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Spiroergometrie
Lern- und
Übungsbuch
Holger Klee

1. Auflage

2013

Impressum:

Spiroergometrie

Lern- und Übungsbuch

Holger Klee

Copyright: © 2013 Dr. med. Holger Klee

published by: epubli GmbH, Berlin

www.epubli.de

ISBN 978-3-8442-6865-2

Wichtiger Hinweis: Medizin ist durch Forschung und Weiterentwicklung gekennzeichnet. Der Autor verwendet jede Mühe, den aktuellen wissenschaftlichen Stand bei Fertigstellung des Buches darzustellen. Dennoch wird jeder Leser und Anwender aufgefordert, selbst die Aktualität jeder Empfehlung zu prüfen. Das Werk ist, auch Teile davon, urheberrechtlich geschützt und darf nicht ohne vorherige schriftliche Zustimmung des Autors kopiert, vervielfältigt, übersetzt oder in elektronischen Medien veröffentlicht werden.

Vorwort

Hervorragende Lehrbücher für die Spiroergometrie stehen zur Verfügung, allen voran das Standardwerk von K. Wasserman und Mitarbeitern. Im deutschsprachigen Bereich wird das moderne, erschöpfende Buch von Kroidl, Schwarz und Lehnigk angeboten. Warum also noch ein Buch zur Spiroergometrie ?

Immer wieder wurde ich von Kollegen nach einem übersichtlichen Lehrbuch gefragt, das direkten Bezug zum klinischen Alltag hat. Ich habe die Herausforderung angenommen und versucht, übersichtlich und gut strukturiert die Physiologie und Pathophysiologie der Leistungserbringung zusammenzufassen. Auf der gleichen Struktur aufbauend wird anschließend eine einfache Auswertungsstrategie vorgestellt. Die Sammlung von Fallbespielen spiegelt den klinischen Alltag einer pneumologischen Abteilung wider und erleichtert den Übergang vom Lernen zum Üben.

Ich hoffe, dieses Buch unterstützt meine Kollegen bei der Einarbeitung in das interessante Gebiet der Differential- und Leistungsdiagnostik. Die übersichtlichen Kapitel sollen einen kurzweiligen Zugang auch zu komplexeren Fragestellungen bieten.

Das hier vorliegende ebook stellte eine besondere Herausforderung dar, bot aber auch eine Reihe von zusätzlichen Möglichkeiten. Einige ergänzende Grafiken konnten aufgenommen werden. Das in unseren Augen didaktisch wertvolle Format des Buches und des pdf-Formats musste jedoch angepasst werden. Die Funktionalität und Mobilität eines leichten ebook-readers oder eines Smartphones mit Anschluss an das Internet machen dieses Format unvergleichlich attraktiv. Dieses Werk wird jederzeit in der Kitteltasche, auf dem Schreibtisch und unterwegs verfügbar sein. Am Spiroergometer wird kein dickes Lehrbuch gewälzt, sondern ein Smartphone gezückt.

Rotenburg, September 2013

Holger Klee

Autorenhinweis:

Dr. med. Holger Klee

Studium in Bonn, Mainz und Hamburg. Promotion an der Charité, Berlin. Ausbildung zum Facharzt für Innere Medizin am Diakoniekrankenhaus Alten Eichen in Hamburg. Seit 2000 am Zentrum für Pneumologie des Diakoniekrankenhauses in Rotenburg (Wümme). Subspezialisierung in Pneumologie, Allergologie, Schlafmedizin und medikamentöser Tumortherapie. Seit 2008 in Oberarztfunktion. Über 20 Jahre Erfahrung in der Spiroergometrie. Der Autor betreibt eine Internetseite mit mehr als 100 pneumologischen Case Reports.

Agaplesion

Diakonieklinikum Rotenburg (Wümme)

Zentrum für Pneumologie

Elise-Averdieck-Straße 17

27356 Rotenburg

www.freespace4u.net/members/drholgerklee

drholgerklee@yahoo.de

Inhaltsvereichnis

1. Einfühung

2. Leistungsphysiologie

3. Auswertungsstrategien

4. Übungsbeispiel

5. Literatur

6. Abkürzungen und Parameter

7. Auswertungsschema

(Um einzelne Kapitel direkt anzuwählen, benutzen Sie bitte das dynamische Inhaltsverzeichnis des ebook-readers.)

