Ausatemluftanalyse bei beatmeten Intensivpatienten mittels Ionenmobilitätsspektrometrie

1.1 Zusammenfassung (deutsch) Die Analyse der Atemluft kann ein wichtiges diagnostisches Hilfsmittel in der Erkennung und Überwachung von Erkrankungen und ihres Verlaufs darstellen. Technische Weiterentwicklungen der seit langem bekannten Diagnostik per Geruchswahrnehmung ermöglichen umfangreiche Atemluftuntersuchungen des komplexen menschlichen Exhaloms, also der Gesamtheit der ausgeatmeten flüchtigen organischen Verbindungen. Dieses stellt besondere Ansprüche an die Methodik zur Analyse besonders bei kritisch kranken Patienten. Die multikapillarsäulengekoppelte Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC-IMS) stellt im Gegensatz zur Gaschromatographie oder Massenspektrometrie ein mobiles, bettseitig anwendbares Analyseverfahren dar, das im Spurenbereich bei Umgebungsdruck messen kann. Darüber hinaus erlaubt sie Online-Analysen mit der unmittelbaren Darstellung detektierter flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs). Die Anwendbarkeit bei analgosedierten Patienten während laufender Operationen konnte bereits gezeigt werden. Über die Gewinnung von Luftproben bei kritisch kranken Patienten auf einer durch zahlreiche Einflüsse geprägten Intensivstation ist hingegen bisher wenig bekannt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Modell zur Ausatemluftanalyse bei beatmeten Patienten auf einer Intensivstation zu etablieren und damit das VOC-Spektrum der Ausatemluft über die Zeit zu dokumentieren. Zudem sollte eine Messung und Identifizierung flüchtiger organischer Verbindungen von den zur Beatmung genutzten Wandanschlüssen für Sauerstoff und Druckluft, der umgebenden Raumluft sowie der vom Intensivrespirator bereitgestellten Inspirationsluft zeigen, welchen Einfluss diese auf die Ausatemluftanalytik haben könnten. Nach Genehmigung durch die Ethikkommission (Ärztekammer des Saarlandes, Nr. 232/14) und Einwilligung der Patienten wurden mittels MCC-IMS insgesamt 618 Einzelmessungen durchgeführt; davon entfielen 186 Messungen auf die Untersuchung der Raumluft, 72 beziehungsweise 113 auf Messungen für die Wandanschlüsse von Sauerstoff und Druckluft, 60 Messungen auf transportable Sauerstoffflaschen sowie 89 Messungen auf die Inspirationsluft und 98 Messungen auf die Exspirationsluft der Patienten. In allen Messungen zusammengenommen fanden sich 76 unterschiedliche flüchtige Verbindungen. In der Inspirationsluft des Patienten fanden sich insgesamt 12 VOCs, im Wandanschluss für Sauerstoff 4 und dem für Druckluft 5. Die Messung der transportablen Sauerstoffflaschen ergab 17 VOCs. Die aus einem Patientenzimmer auf der Intensivstation entnommene Raumluft enthielt insgesamt 34 unterschiedliche VOCs. Die größte Menge unterschiedlicher Verbindungen ergab sich aus der Exspirationsmessung von Patienten. Insgesamt konnten hier 73 detektiert werden. Der Großteil aller gefundenen flüchtigen Verbindungen ließ sich mithilfe einer Substanzdatenbank einer Substanz zuordnen. Mittels Datenbankabgleich konnten 48 VOCs zugeordnet werden, 41 davon eindeutig. Zwischen den einzelnen Luftfraktionen konnten durch gemeinsam auftretende VOCs Schnittmengen gebildet werden. Für die Ausatemluftanalyse sind vor allem solche flüchtige Substanzen interessant, die nur aus dem Patienten stammen, nicht aber in einem anderen Luftkompartiment auftauchen. Sie können als vom Patienten produziert deklariert werden. In der Summe sind 71 VOCs als produzierte flüchtige organische Verbindungen detektiert worden. Diese Arbeit stellt die erste systematische Langzeitmessung bei beatmeten Intensivpatienten mit zusätzlicher Analyse der möglichen Einflussgrößen auf die Ausatemluftmessung dar, insbesondere zur Deskription möglicher Störeinflüsse und Kontaminationen. Weitere Langzeitmessungen bei beatmeten Patienten können nun basierend auf der hier vorgelegten Arbeit erfolgen, um weiterführende Fragestellungen zu beantworten. Die verschiedenen intensivmedizinisch relevanten Krankheitsentitäten oder interventionellen Verfahren stellen vielversprechende Ansätze dar.1.2 Summary The analysis of breath represents an important diagnostic resource in the identification and observation of an illness and its progression. Further technical developments of the long-known diagnosis per odour perception enable comprehensive breath examinations of the complex human exhalation. This places special demands on the methodology of the analysis in critically ill patients. In contrast to gas chromatography or mass spectrometry, the multi-capillary-column ion mobility spectrometer (MCC-IMS) represents a mobile, bedside usable analysis method that can measure in trace range with ambient pressure. Furthermore, it allows online-analysis with the immediate presentation of detectable volatile organic compounds (VOC). The use in operative settings has already been shown, whereas the rendering of air samples from critically ill patients in an intensive care unit that is much affected by numerous factors is little known until now. The objective of this study was, therefore, to establish a model for exhaled air analysis in ventilated patients in an intensive care unit and to document the VOCspectrum of the exhaled air fraction over time. In addition, a measurement and identification of volatile organic compounds from the ventilation wall sockets used for oxygen and compressed air, for ambient air, and for the inhaled air show what effect this can have on the exhalation air analytics. After approval by the local ethics committee (Saarland Medical Chamber, Ref.-No. 232/14) and patient consent, a total of 618 single measurements were performed applying the MCC-IMS; 186 measurements thereof were accounted for ambient air, 72 and 113 measurements for the ventilation wall socket for oxygen and compressed air respectively, 60 measurements for the transportable oxygen cylinders, 89 measurements for inhaled air, and 98 for the exhaled air measurement in ventilated patients. A total of 76 different volatile compounds were found in all measurements added together. In the inhaled air of the patient, a total of 12 VOCs were found; four were found in the ventilation wall socket for oxygen, and five in that of the compressed air. The measurement of transportable oxygen cylinders totalled 17 VOCs. The ambient air that was taken unfiltered from the patient’s room in the intensive care unit contained 34 different VOCs. The largest amount of different compounds resulted from the exhaled air measurement of the patient – a total of 73 were detected. Most of the detected volatile compounds were able to be allocated to a pure substance by means of a gas chromatography standardised substance databank. By means of an especially adapted procedure, 48 VOCs could be allocated within the framework of the database queries, 41 of these were unequivocal. Between the specific air fractions, intersections could be created through the jointly appearing VOCs, whereas for the pure exhaled air analysis, only such volatile substances that originated solely from the patient were interesting, and not those that emerged from a different air compartment. These could be declared as “produced” by the patient. A total of 71 VOCs were detected as produced volatile organic compounds. This study represents first systematic long-term measurements of ventilated intensive care patients with additional analysis of possible influencing variables in the exhaled air measurement, especially in describing possible interferences and contaminations. Based on this present study, further long-term measurements of ventilated patients could follow in order to answer other related questions. The various intensive care relevant illness entities or interventional procedures represent promising approaches