Lungenfunktion
Als Lungenfunktion wird die physiologische oder pathologische Funktion der Lunge als Organ für den Gasaustausch bei der äußeren Atmung von lungenatmenden Schnecken, Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren einschließlich des Menschen bezeichnet. Im medizinischen Alltag hat sich der Begriff Lungenfunktion (Abk. Lufu) auch als Sammel- und Oberbegriff für die verschiedenen Untersuchungsverfahren der Lungenvolumina (vgl. auch Messgrößen) und anderer Kennzahlen der Lungenfunktion eingebürgert, beispielsweise der Spirometrie („kleine Lungenfunktion“) und der Bodyplethysmographie („große Lungenfunktion“).
Physiologische Lungenfunktion
Die physiologische Funktion der Lunge besteht im sogenannten Gasaustausch, der Aufnahme von Sauerstoff in den Körper und Abgabe von Kohlendioxid aus dem Körper. Damit spielt die Lunge auch in der Regulation des Säure-Basen-Haushaltes eine wichtige Rolle.
Untersuchungsverfahren
Die üblichen, als Lungenfunktion benannten Untersuchungsverfahren befassen sich weniger mit dem Gasaustausch als mit der Durchgängigkeit des bronchialen Systems. In diesem System der Lunge finden sich die häufigsten Störungen. Asthma bronchiale und chronisch obstruktive Lungenerkrankung betreffen primär die Bronchien. Nur in Spezialfällen werden die Blutgase überprüft, so etwa bei apparativ beatmeten Patienten. Auch Diffusionsmessungen sind selten.
Spirometrie
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Die am häufigsten durchgeführte Lungenfunktionsmessung ist die Spirometrie. Hierbei wird mit einem Flusssensor der Luftstrom beim Atmen gemessen. Neben der Ruheatmung wird bei der Spirometrie eine maximale Aus- und Einatmung gefordert. Da hierbei ständig die Strömung gemessen wird, lassen sich neben den Strömungswerten wie Peak Flow (engl. peak expiratory flow, PEF) und verschiedenen exspiratorischen Atemstromstärken (zum Beispiel maximal expiratory flow, MEF) auch Lungenvolumina wie Vitalkapazität (VC), exspiratorisches Reservevolumen (ERV) und Ruheatemzugvolumen (VT, auch TV von engl. Tidal Volume) bestimmen. Eine sehr beliebte Messgröße ist die Einsekundenkapazität (FEV1). Besonders bei chronischen Lungenleiden hat die FEV1 als Verlaufsparameter eine große Bedeutung. Die Messung der Einsekundenkapazität in Beziehung zur Vitalkapazität ist auch als Tiffeneau-Test bekannt.
Messwerte für die Einatmung haben dagegen nur untergeordnete Bedeutung.
Neben den Messwerten wird die Spirometrie auch graphisch dargestellt. Die geläufigste Darstellung ist die Fluss-Volumen-Kurve. Der Fluss des Atemstroms (y-Achse) wird hier nicht gegen die Zeit, sondern gegen das ausgeatmete Volumen (x-Achse) aufgetragen. Mit dieser Darstellung lassen sich besonders leicht krankhafte Veränderungen sehen. Auch ist die Graphik unerlässlich, um die Mitarbeit des Probanden bei der Messung zu bewerten.
Hier ist auch der größte Nachteil der Spirometrie. Die Messung ist stark von der optimalen Mitarbeit abhängig. Falls Menschen nicht mitarbeiten wollen (Berentungsanträge), oder können (Kleinkinder), kann die Spirometrie nicht durchgeführt werden. Jedoch lässt sich aus der Graphik meist ablesen, ob die Messwerte nur aufgrund mangelnder Mitarbeit schlecht sind.
Ganzkörperplethysmographie/Bodyplethysmographie
→ Hauptartikel: Bodyplethysmographie
Eine weitere Methode der Lungenfunktionsmessung ist die Bodyplethysmographie mit der Messung des Atemwegswiderstandes. Das Problem einer Widerstandsmessung der gesamten Atemwege ist, den Luftdruck in den Lungenbläschen zu bestimmen, der die gemessene Luftströmung durch die Bronchien auslöst. Je höher dieser in den Lungenbläschen aufgebaute Druck sein muss, um eine bestimmte Strömung zu erzeugen, desto mehr muss man sich beim Atmen anstrengen und desto höher ist der Atemwegswiderstand (Resistance).
Der Bodyplethysmograph wird als eine Kabine mit einem (weitgehend) abgeschlossenen Luftvolumen ausgeführt, sie sieht wie eine kleine Telefonzelle aus. Der Aufwand der Messung ist also deutlich höher. Mit diesem abgeschlossenen Luftvolumen kann man eine Dehnung oder Kompression des Brustkorbes bestimmen. Der Drucksensor bestimmt die Änderung des Luftdruckes in der Kabine, der sich entgegengesetzt proportional zur Änderung des Luftdruckes im Brustkorb und damit in den Lungenbläschen verhält.
