographie (Respitracetm, Ambulatory
Monitoring) und im Bergmannsheil Dehnungsmessstreifen sowie ein nasal
platzierter Thermistor eingesetzt. Die Dehnungsmessstreifen sowie die Gurte
des Induktionsplethysmographen wurden abdominal und thorakal am Patienten
angelegt. Zusätzlich wurde eine klassische Blutgasanalyse durchgeführt. In
Hagen-Ambrock wurde des Weiteren eine endexspiratorische Kapnographie
(Datex Normocap 200 oxytm, Datex Engstrom, Finnland) mit aufgezeichnet. In
letzterem Schlaflabor wurden die Daten auf einem kombinierten Nihon Kohden
und einem Spike2tm (Cambridge Electronic Devicestm) System aufgezeichnet, in
ersterem auf einem Alice 4tm System (Heinen & Löwenstein GmbH). Zur
Blutgasanalyse wurde arterialisiertes Blut aus dem Ohrläppchen verwendet.
Dieses wurde mit einem Radiometer ABL5tm (Klinik Hagen-Ambrock) bzw. mit
einem Radiometer ABL 615tm (Klinik Bergmannsheil) analysiert.
Die aufgezeichneten Polysomnographien entsprechen dem Standard nach
Fischer (Fischer et al., 2002). Als zusätzlicher Messparameter wurde die
transkutane Kapnographie kontinuierlich mit aufgezeichnet. Die Patienten
wurden vor Beginn der Untersuchung über die Zielsetzung der Studie
unterrichtet und gaben ihre Einwilligung. Die Studie wurde von der
Ethikkommission der Ruhr-Universität genehmigt.
2.1.3. Statistik
Statistische Analysen wurden unter Zuhilfenahme von SPSS 10.0 für
Windowstm (Spss Inc.) durchgeführt. Dabei wurde p<0,05 als statistisch
signifikant angesehen.
2.2. Transkutane Kapnographie Die transkutane Elektrode, Radiometer Typ E5280tm, welche an das TINA
TCM3tm Monitoring System angeschlossen wurde, kann sowohl den
Sauerstoffpartialdruck, als auch den Kohlendioxidpartialdruck des Blutes an der
- 28 -
Hautoberfläche messen. In dieser Studie wurde jedoch nur der transkutane
Kohlendioxidpartialdruck ausgewertet.
Das von uns verwandte Kalibrationsgas enthielt 20,9% Sauerstoff und 5%
Kohlendioxid. Dies entspricht bei einem atmosphärischen Druck von 760 mmHg
159 mmHg Sauerstoffpartialdruck und 38 mmHg Kohlendioxid-partialdruck
(Radiometer, 1993).
Um lokale Hautirritationen zu vermeiden, wurde die Elektrodentemperatur auf
43,5oC eingestellt, wie in der Literatur empfohlen (Drummond et al., 1997).
Zusätzlich wurde die abdominal platzierte Elektrode jeweils nach einem
Messintervall von 4 Stunden an einer anderen Position platziert.
Die Verzögerung des mit der transkutanen Elektrode gemessenen Signals
betrug 60 Sekunden (Lanigan et al., 1988).
2.3. Endtidale Kapnographie Von der kontinuierlich registrierten petCO2-Aufzeichnung wurde lediglich das
Maximum der Phase III gewertet (Abb. 3). Hierbei durfte das letzte Fünftel der
Phase III sich nicht mehr als um 2,8 mmHg pro Minute ändern, so dass
sämtliche Atemzüge mit irregulärem Atemfluss ausgeschlossen wurden. Um
Artefakte, bedingt durch Messung von Raumluft und durch die dem Gerät
eingebaute Kalibrationsautomatik auszuschließen, wurden nur Messwerte
zwischen 25 und 72 mmHg berücksichtigt. Zusätzlich analysierte und korrigierte
der Algorithmus die Verzögerung des an der Nasenspitze gemessenen Signals
im Vergleich zu den Atmungsexkursionen des Thorax und Abdomens mittels
Kreuzkorrelation; diese Verzögerung lag zwischen 1,0 und 2,5 Sekunden.
2.4. Validierung der drei transkutanen Elektroden als
grundlegende Untersuchung Um die Genauigkeit der in dieser Studie eingesetzten drei Elektroden zu
bestimmen, wurde eine Voruntersuchung durchgeführt. Dazu wurden die
Elektroden gleichzeitig im Abdominalbereich derselben Testperson platziert.
- 29 -
2.4.1. Vergleich der drei transkutanen Elektroden mit der BGA
Nach mindestens zweistündiger Registrierung und mindestens 10 Minuten
Raumluftatmung wurde eine Blutgasanalyse mit arterialisiertem Blut aus dem
Ohrläppchen durchgeführt. Der Messwert dieser Untersuchung wurde
verglichen mit den Messwerten der transkutanen Elektroden während der Zeit
der Blutentnahme.
2.4.2. Validierung unter additivem CO2
Nachdem die Probanden sich auf die Liege gelegt hatten, wurde ihr Kopf mit
einer Haube abgedeckt, der kontinuierlich 120 l/min Frischluft zugeleitet wurde.
Anschließend erhielten die Probanden die Möglichkeit, sich an die veränderten
Bedingungen zu adaptieren; die hierzu benötigte Zeit war probandenabhängig.
Anschließend wurden der zugeleiteten Frischluft in der ersten Stufe 3 Liter pro
Minute CO2 gegeben, in einer zweiten 6 Liter pro Minute. Nach einer
Stabilisierungszeit von 5 Minuten wurden Daten eines 2 Minuten dauernden
Intervalls gewertet. Da probandenabhängig ein unterschiedlich starker Anstieg
des pCO2 stattfand, wurden die intraindividuellen Differenzen der jeweils letzten
2 Minuten jeder Stufe mit Raumluftatmung verglichen.
2.5. Klinische Anwendung im Schlaflabor Nach diesen methodischen Voruntersuchungen an Probanden in der Abteilung
für Angewandte Physiologie der Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität
Bochum wurden die transkutanen Elektroden in die bestehenden
Polysomnographiesysteme der beteiligten Kliniken eingebunden und während
nächtlicher Polysomnographien an Patienten eingesetzt.
- 30 -
2.5.1. Driftkorrektur
Zur Abschätzung der Drift der transkutanen Elektrode wurde am Ende eines
jeden Messintervalls von vier Stunden wiederum mit Hilfe des Kalibrationsgases
eine Messung durchgeführt (Abb. 5).
Abb. 5: Schematische Darstellung einer transkutanen Registrierung eines Intervalls
Einzelheiten siehe Text.
Dabei wurde während eines jeden Intervalls von vier Stunden eine lineare Drift
postuliert. Da den Elektroden zu Beginn und Ende eines jeden Intervalls ein
Gas mit bekannter Kohlendioxidkonzentration angeboten wurde, konnten
etwaige Abweichungen erkannt werden. GAS1 ist der Zeitraum der
Gaspräsentation vor und GAS2 derjenige nach vier Stunden Messzeit, AIR1 ist
der Zeitraum der Raumluftpräsentation vor und AIR2 nach vier Stunden, T1 ist
der Zeitpunkt der ersten Kalibration, T2 derjenige der Gaspräsentation nach vier
Stunden, V ist der aktuell gemessene Wert des pCO2 und Z der Messwert bei
AIR2 (Abb. 5). Mittels dieser Parameter kann die Nulllinie der gesamten
Registrierung (welche bei 0 liegen sollte), die Drift des Gases (auf Grund der
Gabe des Kalibrationsgases) sowie die Drift der Nulllinie berechnet werden.
Durch Zufügen eines Faktors Fn, der V in Abhängigkeit seiner Relation zu T1
und T2 korrigiert, kann eine möglicherweise stattgehabte Drift eliminiert werden.
- 31 -
V' ist der Zeitpunkt von V. Um F zu berechnen, wurde die Differenz von V' zu T1
in Relation zum gesamten Intervall T1 – T2 gesetzt:
In Relation zu F wird die Nullliniendrift (BD) dargestellt als die Differenz von
AIR1 zu AIR2:
Die Drift des Kalibrationsgases während des vierstündigen Messintervalls
(CGD) wird berechnet aus der Differenz von Z zu 24, dem erwarteten
Messwert, in Abhängigkeit zu F:
So ist mit CGD ein Faktor eingeführt, welcher in Abhängigkeit zur absoluten
Differenz der Kohlendioxidkonzentration und der relativen Position innerhalb
des vier-Stunden-Intervalls eine Korrektur des aktuellen Wertes von V bedingt.
Die aktuelle Drift (AD) stellt sich somit folgendermaßen dar (sei AIR AIR2 der
ersten vier-Stunden-Periode, so wird dieselbe Nulllinie für beide Intervalle
erzielt):
Der pCO2 während des letzten ruhigen und regelmäßigen Atemzugs während
des Schlafes eines jeden Intervalls wurde mit seinem entsprechenden
driftkorrigierten Wert verglichen.
2.5.2. Vergleich der transkutanen Kapnographie mit der BGA
Es wurden die Registrierungen der transkutanen Elektrode mit der
Blutgasanalyse ausgewertet. Diese Analysen wurden unter Bedingungen
stabiler Atmung durchgeführt. Von stabiler Atmung wurde hierbei ausgegangen,
wenn sich über einen Zeitraum von sechs Minuten keine größeren
Veränderungen der Atmungsfrequenz, des Atemzugvolumens oder der
- 32 -
Elektrodenregistrierung fanden. Zur Blutgasanalyse wurde Blut vom
Ohrläppchen gewonnen, welches vorher mit einem Gel aus Nonivamid und
Nicoboxil (Finalgon®) arterialisert worden war, gleichzeitig wurde die Messung
der transkutanen Elektrode registriert. Es wurden lediglich Messwerte
eingeschlossen, die 25 mmHg übertrafen, um Fehlmessungen zu vermeiden.
Eine Analyse nach Bland-Altman (Bland and Altman, 1986) wurde durchgeführt,
um eine Drift der Differenzen über den ausgewerteten Messbereich
festzustellen.
2.5.3. Transkutane und endtidale Kapnographie im Vergleich
Abb. 6: Originalregistrierung endtidale Kapnographie
Dargestellt ist eine Phase ruhiger und regelmäßiger Atmung in der endtidalen Kapnographie.
Beachte das Schwingen des maximalen Messwertes je Atemzug.
Es wurden die registrierten Messwerte der transkutanen Elektroden mit der
endtidalen Kapnographie verglichen.
