Einleitung
Einleitung
Aufgrund der Häufigkeit und Progredienz der chronisch
obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) und der weiter steigenden Prävalenz
des Asthma bronchiale sind die Ansprüche an die Verfügbarkeit und
Sensitivität der Diagnostik gewachsen. Gleichzeitig ist das
ökonomische Spannungsfeld bezüglich Investitionskosten und
messtechnischem Aufwand schärfer geworden [1]. Eine
modernen Ansprüchen genügende Lungenfunktionsdiagnostik sollte
deshalb bei vertretbarem technischem Aufwand die wesentlichen Komponenten der
Obstruktion bei geringer Kooperationsabhängigkeit und Patientenbelastung
erfassen und im Idealfall ortsvariabel (z. B. am Arbeitsplatz)
einsetzbar sein. Zur Messung des Strömungswiderstandes, des
Einsekundenvolumens (FEV1) und weiterer Parameter, die eine Atemwegsobstruktion
definieren, stehen heute verschiedene Methoden wie die
Spirometrie/Pneumotachografie die Atemwiderstandsmessung mittels
Unterbrechermethode, die Ganzkörperplethysmografie und in zunehmendem
Maße auch die Methode der Impulsoszillometrie (IOS) zur Verfügung
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]. Die IOS ist jedoch ein
„Stiefkind” der standardisierten Lungenfunktionstestungen und
wird vergleichsweise wenig eingesetzt. Dies liegt nicht zuletzt an der
Tatsache, dass die Methode eine gegenüber Standardverfahren komplexere
Interpretationsweise erfordert. Ein weiterer Grund für die
zurückhaltende Anwendung der Technik dürfte in der Unsicherheit in
Bezug auf die Vergleichbarkeit zu den Standardmethoden der
Lungenfunktionsdiagnostik liegen. Der vorliegende Artikel diskutiert Grundlagen
und Literaturdaten zum Verständnis und zur Einordnung der IOS
ergänzend zu einer kürzlich erschienenen Originalarbeit
[10], ohne den Anspruch auf eine abschließende
Bewertung zu erheben. Bezüglich weitergehender Informationen zur
Standarddiagnostik wird auf kürzlich erschienene Leitlinien und
Publikationen verwiesen [11]
[12]
[13].
Impulsoszillometrie (IOS)
Impulsoszillometrie (IOS)
Bei dem Prinzip der IOS erfolgt eine aktive Energiezufuhr in Form
von impulsförmigen Schwingungen (Oszillationen), die durch einen externen
Generator erzeugt und der Ruheatmung des Patienten überlagert werden,
während dieser über ein Mundstück und einen definierten
Abschlusswiderstand Raumluft atmet. Die Reaktion des respiratorischen Systems
auf die Druckimpulse wird analysiert, indem die am Mundstück entstehende
Impulsströmung sowie der resultierende Impulsdruck registriert werden. Der
so ermittelte komplexe Atemwiderstand (Impedanz Zrs)
wird gegenüber dem bodyplethysmografisch bestimmten Atemwegswiderstand Rtot etwas höher gemessen, da die
Impedanz Teilwiderstände beinhaltet, die sich hinsichtlich ihres
zeitlichen Zusammenhanges zwischen Druck und Fluss unterscheiden
[14]
[15]
[16]
[17] und die über eine reine
Querschnittsbeschreibung der Atemwege hinausgehende Informationen liefern:
1. Resistance (R), Reibungswiderstand
(Strömungswiderstand, auch Wirkwiderstand genannt) in den Atemwegen.
2. Reactance (X), auch Blindwiderstand
unterteilt in:
a) inertive Reactance (Xin), auch als
Inertance bezeichnet, (beinhaltet alle trägen
Widerstände innerhalb des Lunge-Thoraxsystems einschließlich der
Masseträgheit der ventilierten Luftsäule),
b) kapazitive Reactance (Xcap) auch als
elastischer oder complianter Widerstand (Capacitance)
bezeichnet, bei der Kompression von Gasen (Volumencompliance) als auch bei der
Überwindung von elastischen Dehnungswiderständen (Membrancompliance)
auftretend.
Vereinfachend wird die Reactance bei 5 Hz wegen der
Widerspiegelung von pulmonalen Gewebseigenschaften auch als Lungenreactance
bezeichnet.
Die IOS mit computergestützter Auswertung ist eine
Weiterentwicklung der polifrequenten oszillometrischen Verfahren und stellt die
derzeit modernste Variante der multifrequenten Oszillationsmethoden dar
[17]. Mittels IOS werden Merkmale des untersuchten
respiratorischen Systems in Form eines komplexen Impedanzspektrums
wiedergegeben und die Komponenten der registrierten Impedanz (Resistance R,
Reactance X) in ihrer Frequenzabhängigkeit dargestellt, wobei eine hohe
zeitliche Auflösung durch Applikation von in der Regel 5 Messimpulsen pro
Sekunde erreicht wird ([Abb. 1]). Jeder Impuls hat
dabei einen multifrequenten Inhalt [17]
[19]
[20].
