Messungen von Luftstrom und Lungenvolumina ermöglichen die Differenzierung von obstruktiven und restriktiven Ventilationsstörungen, die Beurteilung des Schweregrades und des Therapieerfolges. Die Messergebnisse werden üblicherweise angegeben als absolute Flussraten und Volumina (Istwerte) und als relative Prozentangaben der Sollwerte, die an einer großen Population Lungengesunder ermittelt wurden. Parameter, die in die Bestimmung der Sollwerte einfließen, sind Alter, Geschlecht, ethnische Zugehörigkeit und Körpergröße.
Ob die ethnische Zugehörigkeit zu korrigieren ist, ist umstritten. Beispielsweise zeigten historische Kohorten von hauptsächlich amerikanischen und europäischen Erwachsenen bei mehreren nicht-weißen ethnischen Gruppen (z. B. Schwarze, Hispanoamerikaner, Asiaten) ein geringeres Lungenvolumen als bei Weißen. Einige sind jedoch der Ansicht, dass Umweltfaktoren und andere nicht genetische Faktoren bei der Erklärung dieser Unterschiede ebenso wichtig oder wichtiger sind als genetische Unterschiede. Studien haben ergeben, dass unbereinigte Fluss- und Volumenwerte eine bessere Vorhersagekraft für die Patientenergebnisse haben als ethnisch bereinigte Werte, was darauf hindeutet, dass diese Bereinigungen dazu führen können, dass tatsächliche Verschlechterungen der Lungenfunktion bei nicht-weißen Personen nicht erkannt (und somit nicht behandelt) werden.
Luftstrom
Die quantitative Messung des in- und exspiratorischen Flusses erfolgt mittels forcierter Spirometrie. Zur Ausschaltung der Nasenatmung werden Nasenklammern verwendet.
In exspiratorischer Fluss Bei diesen Untersuchungen atmen die Patienten so tief wie möglich ein, schließen ihre Lippen um ein Mundstück und atmen so kräftig und vollständig wie möglich in einen Apparat ein, der das ausgeatmete Volumen (Forcierte Vitalkapazität [FVC]) und das ausgeatmete Volumen in der ersten Sekunde erfasst forciertes exspiratorisches Volumen in 1 Sekunde [FEV1] —siehe Abbildung Normales Spirogramm). Die meisten derzeit verwendeten Geräte messen nur Luftstrom und integrieren Zeit, um das exspiratorische Volumen abzuschätzen.
Bei inspiratorischen Strömungs- und Volumenbewertungen atmen die Patienten so vollständig wie möglich aus und atmen dann gewaltsam ein.
Diese Atemmanöver erlauben verschiedene Messungen:
FVC: Maximale Luftmenge, die der Patient nach maximaler Inspiration forciert ausatmen kann.
FEV1: Volumen in der ersten Sekunde ausgeatmet
Peak Expiratory Flow (PEF): Maximale Geschwindigkeit des Luftstroms beim Ausatmen des Patienten
Die FEV1 ist der am besten zu reproduzierende Parameter und zur Diagnostik und Verlaufskontrolle obstruktiver Atemwegserkrankungen besonders nützlich (z. B. Asthma, chronische obstruktive Lungenerkrankung).
FEV1 und FVC helfen, zwischen obstruktiven und restriktiven Lungenerkrankungen zu unterscheiden. Ein normales FEV1 macht eine irreversible obstruktive Lungenkrankheit unwahrscheinlich, während eine normale FVC eine restriktive Erkrankung unwahrscheinlich macht.
Normales Spirogramm
FEF25–75% = forcierter exspiratorischer Fluss während der Ausatmung von 25–75% der FVC; FEV1 = exspiratorisches Volumen in der ersten Sekunde des forcierten Vitalkapazitätmanövers; FVC = forcierte Vitalkapazität (die maximale Menge an Luft, die nach maximaler Inspiration forciert ausgeatmet werden kann). |
Der forcierte exspiratorische Fluss, gemittelt über den Zeitraum, in dem 25–75% der FVC ausgeatmet werden, mag ein sensiblerer Parameter für die Obstruktion kleiner Atemwege sein als die FEV1, ist aber schlecht reproduzierbar.
Der exspiratorische Spitzenfluss (PEF) entspricht dem größten während der Ausatmung auftretenden Atemfluss. Diese Variable dient überwiegend der häuslichen Überwachung von Asthmatikern und zur Bestimmung von Tagesschwankungen der Flussraten.
