Kardiorespiratorische Effekte von Heliox an einem Modell der oberen Atemwegsobstruktion / Cardiorespiratory effects of Heliox using a model of upper airway obstruction

Abstract

Heliox ist eine Mischung aus Sauerstoff und Helium, wobei der Heliumanteil durch seine geringe Dichte ein laminares Strömungsverhalten begünstigt. Laminare Strömungen benötigen im Vergleich zu einer turbulenten Strömung deutlich geringere Druckunterschiede. Daher reduziert das Vorhandensein eines laminaren Strömungsprofils die Arbeit, die zur Gasbewegung nötig ist. Im klinischen Alltag spricht man von einer verminderten Atemarbeit bei laminaren Strömungen. Atemarbeit lässt sich nichtinvasiv nur indirekt über hämodynamische Effekte oder mittels spezieller Atmungsuntersuchungen erfassen. Wir untersuchten an freiwilligen Probanden, welche Effekte Heliox in einem Modell der oberen Atemwegsobstruktion auf hämodynamische Parameter und Atemvariablen hat und ob so eine atmungserleichternde Wirkung beschrieben werden kann.

An 10 Freiwilligen wurde mittels eines multiparametrischen Messsystems Herzfrequenz (HR), Blutdruck (BP), Schlagvolumen (SV), Schlagindex (SI), totaler peripherer Widerstand (TPRI) sowie der „left ventricular work index“ (LVWI) erfasst. Daneben wurde getrennt davon der Phasenwinkel (PhAng) zwischen Thorax und Abdomen als Maβ für die Atemarbeit (WOB) mittels Induktionsplethysmographie ermittelt (n=2). Die Probanden atmeten spontan, dann über drei verschieden dünne Tuben als Atemwegswiderstand (mit einem Innendurchmesser zwischen 4.0 und 5.0mm) zunächst Raumluft und dann Heliox. Nach jedem Tubus- und Gaswechsel wurde zudem das Atemnotgefühl (DS) der Probanden erfragt.

Die Mittelwerte der untersuchten hämodynamischen Variablen HR, BP, SV, SI, TPRI sowie LVWI zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen Ruheatmung, Raumluft und Heliox bei den untersuchten Tuben. Die Varianzen dieser Parameter unterschieden sich signifikant zwischen Ruheatmung und der Atmung durch einen Tubus. Heliox konnte dabei die Variabilität deutlich und statistisch signifikant senken. In ähnlicher Weise zeigte sich unter Heliox eine bessere Koordination der Atemmuskulatur erkenntlich an einer signifikanten Abnahme des PhAng sowie einer Abnahme des Dyspnoescores unter Heliox.

Heliox mindert durch seine geringe Dichte die Atemarbeit. Die Effekte wirken sich, möglicherweise durch eine Abnahme von Druckschwankungen im Intrapleuralraum, auch auf hämodynamische Variablen aus und waren unterschiedlich in Abhängigkeit von der untersuchten Atemwegsobstruktion nachweisbar. Bei allen Graden der Atemwegsobstruktion war zudem eine Abnahme des Atemnotgefühls durch Heliox nachweisbar. In der Zukunft sollte eine Variation des Sauerstoffanteils sowie kombinierte Untersuchungen von Hämodynamik und Atemarbeit erfolgen.

Heliox is a mixture of Oxygen and Helium. The low density of Helium allows this mixture to flow in a laminar pattern where oxygen, nitrogen or air flow would be turbulent. Therefore the force necessary to move a volume of gas (e.g. Heliox) is greatly reduced in comparison to a turbulent gas flow. In a respiratory loading experiment we investigated the effects which Heliox exerts on hemodynamic as well respiratory variables.

10 volunteers were breathing spontaneously and through three different endotracheal (ET-) tubes (ID 4.0, 4.5, 5.0 mm). The subjects were switched from room air to Heliox and differences in the variables heart rate (HR), blood pressure (BP), stroke volume (SV), stroke index (SI), peripheral vascular resistance (TPRI) and left ventricular work index (LVWI) were measured. Furthermore the (PhAng) between abdomen and thorax was detected using respiratory inductance plethysmography (n=2) and the sense of dyspnoe under the different conditions was assessed by the use of a dyspnea score (DS).

The means of BP, SV, SI, TPRI and LVWI did not significantly differ between the resting and the different loading conditions irrespective of the gas that was used. The variability of hemodynamic measures was significant larger during loaded vs. unloaded breathing. Heliox could significantly reduce this degree of variability. In two subjects Heliox could also significantly reduce the PhAng as well as DS.

Heliox showed effects on hemodynamic as well as respiratory and subjective variables. These effects can be interpreted as a reduction of the extent of pressure variations in the intrapleural space leading to less impact on hemodynamic variables while breathing Heliox vs. room air in a resistive loading experiment. In the future the combined measurement of hemodynmic variables as well as non-invasive assessment of respiration might shed new light on cardio-respiratory interaction and effects of Heliox during airway obstruction.