ArchivDeutsches Ärzteblatt31-32/2020Nichtinvasive Beatmung und Ansteckungsrisiko: Aerosole von COVID-19-Patienten

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Nichtinvasive Beatmung und Ansteckungsrisiko: Aerosole von COVID-19-Patienten

Grensemann, Jörn; Kluge, Stefan

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Bei nichtinvasiver Beatmung gelangen mehr Atemluftpartikel und Erreger in die Umgebung als nach endotrachealer Intubation. Dies bedeutet eine erhöhte Ansteckungsgefahr für das Personal. Dennoch können auch COVID-19-Patienten sicher therapiert werden und von diesen Verfahren profitieren.

Computersimulation der Maskenwirkung: Bei höheren Gas-Flow-Geschwindigkeiten bildet sich deutlich mehr Aerosol, das durch einen Mund- Nasen-Schutz (linke Seite) deutlich reduziert wird (HVNI = high velocity nasal insufflation). Quelle: CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ (24)
Computersimulation der Maskenwirkung: Bei höheren Gas-Flow-Geschwindigkeiten bildet sich deutlich mehr Aerosol, das durch einen Mund- Nasen-Schutz (linke Seite) deutlich reduziert wird (HVNI = high velocity nasal insufflation). Quelle: CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ (24)

Etwa 5–8 % der Patienten benötigen im Rahmen der aktuellen COVID-19-Pandemie eine Behandlung auf der Intensivstation. Hauptgrund ist meist eine akute hypoxämische respiratorische Insuffizienz. Diese gilt es zeitnah und zielgerichtet zu behandeln, um eine lebensbedrohliche Hypoxämie vom Patienten abzuwenden.

Kontrovers wurde diskutiert, ob bei diesen Patienten frühzeitig eine endotracheale Intubation erfolgen sollte oder ob zuvor in Analogie zur empfohlenen Eskalationsstrategie etablierte, nichtinvasive Verfahren wie die High-Flow-Sauerstofftherapie und die nichtinvasive Beatmung durchgeführt werden sollten. Hintergrund ist die durch diese Verfahren hervorgerufene Aerosolbildung.

Aerosole triggern Infektionen

Für den SARS-CoV-1-Ausbruch im Jahr 2003 ist gezeigt worden, dass eine relevante Anzahl von Infektionen unter dem Krankenhauspersonal mit aerosolgenerierenden medizinischen Prozeduren (AGMPs) wie der endotrachealen Intubation oder der nichtinvasiven Beatmung assoziiert war (1, 2).

Daher wurde stellenweise ein Verzicht auf aerosolbildende Maßnahmen empfohlen, um das Infektionsrisiko für das Krankenhauspersonal gering zu halten. Auf der anderen Seite sind jedoch High-Flow-Sauerstofftherapie und nichtinvasive Beatmung hocheffektive Verfahren, mit denen eine akute respiratorische Insuffizienz behandelt werden kann. Die Frage ist, ob die Angst vor Aerosolen begründet ist, sodass Patienten möglicherweise deswegen invasiv beatmet werden, ohne das Potenzial der nichtinvasiven Verfahren ausgenutzt zu haben.

Bei Aerosolen handelt es sich um eine Suspension von festen oder flüssigen Partikeln in Luft, die aufgrund ihrer geringen Partikelgröße eine langsame Sedimentierungsgeschwindigkeit aufweisen, sodass die Partikel in der Luft verweilen können. Die Sedimentierungsgeschwindigkeit ist von der Partikelgröße abhängig und beträgt bei einem Partikeldurchmesser von 10 µm ca. 5 min/m und bei 5 µm ca. 20 min/m. Unterhalb einer Größe von 3 µm kommt es zu keiner relevanten Sedimentierung mehr, sodass diese Partikel sehr lange in der Luft verweilen und nur durch einen Luftaustausch aus dem Raum entfernt werden können (3).

