Funktionelle Residualkapazität (FRC) – Verständlich …

Ein Beitrag von PD Dr. med. Jürgen Knapp, Bern, Schweiz: 

Sie müssen im Notarztdienst bei einem 11 Monate alten Säugling nach Verbrühung mit heißem Teewasser (ca. 15% der Körperoberfläche Verbrühungen 2. Grades) eine Analgosedierung machen. Die Anlage eines i.v.-Zugangs gelingt problemlos. Bei einem Körpergewicht von 10 kg applizieren Sie zügig 1 mg Midazolam und 10 mg S-Ketanest i.v. In der Hektik wird bei lauthals schreiendem Kind auf eine Präoxygenierung verzichtet. Wenige Sekunden später ertönt der Alarmton des Pulsoxymeters bei einer peripheren Sauerstoffsättigung von nur noch 70% mit rasch fallender Tendenz. Hastig wird eine Sauerstoffmaske ausgepackt und dem kleinen Patienten aufgesetzt sowie durch einen Esmarch-Handgriff versucht, das Kind zu stimulieren und die oberen Atemwege frei zu machen. Erfreulicherweise erholt sich die periphere Sauerstoffsättigung zügig auf 97%.


In der Aufarbeitung dieses Zwischenfalls machen Sie sich Gedanken um die Funktionelle Residualkapazität und deren Bedeutung in der Klinik.

  • Die funktionelle Residualkapazität (FRC) ist das Volumen an Luft, das am Ende eines normalen Ausatemvorgangs in der Lunge verbleibt
    • Lungenvolumina, die nicht weiter in kleinere Komponenten unterteilt werden können, werden als „Volumen“ bezeichnet. Volumina, die eine Kombination von mehreren Komponenten darstellen, werden als „Kapazität“ bezeichnet.
  • Die FRC ist abhängig von Alter, Geschlecht, Größe, Körpergewicht, Körperposition und (patho-)physiologischen Zuständen wie dem Vorliegen einer Schwangerschaft oder einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD)
  • Die FRC beträgt beim gesunden, normalgewichtigen Erwachsenen ca. 2,5-3,0 l

Abb.1: Übersicht zu den Lungenvolumina.
  • Die FRC ist die Summe von exspiratorischem Reservevolumen (Volumen, das durch eine forcierte Exspiration noch zusätzlich ausgeatmet werden kann) und Residualvolumen (Luftvolumen, das auch nach maximaler Anstrengung der Exspiration noch in der Lunge verbleibt).
  • Die weiteren Lungenvolumina sind folgendermaßen definiert:
    • Das Tidalvolumen entspricht dem normalen Atemzugvolumen in Ruhe.
    • Das inspiratorische Reservevolumen entspricht dem Volumen, das durch eine maximale Inspiration zusätzlich zum normalen Atemzugvolumen eingeatmet werden kann.
    • Die Vitalkapazität ist die Summe aus in- und exspiratorischem Reservevolumen und dem normalen Tidalvolumen.
    • Die totale Lungenkapazität ist das Luftvolumen, das sich nach maximaler Inspiration in den Lungen befindet. Es entspricht der Summe aus Vitalkapazität und Residualvolumen.
  • Ziel der „Präoxygenierung“ ist v.a. die Denitrogenisierung (Ersetzen des Stickstoffs durch Sauerstoff) der FRC und damit die Vergrößerung des „Sauerstoffreservoirs“ in der Lunge für die apnoeische Oxygenierung von 0,6 l (21%*3,0 l) auf 3,0 l (100%*3,0 l).
  • Wichtig in Notfallsituationen: in der liegenden Position nimmt beim anästhesierten, muskelrelaxierten Patienten ohne positive Druckbeatmung die FRC rasch auf 1 l ab! Auch unter positiver Druckbeatmung nimmt die FRC in Allgemeinanästhesie allein durch den Verlust des Muskeltonus und den nach kranial wirkenden intraabdominellen Druck um 15-20% ab.
  • Eng verbunden für das physiologische Verständnis der FRC ist der Begriff der Verschlusskapazität („closing capacity“). Klinisch entscheidend ist nämlich das Verhältnis von Verschlusskapazität und FRC:
    • Die Verschlusskapazität („closing capacity“) ist das Lungenvolumen, bei dem die kleinsten Bronchien durch den umgebenden Gewebedruck in der Exspiration verschlossen werden. Sie setzt sich aus dem Residualvolumen und dem Verschlussvolumen zusammen, das mit Beginn des Verschlusses der kleinsten Atemwege bis zum Ende der forcierten Exspiration noch ausgeatmet werden kann.
    • Ist die Verschlusskapazität größer als die FRC, sind Teile der Lunge schon vor Ende der Exspiration vom Gasaustausch ausgeschlossen. Während der Inspiration nehmen diese Teile der Lunge auch wieder erst mit Verzögerung am Gasaustausch teil. Damit ist der Gaswechsel in diesen Lungenarealen eingeschränkt, das Ventilations-Perfusions-Verhältnis ist eingeschränkt.
    • Beim gesunden jungen Erwachsenen liegt die Verschlusskapazität unterhalb der FRC und es kommt bei normalen Atemzügen nicht zum Verschluss der kleinen Atemwege.
    • Ab ca. 65 Jahren übersteigt die Verschlusskapazität auch in der stehenden Position das FRC, so dass es bei normaler Atmung zum Verschluss kommt.
    • In der liegenden Position erreicht beim Gesunden ab dem Alter von ca. 45 Jahren die Verschlusskapazität das FRC.
    • Dies ist der Grund für die Abnahme des paO2 mit dem Alter.

