CO2-Überwachung bei Patienten mit gestörtem Ventilations-Perfusions-Verhältnis

CO2-Überwachung bei Patienten mit gestörtem Ventilations-Perfusions-Verhältnis Chelsea Lee, BSN, RNC-NIC Bradley Sexauer, MBA, RRT-NPS Margie White, BS, RRT-NPS

Dieses Whitepaper untersucht, wie ein gestörtes Ventilations-PerfusionsVerhältnis (V/Q-Verhältnis) zu ungenauen endtidalen CO2 (etCO2)-Messwerten führen kann, warum arterielle Blutgasanalysen für viele Patienten keine ideale Lösung darstellen und wie transkutane CO2 (tcPCO2)-Messungen eine in Erwägung zu ziehende Alternative bieten können.

Ventilation und Oxygenierung sind separat, aber gleichermassen wichtig Die Überwachung der Oxygenierung (insbesondere der Sauerstoffsättigung (SpO2) anhand von Pulsoximetrie) ist eine der in Krankenhäusern, Arztpraxen und Ambulanzen am häufigsten eingesetzten Technologien und nun auch in Apotheken erhältlich; SpO2-Werte treten sogar als Parameter auf manchen Wearables wie Smartwatches in Erscheinung. Ärzten ist zwar sehr wohl bewusst, dass Oxygenierung und Ventilation separate, aber gleichermassen wichtige Funktionen des Atemsystems darstellen. Die Messung und Überwachung der Ventilation anhand kontinuierlicher CO2Werte ist aber nicht immer der Versorgungsstandard – obwohl die Folgen einer eingeschränkten Ventilation für den Patienten ebenso schädlich wie die einer eingeschränkten Oxygenierung sein können. Zur Lösung dieses Problems müssen einige Grundprinzipien genauer unter die Lupe genommen werden.

Was sind die Unterschiede zwischen Oxygenierung und Ventilation? Welche Bedeutung hat die ebenso engmaschige Überwachung von Patienten im Hinblick auf das Kohlendioxid, wie es für den Sauerstoff schon der Fall ist?

Inwiefern behindert ein gestörtes V/Q-Verhältnis den Gasaustausch? Und welche Auswirkungen hat ein gestörtes V/Q-Verhältnis auf verschiedene Überwachungstechnologien?

Oxygenierung ist nicht mit Ventilation gleichzusetzen Als Grundlage zunächst einige geläufige Definitionen: „Oxygenierung bezeichnet den Prozess der passiven Diffusion von Sauerstoff von der Alveole in die Lungenkapillaren, wo er am Hämoglobin an das Erythrozyt bindet oder im Plasma gelöst wird.“1 Dies wird mit dem SpO2-Wert anhand von Pulsoximetrie oder als Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut (PaO2) anhand von Blutgasanalysen (BGA) gemessen.

Als Ventilation bezeichnet man den Abtransport von Kohlendioxid aus dem Körper. Dabei diffundiert CO2 vom Blut in die Lunge und wird mit dem Ausatmen aus dem Körper ausgeschieden. Die Effizienz der Ventilation kann über die Messung der CO2-Werte im Blut (PaCO2) überwacht werden.

W ENN DA S Z IE L NIC HTINVASIVER ATEMÜBERWACH UN G E I N E BESSER E KENNTN I S D E S RESPIRATOR I SCH E N STAT US DES PATIENTEN IST, MÜSSE N Ä RZTE ÜBER SOWO H L OX YGENIERUNG ( SPO 2 ) ALS AUCH VENTI LATI O N ( I N FO RM VON CO 2 -MESSUN G E N ) INFORMI ERT SEI N .

Patienten können ausreichend oxygeniert, aber nicht ausreichend ventiliert sein (und umgekehrt). Studien haben gezeigt, dass der SpO2-Wert nicht ausreichend für eine Aufdeckung alveolärer Hypoventilation (unzureichende Ventilation, die einen erhöhten Kohlendioxidpartialdruck nach sich zieht) bei Patienten mit neuromuskulären Störungen2 oder von Hyperkapnie bei Patienten unter nichtinvasiver Beatmung3 ist.

Wenn das Ziel nichtinvasiver Atemüberwachung eine bessere Kenntnis des respiratorischen Status des Patienten ist, müssen Ärzte über sowohl Oxygenierung (SpO2) als auch Ventilation (in Form von CO2-Messungen) informiert sein.

