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Spirometrie
Grundlagen
Die Spirometrie gehört zu den Lungenfunktionsuntersuchungen und misst mobilisierbare Lungenvolumina sowie Atemflussgeschwindigkeiten. Die Untersuchung wird unter anderem bei Verdacht auf obstruktive Ventilationsstörung durchgeführt. Die Ergebnisse werden im Volumen-Zeit-Diagramm (Lungenvolumina) oder im Fluss-Volumen-Diagramm (Atemflüsse) dargestellt.
Die nicht mobilisierbaren Volumina, d.h. der Teil der Luft, der immer in der Lunge bleibt (= Residualvolumen), lassen sich mit der Helium-Einwaschmethode oder der Stickstoff-Auswaschmethode bestimmen. In der Klinik besonders gebräuchlich ist weiterhin die Ganzkörperplethysmografie, mit der die nicht mobilisierbaren Volumina in einer geschlossenen Kabine gemessen werden können.
Indikationen und Kontraindikationen
Zu den Indikationen zur Spirometrie gehören:
Diagnostik von Atemwegs- (z.B. COPD
Dyspnoe, Husten und/oder Auswurf
Screening (Gesundheitsuntersuchung)
Verlaufsbeobachtung und Therapiekontrolle bronchopulmonaler Erkrankungen
arbeitsmedizinische Überwachung und Vorsorge (z. B. bei Exposition gegenüber Allergenen, anorganischen Stäuben, Rauchbelastungen oder anderen inhalativen Noxen)
präoperative Diagnostik.
Absolute Kontraindikationen zur Durchführung einer Spirometrie sind akute lebensbedrohliche Krankheitsbilder jeglicher Art, z.B.
Praktische Durchführung
Die spirometrische Untersuchung kann an einem offenen Spirometer durchgeführt werden. Es gibt dabei verschiedene Sensortypen, die auf Druckabfall, Ultraschall oder Hitzemessung basieren. Ein einfaches Prinzip der Spirometriemessung ist in der Physiologie dargestellt. Ein offener Spirometer ist kostengünstig und platzsparend. Er findet sich häufig zur Basisdiagnostik in Hausarztpraxen. Pneumologen führen hingegen die spirometrische Untersuchung zusammen mit einer Ganzkörperplethysmografie durch. Das bietet den Vorteil, dass im Anschluss an die spirometrische Messung der Lungenvolumina und Atemstromstärken eine Resistance-Messung im Rahmen der „großen Lufu“ erfolgen kann.
Der Patient befindet sich in körperlicher Ruhe und aufrecht sitzender Position. Die Dichtheit des Mundstückes sollte kontrolliert und die Nase mittels Klemme verschlossen werden.
Zunächst atmet der Patient ruhig ein und aus (konstante Ruheatmung). Danach erfolgt eine langsame maximale Exspiration, anschließend eine maximale langsame Inspiration. Bei Erreichen der Vitalkapazität wird die maximal forcierte Exspiration bis zur forcierten Vitalkapazität (Tiffeneau-Manöver) durchgeführt.
Nach drei Atemmanövern dieser Art wird der Versuch mit dem besten Ergebnis verwertet.
Befunde
In der Spirometrie können verschiedene statische und dynamische Lungenvolumina sowie Atemflüsse bestimmt werden. Die Lungenvolumina stellt man in einem Volumen-Zeit-Diagramm dar, die Atemflüsse in einem Fluss-Volumen-Diagramm. In der Praxis wird die Bewertung der Fluss-Volumen-Kurve bevorzugt (für die klinische Interpretation und Beurteilung der Qualität der Untersuchung).
Statische Lungenvolumina (unabhängig vom zeitlichen Verlauf):
Atemzugvolumen (VT = tidal volume)
(inspiratorische) Vitalkapazität (VC oder auch VCIN)
inspiratorisches und exspiratorisches Reservevolumen (IRV, ERV).
Dynamische Lungenvolumina (abhängig vom zeitlichen Verlauf und der Mitarbeit der Patienten):
Einsekundenkapazität (Tiffeneau-Volumen, forciertes Exspirationsvolumen der 1. Sekunde, FEV1)
forcierte (exspiratorische) Vitalkapazität (FVC).