Hierbei ist zu beachten, dass während ruhiger und stabiler Atmung das Niveau
des endtidal gemessenen pCO2, wie in der Originalregistrierung aus Abbildung
6 ersichtlich ist, schwankt. Ausgehend von der Annahme, dass die niedrigeren
Messwerte durch Mischluft aus Totraum- sowie Alveolarventilation verursacht
werden, wurde untersucht, ob sich mit den maximalen endtidalen Werten
- 33 -
innerhalb eines gegebenen Intervalls das Verhalten der transkutanen Elektrode
abbilden lässt.
Daher wurde bei einigen Messungen der während eines gegebenen Zeitraumes
von 60 Sekunden erfasste maximale endtidale pCO2 mit dem entsprechenden
Messwert der transkutanen Methode verglichen. Es wurde lediglich das erste
vierstündige Messintervall betrachtet. Dieses wurde für diejenigen Zeiträume
während des Schlafes, während derer sowohl mit der transkutanen Methode als
auch mit der endtidalen Methode ein valides Messsignal erhoben werden
konnte, in aufeinanderfolgende 60 Sekunden lange Intervalle unterteilt.
Betrachtet wurden zum einen Intervalle während regelmäßiger Atmung sowie
Intervalle unabhängig der Regelmäßigkeit der Atmung. Von einer regelmäßigen
Atmung wurde hierbei ausgegangen, wenn während des Intervalls die mit der
Induktionsplethysmographie registrierte Atemamplitude sich nicht um mehr als
25% unterschied und sich die Atemfrequenz um nicht mehr als 30% im Mittel
änderte. Gewertet wurden hierbei der maximal gemessene endtidale Wert
sowie der mittlere transkutane Messwert des Intervalls. Die Latenz der
transkutanen Elektrode von 60 Sekunden wurde durch den zur Auswertung
benutzten Algorithmus berücksichtigt.
Eingeschlossen in die Auswertung wurden Messwerte beider Methoden, die
innerhalb eines Messbereiches von 25 bis 70 mmHg lagen.
2.6. Vergleich OSA zu ZSA: CO2-Partialdruck bei
Apnoen Es interessierte, wie sich die arterielle Kohlendioxidspannung, abgebildet durch
die transkutane Kapnographie, bei Phasen zentraler und obstruktiver Apnoen
verhält.
Wir erwarteten, sehr geringe Unterschiede zwischen den beiden Apnoetypen zu
finden. Daher wählten wir sehr strikte Kriterien. Um eindeutige Effekte
nachweisen zu können, wurden ausschließlich Phasen von
aufeinanderfolgenden Apnoen ausgewertet.
Es wurde lediglich die erste verwertbare Apnoephase jeder Nacht in die
Auswertung eingeschlossen, um eine Beeinflussung der statistischen
Auswertung durch eine unterschiedliche Anzahl von Intervallen je Patient zu
- 34 -
vermeiden. Die Aufzeichnungen von 140 Patienten wurden gesichtet, wobei 35
dieser Aufzeichnungen von Patientinnen stammten.
Die Phase der Apnoen musste wenigstens fünf Minuten andauern, um eine
Stabilisierung der Elektrode zu ermöglichen. Um Einflüsse aus der Phase der
Elektrodenkalibrierung auszuschließen, durfte die gewertete Phase von Apnoen
frühestens 30 Minuten nach Kalibration beginnen (Lanigan et al., 1988). Des
Weiteren sollten sich während der Apnoephase regelmäßige Entsättigungen
von über 3% finden. Die gesamte Apnoephase sollte lediglich Apnoen eines
Typs enthalten, also entweder obstruktive oder zentrale; dabei wurden die
Apnoen gewertet nach Stamnitz (Stamnitz, 1997). Falls der Typ der Apnoe nicht
eindeutig festgelegt werden konnte, wurde die gesamte Periode verworfen.
Um vergleichbare Phasen regelmäßiger und apnoischer Atmung auswerten zu
können, wurden ausschließlich die letzten 30 Sekunden stabiler physiologischer
Atmung [SP-Phase] mit den letzten 30 Sekunden der entsprechenden
Apnoephase [AP-Phase] verglichen; hierbei wurden die Registrierungen der
transkutanen und endtidalen Kapnographie sowie der Sauerstoffsättigung
beachtet.
- 35 -
3. Ergebnisse
3.1. Validierung der drei transkutanen Elektroden als
grundlegende Untersuchung
3.1.1. Vergleich der drei transkutanen Elektroden mit der BGA
Es folgt die Darstellung der Messergebnisse im Rahmen der Pilotstudie zur
Charakterisierung des Verhaltens der drei transkutanen Kapnographen an drei
Probanden im Vergleich zur BGA. Die Messergebnisse eines weiteren
Probanden konnten auf Grund von technischen Problemen des
Blutgasanalysegerätes nicht ausgewertet werden. Der mittlere Kohlendioxid-
partialdruck der BGA betrug 40,0 mmHg (SD 4,36 mmHg), derjenige der
transkutanen Elektroden 38,66 mmHg (SD 2,14 mmHg). Die Differenzen zur
Blutgasanalyse lagen in einem Bereich von –2,2 bis 5,1 mmHg. Es konnte in
dieser Messpopulation bei nur 3 Probanden keine signifikante Differenz zur
transkutanen Kapnographie festgestellt werden (p=0,072) (Tab. 3).
Tab. 3: Transkutane Kapnographie im Vergleich zur BGA an drei Probanden
Darstellung der Messwerte des Blutgasanalysegerätes (BGA) und der transkutanen
Kapnographen (TC1, TC2, TC3) von drei Probanden in mmHg.
Proband BGA TC1 TC2 TC3
1 42 43.9 39.2 41.3
2 35 37.2 32.9 35.1
3 43 41.7 37.9 38.7
3.1.2. Validierung bei additiver CO2-Gabe
Im Anschluss wurde das dynamische Verhalten der transkutanen Elektroden
durch Beimischung von CO2 in die Atemluft der Probanden wie im Kapitel
Methoden dargestellt untersucht. Diese Untersuchung konnte an vier
Probanden durchgeführt werden. Die mittlere Differenz der drei Kapnographen
über alle Probanden ist für jede Stufe getrennt in Abbildung 7 wiedergegeben.
Abbildung 8 stellt die relative Differenz der drei transkutanen Elektroden zur
Raumluftatmung unter der Bedingung von 3 sowie 6 Litern pro Minute
- 36 -
zugegebenem CO2 zum inspirierten Raumluftgemisch dar. Eine statistische
Auswertung wurde auf Grund der geringen Fallzahl nicht durchgeführt.
Abb. 7: tcpCO2 bei drei Probanden
Über alle Probanden gemittelte Messwerte der drei Elektroden unter Raumluftatmung, bei 3
l/min zugegebenem CO2 (Stufe 1) und 6 l/min zugegebenem CO2 (Stufe 2). Aufgetragen ist
ferner die Standardabweichung.
Abb. 8: Relative Differenzen im Vergleich zur Raumluftatmung
Stufe 1 entspricht 3 Litern/min zugegebenem CO2, Stufe 2 6 Litern/min. Aufgetragen sind die
Mittelwerte der Messungen von 4 Probanden sowie deren Standardabweichungen.
30,0
32,5
35,0
37,5
40,0
42,5
45,0
47,5
50,0
52,5
mm
Hg
Raumluft Stufe 1 Stufe 2
tc1tc2tc3
90
100
110
120
130
140
150
%
Stufe 1 Stufe 2
tc1
tc2tc3
- 37 -
3.2. Klinische Anwendung im Schlaflabor
3.2.1. Driftkorrektur
Bei 244 Messintervallen der Registrierungen der 140 Patienten konnte nach
jeweils vier Stunden die transkutane Elektrode wieder mit dem
Kalibrationsgasgemisch beschickt werden. Dieses Kalibrationsgasgemisch
enthielt CO2 mit einem Partialdruck von 24 mmHg. Der von diesen 244
Messintervallen erhaltene Mittelwert betrug 23,77 mmHg mit einer
Standardabweichung von 4,61 mmHg (Abb. 9).
Abb. 9: Drift der transkutanen Elektrode am Intervallende
Darstellung des transkutanen Messwertes am Ende von 244 Intervallen. Aufgetragen sind
zusätzlich der Mittelwert sowie die Standardabweichung
Es gelang bei 69 Patientenregistrierungen in der Klinik Ambock, jeweils für das
erste Intervall eine Driftkorrektur der letzten Phase stabiler Atmung vor
Intervallende durchzuführen. Diese Phase begann im Mittel 225 Minuten
(Standardabweichung 34,5 Minuten) nach Beginn der Registrierung. Der
Vergleich der nativen mit der driftkorrigierten transkutanen Registrierung ergab
eine hochsignifikante Korrelation (p<=0,001, Korrelationskoeffizient 0,85,
Standardabweichung 4,15 mmHg; Abb. 10). Ein gepaarter T-Test zeigte keinen
signifikanten Unterschied zwischen der nativen und der driftkorrigierten
Registrierung (p=0,654). Die mittlere Differenz zwischen beiden
Registrierungsarten beträgt 0,22 mmHg (Abb. 11); die nativen Registrierungen
0
10
20
30
40
50
60
mm
Hg
Drift
n=244
- 38 -
zeigen somit geringfügig erhöhte Werte. Wie aus Abbildung 11 ersichtlich ist,
sind die Streuung der gemessenen Werte von der Höhe des Messwertes
unabhängig.
Abb. 10: Einfluss der Driftkorrektur
Korrelation der nativen, nicht driftkorrigierten Aufzeichnung der transkutanen Elektrode mit der
driftkorrigierten.
Abb. 11: Einfluss des Messwertes auf die Driftkorrektur
Darstellung der Differenz der driftkorrigierten mit der nativen Aufzeichnung der transkutanen
Elektrode in Abhängigkeit von deren Mittelwert (mean: -0,22 mmHg; SD: 4,15 mmHg).
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
tcdr
iftko
rrig
iert
[mm
Hg]
20 30 40 50 60
tc nativ [mmHg]
- 39 -
3.2.2. Vergleich der transkutanen Kapnographie mit der BGA
Die synchrone Messung des arterialisierten und des transkutanen CO2-
Partialdruckes erfolgte nach im Mittel 120 Minuten Messzeit (SD 83,6 min)
(Abb. 12). Dies gelang bei 72 Patienten gleichzeitig mit beiden Methoden. Der
mittlere Messwert der transkutanen Methode betrug 38,97 mmHg (SD 4,7
mmHg), derjenige der BGA 38,64 mmHg (SD 3,2 mmHg). Alle Messwerte lagen
innerhalb eines Bereiches zwischen 27,5 und 52 mmHg. Der
Korrelationskoeffizient beträgt 0,68 (p<0,001). Die Regressionslinie liegt sehr
nahe der Identitätsgeraden ( f(x) = 0.0999 + 1.0058 * pCO2 ). Es wurde keine
signifikante Differenz zwischen den beiden Methoden gefunden (p=0,792,
gepaarter T-Test) (Abb. 13).