Eine primäre Methode zur CO2-Messung in der grossen Mehrzahl der Versorgungssituationen ist die Kapnographie, die auch als endtidaler CO2 (etCO2)-Wert bezeichnet wird. Hierbei werden die CO2-Werte beim Ausatmen zur Abschätzung des ungefähren arteriellen CO2 (PaCO2)Werts gemessen. Bei Patienten mit gesunder Lunge gilt der etCO2-Wert allgemein als ausreichend; er ist der Versorgungsstandard im OP und kann auf der Intensivstation eine hilfreiche Zusatzmessung darstellen. Patienten mit eingeschränkter Lungenfunktion können jedoch eine Herausforderung darstellen – insbesondere Patienten mit Erkrankungen, die das Ventilations-/ Perfusions-Verhältnis (V/Q-Verhältnis) stören.

1

Grundlagen des pulmonalen Gasaustauschs Um eine Störung des V/Q-Verhältnisses besser zu verstehen, muss zunächst der pulmonale Gasaustausch betrachtet und verstanden werden. In seiner Veröffentlichung im European Respiratory Journal von 2015, „The physiological basis of pulmonary gas exchange: implications for clinical interpretation of arterial blood gases“, erklärt Peter D. Wagner, dass der pulmonale Gasaustausch ein kontinuierlicher Prozess ist, der 1. Ventilation, 2. Diffusion und 3. Perfusion umfasst.4

O 2 | CO 2 VENTILA TIO N DIF F USIO N EX

H

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P ERF USIO N

A

H

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A

TIO

LA

TIO

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N

Während dieses Prozesses wird Luft eingeatmet (Ventilation), der Sauerstoff durch die Alveolen ins Blut abgegeben (Diffusion) und sauerstoffreiches Blut im Körper verteilt (Perfusion). O2 diffundiert in das Gewebe5 und CO2 vom Gewebe in den Blutkreislauf. Dann wird das CO2-reiche Blut zurück in die Lungenkapillaren transportiert (Perfusion), um durch die Alveolen (Diffusion) in die Lungen abgegeben und dann ausgeatmet zu werden (Ventilation). Die Einatmung (Ventilation) erfolgt und der Prozess beginnt erneut.6

2

Folgen eines gestörten V/Q-Verhältnisses für den Gasaustausch

Normaler Gasaustausch

Ein gestörtes V/Q-Verhältnis tritt auf, wenn der Gasaustausch entweder in der Phase der Ventilation (V) oder Perfusion (Q) behindert wird, was den Gasaustausch auf alveolärer Ebene grundlegend einschränkt.

Anders gesagt: Ein gestörtes V/Q-Verhältnis ist das Ergebnis entweder eines reduzierten Blutstroms oder Atemstroms (oder einer Kombination von beiden) zu den Alveolen, was zu einem ineffektiven Gasaustausch führt.

Gestörtes V/Q-Verhältnis durch eingeschränkte Ventilation Patienten mit einer eingeschränkten Ventilation sind in verschiedenen Versorgungssituationen die Regel. Hierzu können Patienten mit Asthma, COPD oder obstruktiver Schlafapnoe gehören. Trotz der unterschiedlichen Ursachen gelangt in allen Fällen eine geringere Luftmenge als normal in die und aus den Alveolen. Dies führt dazu, dass weniger O2-Moleküle als normal über die Alveolen in das Blut diffundieren und dass weniger CO2 abtransportiert wird.

Bei einem pulmonalen Shunt wird die reduzierte Ventilation durch die vollständige Unterbindung des Atemstroms zu den Alveolen noch verschärft. Dies kann bei Patienten mit ARDS, Lungenentzündung oder Atemwegsobstruktion der Fall sein.6 In all diesen Fällen ist die Durchblutung der Kapillarbetten in den Lungen normal. Das gestörte V/Q-Verhältnis ist auf die eingeschränkte Ventilation bzw. den beschränkten Atemstrom zurückzuführen, was die Abgabe von Sauerstoff an die Alveolen und in den Blutkreislauf behindert. Ähnlich kann das CO2 aufgrund des eingeschränkten Atemstroms nicht geeignet aus dem Blut abtransportiert werden, was den PaCO2-Wert erhöht.

