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Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München.

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Präsentation zum Thema: "Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München."—  Präsentation transkript:

1 Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München

2 Lungenfunktion und CF Lungenfunktion ergibt sich aus Anamnese Klinischer Befund Messungen Aufgaben der Lunge Gasaustausch Reinigung / Immunabwehr

3 Wozu Lungenfunktion bei Mukoviszidose (CF) ? Lunge meist das am stärksten betroffene Organ Beurteilung von statischen und dynamischen Funktionsanteilen Erkennung von akuten und chronischen Veränderungen (Trend !) Wichtig für Therapieentscheidungen Ungefährliche, aber unangenehme Prozedur !

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5 Intermittierende Therapie zur Verminderung des Pseudomonas - Wachstums Richard B. Moss, Chest. 2002;121:55 bedingt durch Studienwechsel 120 Patienten 65 Patienten

6 Effekt von Belastung auf FEV1 nach Placebo oder Albuterol Serisier D, Chest 2007, 1181 Kein Effekt auf - Watt max - VO2 max

7 Kurzzeiteffekt Salmeterol Bargon J, ERJ 1997, 2307 Kein Effekt auf FEV1 N=26

8 Bargon J, ERJ 1997, 2307 N=26 Kurzzeiteffekt Salmeterol

9 Effekt von Bronchodilatatoren auf mukoziliäre Clearance Terbutaline (6) Steigert Sputumproduktion Steigert mukoziliäre Clearance nicht Albuterol (9) steigert Clearance nur minimal Fenoterol (3) steigert Clearance Salmeterol (3): kein klarer Effekt Formoterol (1): signifikante Verbesserung Ipratropium (5): keine Verbesserung, eher schlechter Tiotropium (1): keine Verschlechterung Ruben D, Resp Care 2007, 1159 (Anzahl Studien)

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11 Verlaufsbeispiel Lufu

12 Verlaufsbeispiel ABPA

13 Stabile Lufu

14 Verlauf alle

15 Spektrum FEV1

16 Übliche Verfahren der Lungenfunktion (I) Spirometrie Atemfrequenz Atemtiefe Maximale atembare Lungenvolumina Einsekundenkapazität Fluß - Volumen - Kurve Forciertes Manöver Maximale atembare Lungenvolumina Luftfluß in verschiedenen Bronchienabschnitten Spitzenfluß (PEF) Mittlerer Fluß bei 25, 50 und 75% Volumen FEV1 = Einsekundenkapazität Globaler Funktionsparameter, unspezifisch

17 Übliche Verfahren der Lungenfunktion (II) Bodyplethysmographie Ruheatmung Resistance der zentralen Bronchien Überblähung trapped air Diffusion Sauerstoffdurchlässigkeit der Lungenbläschen Atempumpenmessung Verfügbare Kraft der Atemmuskeln Auslastung der Atempumpe (Erschöpfung) Blutgasanalysen Verfügbarer Sauerstoff im Blut genauer als Sättigung

18 Nachteile der üblichen Lungenfunktionsverfahren Spirometrie spezielle Atemmanöver Fluß - Volumen - Kurve forciertes, maximales Atemmöver mitarbeitsabhängig Bodyplethysmographie kleine Bronchien nicht gut beurteilbar Spezielle Anforderungen an die Lungenfunktion bei Mukoviszidose rasche Durchführung keine speziellen Manöver Aussage über Verengung der kleinen Bronchien Sekret in der Peripherie Verlaufsparameter

19 Impulsoszillometrie Funktionsprinzip (1) Atemwegswiderstand = Relation von Druck und Strömung bei Spontanatmung / forcierten Manövern Atemwegswiderstand Impulsoszillometrie Druck und Strömung abhängig von externer Generator (Lautsprecher) Impulssignal der Spontanatmung überlagert Lautsprecher

