Klinischer Hintergrund
Die Beurteilung der Oxygenierung bei Verdacht auf ARDS erforderte traditionell eine arterielle Blutgasanalyse, um den PaO₂/FiO₂-Quotienten (Horovitz-Index) zu berechnen, der sowohl in der Berlin-Definition als auch in deren Vorläufern enthalten ist. Eine arterielle Blutgasanalyse steht jedoch nicht immer sofort zur Verfügung, insbesondere nicht außerhalb der Intensivstation oder in ressourcenbegrenzten Settings. Der SpO₂/FiO₂-Quotient wurde entwickelt, um diese Lücke zu schließen: ein nichtinvasiver Surrogatmarker, der aus der Pulsoxymetrie und der eingestellten inspiratorischen Sauerstofffraktion berechnet werden kann, ohne dass eine arterielle Punktion nötig ist. Das Instrument erfüllt zwei Funktionen: Es ermöglicht eine frühere Identifizierung von Patientinnen und Patienten, die das Hypoxämiekriterium für ARDS erfüllen, und es verringert den Bedarf an wiederholten arteriellen Blutgasanalysen, wenn die primäre Fragestellung den Grad der Oxygenierung betrifft.
Berechnung des SpO₂/FiO₂-Quotienten
Der Quotient wird als pulsoxymetrische Sättigung geteilt durch die inspiratorische Sauerstofffraktion, ausgedrückt als Anteil, berechnet:
Beispielsweise ergibt eine pulsoxymetrische Sättigung (SpO₂) von 92 % bei einer inspiratorischen Sauerstofffraktion (FiO₂) von 40 % (0,40) einen Quotienten von 230.
Die Ableitungsstudie wurde von Rice und Mitarbeitenden im Rahmen des ARDS Network durchgeführt [1]. Die Daten stammten aus der ARMA-Studie, einer Untersuchung zu niedrigem versus Standard-Tidalvolumen bei maschineller Beatmung, und umfassten 672 Patientinnen und Patienten mit akutem Lungenversagen (acute lung injury) oder ARDS. Aus diesen Fällen wurden 2.613 zeitlich zugeordnete Messungen von SpO₂ (begrenzt auf ≤97 %) und PaO₂ gesammelt. Die Beziehung zwischen SpO₂/FiO₂ und PaO₂/FiO₂ wurde mit einer linearen Gleichung beschrieben:
mit einem Korrelationskoeffizienten von r = 0,89 (p < 0,0001). Die Validierung erfolgte in einer separaten Kohorte aus der ALVEOLI-Studie (402 Patientinnen und Patienten, 2.031 Messungen), in der die lineare Beziehung reproduziert wurde. Aus der Gleichung wurden die Schwellenwerte abgeleitet: Ein SpO₂/FiO₂-Quotient von 235 entspricht einem PaO₂/FiO₂-Quotienten von 200, und ein SpO₂/FiO₂-Quotient von 315 entspricht einem PaO₂/FiO₂-Quotienten von 300 [1].
Interpretation in der Praxis
Der SpO₂/FiO₂-Quotient wird in eine ARDS-Schweregradeinteilung übersetzt, die der Struktur des PaO₂/FiO₂-Quotienten in der Berlin-Definition entspricht, jedoch mit verschobenen Schwellenwerten:
| SpO₂/FiO₂-Quotient | Entsprechender PaO₂/FiO₂ | Schweregrad | Klinisches Vorgehen |
|---|---|---|---|
| ≤235 | ≤200 | Mittelgradiges bis schweres ARDS | Intensivierung der Atemunterstützung; invasive Beatmung erwägen, falls noch nicht etabliert; Indikation für Bauchlagerung und neuromuskuläre Blockade bei schwerer Hypoxämie prüfen |
| 236-315 | 201-300 | Leichtes ARDS | ARDS-gerichtete Therapie einleiten (niedriges Tidalvolumen, PEEP-Titration); bei nicht intubierten Patientinnen und Patienten nichtinvasive Beatmung oder nasale Hochfluss-Sauerstofftherapie erwägen |
| >315 | >300 | Erfüllt das ARDS-Kriterium nicht | Andere Ursache der Hypoxämie abklären; der Quotient schließt ein ARDS nicht aus, wenn er bei SpO₂ >97 % gemessen wird |
Bei einem Quotienten unter 315 ist daher davon auszugehen, dass das Hypoxämiekriterium für ARDS erfüllt ist, sofern auch die übrigen Kriterien (zeitlicher Verlauf, bilaterale Verdichtungen, Ausschluss einer kardialen Ursache) erfüllt sind. Ein Quotient unter 235 kennzeichnet eine mittelgradige bis schwere Hypoxämie und sollte Überlegungen zur Eskalation der Atemunterstützung auslösen.