Abb. 12: Zeitliche Verteilung der Blutentnahmen
Zeitpunkt der Blutentnahme innerhalb eines vier-Stunden-Intervalles in Minuten.
- 40 -
Abb. 13: Transkutane Elektrode und BGA
Messwerte der transkutanen Elektrode (tcCO2) und der Blutgasanalyse (pCO2) im Vergleich.
Der mittlere tcCO2 beträgt 38,97 ± 4,75 mmHg, der mittlere pCO2 38,64 ± 3,21 mmHg. Es
besteht kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Methoden.
In 83% der gemessenen Werte zeigte sich in der BGA und der transkutanen
Methode eine Differenz von weniger als 5 mmHg (Tab. 4). Die Korrelation der
mit beiden Methoden erhobenen Werte ist in Abbildung 14 dargestellt.
Tab. 4: Differenzen zwischen arterieller und transkutaner Blutgasanalyse
Dargestellt für die Bereiche von 0-5, 5-10 sowie 10-15 mmHg bei 72 Probanden.
Differenz im Bereich von Messwerte absolut Messwerte relativ
0-5 mmHg 60 83.3%
5-10 mmHg 11 15,3%
10-15 mmHg 1 1,4%
- 41 -
Abb. 14: Korrelation von transkutaner Kapnographie und BGA
Korrelation der mit der transkutanen Elektrode (tcCO2) gemessenen Werte mit denjenigen der
Blutgasanalyse (pCO2) bei 72 Patienten (r=0,68). Eingezeichnet ist die Winkelhalbierende.
Die transkutane Elektrode überschätzt den pCO2 um im Mittel 0,325 mmHg im
Vergleich zur Blutgasanalyse (SD 3,48 mmHg); im hyperkapnischen Bereich ist
dies ausgeprägter als im hypokapnischen (Abb. 15).
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
tcC
O2
[mm
Hg]
30 35 40 45 50
pCO2 [mmHg]
- 42 -
Abb. 15: Einfluss des Messwertes auf die Differenz von tc und BGA
Darstellung der Differenz der Messwerte beider Methoden in Abhängigkeit vom entsprechenden
Mittelwert. BGA: Blutgasanalyse; tc: transkutane Elektrode; mean: Mittelwert (0,325 mmHg);
SD: Standardabweichung (3,48 mmHg).
Werden die registrierten Werte in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen, so
findet sich für die Regressionsgerade der transkutanen Registrierung eine
Steigung von –0,0053 mmHg, für die BGA von 0,0022 mmHg. In Abbildung 16
ist die Differenz beider Methoden in Abhängigkeit des Zeitpunktes der
Registrierung aufgetragen.
- 43 -
Abb. 16: Zeitliche Drift während eines Intervalls
Einfluss des Zeitpunktes der Messung auf die registrierten Werte. Dargestellt ist die Differenz
beider Methoden (n=72 Patienten).
3.2.3. Transkutane und endtidale Kapnographie im Vergleich
Abbildung 17 zeigt eine beispielhafte Auswertung der Peaks des end-
exspiratorisch registrierten pCO2 sowie des Mittelwertes der in diesem Zeitraum
registrierten Messwerte der transkutanen Elektrode von 60 Sekunden langen
Intervallen.
Werden 60 Sekunden-Intervalle während Phasen stabiler Atmung betrachtet, so
zeigt sich eine mittlere Differenz beider Methoden von -3,5 mmHg, wobei die
endtidale Kapnographie im Vergleich zur transkutanen Methode höhere
Messwerte ergibt; ein gepaarter T-Test ergab einen hochsignifikanten
Unterschied zwischen beiden Methoden (Tab. 5).
- 44 -
Abb. 17: Kapnographie während 60 Sekunden langer Intervalle
Darstellung der Mittelwerte der transkutanen und der Peaks der endtidalen Kapnographie für 60
Sekunden lange Intervalle.
Tab. 5: Intervallauswertung bei Phasen stabiler Atmung
Dargestellt ist der Mittelwert aus beiden Methoden (TC: transkutane Kapnographie; et: endtidale
Kapnographie) sowie die mittlere Differenz. Alle Angaben in mmHg.
Patient MW TC - et
1 37,8 -3,4
2 37,3 -3,2
3 37,4 -3,2
4 37,4 -3,2
5 38,1 -5,1
6 37,6 -3,2
7 37,6 -3,3
8 37,6 -3,3
MW 37,6 -3,5
- 45 -
60 Sekunden-Intervalle, über den Zeitraum einer vier Stunden dauernden
Messperiode ungeachtet der Atmung registriert, zeigen eine mittlere Differenz
von -2,8 mmHg bei einem gemessenen mittleren pCO2 von 35,5 mmHg; ein
gepaarter T-Test zeigte einen hochsignifikanten Unterschied zwischen beiden
Methoden auf (Tab. 6).
Tab. 6: Intervallauswertung bei 60 Sekunden langen Intervallen
Dargestellt ist der Mittelwert aus beiden Methoden (TC: transkutane Kapnographie; et: endtidale
Kapnographie) sowie die mittlere Differenz. Alle Angaben in mmHg.
Patient MW TC - et
1 40,3 -2.5
2 33,3 -2,5
3 35,9 -2,9
4 30,7 -3,4
5 30,7 -3,4
6 40,2 -1,9
7 35,7 -3,3
8 35,1 -2,1
9 37,4 -3,5
MW 35,5 -2,8
3.3. Vergleich OSA zu ZSA: CO2-Partialdruck bei
Apnoen Nach Durchsicht der 140 nächtlichen Polysomnographien fanden sich bei 11
Patienten Phasen obstruktiver bzw. zentraler Apnoen, die den oben
dargelegten Kriterien entsprachen; 8 dieser Phasen waren ausschließlich vom
obstruktiven Typ, 3 vom zentralen (Tab. 7). Die Patienten waren im Mittel 63,7
Jahre alt (SD 18,5 Jahre). Das mittlere Alter der Gruppe mit zentralen Apnoen
betrug 69,3 Jahre (SD 9,1 Jahre), dasjenige der Patienten mit obstruktiven
Apnoen 61,6 Jahre (SD 21,1 Jahre).
- 46 -
Tab. 7: Gewertete Apnoephasen
Daten aller hier ausgewerteten Patienten. Differenzen sind abgebildet als Kontrollphase –
Apnoephase [mmHg]; f: weiblich, m: männlich. Die ersten drei Patienten zeigen Phasen
zentraler Apnoen, die anderen Phasen obstruktiver Apnoen.
3.3.1. Zentrale Apnoephasen
Nichtparametrische Friedman-Tests zeigten keine signifikanten Differenzen
zwischen Phasen stabiler Atmung [SP] und und Phasen mit Apnoen [AP] in der
transkutanen Registrierung, der nasalen endtidalen Kapnographie sowie der
Sauerstoffsättigung (p jeweils >0,5). In den Abbildungen 19 sowie 20 sind die
erhobenen Messwerte für die endtidale und für die transkutane Kapnographie
für die Phase regelmäßiger Atmung und die entsprechende Phase zentraler
Apnoen aufgetragen.
Während SP betrug der mittlere transkutane pCO2 40,7 mmHg, der mittlere
endtidale 34,8 mmHg und die mittlere Sauerstoffsättigung 97,1%. Im Vergleich
hierzu verringerte sich der pCO2 während AP in der transkutanen Messung auf
39,5 mmHg, in der endtidalen auf 31,9 mmHg und die Sauerstoffsättigung auf
96,8%. Weder die Verringerung von SP zu AP für die transkutane (1,16 mmHg)
noch für die endtidale Kapnographie (2,92 mmHg) noch für die
Sauerstoffsättigung (1,08%) erreichte signifikante Werte. Die mittlere Differenz
liegt bei 1,77 mmHg, ohne ein signifikantes Maß zu erreichen (p=0,443). Für SP
beträgt die mittlere Differenz beider Methoden 5,9 mmHg (p=0,030), die
Korrelation 0,946 (p=0,210); für AP 7,7 mmHg (p=0,025).
- 47 -
Abb. 18: endtidale Kapnographie bei zentralen Apnoen
Endtidale Kapnographie bei 3 Phasen zentraler Apnoen (Kontrolle: Phase regelmäßiger
Atmung, Apnoe: Apnoephase).
Abb. 19: Transkutane Kapnographie bei zentralen Apnoen
Transkutane Kapnographie bei 3 Phasen zentraler Apnoen (Kontrolle: Phase regelmäßiger
Atmung, Apnoe: Apnoephase).
20
25
30
35
40
45
50
55
60
mm
Hg
Kontrolle Apnoe
20
25
30
35
40
45
50
55
60
mm
Hg
Kontrolle Apnoe
- 48 -
3.3.2. Obstruktive Apnoephasen
Die für die Phasen obstruktiver Apnoen erhobenen Werte sowie diejenigen der
vorausgehenden Kontrollphase sind für die endtidale und transkutane
Kapnographie in den Abbildungen 20 und 21 dargestellt.
Bei den acht Patienten mit obstruktiven Apnoephasen zeigten nicht-
parametrische Friedman-Tests zwischen SP und AP sowohl für die transkutane
Kapnographie einen signifikanten Unterschied (p=0,005), als auch für die
Sauerstoffsättigung (p=0,034). Bei vier Patienten gelang es während der
Apnoephasen mit der endtidalen Methode Werte zu erheben; hierbei gelang es
jedoch nicht, einen signifikanten Unterschied nachzuweisen (p=1,0). Unter SP
betrug der mittlere transkutane Messwert 41,9 mmHg, der mittlere endtidale
35,1 mmHg und die mittlere Sauerstoffsättigung 93,9%. Die mittleren
Messwerte unter AP lagen bei 44,4 mmHg für die transkutane Methode, 33,5
mmHg für die endtidale Methode und 89,6% für die mit der Pulsoxymetrie
erfasste Sauerstoffsättigung. Der Anstieg von 2,50 mmHg von SP zu AP ist
signifikant (p=0,006). Für den Abfall der endtidalen Methode von 1,59 mmHg
konnte keine Signifikanz nachgewiesen werden (p=0,677). Der Abfall in der
Registrierung der Sauerstoffsättigung von 4,35% ist nicht signifikant (p=0,121).