1. Einführung
Einleitung

Die Spiroergometrie ist eine Untersuchung zur differenzierten Leistungs- und Funktionsdiagnostik. Zum einen dient sie zu einer objektiven und reproduzierbaren Bestimmung der Leistungs-fähigkeit. Dies wird unter anderem im Rahmen von präoperativer Diagnostik zur Risikoabschätzung, im Rahmen von insbesondere kardiologischer Prognosebeurteilung, zur Trainingsplanung und im Gutachtenwesen genutzt. Zum anderen ist eine differentialdiagnostische Zuordnung von Leistungseinschränkungen möglich. Dies betrifft insbesondere die klinische und praktische Anwendung. Während die Bestimmung der Leistungsfähigkeit recht einfach ist, wird im Folgenden der Schwerpunkt auf der differenzierten Funktionsdiagnostik liegen.

Vorbereitung

Wie bei jeder anderen medizinischen Untersuchung ist das Ergebnis prinzipiell abhängig von der Vorbereitung. Dazu gehören stets

aktuelle Anamnese

frühere Anamnese

körperlicher Befund: Allgemeinzustand, Auskultation von Lunge und Herz, Blutdruck, Puls

basis-anthropometrische Daten: Geschlecht, Alter, Größe, Gewicht

Vorbefunde: Spirometrie, Bodyplethysmographie, Diffusionsmessung, Blutgasanalyse in Ruhe, ggf. weitere Lungenfunktionsdaten, EKG, ggf. Echokardiographie, Röntgen-Thorax, ggf. Thorax-CT, ggf. Lungenszintigraphie

Technische Durchführung

Der Patient / Proband wird einer definierten Belastung unterzogen. Dabei kommen in Frage: Fahrradergometer, Laufband oder auch eine sonstige definierte Belastung. Im Bereich der Pneumologie werden vorwiegend Fahrradergometrien im Sitzen durchgeführt, auf die wir uns hier beziehen. Unter kardiologischen Fragestellungen wird oft eine halb-liegende Untersuchungsposition bevorzugt. Laufband-Ergometrien sind die Domäne der Trainingsberatung, ebenso wie tragbare Spiroergometrie-Messgeräte.

Protokolle

Prinzipiell unterscheidet man konstante Belastungen, Stufenprotokolle und Rampenprotokolle (mit kontinuierlich ansteigender Last). Die Diskussion, welche Vorteile die jeweiligen Protokolle besitzen und ob eine Anpassung an den aktuellen Proband notwendig ist, wird fast philosophisch geführt. In unseren Augen bieten sich für den klinischen Alltag symptomlimitierte Rampenprotokolle an (d.h. der Patient sagt, wann er erschöpft ist). Man kann eine „Aufwärmphase“ von 2 Minuten „ohne Last“ einschließen (unloaded paddeling). Auch hier wird der Nutzen kontrovers diskutiert.

Für typische Patienten empfehlen wir:

9-Felder-Grafik nach Wasserman

Da die Leistungsphysiologie ein dynamischer Prozess ist, bietet sich eine grafische Auswertung an. Die Arbeitsgruppe um K. Wasserman entwickelte hierzu eine Zusammenstellung von neun Grafiken. Die Grafiken werden durchnumeriert, wie oben gezeigt. Auf deren Bedeutung wird im folgenden Kapitel ausführlich eingegangen.

Numerische Auswertung

Neben den direkt erhobenen Parametern kann eine Vielzahl von sekundären Parametern aus diesen Daten errechnet werden.

Ergänzend zur grafischen Auswertung wird auf die reinen Zahlenwerte eingegangen. In Kapitel 6 werden die wichtigsten Parameter kurz erklärt. Normwerte werden im Text an passender Stelle beschrieben, soweit dies sinnvoll ist.

2. Leistungsphysiologie
Leistungserbringung

Zur Erbringung von körperlicher Leistung ist ein Zusammenspiel von mehreren ineinandergreifenden Systemen notwendig. Das wird in einer klassischen Darstellung von Wasserman zusammengefasst. Die untenstehende Grafik soll veranschaulichen, dass Ventilation, Herz/Kreislauf und Muskel/Stoffwechsel integrativ an der Leistungserbringung beteiligt sind. Es werden die Aufnahme, der Transport und die Stoffwechselphysiologie des Sauerstoffs und des CO2 dargestellt. Eine Steigerung der Muskelleistung (rechts) ist nur möglich, wenn das kardio-zirkulatorische System (Mitte) und die Ventilation (links) entsprechend reagieren. Wir untersuchen also mit der Spiroergometrie die Leistungsfähigkeit der Muskulatur, der Zirkulation und der Ventilation, sowie deren effektive Kopplung.

