Hypoxie im Flugzeug – flugphysiologische Betrachtungen

Zusammenfassung
Der menschliche Organismus ist dem Leben auf der Erde angepasst. Sobald er sich oberhalb der Meereshöhe befindet, müssen Kompensationsmechanismen vorhanden sein, um die Organfunktionen aufrechtzuerhalten. In vielen Fällen ermöglicht erst eine umfangreiche und hochentwickelte Technik dem Menschen einen Aufenthalt in „extremer Umwelt“. So gestattet die Erzeugung einer künstlichen Atmosphäre in einem Flugzeug mit einer Druckkabine den Verbleib in größten Höhen. Allerdings können bei einem technischen Versagen die für Hilfsmaßnahmen noch nutzbaren Zeitintervalle äußerst kurz sein. Durch Ausbildung und ein regelmäßiges flugphysiologisches Training kann die Flugzeugbesatzung geschult werden, persönliche Warnsymptome einer Hypoxie früh und sicher zu erkennen. Rechtzeitiges und in jeder Flugsituation richtiges Handeln stellt einen wichtigen Beitrag zur Flugsicherheit dar.

Schlüsselwörter: Flugreise, Hypoxie, Höhenphysiologie, Kompensationsmechanismen, Dekompression, technisches Versagen

Summary
The physiology of flight hypoxia
The human organism is well adapted for life on earth but as soon as we leave sea-level, compensatory mechanisms are needed in order to maintain the functioning of vital organs. In many situations only sophisticated technology allows humans to stay safely in “extreme environments". For example, maintaining an artificial atmosphere in the pressurized cabin of an airplane allows staying in highest altitudes. But where the technology which delivers adequate oxygen fails, the time spans for efficient rescue can be extremely short. Education and training in aviation physiology enables aircraft crews to recognize their personal hypoxia symptoms at an early stage. To be able to act in time and correct at any moment of a flight is an important issue in flight safety.

Key words: air travel, flight hypoxia, altitude physiology, compensatory mechanisms, decompression, technological failure