Die Bestimmung der spezifischen Resistance ist weniger mitarbeitsabhängig als die Spirometrie, da der Proband nur ruhig in das Mundstück atmen muss.
Da bei der Bodyplethysmographie das Luftvolumen in der Lunge bestimmt werden kann, sind weitere Messgrößen möglich, zum Beispiel das maximal mögliche Luftvolumen in der Lunge (Total Lung Capacity TLC, Totalkapazität) und das nicht ausatembare Restvolumen der Lunge (Residualvolumen RV). Für diese Werte ist es notwendig, während der Messung auch eine Spirometrie durchzuführen. Dies wird in der Regel auch gemacht.
Andere Methoden
Es gibt noch zwei andere Möglichkeiten, den Atemwegswiderstand zu bestimmen, die Oszillometrie (heute ausgeführt als Impulsoszillometrie) und die Shuttermethode. Die Impulsoszillometrie kann den Widerstand mit Luftstößen in die Lunge feststellen. Die Shuttermethode vertraut darauf, dass bei kurzem Verschluss der Atemwege sich der Druck von den Alveolen bis in den Mundraum ausgleicht, was bei krankhaft veränderten Atemwegen aber zunehmend schlechter funktioniert.
Keine dieser Alternativmethoden kann das Lungenvolumen und damit die TLC und das RV bestimmen.
Bronchospasmolysetest
Bei der Bronchospasmolyse wird die Reversibilität der bronchialen Obstruktion getestet. Hierzu wird untersucht, ob man beim Patienten durch Anwendung von Atemsprays eine Verringerung des Atemwegswiderstandes (Rtot) erzielen kann. Diese geht mit einer Zunahme der FEV1 einher. Typischerweise ist die Obstruktion im Rahmen eines Asthma bronchiale reversibel, die Obstruktion bei einer chronisch obstruktiven Bronchitis ist niemals vollkommen reversibel.
Bei einer reversiblen Obstruktion vermindert sich durch den Bronchospasmolysetest ergänzend auch das bodyplethysmographisch primär messbar erhöhte Residualvolumen; die Differenz wird als Volumen pulmonum auctum bezeichnet.
Blutgasanalyse
→ Hauptartikel: Blutgasanalyse
Messwerte
Vitalkapazität
→ Hauptartikel: Vitalkapazität
Vitalkapazität Abkürzung: VC; Einheit: Liter (l) Das Volumen, das nach maximaler Inspiration maximal ausgeatmet werden kann (maximales, willkürlich ventilierbares Volumen) Atemzugvolumen (AZV) + inspiratorisches Reservevolumen (IRV) + exspiratorisches Reservevolumen (ERV).
Die Vitalkapazität stellt somit ein Maß für die Ausdehnungsfähigkeit von Lunge und Thorax dar. Es handelt sich keineswegs, wie man etwa der Bezeichnung entnehmen könnte, um eine "vitale" Größe, denn selbst bei extremen Anforderungen an die Atmung wird die mögliche Atemtiefe niemals voll ausgenutzt. Die Angabe eines "Normalwerts" für die Vitalkapazität ist kaum möglich, da diese von verschiedenen Parametern, wie Alter, Geschlecht, Körpergröße, Körperposition und Trainingszustand, abhängig ist. Die Vitalkapazität beträgt für einen jüngeren, 180 cm großen Mann etwa 5 Liter und nimmt mit zunehmendem Alter ab.
Die Messung erfolgt gewöhnlich mit einem Spirometer, einem Gerät, das verschiedene Gasvolumina bei konstantem Druck aufnehmen kann. Eine zylindrische Glocke taucht in einen Wasserbehälter ein, der den Innenraum des Spirometers gegen den Außenraum luftdicht abschließt. Ein weitlumiger Schlauch verbindet das Mundstück des Probanden mit dem Spirometer. Die Volumenänderung bei maximaler Ausatmung nach vorheriger maximaler Einatmung, die zu einer entsprechenden Glockenbewegung führt, kann an einer kalibrierten Skala abgelesen werden. Heute wird ein Spirometer in der Regel mit einem Flusssensor ausgestattet und die abgeleiteten Volumina werden elektronisch ermittelt.
Einsekundenkapazität
→ Hauptartikel: Einsekundenkapazität
Die Einsekundenkapazität (SK) ist dasjenige Volumen, das innerhalb einer Sekunde aus maximaler Inspirationslage forciert ausgeatmet werden kann. Die Messung der SK ist eine einfache Methode um eine obstruktive Lungenfunktionsstörung zu erfassen.
