DE10038818A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der funktionellen Residualkapazität der Lungen (FRC) - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der funktionellen Residualkapazität der Lungen (FRC)

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung gasförmiger Perfluorcarbone als Tracer zur Bestimmung der funktionellen Residualkapazität der Lungen (FRC), ein Verfahren zur Messung der FRC und eine Anordnung in zwei Varianten zu dessen Realisierung. DOLLAR A Die Vorteile des Verfahrens bestehen darin, dass es bei spontanatmenden wie bei beatmeten Patienten anwendbar, die inspiratorische Sauerstoffkonzentration und das Atemmuster nicht oder nur schwach beeinflussend, kostengünstiger, weniger aufwendig und sowohl mit geschlossenem als auch mit offenem System durchführbar ist. Außerdem kann das Perfluorcarbon im flüssigen Zustand gelagert und die Anordnung völlig automatisiert werden. DOLLAR A Die Lösung kann sowohl in der klinischen Routineüberwachung beatmeter Patienten als auch in der Lungenfunktionsdiagnostik spontanatmender Patienten eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der funktionellen Residualkapazität der Lungen (FRC), d. h. des Gasvolumens, das sich am Ende der Ausatmung in den Lungen befindet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Messung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und eine Anordnung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 11 oder 14.
Zur Messung der FRC werden als Grundprinzip die Ganzkörperplethysmographie oder das Tracergasprinzip angewandt.
Bei der Ganzkörperplethysmographie befindet sich der Patient in einer luftdicht verschlossenen Kammer und atmet durch ein Mundstück, das an ein umschaltbares Ventil angeschlossen ist, Außenluft (Druckschrift West, J. B.: Ventilation, Blood Flow and Gas Exchange. In: Textbook of Respiratory Medicine. Murray, J. F. und Nadel J. A. (Hrsg.), W. B Saunders Company (Verlag), 1994, pp. 51-89). Aus der Variation des Druckes innerhalb der Kammer bei geöffnetem und bei geschlossenem Ventil lässt sich das intrathorakale Gasvolumen berechnen, das der FRC entspricht.
Nachteile dieser Methode sind, der große apparative Aufwand bei dieser Anordnung, die Notwendigkeit einer aktiven Atemmuskulatur - diese Voraussetzung wird bei beatmeten Patienten meist nicht erfüllt - und die geschlossene Kammer um den Patienten, die auf Intensivtherapiestationen beispielsweise nicht realisierbar ist, so dass die Methode ausschließlich in der Lungenfunktionsdiagnostik zur Anwendung kommt.
Beim Tracergasprinzip wird ein gasförmiger Tracer in die Lungen ein- oder aus den Lungen ausgewaschen. Die Berechnung der FRC basiert auf der Massenbilanz für den Tracer. Im offenen System kann sie anhand der Identifikation der Einwasch- bzw. Auswaschfunktion des Tracers und im geschlossenen System mit Hilfe des Tracer-Äquilibriums innerhalb des Systems ermittelt werden.
Aus der Druckschrift EP 0 653 183 A1 ist die Messung der FRC mittels Sauerstoff bzw. Stickstoff als Tracer bekannt. Beide Tracergase haben große Gemeinsamkeiten bei der Anwendung, da die Summe ihrer Fraktionen im normalen trockenen Atemgasgemisch ohne Beimischungen 100% beträgt, also eine Abhängigkeit besteht. Von Vorteil ist bei diesen Tracern, dass sie bei beatmeten Patienten relativ einfach durch eine Änderung der inspiratorischen Sauerstoffkonzentration steuerbar sind. Dem steht allerdings der grundsätzliche Nachteil gegenüber, dass Sauerstoff vom Körper aufgenommen wird. Dadurch breitet sich der Tracer nicht nur innerhalb der Lungen aus, sondern geht auch ins Blut über. Noch problematischer ist, dass bei Patienten mit schwerem Lungenversagen für eine ausreichende Oxygenierung des Blutes oft eine inspiratorische Sauerstoffkonzentration von 100% erforderlich ist, zur Durchführung der Messung aber eine Reduktion um mindestens 30% notwendig wäre. Folglich ist die Methode unter diesen Bedingungen nicht einsetzbar. Weitere Nachteile sind die Nichtverfügbarkeit schneller Sensoren für die Messung im Atemstrom (Hauptstrommessung), die Fehler aufgrund der Messung im abgesaugtem Atemgas (Nebenstrommessung) - dies betrifft vor allem die starke Verzögerung in der Sprungantwort des Sensors und die dynamische Änderung der Laufzeit innerhalb der Absaugleitung, wodurch die Synchronisation mit der Volumenstrommessung fehlerbehaftet ist - und die relative große Empfindlichkeit gegenüber der Inhomogenität zwischen Ventilation und Perfusion innerhalb der Lungen.
