Messungen von Luftstrom und Lungenvolumina ermöglichen die Differenzierung von obstruktiven und restriktiven Ventilationsstörungen, die Beurteilung des Schweregrades und des Therapieerfolges.
Zu den Tests gehören die Spirometrie zur Messung des inspiratorischen und exspiratorischen Luftstroms und des Lungenvolumens sowie manchmal die Fluss-Volumen-Schleifenmessung zur Bestimmung spezifischer obstruktiver und restriktiver Anomalien. Bei Patienten mit obstruktiven Anomalien wird die Spirometrie nach der Verabreichung von inhalativen kurz wirksamen Bronchodilatatoren wiederholt, um die Reversibilität und das Ansprechen auf die Behandlung zu beurteilen.
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.
Es ist umstritten, ob bei der Auswertung von Lungenfunktionstests eine Anpassung nach ethnischer Zugehörigkeit vorgenommen werden sollte. Es gibt immer mehr Belege dafür, dass die ethnische Zugehörigkeit nicht genau für die beobachteten Unterschiede in der gemessenen Lungenfunktion verantwortlich ist, sondern vielmehr die Auswirkungen sozialer und umweltbedingter Faktoren widerspiegelt, was wiederum zu Ungleichheiten in der Gesundheitsversorgung beiträgt. Studien haben gezeigt, dass die Verwendung von auf ethnischer Zugehörigkeit basierenden Referenzgleichungen den Schweregrad der Lungenerkrankung bei nicht-weißen Personen wahrscheinlich unterschätzt (und somit zu einer Unterbehandlung führt) (1, 2). Die American Thoracic Society (ATS) hat empfohlen, die bisher verwendeten ethnizitätsspezifischen Referenzgleichungen (3) durch solche zu ersetzen, die von rassenneutralen Referenzgleichungen abgeleitet sind, wie z. B. von der Durchschnittsgleichung der Global Lung Function Initiative (GLI) (4, 5). Die 2022 European Respiratory Society (ERS)/ATS hat eingeräumt, dass die Verwendung von ethnizitätsneutralen Referenzsätzen zu Veränderungen bei den Qualifikationen für bestimmte Behandlungen (z. B. Chirurgie, Lungentransplantation) führen kann, was die Notwendigkeit laufender Forschung unterstreicht, um die potenziellen Auswirkungen auf die klinische Entscheidungsfindung und die Patientenergebnisse zu verstehen (6).
Luftstrom
Die quantitative Messung des in- und exspiratorischen Flusses erfolgt mittels forcierter Spirometrie. Zur Ausschaltung der Nasenatmung werden Nasenklammern verwendet.
Bei inspiratorischen Strömungs- und Volumenbewertungen atmen die Patienten so vollständig wie möglich aus und atmen dann gewaltsam ein. Das Spitzeninspirationsvolumen ist die maximale Luftmenge, die in einem tiefen Atemzug eingeatmet wird, und der Inspirationsfluss ist das pro Sekunde eingeatmete Volumen.
In exspiratorischer Fluss und Volumen 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).
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 normaler FEV1-Wert macht eine irreversible obstruktive Lungenerkrankung unwahrscheinlich. Ein normaler FVC-Wert macht eine restriktive Erkrankung unwahrscheinlich. Ein verringertes Verhältnis von FEV1/FVC weist auf eine Obstruktion hin. Die wiederholte Messung von FEV1 und FVC mit einem kurzwirksamen Bronchodilator bei Patienten, die bei der Erstmessung eine Obstruktion aufweisen, ist nützlich, um Patienten mit reversiblem Bronchospasmus, wie er bei Asthma auftritt, von solchen mit einer festen Obstruktion bei COPD zu unterscheiden.
Manche Menschen haben Risikofaktoren für COPD (z. B. Zigarettenrauchen, frühere Infektionen, berufliche Exposition, Luftverschmutzung), weisen aber bei Lungenfunktionstests keine eindeutige Obstruktion auf. Bei diesen Menschen spricht man von einer Prä-COPD (7). Weitere Studien sind erforderlich, um diese Population zu charakterisieren, aber die Beobachtung der Spirometrie-Werte im Laufe der Zeit kann hilfreich sein, um Patienten zu identifizieren, die wahrscheinlich eine COPD entwickeln werden.
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. Asthma kann durch den Vergleich des PEF mit dem eigenen persönlichen Bestwert überwacht werden.
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. 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.