Abb. 1 Darstellung der Spektren
von Resistance R(f) und Reactance X(f) sowie weiterer Spektralparameter wie der
Resonanzfrequenz (Fres) (modifiziert nach Smith et al. 1997 und 2009).
Die Resistance (R) wird bei 5 und
20 Hz (R5, R20) ausgewertet, die Reactance (X)
bei 5 Hz (X5) [17]. Dabei repräsentiert R5
vorwiegend Informationen über die gesamten Atemwege. Durch absolute und
relative Differenzbildung zum höherfrequent gemessenen Widerstand R20
läßt sich die Frequenzabhängigkeit der Resistance (FDR)
charakterisieren (FDR absolut = R5 - R20,
FDR relativ = (R5 - R20)/R20)
[10].
Die Reactance X5 als Maß für die elastischen
(kapazitativen) und volumeninhärenten Eigenschaften der Lunge wird
hauptsächlich von peripheren obstruktiven Veränderungen und
Wandeigenschaften der Bronchien beeinflusst. Sollwertüberschreitungen um
mindestens 30 – 50 % werden als pathologisch
angesehen. Grundsätzlich sind die Kategorien zentral und peripher nicht
statisch morphologisch, sondern funktionell und variabel zu verstehen.
Der totale Atemwiderstand R5, die Reactance X5, die Resonanzfrequenz
der Atemwege Fres sowie der spektrale Verlauf von Resistance und Reactance
(Frequenzabhängigkeit) können neben der Einschätzung des
Schweregrades der Obstruktion auch zu deren funktioneller Differenzierung in
zentrale und periphere Komponenten herangezogen werden ([Abb. 2]). Die Resonanzfrequenz kann auch als
indirektes Maß für einen Abfall (eine Negativierung) des Parameters
X5 betrachtet werden. So findet sich bei vorwiegend peripherer Obstruktion und
pathologisch erniedrigter Lungenreactance eine sich in stärkerem
Maße negativ ausprägende Reactance X5 und folglich eine höhere
Resonanzfrequenz [18]. Auch die Resistancewerte zeigen
bei dieser Konstellation eine deutlichere Frequenzabhängigkeit mit
höheren Werten bei niedrigen Frequenzen (R5 >> R20).
Die standardisierte (relative) Frequenzabhängigkeit
FDR und die absolute Frequenzabhängigkeit der Resistance FDRa werden
als sensible Indikatoren der peripheren Atemwegsobstruktion diskutiert
[21]. Unter Zugrundelegung von Literaturangaben
[22] und von mittleren Normwerten für R5
(z. B. 0,34 kPa/l/s) und R20 (z. B. 0,29 kPa/l/s)
ergibt sich rechnerisch ein erwarteter Wert für FDR von
0,16 ± 0,02 kPa/l/s, entsprechend einem oberen
Grenzwert (x + 2 s) von etwa 0,20 kPa/l/s.
Höhere Werte der FDR signalisieren eine größere Differenz
zwischen R5 und R20, bezogen auf den Absolutwert von R20, also eine
stärkere Frequenzabhängigkeit der oszillatorischen Resistance.
Weitere Sollwertstudien unter Einbeziehung repräsentativer
Altersstichproben besonders zu den FDR-Parametern sind aus Sicht der Autoren
analog zur Sollwertdiskussion bei den Standardmethoden [11] sinnvoll.
Abb. 2 Verläufe der
IOS-Spektralparameter R und X mit Charakterisierung der Fres im Vergleich zur
Standardmethodik am Beispiel einer 41-jährigen Patientin mit Asthma
bronchiale vor und nach Bronchospasmolysetestung mit Salbutamol-Dosier-Aerosol.
Die überwiegend periphere Obstruktion bei Ruheatmung mit Besserung nach
Spasmolyse wird durch die Pneumotachografie im Gegensatz zu Bodyplethysmografie
und IOS nicht adäquat dargestellt bei unveränderter Atemmittellage
(Werte nicht dargestellt). Die gestrichelten Linien zeigen Sollbereiche (blau
– Resistance, rot – Reactance). Impulsoszillometrisch zeigt sich
der Bronchospasmolyseeffekt bezüglich der Resistance (blaue durchgezogene
Linie) durch eine Reduktion besonders im niederfrequenten Bereich
(Rückgang R5 > R20) und durch eine Verminderung der
Frequenzabhängigkeit von R (Steigung zwischen 20 und 5 Hz).