Eine Abnahme der Sedimentierungsgeschwindigkeit kann zum Beispiel durch Aufsteigen von Luft oberhalb der thermischen Strahlung des Patienten oder des Personals bedingt sein, eine Zunahme etwa aufgrund gerichteter Luftströmungen der raumlufttechnischen Anlage (RLT) (4). Des Weiteren wird die Sedimentierungsgeschwindigkeit von Verwirbelungen beeinflusst, beispielsweise wenn Türen auf- und zugehen oder sich Personal im Raum bewegt. Bei AGMPs sind überwiegend flüssige Partikel im Sinne von Tröpfchen relevant, die in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit und der Umgebungstemperatur evaporieren. Hierdurch kommt es zur Schrumpfung der Tröpfchen, sodass Tröpfchenkerne verbleiben (5). Durch den im Vergleich zum ursprünglichen Tröpfchen kleineren Durchmesser nimmt die Sedimentierungsgeschwindigkeit der Tröpfchenkerne ab.

Auf die Größe kommt es an

Bei der Inspiration von Tröpfchen gilt im Wesentlichen, dass Tröpfchen ≤ 5 µm in den unteren Respirationstrakt gelangen während Tröpfchen ≥ 10 µm hauptsächlich im oberen Respirationstrakt verbleiben. Tröpfchen ≥ 20 µm impaktieren im oberen Respirationstrakt (3). Von den in den unteren Respirationstrakt inspirierten Tröpfchen werden im Bereich zwischen 0,1 und 1 µm ca. 80 % wieder ausgeatmet, da Partikel dieser Größe dem Luftstrom folgen können, ohne dass es durch die geringe Trägheit der kleinen Partikel zur Impaktion und Ablagerung im Respirationstrakt kommt (6). Unterhalb von 0,1 µm nimmt aufgrund der Brownschen Molekularbewegung die Ablagerung im Respirationstrakt wieder zu (zum Vergleich: Durchmesser SARS-CoV-2: 0,06–0,14 µm [7]). Für die Übertragung durch Aerosole sind somit überwiegend Tröpfchen zwischen 1–5 µm verantwortlich, da diese relevant im Respirationstrakt abgelagert werden.

Zwar wird aktuell der Hauptübertragungsweg von SARS-CoV-2 kontrovers diskutiert (8). Die Übertragung durch Aerosole scheint indes plausibel, beispielsweise wurden Coronaviren in der Umgebungsluft von Patienten nachgewiesen (9). Bei Patienten, die an anderen RNA-Viren wie Influenza, Respiratory Syncycial Virus und Rhinoviren erkrankt waren, ließ sich ebenfalls Virus-RNA aus ausgeatmeten Tröpfchen (≤ 5 µm) isolieren (10). Auch die Stabilität für SARS-CoV-2 scheint auszureichen, um Infektionen über Aerosole zu übertragen. Die Halbwertzeit beträgt in einem durch einen Jetvernebler generierten Aerosol (Partikelgröße < 5 µm) etwa eine Stunde. Eine Infektiosität ließ sich sogar nach 3 Stunden noch nachweisen (11).

Die Aerosolbildung durch medizinische Maßnahmen ist überwiegend experimentell untersucht. Es gibt nur wenige Untersuchungen an Patienten, die unter viralen Erkrankungen litten. Bei akuter hypoxämischer respiratorischer Insuffizienz wird zunächst Sauerstoff verabreicht. Bleibt eine Besserung aus, ist der nächste Schritt auf der Intensivstation die High-Flow-Sauerstofftherapie (HFNC) und die nichtinvasive Beatmung. Bei schwerer respiratorischer Insuffizienz sind die Intubation und mechanische Beatmung indiziert.

Fallzahlen intensivmedizinischer Versorgung von Patientinnen und Patienten mit COVID-19
Tabelle
Fallzahlen intensivmedizinischer Versorgung von Patientinnen und Patienten mit COVID-19

Flow beeinflusst Aerosolbildung

Bereits für die konventionelle Sauerstoffinsufflation über eine Nasenbrille konnte experimentell gezeigt werden, dass diese zur Aerosolbildung führt und dass die Ausbreitung der Aerosole mit höheren Sauerstoffflüssen ansteigt (12). Gleiches gilt für die Sauerstoffapplikation über eine Gesichtsmaske, bei der bereits die Ausatemluft als Jet entweichen kann und potenziell infektiöse Aerosole in den Raum abgibt (13, 14, 15) (Abbildung).