Konzept der Interpretation

Um eine möglichst einfache Ordnung in die vielfältigen Daten und Kurven zu bringen, orientiere ich mich an der obenstehenden Grafik von Wasserman. Das Wichtigste ist, was hinten herauskommt, also die Kraftentwicklung/Leistungserbringung. Von dort aus betrachten wir die Kette der ineinandergreifenden Systeme rückwärts.

Leistungserbringung - Zirkulation - Ventilation

Klinische Fragestellungen werden jeweils im Zusammenhang mit der Physiologie und der Pathophysiologie besprochen.

In der gleichen Reihenfolge werden auch in den nachfolgenden Übungsbeispielen die Grafiken und Daten analysiert.

Leistungserbringung - (periphere Zirkulation) kardiale Funktion (pulmonale Zirkulation) - Ventilation (Diffusion, Gasaustausch, Regulation)

Muskelstoffwechsel

Betrachten wir zunächst den Muskelstoffwechsel. Muskelarbeit kann verrichtet werden, wenn energiereiche Substrate verstoffwechselt werden. Für die Energiebereitstellung werden fast ausschließlich Fette und Kohlenhydrate verwendet. Proteine werden nur ausnahmsweise unter fortgeschrittenem Hungerzustand herangezogen. Das gewonnene ATP wird bei der Muskelarbeit verbraucht.

Leistung - VO2

Wir quantifizieren die erbrachte Leistung, indem wir die Menge aufgenommenen Sauerstoffs messen. Sauerstoff wird ausschließlich zur Leistungserbringung aufgenommen. (Wir ignorieren kurz den Grundumsatz, Kältezittern und das braune Fettgewebe von Säuglingen, weil wir dies selten messen.) Ein Mehr an Sauerstoffaufnahme heisst also mehr Leistung. Dies ist ein besserer Parameter als z.B. die Work-rate (Watt-Zahl) oder die Steigung und Geschwindigkeit eines Laufbandergometers.

Ruheumsatz

Auch in Ruhe wird eine bestimmte Menge Sauerstoff aufgenommen zur Aufrechterhaltung des Gewebestoffwechsels. Sozusagen zur Eigenversorgung. Dies nennt man den sogenannten Grundumsatz. Der Grundumsatz kommt additiv zu jedem Belastungsstoffwechsel hinzu. Der Grundumsatz in Ruhe ist abhängig vom Gewicht (vom zu versorgendem Gewebe) und beträgt ca. 5.8 ml/min/kg. Die wissenschaftlich exakte Bestimmung des Grundumsatzes erfolgt in Ruhe und unter definierten äußeren Bedingungen im Rahmen einer Kalorimetrie. Nichtsdestotrotz wird dabei die Sauerstoffaufnahme in Ruhe gemessen. Näherungsweise kann der Grundumsatz direkt in Grafik 3 abgelesen werden.

VO2max.

Die Menge aufgenommenen Sauerstoffs ist also ein direktes Maß für die erbrachte Leistung. Wir geben daher die maximale Sauerstoffaufnahme VO2max. als Maß für die erbrachte maximale Leistung an.

Zum Vergleich kann ein Normalkollektiv herangezogen werden. Man gibt die VO2max. als Prozent vom Soll an. Der Vergleich mit Normalkollektiven kann problematisch sein, weil sowohl die Studienpopulation als auch der Testaufbau erheblich von der aktuellen Situation abweichen können.

VO2max./KG

Eine weitere Möglichkeit der Interpretation ist eine Normierung über das Körpergewicht. Dazu wir die VO2max. durch das Körpergewicht geteilt. Damit wird ein erhöhter Grundumsatz und eine zusätzliche Leistungserbringung für das mitzubewegende Gewicht der Beine berücksichtigt. Bei besonderem Habitus ist diese Methode oft irreführend, z.B. bei kleinen übergewichtigen Frauen.

Präoperative Diagnostik

In der klinischen Pneumologie ist die wohl häufigste und auch einfachste Fragestellung, die mit der Spiroergometrie beantwortet wird, die präoperative Leistungsdiagnostik (Bestimmung der VO2max.). Vor resektiven Maßnahmen an der Lunge sollte das perioperative Risiko abgeschätzt werden und klar sein, ob der Patient nach der Operation noch genug Luft bekommt. Empfehlungen zur präoperativen Leistungsdiagnostik sind im folgenden Fluss-Schema dargestellt. (ATS, ERS, DGP)

