Spiroergometrie bei bettlägerigen Patienten mit schwergradiger COB

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Zusammenfassung

Hintergrund: Körperliches Training wird für Patienten mit einer chronisch-obstruktiven Bronchitis (COB) zur Steigerung der Belastbarkeit empfohlen. Wir untersuchten bei bettlägerigen Patienten mit schwergradiger COB den Einfluss einer Spiroergometrie im Bett auf atemphysiologische Parameter. Methode: Bei neun bettlägerigen Patienten mit schwergradiger COB (FEV1.0 0,94 ± 0,18 l, IVC 2,3 ± 0,8 l, Raw 0,91 ± 0,13 kPa/l/s) wurden in Ruhe, bei passiver Bewegung mit 30 U/min, zusätzlicher aktiver Tretarbeit sowie unter maximal möglicher Umdrehungszahl die Parameter Sauerstoffaufnahme O₂, Atemfrequenz BF und Atemminutenvolumen E gemessen. Als Vergleichskollektiv dienten sechs Gesunde, bei denen die Werte in Ruhe und unter passiver Bewegung bestimmt wurden. Ergebnisse: Die COB-Patienten erreichten bei maximaler Tretarbeit ein O₂ peak von 618 ± 177 ml/min, eine BF von 26 ± 7,2/min und ein E max von 24,1 ± 5 l/min. In Ruhe betrug die O₂ 311 ± 56 ml/min (53 % des O₂ peak), die BF 17,6 ± 3,1/min und das E 13,3 ± 2,7 ml/min (55 % des E max). Unter passiver Bewegung mit 30 U/min zeigte sich eine Steigerung der O₂ auf 369 ± 88 (62 % O₂ peak), der BF auf 19 ± 5,3 und des E auf 16,4 ± 4,1 (68 % E max). Die Gesunden lagen in Ruhe mit ihrer O₂ bei 377,5 ± 38, mit der BF bei 14 ± 2,1 und mit dem E bei 11,1 ± 1,3; unter Passiv-Bewegung fielen O₂ auf 336 ± 27, BF auf 12 ± 2,4 und E auf 9,1 ± 1 ab. Schlussfolgerungen: Eine Bettergometrie steigert bei bettlägerigen COB-Patienten sowohl bei rein passiver als auch zusätzlicher aktiver Bewegung Sauerstoffaufnahme, Atemfrequenz und Atemminutenvolumen. Damit kann bei diesen Patienten ein körperliches Training im Bett durchgeführt werden.

Abstract

Background: Exercise training is recommended for patients with severe chronic obstructive pulmonary disease (COPD) to improve the endurance capacity. While many patients confined to bed are not able to run exercise training, we investigated the influence of a bedside passive-ergometry on ventilation in patients with severe COPD. Methods: In nine patients with severe COPD confined to bed (FEV1.0 0,94 ± 0,18 l, IVC 2,3 ± 0,8 l, Raw 0,91 ± 0,13 kPa/l/s) we measured oxygen uptake O₂, breathing frequency BF and minute ventilation E during rest, passive movement (30 revolutions per minute), additional active movement and maximal exercise. As a control group six healthy men were investigated during rest and passive movement. Results: During maximal exercise in COPD patients O₂ peak reached 618 ± 177 ml/min, BF 26 ± 7,2/min and E max 24,1 ± 5 l/min. In rest O₂ was 311 ± 56 ml/min (53 % O₂ peak), BF 17,6 ± 3,1/min and E 13,3 ± 2,7 ml/min (55 % E max), while during passive movement O₂ was increased to 369 ± 88 (62 % O₂ peak), BF to 19 ± 5,3 and E to 16,4 ± 4,1 (68 % E max). In contrast O₂ in control subjects dropped from 377,5 ± 38 in rest to 336 ± 27 ml/min during passive action, BF from 14 ± 2,1 to 12 ± 2,4/min and E from 11,1 ± 1,3 to 9,1 ± 1 ml/min. Conclusions: In patients with severe COPD oxygen uptake, breathing frequency and minute ventilation increased not only during active, but even during passive movement of a bedside ergometer. With this method an exercise training is possible even in COPD patients confined to bed.