Die Differenz zwischen diesen beiden Methoden von 3,73 mmHg war ebenfalls
nicht signifikant (p=0,233). Bei SP beträgt die mittlere Differenz beider
Methoden (n=4) 7,0 mmHg (p=0,039); unter AP findet sich eine mittlere
Differenz von 10,2 mmHg (p=0,127).
In Abbildung 22 sind die Hauptergebnisse zusammenfassend für beide
Apnoephasen dargestellt.
- 49 -
Abb. 20: Endtidale Kapnographie bei obstruktiven Apnoen
Endtidale (et) Kapnographie bei 4 Phasen obstruktiver Apnoen (OA) (Kontrolle: Phase
regelmäßiger Atmung, Apnoe: Apnoephase).
Abb. 21: Transkutane Kapnographie bei obstruktiven Apnoen
Transkutane (tc) Kapnographie bei 8 Phasen obstruktiver Apnoen (OA) (Kontrolle: Phase
regelmäßiger Atmung, Apnoe: Apnoephase).
20
25
30
35
40
45
50
55
60
mm
Hg
kontr onset
OA tc
20
25
30
35
40
45
50
55
60
mm
Hg
Kontrolle Apnoe
OA et
- 50 -
Abb. 22: Obstruktive und zentrale Apnoephasen im Vergleich
Mittelwerte und Standardabweichungen bei zentralen und obstruktiven Apnoen; dargestellt
jeweils für die transkutane (tc) und die endtidale Methode (et) für Kontroll- und Apnoephase.
0
10
20
30
40
50
60
ptcC
O[m
mH
g]2
tc et
Obstruktive Apnoen
KontrollphaseApnoephase
0
10
20
30
40
50
60
ptcC
O[m
mH
g]2
tc et
Zentrale Apnoen
n. s. n. s. p = 0.006 n. s.
- 51 -
4. Diskussion
4.1. Hauptergebnisse Bezugnehmend auf die Fragestellung der Studie folgt die Diskussion der
Hauptergebnisse.
Im Vergleich der drei verwendeten transkutanen Elektroden an gesunden
Probanden fand sich ein elektrodenspezifischer Unterschied in der Wiedergabe
eines gegebenen Messwertes. Da sich diese Differenz nahezu unabhängig von
der Höhe des Messwertes darstellt, ist eine intraindividuelle Betrachtung der
Messergebnisse möglich.
Im Vergleich zur BGA registrierte die transkutane Elektrode einen um 0,325
mmHg erhöhten pCO2 bei einer Standardabweichung von 3,48 mmHg. Dabei
lagen 83,3% der Differenzen innerhalb eines Bereiches von 0-5 mmHg. Die
transkutane Kapnographie kann somit zur kontinuierlichen Abschätzung des
paCO2 eingesetzt werden. Die mittleren Standardabweichungen der Differenzen
von 4,75 mmHg in der transkutanen Methode sowie von 3,21 mmHg in der
Blutgasanalyse verdeutlichen jedoch, dass die individuellen Messergebnisse
kritisch auf ihre Validität überprüft werden müssen.
Während Phasen obstruktiver Apnoen wurde ein Anstieg des transkutan
registrierten pCO2 um 2,5 mmHg, im Gegensatz zu zentralen Apnoen,
gefunden; in der endtidalen Kapnographie als weitere nicht-invasive Methode
konnte dies nicht nachvollzogen werden. Dies verdeutlicht zum einen den
Stellenwert der transkutanen Registrierung des pCO2 bei Apnoen und legt des
Weiteren eine unterschiedliche Atmungsregulation dieser beiden Apnoetypen
nahe.
Die transkutane Kapnographie stellt somit einen sinnvollen weiteren Parameter
während nächtlicher Polysomnographien dar.
4.2. Validierung der drei transkutanen Elektroden
4.2.1. Vergleich der drei transkutanen Elektroden mit der BGA
Bevor auf die Ergebnisse des klinischen Teiles der Untersuchung näher
eingegangen wird, sollen zunächst die Resultate der Voruntersuchung an
Probanden erörtert werden.
- 52 -
Im Vergleich zur invasiven Methode, der Blutgasanalyse, konnte unter
Spontanatmung von Raumluft womöglich auch wegen der geringen Fallzahl
kein Unterschied zur transkutanen Methode festgestellt werden. Die mittlere
Differenz zwischen beiden Methoden beträgt 1,34 mmHg, die
Standardabweichungen sind jeweils größer.
4.2.2. Validierung unter additiver CO2-Gabe
Auf Grund der großen interindividuellen Standardabweichung wurden unter
additiver CO2-Gabe lediglich intraindividuelle Differenzen der entsprechenden
Stufe in Bezug auf die Stufe der Raumluftatmung ausgewertet. In der zweiten
Stufe mit zugefügten 6l/min CO2 konnte eine signifikante Differenz zur Stufe der
Raumluftatmung gezeigt werden. Hierbei fand sich eine mittlere Differenz von
9,69 mmHg, bei zugegebenen 3 l/min Gas mit CO2-Anteil betrug die Differenz
3,28 mmHg.
Es fällt auf, dass die Elektroden unabhängig von der vorgegebenen CO2-
Spannung nahezu die gleiche Differenz zu den anderen beiden aufweisen. Dies
kann ein Hinweis auf technisch bedingte Unterschiede der Elektroden sein, wie
bei vergleichenden Messungen unterschiedlicher Fabrikate bereits gezeigt
worden ist (Ong et al., 1983).
Eine intraindividuelle Auswertung der Messwerte kann die bei uns
beobachteten Unterschiede auf Grund dieser nahezu konstanten Differenz
jedoch eliminieren.
4.3. Klinische Anwendung im Schlaflabor
4.3.1. Vergleich der transkutanen Kapnographie mit der BGA
Es gelang in dieser Studie, eine große Anzahl an Patienten einzuschließen, an
denen vergleichende Messungen der transkutanen Kapnographie mit der BGA
durchgeführt werden konnten. Diese Studie stellt die zweitgrößte
Studienpopulation mit dieser Fragestellung dar, die Parameter mit Ausnahme
der BGA wurden kontinuierlich aufgezeichnet und die BGA wurde zur
Evaluierung einer möglicherweise vorhandenen zeitabhängigen Drift der
transkutanen Elektrode zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt.
- 53 -
Die hier dargelegten Ergebnisse zeigen eine bessere Übereinstimmung als
vorher publizierte, auch wurden sie erst nach einer längeren Messdauer
erhoben sowie bei einer größeren Gruppe von Patienten im Vergleich zu den
zitierten Studien (Janssens et al., 2001; Palmisano et al., 1990; Tobias et al.,
1999). Trotzdem zeigt die in den beiden Methoden (transkutan und BGA)
gefundene Standardabweichung von über 3 mmHg eine bedeutende
interpersonelle Variabilität an. Da der um eine zentrale Apnoe auslösende
notwendige Abfall des pCO2 mit 3-4 mmHg angegeben wird (Dempsey et al.,
1996), müssen die sowohl mit der transkutanen Kapnographie als auch mit der
BGA beobachteten Effekte mit Vorsicht interpretiert werden. Es gibt dabei
Hinweise, dass diese beobachteten Unterschiede im Falle der transkutanen
Messung nicht auf die Elektroden, sondern eher auf die Qualität der Wartung
und Anwendung zurückzuführen sind (Hansen et al., 1989).
Die mittlere Differenz zwischen der BGA und der transkutanen Kapnographie
betrug nach im Mittel 2 Stunden Messzeit 0,325 mmHg bei einer hohen
signifikanten Korrelation, obwohl die Elektroden während dieses Zeitraumes auf
Grund der schlafenden und somit sich unwillkürlich bewegenden Patienten
starken Belastungen ausgesetzt waren; es fand sich somit ein robustes
Signalverhalten der Elektrode.
Im Vergleich zwischen der transkutanen und der endtidalen Methode fand sich
eine mittlere Differenz von 3,48 mmHg. Dies liegt innerhalb des für pädiatrische
Intensivstationen im Klinikbetrieb akzeptablen Bereiches von 3-5 mmHg; hier
sollte eine invasive Korrelation der transkutanen Messwerte mit Hilfe der BGA
nur in gewissen Zeitabständen erfolgen oder wenn die mit den nicht-invasiven
Methoden erfassten Messwerte nicht mit der Klinik übereinzustimmen scheinen
(Berkenbosch et al, 2001). Die bei Apnoen allerdings, gleich ob obstruktiver
oder zentraler Genese, beobachteten Effekte auf den pCO2 sind unterhalb
dieses Bereiches (Dempsey et al., 1996; Xie et al, 1995).
Es findet sich in beiden Methoden eine zeitliche Drift; dies ist auch von anderen
Autoren beobachtet worden (Janssens et al, 2001). Bei niedrigen Messwerten
scheint die transkutane Elektrode niedrigere Werte zu messen als die invasive.
Dies kann durch eine schlechte Fixierung der Elektrode hervorgerufen werden,
so dass CO2 entweichen kann. Bei höheren pCO2-Drucken kann das Gas aus
der Analysatkapillare herausdiffundieren, bevor das Blut die Messelektroden
- 54 -
des Blutgasanalysegeräts erreicht hat. Ein weiterer Effekt, welcher zu erhöhten
Messwerten führt, könnte die lokale Vasokonstriktion der Haut sein, welche den
Abtransport von CO2 behindert, sowie des Weiteren ein lokales arteriovenöses
Shunting (Martin et al., 1988).
Der Zeitpunkt der Blutentnahme hatte keinen Einfluss auf die mit der BGA
erhobenen Messwerte, wie die sehr geringe Steigung der Regressionsgeraden
zeigt. Unter Annahme des Nichtvorhandenseins einer Drift in den
Blutgasanalysen kann davon ausgegangen werden, dass ebenfalls keine Drift
mit der transkutanen Methode gefunden wird.
4.3.2. Driftkorrektur
Im Gegensatz zu anderen Studien (Martin et al., 1988) fand sich eine hohe
Korrelation zwischen der nativen und der driftkorrigierten Aufzeichnung sowie
eine nur geringe mittlere Differenz. Daher konnte von einer Driftkorrektur
abgesehen werden. Die hohe Standardabweichung von 4 mmHg verdeutlicht
jedoch, dass in Einzelfällen eine Drift auftrat.