Eingeschränkte Ventilation

Gestörtes V/Q-Verhältnis durch eingeschränkte Perfusion Auch bei Patienten mit ausreichender Ventilation kann es zu einem gestörten V/Q-Verhältnis kommen, wenn die Perfusion auf alveolärer Ebene eingeschränkt ist.

Perfusionsprobleme können auf eine Vielzahl von Erkrankungen zurückzuführen sein, können aber bei Patienten unter Überdruckbeatmung, Patienten mit eingeschränktem Herzzeitvolumen oder Patienten mit Vasokonstriktion durch alveoläre Hypoxie auftreten.

Eingeschränkte Perfusion

Bei Patienten unter Überdruckbeatmung nimmt der Atemwegsdruck zu.

Das kann zu einer Überdehnung der Alveolen und zur Kompression der Lungenkapillaren führen. Dadurch wird die Perfusion reduziert und CO2 kann nicht in ausreichender Menge aus dem Blutkreislauf abtransportiert bzw. O2 nicht ausreichend aufgenommen werden.

In schwereren Fällen von Totraum wurden Lungengewebe oder Alveolen beschädigt und werden vielleicht überhaupt nicht mehr durchblutet oder können anderweitig keinen Gasaustausch mehr leisten. Dies kann bei Lungenembolien oder Emphysemen der Fall sein.4 In beiden Fällen (eingeschränkte Durchblutung oder Totraum) gelangt Sauerstoff nicht in ausreichender Menge in den Blutkreislauf, da die Lungenkapillaren für die Diffusion nicht ausreichend durchblutet werden. Das CO2 im Blut erreicht nicht den Diffusionspunkt, um an die Lungen abgegeben zu werden, und wird nicht ausgeatmet, was den PaCO2-Wert steigen lässt.

3

Gestörtes V/Q-Verhältnis: Auswirkungen auf CO2-Überwachungstechniken Arterielle Blutgasanalyse: eine genaue, punktuelle Messung

PATIENTENPOPULATIONEN MIT WAHRSCHEINLICHKEIT EINES GESTÖRTEN V/Q-VERHÄLTNISSES

Der Standard für die genaue PaCO2-Messung ist eine Blutentnahme für die arterielle Blutgasanalyse (BGA), die nur eine punktuelle Messung darstellt.8 Obwohl BGA-Messungen präzise sind, kann eine rasche Veränderung des Ventilationsstatus von Patienten, die Atemunterstützung brauchen (und ggf. insbesondere solche, bei denen ein gestörtes V/Q-Verhältnis vorliegt), durch eine Beobachtungsmethode, die auf einen einzelnen Zeitpunkt beschränkt ist, übersehen werden.

00

Nächtlicher Trend eines erwachsenen Patienten mit Hypoventilationssyndrom3

Eingeschränkte Ventilation Reduzierter Atemstrom:

• Asthma • Obstruktive Schlafapnoe • COPD • Chronische Bronchitis • Tracheo-/Bronchomalazie

80

70

60

50

Pulmonaler Shunt:

• Lungenentzündung • Atemwegsobstruktion • Kollabierte Alveolen • Pulmonale Hypertonie und Lungenödem

40

30

BG A S E N TE C D I G I TA L M O N I TO R

NACH ORIGINAL A D A P TI E RT

20

Eingeschränkte Perfusion Eingeschränkte Durchblutung:

Totraum:

Die Abbildung unten (nach Storre et al.9) stellt die nächtlichen CO2-Werte eines erwachsenen Patienten mit Hypoventilationssyndrom dar. Die PaCO2Messungen aus der Blutgasanalyse (blaue Kreise) vermitteln einen positiven Eindruck des Zustands des Patienten, aber die kontinuierliche CO2-Messung (anhand transkutaner Überwachung) zeigt genauer, wie stark die Blutgase in den etwa 4 Stunden tatsächlich fluktuierten. Dieser Patient verbrachte einen wesentlichen Teil der Nacht mit erhöhten CO2-Werten, die von den punktuellen arteriellen Blutgasanalysen nicht erfasst wurden.10

• Lungenembolie • Sich verschlimmernde Hypotonie • Kollabierte Alveolen • Verschlimmerung von

Ärzte, die diesen Patienten oder Patienten wie ihn überwachen, laufen Gefahr, bei eingeschränkter Sichtbarkeit aufgrund der punktuellen Untersuchungen nicht repräsentative Informationen für ihre Beatmungsentscheidungen zu verwenden.

