SGP-Jahrestagung 2016 Hands-on workshop: Bodyplethysmographie

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1 SGP-Jahrestagung 2016 Hands-on workshop: Bodyplethysmographie 15. Juni 2016, Lausanne - Daniela Emmisberger - Jörg Thoma

2 Perspektive "Anatomie der Lungenatmung"

3 Perspektive Physiologie der Lungenatmung Ventilation (Belüftung) Diffusion (Gasaustausch) Perfusion (Durchblutung)

4 Perspektive Respiratorisches System Gasaustauschendes System (Lunge) Alveolen Alveolarwände Kapillarbett Belüftendes System (Atempumpe) Atemsteuerung Thorax Obere und untere Atemwege

5 Perspektive Atmungsorgan Compliance (Lungendehnbarkeit) = Volumenänderung / Druckänderung Resistance (Strömungswiderstand) = Druck / Fluss

6 (Ganzkörper) Plethysmographie plhfwra = Fülle, grajw = Aufzeichnung Prinzip: Druckschwankungen in der Kabine sind spiegelbildlich zu den Druckschwankungen der Lunge (Alveolardruckschwankungen) (Mund)Fluss FRC Plethy DV Thorax Verschiebevolumen

7 Volumen-Zeit-Kurve (V/Z-Kurve) Volumen (l) Zeit (s)

8 V/Z-Kurve: Volumina und Kapazitäten Volumen (l) 1 Sek. IRV IRC FEV 1 AV FVC TLC FRC / ITGV ERV ERC IVC RV Zeit (s)

9 (ausgewählte) Messmethoden der Lungenfunktion Ganzkörperplethysmographie (Messung der Atmungs-/Atemwegswiderstände) Spirometrie (Messung des Atemfluss) Inspiration P occ (kpa) Fluss (l/s) Fluss (l/s) Exspiration V pleth (ml) Volumen (l) Exspiration Inspiration

10 4 standardisierte Messabschnitte 1. Ruheatmung: Atmungswiderstand (sraw) 2. Verschlussdruckmessung: Lungenvolumen (FRC pleth / ITGV) 3. Ruhespirometrie: statische Volumina (ERV, VC In ) (Keine Abhängigkeit der Messwerte vom zeitlichen Ablauf des Spirogramms) 4. Forcierte Spirometrie: dynamische Volumina (FEV 1 ) (Abhängigkeit der Messwerte vom zeitlichen Ablauf des Spirogramms)

11 Spezifischer Atmungswiderstand (sraw) Messung Normale Atmung bei geschlossener Kabinentür (keine Atmungsmanöver notwendig) Atmungsschleife Fluss (l/s) Unabhängig von Alter, Grösse und Geschlecht (Atemwegswiderstand und thorakales (Gas)Volumen kompensieren sich) V pleth (ml) Auswertung Integral-Methode Alle Messpunkte der Atmungsschleife werden einbezogen Winkel-Methode 2 Punkte der Atmungsschleife werden zur Berechnung benutzt

12 Spezifischer Atmungswiderstand (sraw, Winkelmethode) sr tot nach Ulmer Totaler spezifischer Atmungswiderstand sr eff nach Matthys Effektiver spezifischer Atmungswiderstand Aussage über periphere Atemwege Höhere interindividuelle Variabilität (Streuung) Überbewertung der Lungenperipherie vor allem bei erhöhten Atmungswiderständen Aussage über zentrale Atemwege und Volumen (FRC Pleth ) Geringe interindividuelle Variabilität (Streuung) Hohe klinische Signifikanz

13 Spezifischer Atmungswiderstand (sraw, Winkelmethode) sr In : inspiratorisch sr Ex : exspiratorisch

14 Beurteilung der Atmungswiderstände Absolute Zahlen Pathologische Lungenfunktion: (sreff 1.2 kpa x s Erwachsene) Reversibilität Keine: ohne Veränderung leicht mittelgradig Partiell: Abnahme sreff Vollständig: sreff im Normbereich > 4 hochgradig