Bezüglich der Reactance (Blindwiderstände) zeigt sich ein geringerer
Betrag der niederfrequenten (negativen) Kapazität (X5-Verschiebung in
Richtung Null) und ein sehr deutlicher Rückgang der Resonanzfrequenz
(Linksverschiebung vertikaler schwarzer Strich).
Periphere Obstruktionen, deren Erfassung mittels stärker
flussabhängiger Messverfahren wie der Pneumotachografie limitiert ist,
sind zusammenfassend oszillometrisch durch einen erhöhten totalen
Atemwiderstand (R5), einen stärker frequenzabhängigen
Resistanceverlauf mit Anstieg der FDR (absolut und relativ), eine Abnahme der
Lungenreactance X5 sowie eine Zunahme der Resonanzfrequenz Fres gekennzeichnet.
Zentrale Obstruktionen sind hingegen durch einen im Normbereich liegenden
Reactanceverlauf X(f), eine nahezu normale Fres und einen vergleichbar zu R5
erhöhten R20 sowie durch eine niedrige FDR charakterisiert
[18].
Die IOS erlaubt bei geringem apparativem Aufwand eine fortlaufende
Widerstandsbestimmung bei nur geringen Anforderungen an die Mitarbeit des
Patienten [23]
[24]
[25]
[26]. Als besonders nützlich
hat sich die IOS wegen der minimalen Mitarbeitsabhängigkeit und der
geringen Patientenbelastung auch bei jüngeren Kindern erwiesen
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
[36].
Vergleich der IOS zu den Standardmethoden
Vergleich der IOS zu den Standardmethoden
Die bronchiale Strömungsbehinderung lässt sich durch
Messung des Einsekundenvolumens (FEV1) bei forcierter Atmung spirometrisch
quantifizieren, wobei für den Nachweis einer Obstruktion die relative
Einsekundenkapazität (Tiffeneau-Index, FEV1 %VCin) die
spezifischere Messgröße darstellt. Das FEV1 zeigt bei COPD in der
Regel eine nur geringe, bei Asthma hingegen eine größere
Variabilität [37]
[38]. Das
FEV1 ist neben der Patientenmitarbeit besonders bei COPD jedoch stark von der
Stabilität der peripheren Atemwege abhängig und erlaubt keine
eindeutige Differenzierung zwischen peripherer und zentraler Obstruktion. Die
Elastizität der Atemwege ist bei COPD vermindert und führt bei
forcierter Atmung zur exspiratorischen Kollapsneigung mit teils fixierter
Flussbegrenzung [39]
[40]. Darin
liegt neben der starken Mitarbeitsabhängigkeit eine methodische Begrenzung
der Diagnostik chronisch obstruktiver Atemwegserkrankungen mittels Spirometrie
[12]
[41]
[42]
[43].
Weitere Parameter der forcierten Spirometrie sind der expiratorische
Spitzenfluss (Peak Expiratory Flow, PEF) und die mittleren exspiratorischen
Flusswerte (MEF). Die MEF bei 75, 50 und 25 % der
Vitalkapazität (MEF75, MEF50, MEF25) gelten im Gegensatz zum FEV1 und PEF
als weniger mitarbeitsabhängig und werden teilweise als Hinweis auf eine
periphere Atemwegsobstruktion („small airways disease”) benutzt
[12]
[43]
[44]
[45]
[46].
Nachteilig ist die hohe Variabilität dieser Parameter. Leichte
Obstruktionen können sowohl in der Spirometrie, z. B. beim
Asthmatiker, atemmuskulär kompensiert, also quasi
„überblasen” werden [40]
[41]
[42]. Die nach peripher sich
verringernde Strömungsgeschwindigkeit bei zunehmendem Gesamtquerschnitt
der Bronchien („Weibelsches Trompetenmodell der Atemwege”)
führt außerdem dazu, dass bei Schädigung der kleinen Atemwege
die Flussparameter an Sensitivität verlieren („quiet
zone”).
Die Ganzkörperplethysmografie
(Bodyplethysmografie) gilt als Goldstandard der Atemwegswiderstands- und
Lungenvolumenmessung und erlaubt bei Ruheatmung u. a. die Bestimmung des
intrathorakalen Gasvolumens (ITGV bzw. der funktionellen Residualkapazität
FRC), des Residualvolumens (RV) über das ITGV sowie des spezifischen
Atemwegswiderstands z. B. als sRtot, sRaw und daraus abgeleitet als Rtot
bzw. Raw [13]
[46]
[47]
[48]. Als grundsätzliche
Eigenschaft der Atemwegswiderstände ist festzuhalten, dass sie im
Wesentlichen die Obstruktionen der zentralen Atemwege [46]
[49] widerspiegeln. Eine
keulenförmige Deformierung der Rtot-Kurve spricht für eine
Phasenverschiebung zwischen Alveolardruck und Atemfluss im Sinne einer
inhomogenen Obstruktion („air trapping”). Die primär
gemessene spezifische Resistance (sRaw) in ihrer Wechselwirkung aus Resistance
und intrathorakalem Gasvolumen berücksichtigt Verfälschungen durch
eine veränderte Atemmittellage und verbessert die Sensitivität und
Reproduzierbarkeit der bodyplethysmografischen Untersuchung. Nachteile der
Bodyplethysmografie sind der apparative und methodische Aufwand, hohe Kosten
und die eingeschränkte Einsetzbarkeit bei Kleinkindern, in der
Neonatologie, Anästhesiologie, Intensivmedizin oder am Arbeitsplatz
[47]
[50]
[51]. Besonders die Messung des ITGV weist eine Mitarbeits-
und damit Störanfälligkeit auf [13].