Einleitung

Patienten mit einer chronisch-obstruktiven Bronchitis (COB) leiden sehr häufig unter Belastungsdyspnoe, die ihr Korrelat in einer Limitation durch Ventilation und Gasaustausch bei spiroergometrischen Untersuchungen finden [1] [2]. Daher umfassen die Therapieempfehlungen der COB neben medikamentösen und physikalischen Maßnahmen auch körperliches Training, dessen Effekte durch mehrere kontrollierte Studien gut belegt sind. Es zeigen sich eine Steigerung der maximalen körperlichen Belastbarkeit und der Gehstrecke ebenso wie eine Verbesserung der Lebensqualität und Abnahme krankheitsbedingter Symptome [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9].

Bei Patienten mit schwerer COB ist ein körperliches Training aufgrund der oft erheblichen Muskelatrophie der unteren Extremitäten oder der bereits weitgehenden bzw. vollständigen Bettlägerigkeit mit den herkömmlichen Methoden wie Fahrrad- oder Laufband-Ergometer nicht mehr möglich. In der neurologischen und orthopädischen Rehabilitation kommen motorgetriebene Passiv-Ergometer zum Einsatz, die bei bettlägerigen Patienten passive und durch zusätzliche Mitarbeit des Patienten auch aktive Bewegungsübungen der unteren Extremitäten ermöglichen [10]. Die Anwendbarkeit einer derartigen Bewegungstherapie bei Patienten mit Erkrankungen der Lunge wurde bislang noch nicht in klinischen Studien überprüft.

Wir untersuchten daher den Einfluss der passiven Ergometrie und der zusätzlichen aktiven Tretarbeit auf atemphysiologische Parameter bei Gesunden und bettlägerigen Patienten mit schwergradiger COB.

Methodik

Wir verwendeten das Gerät „MOTOmed letto” (Fa. Reck, Betzenweiler) (Abb. [1]). Hierbei handelt es sich um ein motorbetriebenes Therapiegerät, bei dem im passiven Modus die Beine des im Bett befindlichen Patienten durch einen Elektromotor mit einer frei wählbaren Drehzahl zwischen 10 und 70 Umdrehungen/min bewegt werden. Im aktiven Modus besteht für den Patienten die Möglichkeit, schneller als die vorgegebene Umdrehungszahl zu treten. Die Pedalbelastung kann dabei elektronisch zwischen 5 und 25 Kilogramm reguliert werden.

Untersucht wurden neun weitgehend bettlägerige Patienten aus unserer Klinik mit schwergradiger chronisch-obstruktiver Bronchitis (COB) (Alter 69,2 ± 9,5 Jahre, Gewicht 70,5 ± 13 kg, Größe 167 ± 10 cm). Die Diagnose COB wurde aufgrund der Anamnese und der lungenfunktionsanalytischen Daten nach den Kriterien der ATS gestellt [11]. Der mittlere Sauerstoffpartialdruck PaO₂ in der Patientengruppe betrug 56,8 ± 8,4 mm Hg und der Kohlendioxidpartialdruck PaCO₂ 44,8 ± 14,8 mm Hg; zwei Patienten waren hyperkapnisch. Von fünf dieser Patienten lagen bodyplethysmographische Werte des letzten Jahres vor (FEV1.0 0,94 ± 0,18 l, IVC 2,3 ± 0,8 l, Raw 0,91 ± 0,13 kPa/l/s), wohingegen bei vier Patienten eine Lungenfunktionstestung aufgrund der Bettlägerigkeit nicht durchführbar war.