Am Mittag des 14. August 2005 stürzte ein Passagierflugzeug vom Typ Boeing B 737-300 einer zyprischen Fluggesellschaft in der Bergregion um Grammatikos nahe Athen ab (1). Alle Fluggäste sowie die Besatzung, insgesamt 121 Menschen, starben. Bald darauf wurde mitgeteilt, dass die Besatzungen zweier griechischer Kampfflugzeuge, die nach dem Verlust des Funkkontaktes sicherheitshalber aufgestiegen waren, zumindest einen der Piloten zusammengesunken und mit einer Atemmaske vor dem Gesicht im Cockpit der Boeing erkennen konnten. Spekulationen über einen Ausfall der bordeigenen Klimaanlage, ein Versagen der Sauerstoffversor-gung oder der Druckanlage wurden geäußert. Nach Bergung des Flugdatenschreibers („flight data recorder“) und des Stimmenaufzeichnungsgerätes („voice recorder“) wurden in den darauf folgenden Wochen im Rahmen der Flugunfallermittlung in der Zusammenschau mit Funk- und Radarkontakten zu Flugbewegungen sowie weiteren Hintergrundinformationen die möglichen Absturzursachen eruiert und objektiviert.
Ein ähnlich spektakulärer Fall ereignete sich am 25. Oktober 1999, als ein Privatflugzeug vom Typ Learjet-35 auf dem Weg von Orlando (Florida) nach Dallas (Texas) den geplanten Flugweg verließ. Mehr als vier Stunden wurde das Flugzeug in einer Flughöhe von 37 000 ft (ft, „feet“; circa 12 200 m) vom Autopiloten gesteuert, bis es aufgrund von Treibstoffmangel nahe Mina (South Dakota) abstürzte (2). Auch hier berichtete die aufgestiegene militärische Eskorte von Bewusstlosen im Flugzeug. Damals kamen sechs Personen ums Leben.
In der Literatur wird von Einzelfällen zur Thematik von erlebter Hypoxie während des Fluges berichtet (3); systematische Auswertungen umfassen zumeist Vorkommnisse in Militärflugzeugen (4, 5).
Extreme Umwelten
Sobald ein Mensch seine gewohnten Lebensbedingungen verlässt und sich in die so genannten „extremen Umwelten“ begibt – beispielsweise beim Fliegen, Tauchen, Extrembergsteigen, bei Polar- und Wüstenexpeditionen – erfordern die dort herrschenden Umgebungsfaktoren seine Anpassungsfähigkeit in verschiedener Hinsicht.
Höhenveränderungen
Der Aufstieg in die Höhe – sei es mit der Kabinenbahn zum Gletscherskifahren, zu Fuß während einer längeren Bergtour oder aber mit dem Ballon, dem Hubschrauber oder dem Flugzeug – bringt den Menschen in kurzer Zeit in eine Umwelt, deren Bedingungen er in der Regel nicht gewohnt ist. Wenngleich die Zusammensetzung der Umgebungsluft bis in einer Höhe von etwa 60 km konstant bleibt, sind hinsichtlich der höhenbedingten Eigenschaften der Atmosphäre (6) die Gesamtdruckveränderung und Reduzierung der Umgebungstemperatur zu beachten (Tabelle 1).
Flugreisen
Die Routen der meisten Passagierflugzeuge liegen in Flughöhen zwischen 22 000 ft und 44 000 ft (circa 6 500 m und 13 500 m). Aufgrund der hier herrschenden Bedingungen muss der Mensch sich eine künstliche Atmosphäre „mitnehmen“. Jedoch stellen erhöhte Kabinendrücke eine Belastung für die Struktur des Flugzeuges dar. Hier gilt es, einen Kompromiss zwischen physiologischen Notwendigkeiten und technisch-ökonomischen Forderungen zu finden. Die klimatisierte (Druck)-Kabine moderner Airliner befindet sich auf einer Druckhöhe von circa 6 000 ft bis 8 000 ft (circa 1 800 m bis 2 400 m). Hierzu muss Außenluft von den Triebwerken angesaugt, verdichtet, erwärmt und über die Druckanlage in den Rumpf hineingepresst werden (7).
Die treibende Kraft für den Diffusionsprozess eines Gases stellt dessen Partialdruck dar. Physiologisch bedeutsam wird dies beim Gasaustausch in der Lunge, in der die O2-Diffusion von der Alveole zum Erythrozyten erfolgt, beziehungsweise in der Peripherie – hier diffundiert der Sauerstoff vom Erythrozyten zum Gewebe. Um eine ausreichende Versorgung der menschlichen Gewebe mit Sauerstoff zu gewährleisten, muss ein entsprechend hoher Sauerstoffpartialdruck (PO2) gegeben sein.
Bei einem relativen O2-Anteil von 20,9 Prozent in Meereshöhe beträgt der PO2 in der Außenluft 213 hPa (160 mm Hg), im arteriellen Blut (PaO2, arterieller Sauerstoffpartialdruck) 130 hPa (98 mm Hg) und fällt unter 7 hPa (5 mm Hg) intrazellulär. In 8 000 ft Druckhöhe beträgt der Gesamtluftdruck in der Kabine 751 hPa (565 mm Hg), der PO2 wird zwischen 170 hPa (128 mm Hg) und 158 hPa (119 mm Hg) aufrechterhalten. Dies entspricht in etwa einem normobaren Gasgemisch aus 85 Prozent Stickstoff (N2) und 15 Prozent Sauerstoff (O2), wie es auch in einem „hypoxia altitude simulation test“ (HAST) eingesetzt wird. Hierunter sollte eine periphere Sauerstoffsättigung (pSaO2) von mehr als 90 Prozent beziehungsweise ein PaO2 von mindestens 73 hPa (55 mm Hg) erreicht werden können. Die Versorgung der Organe mit Sauerstoff und der entscheidende Sauerstoffgehalt (CaO2) werden zudem vom Hämoglobingehalt des Blutes bestimmt (8).