15 Beurteilung der Atmungswiderstände: Kurvenform Fluss (l/s) V pleth (ml) Neigungswinkel: erhöhter, zentraler Atmungswiderstand und/oder Volumenvergrösserung peripher (Überblähung) Öffnung: gleichmässig: zentro-periphere Obstruktion ungleichmässig: periphere endexspiratorische Inhomogenität (1) Lungengesunder (2) schwere homogene Obstruktion der großen Atemwege (Asthma) (3) inhomogene, mehr periphere Obstruktion mit ausgeprägter spätexspiratorischer Atemstrombehinderung (COPD) (4) abrupter exspiratorischer Strömungsabfall als Ausdruck einer abrupten Strömungsbehinderung bei tiefem Lungenvolumen (Zwerchfellhochstand, Adipositas) (5) ausgeprägte S-förmige Deformierung mit auch inspiratorischer Flusslimitierung bei schon geringer Atemstromstärke (extrathorakale Stenose, Stimmbanddysfunktion)

16 4 standardisierte Messabschnitte 1. Ruheatmung: Atmungswiderstand (sraw) 2. Verschlussdruckmessung: Lungenvolumen (FRC pleth / ITGV) 3. Ruhespirometrie: statische Volumina (ERV, VC In ) (Keine Abhängigkeit der Messwerte vom zeitlichen Ablauf des Spirogramms) 4. Forcierte Spirometrie: dynamische Volumina (FEV 1 ) (Abhängigkeit der Messwerte vom zeitlichen Ablauf des Spirogramms)

17 Lungenvolumen: FRC pleth (ITGV) Boyle-Mariott sches Gesetz Bei konstanter Temperatur ist das Volumen einer eingeschlossenen Gasmenge dem Kehrwert des Druckes proportional (V = 1 / P) Umgesetzt auf den Ganzkörperplethysmographen P Plethy x V Plethy = P Lunge x V Lunge P occ (kpa) d. h. Produkt aus Druck und Volumen ist konstant (V x P = 1) falls V 1 x P 1 = 1 1 und wenn V 2 x P 2 = 1 2 dann V 1 x P 1 = V 2 x P 2 V pleth (ml)

18 "Plethysmographische Rechnung" FRC ERV = RV sowie RV + IVC = TLC Volumen (l) 1 Sek. TLC FRC / ITGV ERV IVC RV Zeit (s)

19 Berechnungen aus Atmungswiderständen und Lungenvolumen Atemwegswiderstand (Strömungswiderstand der zentralen Atemwege) Raw = sraw / (FRC Pleth + AV / 2) Aussage:"Atemwegswiderstand unabhängig vom Volumen" Je nach Messmethode: Reff / Rtot (Matthys/Ulmer) Spezifische Conductance ( Compliance!) sgeff = 1 / sreff

20 Begriffe des Widerstandes Abkürzung für meint s spezifische Resistance Unabhängig von der Messung der Volumina (im Speziellen FRC Pleth ) eff Matthys : effektive Resistance Umfasst alle Punkte der Atmungsschleife tot Ulmer : totale Resistance 0.5 du Bois : 0.5l/s Atemwegswiderstand bei maximalem Verschiebevolumen Atmungswiderstand zwischen 0.5l/s inspiratorischem und exspiratorischem Fluss R Resistance Widerstand G Conductance Durchgängigkeit, Leitfähigkeit (= 1/ R)

21 4 standardisierte Messabschnitte 1. Ruheatmung: Atmungswiderstand (sraw) 2. Verschlussdruckmessung: Lungenvolumen (FRC pleth / ITGV) 3. Ruhespirometrie: statische Volumina (ERV, VC In ) (Keine Abhängigkeit der Messwerte vom zeitlichen Ablauf des Spirogramms) 4. Forcierte Spirometrie: dynamische Volumina (FEV 1 ) (Abhängigkeit der Messwerte vom zeitlichen Ablauf des Spirogramms)

22 Spirometrie: Fluss-Volumen-Kurve Fluss (l/s) Volumen (l)

23 Messprinzip Atemfluss wird via Sensor gemessen (Pneumotachographie, Hitzdrahtanemometrie, Ultraschallmesstechnik) Integration des Atemstroms über die Zeit ergibt das Volumen (ʃ Atemfluss x dt = Volumen)