Die neue globale ARDS-Definition, 2024 von einer Konsensusgruppe aus 32 Expertinnen und Experten veröffentlicht, akzeptiert formal SpO₂/FiO₂ ≤315 (bei SpO₂ ≤97 %) als Alternative zu PaO₂/FiO₂ ≤300, um das Hypoxämiekriterium zu erfüllen [5]. Die Definition erweitert die ARDS-Diagnose zudem auf Patientinnen und Patienten, die mit nasaler Hochfluss-Sauerstofftherapie (≥30 L/min) behandelt werden, eine Gruppe, bei der häufig kein arterieller Zugang vorhanden ist und der SpO₂/FiO₂-Quotient besonders praktikabel ist.
Validierung und Performance
In der Ableitungskohorte zeigte der Schwellenwert SpO₂/FiO₂ 235 eine Sensitivität von 85 % und eine Spezifität von 85 % für die Identifizierung eines PaO₂/FiO₂ ≤200. Der Schwellenwert 315 hatte eine Sensitivität von 91 %, aber eine niedrigere Spezifität von 56 % für PaO₂/FiO₂ ≤300. Das bedeutet, dass ein erheblicher Anteil der Patientinnen und Patienten ohne ARDS nach PaO₂/FiO₂ dennoch nach SpO₂/FiO₂ als ARDS klassifiziert wird [1].
Chen und Mitarbeitende führten eine Sekundäranalyse einer prospektiven Beobachtungskohorte auf einer internistischen Intensivstation mit 362 ARDS-Patientinnen und -Patienten durch [3]. Davon wurden 238 (66 %) anhand von PaO₂/FiO₂ und 124 (34 %) anhand von SpO₂/FiO₂ diagnostiziert. Die klinischen Merkmale und Outcomes der Patientinnen und Patienten waren zwischen den Gruppen weitgehend identisch: Die Mortalität betrug in beiden Gruppen 36 %, die Dauer der maschinellen Beatmung in beiden Gruppen 7 Tage, und die Dauer des Intensivaufenthalts 10 bzw. 9 Tage (p = 0,26). Dies stützt die Annahme, dass der SpO₂/FiO₂-Quotient eine Patientengruppe mit derselben Prognose identifiziert wie die anhand von PaO₂/FiO₂ diagnostizierte.
Eine kritischere externe Evaluation wurde 2025 von Erlebach und Mitarbeitenden vorgestellt [2]. In einer retrospektiven Kohorte aus drei Intensivdatenbanken (ICU Cockpit, MIMIC-IV und SICdb) mit 708 ARDS-Patientinnen und -Patienten und 11.916 zeitlich zugeordneten Messpunkten wurde der ARDS-Schweregrad in 33 % der Messpunkte falsch klassifiziert. Von den fehlklassifizierten Fällen wurde der Schweregrad in 84 % überschätzt. Die Korrelation zwischen SpO₂/FiO₂ und PaO₂/FiO₂ war niedriger als in der Ableitungsstudie (r = 0,69 im Vergleich zu r = 0,89). Die Klassifikationsgenauigkeit variierte stark mit der FiO₂-Einstellung, von 22 % bei FiO₂ 70 % bis 91 % bei FiO₂ 55 %. Die Fähigkeit, Veränderungen der Oxygenierung im Zeitverlauf zu verfolgen, war begrenzt: Nur 19,6 % der Änderungen des auf PaO₂/FiO₂ basierenden Schweregrads zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten wurden vom SpO₂/FiO₂-Quotienten korrekt erfasst.