Die Gründe für diese hohe Standardabweichung sind unklar. Sie könnte bedingt
sein durch eine nicht korrekte Applikation der Elektrode auf die Haut, so dass
Raumlufteinstrom die Messung verfälscht. Jedoch wurde in dieser Studie
größte Sorgfalt bei der Anlage der Elektroden angewandt. Des Weiteren kann
eine kühle Umgebung die Aufheizkapazität der Elektrode überfordern, so dass
die voreingestellte Temperatur nicht erreicht werden kann. Da dies aus der
aufgezeichneten Registrierung nicht ersichtlich ist, kann die Validität der
Messwerte über diesen Zeitraum eingeschränkt sein. Vasomotorik zur
Temperaturregulation ist ein weiterer Störfaktor. Jedoch wurden die Elektroden
auf dem Abdomen platziert, um diesen Effekt zu minimieren.
4.3.3. Transkutane und endtidale Kapnographie im Vergleich
Viele Publikationen belegen eine gute Korrelation der transkutanen Messwerte
mit den arteriellen (Berkenbosch and Tobias, 2002; Drummond et al., 1997;
Hansen and Tooley, 1979; Hazinski et al., 1981; Hutchison et al., 1981; Lang et
al., 2002; Lofgren and Andersson, 1983; Mahutte et al., 1984; Nosovitch et al.,
- 55 -
2002; Rithalia et al., 1984; Rosner et al., 1990; Severinghaus et al., 1978;
Tobias and Meyer, 1997; Tobias et al., 1999; Whitehead et al, 1980).
Eine Studie bei 25 Kindern, bei denen gleichzeitig eine arterielle,
endexspiratorische und transkutane Kapnographie durchgeführt wurde, zeigte
in 58 von 82 Messpunkten eine höhere Genauigkeit der transkutanen Elektrode
gegenüber der arteriellen Kapnometrie, in 16 Messungen eine höhere der
endexspiratorischen Kapnographie. Die Autoren schließen hieraus, dass die
transkutane Technik eine genauere Abschätzung der arteriellen
Kohlendioxidpartialdruckwerte ermöglicht und eine kontinuierliche Messung mit
dieser Technik zu einer Verringerung der Anzahl der invasiven arteriellen
Messungen führen kann (Berkenbosch and Tobias, 2002; Berkenbosch et al.,
2001; Griffin et al., 2003; Kesten et al., 1991). Sind arterielle Blutgaswerte nicht-
invasiv zu messen, ist die transkutane Kapnographie der endtidalen also
überlegen (McBride et al., 2002; Nosovitch et al., 2002; Tobias and Meyer,
1997).
Die endtidale Kapnographie spiegelt transiente, die transkutane längerfristige
Veränderungen des arteriellen Kohlendioxidpartialdruckes wieder (Hoffmann et
al., 1990), da die endtidale Methode das alveoläre Plateau eines jeden
Atemzuges misst, während die transkutane mit ihrer Zeitkonstante von 60
Sekunden ein Integral der mittleren Werte über diesen Zeitraum abbildet.
Um den Einfluss dieser Mechanismen abschätzen zu können, wurde die
transkutane Methode mit der arteriellen Blutgasanalyse sowie zusätzlich mit der
endtidalen Kapnographie verglichen.
Im Vergleich zur endtidalen Kapnographie sind die mit der transkutanen
Methode gemessenen Werte um etwa 3,5 mmHg geringer, wobei der
zusätzliche durch den Hautmetabolismus verursachte Aufschlag von 4 mmHg
bereits berücksichtigt ist. In Ruhe kann die endtidale Kapnographie den
arteriellen pCO2 unterschätzen (Saunders and Cummin, 1992). Dabei sind
verminderte endtidale Messungen vorwiegend verursacht durch Verdünnung
des Exspiriums aus normal perfundierten und ventilierten Lungenarealen mit
Gasen aus ventilierten aber weniger oder nicht perfundierten Bereichen
(Berkenbosch et al, 2001).
In einer anderen Studie konnte eine mittlere arterio-transkutane Differenz von
2,6 mmHg und eine mittlere arterio-endtidale Differenz von 6,4 mmHg
- 56 -
nachgewiesen werden; die Autoren schlossen, dass die transkutane Methode
eine akkuratere Abschätzung erlaubt als die endtidale (Berkenbosch et al.,
2001). Da in der zitierten Studie der Kapnograph lediglich zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Atemzügen diskriminierte, um die endtidale
Kohlendioxidkonzentration zu bestimmen, können bereits durch einen
unregelmäßigen Atmungsrhythmus und somit durch eine ungleichmäßige
Auswaschung des alveolären CO2 Meßungenauigkeiten entstehen.
In dieser Studie zeigt sich, dass die endtidale Kapnographie die transkutane um
3,5 mmHg bei Intervallen regelmäßiger Atmung bzw. 2,8 mmHg ungeachtet der
Regelmäßigkeit der Atmung überschätzt. Dies liegt innerhalb des aus den oben
zitierten Studien bekannten Bereiches. Da jedoch in der endtidalen Methode die
Maxima des exhalierten Gasgemisches, in der transkutanen die mittleren Werte
über 60 Sekunden gewertet wurden, ist zu bedenken, dass zwei
unterschiedliche Phänomene registriert worden sind. Die endtidale Methode
zeigt einen ventilationsbedingten Einfluss, die transkutane einen
perfusionsbedingten. Sie sind folglich beeinflusst von verschiedenen
Stellgrößen mit unterschiedlichem Einfluss auf den zentralen
Rhythmusgenerator der Atmung.
Die Maxima der endtidalen Registrierung scheinen somit nicht Ausdruck des mit
der transkutanen Elektrode abgebildeten alveolo-kapillären Gasaustausches zu
sein. Um die beiden Methoden miteinander vergleichen zu können, sollten
daher andere Ansätze gewählt werden.
4.4. Vergleich OSA zu ZSA: CO2-Partialdruck bei
Apnoen Da während des Schlafes die Apnoeschwelle um 2 bis 8 mmHg angehoben
wird (Irsigler and Severinghaus, 1980; Schläfke and Koepchen, 1996) und die
Termination von Obstruktionen mit Hyperventilationen und daraus folgend
zentralen Apnoen einhergehen kann (Dempsey et al., 1996), interessiert, ob
durch diesen Mechanismus eine Folge obstruktiver Apnoen verursacht und
aufrechterhalten wird, ähnlich wie dies bereits bei zentralen Apnoen beobachtet
worden ist. Dabei könnten Rezeptoren der oberen Atemwege eine bedeutende
- 57 -
Rolle in der zeitlichen Steuerung des Atmungszyklus spielen und somit
ebenfalls zu zentralen Apnoen führen (Dempsey et al., 1996).
4.4.1. Zentrale Apnoephasen
Der Vergleich von zentralen Apnoephasen mit Kontrollphasen stabiler und
regelmäßiger Atmung in dieser Studie zeigt eine Verringerung von 1,2 mmHg
mit der transkutanen und von 2,9 mmHg mit der endtidalen Methode während
der Apnoephasen. Da die transkutane Methode mit ihrer Zeitkonstante von 60
Sekunden (Lanigan et al., 1988) keine kurzfristigen Veränderungen des
Partialdruckes abbilden kann, wird der ausgegebene Messwert nicht die
gesamte Differenz der gemessenen Extremwerte abbilden können. Daraus
kann geschlossen werden, dass zwischen Beginn und Ende einer Phase
regelmäßiger zentraler Apnoen der arterielle pCO2 weiter fällt.
Zentrale Apnoen, die zusammen mit einer Reduktion des arteriellen
Kohlendioxidpartialdruckes auftreten, dauern häufig selbst dann an, wenn der
arterielle pCO2 die Apnoeschwelle wieder überschritten hat; dies kann Folge
des zeitlich versetzten Anstieges des pCO2 der Extrazellulärflüssigkeit des
Gehirns sein. Zusätzlich scheint der Atmungsrhythmusgenerator schwieriger
wieder zu starten sein, wenn er einmal abgeschaltet ist (Dempsey et al., 1996);
dies geschieht im Sinne einer Hysterese, also des Fortdauerns der Wirkung
nach Aufhören der Ursache. Hieraus resultiert eine Verlängerung der
Apnoedauer. Diese Mechanismen könnten auch verantwortlich für das
Auftreten von Phasen mit Apnoen sein.
Es findet sich eine Differenz zwischen der transkutanen und der endtidalen
Kapnographie von 5,9 mmHg bei SP (p=0,030) und von 7,7 mmHg bei AP
(p=0,025). Wie bereits dargelegt, kann eine eventuell aufgetretene Drift
vernachlässigt werden. Da lediglich drei Messungen in die statistische
Auswertung eingegangen sind, sollte dieser Befund allerdings kritisch
betrachtet werden.
Da die nasale endtidale Kapnographie abhängig vom exspirierten Gasgemisch
ist, kann während einer Apnoe kein valides Signal registriert werden, da der
Atemfluss sistiert. Unsere Kriterien bezüglich der zu wertenden
Kapnogrammplateaus sind sehr strikt gewählt worden, selbst geringe
- 58 -
Abweichungen von der Idealmessung führen zu einem Verwerfen der
entsprechenden Atemzüge. Dies könnte die beobachtete Differenz zwischen
beiden Methoden erklären.
4.4.2. Obstruktive Apnoephasen
Lediglich die transkutane Elektrode ist in der Lage, den pCO2 auch während
einer Apnoe zu registrieren. Phasen obstruktiver Apnoen zeigten einen Anstieg
des pCO2. Aufgrund der Zeitkonstante von 60 Sekunden (Lanigan et al., 1988)
spiegelt die Messung allerdings eher einen gemittelten Trend als die
Extremwerte der Minima und Maxima wider. Deshalb wurden lediglich die
letzten 30 Sekunden von SP mit den letzten 30 Sekunden von AP verglichen.
Es zeigte sich während Phasen obstruktiver Apnoen ein signifikanter Anstieg
des transkutan gemessenen pCO2 im Vergleich zu den Kontrollphasen
regelmäßiger Atmung um 2,5 mmHg. Dies ist gegensätzlich zu den Befunden
von Xie et al. bei idiopathischen zentralen Schlafapnoen [ICSA] (Xie et al.,
1994, Xie et al., 1995; Xie et al., 1997). Diese fanden, dass bei ICSA Phasen
zentraler Apnoen durch eine Hypokapnie mit konsekutivem Unterschreiten der
Apnoeschwelle verursacht werden. Da in dieser Untersuchung bei Phasen
obstruktiver Apnoen keine Hypokapnie, sondern eine Hyperkapnie gefunden
wurde, kann nicht ein Unterschreiten der Apnoeschwelle als Mechanismus der
Aufrechterhaltung der phasischen Apnoen postuliert werden; durch den
hyperkapnischen pCO2 sollte, im Gegenteil, ein verstärkter Atmungsantrieb
erwartet werden.