Die Aussagekraft der Messwerte hängt von der Mitarbeit des Patienten ab, die oft durch eine gute Anleitung während der Atemmanöver verbessert werden kann. Akzeptable Spirogramme zeigen
Gute Testinitiierung (z. B. schnelles und kräftiges Ausatmen)
Kein husten
Glatte Kurven
Ausbleiben von vorzeitiger Beendigung der Expiration (z. B. minimale Ausatemzeit von 6 Sekunden ohne Volumenänderung für die letzten 1 Sekunde)
Reproduzierbare Messungen weichen um maximal 5% oder 100 ml von anderen Messungen ab. Ergebnisse, die diesen Mindestkriterien von Akzeptanz nicht gerecht werden, sollten mit Zurückhaltung interpretiert werden.
Lungenvolumen
Die Lungenvolumina werden durch Messung der funktionellen Residualkapazität (FRC) bestimmt. FRC ist die Menge an Luft, die nach dem normalen Ausatmen in der Lunge verbleibt. Die Gesamt-Lungenkapazität (TLC) ist das Gasvolumen, das am Ende der maximalen Inspiration in den Lungen enthalten ist.
Normale Lungenvolumen
ERV = exspiratorisches Reservevolumen; FRC = funktionelle Restkapazität; IC = inspiratorische Kapazität; IRV = inspiratorisches Reservevolumen; RV = Restvolumen; TLC = totale Lungenkapazität; VC = Vitalkapazität; VT= Atemvolumen. FRC = RV + ERV; IC =VT + IRV; VC =VT+ IRV + ERV. |
FRC wird unter Verwendung einer Gasverdünnungstechnik oder eines Plethysmographen gemessen (was genauer ist bei Patienten mit einer Verengung der Atemwege und eingeschlossener Luft).
Zu den Gasverdünnungs techniken gehören
Stickstoffverdünnung
Heliumverdünnung
Bei der Methode der Stickstoffverdünnung atmet der Patient bis zum Ende eines normalen Atemzugs aus und atmet dann durch ein Spirometer 100%igen Sauerstoff ein. Die Messung ist beendet, wenn die Stickstoffkonzentration in der ausgeatmeten Luft 0 beträgt. Das gesammelte Volumen von abgeatmetem Stickstoff entspricht dabei 81% der initialen FRC.
Bei der Heliumverdünnungsmethode lässt man den Patienten bis zur FRC ausatmen und verbindet ihn dann mit einem geschlossenen System, das bekannte Volumina von Helium und Sauerstoff enthält. Die Heliumkonzentration wird so lange gemessen, bis sie in der Ein- und Ausatmungsluft gleich groß ist, was die Äquilibrierung mit dem Gasvolumen der Lunge anzeigt, das dann anhand der Veränderung der aufgetretenen Heliumverdünnung berechnet werden kann.
Bei diesen beiden Methoden kann die FRC zu niedrig ausfallen, da nur das Lungenvolumen gemessen wird, das am Austausch mit den oberen Atemwegen beteiligt ist. Bei Patienten mit schweren Ventilationsstörungen kann eine erhebliche Menge Luft in den unteren Atemwegen eingeschlossen sein und kaum oder gar nicht an der Ventilation teilnehmen.
Die Bodyplethysmographie nutzt das Boyle'sche Gesetz, um das komprimierte Gasvolumen im Thorax zu messen und ist genauer als die Gasverdünnungsmethoden. Der Patient sitzt in einer luftdichten Kammer und versucht von der FRC aus, aus einem geschlossenen Mundstück einzuatmen. Durch die Ausdehnung der Thoraxwände steigt der Druck in der geschlossenen Kammer. Aus dem bekannten Volumen und Druck der Kammer vor und dem Druck nach dem Einatmungsmanöver lässt sich die Volumenänderung der Kammer berechnen, die der Änderung des Lungenvolumens entsprechen muss.
Ist die FRC bekannt, können nachfolgend einige andere Lungenvolumina spirometrisch bestimmt oder berechnet werden (siehe Abbildung Normale Lungenvolumen). Normalerweise entspricht die FRC ca. 40% der TLC)
Flussvolumenkurve
Im Gegensatz zum Spirogramm, in dem der Fluss (in l) im Zeitverlauf (in s) dargestellt wird, wird in einer Flussvolumenkurve die Flussrate (in l/s) im Verlauf der Änderung der Lungenvolumina (in l) während der maximalen Inspiration aus der vollständigen Exspiration heraus (Residualvolumen [RV]) und während maximaler Ausatmung aus der kompletten Inspirationslage (TLC) aufgezeichnet. Der Hauptvorteil der Flussvolumenkurven besteht darin, dass ersichtlich wird, ob der Fluss dem entsprechenden Volumen angemessen ist. Zum Beispiel ist der Fluss im Bereich kleinerer Lungenvolumina normalerweise niedriger weil die elastischen Rückstellkräfte hier niedriger sind. Patienten mit Lungenfibrose haben kleinere Lungenvolumina, und der Fluss scheint bei ihnen verlangsamt zu sein, wenn er alleine gemessen wird. Wird der Fluss jedoch als Funktion des Lungenvolumens dargestellt, wird offensichtlich, dass der Fluss bei diesen Patienten aufgrund der typischerweise erhöhten elastischen Rückstellkräfte tatsächlich höher ist als bei Lungengesunden.
