Mapleson was? Theorie der halboffenen Systeme.

VORBEMERKUNGEN

Im deutschen Ausbildungskanon kommt Gerätekunde und Anästhesiegeschichte sehr zu kurz. Ein lohnenswerter Ausblick wird im Anästhesiemuseum der Uni Bonn geboten, falls sich da mal jemand hin verirren möchte, für den Anästhesienerd lohnt sich die Reise sehr!

Nun, aber in internationalen Prüfungsgremien legt man Wert auf ein grundsätzliches Verständnis von Beatmungssystemen im weitesten Sinne und spätestens, wenn wir uns mit Hilfsorganisationen in Ländern geringeren medizinischen Standards bewegen, ist es sinnvoll zum behelfsmäßigen Bau von „Gerät“ ein wenig in den Analen der Anästhesie bewandert zu sein…

Wir erinnern uns kurz an die zunehmend oft auch eher akademische Einteilung der Beatmungssysteme

  • Nichtrückatmungssysteme – in Nichtrückatmungssystemen erfolgt die Abgabe der Ausatemluft an die Umgebung, Frischgas muss in hohem Fluß regelhaft zugeführt werden. Vorteile sind die einfache Steuerbarkeit des Atemgasgemisches und die technisch einfache Realisierbarkeit.
  • Rückatmungssysteme  – In Rückatmungssystemen erfolgt ein Recycling des Atemgasgemisches durch Beimischung von Frischgas und v.a. durch Elimination von CO2 via Absorber. Vorteile sind die teilautologe Befeuchtung und Wärmung der Atemluft, der geringere Verbrauch an Frischgas und Volatila und die geringere Arbeitsplatz- und Umweltbelastung.

Beide Systeme werden weiter unterteilt in:

  • Nichtrückatmungssysteme
    • offen
    • halboffen
  • Rückatmungssysteme
    • halbgeschlossen
    • geschlossen

Bei offenen Systemen kommt Frisch- und Narkosegas aus der Umwelt, das abgeatmete Gasgemisch geht wieder in die Umwelt. [Schimmelbuschmaske]

Bei halboffenen Systemen kommt das Inspirationsgas aus dem System, die Abatmung erfolgt in die Umwelt. Unser Artikel beschäftigt sich mit ebendiesen Systemen, denn alle Maplesonkreisläufe sind halboffene Systeme!

Bei geschlossenen und halbgeschlossenen Systemen erfolgt sowohl die Inspiration aus als auch die Expiration in das System. Das klassische Kreisteil, das wir gelegentlich noch an einer Sulla, die in einer Kammer ihr Dasein fristet sehen können, ist ein typisches und didaktisch gut verwendbares Beispiel für ein halbgeschlossenes System, wie die meisten gebräuchlichen Narkosesysteme. Während bei halbgeschlossenen Systemen Überschussgas über Ventile via Narkosegasabsaugung abgegeben werden kann, erfolgt bei geschlossenen Systemen keine Abgabe an Überschussgas  an die Umwelt. Hier wird lediglich der Sauerstoffbedarf des Patienten (und das absorbierte CO2) durch Frischgas ersetzt. Es ergibt sich also ein FGF von theoretisch 3-8 ml/kg/min…

Nun zurück zur Mapleson-Klassifikation nach Professor William Wesley Mapleson.

Der Originalartikel von 1954 und in Modifikationen 1975 beschäftigt sich mit den Aufbau und den Vor- und Nachteilen von halboffenen Beatmungssystemen. Hier werden 1954 zunächst die Typen A-E beschrieben, Wills fügte 1975 den Typ F hinzu.

Die 5 Komponenten eines halboffenen Beatmungsgerätes sind

  • Atemmaske (oder ggf. Tubus)
  • Frischgaszuleitung
  • Atemschlauch
  • ggf. Überdruckventil
  • ggf. Reservoirbeutel.

