Wiener Medizinische Wochenschrift

Printed in Austria

Application of CPAP improves oxygenation duringnormobaric and hypobaric hypoxia

Summary. This pilot project was performed to inves-tigate the possible application of a portable CPAP helmet(continuous positive airway pressure) to treat high altitudediseases. Arterial oxygen saturation increased from 80.6± 3.4 % to 90.6 ± 3.8 % (p < 0.01, n = 14) when using theCPAP helmet (PEEP (positive endexpiratory pressure):10–15 cm H2O) in normobaric hypoxia (FiO2 12.9 ± 0.4 %,corresponding to about 4300 m). Furthermore arterial oxy-gen saturation was enhanced (88.1 ± 1.9 % to 93.5 ±3.0 %; p < 0.01, n = 11) at real altitude (3150 m) after a20 minute application of the CPAP helmet. There was acorrelation between differences in PaCO2 and arterial oxy-gen saturation during CPAP (R = -0.97, p < 0.01, n = 6).Further studies are needed to determine the effective-ness, its mechanisms in context with altitude diseases,and the applicability of this treatment under extreme envi-ronmental conditions.

Key words: CPAP helmet, High altitude pulmonaryedema, Acute mountain sickness, High altitude, TAR-Hel-met.

Zusammenfassung. In Rahmen eines Pilotprojekteswurde die mögliche Anwendung einer Überdruckatmungmittels eines portablen CPAP-Helmes (continuous positiveairway pressure) als alternative Behandlungsform vonHöhenerkrankungen untersucht. Mit dem CPAP-Helm(PEEP (positive endexpiratory pressure): 10–15 cm H2O)konnte die arterielle Sauerstoffsättigung in normobarerHypoxie (FiO2 12,9 ± 0,4 %, entsprechend ca. 4300 m)

von 80,6 ± 3,4 % auf 90,6 ± 3,8 % erhöht werden(p < 0,01, n = 14). Auch in natürlicher Höhe (3150 m)wurde nach 20-minütiger Anwendung ein Sättigungsan-stieg von 88,1 ± 1,9 % auf 93,5 ± 3,0 % (p < 0,01, n = 11)beobachtet. Es bestand ein Zusammenhang in denPaCO2- und Sättigungsveränderungen unter CPAP (R = -0,97, p < 0,01, n = 6). Weitere Studien in diesem Bereichmüssen die Wirksamkeit und deren Mechanismen beiHöhenerkrankungen sowie die praktische Anwendbarkeitunter extremen Bedingungen klären.

Schlüsselwörter: CPAP, Höhenlungenödem, AkuteBergkrankheit, Höhe, TAR-Helm.

Einleitung

Jährlich besuchen etwa 40 Millionen Personen im Alpen-raum Höhenlagen über 2000 m, weltweit wird diese Zahlauf 100 Millionen geschätzt [1]. Auch außeralpines Trek-king und Höhenbergsteigen in Höhen über 5000 merfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Die Häufigkeithöhenbedingter Beschwerden ist neben verschiedenenanderen Faktoren vor allem von der individuellen Emp-findlichkeit abhängig [2]. So zeigen Daten aus demAlpenraum, dass die Prävalenz der akuten Bergkrankheitvon 9 % in 2850 m auf 53 % in 4559 m ansteigt [3]. Mitzunehmender Höhe steigt auch die Häufigkeit lebensbe-drohlicher Höhenerkrankungen wie Höhenlungenödemenund Höhenhirnödemen [4, 5]. Als Therapie steht beischwereren Formen neben einem Abstieg beziehungs-weise / Abtransport in tiefere Lagen und einer medika-mentösen Therapie die (zusätzliche) Behandlung ineinem Überdrucksack zur Verfügung [6, 7]. Aufgrund deshohen Gewichtes von 4,8 bis 6,5 Kilogramm (je nachModell und Hersteller) und der Abmessungen ist ein stän-diges Mitführen schwer möglich und seine Anwendungsomit beschränkt [8]. Die Anwendung von CPAP (conti-nuous positive airway pressure) mittels Helm, wie in derIntensivmedizin schon länger in Anwendung [9], könntehingegen eine neue portable Möglichkeit darstellen, wel-