Bezüglich der Messparameter werden FEV1 und sRtot bzw. sReff in
der Routine als Standard für die Erfassung bronchialer Obstruktionen
angesehen [13]
[52]
[53]
[54]. Trotz der erkennbar
geringeren Sensitivität wird die höhere Spezifität der
Flussparameter als Vorteil gesehen, was sich international auch in der Betonung
des FEV1 als Leitparameter in den GOLD-Richtlinien [52]
und des PEF in den GINA-Leitlinien ausdrückt [12].
Die Beobachtung, dass bei nicht wenigen Patienten eine Obstruktion bzw. eine
bronchiale Hyperreaktivität nur bodyplethysmografisch erkannt wird,
spricht jedoch gegen die alleinige Anwendung der FEV1-Messung und für den
Einsatz von Widerstandsmessverfahren unter Ruheatmung und damit auch für
die sensitive Resistancemessung mittels IOS [10]
[13]
[46]
[55].
Bei der Messung der Atemwegswiderstände zeigt sich die
Sensitivität der bodyplethysmografisch bestimmten totalen Resistance
(Rtot) gegenüber der spezifischen Resistance (sRtot) statistisch
erwartungsgemäß unterlegen [10]. Dieser
Unterschied lässt sich durch die oben geschilderte Berücksichtigung
der Lungenüberblähung im Parameter sRtot erklären, da mit
höherer Atemmittellage eine mechanische Vordehnung der kleinen Atemwege
erfolgt und somit mittels Rtot scheinbar zu niedrige Widerstandswerte gemessen
werden [13].
Als Alternativtechnik zur direkten und wenig fluss- und
mitarbeitsabhängigen Widerstandsmessung bei Ruheatmung bietet sich die
moderne IOS an. Bisherige Arbeiten beziehen sich häufig auf Kinder
[27]
[56]
[57]
[58]. Bei der Bewertung
oszillometrischer Obstruktionsparameter werden spirometrisch ermittelte
Parameter und bodyplethysmografisch gemessene Resistancewerte als
Referenzverfahren eingesetzt [10]
[27]
[59]
[60]
[61]
[62]
[63]
[64]
[65]
[66],
was wegen der unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien allerdings nur
begrenzt sinnvoll ist. [Abb. 2] zeigt den Verlauf
der IOS-Spektralparameter R und X mit Charakterisierung der Fres im Vergleich
zu Befunden der Spirometrie/Pneumotachografie und Bodyplethysmografie am
Beispiel einer normalgewichtigen Patientin vor und nach Bronchospasmolystest
zur Illustration der sensitiven Erfassung peripherer und die Lungencompliance
betreffender Veränderungen durch IOS und Bodyplethysmografie.
Unterschiede zwischen oszillometrischen und
ganzkörperplethysmografisch bestimmten Messparametern sind dennoch bekannt
und auch zu erwarten [60]
[67]
[68]. So werden gering höhere Normwertgrenzen für
den oszillometrischen Atemwiderstand gegenüber dem bodyplethysmografisch
gemessenen Atemwegswiderstand angegeben [14]
[17]. Der Parameter R5 wird als gering höher
gegenüber Rtot beschrieben [10]
[63]. Der mittlere Raw wird ebenfalls kleiner gemessen als
die oszillometrischen Resistancewerte bei niedrigen Frequenzen
[10]. Bereits früh wurde darauf hingewiesen, dass
eine Erhöhung von Rtot wesentlich aus der Einengung der zentralen Atemwege
resultiert [49]. Die IOS vermag, bedingt durch das wenig
flussabhängige Messprinzip, periphere Obstruktionen der kleinen Atemwege
unter Einbeziehung von mechanischen Wandeigenschaften der Atemwege sensitiver
zu erfassen und kann Atemwegswiderstände von der Lungenreactance partiell
unterscheiden [22]
[62]. Die
bisher beobachtete hohe Sensitivität der komplexen IOS-Parameter birgt
zwar die grundsätzliche Gefahr von „falsch positiven” Werten
der Oszillometrie, denen „normale” bodyplethysmografische
Resistancewerte im Sinne einer geringeren Spezifität
(„Überschätzung leichter Obstruktionen”)
gegenüberstehen, kann jedoch für Screening- und
Frühdiagnostikverfahren Vorteile bieten.