Man unterscheidet die absolute von der relativen SK. Die absolute SK (Forciertes Exspiratorisches Volumen in 1 Sekunde: FEV1) wird in Volumeneinheiten angegeben. Die individuellen Messwerte werden in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht, Größe und Gewicht in Beziehung zu Sollwert-Standard-Tabellen der Europäischen Gemeinschaft für Kohle und Stahl gesetzt.
Die relative SK (FEV1%VC), auch Tiffeneau-Index genannt, wird in Prozent der inspiratorisch gemessenen Vitalkapazität (FEV1%IVC) oder der bei forcierter Exspiration gemessenen Vitalkapazität (FEV1%FVC) angegeben. Die relative SK darf nur zur Beschreibung einer Obstruktion benutzt werden, solange die VC im Normbereich liegt. Wenn bei schwerer Obstruktion aufgrund der vermehrten Atemarbeit auch die VC eingeschränkt ist, wird die relative SK falsch normal berechnet. In solchen Fällen muss die absolute SK zur Beurteilung herangezogen werden.
Der Nachteil der SK-Messung ist die Abhängigkeit von der Patientenmitarbeit.
Die Aufzeichnung der Stromstärke oder des Atemflusses gegen das Volumen bieten weitere Messgrößen, zum Beispiel der Spitzenexspiratorische Fluss oder Peak Flow (PEF)
Maximaler exspiratorischer Fluss (MEF)
MEF25/50/75 (Einheit l/s) Exspiratorischer Fluss bei 25/50/75 % der forcierten VK: Maximale exspiratorische Atemstromstärke bei 25/50/75 % im Thorax befindlicher Vitalkapazität, d. h., wenn bereits 75/50/25 % der Vitalkapazität ausgeatmet sind.
Atemwegswiderstand
Resistance (Raw) kPa/l x s Strömungswiderstand in den Atemwegen bei definierter Atmung. Der Atemwegswiderstand ist ein empfindlicher Parameter für die zentrale Atemwegsobstruktion. Eine Widerstandsabnahme im Bronchospasmolysetest deutet auf eine medikamentös beeinflussbare Reversibilität der Obstruktion hin.
Schweregrade: Raw ≤ 0,35: keine; Raw 0,36 - 0,60: leichte; Raw 0,61 - 0,90: mittelschwere; Raw > 0,90: schwere Obstruktion
Spezifischer Atemwegswiderstand
Der spezifische Atemwegswiderstand (sRaw) ist eine Messgröße. Er wird durch Anlage einer Tangente an die aufgezeichnete Atemschleife definiert. Im spezifischen Atemwegswiderstand sind sowohl resistive-als auch Volumenanteile enthalten, ohne sie differenzieren zu können. Erst durch die Bestimmung des ITGV (FRC pleth) und der Quotientenbildung sRAW/ITGV+VT/2=RAW kann der volumenbezogene Widerstand bestimmt werden. Die nachstehende Gleichung ist zwar mathematisch richtig, aber physiologisch falsch! (sR) Raw/TGV kPa x s (spezifische Resistance)
Lungenvolumen
Man unterscheidet verschiedene Lungenvolumina (Atemvolumina):
Statische Atemvolumina
Zu den Statischen Atemvolumina gehören (zusammengesetzte Volumina werden Kapazitäten genannt):
1. Atemzugvolumen (AZV), auch Tidalvolumen, beschreibt das Volumen, das bei einer normalen Einatmung eingeatmet wird (ca. 0,5 l)
2. inspiratorisches Reservevolumen (IRV), beschreibt das Volumen, das nach normaler Inspiration noch zusätzlich eingeatmet werden kann
3. exspiratorisches Reservevolumen (ERV), beschreibt das Volumen, das nach normaler Exspiration noch ausgeatmet werden kann
4. Residualvolumen (RV): beschreibt das Volumen, das nach maximaler Exspiration in der Lunge verbleibt (nicht ausatembar). Spirometrisch nicht erfassbar.
5. Inspiratorische Kapazität (IC): setzt sich zusammen aus Atemzugsvolumen und inspiratorischem Reservevolumen, beschreibt die Luftmenge, die nach normaler Exspiration eingeatmet werden kann
6. Vitalkapazität (VC): setzt sich zusammen aus Atemzugsvolumen, inspiratorischem Reservevolumen und exspiratorischem Reservevolumen, beschreibt die Luftmenge, die nach maximaler (forcierter) Exspiration maximal eingeatmet werden kann, also die maximale Ausdehnungskapazität der Lunge
7. Totale Lungenkapazität (TLC): beschreibt das Volumen, das sich nach maximaler Inspiration in der Lunge befindet. Setzt sich zusammen aus Vitalkapazität und Residualvolumen.