Alle Messwerte bezeichnen ein Volumen, die Einheit ist Liter (l).
Die wichtigsten spirometrischen Lungenvolumina, die gerne in der Prüfung abgefragt werden, sind:
Vitalkapazität (VC, auch inspiratorische Vitalkapazität oder VCIN): Volumen, das nach maximaler Exspiration maximal eingeatmet werden kann. Die VC ist bei einer restriktiven Ventilationsstörung vermindert.
forcierte (exspiratorische) Vitalkapazität (FVC): Volumen, das nach maximaler Inspiration im Tiffeneau-Manöver forciert maximal ausgeatmet werden kann. Die FVC kann bei restriktiven und obstruktiven Ventilationsstörungen vermindert sein.
Einsekundenkapazität (FEV1): Volumen, das nach tiefstmöglicher Inspiration forciert innerhalb der ersten Sekunde ausgeatmet werden kann. Sie dient der Graduierung obstruktiver Ventilationsstörungen.
Tiffeneau-Index = relative Einsekundenkapazität: (FEV1/VC) × 100. Der Tiffeneau-Index definiert eine obstruktive Ventilationsstörung. Bei Werten < 70% liegt eine Obstruktion vor.
Lungenvolumina sind nicht immer eigenständigen Messwerte, sondern leiten sich in manchen Fällen von anderen ab. Ein Beispiel ist die Vitalkapazität: Sie entspricht der inspiratorischen Kapazität plus dem exspiratorischen Reservevolumen oder anders ausgedrückt der Totalkapazität minus dem Residualvolumen.
Ein normales Spirogramm mit Lungenvolumina und -kapazitäten zeigt die folgende Abbildung.
Normales Spirogramm
Lungenvolumina und -kapazitäten eines gesunden, jungen männlichen Probanden.
(Quelle: Silbernagl, Despopoulos, Taschenatlas Physiologie, Thieme, 2018)Was dem Kardiologen das EKG, ist dem Pneumologen die Lungenfunktion (LuFu). Spirometrie und Ganzkörper- oder Bodyplethysmografie gehören zu den häufigsten Untersuchungen im klinischen Alltag und sind daher auch ein gern geprüftes Thema. Du solltest in jedem Fall wissen, wie ein Normalbefund aussieht, damit du pathologische Veränderungen erkennen und interpretieren kannst.
Im Folgenden werden die wichtigen spirometrischen Atemflüsse erläutert (die Einheit ist l/s).
PEF (peak expiratory flow): Der Peak Flow ist der exspiratorische Spitzenfluss, d.h. die maximal erreichbare Ausatemstromstärke. Dieser Wert korreliert gut mit dem Schweregrad einer asthmatischen Erkrankung. Patienten können den Spitzenfluss selber mithilfe eines sog. Peak-Flow-Meters messen; die Angabe erfolgt dann in l/min. Zur differenzialdiagnostischen Abklärung einer Dyspnoe eignet sich die Peak-Flow-Messung aber nicht.
MEF 75/50/25 (mid bzw. mean expiratory flow): maximaler exspiratorischer Fluss bei 75%, 50% und 25% der forcierten Vitalkapazität (FVC). Dies sind die maximalen exspiratorischen Atemstromstärken, die gemessen werden, wenn noch 75/50/25% der forcierten VC in der Lunge sind. Der MEF 75/50/25 wird zunehmend durch den FEF 25/50/75 abgelöst. Letzteres bezeichnet die maximalen (forcierten) exspiratorischen Flüsse, die gemessen werden, wenn bereits 25/50/75% der forcierten VC ausgeatmet wurden. Sie beziehen sich also nicht auf die verbleibende FVC, sondern auf die bereits ausgeatmete FVC (MEF75 = FEF25). Diese Werte sind v.a. bei einem Lungenemphysem vermindert. Flussverminderungen im Bereich der kleinen Atemwege (MEF25) deuten auf eine Obstruktion in diesem Bereich hin (typisch bei Rauchern und Patienten mit Emphysem). Restriktive Störungen sind durch eine „verkleinerte“, normal konfigurierte Fluss-Volumen-Kurve gekennzeichnet.
