Fingerpulsoxymetrie in großer Höhe unter starker körperlicher Belastung

Methoden: Während der Besteigung der Courtes (3 856 m) über das Nordost-Couloir wurde pulsoxymetrisch die Sauerstoffsättigung (SpO₂) über einen Fingerflexsensor gemessen und alle vier Sekunden ein Messwert gespeichert. Im Anschluss wurde die Rate der Fehlmessungen in Phasen hoher manueller Aktivität in Relation zur Rate der Fehlmessungen während der gesamten Tour und niedriger manueller Aktivität berechnet.

Ergebnisse: Insgesamt wurden 5 368 Messwerte für die SpO₂ aufgezeichnet, darunter 24,8 % (1 333/5 368) Fehlmessungen. Die Rate an Fehlmessungen betrug während Phasen hoher manueller Aktivität 35,2 % (823/2 340) und während Phasen niedriger manueller Aktivität 16,8 % (510/3 028).

Schlussfolgerungen: Eine Rate von 2/3 korrekter Messungen ist ausreichend, um die durchschnittliche Sauerstoffsättigung unter extremen Bedingungen erfassen zu können. Die Nutzung von Ohrsensoren könnte die Rate an Fehlmessungen senken. Das Verfahren ist zur Überwachung des Personals im Rahmen militärischer Ausbildung in großen Höhen geeignet

Schlüsselwörter: akute Bergkrankheit, Pulsoxymetrie, Sauerstoffsättigung, Akklimatisation, Bewegungsartefakt 

Summary

Background: For soldiers deployed at high altitude an ideal acclimatization is decisive. Pulse oximetry is widely used to facilitate the diagnosis of high altitude illness at an early state and to assess the individual level of acclimatization. With regard to acclimatization, there is good evidence that measurements during physical exercise have a higher signi-ficance compared to measurements at rest. However, physical exercise can compromise measurements. The aim of this study was to investigate the amount of incorrect measurements during severe physical exercise at high altitude.

Methods: The study was performed during an extreme ice-climb to the summit of Les Courtes (3 856 m). Oxygen saturation was measured and recorded every 4 seconds. The rate of incorrect measurements was calculated for the whole tour, for the part with high manual activity and the part with low manual activity.

Results: During the whole tour, we recorded 5 368 data points with 24.8 % (1 333/5 368) incorrect measurements. During the part with high manual activity 35.2 % (823/2 340) and for the part with low manual activity 16.8 % (510/3 028) data points were incorrect.

Conclusions: Even under these extreme conditions pulse oximetry provides meaningful results. For practical use 2/3 of usable data points are sufficient to assess mean oxygen saturation. The use of ear-sensors might reduce the rate of incorrect measurements. Pulse oximetry is suitable for mo-nitoring of personnel during high altitude military training.

Keywords: acute mountain sickness, pulse oximetry, oxygen saturation, acclimatization, moving artifact

Einführung

Der Einfluss des Gebirges auf militärische Operationen ist seit langem bekannt [1] und wurde bereits durch Carl von Clausewitz in seinem Buch vom Kriege (vgl. Bibliotheca Augustana http://www.hs-augsburg.de/~harsch/germanica/Chronologie/19Jh/Clausewitz/cla_kri0.html) detailliert beschrieben. Fallzahlanalysen militärischer Operationen der Neuzeit unterstreichen dies eindrücklich und machen deutlich, dass der Einfluss der Klimazone Gebirge nichts von seiner Aktualität verloren hat [2, 3]. Das wohl am besten analysierte Szenario ist die „Operation Anaconda“ (März 2003), das erste umfangreiche Gefecht im Afghanistan-Konflikt mit Beteiligung konventioneller Kräfte [4]. Große Teile der Kampfhandlungen fanden im gebirgigen Terrain in einer Höhe über 2 500 m statt, mit einer maximal erreichten Höhe von 3 190 m (Takur Ghar) [5, 6]. Das versorgende 274^th Forward Surgical Team (FST) behandelte 88 ausgefallene Soldaten, wobei 25 % aller Ausfälle durch das alpine Gelände und 15 % durch die Höhe verursacht wurden [4]. Der höchste jemals bekannt gewordene militärische Einsatz war die Besteigung des 7 422 m hohen Sia Kangri durch eine pakistanische Einheit im Jahre 1988 [7].