Flussvolumenkurven
(A) Normal. Der inspiratorische Schenkel der Schleife ist symmetrisch und konvex. Der exspiratorische Schenkel ist linear. Der Strom am Mittelpunkt der inspiratorischen Kapazität und der Strom am Mittelpunkt der exspiratorischen Kapazität werden häufig gemessen und verglichen. Weil eine dynamische Kompression der Luftwege beim Ausatmen auftritt, ist der maximale inspiratorische Strom bei 50% der forcierten Vitalkapazität (MIF 50% FVC) größer als der maximale exspiratorische Strom bei 50% FVC (MEF 50% FVC). (B) Obstruktive Störung (z. B. Emphysem, Asthma). Obwohl jeglicher Luftstrom vermindert ist, überwiegt die exspiratorische Verlängerung und MEF < MIF. Der exspiratorische Spitzenfluss wird manchmal verwendet, um den Grad der Obstruktion der Atemwege abzuschätzen, ist aber abhängig von der Anstrengung der Patienten. (C) Restriktive Störung (z. B. interstitielle Lungenerkrankung, Kyphoskoliose). Die Schleife wird durch verminderte Lungenvolumen verengt. Der Luftstrom ist bei vergleichbarem Lungenvolumen größer als normal, weil die erhöhte elastische Rückfederung der Lunge die Atemwege offen hält. (D) Fixierte Obstruktion der oberen Atemwege (z. B. Trachealstenose, Struma). Die Ober- und Unterseite der Schleifen sind abgeflacht, sodass die Konfiguration sich der eines Rechtecks nähert. Eine fixierte Obstruktion begrenzt den Fluss während der Ein- und Ausatmung gleichbleibend und MEF = MIF. (E) Variable extrathorakale Obstruktion (z. B. einseitige Stimmbandparese, Stimmbandfunktionsstörung). Wenn ein einzelnes Stimmband gelähmt ist, bewegt es sich passiv mit Druckgradienten über der Glottis. Während der forcierten Inspiration, wird es nach innen gezogen, was zu einem Plateau der verringerten Einatemströmungsgeschwindigkeit führt. Während der forcierten Exspiration wird es passiv beiseite geblasen, und der Exspirationsfluss bleibt unbeeinträchtigt. Daher ist MIF 50% FVC < MEF 50% FVC. (F) Variable intrathorakale Obstruktion (z. B. Tracheomalazie). Während einer forcierten Inspiration hält der negative Pleuraldruck die schlaffe Trachea offen. Mit der forcierten Exspiration führt der Verlust der strukturellen Stabilität zu einer trachealen Verengung und einem Plateau von vermindertem Durchfluss. Der Luftstrom wird kurzfristig aufrecht erhalten bevor es zu einer Atemwegskompression kommt. FVC = forcierte Vitalkapazität; MEF = maximaler exspiratorischer Fluss; MIF = maximaler inspiratorischer Fluss; PEF = exspiratorischer Spitzenfluss; RV = Restvolumen; TLC = totale Lungenkapazität. |
Flussvolumenkurven erfordern, dass absolute Lungenvolumen gemessen werden. Leider werten viele Labors einfach den Luftstrom gegenüber der FVC aus. Die Luftstrom-FVC-Schleife hat keinen inspiratorischen Schenkel und liefert deshalb nicht so viele Informationen.
Charakteristische Veränderungen der Lungenfunktion
Auf der Grundlage von Luftstrom und Lungenvolumina können die häufigsten Ventilationsstörungen in obstruktive und restriktive Störungen unterteilt werden (siehe Tabelle Characteristic Physiologic Changes Associated With Pulmonary Disorder]).
Obstruktive Störungen
Obstruktive Störungen gehen mit vermindertem Luftstrom einher, insbesondere von FEV1 und FEV1 ausgedrückt in% der FVC (FEV1/FVC). Der Grad der Verminderung des FEV1 verglichen mit den ermittelten Werten bestimmt den Schweregrad der obstruktiven Erkrankung (siehe Tabelle Der Schweregrad der obstruktiven und restriktiven Lungenerkrankungen]). Obstruktive Defekte entstehen durch
Erhöhten Flusswiderstand aufgrund von Anomalien innerhalb des Atemwegslumen (z. B. Tumoren, Sekrete, Schleimhautverdickung) fließen
Veränderungen in den Wänden der Atemwege (z. B. Kontraktion der glatten Muskulatur, Ödem)
Verminderte elastische Rückfederung (z. B. die Parenchymdestruktion, die bei einem Emphysem auftritt)
Mit abnehmenden Luftstrom verlängern sich die Exspirationszeiten. Ein Teil der Luft kann durch den exspiratorischen Kollaps in der Lunge durch unvollständige Ausatmung eingeschlossen bleiben, was zu einer Vergrößerung der Lungenvolumina führt (z. B. TLC, RV).