• Überdruckbeatmung (erhöhter Atemwegsdruck)

• Eingeschränktes Herzzeitvolumen • Vasokonstriktion durch alveoläre Hypoxie

Durchblutungsstörungen7

Endtidales CO2 etCO2 löst die Probleme punktueller Untersuchungen und bei normal atmenden Patienten mit gesunden Lungen erlaubt der etCO2-Wert eine zuverlässige Abschätzung des arteriellen CO2.

Bei Patienten mit gestörten V/Q-Verhältnis ist der etCO2-Wert jedoch unzureichend. Dies ist auf die grundlegenden physiologischen Merkmale des eingeschränktes Gasaustauschs durch das gestörte V/Q-Verhältnis zurückzuführen.

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Einschränkungen der endtidalen Messung: CO2-Werte in der Atemluft sind nicht für CO2-Werte im Blut repräsentativ Stellen wir uns einen hypothetischen Patienten mit Asthma vor, dessen V/QVerhältnis aufgrund eingeschränkter Ventilation in gewissem Umfang gestört ist.

In diesem Fall kann bei Inspiration des Patienten etwas Sauerstoff fliessen. Durch die Einschränkung des Atemstroms kann jedoch dieser Sauerstoff in der Mehrheit die Alveolen nicht erreichen und nur eine geringe Menge diffundiert in den Blutkreislauf. Im Wesentlichen atmet der Patient nur das eben eingeatmete O2 wieder ab.

In der Zwischenzeit diffundiert das CO2 aus dem Blut des Patienten in die Lungen.

Durch die Einschränkung des Atemstroms wird aber nur ein unwesentlicher Teil abgeatmet. Ein endtidaler Sensor misst dann eine verdünnte CO2-Probe, wenn der Patient ausatmet. Diese Atemprobe ist nicht für den PaCO2-Wert repräsentativ.

BEI PAT IENT EN MIT G ESTÖ RTEM V /Q -V ER H Ä LT N I S ENT S P R IC H T D ER CO 2 -WE RT I M ATEM NIC H T D EM CO 2 -WERT IM B LU T, WA S ER H EB L IC H E S C H WIER IG K EITEN F Ü R DI E ETCO 2 - M ES S U NG B ED EU T E T.

Der etCO2-Wert des Patienten wird niedriger als der über eine BGA gemessene PaCO2-Wert sein – in manchen Fällen signifikant niedriger.11 Einfach gesagt: Bei Patienten mit gestörtem V/Q-Verhältnis entspricht der CO2Wert im Atem nicht dem CO2-Wert im Blut, was erhebliche Schwierigkeiten für die etCO2-Messung bedeutet. Eine Unterschätzung der CO2-Werte kann zu einem unzureichenden Management des respiratorischen Status eines Patienten führen.

Gestörtes V/Q-Verhältnis und endtidale CO2-Überwachung bei Patienten mit schlechter Perfusion Auch bei Patienten mit schlechter Perfusion ergeben sich ähnliche Herausforderungen für die etCO2-Überwachung.

Bei einem hypothetischen Patienten unter Überdruckbeatmung können die Alveolen überdehnt sein. Dies führt zu einer Kompression der Lungenkapillaren, welche die effektive Perfusion behindert.

In diesem Szenario gelangt die Luft durch die Atemwege in die Alveolen.

Aufgrund der schlechten Perfusion ist jedoch die Durchblutung für die Diffusion des Sauerstoffs in das Blut minimal und der Sauerstoff wird grossteils ausgeatmet.

Gleichzeitig diffundiert CO2 nicht effektiv in die Lungen und wird im Blutkreislauf zurückgehalten, was den PaCO2-Wert des Patienten steigen lässt.

Bei reduzierter Perfusion unter normaler Ventilation wird der etCO2-Messwert niedriger als der PaCO2-Messwert ausfallen, da die endtidale Messung nur die ausgeatmete Luft berücksichtigt, die den CO2-Wert im Blut des Patienten nicht korrekt widerspiegelt. Auch in diesem Fall kann eine Unterschätzung der CO2Werte zu einem unzureichenden Management des respiratorischen Status eines Patienten führen.

