Horowitz-Index (PaO2/FiO2-Quotient)

Klinischer Hintergrund

Der Horowitz-Index, auch PaO₂/FiO₂-Quotient genannt, ist das verbreitetste Maß zur Quantifizierung der Hypoxämie bei beatmeten Patientinnen und Patienten. Sein klinisches Gewicht liegt nicht darin, selbst ein Prognoseinstrument zu sein, sondern darin, das Rückgrat der Berlin-Definition des ARDS zu bilden, in der er allein die Schweregradeinteilung und damit die therapeutischen Konsequenzen bestimmt [2]. Ohne einen standardisierten Oxygenierungsmarker fehlt der Intensivmedizin eine gemeinsame Sprache, um Patientinnen und Patienten zwischen Stationen, Studien und Ländern zu vergleichen – der Hauptgrund dafür, dass der Quotient bereits 1994 in die ARDS-Definition aufgenommen und in der Berlin-Revision von 2012 beibehalten wurde [2].

Berechnung des Horowitz-Index

$$\text{P/F-Quotient} = \frac{\text{PaO}_2 \text{ (mmHg)}}{\text{FiO}_2 \text{ (als Fraktion)}}$$

PaO₂ ist der arterielle Sauerstoffpartialdruck in mmHg aus einer arteriellen Blutgasanalyse. FiO₂ ist die inspiratorische Sauerstoffkonzentration als Fraktion (0,21 für Raumluft bis 1,0 für 100 % Sauerstoff). Der Quotient hat keine eigene Einheit und wird in mmHg angegeben, da die FiO₂ dimensionslos ist.

Der Horowitz-Index wurde 1974 von Horovitz, Carrico und Shires als einfaches Maß der Oxygenierungsfähigkeit bei Trauma und Schock eingeführt, mit dem Vorteil, den PaO₂ auf die tatsächlich zugeführte Sauerstoffkonzentration zu normieren [1]. Durchgesetzt hat er sich jedoch erst, als er 1994 in die ARDS-Definition der amerikanisch-europäischen Konsensuskonferenz und danach 2012 in die Berlin-Definition aufgenommen wurde [2].

Die Berlin-Definition wurde von einem Expertengremium der European Society of Intensive Care Medicine mit Unterstützung der American Thoracic Society und der Society of Critical Care Medicine entwickelt. Die empirische Auswertung umfasste eine Metaanalyse auf Patientenebene mit 4188 ARDS-Patientinnen und -Patienten aus vier Multizenterstudien sowie 269 Personen aus drei Einzelzenterstudien mit physiologischen Daten [2]. Es wurden drei sich gegenseitig ausschließende Schweregrade definiert, jeweils mit der Voraussetzung eines PEEP oder CPAP ≥ 5 cmH₂O:

Interpretation in der Praxis

Der Horowitz-Index ist stets im Licht der aktuellen Beatmungseinstellungen zu interpretieren, insbesondere des PEEP. Ein P/F-Quotient von 150 bei PEEP 5 cmH₂O bedeutet eine andere Lungenschädigung als 150 bei PEEP 15 cmH₂O: Im zweiten Fall liegt mehr rekrutierbares Lungengewebe vor, dieses wird aber durch einen höheren PEEP gestützt; im ersten Fall ist die Rekrutierbarkeit schlechter, die Unterstützung aber geringer. Der Quotient allein kann das nicht unterscheiden.

Die Schweregradeinteilung setzt sich nach den geltenden Leitlinien in klinische Maßnahmen um:

• Leichtes ARDS (200–300): Eine frühe nichtinvasive Beatmung oder High-Flow-Sauerstofftherapie kann erwogen werden. Standard-PEEP-Strategie nach Niedrig-PEEP-Protokoll. Die Prognose ist relativ gut, doch eine Überwachung ist geboten, da ein Teil der Fälle fortschreitet.
• Mittelschweres ARDS (100–200): Invasive Beatmung mit lungenprotektiver Strategie (Tidalvolumen 6 ml/kg Standardkörpergewicht) und individualisiertem PEEP nach PEEP/FiO₂-Tabelle. Bauchlagerung erwägen, wenn keine Besserung eintritt.
• Schweres ARDS (< 100): Bauchlagerung wird routinemäßig empfohlen. Bei refraktärer Hypoxämie sollte die Eignung für eine extrakorporale Lungenunterstützung (ECMO) geprüft werden, insbesondere wenn der Schweregrad trotz adäquater PEEP-Optimierung fortbesteht [2,4].

Validierung und Testgüte

Die Diskriminationsfähigkeit der Berlin-Definition für die Mortalität war in der Ableitungskohorte mäßig, mit einer AUC von 0,577 (95 % KI 0,561–0,593); das war signifikant besser als die Vorgängerdefinition der AECC (AUC 0,536), aber weit von einem starken Prädiktor entfernt [2].

In einer externen Validierung mit 3442 Patientinnen und Patienten aus sieben ARDS-Network-Studien betrug die AUC des P/F-Quotienten für die Krankenhaussterblichkeit bei PEEP > 5 cmH₂O 0,659 (95 % KI 0,637–0,681) [3]. Wurde der PEEP in den Quotienten einbezogen (P/FP-Quotient, also PaO₂ × 10 / [FiO₂ × PEEP]), stieg die AUC auf 0,710 (95 % KI 0,691–0,730); bei PEEP ≥ 18 cmH₂O war der Unterschied noch größer: 0,963 gegenüber 0,828 für den P/F-Quotienten [3]. Das unterstreicht, dass der prädiktive Wert des P/F-Quotienten stark vom PEEP zum Messzeitpunkt abhängt.