Tatsächlich korreliert ein erhöhter pCO2 mit einer gesteigerten Innervation der
Muskulatur der oberen Atemwege (Hudgel et al., 1988), welche zusammen mit
dem Diaphragma und der thorakalen respiratorischen Muskulatur koaktiviert
werden (Suratt et al., 1985). Dies stimmt mit der Beobachtung überein, dass bei
Apnoetermination, dem Punkt mit der höchsten Kohlendioxidkonzentration, die
größte Aktivität im Elektromyogramm beobachtet wird (Strohl et al., 1986).
Andererseits entsteht während obstruktiver Apnoen eine transiente Apnoe-
induzierte Vasokonstriktion, welche über eine Aktivation des sympathischen
Nervensystems vermittelt wird (Imadojemu et al., 2002; Katragadda et al., 1997;
Leuenberger et al., 2001). Diese sympathische Aktivierung wird durch ein
- 59 -
Arousal hervorgerufen (Dempsey, 1997). Eine Akkumulation von Kohlendioxid
in der Haut resultiert hieraus (Martin et al., 1988). Diese führt zu einer
Überschätzung des arteriellen pCO2 durch die transkutane Elektrode.
Im Gegensatz zur transkutanen Methode zeigte sich mit der endtidalen ein
Abfall um 1,6 mmHg während der Apnoephasen im Vergleich zur
Kontrollphase, ohne jedoch signifikant zu sein. Da eine kontinuierliche
Registrierung während der Apnoephasen aufgrund des sistierenden
Atemflusses behindert wurde, erfüllten nicht alle registrierten Atemzüge die
geforderten Kriterien; in einigen Fällen konnten überhaupt keine verwertbaren
Atemzüge gefunden werden. Daher konnten lediglich bei fünf Patienten Werte
mit der endtidalen Kapnographie erhoben werden. Dies kann für eine weitere
statistische Analyse nicht ausreichend sein. Ebenso erklärt dies den nicht
signifikanten Unterschied zwischen der transkutanen und der endtidalen
Methode während Phasen obstruktiver Apnoen (10,9 mmHg). Bei regelmäßiger
Atmung findet sich eine signifikante Differenz beider Methoden (6,8 mmHg;
p=0,039). Auch zeigt der Abfall der Mittelwerte der endtidalen Kapnographie im
Vergleich der Kontroll- zur Apnoephase trotz der anzunehmenden Retention
von CO2 und der hieraus folgenden Hyperkapnie, dass mit dieser Methode
erhaltene Werte bei unregelmäßiger Atmung, beispielsweise bei Apnoen, nicht
als valide anzusehen sind.
Während der wenigen Atemzüge zwischen den Apnoen einer Apnoephase wird
das alveoläre Gasgemisch mit frischer Luft ausgetauscht. Dies führt zu einer
Erniedrigung des mit der endtidalen Methode gemessenen Kohlendioxides. Da
nicht genügend Zeit verbleibt, das gesamte zusätzliche im Blut gelöste CO2
während dieser wenigen Atemzüge auszutauschen, wird die transkutane
Elektrode keinen abgefallenen Wert registrieren, bedingt durch das weniger
stark abfallende arterielle pCO2 sowie der Zeitkonstante. Andererseits zeigt ein
mit dieser Methode gemessener Anstieg des pCO2 an, dass über die Zeit
gemittelt eine Hypoventilation vorliegt. Daher reflektiert die endtidale Methode
den ventilatorischen Gasaustausch und die transkutane Methode die arteriellen
Partialdrücke.
Beide Apnoetypen zeigten einen Abfall der mittleren Sauerstoffsättigung,
welche den Grad der Störung der Apnoe auf die Homeostase des Schlafes
verdeutlicht. Es fällt auf, dass die Sauerstoffsättigung sowohl in Apnoephasen
- 60 -
als auch in den Kontrollphasen von zentralen Apnoen höher war als diejenige
bei obstruktiven; bei obstruktiven fand sich eine größere gemessene Differenz
Die transkutane Methode kann daher hilfreich sein, die den zentralen und
obstruktiven Apnoen zu Grunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen
aufzuklären. Um jedoch diese Technik im klinischen Alltag verlässlich einsetzen
zu können, sollten die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse in einer größer
angelegten Studie bestätigt werden. Ausgehend von relativen Häufigkeiten von
0,06 für Phasen von obstruktiven Apnoen und einer relativen Häufigkeit von
0,02 für Phasen zentraler Apnoen sollte hierbei die Fallzahl pro Gruppe bei
einem einseitigen Test, einem α von 0,05 und einer Power von 80% 296
Patienten nicht unterschreiten (Power Calculator 2: Fallzahl-/Power-Schätzung
für unverbundene Stichproben und Häufigkeiten, 2003).
4.5. Methodenkritik
4.5.1. Applikationsort der Elektrode
Besonders bedacht werden sollte der Applikationsort der Elektrode. So sollte
eine Stelle gewählt werden, an welcher die Elektrode trotz der Bewegungen
während des Schlafes nur geringfügigen mechanischen Belastungen
ausgesetzt und die Haut dünn ist, um eine gute Diffusion der Gase zu
gewährleisten; die Haut kann aufgeraut werden, indem sie vor Applikation der
Elektrode mit Hilfe eines Alkoholtupfers behandelt wird, der zusätzliche Gewinn
dieser Prozedur wird jedoch angezweifelt (Jaszczak and Sejrsen, 1987;
Takiwaki et al., 1991; Vyas et al., 1988). Bewährt hat sich als Applikationsort
das Abdomen, hier ist eine geringere Vasokonstriktion zu erwarten, als
beispielsweise an den Extremitäten (Wimberley et al., 1990).
Die Verzögerungszeit, in welcher die transkutane Elektrode eine Veränderung
der Blutgase abgebildet hat, wird mit 60 Sekunden angegeben; die maximale
Drift über vier Minuten mit –2 bis 1 mmHg (Hanly, 1997; Lanigan et al., 1988).
Damit valide Messwerte erhalten werden, muss die Elektrode mit Sorgfalt
angelegt werden. So dürfen sich keine Luftblasen zwischen Elektrode und Haut
befinden, die Membranen müssen unversehrt sein und es sollte auf eine
sorgfältige Kalibration geachtet werden (Berkenbosch et al., 2001; Janssens et
al., 2001).
- 61 -
4.5.2. Studiendesignbedingte Überlegungen
Bei Bewertung der in dieser Studie vorgestellten Ergebnisse sollte beachtet
werden, dass diese Untersuchung in zwei verschiedenen Schlaflaboren mit
unterschiedlicher Geräteausstattung durchgeführt worden ist. Dies eröffnete die
Möglichkeit, Teiluntersuchungen mit speziellerer Fragestellung durchzuführen.
Das Patientenkollektiv war unselektiert, da konsekutiv alle Patienten
eingeschlossen worden sind. Daher kann dieses Kollektiv dasjenige eines
durchschnittlichen Schlaflabors wiederspiegeln.
Die invasiven Blutgasanalysen sind nicht in einem festgelegten Zeitraum
während eines Intervalls durchgeführt worden; wobei zu Beginn der Messung
eine gewisse Einschwingzeit der Elektroden berücksichtigt werden musste. So
ließ sich, im Gegensatz zu anderen Studien mit festgesetztem Zeitpunkt der
invasiven Messung, eine zeitliche Charakteristik beider Methoden erstellen.
Da die Untersuchungen im Klinikbetrieb durchgeführt wurden, stellen die
Ergebnisse die während eines Routinebetriebs gegebenen Bedingungen dar.
So kann es beispielsweise geschehen, dass Kohlendioxid während des
Transportes der mit Blut gefüllten Kapillare zum Untersuchungsgerät
abdiffundiert. Als weiterer Nachteil der BGA zeigt sich neben der im Gegensatz
zur transkutanen Methode nur punktuellen Messung ein durch die Invasivität
der Methode gegebenes erhöhtes Infektionsrisiko.
Es wurde in dieser Untersuchung nicht arterielles, sondern arterialisiertes Blut
benutzt, um die Patienten geringstmöglich in ihrem Schlaf zu beeinträchtigen.
Die Differenz der Messwerte zwischen arteriellem und arterialisierten Blut ist
jedoch gering, für pCO2 beispielsweise 0,21 mmHg (Pitkin et al., 1994), so dass
die weniger invasive Technik angewendet wurde. Dennoch ist selbst hier ein
Arousal des Patienten mit folgender Ventilationsänderung gegeben. Da jedoch
das Füllen der Kapillare zügig innerhalb der durch die Blutzirkulation und die
Messgeräte bedingten Latenz erfolgte, sind die erhobenen Messwerte von der
Ventilationsänderung nahezu unbeeinflusst.
Bei der endtidalen Kapnographie ist zu beachten, dass diese Methode vom
Vorhandensein eines nasalen Atemstromes abhängig ist; atmet der Patient mit
- 62 -
geöffnetem Mund oder sistiert der Atemfluss auf Grund einer Apnoe, kann kein
valides Signal als Abbildung des pCO2 mehr aufgezeichnet werden.
Als Alternative empfiehlt sich die transkutane Kapnographie; sie misst
kontinuierlich und ist unabhängig vom Atemfluss. Beachtet werden muss die
korrekte, luftblasenfreie, Applikation der Elektrode. Ein früher geforderter
Wechsel des Applikationsortes nach 4 Stunden ist dabei heutzutage überflüssig
(Janssens et al., 2001).
4.5.3. Strikte Kriterien
Es fällt auf, dass trotz der großen Studienpopulation sich lediglich 3 Phasen
zentraler und 8 Phasen obstruktiver Apnoen fanden. Die Kriterien, die
angewendet wurden, um Phasen von Apnoen zu werten, waren sehr strikt, um
etwaige Einflüsse anderer Faktoren, beispielsweise Pufferung der Effekte durch
metabolische Faktoren, weitestgehend ausschließen zu können. Dies führt zu
einer sehr hohen Abbildungsqualität der beobachteten Effekte.
Es gelang für Phasen obstruktiver Apnoen, eine gleich große
Beobachtungspopulation wie bei Veröffentlichungen von Patienten mit ICSA zu
erreichen (Xie et al., 1994; Xie et al., 1995; Xie et al. 1997), so dass diese
Ergebnisse vergleichbar sind.
4.5.4. Anmerkungen zur Technik der visuellen Auswertung
In der Schlafmedizin ist es üblich, Messdaten, beispielsweise zur Festlegung
des Schlafstadiums, visuell auszuwerten (American Sleep Disorders
Association, 1992; American Sleep Disorders Association, 1997; Rechtschaffen
and Kales, 1986). Daher ist die Auswertung mitunter von Erfahrung des
Auswerters abhängig. Um eine solche untersucher-bedingte Schwankung zu
vermeiden, ist in dieser Studie versucht worden, möglichst ausschließlich
Computer-basierte Algorithmen mit folglich definierten Variablen zu verwenden.