Generell sind somit Flugreisen auch für Patienten mit beispielsweise leichtgradiger respiratorischer Insuffizienz möglich, wenngleich Komorbiditäten
– wie etwa eine Anämie, Herzinsuffizienz, koronar- und zerebrovaskuläre Prozesse – berücksichtigt werden müssen. Zudem sollten flugbedingte Faktoren wie beispielsweise eine eingeengte Sitzposition, Bewegungsmangel, eine relative Feuchte der Kabinenluft von 10 bis 20 Prozent und eine zirkadiane Desynchronisation infolge eines Jetlag, hinsichtlich der Flugreisetauglichkeit – gegebenenfalls nach Durchführung eines HAST – beachtet werden (4, 9, 10).
Dekompression
Im Fall eines Druckverlustes, zum Beispiel durch eine Beschädigung des Flugzeugrumpfes, das Bersten eines Fensters, Undichtigkeit oder gar Öffnung einer Tür, kommt es – je nach Größe des Lecks – zu einem mehr oder weniger schnellen Druckausgleich mit der Umgebung (Dekompression). Das heißt, der Kabineninnendruck fällt auf den Atmosphärenaußendruck ab, ebenso verringert sich die Temperatur.
Automatische drucksensitive Systeme geben in der Regel die Sauerstoffmasken für die Passagiere frei, die dann aus ihren Halterungen „von der Decke fallen“. Der Sauerstoffvorrat ist so bemessen, dass er allen Passagieren eine Nutzung von mehr als 30 Minuten ermöglicht. Dann wird in einem nur wenige Minuten dauernden Notsinkflug eine Flughöhe unterhalb von 10 000 ft (circa 3 300 m) angestrebt. Hier steht mit 146 hPa (110 mm Hg) wieder ein kompensatorisch ausreichender PO2 in der Außenluft zur Verfügung, sodass die zusätzliche Sauerstoffversorgung entfallen kann. Die Piloten im Cockpit sind ebenfalls, wenngleich über ein separates System, mit einer Notsauerstoffanlage verbunden. Im Gegensatz zu den automatisch herausfallenden Masken der Passagiere müssen die der Piloten den entsprechenden Aufbewahrungsbehältnissen entnommen werden.
Selbstrettungszeit
Eine anhaltende Mangelversorgung des Organismus mit Sauerstoff führt – bevor Bewusstlosigkeit eintritt – zu einem wachen Stadium, in dem keine willentliche Tätigkeitsausübung mehr möglich ist (Grafik 1). Bis dahin umfasst dieser Verlauf unter Ruhebedingungen die Zeitspanne der aktiven Handlungsfähigkeit („time of useful consciousness“, TUC).
Die während einer aktiven Beschäftigung – zum Beispiel als Pilot im Cockpit – verstreichende Zeitspanne vom Beginn der in der Regel dann noch unbemerkten Hypoxie bis zur individuellen Handlungsunfähigkeit definiert die real nutzbare Selbstrettungszeit („effective performance time“, EPT) (11, 12). Sie nimmt mit zunehmender Flughöhe dramatisch ab und liegt beispielsweise in 35 000 ft (circa 10 700 m) nur bei knapp einer Minute (Tabelle 2). Die EPT ist kürzer als die TUC, weil infolge der erhöhten Aktivität der Sauerstoffverbrauch größer ist als in Ruhe. Hierbei können ungünstige individuelle Konstellationen, wie beispielsweise kein Ausdauersport oder Nikotinabusus, und technische Bedingungen, etwa die Schnelligkeit des Kabinendruckverlusts, diese Zeit zudem weiter deutlich verkürzen.
Da die TUC beziehungsweise EPT eine Gesamtzeitspanne beschreibt, ist die noch nutzbare Zeit vom Bemerken der Hypoxie an bis zur Handlungsunfähigkeit für den Einzelnen nicht zuverlässig abzuschätzen. Die Erfahrung des Piloten und seine situative Aufmerksamkeit („situational awareness“) spielen eine entscheidende Rolle (13). Sowohl die Funktionseinschränkung des hypoxischen Gewebes als auch die mögliche euphorisierende Wirkung des Sauerstoffmangels können das Gehirn beeinflussen. Wird der vorherrschende Sauerstoffmangel als solcher nicht erkannt, zu spät bemerkt, falsch eingestuft oder wird nicht sofort sinnvoll gehandelt, ist unweigerlich mit der Handlungsunfähigkeit und dem Ausfall in der Funktion, zum Beispiel als Pilot, zu rechnen.
Lediglich eine Fremdrettung (zum Beispiel durch den Co-Piloten) wäre dann die einzig mögliche „Hilfe in letzter Sekunde“.
Hypoxie