Problem bei adipösen Patienten und Schwangeren:

  • Steigerung des O2-Verbrauchs durch Steigerung der Atemarbeit durch die Einschränkung der Thorax-Compliance (Dehnbarkeit des Thorax, d.h. man benötigt für die gleiche Volumenveränderung eine stärkere Druckveränderung) und der Zwerchfellexkursion um das 2- bis 4-fache
    • Normwerte: 0,25 Joule pro Atemzug, 0,5 Joule/l, 2,5-4 Joule/min
    • Anmerkung: Wirkungsgrad der Atemarbeit damit nur 5-10%, im Vergleich zur normalen Muskelarbeit mit ca. 20% also ohnehin schon „ineffektiv“!
  • Reduktion der FRC durch die vom Abdomen her drückende Masse
  • Erreichen der Verschlusskapazität bereits während der normalen Atemzüge, dadurch Ventilations-Perfusions-Missverhältnis
  • Damit deutlich erhöhte Gefahr von hypoxischen Phasen im Rahmen der notfallmedizinischen Versorgung

Problem bei Säuglingen:

  • FRC wie beim Erwachsenen 30 ml/kg Körpergewicht
  • Aber: Alveoläre Ventilation beträgt 100-150 ml/kg/min (beim Erwachsenen dagegen 60 ml/kg/min)
  • das bedeutet Verhältnis „Alveoläre Ventilation : FRC“ = 5 : 1 (beim Erwachsenen dagegen 2 : 1), „das Sauerstoffreservoir hält also nicht so lange“
  • Außerdem beträgt der O2-Verbrauch: 6-7 ml/kg/min und damit etwa doppelt so viel wie beim Erwachsenen mit 3 ml/kg/min in körperlicher Ruhe.
  • Auch beim Säugling ist die Verschlusskapazität größer als die FRC.
  • Das alles führt beim Säugling zur deutlich erhöhten Gefahr von Hypoxien z.B. bei Analgosedierungen oder bei Narkoseeinleitung, wenn nicht frühzeitig die FRC mit Sauerstoff gefüllt und damit „denitrogenisiert“ wird.

Literatur

Laux G: Lungenphysiologie und Beatmung in Narkose. In: Die Anästhesiologie. Hrsg: Roissant, Werner, Zwißler. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York. 3. Auflage, 2012.


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