CPAP-Anwendung verbessert die Oxygenierung in normobarer undhypobarer Hypoxie

Robert Koch1, Evelyn Punter2, Hannes Gatterer2, Markus Flatz2, Martin Faulhaber2 und Martin Burt-scher2

1Klinische Abteilung für Gastroenterologie und Hepatologie, Universitätsklinik für Innere Medizin, Medizinische UniversitätInnsbruck, Innsbruck, Österreich2Institut für Sportwissenschaft, Universität Innsbruck, Innsbruck, Österreich

Eingegangen am 29. November 2006, angenommen nach Revision am 18. September 2007© Springer-Verlag 2007

Wien Med Wochenschr (2008) 158/5–6: 156–159DOI 10.1007/s10354-007-0502-y

Korrespondenz: Dr. Robert Koch, Klinische Abteilung fürGastroenterologie und Hepatologie, Universitätsklinik fürInnere Medizin, Medizinische Universität Innsbruck, Anich-strasse 35, 6020 Innsbruck, Österreich.Fax: ++43-512-50424052E-Mail: robert.koch@i-med.ac.at

Originalarbeit

Koch et al., CPAP-Anwendung verbessert die Oxygenierung in normobarer und hypobarer Hypoxie

che leicht auf Höhenunternehmungen mitzuführen wäre.Da bis auf eine Feldstudie [10] zu diesem Thema kaumDaten vorliegen, war es vorerst Ziel dieses Pilotprojek-tes, (1) in simulierter normobarer Hypoxie und in (2)natürlicher Höhe die Abhängigkeit der Oxygenierung vonder CPAP-Atmung zu untersuchen.

Methoden

(1) Es nahmen 14 freiwillige Probanden (5 Frauen, 9 Männer, Alter 32,9 ± 10,0 Jahre, Größe 176,4 ± 9,9 cm,Gewicht 68,1 ± 11,9 kg) an der Untersuchung teil. Die Ver-suchspersonen hielten sich für 15 bis 20 Minuten passiv ineiner normobaren Hypoxiekammer (Hypoxico, Deutschland)(FiO2 12,9 ± 0,4 %, Range 13,7–12,5 %, entsprechend ca.3900–4600 m) auf. Anschließend wurde ihnen ein CPAP-Helm(Starmed, Italien) aufgesetzt, der Deckel des Helms wurdenoch nicht verschlossen. Nach einer kurzen Gewöhnungszeitvon wenigen Minuten wurde die arterielle Sauerstoffsättigung(SaO2) mittels Fingerpulsoxymeter gemessen (Onyx 9500,Nonin Medical Inc., USA). Danach wurde der Helm verschlos-sen und es erfolgte die CPAP-Anwendung (PEEP 10–15 cmH2O) für 5 Minuten. Hierfür wurde eine handelsübliche Dop-pelhubpumpe verwendet (Abb. 1). Das Gewicht der gesamtenHelm-Pump-Einheit beträgt in der verwendeten Form ca.1,2 kg. In der letzten Minute der CPAP-Anwendung wurdewiederum die SaO2 bestimmt. (2) In weiterer Folge wurden 11freiwillige Testpersonen (1 Frau, 10 Männer, Alter 33,1 ± 11,4Jahre, Größe 178,6 ± 7,8 cm, Gewicht 75,7 ± 9,3 kg) in natür-licher Höhe unmittelbar nach Seilbahnauffahrt auf den Stu-baier Gletscher (3150 m) untersucht. Die CPAP-Behandlungerfolgte hier über 20 Minuten, wobei die SaO2 vor Behand-lung (ebenso wie in der Hypoxiekammer mit bereits aufgesetz-tem Helm), sowie in fünfminütigem Abstand gemessen wurde.Zusätzlich wurden bei 6 Probanden vor und nach 15-minüti-ger CPAP-Anwendung die Blutgase aus Kapillarblut bestimmt(Blutgasanalyse Opti 1, AVL, Austria). Bei beiden Testreihenwurden die Probanden angehalten, ihre Atemfrequenz mög-lichst nicht zu verändern. Die Personen, welche die Luftpumpebedienten wurden gebeten, den Anstrengungsgrad beim Pum-pen einzuschätzen. Das Projekt wurde von der Ethikkommis-sion der Medizinischen Universität Innsbruck für unbedenk-