8. Funktionelle Residualkapazität (FRC): setzt sich zusammen aus exspiratorischem Reservevolumen und Residualvolumen, beschreibt die Luftmenge, die nach einer normalen Ausatmung in der Lunge verbleibt. Die FRC wird nicht mittels Ganzköperplethysmographie, sondern mit der „Gasauswaschmethode“ bestimmt.
9. Intrathorakales Gasvolumen (IGV): beschreibt wie die FRC ebenfalls die nach normaler Exspiration in der Lunge enthaltene Luftmenge, wird aber über Köperplethysmographie bestimmt und berücksichtigt daher auch Gasvolumina, die nicht in direktem Kontakt mit dem Tracheobronchialraum stehen (zum Beispiel ein Pneumothorax oder nichtbelüftete Lungenabschnitte bei älteren Patienten). Daher kann das IGV einen größeren Wert liefern als die FRC; beim jungen, lungengesunden Menschen sind sie meist identisch.
Dynamische Atemvolumina
Die dynamischen Atemvolumina geben die Verschiebung der statischen Atemvolumina pro Zeiteinheit an, dazu gehören:
1. Atemgrenzwert, auch MVV, von engl.: Maximal Voluntary Ventilation: maximal erreichbares Atemzeitvolumen
2. Einsekundenkapazität, auch FEV1, von engl.: Forced Expiratory Volume in 1 second
Störungen
Ventilationsstörungen
Obstruktive Ventilationsstörung
Bei der obstruktiven Lungenfunktionsstörung ist der Atemwegswiderstand erhöht. Verursacht werden kann dies durch Sekret oder Fremdkörper in den Atemwegen – Bronchien (zum Beispiel bei chronischer Bronchitis), durch einengenden Druck von außen (zum Beispiel Tumor oder Ödeme) oder durch Emphyseme (Lungenüberblähung).
Die Obstruktive Lungenfunktionsstörung zeigt sich im Tiffeneau-Test durch forcierte Exspiration, wobei das Forcierte Exspiratorische Sekundenvolumen (FEV1) erniedrigt ist, die Forcierte Vitalkapazität (FVC) aber gleich bleibt. Ebenso können ein erhöhtes Residualvolumen sowie eine verminderte Vitalkapazität bei länger andauernder Obstruktion diagnostiziert werden.
Krankheitsbilder, die eine Obstruktive Ventilationsstörung verursachen, sind Asthma, chronische Bronchitis bzw. COPD, Fremdkörperaspiration.
Restriktive Ventilationsstörung
Bei der restriktiven Lungenfunktionsstörung ist die Vitalkapazität und die totale Lungenkapazität vermindert. Verursacht ist dies durch eine eingeschränkte Compliance des Atemapparats (die Dehnungsfähigkeit ist eingeschränkt). Das Auftreten einer restriktiven Lungenfunktionsstörung kann zum Beispiel an Verwachsungen der Pleura, Lungenfibrose, Verlust von Lungengewebe oder Thorax-Beweglichkeit (zum Beispiel Skoliose, Trichterbrust) liegen.
Respiratorische Insuffizienz
Nach GOLD wenn: Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut unter 60 mmHg oder Kohlendioxidpartialdruck im arteriellen Blut über 50 mmHg
Perfusions- und Diffusionstörungen
Die Perfusion ist die Durchblutung der Lungenkapillaren, angepasst an die Ventilation.
Die Diffusion ist ein passiver Transportvorgang, Teilchen wandern vom Ort höherer Konzentration zum Ort niedriger Konzentration
Gasaustausch in der Lunge: O2 gelangt aus der Luft in den Alveolen durch die Membran in die Kapillaren, CO2 aus dem Lungenkapillarblut in die Alveole
Perfusionsstörungen:
Bei Gefäßverschlüssen ist die Perfusion im Verhältnis zur Ventilation eingeschränkt. Sie beruhen auf einem Missverhältnis von Durchblutung und Belüftung von Lungenabschnitten. Beispiele sind Lungenembolie, Lungenfibrose (Verdickung der Alveolarmembran) und Lungenemphysem (Lungenüberblähung). Bei eingeschränkter oder fehlender Perfusion wird der Totraum vergrößert (der Raum, der nicht am Gasaustausch beteiligt ist).
Diffusionsstörungen:
Sind Gasaustauschstörungen, die zu einer Lungenfunktionsstörung führen. Das können sein: verlängerter Weg des Austausches von O2/CO2 bei Lungenfibrose durch Verdickung der Alveolarmembran. Verlust von Alveolen: Austauschfläche ist verkleinert bei Pneumonie und Lungenemphysem. Verkürzte Kontaktzeit: bei Lungenresektion