- 63 -
5. Schlussfolgerungen Wie an Messungen von 140 Patienten gezeigt werden konnte, bildet der mit der
transkutanen Elektrode kontinuierlich nicht-invasiv gemessene Kohlen-
dioxidpartialdruck den invasiv mit der BGA als Goldstandard gemessenen pCO2
im Mittel gut ab; die Standardabweichung allerdings zeigt, dass Abweichungen
in den Messwerten zwischen diesen beiden Methoden entstehen können. Beide
Methoden sind in der Lage, pCO2 über vier Stunden ohne eine zeitabhängige
Drift abzubilden. Dabei zeigt die transkutane Methode im hypokapnischen
Bereich tendenziell geringere, im hyperkapnischen Bereich tendenziell höhere
Messwerte im Vergleich zur BGA. Im Vergleich zur transkutanen Methode
überschätzt die mit dem in dieser Studie angewandten Algorithmus bestimmte
atemfluss-abhängige endtidale Kapnographie den Kohlendioxidpartialdruck.
Es finden sich, unabhängig der CO2-Spannung, nahezu feste Differenzen im
Vergleich mehrerer transkutaner Kapnographen gleicher Bauart. Daher ist eine
intraindividuelle Betrachtung der erhobenen Messwerte erforderlich.
Zur Validierung der Registrierung der transkutanen Elektrode während des
Routinebetriebs empfiehlt sich eine vergleichende einzelne invasive
Blutgasanalyse, vorzugsweise am Ende der Messung. In den Fällen, in denen
keine solche Messung durchgeführt werden kann, sollte ein Vergleich mit dem
Kalibrationsgas am Morgen, also am Ende des Messintervalls, zur Abschätzung
einer eventuell stattgehabten Drift ausreichend sein.
Auf Grund der Unabhängigkeit von einem vorhandenen Atemflusssignal ist die
transkutane Kapnographie in der Lage, auch während Apnoen pCO2
kontinuierlich abzubilden. Dies ermöglicht neue Erkenntnisse bezüglich des
Verhaltens des pCO2 bei Störungen der Atmung während des Schlafes. So
zeigen die in dieser Studie vorgestellten Resultate einen Anstieg des pCO2 bei
obstruktiven Apnoen und legen einen Abfall bei zentralen Apnoen nahe. Dies
verdeutlicht die unterschiedliche Genese zentraler sowie obstruktiver Apnoen
und eröffnet neue Einblicke in deren Pathophysiologie.
Daher stellt die transkutane Kapnographie als leicht einzusetzende nicht-
invasive kontinuierliche Messmethode eine sinnvolle Ergänzung der
technischen Ausstattung eines Schlaflabors dar und sollte regelmäßig
eingesetzt werden.
- 64 -
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7. Verzeichnis der Abbildungen Abb. 1: Zentrale Rhythmogenese der Atmung .........................................................................10 Abb. 2: Effekt von additivem CO2 bei Patienten mit ICSA ........................................................17 Abb. 3: Originalregistrierung einer endtidalen Kapnographie....................................................20 Abb. 4: Schematischer Aufbau des Elektrodenkopfes..............................................................23 Abb. 5: Schematische Darstellung einer transkutanen Registrierung eines Intervalls ...............30 Abb. 6: Originalregistrierung endtidale Kapnographie ..............................................................32 Abb. 7: tcpCO2 bei drei Probanden..........................................................................................36 Abb. 8: Relative Differenzen im Vergleich zur Raumluftatmung................................................36 Abb. 9: Drift der transkutanen Elektrode am Intervallende .......................................................37 Abb. 10: Einfluss der Driftkorrektur..........................................................................................38 Abb. 11: Einfluss des Messwertes auf die Driftkorrektur...........................................................38 Abb. 12: Zeitliche Verteilung der Blutentnahmen .....................................................................39 Abb. 13: Transkutane Elektrode und BGA...............................................................................40 Abb. 14: Korrelation von transkutaner Kapnographie und BGA................................................41 Abb. 15: Einfluss des Messwertes auf die Differenz von tc und BGA .......................................42 Abb. 16: Zeitliche Drift während eines Intervalls ......................................................................43 Abb. 17: Kapnographie während 60 Sekunden langer Intervalle ..............................................44 Abb. 18: endtidale Kapnographie bei zentralen Apnoen...........................................................47 Abb. 19: Transkutane Kapnographie bei zentralen Apnoen .....................................................47 Abb. 20: Endtidale Kapnographie bei obstruktiven Apnoen......................................................49 Abb. 21: Transkutane Kapnographie bei obstruktiven Apnoen .................................................49 Abb. 22: Obstruktive und zentrale Apnoephasen im Vergleich.................................................50
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8. Verzeichnis der Tabellen Tab. 1: Studien mit transkutaner Kapnographie .......................................................................22 Tab. 2: Patientenkollektiv in beiden beteiligten Zentren ...........................................................26 Tab. 3: Transkutane Kapnographie im Vergleich zur BGA an drei Probanden..........................35 Tab. 4: Differenzen zwischen arterieller und transkutaner Blutgasanalyse ...............................40 Tab. 5: Intervallauswertung bei Phasen stabiler Atmung..........................................................44 Tab. 6: Intervallauswertung bei 60 Sekunden langen Intervallen..............................................45 Tab. 7: Gewertete Apnoephasen.............................................................................................46
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Anhang
Skripte
Script 1 'Script DataExtract nicolas delis 13.10.2001
'
'script liest aus gegebenen kanaelen bei gegebener intervalldauer und -abstand die werte
aus
'messwerte innerhalb des auswerteintervalls werden gemittelt
var ok%,chan1%,chan2%,chan3%,abst%:=60,dauer%:=5;
var von,bis,th%,dummy;
var erg;
var ausgabe$;
if Query(" Log-Fenster löschen? ", "ja", "nein") then
View(Loghandle()).EditSelectAll();
View(LogHandle()).EditClear();
endif;
DlgCreate ("Paramter-Eingabe",0,0);
DlgChan (1,"Kanal 1",2049+131072);
DlgChan (2,"Kanal 2",2049+131072);
DlgChan (3,"Kanal 3",2049+131072);
DlgInteger (4,"Intervallabstand [s]",1,10000);
DlgInteger (5,"Intervalldauer [s]",1,10000);
ok%:=dlgShow(chan1%,chan2%,chan3%,abst%,dauer%);
Draw();
if (cursor(2)=(-1)) then
CursorSet(2);
endif;
InterAct("Bitte Auswertebereich mit Cursors einfassen",128);
CursorRenumber();
von:=Cursor(1);
bis:=Cursor(2);
'jetzt gehts los
ausgabe$:="time"+FileName$(3)+FileName$(4)+" ";
th%:=view();
if chan1% then ausgabe$:=ausgabe$+View(TH%).ChanTitle$(chan1%)+" "; endif;
if chan2% then ausgabe$:=ausgabe$+View(TH%).ChanTitle$(chan2%)+" "; endif;
if chan3% then ausgabe$:=ausgabe$+View(TH%).ChanTitle$(chan3%)+" "; endif;
printlog(ausgabe$,"");
dummy:=von;
repeat
ausgabe$:=str$(dummy)+" ";
if chan1% then erg:=count(chan1%,dummy,(dummy+dauer%)); ausgabe$:=ausgabe$+str$(erg)+"
"; endif;
if chan2% then erg:=count(chan2%,dummy,(dummy+dauer%)); ausgabe$:=ausgabe$+str$(erg)+"
"; endif;
if chan3% then erg:=count(chan3%,dummy,(dummy+dauer%)); ausgabe$:=ausgabe$+str$(erg)+"
"; endif;
printlog(ausgabe$,"");
dummy:=dummy+abst%;
until (dummy>bis);
- 79 -
view(loghandle());
message("Fertig.");
printlog("");
view(loghandle()).draw();
Script 1: Mit diesem Script wurden aus den aufgezeichneten Kanälen des transkutanen und des
endtidalen Kapnographen für festgesetzte Intervalle ausgelesen.
