Grundlagen von Spirometrie und Bodyplethysmographie

 

Unter Spirometrie versteht man die Messung von Lungenparametern am Mund. Moderne Spirometer messen die Flussgeschwindigkeit der ein- und ausgeatmeten Luft. Als genaueste Methode hat sich hierbei der Ultraschall hervorgetan, bei dem durch zwei diagonal gegenüberliegende Schallwandler Laufzeitunterschiede der gesendeten und empfangenen Schallwellen ausgewertet werden. Da ein Schallwandler mit und der andere entgegen der Flussrichtung sendet, werden hierbei die einen Schallwellen beschleunigt und die anderen verlangsamt, was die Laufzeitunterschiede erklärt. Hieraus können nun spezifische Atemgeschwindigkeiten und Atemvolumina berechnet werden.

Bei der Spirometrie wird nun der Patient aufgefordert, maximal ein- und danach maximal und so schnell wie möglich auszuatmen. Dieses Atemmanöver wird mittels der Fluss-Volumen-Kurve dargestellt. Wichtige Parameter sind hier u.a. der Peakflow (höchste Atemgeschwindigkeit, PEF), die Einsekundenkapazität (FEV1, Volumen welches in der ersten Sekunde der Ausatmung geatmet wird) und die forcierte Vitalkapazität (FVC, Volumen welches insgesamt forciert ausgeatmet werden kann). Immer betrachtet wird zudem der Quotient aus FEV1 und FVC, die relative Einsekundenkapazität (FEV1%).

Bodyplethysmograph

Bei der Bodyplethysmographie sitzt der Patient in einer nahezu luftdichten Kabine. Er atmet hierbei durch ein Spirometer, um die Flusseigenschaften zu bestimmen. Durch die Atmung hebt und senkt sich der Brustkorb, wodurch in der Kabine minimale Druckunterschiede entstehen. In Ruheatmung kann man nun beobachten, welche Druckänderung nötig ist um einen gewissen Fluss zu erzeugen. Werden Atemfluss und Kabinendruck übereinander aufgetragen, erhält man die sog. Atemschleife welche zur Diagnose vieler Lungenkrankheiten einen wichtigen Beitrag leistet.

Weiterhin kann mittels der Bodyplethysmographie das Residualvolumen berechnet werden, das Volumen was am Ende einer maximalen Ausatmung immer noch in der Lunge verbleibt. Das Volumen, welches am Ende der Ruheatmung noch in der Lunge verbleibt, nennt sich thorakales Gasvolumen. Die Messung des thorakalen Gasvolumens beruht auf dem physikalischen Gesetz von Boyle und Mariott, nach dem das Produkt aus Druck und Volumen konstant bleibt. Wie beschrieben kommt es durch die Atembewegungen jeweils zu einer Kompression oder Expansion des im Thorax eingeschlossenen Gasvolumens. Während in der Atemruhelage (Ende der Ausatmung) der Luftdruck in der Lunge dem Aussendruck entspricht, vergrößert sich bei Einatmung durch das Heben des Brustkorbs das Volumen in der Lunge, wodurch wiederum der Luftdruck fällt. Der Abfall des Drucks ist messbar und somit bleibt nur die Volumendifferenz als Unbekannte, wodurch nun das thorakale Gasvolumen und auch das Residualvolumen berechnet werden kann. In der Praxis wird das thorakale Gasvolumen (TGV) über eine sogenannte Verschlussmessung bestimmt. Um den Munddruck zu bestimmen schließt ein Shutter, wodurch der Patient gegen einen Widerstand atmen muss und somit eine Druckdifferenz erzeugt. Dieser Druckverlauf kann über dem, durch die Brustkorbhebung und -senkung erzeugten, Kabinendruck aufgetragen werden. Über den Winkel dieser sog. TGV-Kurve kann dann auf das thorakale Gasvolumen geschlossen werden. Je kleiner die Munddruckänderung im Verhältnis zur Kammerdruckänderung, desto größer ist das Lungenvolumen zum Zeitpunkt des Verschlusses.

Besonders die Fluss-Volumen-Kurve und die Atemschleife kann nun benutzt werden, um eine schnelle Diagnose zu stellen. Binnen Sekunden kann hierbei ein erfahrener Pneumologe schon erste Krankheiten diagnostizieren. Je nach Anamnese wird dann entschieden, ob noch weitere Untersuchungen durchzuführen sind. Solche Tests sind in der Regel die Diffusionstestung, die Provokationsmessung oder die Ergospirometrie.

Eine unauffällige Fluss-Volumen-Kurve ist unten dargestellt. Durch die forcierte Ausatmung entsteht kurz nach Beginn des Manövers der höchste Atemfluss (Peakflow). Der Beginn der Ausatmung ist stark mitarbeitsabhängig, weshalb die Patienten unbedingt zu größtem Einsatz motiviert werden müssen. Das Ende der Ausatmung, das heißt die abnehmende Flussgeschwindigkeit, ist weitestgehend mitarbeitsunabhängig, was mit der Lungenphysiologie begründet ist.

Normale Fluss-Volumen-Kurve und Atemschleife

Die Atemschleife, unten blau dargestellt, ist im physiologischen Fall relativ steil und geschlossen. Im pathologischen Fall ist sie flacher und kann eine Art Hysterese aufzeigen. Die TGV-Messung, gelb dargestellt, hat in der Regel und je nach Darstellung einen Winkel von ca. 45°. Je flacher dieser Winkel ist, desto größer ist das Residualvolumen.

 

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