Je nach Sequenz des Aufbaus ergeben sich spezifische Vor- und Nachteile dieser Systeme, die sie je nach Situation (Spontanatmung (SV), Präoxygenation, kontrollierte Ventilation (CV)…) bieten. Typischerweise sind die Atemschläuche mit großem Lumen und als Faltenschläuche ausgeführt, was den Atemwiderstand gering hält und ein Abknicken verhindert. Das Überdruckventil lässt ein Abströmen von Gas ab einen bestimmten Druck zu und besteht aus Ventilklappe und einer einstellbaren Feder, die den Öffnungsdruck bestimmt. Bekanntester Vertreter dieses Federprinzips ist das Ambu©-Ventil am regulären Beatmungsbeutel.

Ein Reservoirbeutel dient als Frischluftreservoir, Druckausgleich und als Monitoring bei SV sowie als Steuereinheit der CV.

Alle Mapleson-Systeme sind flowabhängig, d.h. der Frischgasfluss bestimmt das Ausmaß des Rebreathing (Wiedereinatmen von Ausatemgas/ Gemisch) und damit die CO2-Elimination.

WICHTIGE REGEL: Bei halboffenen Systemen steht das APL in Spontanatmung offen, in kontrollierter Beatmung teilgeschlossen (zum Druckaufbau!).

TEIL 1 – MAPLESON A-C

Mapleson A-C weisen ein patientennahes APL-Ventil auf

Mapleson A (Magill-System), Lack-Kreislauf

MapA

Vom Patientenende aus gesehen besteht der Mapleson A aus folgender Sequenz…

  • Atemmaske
  • patientennahes APL-Ventil
  • 110 cm Faltenschlauch
  • distal seitlich Reservoirbeutel (Druck-, Atemkontrolle, Reservoir)
  • distaler Frischgaseinlas

Fügt man am APL einen expiratorischen Schlauch hinzu erhält man ein sog. Lack-System, dieses gibt es getrennt als Doppelschlauchsystem oder als koaxiale Schlauch-in-Schlauch-Version. Der Lackkreislauf erhöht aufgrund der zusätzlichen Flußwiderstände beträchtlich die Atemarbeit in SV.

SV – In Spontanatmung nimmt der Patient beim ersten Atemzug Frischgas auf, in der Expiration füllt das ausgeatmete Gas den Schlauch und ggf. das Reservoir. Das Reservoir wird von distal (zusätzlich) mit Frischgas gefüllt. Ist das Reservoir gefüllt wird bei offenem APL (SV!) Expirationsgas entlüftet. Nachströmendes Frischgas in der Atempause und Druck auf den Reservoirbeutel treiben weiteres Expirationsgas aus dem APL. Es erfolgt keine Verschiebung von Gas in den Patienten, da aufgrund der kurzen Distanzen zwischen Atemweg und APL das Druckgefälle mangels Wegstrecke im Schlauch sehr deutlich zum APL läuft („APL ohne Druck weil offen, Patient bietet Atemwegswiderstand“) Ein FGF etwa in Höhe des Atemminutenvolumens (AMV) genügt in Spontanatmung bei Mapleson A um Rebreathing zu vermeiden! Damit ist es das effektivste System für Spontanatmung!

CV – Bei kontrollierter Beatmung wird nun das APL teilgeschlossen. Im ersten Atemzug strömt Frischgas in den Patienten, mit der Expiration füllen sich Schlauch und Reservoir mit einem Gasgemisch von Frischgas und Expirationsgas. Bei Druckerhöhung wird nun Gasgemisch in CV teilweise via APL entlüftet, gelangt jedoch auch in den Patienten zurück. Hohe Gasflüsse verbessern das Gemisch und relativieren einen Teil des Rebreathings, dennoch bleibt Mapleson A in kontrollierter Beatmung ineffizient und es kommt zu erheblicher Rückatmung. Eine pCO2-Kontrolle ist mandatorisch!  Mapleson A ist ineffektiv für die kontrollierte Beatmung!

Mapleson B/ C

Mapleson B und C sind weitgehend identisch im Aufbau.

Die Sequenz bei Mapleson C besteht aus…

  • Atemmaske
  • patientennahes APL
  • Frischgaseinlass
  • distaler Reservoirbeutel.