Für die High-Flow-Sauerstofftherapie wurden Simulationen mit der Exspiration von Rauchpartikeln aus einem Simulationspatienten durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die Exspirationsluft weniger als 20 cm um den Patienten herum verteilt – solange die Nasenkanüle korrekt platziert ist. Kommt es jedoch zur Dislokation der High-Flow-Kanüle, verteilt sich die Exspirationsluft weiter als 60 cm um den Patienten herum (16). Interessanterweise ist dieses geringer als bei konventioneller Sauerstoffgabe (17). Dies wird auf den dichteren Sitz der High-Flow-Kanüle zurückgeführt (16). Eine weitere experimentelle Untersuchung der High-Flow-Sauerstofftherapie konnte für größere Partikel (> 50 µm) ebenfalls keine Verteilung über 60 cm hinaus zeigen (18). Dennoch sollte berücksichtigt werden, dass bei der High-Flow-Sauerstofftherapie auch kleine Partikel entstehen können, die nicht sedimentieren und somit über die initiale Verteilung hinaus im Raum verbleiben können. Dieses gilt insbesondere, wenn die Therapie nicht in Räumen mit einem geregelten Luftaustausch mittels RLT durchgeführt wird. Nach fluiddynamischen Computerberechnungen (Abbildung) reduziert die gleichzeitige Verwendung eines Mund-Nasen-Schutzes die Aerosolbildung um den Patienten um über 80 % (19).

Bei der nichtinvasiven Beatmung hängt die Aerosolbildung maßgeblich davon ab, welches der zur Verfügung stehenden Systeme verwendet wird: Einschlauchsysteme mit Leckageventil, Einschlauchsysteme mit gesteuertem Exspirationsventil oder Doppelschlauchsysteme. Bei den Einschlauchsystemen wird die Exspirationsluft patientennah abgegeben, während beim Doppelschlauchsystem die Rückführung der Exspirationsluft zum Beatmungsgerät erfolgt.

Maskenleckage vermeiden

Dass das eingesetzte nichtinvasive Beatmungssystem einen Einfluss auf die Aerosolausbreitung haben kann, konnte experimentell gezeigt werden. In Abhängigkeit der am Simulator eingestellten Lungencompliance und verwendeten Beatmungsdrücke wurde für 1 µm große Rauchpartikel eine initiale Verteilung bis zu 1 m um den Patienten herum demonstriert. Obwohl für dieses Experiment ein Isolationszimmer mit negativem Druck und gerichtetem Luftstrom verwendet wurde, breiteten sich anschließend die Partikel im gesamten Raum aus. Leckagen an der Beatmungsmaske konnten sich bis zu knapp 0,5 m vom Patienten ausbreiten, auch hier kam es zu einer weiteren Verteilung des Rauches aus dem Leckagejet (20). In einer anderen Untersuchung mit einem Einschlauchsystem mit Leckageventil konnte bestätigt werden, dass es nach Beatmungsbeginn zu einer signifikanten Zunahme von Partikeln ab 3 µm kommt (21). Wurde jedoch die Exspirationsluft über einen Beatmungsfilter geleitet, konnte der Anstieg in der Partikelzahl verhindert werden. Bei der Verwendung eines Doppelschlauchsystems mit einem Beatmungshelm traten je nach eingesetztem Modell keine oder nur geringe Leckagen am Hals des Patienten auf, sodass keine Aerosolbildung im Raum erfolgte (22). Somit sollten bei der nichtinvasiven Beatmung zur Vermeidung von Aerosolen unbedingt virenrückhaltende Beatmungsfilter eingesetzt werden, insbesondere bei der Verwendung von Einschlauchsystemen. Leckage-Masken (Vented-Masken) sollten hingegen nicht verwendet werden, da hier kein Filter zwischen Patient und Leckage eingesetzt werden kann (23).

Zu bedenken ist, dass nicht allein Maßnahmen zur Atmungsunterstützung zur Aerosolbildung beitragen: Beispielsweise konnte für Physiotherapie gezeigt werden, dass diese auch zur Erhöhung der Aerosolkonzentration um den Patienten herum führt. Auch Sprechen, Lachen und Husten habe eine relevante Erhöhung von Aerosolen zur Folge. Ein Mund-Nasen-Schutz des Patienten kann auch hier die Ausbreitung von größeren Tröpfchen reduzieren, die im Mund-Nasen-Schutz gebunden werden. So bleiben mutmaßlich nach Evaporation weniger Tröpfchenkerne zurück, die sonst in die Luft suspendiert werden würden.