Gegenüberstellung von Volumen-Zeit- und Fluss-Volumen-Kurve
Die Ergebnisse der Spirometrie können sowohl als Volumen-Zeit-Kurve als auch als Fluss-Volumen-Kurve dargestellt werden. Bei der forcierten exspiratorischen Fluss-Volumen-Kurve zeigt sich ein plötzlicher Anstieg der Atemströmung bis zum Spitzenfluss (Peak Flow), danach ein nahezu linearer Flussabfall bis zum Erreichen der FVC (forcierte Vitalkapazität). PEF: exspiratorischer Spitzenfluss, MEF 75, 50 und 25: maximaler exspiratorischer Fluss bei 75%, 50% und 25% der forcierten Vitalkapazität.
(Quelle: Lorenz et al., Checkliste XXL Pneumologie, Thieme, 2016)Durch den Vergleich mit alters-, geschlechts- und gewichtsabhängigen Normwerten ergeben sich typische Befundmuster, die eine Einordnung in folgende Kategorien erlauben:
obstruktive Ventilationsstörung (z.B. Asthma bronchiale, COPD, Atemwegsstenosierungen)
restriktive Ventilationsstörung (z.B. Lungenfibrose, Thoraxdeformitäten, neuromuskuläre Erkrankungen)
kombinierte Ventilationsstörung.
Typische Lungenfunktionsbefunde im Fluss-Volumen-Diagramm
Zu sehen sind typische pneumotachografische Befunde bei der Exspiration (Inspiration zur Vereinfachung hier nicht dargestellt). Asthma bronchiale: Exspiratorisch sind PEF und MEFs vermindert. FVC reduziert, weil (wahrscheinlich) eine Vergrößerung des Residualvolumens vorliegt. Am Beispiel der obstruktiven COPD-Kurve ist eine ungleichmäßige Entleerungsgeschwindigkeit (mit Pfeil markierter Knick) während der Ausatmung zu erkennen (Flussverminderung im Bereich der kleinen Atemwege [MEF25]). Restriktive Störungen zeigen eine „verkleinerte“, normal konfigurierte Fluss-Volumen-Kurve bei der Ausatmung.
(Quelle: Lorenz et al., Checkliste XXL Pneumologie, Thieme, 2016)Ganzkörperplethysmografie
Synonym: Bodyplethysmografie
Grundlagen
Die Ganzkörperplethysmografie wird als Teil der erweiterten Routinediagnostik bei V.a. eine pulmonale Funktionseinschränkung durchgeführt. In einer luftdichten Messkammer (Ganzkörperplethysmograf), deren Volumen bekannt ist, werden neben den spirometrischen noch weitere statische Lungenvolumina gemessen:
intrathorakales Gasvolumen (ITGV)
Atemwegswiderstand (Resistance).
Indikationen und Kontraindikationen
Indikationen zur Durchführung einer Ganzkörperplethysmografie sind:
Diagnose und Differenzialdiagnose obstruktiver und restriktiver Ventilationsstörungen
Abklärung von Dyspnoe unklarer Genese
pharmakologische Tests und Provokationstests bei Atemwegserkrankungen
Diagnose einer Lungenüberblähung
Funktionsdiagnostik bei Unfähigkeit zur Spirometrie.
Zu den Kontraindikationen gehören:
Klaustrophobie
vital bedrohte Patienten.
Praktische Durchführung
Der Patient sitzt im verschlossenen Ganzkörperplethysmografen und atmet über ein sog. Pneumotachometer ein und aus. Mithilfe eines Ventils im Pneumotachometer wird zu Beginn der Inspiration die Luftzufuhr unterbrochen. Durch den kurzen Verschluss des Mundstücks erhält man Druckänderung in den Atemwegen und der Lunge. Aus der synchronen Änderung des Kammer- und des Alveolardrucks lässt sich das intrathorakale Gasvolumen bestimmen. Es entspricht etwa der funktionellen Residualkapazität. Nach Abzug des exspiratorischen Reservevolumens erhält man das Residualvolumen. Die Summe von Residualvolumen und Vitalkapazität ist die totale Lungenkapazität.
