Ein Barotrauma („Druckverletzung“, aus ‚Schwere‘, ‚Gewicht‘, und ‚Wunde‘) ist eine Verletzung bzw. Läsion, die durch Änderungen des Umgebungsdrucks und dessen Auswirkungen auf luft- oder gasgefüllte Hohlräume und deren Hüllen bei Lebewesen einschließlich des 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 Tauchmaske).
Entsprechend den betroffenen Hohlräumen werden verschiedene Formen von Barotraumata (oder Barotraumen) unterschieden. Im engeren Sinne werden mit Barotraumata Schädigungen (DruckanstiegsschädenH. Schubothe: Durch Änderungen des atmosphärischen Drucks und durch Sauerstoffmangel bedingte Schädigungen und Erkrankungen. In: Ludwig Heilmeyer (Hrsg.): Lehrbuch der Inneren Medizin. Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1955; 2. Auflage ebenda 1961, S. 1184–1191, hier: S. 1184 f. (Druckanstiegsschäden).) 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, Wasserspringen und der maschinellen Beatmung. Auch die medizinische Anwendung von Überdruck (im Rahmen der hyperbaren Sauerstofftherapie oder Rekompressionsbehandlung) und Unterdruck können zu Barotraumen führen. Eine häufige Ursache beim Trommelfell ist die Ohrfeige.Das Ohr IV - Barotrauma, www.barotrauma.de
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, wenn die Temperatur konstant ist. Dies bedeutet, dass bei ansteigendem äußerem Druck das Volumen von Gasen oder Gasgemischen wie Luft sinkt. Umgekehrt steigt bei Minderung des äußeren Drucks das Volumen. Je stärker sich der Druck ändert, desto stärker ändert sich auch das Volumen.
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 (Muskelstarre, 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 schnell ablaufende Änderungen von Druck und Volumen schädlicher als langsame.
Ein Barotrauma entsteht somit immer dann, wenn durch eine Änderung des Umgebungsdrucks eine Volumenänderung des luft- oder gasgefüllten Hohlraums bewirkt wird, welcher der Hohlraum selbst oder seine Umhüllung nicht standhalten kann. Je nach Verhältnis 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 als Überdruck-Barotrauma bezeichnet. Ist der Umgebungsdruck um einen Hohlraum niedriger als in ihm selbst, so resultiert eine Ausdehnung des Hohlraumes. Während des Vorgangs wird Druck von innen und Sog von außen auf die Hohlraumumhüllung ausgeübt. Dementsprechend wird diese Form 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 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 Bronchoskopie ein Barotrauma erleiden.C. G. Wherrett, R. J. Mehran, M. A. Beaulieu: Cerebral arterial gas embolism following diagnostic bronchoscopy: delayed treatment with hyperbaric oxygen. In: Can J Anaesth. 49(1), 2002, S. 96–99. 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 Bronchoskopie sind sehr selten.
Barotrauma der Lunge (Tauchen) 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 die Luft oder das 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.R. W. Smerz: Concomitant cerebral and coronary arterial gas emboli in a sport diver: a case report. In: Hawaii Med J. 64(1), 2005, S. 12–13. PMID 15751753.G. D. Becker, G. J. Parell: Barotrauma of the ears and sinuses after scuba diving. In: Eur Arch Otorhinolaryngol. 258(4), 2001, S. 159–163.H. B. Newton: Neurologic complications of scuba diving. In: Am Fam Physician. 63(11), 2001, S. 2211–2218.C. R. Carpenter: Recurrent pulmonary barotrauma in scuba diving and the risks of future hyperbaric exposures: a case report. In: Undersea Hyperb Med. 24(3), 1997, S. 209–213.
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.W. P. Butler: Cases from the Aerospace Medicine Resident’s Teaching File: unsuspected pulmonary barotrauma. In: Aviat Space Environ Med. 71(11 Pt 1), 2000, S. 1153–1156. 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 Dekompressionskrankheit 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 UmgebungsdruckTiefe (ab Wasseroberfläche)Ort (Beispiel)UmgebungsdruckLungenvolumenÄnderung Lungenvolumen0 mWasseroberfläche1,0 bar6,00 L± 0,00 %± 0,00 L1 mNichtschwimmerbecken1,1 bar5,45 L- 9,09 %- 0,55 L2 mSchwimmerbecken1,2 bar5,00 L- 16,67 %- 1,00 L3 mUnter 3 m Sprungturm1,3 bar4,62 L- 23,08 %- 1,38 L4 mUnter 5 m Sprungturm1,4 bar4,29 L- 28,57 %- 1,71 L5 mUnter 7 m Sprungturm1,5 bar4,00 L- 33,33 %- 2,00 L10 mRhein bei Hochwasser in Köln2,0 bar3,00 L- 50,00 %- 3,00 L20 mTauchtiefe ohne Tiefenrausch mit Druckluft3,0 bar2,00 L- 66,67 %- 4,00 L50 m6,0 bar1,00 L- 83,33 %- 5,00 L100 mMittlere Tiefe der Nordsee11,0 bar0,55 L- 90,91 %- 5,45 LDie Berechnung des Umgebungsdrucks erfolgte mit der Näherung, dass 10 mWS 1,00 bar entsprechen.
Barotrauma der Lunge (Beatmung)