Normale Lungenkapazitäten
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 Körperplethysmographie nutzt das Boyle-Gesetz (P1V1 = P2V2, wobei P der Druck und V das Volumen ist), um das komprimierbare Gasvolumen im Thorax zu messen. Die Körperplethysmographie ist genauer als Gasverdünnungstechniken. 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.
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 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.
Allgemeine Literatur
1. Baugh AD, Shiboski S, Hansel NN, et al. Reconsidering the Utility of Race-Specific Lung Function Prediction Equations [published correction appears in Am J Respir Crit Care Med 2022 Jul 15;206(2):230]. Am J Respir Crit Care Med 2022;205(7):819-829. doi:10.1164/rccm.202105-1246OC
2. Ekström M, Mannino D. Research race-specific reference values and lung function impairment, breathlessness and prognosis: Analysis of NHANES 2007-2012 [published correction appears in Respir Res 2023 Feb 3;24(1):41]. Respir Res 2022;23(1):271. Veröffentlicht am 1. Oktober 2022. doi:10.1186/s12931-022-02194-4
3. Bhakta NR, Bime C, Kaminsky DA, et al. Race and Ethnicity in Pulmonary Function Test Interpretation: An Official American Thoracic Society Statement. Am J Respir Crit Care Med 2023;207(8):978-995. doi:10.1164/rccm.202302-0310ST
4. Quanjer PH, Stanojevic S, Cole TJ, et al. Multi-ethnic reference values for spirometry for the 3-95-yr age range: the global lung function 2012 equations. Eur Respir J 2012;40(6):1324-1343. doi:10.1183/09031936.00080312
5. Bowerman C, Bhakta NR, Brazzale D, et al. A Race-neutral Approach to the Interpretation of Lung Function Measurements. Am J Respir Crit Care Med 2023;207(6):768-774. doi:10.1164/rccm.202205-0963OC
6. Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J 2022;60(1):2101499. Veröffentlicht am 13. Juli 2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021
7. Han MK, Agusti A, Celli BR, et al. From GOLD 0 to Pre-COPD. Am J Respir Crit Care Med 2021;203(4):414-423. doi:10.1164/rccm.202008-3328PP
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]).
Mit pulmonalen Erkrankungen assoziierte charakteristische physiologische Veränderungen
Messung | Obstruktive Störungen | Restriktive Störungen | Gemischte Störungen |
|---|---|---|---|
FEV1/FVC | Vermindert | Normal oder erhöht | Vermindert |
FEV1 | Vermindert | Vermindert, normal oder erhöht | Vermindert |
FVC | Vermindert oder normal | Vermindert | Vermindert oder normal |
TLC | Normal oder erhöht | Vermindert | Vermindert, normal oder erhöht |
RV | Normal oder erhöht | Vermindert | Vermindert, normal oder erhöht |
FEV1 = forciertes exspiratorisches Volumen in 1 s; FVC = forcierten Vitalkapazität; RV = Restvolumen; TLC = totale Lungenkapazität. | |||
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. 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 häufigsten Beispiele für obstruktive Erkrankungen sind COPD, Asthma und Bronchiektasie.
ERS und ATS haben ihre Leitlinien zur Interpretation von Lungenfunktionstests bei der Einstufung des Schweregrads einer obstruktiven Lungenerkrankung aktualisiert (siehe Tabelle Schweregrad der Lungenbeeinträchtigung) (1). In diesen Leitlinien wird empfohlen, alle Messungen, einschließlich der Spirometrie, des Lungenvolumens und der Diffusionskapazität der Lunge für Kohlenmonoxid (DLCO), als Z-Scores und nicht als Prozentsätze der vorhergesagten Werte auszudrücken, um den Schweregrad zu bestimmen. Ein Z-Score von weniger als –1,645 zeigt an, dass der Wert unter dem 5. Perzentil der Vorhersage auf der Grundlage gesunder, angepasster Kontrollen liegt. Bei der Beurteilung des Ansprechens auf Bronchodilatatoren empfehlen die Leitlinien jetzt die Verwendung der prozentualen Veränderung im Verhältnis zum vorhergesagten Wert einer Person (anstelle des Ausgangswerts), und sie empfehlen die Verwendung einer Verbesserung von FEV1 und/oder ≥ 10% als Kriterium für die Hyperreagibilität der Atemwege.