Messungen des Atemwegswiderstands (RAW) im Ganzkörper-Plethysmografen
Der Proband sitzt in einer druckdichten Kabine (Plethysmograf) und atmet über ein sog. Pneumotachometer ein und aus. Dabei erzeugt er Druckschwankungen. Durch einen kurzen Verschluss des Mundstücks erhält man Druckänderungen in den Atemwegen und der Lunge. Nach Messung der Druckwerte wird die Unterbrechung der Luftzufuhr aufgehoben und Luft strömt in die Lunge. Dabei wird die Atemstromstärke mithilfe des Pneumotachometers gemessen. Das Verhältnis von Alveolardruckänderung zu Atemstromstärke entspricht dem Atemwegswiderstand.
(Quelle: Behrends et al., Duale Reihe Physiologie, Thieme, 2012)Befunde
Neben der Bestimmung der statischen Lungenvolumina (z.B. Residualvolumen) kann bei Ruheatmung aus den Druckschwankungen in der Kammer (ΔP) und den registrierten Atemflüssen (Atemstromstärke ) der Atemwegswiderstand (Resistance) bestimmt werden. Die gemessenen Druckschwankungen und Atemflüsse werden in der sogenannten Resistance-Schleife aufgetragen.
Bei einer typischen obstruktiven Ventilationsstörung mit einem erhöhten Atemwegswiderstand ist die Resistance-Schleife abgeflacht, wenn auch wenig verformt. Bei einem Lungenemphysem zeigt die Resistance-Schleife typischerweise eine Golfschlägerform. Das oft vergrößerte Residualvolumen weist auf die Lungenüberblähung bei Obstruktion hin.
Eine restriktive Ventilationsstörung zeigt sich meist nicht in der Resistance-Schleife, sondern lässt sich mithilfe der Lungenvolumina identifizieren. Sie ist definiert als Verminderung der Vitalkapazität unter 80% des Sollwerts und Verminderung der totalen Lungenkapazität unter 90% des Sollwerts und ist deshalb ohne Messung des Residualvolumens nie sicher diagnostizierbar.
Resistance-Schleifen bei normaler und bei pathologischer Lungenfunktion
Homogene Atemwegsobstruktionen (z.B. Asthma bronchiale) zeigen eine geneigte, nur gering deformierte Resistance-Schleife mit Verkleinerung des Winkels β. Ein Lungenemphysem
| VC | FEV1 | FEV1/VC | RV, TLC | Compliance | Resistance | |
obstruktive Ventilationsstörung | normal, (↓)1 | normal | ↑ | |||
restriktive Ventilationsstörung | (↓)2 | normal | ↓ | ↓ | normal | |
1 bei chronischer alveolärer Überblähung, 2 infolge der erniedrigten VC | ||||||
Der wichtigste Parameter für die restriktive Störung ist die Vitalkapazität (vermindert) und für die obstruktive Störung die Einsekundenkapazität bzw. ihr Verhältnis zur Vitalkapazität (Tiffeneau-Index; beide vermindert).
Welchen Rückschluss ziehst du aus dem folgenden LuFu-Ergebnis?
FVC (l): 2,8 (Soll: 3,6)
FEV1 (l): 2,49 (Soll: 3,08)
FEV1/FVC (%): 86,46 (Soll: 83,69)
MEF 75 (l/s): 3,87 (Soll: 5,91)
MEF 50 (l/s): 2,73 (Soll: 4,19)
MEF 25 (l/s): 1,55 (Soll: 2,16)
TLC (l): 4,13 (Soll: 4,86)
RV (l): 1,09 (Soll: 1,19)
Antwort: Insgesamt deutet das Ergebnis auf eine restriktive Ventilationsstörung, da die (in diesem Fall forcierte) Vitalkapazität erniedrigt, die relative Einsekundenkapazität im Verhältnis zur erniedrigten VC allerdings normal ist. Die Fluss-Volumen-Kurve (MEF) ist „verkleinert“, aber normal konfiguriert.