Während Höhenaufenthalten wird die Pulsoxymetrie häufig verwendet, um höhenassoziierte Gesundheitsstörungen frühzeitig zu erkennen und den individuellen Akklimatisationsgrad zu erfassen [8]. Bezüglich des Akklimatisationsgrades gibt es Hinweise, dass die Sauerstoffsättigung unter Belastung eine bessere Aussagekraft als die Sauerstoffsättigung im Ruhezustand bietet [9 - 12]. Jedoch kann körperliche Bewegung zu Messfehlern führen und somit die Messwerte beeinflussen [13]. Um den Einfluss von intensiver manueller Aktivität auf die Messgenauigkeit der Fingerpulsoxymetrie zu erfassen, untersuchten wir die Anzahl an Fehlmessungen während der Besteigung einer Eiswand in großer Höhe.

Methoden

Während der Besteigung der Courtes (3 856 m über NN, Mont-Blanc Massiv) über das Nordost-Couloir (800 m, 50°) (Abbildung 1) wurde fingerpulsoxymetrisch die Sauerstoffsättigung (SpO₂) gemessen.

Der Anstieg kann in mehrere Teilabschnitte gegliedert werden (Abbildung 2): 

1. Autofahrt zur Talstation als Beifahrer (1 210 m über NN) und Administration (07:32 - 08:30)
2. Fahrt mit der Seilbahn auf 2 620 m (08:30 - 09:04)
3. Schneller Aufstieg mit Tourenski auf 3 100 m über NN (09:04 - 09:29)
4. Abfahrt mit Ski auf den Glacier d`Argentière (2 650 m über NN; 09:29 - 09:38)
5. Aufstieg mit Tourenski zum Fuß des Eiscouloirs auf 3 050 m über NN (09:38 -10:24) (Abbildung 1, Beginn der roten Linie)
6. Vorbereitung der Ausrüstung für den Eisanstieg (10:24 -10:30) (hohe manuelle Aktivität)
7. Besteigung der Courtes (3 856 m Über NN) über das Nordostcouloir (10:30 - 13:00) (hohe manuelle Aktivität, Abbildung 3)

Die SpO₂ wurde mit dem Pulsoxymeter PalmSAT 2500^® (Nonin Plymouth, Minnesota, USA) während des gesamten Aufstiegs von 07:32 bis 13:00 Uhr gemessen und alle vier Sekunden automatisch gespeichert. Der Speicher hat eine Kapazität für 72 Stunden. Als Sensor wurde der flexible adult FlexSensor^® verwendet, der mit Hilfe eines speziellen Pflasters an der Fingerspitze fixiert wird (Abbildung 4). Abgesehen von der Autofahrt (Teilabschnitt 1) wurde ein Handschuh über dem Sensor getragen. Um eine sichere Handhabung der Ausrüstung zu gewährleisten, wurde der Sensor am Ring und nicht – wie sonst meist üblich – am Zeigefinger befestigt.

Die gespeicherten Daten wurden mit der Dokumentationssoftware nVision^® nach Excel übertragen und anschließend ausgewertet. Das PalmSAT 2 500^® vergibt für jeden unplausiblen Messwert den Wert "500". Wir berechneten das Verhältnis dieser "500er Werte" zur Anzahl der Messwerte während des gesamten Aufstieges, während der Teilabschnitte mit hoher manueller Aktivität (6 und 7) und geringer manueller Aktivität (1 - 5).

Ergebnisse

Insgesamt wurden 5 368 Sättigungswerte gespeichert, wovon 1 333 Fehlmessungen registriert wurden (24,8 %). Während den Phasen mit hoher manueller Aktivität kam es zu 35,2 % Fehlmessungen, wobei auf den Eisanstieg 778 Fehlmessungen bei 2 252 Messwerten (34,5 %) und auf die Vorbereitungszeit 45 Fehlmessungen bei 88 Messwerten (51,1 %) entfielen. In den Phasen mit niedrigerer manueller Aktivität (Teilabschnitt 1 - 5) kam es zu 510 Fehlmessungen bei 3 028 Messwerten (16,8 %), wobei die niedrigste Fehlmessungsrate (72 Fehlmessungen bei 1 312 Messwerten) während des Teilabschnittes 1 (Autofahrt und Administration) gemessen wurde (5,5 %, Abbildung 5).

Bei der graphischen Darstellung der Messwerte mit der Nonin evaluation software (nVisison^®, Plymouth, Minnesota, USA) werden die Fehlmessungen ("500er Werte") als Lücken dargestellt (Abbildung 6). Dennoch ist die Abnahme der SpO₂ mit zunehmender Höhe und Belastung klar zu erkennen.