MapC

Bei Mapleson B befindet sich zwischen Reservoir und Frischgas noch ein Faltenschlauch.

MAPB

Beide Systeme sind nicht gebräuchlich. In Expiration wie Inspiration kommt es zur Gasdurchmischung und Mischgasabgang via APL oder rebreathing. Rebreathing kann sowohl in SV als auch CV nur mit hohen Flußraten (2-3x AMV) verhindert werden. Sie sind damit unwirtschaftlich und bedingen eine hohe Arbeitsplatzbelastung. Auch gerade aufgrund des patientennahen APL („Expiration ins Gesicht des Anästhesisten“). Gelegentlich findet sich Mapleson C (auch Waters Kreislauf) als Notfallbeatmungsgerät oder im Aufwachraum aufgrund seiner Kompaktheit.

TEIL 2 – MAPLESON D-F

Mapleson D-F weisen ein patientennahes T-Stück mit seitlichem Frischgaseinlass auf.

Funktionell sind sie weitgehend identisch. Sie benötigen in SV etwa 2,5-3 mal das Atemminutenvolumen als Frischgasfluß, in CV etwa 1,5-2 mal.

Mapleson D

Die Sequenz ist…

  • Atemmaske
  • T-Stück mit Frischlufteinstrom
  • Faltenschlauch
  • APL am distalen Ende (reservoirnah)
  • geschlossener Reservoirbeutel am Ende. 

MapD

SV: APL komplett offen, in Inspiration atmet der Patient reine Frischluft, in der Expiration kommt es zur Durchmischung von Ausatemluft und Frischgas, dieses Gemisch füllt den Reservoirbeutel und den Schlauch, bis es über das APL abfließt. In der Atempause füllt sich der Schlauch von proximal wieder mit Frischgas. Mit hohen Frischluftraten oder längeren Atempausen tritt kein Rebreathing auf, weil Frischgas nachströmen kann. Das Gemisch ist also abhängig von Atemfrequenz, Atempause, Tidalvolumen und Frischgasfluß.

CV: APL teilgeschlossen, die erste Inspiration erfolgt über manuellen Druck auf den Reservoirbeutel bei reiner Frischgasfüllung. In der Expiration kommt es zu einer Gasdurchmischung im Schlauch, in der Atempause drängt Frischgas von proximal den Mix Richtung Reservoir. Bei Druck auf das Reservoir wird flowabhängig nachgeströmtes Frischgas in den Patienten gedrückt, das Gasgemisch drängt druckabhängig aus dem APL. Ist der Frischgasflow zu gering, kommt es zum Einatmen von Gasgemisch, also Rebreathing. Mit ausreichend hohen Frischgasflüssen und ausreichenden Atempausen, die ein Nachströmen von Frischgas erlauben wird dies verhindert.

Als koaxiale Version heisst das ganze Bain-System.

Mapleson E, Ayre T-Stück

Der funktionell einfachste Mapleson-Kreislauf ist eine Modifikation des Ayre T-Stücks (n. Phillip Ayre), dessen Name in Deutschland so kaum bekannt ist. Dabei handelt es sich letztlich um eine etwa 5 cm lange, 1 cm durchmessende Röhre mit einem seitlichen Frischgaszufluß in der Mitte, zum Patienten hin befindet sich die Atemmaske.

Ayre

Die Inspiration erfolgt durch Schließen des distalen Endes mit dem Finger. Die Espiration erfolgt durch Öffnen des distalen Endes passiv. Es kommt hier nicht zu einer Rückatmung, da die Abatmung direkt in die Atmosphäre erfolgt. Problematisch ist jedoch die Gefahr eines Barotraumas, da weder ein Überdruckventil eingebaut ist, noch ein Reservoirbeutel zur manuellen Druckkontrolle hinsichtlich Frischgasfluß zur Verfügung steht.

Zum Mapleson E wird das T-Stück durch einen kurzen Faltenschlauch am distalen Ende der Röhre. Es letztlich dient als Frischluftreservoir.