Mittels IOS bestimmte Resistancewerte liegen häufig sowohl bei
höheren Messfrequenzen als auch bei schwerer Obstruktion deutlich unter
den bodyplethysmografischen Resistancewerten, wodurch es zu einer scheinbaren
„Unterschätzung” schwerer Obstruktionen kommen kann
[60]
[63]
[67]
[69]. Die diagnostische
Information einer Atemwegsobstruktion geht mit steigendem Obstruktionsgrad
zunehmend auf die Lungenreactance X5 über, sodass diese bei
Befundinterpretationen ([Tab. 1]) immer
gleichrangig zu den reinen Resistancewerten beachtet werden sollte.
Mit dem Kombinationsparameter Impedanz Zrs, der die Komponenten R
und X einbezieht, ist eine bessere Einschätzung schwerer Obstruktionen
gegenüber der alleinigen Resistance R5 folgerichtig zu erwarten
[60]
[69].
Tab. 1 Vorschlag zur
Schweregradeinteilung der Obstruktion durch gemeinsame Interpretation von
Resistance und Reactance anhand von Sollwertabweichungen (nach Smith 2008,
pers. Mitteilung), zur Vereinfachung wird in der 1. Zeile ein
Berechnungsbeispiel auf Grundlage eines X5 Sollwertes von – 0,15
dargestellt.
Lungen-Reactance
X5
Resistance R5 kPa/l/s
| X5 < (X5
Soll – 0,15)
z. B. < – 0,30
| X5 < (X5
Soll – 0,3)
z. B. < – 0,45
| X5 < (X5
Soll – 0,45)
z. B. < – 0,60
| X5 < (X5
Soll – 0,60)
z. B. < – 0,75
|
|
R5 < 150 % Soll
| normal
| I (mild)
| II (mittel)
| III (schwer)
|
|
150 % ≤ R5 < 200 %
Soll
| I (mild)
| II (mittel)
| III (schwer)
| IV (sehr schwer)
|
|
200 % ≤ R5 < 250 %
Soll
| II (mittel)
| III (schwer)
| IV (sehr schwer)
| IV (sehr schwer)
|
|
250 % ≤ R5 < 300 %
Soll
| III (schwer)
| IV (sehr schwer)
| IV (sehr schwer)
| IV (sehr schwer)
|
|
R5 ≥ 300 % Soll
| IV (sehr schwer)
| IV (sehr schwer)
| IV (sehr schwer)
| IV (sehr schwer)
|
Da neben den beiden Impedanzkomponenten R und X diagnostische
Informationen über Art und Ausmaß einer Atemwegsobstruktion im
gesamten von der Oszillationsmethode erfassten Frequenzverlauf vorhanden sind,
werden Vorteile von formspezifischen Kennwerten erwartet, welche die
Frequenzabhängigkeit von R(f) und X(f) quantitativ charakterisieren. Schon
der Verlauf des R(f)-Spektrums erlaubt eine Trennung der Resistance in einen
funktionell zentralen und peripheren Anteil und liefert somit detaillierte
Aussagen über eine Obstruktion. Auch die von der Lungenreactance
abhängige Resonanzfrequenz Fres wird als empfindlicher Parameter für
die Charakterisierung einer Obstruktion bei gemeinsamer Interpretation mit der
Resistance beschrieben [19]
[62].
Die Parameter Fres und X5 zeigen im klinischen Einsatz im Gegensatz
zu R5 signifikante Unterschiede zwischen allen Schweregradgruppen der
Obstruktion [10]. Zum Obstruktionsnachweis durch
oszillatorisch bestimmte Widerstandsparameter zeigen insbesondere niedrige
Messfrequenzen eine gute Empfindlichkeit. Die höherfrequente IOS
Resistance (R20) leistet als Einzelparameter zwar keinen signifikanten Beitrag
zur Schweregradabschätzung der Obstruktion, ermöglicht aber die
Berechnung der Frequenzabhängigkeit der Resistance [10]
[60]
[62]
[69]
[70]
[71]
[72].