Das Fluss-Schema soll Patienten benennen, die ein geringes perioperatives Risiko haben (rechts). Das sind Patienten ohne schwerwiegende Begleiterkrankungen und mit guter Lungenfunktion. Diese Patienten brauchen keine weitere Funktions-Diagnostik. Patienten mit schweren, nicht besserbaren Begleiterkrankungen oder sehr schlechter Lungenfunktion sind nur mit sehr hohem Risiko operabel (links). Ist die Lungenfunktion eingeschränkt, sollte die Diagnostik ergänzt werden (Mitte).

ppoFEV1 und ppoTLCO

Einfache Werte zur Beurteilung des perioperativen Risikos und der postoperativen Leistungsfähigkeit sind das errechnete postoperative FEV1 und die prädiktive postoperative TLCO. Zur Berechnung muss bekannt sein, wie groß der Verlust an Lungengewebe sein wird. Hierzu wird eine Lungenszintigraphie durchgeführt und die relative Perfusion der zu resezierenden Segmente ausgerechnet.

ppoFEV1 = FEV1 x (1 - resezierte Segmente)

Die Berechnung der ppoTLCO erfolgt entsprechend. Als operabel gilt ein Patient, wenn die ppoFEV1 größer als 0.8l ist und die ppoTLCO größer als 30% vom Soll. Weiterhin sollte bei Patienten mit eingeschränkter Lungenfunktion und/oder kardiovaskulären Begleiterkrankungen eine präoperative Spiroergometrie durchgeführt werden. Die Vorhersagekraft der Spiroergometrie für perioperative Komplikationen und postoperative Leistungsfähigkeit ist entscheidend besser als die von Ruhelungenfunktion oder etwa der Echokardiographie.

ppoVO2max.

Die Dokumentation der Leistunsgfähigkeit mit der Spiroergometrie und die Berechnung der voraussichtlichen postoperativen VO2max. ist sicher eine der besten Instrumente zum peri-operativen Risikomanagement bei thoraxchirurgischen Eingriffen.

Die postoperative Leistungsfähigkeit wird dabei entsprechend der postoperativen FEV1 berechnet. Es wird eine symptomlimitierte Spiroergometrie durchgeführt. Anhand eines Lungenszintigramms wird abgeschätzt, wie groß der Verlust durch die Resektion sein wird.

ppoVO2max. = VO2max. x (1 - res. Segmente)

Daraus lässt sich gut auf die spät-postoperative Leistungsfähigkeit schließen. Frühpostoperativ kann die Leistungsfähigkeit geringer sein. Es besteht eine enge negative Korrellation zwischen der ppoVO2max. und dem Risiko von perioperativen Komplikationen. Als Richtwert wird empfohlen, dass die postoperative Leistungsfähigkeit betragen sollte:

ppoVO2max. > 35% vom Soll

Das Bronchialcarcinom ist eines der häufigsten Malignome. Dennoch existieren nur einige wenige Studien mit vergleichsweise geringen Patientenzahlen zum perioperativen Risiko. Eine Metaanalyse von NICE (U.K.) fasst 14 Studien mit insgesamt weniger als 1000 Patienten zusammen. Bei Patienten ohne perioperative pulmonale Komplikationen kann eine höhere durchschnittliche VO2max. errechnet werden als bei Patienten mit Komplikationen (80% vs. 72%, p < 0.05).

Das perioperative Risiko beträgt:

ppoVO2max./KG

Als Empfehlung für eine berechnete postoperative Leistungsfähigkeit wird manchmal angegeben:

ppoVO2max./KG > 10 ml/kg/min.

In einer britischen Metaanalyse betrug der Unterschied zwischen Komplikationen / keine Komplikationen nur 3 ml/kg/min (20 vs. 16 ml/kg/min). Konsistent wird in allen Studien gefunden, dass bei einer VO2max. > 20 ml/kg/min keine schwerwiegenden perioperativen Komplikationen zu erwarten sind. Nun sind nahezu alle Patienten, die ein Bronchialcarcinom entwickeln, Raucher oder zumindest Ex-Raucher, so dass hier pulmonale und kardio-vaskuläre Begleiterkrankungen nicht selten sind. Daher ist die Leistungsfähigkeit für diese Patienten in der Regel deutlich geringer. Das Risiko für perioperative Komplikationen lässt sich aus mehreren Studien folgendermaßen zusammenfassen:

Weiterhin sollte bedacht werden, dass das Ausmaß der Resektion in direktem Zusammenhang zum perioperativen Risiko steht. Eine Segmentresektion bei einer VO2max./KG von 10 ml/min/kg hat das gleiche Risiko wie eine Pneumektomie bei einer VO2max./KG von 20 ml/min/kg. Auch alternative Behandlungsmethoden wie Radiatio und Chemotherapie weisen nicht unerhebliche therapiebedingte Risiken auf, die in Relation zum perioperativen Risiko berücksichtigt werden müssen. Und schließlich ist die Resektion die beste kurative Chance für den Patienten.

