Barotrauma

Ein Barotrauma (aus dem griechischen Wörtern τραύμα traúma für Wunde und βάρος báros für Schwere oder Gewicht zusammengesetzt, entsprechend Druckverletzung; englisch barotrauma) ist eine Gesundheitsstörung, die durch Änderungen des Umgebungsdrucks und dessen Auswirkungen auf luft- oder gasgefüllte Hohlräume und deren Hüllen bei Menschen verursacht wird.

Neben dem Ausmaß der Druckänderung ist auch die Geschwindigkeit der Druckänderung für das Entstehen eines Barotraumas verantwortlich. Beim Menschen können alle luft- oder gasgefüllten Hohlräume und deren Umhüllung betroffen sein, unabhängig davon, ob die Hohlräume natürlichen, künstlichen oder krankhaften Ursprungs sind. Hierzu zählen Lungen, Mittelohr (Trommelfell), Nasennebenhöhlen, Karieshöhlen und gasgefüllte Hohlräume zwischen fest anliegenden Kleidungsstücken und Haut (zum Beispiel Taucheranzug oder Gesichtsmaske).

Entsprechend der betroffenen Hohlräume werden verschiedene Formen von Barotraumata (oder Barotraumen) unterschieden. Im engeren Sinne werden mit Barotraumata Schädigungen bezeichnet, welche durch die Exposition gegenüber Überdruck entstehen. Barotraumata entstehen aber auch durch Exposition gegenüber Unterdruck. Medizinische Bedeutung hat das Barotrauma mit unterschiedlichen Formen beim Tauchen, Fliegen und der maschinellen Beatmung. Auch die medizinische Anwendung von Überdruck (im Rahmen der hyperbaren Sauerstofftherapie oder Rekompressionsbehandlung) und Unterdruck können zu Barotraumen führen.

Ursache und Pathomechanismus

Grundlegend für die Entstehung eines Barotraumas ist der physikalische Zusammenhang zwischen Druck und Volumen (Rauminhalt) von Gasen oder Gasgemischen wie Luft. Nach dem physikalischen Gesetz von Boyle und Mariotte verhalten sich Druck und Volumen umgekehrt proportional zueinander bei konstanter Temperatur. Dies bedeutet, dass bei Druckanstieg das Volumen von Gasen oder Gasgemischen wie Luft sinkt. Umgekehrt steigt bei Druckminderung das Volumen von Gasen oder Gasgemischen wie Luft an. Das Ausmaß der Volumenänderung ist dabei direkt abhängig vom Ausmaß der Druckänderung: wird der Druck stark erhöht (oder gesenkt), vermindert sich das Volumen stark (oder erhöht sich).

Im wesentlichen gilt dieser Zusammenhang auch für Hohlräume, welche mit Gas oder Gasgemischen befüllt sind. Im Falle des Menschen wären dies beispielsweise Lunge, Nasennebenhöhle, Mittelohr und Magen-Darm-Trakt. In Ergänzung zum Zusammenhang zwischen Druck und Volumen spielt die Umhüllung oder Begrenzung der Hohlräume hier noch eine wesentliche Rolle: je nach Beschaffenheit (Starre, Elastizität, Compliance) der Hülle kann eine Druckänderung (und damit eine Volumenänderung) mehr oder weniger ohne Schaden toleriert werden. Maßgeblich ist auch die Zeitspanne, in welcher die Druck- und damit auch Volumenänderung vorgenommen wird. Prinzipiell sind zeitlich schnell ablaufende Änderungen von Druck und Volumen weniger schadensfrei ablaufend als langsame.

Ein Barotrauma entsteht somit immer dann, wenn durch eine Änderung des Umgebungsdrucks in einer bestimmten Zeit eine Volumenänderung des luft- oder gasgefüllten Hohlraums bewirkt wird, welcher der Hohlraum selbst oder seine Umhüllung nicht schadensfrei standhalten kann. Je nach Konstellation der Drücke und Volumina im Hohlraum und dessen Umgebung können zwei Formen des Barotraumas unterschieden werden. Wird der Umgebungsdruck um einen gas- oder luftgefüllten Hohlraum erhöht, so resultiert eine Volumenminderung (Schrumpfung) des gas- oder luftgefüllten Hohlraumes. Auf die Umhüllung des Hohlraumes wird während dieses Vorgangs Druck von außen und Sog von innen ausgeübt. Entsprechend dem anliegenden Umgebungsdruck wird diese Form des Barotraumas als Überdruck-Barotrauma bezeichnet. Ist der Umgebungsdruck um einen gas- oder luftgefüllten Hohlraum niedriger als im Hohlraum selbst, so resultiert eine Volumensteigerung (Ausdehnung) des Hohlraumes. Während des Vorgangs wird Druck von innen und Sog von außen auf die Hohlraumbegrenzung oder -hülle ausgeübt. Entsprechend dem anliegenden Umgebungsdruck wird diese Form des Barotraumas als Unterdruck-Barotrauma bezeichnet.