Die mit stärkerer Obstruktion zunehmende Frequenzabhängigkeit des
R-Spektrums lässt sich durch den Parameter FDR, welcher bisher kein
IOS-Routineparameter ist, einfach quantifizieren [10]
[59]
[60]
[73]
[74]. Ein hoher FDR-Wert
charakterisiert eine größere Steilheit des Resistance-Spektrums,
bedingt durch höhere R5 und/oder niedrigere R20-Werte. Gerade diese
Frequenzabhängigkeit der Resistance wird als guter Marker für das
Ausmaß der Bronchokonstriktion angesehen [23]
[66]
[75]. Die
Frequenzabhängigkeit wird darüber hinaus als sensitiver Indikator
für das Vorliegen einer frühen peripheren Atemwegsobstruktion
gedeutet [21]
[69]
[76]. In einer vergleichenden Untersuchung an gesunden und
symptomarmen asthmatischen Kindern erwies sich die FDR als die am besten
trennende Messgröße [73]. Neben X5 und Fres
weist nur die FDR signifikante Unterschiede zwischen allen Schweregradgruppen
der Obstruktion auf und liegt bezogen auf die Sollwertabweichung trotz
höherer Streuungen in allen Obstruktionsgraden der Rtot am nächsten
[10]. Die Abgrenzung mittelgradiger gegenüber
leichtgradigen Obstruktionen erscheint mit verschiedenen IOS-Parametern
außer R20 gut möglich.
Für eine bessere Aussagekraft der komplexeren IOS-Parameter
spricht deren gegenüber R5 deutlichere Korrelation zu Rtot und FEV1
[10]. Die insgesamt relativ geringen statistischen
Korrelationen zwischen oszillometrischer einerseits und pneumotachografischen
und bodyplethysmografischen Parametern andererseits werden durch die
beschriebenen messmethodischen Unterschiede erklärt und zeigen die
Erfassung von unterschiedlichen Aspekten der Atemwegsobstruktion sowie von
Wandeigenschaften durch die verschiedenen Methoden [10]
[22]
[53]
[60]
[61]
[63]
[67]
[69]
[77]
[78]
[79].
Bei der klassischen Oszillometrie wurden für Normalpersonen in einzelnen
Untersuchungen auch höhere Korrelationen zwischen Ros bei 6 Hz
(FOT) und Raw beschrieben [12].
Ein direkter Vergleich von Korrelationskoeffizienten weiterer
IOS-Parameter zu Standardmethoden ist wegen der starken Abhängigkeit vom
Schweregrad der Obstruktion und Einflüsse restriktiver Faktoren besonders
auf die IOS limitiert. In einer Studie mit einer gemischten
obstruktiv-restriktiven Patientengruppe finden sich die höchsten
Korrelationen von Rtot zu Fres, Zrs, X5 und zu R5 [61].
Für die Widerstandswerte bei höheren Frequenzen fanden sich geringere
bzw. keine signifikanten Korrelationen zum bodyplethysmografischen Widerstand.
Korrelationen zu den exspiratorischen Flusswerten (MEF) wurden für R5 und
für Zrs berichtet [61]. Zwischen dem FEV1 und
Parametern der multifrequenten Oszillometrie wie R8, X8 und Fres wurden
Korrelationskoeffizienten von unter 0,3 beschrieben [77]
[80]. Bei einer
größeren Untersuchung an 216 Asthmapatienten lagen die Korrelationen
von R5 und Zrs zum FEV1 bei -0,49 [81], eine andere
Studie bei jugendlichen Asthmatikern beschreibt recht enge Korrelationen
zwischen FEV1 und R5, X5 sowie der absoluten Frequenzabhängigkeit FDR aus
R5 und R15 [59].
Trotz insgesamt niedriger Korrelationskoeffizienten für die
IOS-Methode konnte eine Korrelation zur Pneumotachografie für X5, Fres und
FDR gezeigt werden [10]
[80]
[81]
[82]. Insgesamt erscheinen die
Korrelationen von Parametern der IOS zur Bodyplethysmografie jedoch deutlicher
als zur Pneumotachografie/Spirometrie.
Unter den IOS-Parametern zeigen die FDR und die Fres, gefolgt von
X5, R5 und der diese beiden Parameter beinhaltenden Impedanz Zrs eine der
bodyplethysmografischen Resistance vergleichbare, gegenüber den reinen
Flussparametern jedoch höhere Empfindlichkeit.
Die Spezifität pathologischer IOS-Frühparameter sollte
trotz der gut belegten physiologischen Grundlagen und der der vorliegenden
Literaturdaten im Einzelfall immer durch weitergehende Untersuchungen wie
Bodyplethysmografie und Provokationstestung abgesichert werden, um falsch
positive Befunde auszuschließen, was für die Eignung der IOS
für Screeninguntersuchungen aus Sicht der Autoren jedoch keinen
entscheidenden Nachteil darstellt.
Klinischer Nutzen der IOS
Klinischer Nutzen der IOS
Die Spirometrie bzw. Pneumotachografie ist technisch wenig
aufwendig, weist aber einen erheblichen Mitarbeitsbedarf seitens des Patienten
auf. Bei bestehender bronchialer Kollapsneigung besteht durch das
unphysiologische forcierte Exspirationsmanöver die Gefahr der
Überschätzung von Obstruktionen bzw. der Unterschätzung von
Therapieeffekten. Außerdem bestehen Zweifel an der Korrelation der
FEV1-Befunde zum klinischen Dyspnoeempfinden des Patienten und zur
körperlichen Belastbarkeit [83]. Frühformen
der Obstruktion werden möglicherweise darüber hinaus durch
muskuläre Kompensation beim forcierten Atemmanöver nicht optimal
erfasst.