In einer prospektiven Kohorte von 100 konsekutiven ARDS-Patientinnen und -Patienten betrug die mittlere AUC der Berlin-Definition für die 28-Tage-Mortalität über vier Tage 0,604 in der Subgruppe mit transpulmonaler Thermodilution und lag in der Gesamtgruppe niedriger [4]. An Tag 1 nach Intubation betrug die AUC in der Subgruppe 0,697 und fiel danach ab. Der Oxygenierungsindex (OI = mittlerer Atemwegsdruck × FiO₂ / PaO₂) übertraf die P/F-basierten Scores konsistent (AUC 0,689 an Tag 1, Vier-Tage-Mittel 0,625) [4].

Die 2024 publizierte globale Definition baut auf Berlin auf und behält die P/F-Schwellen unverändert bei, erlaubt aber bei einer SpO₂ ≤ 97 % zusätzlich den SpO₂/FiO₂-Quotienten, besonders in ressourcenarmen Umgebungen [5]. Sie lässt zudem High-Flow-Sauerstofftherapie ≥ 30 L/min und die Sonographie als bildgebendes Verfahren zu, was die Anwendbarkeit erweitert, an der Rolle des P/F-Quotienten bei invasiver Beatmung aber nichts ändert.

Limitationen

Der P/F-Quotient hat mehrere bekannte Schwächen, die in der Klinik präsent sein müssen:

FiO₂-Abhängigkeit. Der Quotient sinkt bei steigender FiO₂ auch dann, wenn der PaO₂ unverändert bleibt, da die Beziehung zwischen PaO₂ und FiO₂ nicht linear ist, besonders bei hohen FiO₂-Werten. Bei FiO₂ 1,0 fällt der Quotient niedriger aus als bei FiO₂ 0,5, sonst gleiche Bedingungen vorausgesetzt. Der Quotient ist damit kein reines Maß der Lungenschädigung, sondern auch eine Funktion der gewählten Sauerstoffeinstellung.

PEEP-Abhängigkeit. Zwei Personen mit identischem P/F-Quotienten, aber unterschiedlichem PEEP haben nicht zwangsläufig denselben Schweregrad der Lungenschädigung. Ein höherer PEEP kann kollabierte Alveolen rekrutieren und den PaO₂ anheben, sodass der Quotient den Schweregrad unterschätzt [3]. Palanidurai et al. zeigten, dass 54 % der Patientinnen und Patienten umklassifiziert wurden, wenn der PEEP in den Quotienten einbezogen wurde; davon wechselten 12,5 % vom mittelschweren zum schweren und 15 % vom leichten zum mittelschweren ARDS [3].

Begrenzter prädiktiver Wert. Mit einer AUC um 0,58–0,66 in externen Kohorten ist der P/F-Quotient allein ein schwacher Mortalitätsprädiktor [2,3,4]. Er sollte nicht allein zur Prognoseabschätzung dienen, sondern mit weiteren Größen wie PEEP, respiratorischer Compliance, weiteren Beatmungsindizes und dem Ausmaß des Organversagens kombiniert werden.

Erfordernis einer arteriellen Blutgasanalyse. Der Quotient setzt eine arterielle Blutgasanalyse voraus, also einen invasiven Eingriff, der in ressourcenarmen Umgebungen nicht verfügbar sein kann. Die globale Definition von 2024 erlaubt daher bei SpO₂ ≤ 97 % den SpO₂/FiO₂-Quotienten als Surrogat, mit Einschränkungen der Zuverlässigkeit bei dunkleren Hauttönen und bei Kreislaufschock [5].

Nicht anwendbar bei nichtinvasiver Oxygenierung ohne PEEP/CPAP ≥ 5. Die Berlin-Definition verlangt einen PEEP oder CPAP ≥ 5 cmH₂O, damit der Quotient ein ARDS klassifiziert. Patientinnen und Patienten unter High-Flow-Sauerstofftherapie können nach der globalen Definition inzwischen eingeschlossen werden, doch der P/F-Quotient wird dann nicht auf dieselbe Weise gemessen, und die Schwellenwerte sind anders validiert [5].

Quellen

1. Horovitz JH, Carrico CJ, Shires GT. Arch Surg 1974;108(3):349–55. PMID: 4813081
2. ARDS Definition Task Force; Ranieri VM, Rubenfeld GD, Thompson BT et al. Acute respiratory distress syndrome: the Berlin Definition. JAMA 2012;307(23):2526–33. PMID: 22797452
3. Palanidurai S, Phua J, Chan YH et al. P/FP ratio: incorporation of PEEP into the PaO₂/FiO₂ ratio for prognostication and classification of acute respiratory distress syndrome. Ann Intensive Care 2021;11(1):90. PMID: 34370116
4. Huber W, Findeisen M, Lahmer T et al. Prediction of outcome in patients with ARDS: A prospective cohort study comparing ARDS-definitions and other ARDS-associated parameters, ratios and scores at intubation and over time. PLoS One 2020;15(5):e0232720. PMID: 32374755
5. Matthay MA, Arabi Y, Arroliga AC et al. A New Global Definition of Acute Respiratory Distress Syndrome. Am J Respir Crit Care Med 2024;209(1):37–47. PMID: 37487152