Beim Menschen kann nur auf Basis der Symptome allein nicht sicher zwischen beiden Formen unterschieden werden; hierzu sind oft Angaben über den Hergang und Ablauf der Symptome (Anamnese) erforderlich. 

Formen des Barotraumas nach Hohlraum

Je nach betroffenem luft- oder gasgefüllten Hohlraum beim Menschen können verschiedene Formen des Barotraumas unterschieden werden.

Barotrauma der Lunge

Die Lunge kann im Zusammenhang mit Tauchen, Fliegen, maschineller Beatmung, hyperbarer Sauerstofftherapie oder Bronchioskopie ein Barotrauma erleiden. Das Barotrauma der Lunge durch maschinelle Beatmung ist dabei häufiger als das Barotrauma der Lunge, welches im Rahmen des Tauchens auftritt. Die Barotraumata der Lunge durch Fliegen, hyperbare Sauerstofftherapie und Bronchioskopie sind sehr selten, kommen aber vor.

Barotrauma der Lunge

Das Barotrauma der Lunge im Rahmen des Tauchens ist eine für die Auftauchphase (Dekompression) typische Verletzung (englisch: pulmonary barotrauma of ascent). Es kann auch - aber deutlich seltener - während des Abtauchens (Kompression) vorkommen. Während des Auftauchens wird der Umgebungsdruck des Tauchers reduziert (abnehmende Wassertiefe). Folgerichtig dehnt sich der Rauminhalt beider Lungen entsprechend aus und dehnt die elastische Lungenbegrenzung beziehungsweise -Hülle (Pleura). Erfolgt bei fortgesetzter Druckminderung der Umgebung (abnehmende Wassertiefe) keine Ausatmung aus der Lunge, so verbleibt alle Luft oder Gas in der Lunge und dehnt diese entsprechend dem abnehmenden Umgebungsdruck weiter aus. Überschreitet die Volumenausdehnung der Lunge die elastische Kapazität der Pleura, wird diese an ihrem schwächsten Punkt mehr oder weniger zerstört. Vereinfachend gesprochen kommt es zu einem Lungenriss.

Sofern die Pleuraverletzung (Lungenriss) klein ist und nicht in Verbindung mit dem Pleuraspalt (Pleuraraum) oder dem Blutgefäßsystem der Lunge steht, kann das Barotrauma der Lunge folgenlos bleiben. Typischer ist aber eine Verbindung zwischen der Pleuraverletzung und dem Gefäßsystem der Lunge, insbesondere Lungenvenen. Dies führt bei zumeist fortgesetzter Druckminderung (Auftauchen) und damit Ausdehnung der Luft in der Lunge zu einem Übertritt von Luft in die Lungenblutgefäße. Ist eine Lungenvene mit der Lunge über eine Pleuraverletzung verbunden, so gelangt Luft (oder anderes Gasgemisch) über die Lungenvene in das Herz. Von dort aus wird die Luft- oder Gas- oder Gasgemischblase durch die linke Hauptkammer in den arteriellen Blutkreislauf gepumpt. Je nach Lage des Tauchers oder Größe der Luft- bzw. Gasblase wird diese zunächst in die Aorta (Hauptschlagader) gepumpt und kommt in Arterien mit kleinerem Durchmesser unter Umständen zum Stillstand und verschließt diese teilweise oder vollständig. Dies können die Arterien des Gehirns, des Rückenmarks, die Herzkranzgefäße oder jedes andere arterielle Blutgefäß sein.

Entsprechend dem Ort des Stillstands oder Liegenbleibens der Luft- oder Gasblase resultiert eine Symptomatik: ist das Gehirn betroffen, ist eine zerebrale Gasembolie (CAGE; cerebral arterial gaseous embolism) eingetreten. Die Schädigung entspricht einem embolischen Schlaganfall. Ist das Rückenmark betroffen, ist eine spinale Gasembolie (SAGE; spinal arterial gaseous embolism) eingetreten. Auch diese Schädigung entspricht einem Schlaganfall des Rückenmarks. Bei Stillstand der Gasblasen in den Herzkranzgefäßen und Verschluss dieser tritt ein Herzinfarkt durch die Gasblasen auf.