MapE

Unter SV atmet der Patient via distalem Ende und Faltenschlauch aus, der hohe Frischgasfluss (2,5-3 x AMV) drängt Ausatemgas aus dem Schlauch, so dass in der Inspiration nur Frischgas eingeatmet wird. Auch hier ist das Mass der Durchmischung flowabhängig.

Unter CV (FGF 1,5-2x AMV) erfolgt die Inspiration durch Verschluß des distalen Endes, Frischgas strömt in die Lungen. Die Expiration führt zur Durchmischung im Schlauchsystem, der Grad an Rebreathing hängt erneut von Atempause und Frischgasfluss ab.

Aufgrund des sehr geringen Totraumes und einfachstem Aufbau war dieses Gerät MdW in der pädiatrischen Anästhesie, bevor es vom Mapleson F (wegen möglicher Druckkontrolle) abgelöst wurde. Der Einsatzbereich lag bei Kindern bis 5 Jahre oder 20 kg.

Mapleson F auch Jackson-Rees-Modifikation

MapF

Setzt man ans Ende des Faltenschlauches des Mapleson E einen nach distal offenen Reservoirbeutel, so erhält man Mapleson F. Distal offen heißt, der Reservoirbeutel hat ein Loch, das man verschließen kann, um Druck aufzubauen. Zusätzlich zum durch den Frischgasfluß aufgebauten Druck kann über den Beutel beatmet werden. Das Beatmungsprinzipo entspricht im wesentlichen dem von Mapleson D und E, nur erlaubt der Reservoirbeutel eine manuelle Kontrolle des eingegebenen Drucks.

Dennoch sind F und E ineffizient und unwirtschaftlich, ihr Einsatzbereich beschränkt sich auf pädiatrische Patienten bis 5 Jahre oder 20 kg aufgrund des geringen Totraumes und Atemwiderstandes.

Zusätzlich finden Systeme von D-F Verwendung in der Thoraxchirurgie, wo via Flow oder APL Sauerstoff mit geringem Atemwegsdruck auf die nicht ventilierte Lunge der Einlungenventilation gegeben werden kann, falls die Oxygenation via abhängiger Lunge nicht ausreichend ist. Hier erleichtern APL (D) und offenes distales Ende die Einstellung niedriger Drücke via geringem Flow.

ZUSAMMENFASSUNG

Halboffener Systeme sind billig, transportabel und leicht zu desinfizieren im Vergleich zu halbgeschlossenen Narkosesystemen, sie haben in der Regel niedrige Atemwiderstände. Da ihnen der Absorber fehlt, kommt es nicht zur Entstehung toxischer Abbauprodukte von Volatila (Compound A…). Akkumulation von Kohlenmonoxid ist nicht möglich.

Leider benötigen sie hohe Gasflüsse, mit Volatila kommt es zu starker Arbeitsplatzbelastung. Optimale Gasflüsse sind schwer zu bestimmen, es besteht das Risiko von Rebreathing und Barotrauma. Hohe Gasflüsse bedingen Austrocknung von Schleimhäuten und Temperaturverlust. APL patientennah erschweren die Atemgasabsaugung (A-C).

Mapleson A ist das effektivste System in der Spontanatmung, ein Flow gleich dem AMV verhindert bereits Rebreathing.

Mapleson A ist das ineffektivste System für die kontrollierte Beatmung mit fortgesetzter Rückatmung.

Mapleson D als Bain-System (koaxial) ist das effektivste System in der kontrollierten Beatmung.

Mapleson B und C sind obsolet.

Mapleson D – F brauchen hohe Flußraten in SV und CV um Rebreathing zu verhindern. In der CV sind sie Mapleson A überlegen, in der SV folgen sie in der Effektivität.

Und wenn ihr euch was merkt, merkt euch:

Mapleson: spontan = APL auf / kontrolliert = APL halb zu

Um ehrlich, sind wir froh, dass wir sie so selten brauchen… es lebe Dr. Dräger*

[* unser mechanischer Freund, der (halb)geschlossene mit Ventilen und In/Ex-Schenkel, Absorber und so… keene Werbung 😉 ]

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