Die Patienten befanden sich zum Zeitpunkt der Untersuchung in einem klinisch stabilen Zustand ohne Hinweise für eine Infektexazerbation ihrer COB. Ausgeschlossen wurden Patienten mit einer akuten Myokardischämie oder kardialen Dekompensation, einer schlecht eingestellten arteriellen Hypertonie (RR > 210/120 mm Hg), höhergradigen Rhythmusstörungen, relevanten Herzvitien oder anderen Erkrankungen, die eine Belastungsuntersuchung verboten. Alle Teilnehmer äußerten ihr Einverständnis zur Studie.

Als Vergleichskollektiv dienten sechs gesunde Mitarbeiter unserer Klinik (Alter 28 ± 8,7 Jahre, Gewicht 81,7 ± 18,7 kg, Größe 183 ± 6 cm).

Bei beiden Gruppen wurden zunächst spiroergometrische Messungen in Ruhe und bei passiver Bewegung mit 30 Umdrehungen (U/min) über fünf Minuten durchgeführt. Den Patienten mit COB wurde anschließend ein konstantes Drehmoment von 5 Nm zugeschaltet und ein aktives Treten über die passiv vorgegebenen 30 U/min hinaus für weitere fünf Minuten ermöglicht. Abschließend wurden die Patienten unter Belassung des Widerstandes und der vorgegebenen Drehzahl aufgefordert, über zwei Minuten mit größtmöglicher Umdrehungszahl zu treten.

Bei der Spiroergometrie (Oxycon Alpha, Fa. Jaeger, Würzburg) wurden als wesentliche Parameter die Sauerstoffaufnahme O₂, die Kohlendioxidabgabe CO₂, die Atemfrequenz BF und das Atemminutenvolumen E in einer breath by breath-Analyse aufgezeichnet, wobei für jede Phase unter passiver und aktiver Belastung jeweils die gemittelten Werte über die Zeit verwendet wurden.

Zur Überprüfung der Unterschiede zwischen den einzelnen Belastungsstufen wurden als statistische Methoden die einfaktorielle Varianzanalyse mit Messwiederholungen, der Friedman-Test sowie der t-Test für gepaarte Stichproben verwandt. Bei einem p < 0,05 wurde der Unterschied als signifikant angesehen.

Abb. 1 Motorbetriebenes Therapiegerät „MOTOmed letto” (Fa. Reck, Betzenweiler).

Ergebnisse

Die Sauerstoffaufnahme O₂ lag bei den COB-Patienten in Ruhe bei 311 ± 56 ml/min und stieg unter alleiniger passiver Bewegung mit 30 U/min signifikant auf 369 ± 88 ml/min (p < 0,02) an. Demgegenüber fiel O₂ bei der Kontrollgruppe von 378 ± 38 in Ruhe auf 336 ± 27 ml/min bei passiver Bewegung ab (Abb. [2]).

Bei der COB-Gruppe zeigte sich unter zusätzlichem aktiven Treten mit 5 Nm eine weitere signifikante Steigerung der O₂ auf 467 ± 116 ml/min (p < 0,005) und bei maximaler Tretkurbelarbeit eine O₂ von 618 ± 117 ml/min (p < 0,001 gegenüber O₂ bei 30 U/min+5 Nm) (Abb. [2]).

Das Atemminutenvolumen E stieg bei den COB-Patienten signifikant von 13,3 ± 2,7 l/min in Ruhe auf 16,4 ± 4,1 (p < 0,01) unter passiver und auf 19,1 ± 4,7 l/min (p < 0,01 gegenüber E passiv) unter zusätzlicher aktiver Bewegung an, während es bei maximaler Umdrehungszahl 24,1 ± 5 l/min betrug. Bei den Gesunden war ein Abfall von E von 11,1 ± 1,3 in Ruhe auf 9,1 ± 1 l/min bei rein passiver Bewegung zu verzeichnen (Abb. [3]).