Wenn die Pleuraverletzung durch das Barotrauma der Lunge eine Verbindung zwischen Pleuraspalt und Lunge herstellt, so gelangt Luft bzw. Gas in den Pleuraspalt. Damit wird der dort gegenüber dem Lungeninhalt bestehende relative Unterdruck aufgehoben: es entsteht ein Pneumothorax. Hierbei wird durch die Aufhebung des relativen Unterdrucks im Pleuraspalt die Lunge nicht mehr gedehnt gehalten und - vereinfachend - fällt in sich zusammen. Dadurch wird die zum Gasaustausch zur Verfügung stehende Fläche schlagartig vermindert. Da bei Fortsetzung der Dekompression nicht nur die Lunge sondern auch die "fehlerhaft" im Pleuraspalt sich befindende Luft an Volumen zunimmt, kommt es zu einer Verschiebung der zusammengesunkenen Lunge hin zum Mittelfell (Mediastinum). Im weiteren Verlauf wird auch das Mediastinum selbst in Richtung der nicht betroffenen Lunge geschoben. Diese Situation ist die eines Spannungspneumothorax.

Im Gegensatz zur Dekompressionserkrankung ist das Risiko der Entstehung eines Barotraumas am größten in niedrigen Tiefen (0 bis 10 Meter Wassertiefe). In diesem Tiefenbereich bewirkt die Drucksteigerung um ca. 1 bar die größte Volumenänderung (bis zu 50%). Erfolgt insbesondere in diesem Tiefenbereich ein sehr schnelles Auftauchen ohne Atmung (kein "Ablassen der ausgedehnten Luft in den Lungen"), ist ein Barotrauma der Lunge besonders wahrscheinlich.

 

Tabelle 1. Volumenänderung der Lunge in Abhängigkeit von der Wassertiefe und Umgebungsdruck
Tiefe (ab Wasseroberfläche) Ort (Beispiel) Umgebungsdruck Lungenvolumen Änderung Lungenvolumen
0 m Wasseroberfläche 1,0 bar 6,00 L ± 0,00% ± 0,00 L
1 m Nichtschwimmerbecken 1,1 bar 5,45 L - 9,09% - 0,55 L
2 m Schwimmerbecken 1,2 bar 5,00 L - 16,67% - 1,00 L
3 m Unter 3 m Sprungturm 1,3 bar 4,62 L - 23,08% - 1,38 L
4 m Unter 5 m Sprungturm 1,4 bar 4,29 L - 28,57% - 1,71 L
5 m Unter 7 m Sprungturm 1,5 bar 4,00 L - 33,33% - 2,00 L
10 m Rhein bei Hochwasser in Köln 2,0 bar 3,00 L - 50,00% - 3,00 L
20 m Tauchtiefe ohne Tiefenrausch mit Druckluft 3,0 bar 2,00 L - 66,67% - 4,00 L
50 m 6,0 bar 1,00 L - 83,33% - 5,00 L
100 m Mittlere Tiefe der Ostsee 11,0 bar 0,55 L - 90,91% - 5,45 L
Die Berechnung des Umgebungsdrucks erfolgte mit der Näherung, dass 10 m Wassersäule 1,00 bar entsprechen.

Barotrauma der Lunge (Beatmung)

Ein Barotrauma der Lunge kann auch im Rahmen einer maschinellen Beatmung auftreten.[7][8]

Barotrauma der Lunge (Fliegen)

Ein Barotrauma der Lunge kann auch während des Fliegens mit einem Verkehrsflugzeug und der damit verbundenen Absenkung des Umgebungsdrucks auftreten. Es ist deutlich seltener als Barotraumata der Lunge, welche im Zusammenhang mit Tauchen oder maschineller Beatmung entstehen. Ein wesentlicher Grund für diese Häufigkeitsverteilung ist, dass die Druckunterschiede beim Fliegen durch Exposition gegenüber Unterdruck in der Höhe geringer sind als bei Exposition gegenüber Überdruck beispielsweise im Wasser.