Ein Übersichtsartikel von 2022 fasst zusammen, dass nichtlineare Imputationsmethoden, die die sigmoide Form der Sauerstoffdissoziationskurve des Hämoglobins berücksichtigen, etwas genauer sein können als die lineare Gleichung, insbesondere bei extremen Sauerstoffwerten [4]. Eine prospektive Validierung bei 703 maschinell beatmeten Patientinnen und Patienten zeigte, dass die nichtlineare Imputation eine Sensitivität von 0,87 und eine Spezifität von 0,91 für PaO₂/FiO₂ ≤150 ergab, verglichen mit 0,90 bzw. 0,67 für PaO₂/FiO₂ <300. Die lineare Gleichung wurde jedoch wegen ihrer Einfachheit und ausreichenden Leistung für den diagnostischen Gebrauch in der globalen Definition beibehalten [5].
Einschränkungen
Die wichtigste physiologische Einschränkung besteht darin, dass der SpO₂/FiO₂-Quotient nur zuverlässig ist, wenn die pulsoxymetrische Sättigung ≤97 % beträgt. Oberhalb dieses Wertes befindet sich die Sättigung auf dem flachen Teil der Sauerstoffdissoziationskurve des Hämoglobins, wo große Änderungen des PaO₂ nur minimale Änderungen der SpO₂ bewirken. Der Quotient unterschätzt dann die Hypoxämie und kann nicht zum Ausschluss eines ARDS verwendet werden [1, 4].
Die Pulsoxymetrie ist zudem bei schlechter peripherer Perfusion weniger genau, beispielsweise bei Schock oder peripherer arterieller Verschlusskrankheit, sowie bei erhöhten Konzentrationen von Carboxyhämoglobin oder Methämoglobin. Eine systematische Überschätzung der Oxygenierung wurde auch bei Patientinnen und Patienten mit dunklerer Hautpigmentierung beobachtet, wodurch eine Hypoxämie unentdeckt bleiben kann [4, 5].
Die Erlebach-Studie zeigte, dass der SpO₂/FiO₂-Quotient stark von der eingestellten FiO₂ abhängt und weniger von der tatsächlichen Gasaustauschkapazität [2]. Eine Erhöhung der FiO₂ bei unveränderter Oxygenierung senkt den Quotienten und kann den Eindruck einer verschlechterten Oxygenierung erwecken. Dadurch eignet sich der Quotient weniger für die laufende Überwachung des Krankheitsverlaufs oder des Therapieansprechens als für eine einmalige Beurteilung im Rahmen der Diagnostik.
Der SpO₂/FiO₂-Quotient sollte bei derselben Patientin bzw. demselben Patienten oder in derselben Studie nicht parallel zum PaO₂/FiO₂-Quotienten verwendet werden, da die beiden Methoden keine austauschbaren Werte liefern [2]. Sobald eine arterielle Blutgasanalyse verfügbar ist, sollte der PaO₂/FiO₂-Quotient den SpO₂/FiO₂-Quotienten als Grundlage der Schweregradbeurteilung ersetzen.
Quellen
- Rice TW m.fl. Comparison of the SpO₂/FiO₂ ratio and the PaO₂/FiO₂ ratio in patients with acute lung injury or ARDS. Chest 2007. PMID: 17573487
- Erlebach R m.fl. Limitations of SpO₂/FiO₂-ratio for classification and monitoring of acute respiratory distress syndrome, an observational cohort study. Critical Care 2025. PMID: 39972458
- Chen W m.fl. Clinical characteristics and outcomes are similar in ARDS diagnosed by oxygen saturation/FiO₂ ratio compared with PaO₂/FiO₂ ratio. Chest 2015. PMID: 26271028
- Wick KD m.fl. Pulse oximetry for the diagnosis and management of acute respiratory distress syndrome. Lancet Respiratory Medicine 2022. PMID: 36049490
- Matthay MA m.fl. A new global definition of acute respiratory distress syndrome. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine 2024. PMID: 37487152