Aus der Druckschrift DE 30 12 153 B 1 ist die Verwendung von Helium als Tracergas bekannt. Die Beimischung des Tracers zum Atemgasgemisch erfolgt bei dieser Anordnung vor der Applikation in einem speziellen Reservoir oder Atembeutel. Nachteile dieser Methode sind der relativ große manuelle Aufwand - sowohl bei der Vorbereitung der Gasmischung für die Einatmung als auch während der Durchführung der Messung, da eine Person das Reservoir an den Patienten anschließen und ihn betreuen muß -, die zur Messung der Konzentration von Helium erforderlichen speziellen Geräte, die Fehler aufgrund der Nebenstrommessung (siehe oben), das Fehlen eines geeigneten Messprinzips für einen Sensor im Atemstrom (Hauptstrommessung) und der relativ hohe Preis dieses Gases. Die Messung der FRC mit Helium wird aufgrund dieser spezifischen Nachteile fast ausschließlich mit geschlossenen Systemen und nicht automatisiert durchgeführt. Die Anwendung dieser Methode ist folglich auf die Lungenfunktionsdiagnostik und auf Forschungsprojekte begrenzt. Als Routinemonitoring auf einer Intensivtherapiestation ist die Methode nicht geeignet.
Weiterhin bekannt ist nach der Druckschrift EP 0 653 183 A1 die Messung der FRC mit Schwefelhexafluorid (SF6) als Tracer. Nachteile dieser Methode sind die Nichtverfügbarkeit eines kommerziellen Sensors für die Hauptstrommessung, die Fehler aufgrund der Nebenstrommessung (siehe oben), die hohen Kosten des Gases, das erforderliche Reservoir zur Herstellung der Gasmischung und der manuelle Aufwand bei der Vorbereitung und Durchführung der Messung. Wegen des relativen hohen Aufwands und der mit dem Verfahren verbundenen Kosten wird diese Methode selten am Patienten angewendet, und dient vor allem zu Forschungszwecken.
Über Perfluorcarbone ist bekannt, dass sie zu einer Stoffgruppe gehören, die mit den Kohlenwasserstoffen verwandt ist. Im Gegensatz zu diesen ist in den Molekülen, die Ketten-, Ring- oder komplexere Strukturen haben können, aber mindestens ein Wasserstoffatom durch ein Fluoratom ersetzt. Die physikalischen Eigenschaften variieren mit der Struktur der Moleküle, aber vor allem mit der Anzahl der Kohlenstoffatome.
Aus der Druckschrift DE 198 23 606 A1 ist die Anwendung von Perfluorhexan (C6F14), einem linearen mit Fluoratomen gesättigten Molekül, als Bestandteil des Atemgasgemisches ausschließ­ lich zur Therapie des Lungenversagens bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine konstante Kon­ zentration des Perfluorcarbons im Atemgas über einen längeren Zeitraum appliziert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ermittlung der FRC so zu verbessern, dass sie bei spontanatmenden wie bei beatmeten Patienten möglich ist, die inspiratorische Sauerstoffkonzen­ tration und das Atemmuster nicht oder nur schwach beeinflusst wird, kostengünstiger, weniger aufwendig und sowohl mit geschlossenen als auch mit offenen System durchführbar ist. Außer­ dem soll ein Tracer nutzbar sein, der ohne Hochdrucksysteme einsetzbar und mit einem Sensor im Atemstrom messbar ist (Hauptstrommessung). Die Lösung soll außerdem automatisierbar sein, damit eine klinische Routineüberwachung möglich ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der FRC mit den im Anspruch 1 genann­ ten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Messung der FRC mit den im Anspruch 6 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand der zuge­ hörigen Unteransprüche.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Anordnung mit den in den Ansprüchen 11 oder 14 ge­ nannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand zugehöriger Unteran­ sprüche.
Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 wird als Tracer ein Perfluorcarbon in gasförmigen Zustand verwendet. Perfluorcarbone lassen sich aufgrund ihres Spektrums leicht mit optischen Verfahren (Absorption) durch Lichtabsorption im Atemstrom messen (Hauptstrommessung), so dass durch eine Nebenstrommessung verursachte Fehler beseitigt werden. Aufgrund der guten Messbarkeit ist es möglich, nur geringe Tracerkonzentrationen einzusetzen. Daraus ergibt sich eine ausreichend geringe Beeinflussung der inspiratorischen Sauerstoffkonzentration, die eine Anwendung der Methode bei schwerem Lungenversagen ermöglicht.