Dementsprechend zeigte sich ein Anstieg der Atemfrequenz bei der COB-Gruppe von 17,6 ± 3,1/min in Ruhe auf 19 ± 5,3 (n. s.) bei passiver bzw. auf 22,1 ± 6,2 (p = 0,01) bei aktiver Tretkurbelarbeit und auf 26/min (p < 0,001) unter maximal möglicher Umdrehungszahl. Bei der Kontrollgruppe fiel die Atemfrequenz von 14 ± 2,1 in Ruhe auf 12 ± 2,4 bei Passivbewegung ab (Abb. [4]).

Die COB-Patienten nahmen bereits 53 % ihres O₂ peak in Ruhe und 62 % bzw. 72 % ihres O₂ peak bei alleiniger passiver bzw. zusätzlicher aktiver Tretarbeit auf. Das Atemminutenvolumen in Ruhe betrug 55 % des maximal erreichten Wertes, während es beim passiven Treten 68 % und bei der aktiven Bewegung 79 % von E max erreichte (Abb. [5]).

Abb. 2 Sauerstoffaufnahme O₂ der COB-Patienten (Rechtecke) und der Kontrollgruppe (Rauten) zu den verschiedenen Untersuchungszeitpunkten * (p < 0,01 vs. Ruhe), ** (p < 0,01 vs. Passiv), *** (p < 0,001 vs. Aktiv).

Abb. 3 Atemminutenvolumen E der COB-Patienten (Rechtecke) und der Kontrollgruppe (Rauten) zu den verschiedenen Untersuchungszeitpunkten * (p < 0,01 vs. Ruhe), ** (p < 0,01 vs. Passiv), *** (p < 0,001 vs. Aktiv).

Abb. 4 Atemfrequenz BF der COB-Patienten (Rechtecke) und der Kontrollgruppe (Rauten) zu den verschiedenen Untersuchungszeitpunkten * (p = 0,01 vs. Passiv), ** (p < 0,01 vs. Aktiv).

Abb. 5 Prozentualer Anteil der Sauerstoffaufnahme O₂ (Kreise) und des Atemminutenvolumens E (Kreuze) an der O₂ peak bzw. am E max zu den verschiedenen Untersuchungszeitpunkten bei den COB-Patienten.

Diskussion

Ziel der Arbeit war es, den Einfluss einer alleinigen passiven Tretbewegung und einer zusätzlichen aktiven Tretarbeit auf die Atmung bei weitgehend bettlägerigen Patienten mit einer schwergradigen chronisch-obstruktiven Bronchitis zu untersuchen. Dieses Patientengut ist aufgrund der Bettlägerigkeit und der erheblichen Muskelatrophie mit einer herkömmlichen Spiroergometrie bzw. einem 6-Minuten-Gehtest nicht zu belasten und konnte daher bislang einem an der individuellen maximalen Leistungsfähigkeit orientierten Ergometertraining nicht zugeführt werden. Mit sog. Passiv-Ergometern besteht die Möglichkeit, diese Patienten im Bett nach einer Phase rein passiver Bewegungsübungen zusätzlich aktiv gegen definierte Widerstände antreten zu lassen. Der Einfluss auf atemphysiologische Parameter wurde in diesem Zusammenhang bislang nicht untersucht.