Script 2 ' CO2Peaks
' innerhalb eines festgelegten Zeitraumes Maxima in et-Kanal ausgeben
'
' (c) Nicolas Delis 27.07.2001
'
VAR ok%,index%:=1;
VAR co2delay%:=60, tcChan%, etCO2Chan%, co2PlateauChan%, intervalldauer%:=60, ueberlapp;
'Variablen fuer Dialog
VAR von, bis;
VAR ia%; 'aktueller Intervallanfang
VAR iv%; 'intervallversatz
VAR plco2, etco2min, etco2max, tcco2, sdpl, sdet, sdtc; 'ausgabevariablen fuer die
werte
func sdlahm(chan%,start%,ende%) 'berechnet sd innerhalb des gegebenen
zeitintervalls
VAR daten[10000],i,j,zp%,mw,dummy,erg; 'sekundenweise werte
zp%:=start%;
mw:=0;
i:=1;
j:=1;
erg:=0;
repeat
daten[i]:=chanvalue(chan%,zp%);
zp%:=1+zp%;
mw:=mw+daten[i];
i:=i+1;
until i>=ende%;
i:=i-1;
mw:=mw/i; 'nun der richtige mittelwert;
repeat
dummy:=mw-daten[j];
erg:=erg+(dummy*dummy);
j:=j+1;
until j>i;
dummy:=erg;
erg:=sqrt(dummy/(j-2));
return erg;
end; 'func sdlahm
func sd(chan%,start%,ende%) 'berechnet sd innerhalb des gegebenen zeitintervalls
VAR daten[100000],i,j,zp%,mw,dummy,erg; 'sekundenweise werte
VAR mean, stdev;
zp%:=start%;
mw:=0;
i:=1;
j:=1;
- 80 -
erg:=0;
repeat
daten[i]:=chanvalue(chan%,zp%);
zp%:=1+zp%;
'mw:=mw+daten[i];
i:=i+1;
until (start%+i)>=ende%;
mw:=arrsum(daten[],mean,stdev);
'message(mw," ",mean," ",stdev);
return stdev;
end; 'func sd
if Query(" Log-Fenster löschen? ", "ja", "nein") then
View(Loghandle()).EditSelectAll();
View(LogHandle()).EditClear();
endif;
DlgCreate ("Parameter-Eingabe",0,0);
Dlginteger (1,"Delay tcCo2",0,500);
DlgChan (2,"tc-Kanal",1+2048);
DlgChan (3,"etCO2-Kanal",1+2048);
DlgChan (4,"Co2-Plateau-Kanal",1+2048);
DlgInteger (5,"Interallgroesse [s]",1,10000);
DlgCheck (6,"Intervalle ueberlappen");
ok%:=DlgShow(co2delay%, tcChan%, etco2chan%, co2plateauchan%, intervalldauer%,
ueberlapp);
Draw();
if (cursor(2)=(-1)) then
CursorSet(2);
InterAct("Bitte Auswertebereich mit Cursors einfassen",128);
endif;
CursorRenumber();
von:=Cursor(1);
bis:=Cursor(2);
'jetzt gehts los
printlog("Index ","Intervallbeginn"," ","Intervallende"," ","etCO2.max","
","SD.etCO2.max ","CO2-Plateau.mean"," ","SD.CO2-Plateau.mean ","tcCO2.mean
","SD.tcCO2.mean"," tcCO2-Delay: ",co2delay%," Datei: ",filename$());
ia%:=von;
iv%:=intervalldauer%;
if ueberlapp then iv%:=(intervalldauer% / 2); endif;
'message("iv:",iv%," ia:",ia%," iv+ia:",iv%+ia%);
repeat 'auswerteschleife
plco2:=count(co2plateauchan%,ia%,(ia%+iv%));
tcco2:=count(tcchan%,(ia%+co2delay%),(ia%+iv%+co2delay%));
minmax(etco2chan%,ia%,(ia%+iv%),etco2min,etco2max);
sdpl:=sd(co2plateauchan%,ia%,(ia%+iv%)); 'SDs berechnen
sdet:=sd(tcchan%,(ia%+co2delay%),(ia%+iv%+co2delay%));
sdtc:=sd(etco2chan%,ia%,(ia%+iv%));
'ausgabe der werte im logfenster
printlog(index%," ",ia%," ",(ia%+intervalldauer%)," ",etco2max," ",sdet," ",plco2,"
",sdpl," ",tcco2," ",sdtc);
index%:=index%+1;
ia%:=iv%+ia%; 'neuer intervallanfang
until ia%+iv%>=bis;
- 81 -
view(loghandle());
message("Fertig.");
printlog("");
view(loghandle()).draw();
Script 2: Dieses Script liest die Maxima des endtidalen Kapnographen aus. Die Intervallgröße
kann frei festgelegt werden; ebenso kann festgesetzt werden, ob sich die Intervalle überlappen
sollen oder nicht.
Script 3 ' CAC : CO2 Apnoe Check
' Script zur Analyse des CO2 zu einem gegebenen Zeitpunkt sowie +/- t
'
' (c) Nicolas Delis 20.08.2001
'
var co2delay%:=60, tcChan%, etco2chan%, co2plateauchan%, id%:=60, tit:=1, etdel:=2;
var mini,maxi,cpos,et1,et2,et3,tc1,tc2,tc3,pl1,pl2,pl3,i%,ok%,co$;
func opti();
optimise(-2);
end; 'opi()
func ftc();
CursorDelete(); CursorDelete(); CursorDelete();
CursorSet(1);
end; 'ftc
func ana(str$);
co$:=str$;
cpos:=cursor(1);
minmax(etco2chan%,(cpos-id%-4+etdel),(cpos-id%+4+etdel),mini,maxi);
'maxima in et innerhalb eines intervalls von +/- 4 sec raussuchen
et1:=maxi;
minmax(etco2chan%,(cpos-4+etdel),(cpos+4+etdel),mini,maxi);
et2:=maxi;
minmax(etco2chan%,(cpos+id%-4+etdel),(cpos+id%+4+etdel),mini,maxi);
et3:=maxi;
pl1:=count(co2plateauchan%,(cpos-id%-5co2delay%),(cpos-id%+5co2delay%));
'mean im plateaukanal, zeitbreite= +/- 5 sec
pl2:=count(co2plateauchan%,(cpos-5co2delay%),(cpos+5co2delay%));
pl3:=count(co2plateauchan%,(cpos+id%-5co2delay%),(cpos+id%+5co2delay%));
tc1:=count(tcchan%,(cpos-id%+co2delay%-0.5),(cpos-id%+co2delay%+0.5)); 'breite: 1 sec
tc2:=count(tcchan%,(cpos+co2delay%-0.5),(cpos+co2delay%+0.5));
tc3:=count(tcchan%,(cpos+id%+co2delay%-0.5),(cpos+id%+co2delay%+0.5));
co$:=" "+co$+" ";
printlog(cpos,co$,tc1," ",et1," ",pl1," ",tc2," ",et2," ",pl2," ",tc3," ",et3," ",pl3);
end; 'func ana
if Query(" Log-Fenster löschen? ", "ja", "nein") then
View(Loghandle()).EditSelectAll();
View(LogHandle()).EditClear();
- 82 -
endif;
DlgCreate ("Parameter-Eingabe",0,0);
Dlginteger (1,"Delay tcCo2",0,500);
DlgChan (2,"tc-Kanal",1+2048);
DlgChan (3,"etCO2-Kanal",1+2048);
DlgChan (4,"Co2-Plateau-Kanal",1+2048);
DlgInteger (5,"Interallbreite [s]",1,10000);
DlgCheck (6,"Titel drucken?");
DlgReal (7,"etCO2-Delay?",-500,500);
ok%:=DlgShow(co2delay%, tcChan%, etco2chan%, co2plateauchan%, id%,tit,etdel);
if ok% then
Draw();
CursorDelete(); CursorDelete(); CursorDelete();
CursorSet(1);
if tit then
printlog("Zeit c/o tc-",id%," et-",id%," pl-",id%," tc et pl tc+",id%," et+",id%,"
pl+",id%," CO2_Delay:",co2delay%," Datei: ",filename$());
endif;
repeat
toolbarset(1," central Apnea ");
toolbarset(2," obstructive Apnea ");
toolbarset(3,"Optimise Channels");
toolbarset(4," fetch Cursor ");
toolbarset(5," Stop ");
i%:=toolbar("Make your Selection",127);
if i%=1 then ana("c") endif;
if i%=2 then ana("o") endif;
if i%=3 then opti() endif;
if i%=4 then ftc() endif;
until (i%=5);
query("Log-Fenster abspeichern!","OK");
endif; 'ok%
Script 3: Dieses Script ermöglicht, unter Berücksichtigung des Zeitverzuges, eine vergleichende
Ausgabe des endtidalen und des transkutanen Kanales für einen festzulegenden Zeitraum.
- 83 -
Adressen der Schlaflabore
Medizinische Klinik III
Berufsgenossenschaftliche Kliniken Bergmannsheil
Klinikum der Ruhr-Universität Bochum
Bürklke-de-la-Camp-Platz 1
44789 Bochum
Institut für Schlafphysiologie
Klinik für Neurologie
Fachklinik Ambrock
Ambrocker Weg 60
58091 Hagen-Ambrock
- 84 -
Danksagung Ohne die Mithilfe anderer wäre diese Studie nicht Wirklichkeit geworden. Ihnen
möchte ich an dieser Stelle meinen Dank aussprechen. Frau Prof. Dr. med. M.
E. Schläfke danke ich ausdrücklich für die Möglichkeit, mich in ihrem Institut zu
engagieren; diese Zeit hat mich zutiefst geprägt. Während der gesamten Zeit
unterstützte sie mich mit Rat und Tat und wies mir den Weg. Herrn Privatdozent
Dr. med. T. Schäfer danke ich für die stete Betreuung und Hilfestellung
während des Projektes. Jederzeit stand er mir für Fragen zur Verfügung und
führte mich mit kritischen Anmerkungen. Dr. med. D. Schäfer danke ich für die
Unterstützung, die er mir im Schlaflabor in Hagen-Ambrock zukommen ließ.
Gedankt sei auch den Ärztlichen Leitern beider Schlaflabore, Prof. Dr. med. W.
Greulich (Hagen-Ambrock) sowie Prof. Dr. med. G. Schultze-Werninghaus
(Bochum), für die Möglichkeit die Messungen durchführen zu können. Ohne die
Unterstützung der Mitarbeiter des Institutes für angewandte Physiologie der
Ruhr-Universität, in logistischer und technischer Hinsicht, hätte dieses Projekt
nicht verwirklicht werden können. Stellvertretend genannt seien S. Peuckert, A.
Herker und B. Reitemeyer. Im Schlaflabor des Bergmannsheiles erfuhr ich
tatkräftige Unterstützung von Frau D. Podbregar und Frau A. Remsing. Bei der
Einbindung des Kapnographen in das System unterstützte mich Dr. J. de
Zeeuw. Gedankt sei auch allen Messkräften; ohne deren Engagement hätte die
Größe des Kollektivs nicht erreicht werden können. Der Firma Radiometer
Copenhagen möchte ich herzlich für die Leihgabe der Geräte zur Durchführung
der Studie danken. Danken möchte ich auch meinem Freundeskreis, für die
verständnisvolle Rücksicht, wenn ich einen Großteil meiner Energie auf die
Studie verwandt habe. Besonders hervorheben möchte ich F. Gopon, der so
einige Male der Retter in der Not war, wenn in Hagen-Ambrock Probleme gelöst
werden mussten. Danken möchte ich auch meiner Familie. Ohne Ihre
Unterstützung und Trost bei scheinbar unüberwindbaren Problemen sowie die
Rücksichtnahme, wenn ich stundenlang vor meinem Computer saß, wäre diese
Studie nicht Wirklichkeit geworden. Danke.
- 85 -
Lebenslauf 17.10.1976 Geburt als Kind des Ehepaares Monika Hildegard und
Michael Delis in Herne
1983-1987 Vels-Heide-Grundschule, Bochum
1987-1996 Gymnasium am Ostring, Bochum
1996 Abitur
1996-1997 Zivildienst
01.10.1997 Beginn Medizinstudium an der Ruhr-Universität
Bochum
06/98-05/02 Studentische Hilfskraft im Institut für Angewandte
Physiologie der RUB
05.09.1999 Physikum
Seit 10/00 Mitglied der Deutschen Gesellschaft für
Schlafforschung und Schlafmedizin
20.09.2000 1. Staatsexamen
17.09.2002 2. Staatsexamen
2002-2003 Praktisches Jahr in den Berufsgenossenschaftlichen
Kliniken Bergmannsheil Bochum
23.10.2003 3. Staatsexamen
seit 01.01.2004 Arzt im Praktikum, Klinik für Pneumologie,
Beatmungsmedizin und Infektiologie, Augusta-
Krankenanstalten, Bochum