Genaue CO2-Überwachung unabhängig von respiratorischem Status oder gestörtem V/Q- Verhältnis Transkutane CO2-Überwachung erfolgt mit einem nichtinvasiven Sensor, der die Haut an der Messstelle sanft auf 41 °C erwärmt. Das fördert die Durchblutung und die Gasdiffusion durch die Membran der Haut. Das CO2 wird durch eine permeable Membran an der Sensorfläche in speziell formulierte Elektrolyte abgegeben, wo eine messbare Reaktion erfolgt. Proprietäre Algorithmen übersetzen die Daten dann in einen PaCO2-Schätzwert.

Da die transkutane Überwachung den CO2-Wert über die Haut misst, sind alveoläre Perfusion und Ventilation für die Genauigkeit der Messung irrelevant.

Durch Probennahme an den Kapillarbetten liefert der tcPCO2-Wert eine bessere Schätzung des PaCO2-Werts und vermeidet die Probleme für genaue Messungen bei Störung des V/Q-Verhältnisses weitgehend, wie sie bei der etCO2-Messung auftreten.9

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Studien bestätigen die höhere Genauigkeit der transkutanen Überwachung im Vergleich zu endtidalen Messungen bei Patienten mit gestörtem V/Q-Verhältnis Studien mit Patientenpopulationen, bei denen ein gestörtes V/Q-Verhältnis wahrscheinlich ist bzw. durch die Situation erzwungen entsteht (wie bei Beatmung eines Lungenflügels im OP11), zeigen unter Bezugnahme auf arterielle Blutgasanalyse, dass transkutane Technologie genauer als Kapnographie ist.11

83 % der tcPCO -Messungen 2

waren genauer als die etCO2-Werte T C PC O 2 N Ä H E R A N PA C O 2 E T C O 2 N Ä H E R A N PA C O 2 GLEICH

In einer Studie bei adipösen Patienten wurde festgestellt, dass 83 % der tcPCO2Messwerte genauer als die entsprechenden etCO2-Messwerte waren.12 Auch Studien an Neugeborenen haben gezeigt, dass die transkutane Überwachung eine höhere Leistung als die etCO2-Messung erbringt.

Chandrakantan, et al. in Med Devices stellten fest, dass die mittlere Differenz zwischen den tcPCO2- und venösen Blutgaswerten (PvCO2) 1,86 mmHg betrug.

Im Vergleich dazu belief sich die mittlere Differenz zwischen etCO2- und PvCO2-Werten auf 15,29 mmHg. Dies führte zur Schlussfolgerung, dass „etCO2 die [PvCO2]-Werte bei Neugeborenen und Säuglingen unter Vollnarkose unterschätzt. Die tcPCO2-Werte verlaufen sowohl in NICU- als auch anderen Proben sehr ähnlich zu den venösen Blutgaswerten. Daher kommen wir zu dem Fazit, dass tcPCO2-Werte bei Säuglingen, insbesondere Patienten der NICU, eine genauere Messung des operativen PvCO2-Werts darstellen.“14 Eine andere Forschergruppe kam nach einer Studie an COPD-Patienten zu folgendem Schluss: „Unsere Daten unterstützen daher die tcPCO2-Messung als geeignetes Mittel zur Überwachung des PCO2-Werts bei Patienten unter invasiver maschineller Beatmung. Dies steht im Gegensatz zu etCO2Messungen, die die PaCO2-Werte ganz klar unterschätzen, insbesondere bei Patienten mit COPD.“15 Mittlere Differenz zum PaCO2-Wert15 ET C O 2 | T C P C O 2 15 10 5 0 -5 -10 -15

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Dieselben Forscher stellten fest, dass: „die mittlere Differenz zwischen tcPCO2- und PaCO2-Werten -0,7 ± 3,6 mmHg betrug“ und „zwischen etCO2und PaCO2-Werten -5,9 ± 5,3 mmHg“. So kamen sie zu dem Schluss, „dass die Unterschätzung des PaCO2-Werts durch PetCO2-Messung bei COPDPatienten besonders ausgeprägt war.“15 Wie zwei Forscher in Critical Care Medicine feststellten: „Endtidale CO2-Überwachung schätzt die Ventilation von Patienten mit normaler Lungenfunktion nachweislich korrekt ein. Bei kritisch erkrankten Menschen jedoch, bei denen die Lungenfunktion häufig nicht normal ist, wird diese Genauigkeit eingeschränkt, da intrapulmonale Shunts und erhöhter alveolärer Totraum zu einer konsistenten Unterschätzung des PaCO2-Gehalts führen.