Patienten mit einer schwergradigen COB weisen eine deutlich reduzierte maximale Belastbarkeit bzw. Sauerstoffaufnahme (O₂ peak) auf. Casaburi u. Mitarb. dokumentierten bei ihrem Patientengut (FEV₁ 0,93 ± 0,27 l) eine O₂ peak von 860 ml/min und ein maximales Atemminutenvolumen (E max) von 33 l/min [12]. Andere Untersucher konnten diese Ergebnisse bestätigen [13] [14] [15]. Die von uns untersuchten COB-Patienten lagen mit ihrer O₂ peak bzw. dem E max noch deutlich unter diesen Werten, was vermutlich damit zu erklären ist, dass unsere Patienten weitgehend bettlägerig waren und zum Teil selbst einer Bodyplethysmographie nicht unterzogen werden konnten, während in den anderen Studien noch mobile Patienten untersucht wurden. Untersuchungen von Yoshikawa u. Mitarb. belegten, dass gerade COB-Patienten mit einer schwergradigen funktionellen Einschränkung eine disproportionale Reduktion der Muskelmasse der unteren Extremitäten aufweisen und diese zur früheren Belastungslimitation beiträgt [16]. Die Ausprägung der funktionellen Einschränkung zeigte sich bei unseren Patienten auch daran, dass sie in Ruhe bereits 53 % ihres O₂ peak und 55 % ihrer E max leisteten.

Auffällig war, dass es bei den COB-Patienten in unserer Studie im Gegensatz zu den Gesunden zu einem Anstieg von Atemfrequenz, Atemminutenvolumen und Sauerstoffaufnahme alleine bei passiver Bewegung mit 30 U/min kam und diese immerhin ein Ausmaß von 62 % des O₂ peak und 68 % des E max dieser Patienten erreichte. Die belastungsinduzierte Hyperpnoe wird mit einer Reaktion auf afferente Stimuli aus Propriorezeptoren bzw. Muskelspindeln der Arbeitsmuskulatur erklärt [17], wobei jedoch tierexperimentelle Untersuchungen die Bedeutung dieser Rezeptoren eher infrage und kardiovaskuläre bzw. hämodynamische Einflüsse in den Vordergrund stellten [18] [19]. Offenbar ist jedoch eine alleinige passive Bewegung bei Gesunden nicht in der Lage, einen Anstieg der Sauerstoffaufnahme zu erreichen, während diese bei den schwerst kompromittierten COB-Patienten - möglicherweise doch rezeptorvermittelt oder über einen vermehrten Rückfluss desaturierten Blutes aus der Muskulatur [17] - bereits eine vermehrte Ventilation induziert. Ähnliche Beobachtungen machten Sala u. Mitarb. sowie Nery u. Mitarb., die bei Patienten mit COB unter submaximaler (aktiver) Belastung eine signifikant höhere Sauerstoffaufnahme und ein signifikant größeres Atemminutenvolumen als bei Gesunden fanden [20] [21].

Empfohlen wird für COB-Patienten ein körperliches Training mit 60 - 80 % der maximalen Belastung zur Steigerung ihrer Belastbarkeit [8]. Bei den von uns untersuchten COB-Patienten ließen sich durch die zusätzliche aktive Mitarbeit die O₂ auf 72 % des O₂ peak und das E auf 79 % des E max steigern.

Der Nachteil des von uns benutzten Passiv-Ergometers ist jedoch, dass die aktuelle Wattzahl nicht direkt angegeben werden kann, so dass eine Quantifizierung der Trainingsbelastung nur über die Umdrehungszahl bei konstantem Tretwiderstand möglich ist. Hier wäre in einem nächsten Schritt eine „Eichkurve” zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Wattzahl, O₂-Aufnahme und Umdrehungszahl zu erstellen. Damit ließe sich auch für bettlägerige COB-Patienten ein Trainingsprogramm entwerfen und eine Steigerung der Belastbarkeit objektivieren.

Zusammenfassend konnten wir feststellen, dass bettlägerige Patienten mit einer schwergradigen COB bereits in Ruhe 55 % ihres O₂ peak aufnehmen und schon unter alleiniger passiver Bewegung mittels Bett-Ergometer im Gegensatz zu Gesunden eine signifikante Steigerung der Sauerstoffaufnahme und des Atemminutenvolumens aufweisen, die bei zusätzlicher aktiver Mitarbeit annähernd 75 % ihrer maximalen Belastbarkeit erreichen. Mit dem Passiv-Ergometer kann somit auch für dieses Patientenklientel ein körperliches Training durchgeführt werden.

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