Die Verbesserung von FEV1 und/oder FVC ≥ 12% und 200 ml mit der Gabe eines Bronchodilatators bestätigt die Diagnose von Asthma oder Atemwegshyperreaktivität. Viele Asthmatiker können jedoch außerhalb von Exazerbationen normale Lungenfunktions- und Spirometrieparameter aufweisen. Besteht trotz normaler Spirometrieergebnisse weiterhin ein hochgradiger Verdacht auf Asthma, ist zum Nachweis oder Ausschluss einer Bronchokonstriktion ein Provokationstest mit Metacholin, einem synthetischen Acetylcholin-Analogon und unspezifischen Atemwegsirritans, indiziert. Beim Metacholin-Provokationstest werden die Spirometrieparameter vor und nach Inhalation aufsteigender Metacholinkonzentrationen gemessen. Die Konzentration von Methacholin, die einen Rückgang von 20% bei FEV1 verursacht, heißt das PC20. Die Definition einer bronchialen Hyperreagibilität variiert zwischen den einzelnen Lungenfunktionslaboren, aber im Allgemeinen wird bei Patienten, die mindestens einen FEV1-Abfall um 20% gegenüber dem Ausgangswert (PC20) aufweisen, wenn die Konzentration des inhalierten Methacholin < 1 mg/ml beträgt, die Diagnose einer erhöhten bronchialen Reaktivität gestellt, während ein PC20 > 16 mg/ml diese Diagnose ausschließt. PC20 Werte zwischen 1 und 16 mg/ml sind nicht schlüssig.
Zur Diagnostik einer belastungsinduzierten Bronchokonstriktion kann eine körperliche Belastungsuntersuchung erfolgen, die jedoch weniger sensitiv ist als der Metacholin-Provokationstest zur Diagnostik einer unspezifischen bronchialen Hyperreagibilität. Der Patient erbringt auf einem Laufband- oder Fahrradergometer über 6–8 min eine gleich bleibende Leistung, bei der 80% des Sollwertes der maximalen Herzfrequenz erreicht werden. FEV1 und FVC bzw. VC werden vor der Belastung sowie 5, 15 und 30 min danach gemessen. Bei einem belastungsinduzierten Bronchospasmus ist die FEV1 oder FVC nach Belastung ≥ 15% vermindert.
"Eucapnic voluntary hyperventilation (EVH)" kann auch zur Diagnose von belastungsinduzierter Bronchokonstriktion eingesetzt werden. EVH beinhaltet die Hyperventilation eines Gasgemisches aus 5% Kohlenstoff dioxide und 21% Sauerstoff bei 85% der maximalen freiwilligen Ventilation für 6 min. FEV1 wird dann in bestimmten Zeitabständen nach dem Test gemessen. Wie bei anderen Provokationstests auch, variiert der Abfall der FEV1, das für den belastungsinduzierten Bronchospasmus diagnostisch ist, je nach Labor.
Obstruktive Störungen
Restriktive Ventilationsstörungen sind charakterisiert durch ein vermindertes Lungenvolumen, insb. einer TLC < 80% des Sollwertes. Bei einer frühen restriktiven Erkrankung kann die TLC jedoch normal sein (als Ergebnis einer starken inspiratorischen Anstrengung) und die einzige Abnormalität kann eine Verringerung des RV sein. Die Abnahme der TLC bestimmt den Schweregrad der Restriktion (siehe Tabelle Schweregrad der obstruktiven und restriktiven Störungen). Die Abnahme des Lungenvolumens führt zu einer Abnahme des Luftstroms (vermindertes FEV1 — siehe Abbildung Flussvolumenkurven, B). Der Fluss im Verhältnis zum Lungenvolumen ist jedoch beschleunigt, sodass das Verhältnis FEV1/FVC normal oder erhöht ist.
Restriktive Mängel entstehen durch folgende Ursachen:
Verlust von Lungenvolumen (z. B. Lobectomie)
Anomalien der Strukturen, die die Lunge umgeben (z. B. Pleuralstörung, Kyphose, Adipositas)
Schwäche der inspiratorischen Atemmuskulatur (z. B. neuromuskuläre Erkrankungen)
Anomalien des Lungenparenchym (z. B. Lungenfibrose)
Das gemeinsame Merkmal all dieser Erkrankungen ist eine eingeschränkte Dehnbarkeit (Compliance) der Lungen und/oder der Thoraxwand.