Der im Vergleich zu den bisher verwendeten Gasen relativ hohe Siedepunkt der Perfluorcarbone hat zur Folge, dass die Lagerung unter normalem Umgebungsdruck oder geringfügigem Über­ druck im flüssigen Zustand erfolgt, woraus sich eine erhebliche Vereinfachung zur Anwendung kommender Anordnungen ergibt. Die meisten Perfluorcarbone können darüber hinaus im flüssigen Zustand in den Atemkreis eingebracht werden, so dass sich weitere Vereinfachungen ergeben.
Der Siedepunkt variiert mit der Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül. Dadurch dass manche Perfluorcarbone einen Siedepunkt haben, der bei barometrischem Druck deutlich unter der Kör­ pertemperatur (37°C) liegt, befinden sich diese Substanzen innerhalb der Lungen im gasförmigen Zustand. Perfluorcarbone mit einem höheren Siedepunkt, wie z. B. Perfluorhexan, müssen demgegenüber mit einem Partialdruck unterhalb des maximalen Partialdrucks der gesättigten Gasphase appliziert werden, um den gasförmigen Zustand innerhalb der Lungen zu garantieren. Unter diesen Bedingungen sind Perfluorcarbone als Tracer für die Bestimmung der FRC beson­ ders geeignet.
Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 6 wird als Tracer ein Perfluorcarbon in gasförmigen Zustand zeitlich begrenzt beigemischt oder eingebracht, die Konzentration des Perfluorcarbons und ggf. die Menge mit auf der Lichtabsorption basierender Mittel ermittelt, wobei die Berechnung der Massenbilanz für das Perfluorcarbon aus ermittelter Konzentration und Menge oder ermittelter Konzentration und einer bekannten Menge erfolgt.
Das Verfahren nach Patentanspruch 6 erlaubt eine Verringerung des manuellen Aufwands und eine Verbesserung bisheriger Anordnungen bei geschlossenen Systemen, die vor allem im Bereich der Lungenfunktionsdiagnostik eingesetzt werden. Außerdem ist bei Verwendung des gleichen Tracers in geschlossenen wie in offenen Systemen eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse gegeben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist im Patentanspruch 7 angegeben. Mit dieser Variante werden Messfehler minimiert, da der applizierte Flow patientennah gemessen wird und günstige Voraussetzungen für eine stabile Synchronisation zwischen Flow- und Perfluorcarbon­ konzentration geschaffen werden. Die Messung kann weiter vorteilhaft mit einem Infrarotsensor im Hauptstrom durchgeführt werden. Bei Berücksichtigung der auftretenden Fehler ist auch eine Messung im Nebenstrom möglich.
Zur Durchführung der Messung in einem offenen oder einem geschlossenen System werden jeweils unterschiedliche Anordnungen nach den Ansprüchen 11 und 14 eingesetzt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, dass sie bei spontanatmenden wie bei beatmeten Patienten anwendbar ist, die inspiratorische Sauerstoffkonzentration und das Atemmuster nicht oder nur schwach beeinflussend, kostengünstiger, weniger aufwendig und sowohl mit geschlossenen als auch mit offenen System durchführbar ist. Außerdem kann das Perfluorcarbon im flüssigen Zustand gelagert und die Anordnung völlig automatisiert werden. Das neue Verfahren kann sowohl in der klinischen Routineüberwachung beatmeter Patienten, als auch in der Lungenfunktionsdiagnostik spontanatmender Patienten eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung zur Messung der funktionellen Residualkapazität (FRC) mit einem Perfluorcarbon als Tracer im offenen System;
Fig. 2 eine Darstellung einer Flow- und der Perfluorcarbonkonzentrationskurve während des Ein- und Auswaschmanövers;
Fig. 3 eine Anordnung zur Messung der funktionellen Residualkapazität (FRC) mit einem Perfluorcarbon als Tracer in geschlossenen Systemen.