lich erklärt. Die statistische Auswertung erfolgte mittelsgepaarten t-Tests (SPSS, Version 13.0). Für Veränderungen derSaO2 und der Blutgase wurden Korrelationen nach Pearsonberechnet. Das Signifikanzniveau wurde bei p < 0,05 ange-setzt. Werte sind als MW±SD dargestellt.

ErgebnisseDie Behandlung mit dem CPAP-Helm wurde von allenProbanden gut toleriert. Außer einem leichten Druck inden Ohren und einer etwas erschwerten Exspiration innatürlicher Höhe wurden keine Beschwerden berichtet.(1) Die SaO2 stieg unter der Behandlung mit dem Helmin normobarer Hypoxie von 80,6 ± 3,4 % auf 90,6 ±3,8 % (p < 0,01) an (Abb. 2). Ein SaO2-Anstieg konntebei allen Probanden erzielt werden, wobei dieser von 1 %bis 18 % reichte. (2) Auch bei den Messungen in hypo-barer Hypoxie auf 3150m Höhe zeigte sich ein Anstiegder SaO2, welcher auch nach 20-minütiger Behandlungnoch anhielt (Abb. 3). Es wurde ein tendenzieller Abfalldes PaCO2 während CPAP beobachtet (28,1 ± 1,6 vs. 24,0± 3,7, p = 0,06, n = 6). Des Weiteren wurde ein signifi-kanter Zusammenhang zwischen PaCO2- und SaO2-Ver-änderungen unter der CPAP-Anwendung festgestellt (r =-0,97, p < 0,01, n = 6) (Abb. 4). Alle Probanden meinten,dass sie nach einer Gewöhnungsphase in den erstenMinuten die Anwendung des CPAP-Helmes auch übereinen längeren Zeitraum tolerieren würden. Die Bedie-

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Abb. 1. Anwendung des CPAP-Helms in der Hypoxiekammer.Der erhöhte Luftdruck im CPAP-Helm wird mittels einer han-delsübliche zwei-Liter Doppelhubpumpe erzeugt wobei Über-druckspitzen durch ein PEEP-Ventil (PEEP 10–15 cm H2O)verhindert werden.

70,0

80,0

90,0

100,0

ohne Helm mit Helm

SaO

2 (%

)

**

Abb. 2. Arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) in normobarerHypoxie (˜ 3900–4600 m) vor (SaO2 ohne Helm) und nach 4bis 5-minütiger Behandlung mit dem CPAP-Helm (SaO2 mitHelm). Werte sind MW (SD).**p < 0,01

85,0

90,0

95,0

100,0

ohne CPAP nach 5 min nach 10 min nach 15 min nach 20 min

%

** **** **

Abb. 3. Arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) auf 3200 m vor(ohne CPAP) und nach 5, 10, 15, 20 Minuten Behandlung mitdem CPAP-Helm (n = 11). Werte sind MW (SD).**p < 0,01 im Vergleich zu vor der Behandlung mit demCPAP-Helm (ohne CPAP)

Koch et al., CPAP-Anwendung verbessert die Oxygenierung in normobarer und hypobarer Hypoxie

nung der Luftpumpe wurde subjektiv als leicht bis mit-telschwer eingeschätzt.