Diskussion

Die Rate an Fehlmessungen der Fingerpulsoxymetrie variiert stark mit dem Ausmaß der manuellen Aktivität. Sie schwankt zwischen 5,5 % während geringer manueller Aktivität (Autofahrt als Beifahrer) und 51,1 % bei Tätigkeiten mit hoher manueller Aktivität, wie dem Vorbereiten der Ausrüstung. 

Als Basis-Fehlmessungsrate für Feldversuche mit geringer körperlicher Aktivität ist anhand unserer Daten eine Fehlmessungsrate von 5,5 % zu veranschlagen (Autofahrt als Beifahrer: sitzend, ohne manuelle Tätigkeit). Zieht man diesen Basisprozentsatz von der Rate an Fehlmessungen bei körperlicher Aktivität ab, so führt diese zu einer Erhöhung der Fehlmessungen von 10 bis 45 % in Abhängigkeit der körperlichen Aktivität. Die Fehlmessungen ("500-Werte") werden jedoch auf dem Display nicht angezeigt. Eine Abnahme der Messqualität wird aber durch einen Wechsel der pulssynchronen Leuchtdiode (Abbildung 4) von Grün über Gelb auf Rot dargestellt. In diesen Fällen sollte die Ableitungssituation beispielsweise durch Einschränkung der Bewegungen, Refixation des Sensors oder Erwärmen der Hände optimiert werden.

Die Bedingungen bei diesem Versuch waren durch Kälte, Höhe, extreme körperliche Aktivität und teilweise hohe manuelle Aktivität in ihrer Gesamtheit herausfordernder als bei üblichen militärischen Operationen im gebirgigen Gelände. Die Teilabschnitte 1 - 5 sind jedoch charakteristisch für alpine Touren, wie sie auch im militärischen Rahmen, beispielsweise bei der Verlegung von Truppenteilen, regelmäßig stattfinden. Die Rate an Fehlmessungen von 16,8 % kann somit als Standard Fehlmessungsrate bei Messungen der Sauerstoffsättigung im Feldversuch während körperlicher Belastung und geringer bis mittlerer manueller Aktivität herangezogen werden [14, 15]. Auch die graphische Darstellung vermittelt trotz vorhandener Lücken in der Messreihe einen ausreichenden Eindruck über den Sättigungsverlauf während des Messzeitraumes. Selbst unter fordernden äußeren Bedingungen generiert die Fingerpulsoxymetrie ca. 2/3 verwertbare Messungen, während militärtypischer Belastungen sind es sogar ca. 85 %. Dies ist für eine Auswertung des Sättigungsverlaufes in Feldversuchen ausreichend.

Für Statistische Berechnungen der Messreihen empfehlen die Autoren, diese ohne die "500er Werte" durchzuführen. Andernfalls würden diese "500er-Werte" alle statistischen Größen (Mittelwert Maximalwert, Standardabweichung, etc.) massiv verfälschen. Bei der Mehrzahl von Graphikprogrammen besteht keine Möglichkeit, Leerwerte in einer Datenreihe anzuzeigen. Deshalb empfehlen die Autoren für graphische Darstellungen, die nicht mit der Herstellersoftware erzeugt werden, die "500er Werte" durch die direkt vorangehenden oder nachfolgenden Werte zu ersetzen, da andernfalls beim alleinigen Entfernen dieser Fehlmessungswerte die Zeitachse deutlich verkürzt und so einen falschen Eindruck über die Dauer der Aktivität vermitteln würde.

Eine Steigerung der Messqualität kann durch die Benutzung eines Ohrclips erreicht werden (Abbildung 7). Jedoch hat diese Messmethode auch entscheidende Nachteile. Sie erfordert einen speziellen Messsensor, der defektanfällig ist. Eine zuverlässige Fixierung am Ohrläppchen ist nur sehr schwer möglich, so dass der Clip während der Messung öfters adjustiert werden muss. Zudem wird bei niedrigen Temperaturen das Erfrierungsrisiko am Ohrläppchen erhöht (induktive Wärmeableitung, Interferenz mit Isolationsschichten) und das Messkabel schränkt die Bewegungsfreiheit des Kopfes ein. Auch haben die Autoren die Tendenz von höheren Messwerten bei der Ohrpulsoxymetrie im Vergleich zur Fingerpulsoxymetrie (bis zu 2 %-Punkte) mehrfach bemerkt. Diese Ableitungsmethode erscheint somit derzeit für den militärischen Einsatz und die breite Anwendung weniger gut geeignet zu sein.