Tabelle 2. Volumenänderung der Lunge in Abhängigkeit von der Höhe über dem Meeresspiegel (Atmosphärendruck bzw. Umgebungsdruck)
Höhe (über Meeresspiegel) Ort (Beispiel) Umgebungsdruck Lungenvolumen Änderung Lungenvolumen
0 m Wasseroberfläche 1,013 bar 6,00 L ± 0,00% ± 0,00
10 m Deichkrone am Meer 1,012 bar 6,01 L + 0,12% + 0,01
100 m Dach eines großen Hochhauses 1,001 bar 6,07 L + 1,19% + 0,07
1000 m 0,899 bar 6,76 L + 12,74% + 0,76
2000 m Kabineninnendruck eines Verkehrsflugzeugs (Regel) 0,795 bar 7,65 L + 27,30% + 1,65
2500 m Kabineninnendruck eines Verkehrsflugzeugs (minimal) 0,747 bar 8,14 L + 35,67% + 2,14
2963 m Zugspitze (höchster Berg Deutschlands) 0,704 bar 8,63 L + 43,84% + 2,63
4792 m Mont Blanc (höchster Berg der Alpen) 0,555 bar 10,95 L + 82,62% + 4,96
8848 m Mount Everest (höchster Berg der Erde) 0,315 bar 19,33 L + 222% + 13,33
10000 m Reiseverkehrshöhe Flugzeuge 0,264 bar 22,99 L + 283% + 16,99
Die Berechnung des Umgebungsdrucks erfolgte nach der Internationalen Höhenformel mit 15°C als angenommener Temperatur. Somit sind die errechneten Werte näherungsweise zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen Höhe (Umgebungsdruck) und Volumen zu verstehen.

Barotrauma der Lunge (hyperbare Sauerstofftherapie)

Im Rahmen der Anwendung der hyperbaren Sauerstofftherapie (HBO) kann ein Barotrauma der Lunge auftreten. Analog zum Tauchen ist das Barotrauma der Lunge insbesondere in der Dekompressionsphase der HBO-Behandlungseinheit (umgangssprachlich "Tauchfahrt") möglich. Das Barotrauma der Lunge ist im Rahmen der hyperbaren Sauerstofftherapie eine seltene bis sehr seltene, dafür sehr ernsthafte Nebenwirkung.

Barotrauma der Zähne

Ein Barotrauma der Zähne bzw. eines Zahnes kann bei vollständig gesunden Zähnen nicht vorkommen. Auch kann ein Barotrauma bei fehlerfreien Füllungen, Brücken und Implantaten nicht vorkommen, da hier kein luft- oder gasgefüllter Hohlraum mit fehlender Verbindung zur Umgebung vorhanden ist.

Wenn bei einem Zahn beispielsweise infolge einer Karies sich ein luft- oder gasgefüllter Hohlraum bildet , dann kann bei fehlender oder versperrter Verbindung zur Mundhöhle kein Druckausgleich mehr stattfinden. Es resultiert bei zunehmenden Umgebungsdruck eine Verkleinerung des Luft- oder Gasvolumens im Hohlraum (zum Beispiel eine Karieshöhle) im Zahn. Da der Zahn im Gegensatz beispielsweise zur Lunge aus nicht-elastischem Material besteht, sinkt der Druck im Hohlraum des Zahnes und führt bei Überschreitung der Toleranzgrenzen der Zahnsubstanz zu einer Implosion.

Parallel hierzu existiert ein Barotrauma der Zähne, welches in Zusammenhang mit einer Dekompression auftritt. In diesem Fall kommt es ebenfalls unter fehlender oder verschlossener Verbindung beispielsweise einer Karieshöhle zum Mundraum bei abfallenden Umgebungsdruck zur Volumenausdehnung im Zahnhohlraum. Diese ist aber begrenzt durch die Starrheit des Zahnmaterials, so dass der Druck sich in der Zahnhöhle steigert. Überschreitet der Druck in der Zahnhöhle den Toleranzpunkt der Zahnsubstanz, wird diese im Gefolge aufgebrochen. Bei sehr schneller Senkung des Umgebungsdrucks (und damit Steigerung des Drucks im Zahnhohlraum) kann der Zahn explodieren. Betrifft der Zahnhohlraum eine Füllung oder Brücke, kann diese ebenfalls brechen.

Das Barotrauma der Zähne kommt vor allem beim Tauchen vor. Es ist – wie andere Formen des Barotraumas auch – seltener beim Fliegen.