Pharmakologische Provokationstests
Ein Bronchospasmolysetest (Reversibilitätstest) erfolgt immer dann, wenn eine obstruktive Ventilationsstörung diagnostiziert wurde. Hierzu wird die FEV1 15 min nach Inhalation eines schnell wirksamen β2-Sympathomimetikums (z.B. Salbutamol
Ein unspezifischer inhalativer Provokationstest kann durch den Nachweis einer bronchialen Hyperreagibilität die Diagnose eines Asthma bronchiale erleichtern. Kommt es nach Inhalation der Testsubstanz (z.B. Metacholin) zu einem Abfall der FEV1 um 20% und/oder einer Verdopplung des Atemwegswiderstands im Vergleich zum Ausgangswert, gilt der Test als positiv. Eine schwere bronchiale Hyperreaktivität ist typisch für das (unbehandelte) Asthma bronchiale. Bei einer COPD ist sie nur gering ausgeprägt.
Diffusionskapazität
Die Messung der Diffusionskapazität gibt Auskunft über den Gasaustausch in der Lunge und beschreibt die Gasmenge, die pro Zeiteinheit und Partialdruckdifferenz (Alveolarluft–Kapillarblut) ins Blut diffundiert. Dabei wird Kohlenmonoxid (CO) in unbedenklicher Konzentration als „Testluft“ eingesetzt. Die Diffusionskapazität wird dann über den Kohlenmonoxid-Transferfaktor (T-CO oder TLCO) bestimmt, der Rückschlüsse auf die O2-Aufnahme zulässt: Die Einatemzug-CO-Transferfaktormessung dient dem Nachweis von Gasaustauschstörungen. Hierzu wird ein 0,2%iges Kohlenmonoxid-Gasgemisch eingeatmet und 8–10 s die Luft angehalten. In dieser Zeit verteilt sich das eingeatmete Gasgemisch in der Lunge und nur CO diffundiert zum Teil ins Blut. Bei der folgenden tiefen Exspiration werden in der alveolären Fraktion die Gase analysiert. Dabei wird vergleichsweise weniger CO als He wiedergefunden. Es wird die Differenz von ein- und ausgeatmeter CO-Konzentration bestimmt. Die Diffusion von Atemgasen in das Blut hängt von verschiedenen Faktoren ab. Neben der Konzentration des entsprechenden Gases in der eingeatmeten Luft spielen insbesondere die Gasaustauschfläche und die Diffusionsstrecke eine Rolle. Außerdem ist eine ungestörte Diffusion auch von einer ungehinderten Durchblutung (Lungenperfusion) abhängig. Eine verminderte Diffusionskapazität findet man bei Verbreiterung der Diffusionsstrecke (z. B. bei interstitiellen Lungenkrankheiten wie Lungenfibrose) und Abnahme der Diffusionsfläche (z. B. beim Lungenemphysem
Vor einer Lungenresektion wird die funktionelle Operabilität überprüft. Die wichtigsten Parameter zur Beurteilung der funktionalen Operabilität bezüglich der Lungenfunktion sind
das forcierte exspiratorische Einsekundenvolumen (FEV1) und
die pulmonale Diffusionskapazität für CO (DLCO).
Vor einer geplanten Lobektomie soll das (nach Bronchodilatation gemessene) FEV1 > 1,5 l und die DLCO > 60% des Sollwerts liegen. Vor einer Pneumonektomie sollte die entsprechende FEV1 > 2 l bzw. die DLCO > 80% des Sollwerts liegen. Sind beide Bedingungen gegeben, ist der Patient hinsichtlich der Lungenfunktion operabel.