Körperliche Belastung kann höhenassoziierte Erkrankungen hervorrufen [10]. Die Möglichkeit zur Erhebung von Daten in Feldversuchen, die die Belastungsintensität widerspiegeln, ist gerade für die Vorbereitung und Ausbildung von Soldaten auf militärische Einsätze in der Höhe von hoher Relevanz. Zahlreiche Daten belegen, dass Soldaten ausgesprochen anfällig für höhenassoziierte Gesundheitsstörungen sind [16]. So sind höhenkrankheitsbedingte Komplettausfälle von 2 % des Personals innerhalb der ersten drei Tage nach Verlegung in eine vergleichsweise niedrige Höhe zwischen 2 000 m bis 2 500 m bei US-Marines [17] dokumentiert. In Berichten der indischen Armee finden sich Ausfallraten von 8,3 % in einer Höhe zwischen 3 350 m und 5 500 m [18]. In der US-Army trat in einem Höhenbereich zwischen 2 000 - 3 960 m bei 20 - 70 % des Personals eine akute Bergkrankheit auf [19].

Ursächlich für diese hohe Anfälligkeit sind die Besonderheiten des militärischen Einsatzes in der Höhe. Eine lange, durch die Notwendigkeit zur Auftragserfüllung bedingte, Expositionszeit in der Höhe ist eine wichtige Ursache der Höhenkrankheit, denn diese tritt typischerweise mit einer Latenz von 6 - 48 h nach Beginn der Höhenexposition auf [20]. Der zivile Bergsteiger hat zu diesem Zeitpunkt den Gipfel längst wieder verlassen. Hinzu kommen taktische Vorgaben, wie die oft sehr rasche Aufstiegsgeschwindigkeit ohne ausreichende Möglichkeit zur Akklimatisation (z. B. durch Hubschrauberunterstützung) und eine im Vergleich zum "normalen" Bergsteigen schwerere militärische Ausrüstung [7].

Gerade der taktische Zwang zum zügigen Zurücklegen von Strecken und mitzuführende militärische Ausrüstung verursachen eine zusätzliche körperliche Belastung, die zu einer belastungsabhängigen O₂-Entsättigung führt [8]. Der Grad der O₂-Entsättigung erlaubt hierbei Rückschlüsse auf die individuelle Akklimatisation [15]. Durch deren Erfassen ist es somit möglich, Personal zu selektieren, welches bestmöglich akklimatisiert ist, damit ein geringes Risiko für höhenassoziierte Erkrankungen aufweist und für Einsätze in großen Höhen bestmöglich geeignet ist [11]. Im Umkehrschluss kann für Soldaten, bei denen eine auffällige O₂-Entsättigung registriert wird, eine weitere Akklimatisationsphase eingeplant werden, damit sie nicht als höhenkranke Patienten ihre gesunden Kameraden binden und somit den Einsatz gefährden. 

Das US-Army Research Institute of Environmental Medicine sieht in der Nutzung normobarer Hypoxiekammern eine vielversprechende Möglichkeit, Soldaten auf Einsätze in großen Höhen vorzubereiten und plädiert für die Anwendung dieser Technik [19]. Hierbei können unter Laborbedingungen relativ unkompliziert Messdaten erhoben werden. Jedoch ist eine reale Exposition vorzuziehen, da nur so andere Faktoren der Höhe wie niedrigerer Luftdruck, Kälte, Wind, verstärkte UV-Strahlung und die Abgeschiedenheit zur Zivilisation mit all ihren Entbehrungen erfahren werden können. Mit Hilfe der Pulsoxymetrie ist es selbst im Feldversuch möglich, den Grad der körperlichen Belastung über die O₂-Entsättigung zu objektivieren und im Rahmen von Ausbildungen den Soldaten im Sinne eines Biofeedbacks bewusst zu machen und zu steuern [21]. So können wertvolle Erfahrungen zum richtigen Verhalten in großen Höhen erlernt und mit dem Ziel verinnerlicht werden, das Risiko für höhenassoziierte Erkrankungen im Einsatz zu reduzieren.

Schlussfolgerungen

Selbst bei extremer körperlicher Belastung mit hohem Anteil an manueller Aktivität bewegen sich die Fehlmessungen der Fingerpulsoxymetrie (Nonin PalmSAT 2 500^® mit adult FlexSensor^®) in einem Bereich, der eine aussagekräftige Beurteilung der Sauerstoffsättigung problemlos zulässt. Somit kann die Puls-oxymetrie auch während körperlich aktiver Phasen bei militärischen Ausbildungen und Einsätzen in der Höhe verwendet werden. Statistische Auswertungen erfordern eine geringfügige Überarbeitung der erhobenen Daten zum Ausschluss von Fehlmessungen.