Diskussion

Die vorliegenden Daten unserer Untersuchungen lassenauf eine Verbesserung der arteriellen Oxygenierung unterCPAP-Anwendung in normobarer und hypobarer Hypo-xie schließen. Der Anstieg der Sauerstoffsättigung innatürlicher Höhe zeigte bei unseren Messungen in etwadasselbe Ausmaß wie die Messungen von Davis et al.[10], welche auf gleicher Höhe allerdings mit einemÜberdruck von nur 5 cm H2O durchgeführt wurden. Fürdie beobachteten Effekte können verschiedene Mechanis-men in Frage kommen. Der simulierte Höhengewinndurch den Überdruck im Helm liegt maximal bei 150Höhenmetern und dürfte somit einen nur minimalenEffekt auf die arterielle Oxygenierung haben. Für einevermehrte alveoläre Ventilation aufgrund einer Hyper-ventilation deuten der tendenzielle PaCO2-Abfall und vorallem der Zusammenhang zwischen PaCO2-und SaO2-Veränderung hin. Hierdurch können statistisch 95 % (R2

= 0,95) des SaO2-Anstiegs erklärt werden. Die Tatsache,dass beide SaO2-Messungen (vor und bei CPAP) mit auf-gesetztem Helm stattfanden, deutet darauf hin, dass dieeigentliche CPAP-Anwendung und nicht die äußereSituation (aufgesetzter Helm) Auslöser für die Mehrat-mung ist. Da die Probanden angehalten wurden, dieAtemfrequenz bei der CPAP-Anwendung beizubehalten,wird vermutet, dass die Hyperventilation vorrangig durchein erhöhtes Atemzugvolumen hervorgerufen wird.Wodurch diese vertiefte Atmung ausgelöst wird, ob siedirekt durch CPAP vermittelt wird oder (auch) durch denRhythmus des mechanischen Pumpens beeinflusst wird,kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. AuchEllingsen berichtete von einer Steigerung der alveolärenVentilation unter CPAP [11]. Zusätzlich zur erhöhtenVentilation könnten weitere bekannte CPAP-spezifischeMechanismen zur Wirkung gekommen sein: CPAP ver-bessert die Oxygenierung durch Verminderung intrapul-monaler Shunts und von Ventilations-Perfusions-Störun-gen [12]. Außerdem kann CPAP zur Verbesserung derpulmonalen Compliance und des Atemwegswiderstandesund über Verminderung der Zwerchfellaktivität zurReduktion der Atemarbeit beitragen [12, 13]. Überdies

reduziert CPAP den pulmonalarteriellen Druck underhöht so die rechts ventrikuläre Auswurffraktion [13].Somit dürften sowohl respiratorische als auch kardiovas-kuläre Effekte zu den beobachteten Verbesserungen bei-getragen haben.

Für die Praxis könnte der Einsatz des CPAP-Helmsmit dem verbundenen Anstieg der arteriellen Oxygenie-rung Symptome der akuten Bergkrankheit oder einesHöhenlungenödems bessern und somit eine Alternativezum Gamow bag darstellen [14, 15]. In der Untersuchungvon Davis und Mitarbeitern wird von einer dramatischenBesserung der Symptome eines Höhenlungenödems unterCPAP-Behandlung berichtet [10]. Obwohl die bisher vor-liegenden Ergebnisse viel versprechend sind, muss inweiteren Untersuchungen geklärt werden, wie weit„Höhenerkrankte“ tatsächlich von dieser Behandlungs-methode profitieren können. Es sollte Anliegen künftigerStudien sein, die praktische Anwendung des CPAP-Hel-mes in extremen Höhen und unter Expeditionsbedingun-gen zu testen. Da in dieser Studie ein für die Intensivme-dizin konzipierter Helm und eine handelsübliche Luft-pumpe verwendet wurden, dürfte in der Weiterentwick-lung dieses Systems noch Optimierungspotential liegen.

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0

2

4

6

8

10

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

Differenz PaCO2 (mmHg)

Diff

eren

z Sa

O2

(%)

R=-0,97 (p<0,01)n=6

Abb. 4. Zusammenhang der Veränderungen (vor und währendCPAP) von arteriellem Kohlendioxidpartialdruck (DifferenzPaCO2) und arterieller Sauerstoffsättigung (Differenz SaO2).

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