Zwar kommt es durch AGMPs zu einem relevanten Anstieg einer Aerosolbildung, jedoch darf unserer Auffassung nach die Angst vor AGMPs nicht dazu führen, dass den Patienten eine gut etablierte und indizierte Therapie vorenthalten wird.

Schutzausrüstung essenziell

Allerdings müssen alle erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um das Risiko für das Personal auf ein Minimum zu reduzieren. Hierzu gehört insbesondere die Verwendung einer adäquaten persönlichen Schutzausrüstung, die mindestens aus einer Atemschutzmaske der Stufe FFP2 (oder höher), Kittel, Schutzbrille und Handschuhen bestehen sollte. Der Umgang damit sollte geübt werden, um etwa eine Kontamination beim Ablegen zu vermeiden.

Des Weiteren sollten Patienten mit respiratorischen Virusinfektionen vorzugsweise in Zimmern mit negativem Druck behandelt werden, sodass keine Aerosole in die Flurbereiche strömen können. Über eine RLT sollte die Luft pro Stunde zur Elimination suspendierter Tröpfchen 12-fach ausgetauscht werden. Sind keine RLT-Zimmer verfügbar, kann das regelmäßige Lüften des Zimmers durch geöffnete Fenster diskutiert werden, vor allem nach AGMPs. Wache Patienten sollten stets einen Mund-Nasen-Schutz tragen. Dieses gilt auch während einer Sauerstoffinsufflation oder High-Flow-Sauerstofftherapie. Unter strikter Einhaltung dieser Maßnahmen halten wir eine sichere Behandlung von Patienten mit respiratorischen Virusinfektionen wie COVID-19 für möglich.

Dieser Artikel unterliegt nicht dem Peer-Review.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.

Bei nichtinvasiver Beatmung gelangen mehr Atemluftpartikel und Erreger in die Umgebung als nach endotrachealer Intubation. Dies bedeutet eine erhöhte Ansteckungsgefahr für das Personal. Dennoch können auch COVID-19-Patienten sicher therapiert werden und von diesen Verfahren profitieren.

Bauchlage von Vorteil

Wache, nichtintubierte COVID-19-Patienten mit Pneumonie verbessern in Bauchlage ihre Sauerstoffsättigung. Dies ergab die erste systematische Studie zu dieser Frage, die italienische Ärzte jetzt in „Lancet Respiratory Medicine“ publiziert haben (25). Bei 56 Patienten im Alter von 18 bis 75 Jahren verbesserte sich in der veränderten Position der Oxygenierungsindex signifikant (PaO2/FiO2: 180.5 mmHg in aufrechter Position vs. 285,5 mmHg in Bauchlage; p = 0,0001).

Bisher gab es nur anekdotische Berichte über mögliche Vorteile für COVID-19-Patienten, die vor allem in sozialen Medien lanciert wurden. Die Bauchlage ermöglicht unter anderem deshalb eine bessere Sauerstoffversorgung, weil dorsale Lungenbezirke anatomisch über mehr Alveolareinheiten verfügen und nicht mehr vom Gewicht des Abdomen oder des Mediastinums komprimiert sind. Limitierungen der Studie liegen darin, dass die Daten aus einer einzigen Klinik stammen und bevorzugt CPAP (continuous positive airway pressure) verwendet wurde, hingegen keine High-Flow-Sauerstofftherapie.

Die Autoren betonen, dass sich der positive Effekt auf die Sauerstoffversorgung bei etwa der Hälfte der Patienten wieder verliert, wenn sie die Bauchlage aufgeben. Einfluss auf den Erfolg hat offenbar der Zeitpunkt: Je früher der Patient die Bauchlage einnimmt, desto eher bleibt die Verbesserung nach dem Lagewechsel erhalten. Da eine Bauchlage auch außerhalb der Intensivstation umsetzbar sei, könnten vermutlich am ehesten Patienten früh nach stationärer Aufnahme davon profitieren, vermuten die Ärzte.

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