Adipositas

Bei adipösen Menschen trägt das vermehrte Fettgewebe zu einem erhöhten Grundumsatz bei. Man erkennt dies an einer erhöhten Sauerstoffaufnahme in Ruhe. Dies setzt sich unter Belastung fort. Wird VO2 gegen die Last aufgetragen, ist die Sauerstoffaufnahme parallel nach oben verschoben. Bezogen auf das Körpergewicht (VO2/KG) ergibt sich eine scheinbare Leistungseinschränkung. Die Leistungsfähigkeit ist jedoch häufig normal, wenn sie nach Alter und Größe mit der Norm verglichen wird.

„There is a fit young boy inside that fat man.“ (Karlman Wasserman)

Normwerte

Hier sollte auch das Problem der Normwerte angesprochen werden. Bei der Verwendung von Sollwerten muss die Vergleichspopulation beachtet werden, an denen diese erhoben wurden. Gerade bei Patienten mit sehr niedrigem oder sehr hohem Gewicht, oder aber bei älteren Patienten kann es ansonsten zu Fehlinterpretationen kommen.

Trainingsmangel

Trainingsmangel manifestiert sich selbstverständlich in einer eingeschränkten Leistungsfähigkeit (d.h. VO2max. und VO2max./KG).

Typische Befunde sind:

niedrige VO2max. und VO2max./KG

keine pathologische Veränderungen

eher hohe Herzfrequenz, Erreichen der „Ausbelastungsfrequenz“

erhaltene Ventilationsreserve, hohe BF

RER > 1

AT/VO2max.Soll > 0.5 (normal)

Alle Befunde sind nicht pathologisch, abgesehen von der erniedrigten VO2max. Der Proband wirkt am Ende der Belastung erschöpft. Nach kardiologischen Kriterien wäre er „ausbelastet“. Die aerobe Kapazität ist wenig beeinträchtigt.

Motivationsmangel

Aus unterschiedlichen Gründen kann die Motivation des Probanden unzureichend sein. Im Gutachtenverfahren könnte bei geringer Mitarbeit auf eine höhere Rente gehofft werden.

Typische Befunde sind:

niedrige VO2max. und VO2max./KG

keine pathologische Veränderungen

eher niedrige Herzfrequenz, die „Ausbelastungsfrequenz“ wird nicht erreicht.

große Ventilationsreserve, evtl. niedrige BF

RER < 1

AT/VO2max.Soll > 0.5 (normal)

Zusammenfassend sind alle Befunde normal - bis auf die VO2max. Es kann anhand der Befunde nicht schlüssig erklärt werden, warum die Spiroergometrie abgebrochen wurde.

Schwellenkonzepte

Wie oben dargelegt, ist die VO2max. ein sehr guter Parameter für die Leistungsfähigkeit eines Probanden - jedoch durchaus von der Mitarbeit abhängig. Mitarbeitsunabhängig verhalten sich Stoffwechsel-Kenngrößen, die über theoretisch existierende „Schwellen“ bzw. mehr oder weniger enge Übergangsbereiche beschrieben werden. Grundgedanke ist eine Umstellung von einem „aeroben“ Stoffwechsel auf einen (zusätzlichen) „anaeroben“ Stoffwechsel.

Aerober Stoffwechsel

Im Dauerlastbereich findet die Energiebereitstellung als sogenannter „aerober Stoffwechsel“ statt. Das soll heissen, unter Sauerstoffverbrauch wird ATP gebildet. Dazu werden überwiegend Fette zur Energiegewinnung herangezogen. Hier als Beispiel Palminsäure

(1) C16H32O2 + 23 O2 → 16 CO2 + 16 H20 + 130 ATP

Pro aufgenommenen O2 werden 130/23 = 5.65 ATP gebildet.

Weiterhin wird Glukose mit hohem Energiegewinn oxidiert.

(2) C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + c H20 + 36 ATP

Pro aufgenommenem O2 werden 36/6 = 6 ATP gebildet.

Im Dauerlastbereich ist die Energiebereitstellung also sehr effektiv mit einem hohen zellulären respiratorischen Quotienten.

(3) RQ = CO2-Prod./O2-Aufnahme = 0.8 - 0.95

Der respiratorische Quotient RER ist < 1. Das heisst, es wird mehr O2 eingeatmet als CO2 ausgeatmet. - Später umgekehrt.