Die Bodyplethysmografie ist zwar noch immer der Goldstandard
für die Messung des Atemwegswiderstandes und der Lungenvolumina,
differenziert aber Veränderungen der pathophysiologisch bedeutsamen
kleinsten Atemwege [46] bei atemzugbasiertem Messprinzip
nicht optimal. Nachteile der Bodyplethysmografie sind der hohe technische
Aufwand, hohe Kosten und die fehlende Mobilität des Messsystems.
Für die Untersuchung mittels IOS, die auch in einer portablen
Variante verfügbar ist, genügen wenige normale Ruheatemzüge,
wobei der zeitliche Aufwand in der Regel unter dem der Standardmethoden liegt
[1]. Dies zeigt auch die sehr gute praktische
Durchführbarkeit bei älteren Patienten und im häuslichen Milieu
[80]
[84]. Artefakte können
durch ungleichmäßige Atmung, Schluckakte und inkorrekten
Lippenschluss sowie fehlende Stützung der Wangen entstehen. Vorteilhaft
ist die serielle Bestimmung der Einzelwiderstände entlang des
Tracheobronchialbaumes sowohl numerisch als auch anhand einer bildlichen
Darstellung. Damit kann sich der Untersucher die Ergebnisse der Resistance- und
Reactance-Spektren trotz der komplizierten mathematischen Grundlagen grafisch
veranschaulichen [1]
[17]. Die
Vielzahl ableitbarer IOS-Parameter erfordert eine Gewichtung, wobei sich
insgesamt höhere Messwertstreuungen gegenüber den Standardparametern
zeigen können [10]. Als empfindliche
Obstruktionsparameter mit vergleichsweise guter Korrelation zur
Bodyplethysmografie erweisen sich wie oben ausgeführt die Lungenreactance
(X5), der oszillatorische Widerstand (R5), die Resonanzfrequenz (Fres) und
Frequenzabhängigkeit des Resistancespektrums (FDR) [10]. Ein Schema zur Erleichterung der komplexen
Interpretation im Zusammenhang mit der Standardlungenfunktion wird in
[Abb. 3] vorgeschlagen, ohne Anspruch auf
Vollständigkeit und Berücksichtigung aller möglichen
Konstellationen erheben zu können.
Abb. 3 Vorschlag für ein
vereinfachtes Schema zur Interpretation von IOS-Parametern mit Bezug zur
Standardlungenfunktion (modifiz. nach Smith 2008, pers. Mitteilung).
Alle drei diskutierten Messverfahren erfassen unterschiedliche
funktionelle Komponenten, wodurch eine direkte Vergleichbarkeit oder auch
Ersetzbarkeit erschwert wird. Die IOS misst über die oben genannten
Faktoren mit Einbeziehung elastischer Wandeigenschaften eine zusätzliche
Komponente der Bronchialobstruktion und kann damit nicht primär eine der
Standardmethoden ersetzen. Ein Nachteil der IOS gegenüber der
Bodyplethysmografie stellt die fehlende Erfassung von Lungenvolumina, besonders
des Residualvolumens dar. Bei restriktiven Störungsmustern wird die
ungenaue Abgrenzung mit Auswirkungen auf die IOS-Widerstandsparameter kritisch
beschrieben [61]
[66]. Die
Schwächen der klassischen Oszillometrie mit Überschätzung
leichter und Unterschätzung schwerer Obstruktionen sind bei Verwendung
geeigneter und komplexer Parameter deutlich geringer ausgeprägt.
Die IOS hat aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und der sehr guten
Handhabbarkeit das Potenzial einer aussagekräftigen, wenig aufwendigen
Vorfeldmethode, mit der sich bereits beginnende, klinisch noch nicht manifeste
Obstruktionen sensitiver als mit der Spirometrie bzw. Pneumotachografie allein
nachweisen lassen, wodurch interessante Einsatzgebiete bei Risikopatienten und
bei der Indikationsstellung für bronchiale Provokationstestungen
erschlossen werden. Besonders die Parameter X5 und Fres sowie abgeleitet Zrs
erfassen zusätzlich erhöhte Blindwiderstände, die auf ein
verändertes bronchopulmonales Trägheits- und
Elastizitätsverhalten und somit strukturelle Veränderungen
(Remodelling) hinweisen. Vergleichende Daten an größeren
Patientengruppen zwischen Standardmethoden und IOS zur Früh- und
Screeningdiagnostik wären von hohem wissenschaftlichen Wert zur fundierten
Standortbestimmung beider Methoden in diesem Indikationsgebiet. Die Nachteile
oszillometrischer Messverfahren bei der Erfassung schwerer Obstruktionen
können durch die abgeleiteten komplexeren Parameter bei höheren
Messwertstreuungen teilweise ausgeglichen werden.