Eine Anordnung zur Messung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Lungen ist in Fig. 1 dargestellt. Die Verbindungen zwischen den Einzelteilen werden über Kabel, Stecker oder Rohre hergestellt. Gemäß Fig. 1 enthält die Anordnung einen Mikroprozessor oder Kontroller 1, eine A/D-Wandler-Karte 2 zur Konvertierung der analogen in digitale Signale, einen Sensor zur Messung des Flows 3, einen Sensor zur Messung der Konzentration 4 des Perfluorcarbons und einen Verdampfer, Verdunster oder Einspritzer 5 zur Zuführung des Perfluorcarbons.
Der Mikroprozessor 1 steuert die Zufuhr des Perfluorcarbons, nimmt die Signale von Sensor 3 und Sensor 4 im Atemstrom auf und berechnet die FRC. Mittels der Steuerung durch den Mikroprozessor 1 können unterschiedlichen Konzentrationen des Perfluorcarbons zugeführt werden. Als Vereinfachung davon ist eine manuelle Steuerung der Perfluorcarbonzufuhr möglich, wobei der Mikroprozessor 1 dann nur die Signale aufnimmt und der FRC berechnet. Die Berechnung der FRC erfolgt mit folgenden Gleichungen:
indem FRCEinw der beim Einwaschen des Perfluorcarbons gemessenen FRC, FRCAusw der beim Auswaschen des Perfluorcarbons gemessenen FRC, FPFC der Fraktion des Perfluorcarbons im Atemgasgemisch, ζ dem Flow und FPFC,e der Fraktion des Perfluorcarbons im Atemgasgemisch beim Äquilibrium gleichzusetzen sind.
Die Applikation des Perfluorcarbons kann mittels eines Verdampfers, eines Verdunsters, eines Einspritzers 5 oder eines anderen Gerätes erfolgen.
In der Fig. 2 sind die Flow- und die Perfluorcarbonkonzentrationskurve während einer Messung dargestellt. Das Perfluorcarbon wird solange zugeführt, bis ein Ausgleich zwischen dem inspiratorischen und dem exspiratorischen Partialdruck des Perfluorcarbons erreicht wird (Einwaschphase). Anschließend wird die Zufuhr abgebrochen und die Signale des Flow und der Perfluorcarbonkonzentration weiter bis zur vollständigen Elimination des Perfluorcarbons aufgenommen (Auswaschphase).
Der Sensor 4 für die Perfluorcarbonkonzentration ist ein für das ausgewählte Perfluorcarbon kalibrierter Infrarot-Hauptstromsensor. Alternativ kann ein Hauptstromsensor mit einem anderen Messprinzip oder ein Nebenstromsensor verwendet werden. Bei letzterem ist allerdings mit einer Verschlechterung der gemessenen Signale zu rechnen.
Der Sensor 3 zur Messung des Flow, der Adapter für die Zufuhr des Perfluorcarbons und der Sensor 4 für die Perfluorcarbonkonzentration sind zwischen dem Tubus 7 bzw. einem Mundstück und dem Beatmungsgerät 8 angeordnet. Als Alternative ist die Anordnung des Adapters für die Perfluorcarbonzufuhr an einer anderen Position im Inspirationsschenkels möglich. Die. Sensoren 3 und 4 sind in Beatmungsrichtung nach dem Y-Stück 6 angeordnet.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Applikation des Perfluorcarbons für ein geschlossenes System dargestellt. Die Anordnung besteht aus einem Reservoir 9 mit Perfluorcarbon in der flüssigen Phase, einem Applikator 10 zur Einbringung des Perfluorcarbons in einen Atembeutel 11 und einem Sensor 4 zur Messung der Perfluorcarbonkonzentration im Atemgas. Der Patient wird mittels Dreiwegeventil 12 und Mundstück 13 an das System angeschlossen und atmet spontan das Gasgemisch aus dem Atembeutel 11 ein und aus, so dass sich ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration des Perfluorcarbons in den Lungen und im Atembeutel 11 einstellt. Daraus kann die FRC mit folgender Massenbilanzgleichung errechnet werden:
wobei VB das Volumen im Atembeutel, FB,i die initiale Fraktion und FB,e die Fraktion des Perfluorcarbons im Atembeutel nach Erreichen des Äquilibriums ist.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen unterschiedliche Diagnostik- bzw. Überwa­ chungsmöglichkeiten. Für spontanatmende Patienten kann die Messung der FRC die Lungen­ funktionsdiagnostik vervollständigen, bzw. zur besseren Steuerung von respiratorischen Thera­ pien führen, da verschiedene Krankheiten mit einer Veränderung der FRC verbunden sind. Bei beatmeten Patienten kann die erfindungsgemäße Anordnung dazu führen, dass das Beatmungs­ muster, insbesondere der positiv endexspiratorische Druck, so eingestellt wird, dass eine optimale FRC erreicht wird. Dadurch kann ein Patient besser oxygeniert und das Risiko eines durch erhöhten Beatmungsdruck hervorgerufenen Lungenschadens minimiert werden. Da die Anord­ nung als geschlossenes und offenes System angewendet werden kann, sind keine Änderungen des Atem- bzw. Beatmungsmusters erforderlich.