Umgekehrt ist die Genauigkeit der tcPCO2-Überwachung vom Lungenstatus unabhängig und kann die inhärenten Probleme der etCO2-Überwachung möglicherweise umgehen.“16

UMGEK EHRT IST D IE GENAUIGK EIT D ER TC PCO 2 Ü BERWAC H U NG VOM LUNGENSTAT U S U NABH ÄNGI G UND KANN D I E I NH ÄRENT EN PROB LE M E D ER ETCO 2 - ÜBERWAC HUNG MÖGLI C H ERW EI S E U MGEH EN.

Fazit

— Critical Care Medicine16

Die Überwachung der Ventilation zusätzlich zur Oxygenierung ist entscheidend für das Verständnis des gesamten respiratorischen Status eines Patienten. Arterielle Blutgasanalyse stellt nur eine punktuelle Messung des CO2-Werts dar und kann die Entwicklung des Patienten möglicherweise nicht vollständig abbilden. Endtidale CO2-Messung kann den PaCO2-Wert bei Patienten mit gestörtem V/Q-Verhältnis unterschätzen, beispielsweise bei Patienten mit Adipositas13, COPD15 und anderen Formen von Lungenschäden.

Transkutane Überwachung ist nachweislich in Situationen mit gestörtem V/Q-Verhältnis genauer als et CO2-Messung und bietet für genaue, kontinuierliche, nichtinvasive CO2-Daten umfassendere Messergebnisse als arterielle Blutgasanalysen.

Transkutane Überwachung in der klinischen Praxis: Richtlinien und Empfehlungen „Die Anwendung transkutaner Überwachung (TCM) ist bei Patienten indiziert, bei denen entweder kein arterieller Zugang möglich ist oder bei denen Sauerstoff und Kohlendioxid unter minimalen Blutentnahmen kontinuierlich zu überwachen sind.

— AARC Clinical Practice Guideline: Transcutaneous Monitoring of Carbon Dioxide and Oxygen18

TCM erlaubt die Beurteilung von:

• Eignung der Oxygenierung und/oder Ventilation.

• Eignung der Oxygenierung und/oder Ventilation, des Ansprechens auf diagnostische und therapeutische Interventionen, wie durch die tcPO2und/oder tcPCO2-Werte belegt.

• Entscheidungen über Entwöhnung und Extubation allein auf Basis der tcPCO2-Messungen.“

„EtCO2-Messung funktioniert oft nicht richtig oder liefert inkorrekt niedrige Werte bei Patienten mit ausgeprägter nasaler Obstruktion, starken Nasensekreten, obligatorischer Mundatmung oder Patienten, die unterstützend Sauerstoff erhalten.“

­— American Academy of Sleep Medicine Scoring of Sleep and Associated Events Rules, Terminology and Technical Specifications17

„Während der PAP-Titration sind bei Erwachsenen ebenso wie Kindern arterielle oder transkutane PCO2-Messungen die empfohlenen Methoden zur Aufdeckung von Hypoventilation.“

­— AAST Sleep Technology Technical Guideline Transcutaneous CO2 Monitoring19

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H I NWEIS DER R E DAK T IO N: Für ein besseres Verständnis und die Konsistenz wurden alle Bezugnahmen auf transkutane CO2-Überwachung in den Zitaten als „tcPCO2“ geschrieben, wobei im Original meist „tcCO2“ oder „tcpCO2“ stand. Die vollständigen Zitate sind über die Links im Literaturabschnitt verfügbar.

L ITERAT U R 1. Theodore, A. Measures of oxygenation and mechanisms of hypoxemia. In: UpToDate, Post TW (Ed), UpToDate, Waltham, MA.

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RF-013467-a Erscheinungsdatum: 10/2023 Ref.Masterkopie: RF-013000-_

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