Das Abfallen des Kabinendrucks stellt nicht die einzig mögliche Ursache für eine Sauerstoffminderversorgung in einem Flugzeug dar. Ebenso kommen unter anderem Verunreinigungen der komprimierten Luft – zum Beispiel im Verdichtungsprozess –, Defekte in den Austauscher- und Regenerationssystemen – etwa in der Klimatisierung oder im Absorber – und Kabelschwelbrände mit Freisetzung toxischer Substanzen in Betracht (7). Eine stets zu bedenkende Möglichkeit ist der – trotz aller Redundanzsysteme – unbemerkte Ausfall der technischen Kontrolleinrichtungen. Dann liegt es beim Menschen, seine Wahrnehmungen und Symptome richtig zu deuten sowie schnell und folgerichtig zu handeln (Tabelle 3).
Flugphysiologisches Training
Die Ausbildungsprogramme der Fluggesellschaften beinhalten Schulungen, in denen die Maßnahmen bei einem (simulierten) Kabinendruckverlust besprochen und geübt werden. Den meisten Flugbegleitern und Piloten dürften jedoch ihre individuellen Sauerstoffmangelsymptome nicht bekannt sein.
Ein solches kosten- und zeitintensives Training bieten in der Regel nur die militärischen fliegerischen Dienste an (2, 3). Das gesamte fliegende Personal der Deutschen Bundeswehr wird in regelmäßigen Abständen einer solchen flugphysiologischen Schulung unterzogen. Diese findet in der Abteilung Flugphysiologie des Flugmedizinischen Instituts der Luftwaffe in Königsbrück nahe Dresden statt (Abbildung).
In Gruppen-Briefings werden die theoretischen Aspekte von Höhe und Hypoxie dargestellt. Die praktische Ausbildung umfasst für jeden Lehrgangsteilnehmer die Absolvierung eines so genannten „Höhen-Zeit-Profils“ in einer die Höhe simulierenden Unterdruckkammer (Grafik 2).
In verschiedenen Kabinendruckhöhen erfahren die Piloten und Bordbesatzungen aller Flugzeugmuster, sowie die Flugbegleiter der BMVg-Flugbereitschaft (BMVg, Bundesministerium der Verteidigung), alle Fliegerärzte und das medizinische Fachpersonal für den Lufttransport von Verletzten (AirMedEvac, „air medical evacuation“) ihre individuellen Symptome und Wahrnehmungen bei einer unzureichenden Sauerstoffversorgung. Außerdem erlernen sie schnelles und zielgerichtetes Handeln zur bestmöglichen Nutzung ihrer TUC beziehungsweise EPT.
Bereits mehrfach wurde berichtet, dass durch ein Wiedererkennen der selbst erfahrenen Symptome die Situation „Sauerstoffmangelversorgung/Hypoxie“ schneller erfasst wurde, als dies eventuell nach Abarbeiten einer Checkliste möglich gewesen wäre – und somit vielleicht ein Flugunfall verhindert werden konnte. Für den Bereich der Deutschen Luftwaffe ist kein Fall eines tödlichen Flugzeugabsturzes in den letzten 25 Jahren infolge von hypoxischer Einwirkung bekannt. Ebenso sind den zugänglichen Berichten der Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung (BFU) zwischen 1981 und 2004 keine rein hypoxiebedingten Unfälle oder Störungen zu entnehmen. Demgegenüber waren Kohlenmonoxidvergiftungen (Bericht BFU Az 3X007-0/96) schon als ursächlich aufgeführt.
Ausblick
In Zukunft werden die genannten Aspekte zunehmend relevant für die Flug- und Reisemedizin und somit für die hausärztliche Patientenberatung sein.
Der Anteil flugreisewilliger Passagiere mit eingeschränkter Sauerstofforganversorgung (Übersicht der Ursachen in [8]) wird aus demographischen Gründen zunehmen.
Attraktive Zielflughäfen liegen bereits in mittleren bis großen Höhen: Der Flughafen „El Alto“ in La Paz, Bolivien, liegt 14 000 ft (circa 4 100 m) über dem Meeresspiegel. Diese Höhenlage kann die bereits während der Anreise bestehende milde Hypoxiesituation nicht kompensieren, sondern verstärkt sie.
„Super capacity airplanes“, wie der Airbus A380, werden mehr als 550 Passagiere in Reiseflughöhen über 43 000 ft (circa 13 100 m) befördern; gleichzeitig birgt jedes zusätzliche Fenster und jede weitere Tür in einer Flugzeughülle ein gewisses Risiko für eine Leckage.
Eine denkbar mögliche Luftbetankung auch für Passagierflugzeuge wird die heute bereits erzielten Non-stop-Distanzen von mehr als 20 100 km (Flug einer Boeing 777 von Hongkong nach London am 10. 11. 2005) und damit die Flugzeiten weiter ausdehnen.
Fazit
In der militärischen Fliegerei ist es für den Kampfpiloten erforderlich, auch nach einer (Fremd-)Beschädigung des Flugzeuges noch handlungsfähig zu sein. Aufbauend auf Erfahrungen in diesem Bereich könnte der Ausbildungsstand in der zivilen Luftfahrt durch eine Vermittlung von „aktiver“ Flugphysiologie in entsprechenden Trainings- und Simulationseinrichtungen weiter erhöht werden. Trotz dieser personal- und kostenintensiven Maßnahmen sollte für Ärzte das Leitmotto der Flugmedizin gelten: volanti subvenimus – wir unterstützen die Fliegenden.