Bezugszeichenliste
1
Microprozessor/Kontroller
2
A/D-Wandler-Karte
3
Sensor zur Messung des Flow
4
Sensor zur Messung der Konzentration
5
Verdampfer, Verdunster, Einspritzer
6
Y-Stück
7
Tubus
8
Beatmungsgerät
9
PFC-Reservoir
10
Applikator
11
Atembeutel
12
Dreiwegeventil
13
Mundstück

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung der funktionellen Residualkapazität der Lungen (FRC) nach dem Tracergasprinzip, dadurch gekennzeichnet, dass als Tracer ein Perfluorcarbon in gasför­ migem Zustand verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Perfluorcarbon mit einem Siedepunkt unter 36°C verwendet wird oder die Applikation mit einem Partialdruck unterhalb des maximalen Partialdrucks einer gesättigten Gasphase erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Tracer Perfluorpentan oder Perfluorhexan verwendet wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Tracers am Gasvolumen bei der Beatmung 0,1 bis 79 Vol. % beträgt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Tracers am Gasvolumen bei der Beatmung 0,1 bis 5 Vol. % beträgt.
6. Verfahren zur Messung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Lungen, bei dem die Lungen mit einem offenen oder geschlossenen System versorgt werden und ein Tracer in die Lungen ein- und ausgewaschen wird, wobei der Tracer in einem offenen System einem Atemgas beigemischt oder in ein geschlossenes System eingebracht wird und eine Berechnung der Massenbilanz des Tracers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass als Tracer ein Perfluorcarbon im gasförmigen Zustand zeitlich begrenzt beigemischt oder eingebracht wird, die Konzentration des Perfluorcarbons und ggf. die Menge mit auf der Lichtabsorption basie­ render Mittel ermittelt wird, wobei die Berechnung der Massenbilanz für das Perfluorcarbon aus ermittelter Konzentration und Menge oder ermittelter Konzentration und einer bekannten Menge erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Konzentration des Perfluorcarbons ein Infrarotsensor (4) zwischen Y-Stück (6) und Tubus (7) verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Menge ein Sensor (3) zur Messung des Flow zwischen Y-Stück (6) und Tubus (7) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) im Haupt­ strom verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) im Neben­ strom verwendet wird.
11. Anordnung zur Messung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Lungen, bestehend aus einem Beatmungsgerät, einem daran angeschlossenen inspiratorischen und einem exspira­ torischen Zweig, einem Y-Stück zur Verbindung der beiden Zweige, das mit seinem freien Ende an einen Tubus oder einer Atemmaske am Mund des Patienten angeschlossen ist, und einer Zuführung für einen Tracer im inspiratorischen Zweig, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (3) zur Messung des Flow und ein Sensor (4) zur Messung der Perfluorcarbon- Konzentration im Atemgas vorgesehen sind, zur Beimischung eines Perfluorcarbons ein Verdampfer oder Verdunster mit dem inspiratorischen Zweig verbunden ist, ein Mikro­ prozessor (1) oder ein Kontroller vorgesehen ist, womit die Signale des Sensors (3) und des Sensors (4) aufgezeichnet werden, der Verdampfer oder Verdunster (5) steuerbar ist und die FRC aus den Signalverläufen der Sensoren (3, 4) berechnet wird.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (3) zur Messung des Flow und ein Sensor (4) zur Messung der Perfluorcarbon-Konzentration im Atemgas zwischen Tubus (7) und Y-Stück (6) vorgesehen ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) ein Infrarot­ hauptstromsensor ist.
14. Anordnung zur Messung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Lungen, mittels eines Tracers, der einem geschlossenen System, bestehend aus einem Atembeutel (11), einem Dreiwegeventil (12) und einem Mundstück (13), dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (4) zur Messung der Konzentration des Perfluorcarbons im Atemgas angeordnet ist, und am Atembeutel (11) Mittel (9, 10) zur Einleitung von Perfluorcarbon als Tracer angeschlossen sind, und zumindest die Konzentration des Tracers im Atemgas angezeigt wird.
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