Zusammenfassend ergeben sich für die IOS aus Sicht der Autoren
derzeit folgende sinnvolle Einsatzbereiche:
-
Messungen bei eingeschränkter Kooperationsfähigkeit,
wie z. B. bei Kindern, Schwerkranken und Älteren [1]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[82].
Durch geeignete Vorrichtungen sind auch spezielle
IOS-Einsatzmöglichkeiten, einschließlich Untersuchungen am
Krankenbett in Anästhesie und Intensivmedizin durchführbar
geworden.
-
Die schweregradabhängige Empfindlichkeit der Methode
schafft die Voraussetzung für einen Einsatz im Screening, so bei
Risikogruppen (z. B. Rauchern, nach Inhalationstraumen bei
Umweltkatastrophen), am Arbeitsplatz (z. B. Bäckerasthma) sowie in
der Erkennung der belastungsinduzierten Obstruktion z. B. nach
Ergometrie [4]
[62]
[85]
[86]
[87]
[88].
-
Die IOS ist zur Verlaufskontrolle obstruktiver
Lungenerkrankungen grundsätzlich geeignet, wobei höhere Schweregrade
besser durch die Parameter Fres, X5 und Zrs als durch R5 allein beschrieben
werden [10]. Ein interessanter Zusatzparameter ist die
Frequenzabhängigkeit des Atemwegswiderstandes (FDR), während von
einer isolierten Interpretation von R20 keine wesentlichen Aussagen zu erwarten
sind. Insgesamt wird in der Literatur selbst bei Kindern eine gute
Reproduzierbarkeit der Impulsoszillometrie-Messparameter beschrieben
[27]
[57]
[58]
[59]. Untersuchungen zu
häuslichen Selbstmessungen mit tragbaren oszillatorischen Messsystemen
zeigten eine gute Praktikabilität und Messgenauigkeit für den
oszillatorischen Widerstand [84].
-
Das IOS-Messverfahren kann die koventionellen Verfahren der
Lungenfunktionsdiagnostik ergänzen und zusätzlich weniger
flussabhängige und die peripheren Atemwege betreffende
Krankheitskomponenten besser erfassen und die Sensitivität besonders der
Spirometrie erhöhen [84]. Die Trennschärfe der
Bodyplethysmografie für verschiedene Obstruktionsschweregrade und die
geringe Streubreite der Spirometrie mit kleinen Variationskoeffizienten
für das FEV1 [27]
[89] sowie
die Erfassung wesentlicher Lungenvolumina sprechen jedoch für die
Beibehaltung der Standardverfahren. Bei Nichtverfügbarkeit der
Bodyplethysmografie ist die IOS als Ergänzung zur
Spirometrie/Pneumotachografie empfehlenswert [78].
Schlussfolgerung
Schlussfolgerung
Die IOS als computergestützte Weiterentwicklung der klassischen
oszillometrischen Atemwiderstandsmessung ist wegen ihrer komplexen, über
die reine Widerstands- bzw. Flussmessung hinausgehenden Aussagekraft, die auch
strukturelle Eigenschaften der Atemwege wie Lungenkapazität,
Trägheitseigenschaften und elastische Rückstellkräfte mit
einbezieht, von hohem wissenschaftlichem und klinischem Interesse. Hinzu kommen
vergleichsweise geringe Anschaffungskosten, niedrige Ansprüche an die
Kooperation des Patienten und ein geringer Messaufwand mit Eignung auch
für Kinder, ältere Personen und bettseitig [1]
[80]
[84].
Die Befundinterpretation erfordert eine gewisse Erfahrung, die über eine
einfache Analogie zu bodyplethysmografisch gemessenen Atemwegswiderständen
hinausgeht ([Tab. 1] und [Abb. 2]). Sensitive Abweichungen von
IOS-Frühparametern bedürfen einer Spezifitätsprüfung
mittels Standardmethodik bis hin zur Provokationstestung. Die IOS ist trotz
ihrer komplexen Interpretationsmodelle als praktikable, patienten- und
bedienerfreundliche Methode anzusehen, die komplementär zu den
Standardmethoden weitere Aspekte der Atemwegsobstruktion erfasst und sich gut
für den Einsatz auch in der pneumologischen Praxis eignet.
Die Autoren danken Herrn Smith aus Würzburg sehr herzlich
für seine konstruktiven und kompetenten Hinweise anlässlich der
Revision des Artikels.
Interessenkonflikte
Interessenkonflikte
Für alle Autoren besteht kein Interessenkonflikt.