Literatur

1. Oberkommando des Heeres (1943 Nachdruck). Taschenbuch für das militärische Bergsteigen, Nachdruck. Ubstadt-Weiher, Enforcer Verlag.
2. US-Army (2010). Altitude Acclimatization and Illness Management. TB MED 505. DotA Headquarters.
3. NATO (2011). Review of Military Mountain Medicine Technology and Research Barriers. RTO Technical Report, TR-HFM-146 (AC/323(HFM-146)TP/387).
4. Peoples GE, Gerlinger T, Craig R and Burlingame B: The 274th Forward Surgical Team experience during Operation Enduring Freedom. Mil Med 2005; 170(6): 451-459.
5. Blaber P (2010). The Mission, The Men, and Me: Lessons from a Former Delta Force Commander. New York, Berkley Trade.
6. Naylor S (2006). Not a Good Day to Die: The Untold Story of Operation Anaconda. New York Berkley Books.
7. Tannheimer M: Der Militärische Einsatz in Großer Höhe. Alpinmedizinischer Rundbrief 2012; 46(1): 8-11.
8. Tannheimer M, Thomas A and Gerngross H: Oxygen saturation course and altitude symptomatology during an expedition to Broad Peak (8047 m). Int J Sports Med 2002; 23(5): 329-335.
9. Saito S, Shimada H, Imai T, Futamata Y and Yamamori K: Estimation of the degree of acclimatization to high altitude by a rapid and simple physiological examination. Int Arch Occup Environ Health 1995; 67(5): 347-351.
10. Roach RC, Maes D, Sandoval D, et al.: Exercise exacerbates acute mountain sickness at simulated high altitude. J Appl Physiol 2000; 88(2): 581-585.
11. Tannheimer M, Albertini N, Ulmer HV, et al.: Testing individual risk of acute mountain sickness at greater altitudes. Mil Med 2009; 174(4): 363-369.
12. Tannheimer M, Buzzelli MD, Albertini N, et al.: Improvement in altitude performance test after further acclimatization in pre-acclimatized soldiers. Mil Med 2013; 178(5): 507-510.
13. Lee J, Jung W, Kang I, Kim Y and Lee G: Design of filter to reject motion artifact of pulse oximetry. Computer Standards & Interfaces 2004; 26: 241-249.
14. Lazio MP, Van Roo JD, Pesce C, Malik S and Courtney DM: Postexercise peripheral oxygen saturation after completion of the 6-minute walk test predicts successfully reaching the summit of Aconcagua. Wilderness Environ Med 2010; 21(4): 309-317.
15. Tannheimer M: Früherkennung der Höhenkrankheit und Beurteilung des Akklimatisationsgrads. Alpinmedizinischer Rundbrief 2015; (52): 5-14.
16. Singh I (1969). Biomedicine of High Terrestrial Elevation Problems. Washington, DC, US Army Research and Development Command.
17. Pigman EC and Karakla DW: Acute mountain sickness at intermediate altitude: military mountainous training. Am J Emerg Med 1990; 8(1): 7-10.
18. Singh I, Khanna PK, Srivastava MC, et al.: Acute mountain sickness. N Engl J Med 1969; 280(4): 175-184.
19. Muza SR: Military applications of hypoxic training for high-altitude operations. Med Sci Sports Exerc 2007; 39(9): 1625-1631.
20. Maggiorini M, Buhler B, Walter M and Oelz O: Prevalence of acute mountain sickness in the Swiss Alps. Bmj 1990; 301(6756): 853-855.
21. Lechner R and Tannheimer M (2012). Taktische Höhenphysiologie - Hintergründe und Erfahrungen. DGWMP Jahreskongress. Kassel.

Die diesem Beitrag zu Grunde liegenden Ergebnisse wurden von M. Tannheimer auf dem 6. European Hypoxia Symposium (10. - 15. September 2013, Zakopane, Polen) vorgetragen und hier nun unter wehrmedizinischen Aspekten neu bewertet.

Interessenkonflikt: Die Verfasser erklären, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

Bildquellen:

Abbildung 1 und 4: Raimund Lechner
Abbildung 3: Genehmigung zur Veröffentlichung liegt den Verfassern vor

Datum: 26.05.2015