Manuskript eingereicht: 25. 8. 2005; revidierte Version angenommen: 13. 10. 2005
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2006; 103(13): A 851–5


Anschrift für die Verfasser:
Dipl.-Sportl. Dr. med. Rainer Kowoll
Institut für Physiologie
Charité – Universitätsmedizin Berlin
Campus Benjamin Franklin
Zentrum für Weltraummedizin Berlin (ZWMB)
Arnimallee 22
14195 Berlin-Dahlem
E-Mail: [e-mail]

Literatur

1. FAZ.NET: Griechenland – Keine Überlebenden nach Flugzeugabsturz (online-Ausgabe vom 14. 8. 2005) (www.faz.net)

2. Jaeger U: Ein fliegender Sarg. Der Spiegel 1999; 53: 176–8.

3. Rice GM, Halenkamp TW, Porter HR: You’re the flight surgeon. Aviat Space Environ Med 2000; 71: 962–3.

4. Cable GG: In-flight hypoxia incidents in military aircraft: causes and implications for training. Aviat Space Environ Med 2003; 74: 169–72.

5. Files DS, Webb JT, Pilmanis AA: Depressurization in military aircraft: rates, rapidity, and health effects for 1055 incidents. Aviat Space Environ Med 2005; 76: 523–9.

6. DeHart RL: The athmosphere. In: DeHart RL, ed.: Fundamentals of aerospace medicine. Baltimore: Lippincott Williams & Wilkins 1996: 59–67.

7. Macmillan AJF: The pressure cabin. In: Ernsting J, Nicholson AN, Rainford DJ, eds.: Aviation medicine. Oxford: Butterworth-Heinemann 1999: 112–27.

8. Köhler D: CaO2-Wert zur Beurteilung der Sauerstoff-Organversorgung. Dtsch Arztebl 2005; 102 (28–29): A 2026–30.

9. Aerospace Medical Association/Medical Guidelines Task Force: Medical guidelines for airline travel. Aviat Space Environ Med 2003; 74 (Section II Supplement).

10. Coker RK, Partridge MR: Assessing the risk of hypoxia in flight: the need for more rational guidelines. Eur Respir J 2000; 15: 128–30.

11. Campbell RD, Bagshaw M: Human performance and limitations in aviation. Oxford: Blackwell Science 2002: 15–28.

12. Wirth D, Rumberger E: Ausgewählte physiologische Grundlagen der Flugmedizin. In: Draeger J, Kriebel J, Hrsg.: Praktische Flugmedizin. Landberg/Lech: ecomed 2002: 45–56.

13. Yoneda I, Tomoda M, Tokumaru O, Sato T, Watanabe Y: Time of useful consciousness determination in aircrew members with reference to prior altitude chamber experience and age. Aviat Space Environ Med 2000; 71: 72–6.

14. al-Wedyan IA, Shahin BH, Abu Ghosh HM, al-Aqqad SS, al-Qura’an MS: Physiological training in Jordan. Aviat Space Environ Med 1996; 67: 882–4.

15. Harding RM, Gradwell DP: The Earth’s atmosphere. In: Ernsting J, Nicholson AN, Rainford DJ, eds.: Aviation medicine. Oxford: Butterworth-Heinemann 1999: 3–9.