24 Forciertes Spirometrie-Manöver Sitzend, aufrechte Haltung, keine einengende Bekleidung (CAVE Synkope, also nicht stehend) Genaue Instruktion ( Kerze ausblasen ) Nasenklemme Maximale Inspiration Auf Kommando: explosionsartige & vollständige Ausatmung (> 6 Sek.) best of three, mindestens 2 reproduzierbare Messungen (FEV 1, FVC)

25 Akzeptabel? Manöver frei von Artefakten Husten oder Glottisschluss in der 1. Sekunde Leak Obstruktion des Mundstückes Variabler Effort Gute Starts Extrapoliertes Volumen <5% des FVC oder <0.15l Time-to-PEF <120ms Genügende Exspiration Exspiration >6s und/oder Plateau in der Volumen-Zeit-Kurve (in den letzten 2 Sek. Volumenänderung <40ml) oder Patient kann oder soll nicht länger ausatmen

26 Kooperation in der Volumen-Zeit-Kurve Volumen (l) Plateau ev Zeit (s)

27 Kooperation in der Fluss-Volumen-Kurve Fluss (l/s) ev FVC Volumen (l)

28 Reproduzierbar? 2 grösste FVC und 2 grösste FEV 1 innerhalb ATS/ERS <5% bzw. <150ml Herstellerspezifisch z. B. A B C D F reproduzierbar innert 100ml reproduzierbar innert 150ml reproduzierbar innert 200ml nur 1 Messung / nicht reproduzierbar inakzeptabel Maximal 8 Tests Cave: Gelegentlich Auslösung einer Obstruktion durch die forcierten Manöver

29 Fehlerquellen Patient Gerät und Bedienung Mangelnde Kooperation Zunge vor dem Mundstück Ungenügender Lippenschluss Leck am Mundstück Zögernder Ausatmungsbeginn Nicht maximale Inspiration (Peak Flow tief) Vorzeitiger Abbruch Exspiration (FVC) Eichung vernachlässigt Messkopf verunreinigt (Sputum) Mundstück undicht Nasenklemme fehlt Falsche Patientenmerkmale (Geschlecht, Alter, Grösse, Ethnie)

30 Obstruktion in der Spirometrie Verminderung des altersabhängigen Tiffeneau-Index, d.h. Abnahme des maximalen Atemfluss bezogen auf die Vitalkapazität (< 5. Perzentil bzw. Z-Score < ) Idealerweise FEV 1 /IVC GLI-Normwerte: FEV 1 /FVC Gradierung

31 Normwerte EGKS [1993] Europäische Gesellschaft für Kohle und Stahl SAPALDIA [1996] Swiss study on Air Pollution And Lung Disease in Adults GLI [2012] Global Lung Initiative

32 Lower limit of normal: LLN (unterer Grenzwert) weit verbreitet: feste Prozentangabe des Mittelwertes als pathologischer Grenzwert ["80%-Soll"] ignoriert jedoch unterschiedliche Streubreiten der Normalwerte "lungenfunktionell korrekter": Perzentilen berücksichtigen statistische Verteilung; in der Regel 5%-Perzentile (d.h. nur 5% der gesunden Bevölkerung Messwert unterhalb LLN) = Sollmittelwert (1.645 x Streuung)

33 Streuung absolute Streuung der Messwerte variiert kleinste Streuung im Altersbereich jährig Quanjer, P. GLI-2012 All-Age Multi-Ethnic Reference Values for Spirometry. Advantages, Consequences. 1-15, S. 6

34 Z-Score und LLN [Statistik: Z-Verteilung = standardisierte Normalverteilung] Z-Score: Anzahl Standardabweichungen vom Sollmittelwert (Standardabweichung = "Konzentration der Werte um den Mittelwert) (z.b.: Z = 0 Sollmittelwert, Z = 2 2 Standardabweichungen vom Sollmittelwert) Jedem Z-Score kann ein Perzentil zugeordnet werden z.b. 5%-Perzentil Z-Score bzw. Z-Score %-Perzentil 1. Z-Score ermöglicht Interpretation unabhängig vom Alter, Grösse, Geschlecht und Ethnie Criée, C. (2015). Leitlinie zur Spirometrie. Pneumologie , S. 155