Schweregrad der Lungenbeeinträchtigung
Schweregrad | Z-Score |
|---|---|
Leicht | -1,65 bis -2,5 |
Moderat | -2,51 bis -4,0 |
Schwer | <-4.1 |
Daten aus Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J 2022;60(1):2101499. Veröffentlicht am 13. Juli 2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021 | |
Obstruktive Störungen
Restriktive Erkrankungen sind durch eine Verringerung des Lungenvolumens gekennzeichnet, insbesondere durch eine TLC, die kleiner ist als die untere Grenze des Normalwerts (ein Z-Score von weniger als –1,65, was weniger als dem fünften Perzentil der vorhergesagten basierend auf gesunden angepassten Kontrollen entspricht). 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. Die Abnahme des Lungenvolumens führt zu einer Abnahme des Luftstroms (vermindertes FEV1). 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.
Literatur zu den Anomalienmustern
1. Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J 2022;60(1):2101499. Veröffentlicht am 13. Juli 2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021
2. Coates AL, Wanger J, Cockcroft DW, et al. ERS technical standard on bronchial challenge testing: general considerations and performance of methacholine challenge tests. Eur Respir J 2017;49(5):1601526. Veröffentlicht am 1. Mai 2017 doi:10.1183/13993003.01526-2016
3. Parsons JP, Hallstrand TS, Mastronarde JG, et al. An official American Thoracic Society clinical practice guideline: exercise-induced bronchoconstriction. Am J Respir Crit Care Med 2013;187(9):1016-1027. doi:10.1164/rccm.201303-0437ST
Bronchoprovokationstest
Die Bronchprovokation wird zur Diagnose von Erkrankungen wie Asthma eingesetzt, insbesondere wenn die Spirometrie normal ist, aber der Verdacht auf eine Hyperreaktivität der Atemwege besteht. Die Tests können mit inhaliertem Methacholin, Bewegung oder eukapnischer freiwilliger Hyperventilation (EVH) mit Luft bei Raum- oder Kältetemperatur durchgeführt werden.
Einige Asthmapatienten können zwischen den Exazerbationen eine normale Lungenfunktion und normale spirometrische Parameter aufweisen. Bleibt der Verdacht auf Asthma trotz normaler Spirometrieergebnisse bestehen, ist ein Bronchoprovokationstest mit Methacholin, einem synthetischen Analogon von Acetylcholin, das ein unspezifischer Bronchialreizstoff ist, indiziert, um eine Bronchokonstriktion nachzuweisen oder auszuschließen. Bei einem Methacholin-Provokationstest werden die spirometrischen Parameter zu Beginn und nach der Inhalation steigender Dosen von Methacholin gemessen. Die Dosis von Methacholin, die einen Rückgang des FEV1 um 20 % bewirkt, wird als PD20 bezeichnet. Laboratorien haben unterschiedliche Definitionen der Hyperreaktivität der Atemwege, aber im Allgemeinen wird bei Patienten, die einen Rückgang des FEV1 um mindestens 20 % gegenüber dem Ausgangswert (PD20) aufweisen, wenn die verabreichte Dosis von inhaliertem Methacholin< 25 mcg ist, die Diagnose einer erhöhten bronchialen Reaktivität gestellt, während eine PD20 > 400 mcg die Diagnose ausschließt. PD20-Werte zwischen 25 und 400 mcg sind nicht schlüssig (1).
Belastungstests können zum Nachweis von belastungsinduziertem Asthma verwendet werden, sind jedoch weniger sensitiv als Methacholin-Provokationstests zum Nachweis einer allgemeinen Hyperreaktivität der Atemwege. 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 ≥ 10-15% vermindert (2).
Eukapnische freiwillige Hyperventilation (EVH) kann auch zur Diagnose von belastungsinduziertem Asthma verwendet 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.
Die kälteinduzierte Hyperreaktivität kann mit einem ähnlichen Test beurteilt werden, bei dem der Patient für 3–6 Minuten hyperventiliert, während das Gasgemisch auf –10 °C bis –20 °C abgekühlt ist. Für diesen Test sind spezielle Kühlgeräte erforderlich, die in vielen Prüflabors nicht zur Verfügung stehen.
Literatur zur Bronchoprovokation
1. Coates AL, Wanger J, Cockcroft DW, et al. ERS technical standard on bronchial challenge testing: general considerations and performance of methacholine challenge tests. Eur Respir J 2017;49(5):1601526. Veröffentlicht am 1. Mai 2017 doi:10.1183/13993003.01526-2016
2. Parsons JP, Hallstrand TS, Mastronarde JG, et al. An official American Thoracic Society clinical practice guideline: exercise-induced bronchoconstriction. Am J Respir Crit Care Med 2013;187(9):1016-1027. doi:10.1164/rccm.201303-0437ST