Lungencompliance-Messung
Sie ist zwar die aussagekräftigste Methode zur Beurteilung restriktiver Ventilationsstörungen, in der Praxis jedoch wenig relevant. Mittels Ballonkatheter im Ösophagus werden die atemsynchronen Druckänderungen im Pleuraspalt gemessen (Einschränkung der Lungendehnbarkeit z.B. bei Lungenfibrose
Spiroergometrie
Die Spiroergometrie ist eine Erweiterung der reinen Lungenfunktionsdiagnostik und dient dazu, die Leistungsfähigkeit zu beurteilen und zwischen kardialer und pulmonaler Grunderkrankung zu unterscheiden. Hierbei werden unter körperlicher Belastung gleichzeitig spirometrisch bestimmte Parameter (Atemminutenvolumen, Atemzugvolumen, Atemfrequenz, O2-Extraktion, metabolische CO2-Produktion) bzw. daraus abgeleitete Messgrößen (respiratorischer Quotient, O2- und CO2-Atemäquivalent, Totraumvolumen) und ergometrische Parameter (EKG, Puls, Blutdruck) erfasst. Zusätzlich werden die arteriellen Blutgase kontrolliert. Wichtige Parameter sind die anaerobe Schwelle, die Dauerleistungsgrenze sowie die maximale Sauerstoffaufnahme.
Spiroergometrie
Die Spiroergometrie kommt u.a. in Rahmen einer sportmedizinischen Untersuchung zum Einsatz. Sie ermöglicht die objektive Einschätzung der körperlichen Belastung.
(Quelle: Behrends et al., Duale Reihe Physiologie, Thieme, 2016. Foto: C. von Hausen, Thieme Verlagsgruppe)6-Minuten-Gehtest
Einfache Prüfung der kardiopulmonalen Belastungstoleranz durch Messung der Strecke, die in 6 min durch schnelles Gehen zurückgelegt werden kann. Diese Strecke unterliegt großen interindividuellen Schwankungen, weshalb der Test in erster Linie zur Verlaufsbeurteilung von kardiopulmonalen Erkrankungen oder zur Abschätzung bestimmter Therapieeffekte angewendet wird. Gesunde, untrainierte Erwachsene (40 Jahre) erreichen normalerweise 450–600 Meter in der vorgegebenen Zeit. COPD-Patienten schaffen je nach Gesundheitszustand 100–300 Meter.
Der Begriff COPD ist ein Sammelbegriff für chronisch obstruktive Atemwegserkrankungen, die mit folgenden Kardinalsymptomen einhergehen:
-
Husten
-
Auswurf
-
Atemnot.
Der COPD liegt eine progredient verlaufende, nicht vollständig reversible Obstruktion zugrunde. Sie entwickelt sich aus einer chronischen Bronchitis und/oder einem Lungenemphysem.
Asthma bronchiale wird definiert als chronische Erkrankung der Atemwege, die mit anfallsartig wiederkehrenden, aber reversiblen Atemwegsobstruktionen und bronchialer Hyperreagibilität einhergeht.
Eine Lungenembolie bezeichnet den Verschluss von Lungenarterien(-ästen) durch Einschwemmung embolischen Materials, das in den meisten Fällen aus einem Thrombus der tiefen Bein- oder Beckenvenen stammt (selten: Fett, Luft oder Fremdkörper).
Als Lungenemphysem bezeichnet man destruktive Lungenstrukturveränderungen, die mit Erweiterungen der Atemwege distal der Bronchioli terminales und einer Abnahme der alveolären Gasaustauschfläche einhergehen. Die Kombination mit einer COPD ist häufig.
Bei der Lungenfibrose besteht eine verstärkte Bildung von Bindegewebe zwischen den Alveolen und den diese umgebenden Blutgefäßen. Die Erkrankung kann idiopathisch oder auf dem Boden interstitieller Lungenerkrankungen entstehen. Auch eine allergische Genese ist möglich. Durch die Fibrose versteift die Lunge, wodurch die Compliance abnimmt. Die Atmung wird hierdurch angestrengter. Durch die bindegewebigen Vernarbungen wird der Sauerstoffaustausch gestört, was fortschreitend zu einer Hypoxie führt.
Ein Lungenödem ist eine pathologisch erhöhte Flüssigkeitsansammlung im Interstitium der Lunge (interstitielles Lungenödem) und/oder im Alveolarraum (alveoläres Lungenödem) mit der Folge eines eingeschränkten Gasaustausches.