35 Z-Score und LLN bei der Lungenfunktion Criée, C. (2015). Leitlinie zur Spirometrie. Pneumologie , S. 155

36 Z-Score: Obstruktion Quanjer, P. GLI-2012 All-Age Multi-Ethnic Reference Values for Spirometry. Advantages, Consequences. 1-15, S. 9

37 Verschiedene qualitative Gradierungen (der Obstruktion anhand des Tiffenau-Index [FEV 1 /FVC]) Obstruktion nach LLN Lower Limit of Normal (= 5%-Perzentile) Obstruktion nach GOLD Global Initiative for chronic Obstructive Lung Disease Tiffeneau-Quotient altersabhängig, Richtwerte: Kinder < 85% Adoleszente < 80% Junge Erwachsene < 75% Ältere Erwachsene < 70% Senium < 65% Tiffeneau-Quotient < 70%

38 Charakteristische Veränderungen der Fluss-Volumen-Kurve Criée, C. (2015). Leitlinie zur Spirometrie. Pneumologie , S. 156

39 Verschiedene quantitative Gradierungen (der Obstruktion anhand des Atemfluss [FEV 1 -Werte]) "GLI 2012" GOLD 2015 ATS/ERS 2005 leicht (>60%) leicht (>80%) leicht (>70%) Pneumologen NW-CH 2003 leicht (>70%) ATS 1991 normal (>85%) leicht (70-84%) mittelschwer (40-60%) mittelschwer (50-79%) schwer (30-49%) mässig (60-69%) mittelschwer mittelschwer (50-69%) (50-59%) schwer (35-49%) schwer (<40%) sehr schwer sehr schwer (<35%) (<30%) schwer (<50%) mittelschwer (50-69%) schwer (35-49%) sehr schwer (<35%)

40 Gradierung der Flusslimitierung: ERS/ATS vs. GOLD ERS/ATS (Asthma) / GOLD (COPD) A-Spitäler Ø-A-Pneumologien

41 Tendenz in der Schweiz einfacher Messwert des FEV1 wird eher einfach graduiert und kann so einfacher vermittelt werden

42 CAVE: Individuum! Einzelne Individuen haben Lungenfunktionswerte oberhalb des Mittelwertes der Population; diese können leicht abfallen und beim Individuum eine Pathologie darstellen! Intraindividueller Vergleich besser als interindividueller, d.h. also Verlaufskontrolle der Lungenfunktionswerte

43 CAVE: Tageszeitschwankungen Quanjer, P. GLI-2012 All-Age Multi-Ethnic Reference Values for Spirometry. Advantages, Consequences. 1-15, S. 9

44 Verlaufsdokumentation Barmelweid

45 Beurteilung der Lungenfunktion FEV 1 / VC (Tiffeneau-Quotient) < LLN > LLN TLC < LLN TLC > LLN Obstruktion Restriktion Normal Schweregrad je nach FEV 1 % Sollwert Leicht > 60% Mittelschwer 40-60% Schwer < 40% Schweregrad je nach VC % Sollwert Leicht > 60% Mittelschwer 40-60% Schwer < 40%

46 Lungenfunktion Barmelweid

47 alles klar

48 alles klar?

49 "Mut zum Bild"

50 Normal Volumen (l) VC AV TLC RV Zeit (s)

51 Obstruktion: relative (statische) Überblähung eingeschlossene Luft (air trapping) Volumen (l) VC AV TLC RV Zeit (s)

52 Obstruktion: absolute (statische) Überblähung Volumen (l) VC AV TLC RV Zeit (s)

53 Obstruktion

54 Normal Volumen (l) VC AV TLC RV Zeit (s)

55 Restriktion: retrahierte Lunge Volumen (l) VC AV TLC RV Zeit (s)

56 Restriktion: gefesselte Lunge Volumen (l) VC AV TLC RV Zeit (s)

57 Restriktion

58 Zusammenfassung Volumen (l) AV VC TLC VC TLC VC TLC VC TLC VC TLC AV AV AV AV RV RV RV RV RV Normal Obstruktion Obstruktion Restriktion Restriktion air trapping Überblähung retrahiert gefesselt Zeit (s)

59 Literatur

60 Workshop Ganzkörperplethysmographie Dr. med. Leitender Arzt Pneumologie Klinik Barmelweid Telefon (Sekretariat) Telefon (direkt) Fax