20 Impulsoszillometrie Funktionsprinzip (2) Multifrequentes Schallsignal = Impuls Echo (= Druck und Strömung) wird gemessen, sog. komplexe Gesamtimpedanz Z Meßdauer etwa 30 Sek., Ruheatmung, minimale Kooperation Durch Fast-Fourier-Analysen kann die Gesamtimpedanz Z in Resistance (zentraler Anteil) und Reactance (peripherer, kapazitiver Anteil) zerlegt werden Und in Resonanzfrequenz und volumenabhängige Schwankung der Impedanz

21 X 5 Hz R 5 Hz Trompetenmodell der Lunge

22 Vergleich Impulsoszillometrie / normale Lungenfunktion Vergleich von Impulsoszillometrie mit Spirometrie Fluß - Volumen - Kurve Bodyplethysmographie Bis jetzt 331/661 Messungen (n=45) keine Probleme mit der Methode wird als angenehm empfunden, sekretlösend ??

23 Korrelation IOS - Bodyplethysmographie X 5 Hz r = - 0,73 R 5 Hz r = 0,58 R eff X 10 Hz r = - 0,82

24 Korrelation IOS - Bodyplethysmographie X 5 Hz r = - 0,74 R 5 Hz r = 0,57 R tot

25 Korrelation IOS - Spirometrie FEV1 R 5 Hz r = - 0,6 X 5 Hz r = 0,57

26 Korrelation IOS - Spirometrie r = - 0,61

27 Korrelation IOS - Spirometrie MEF 25 R 5 Hz r = - 0,44 X 5 Hz r = 0,43

28 Korrelation Spirometrie - Bodyplethysmographie FEV1 R tot r = 0,77

29 Korrelation FEV1 - Rtot

30 Korrelation FEV1 – X5

31 Korrelation Rtot – X5

32 Broncholyse und CF

33 12% Responder Starke Schwankung der Reagibilität Volle Reversibilität nur bei 7%

34 Reaktion auf Broncholyse

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38 Vergleich Impulsoszillometrie / normale Lungenfunktion gute Korrelation von Resistance, Reactance mit herkömmlichen Lungenfunktionsparameter (spez. Resistance, tot R, FEV1) Resonanzfrequenz scheint guter Verlaufsparameter zu sein (ähnlich FEV1) gute Differenzierung von Bronchialkollaps und peripherer Obstruktion Volumenabhängige Schwankung der Impedanz Zeichen von Trapped air

39 Zusammenfassung Impulsoszillometrie einfach in Anwendung, schnell, Ruheatmung sensitiv und spezifisch bei zentraler und peripherer Obstruktion Airtrapping gut zu erkennen extrathorakale Stenose differenzierbar Altersbereich: Jahre

40 Ausblick CF - Team der Erwachsenen - Ambulanz: Prof. Huber, Dr. Fischer, Dr. Henke, Sr. Maria MTAs Lungenfunktion

41 Impulsoszillometrie Meßwerte Resistance (R) - Modell Energieverbraucher R bei 5 Hz entspricht dem Rtot der Bodyplethysmographie R frequenzunabhängig große und mittlere Bronchien

42 Impulsoszillometrie Meßwerte Inertance (Trägheit) positive Teil der Reactance Trägheit der Luftsäule in Luftröhre Resonanzfrequenz Schnittpunkt der Reactancekurve mit der Nulllinie

43 Impulsoszillometrie Meßwerte Reactance (X) - Modell imaginärer Blindwiderstand Energiespeicher aus Trägheit Kapazität X bei 5 Hz immer negativ X 5Hz entspricht der peripheren Kapazität = Verminderung durch Sekret Verengung der Bronchiolen

44 Einflussfaktoren bezüglich DL CO Transportstörungen im Gasraum Lungenvolumen Oberfläche, Oberfläche/Volumen Durchgängigkeit der Diffusionsbarriere CO CO-Gegendruck Hb kapilläres Blutvolumen/Blutfluss DL CO Leitfähigkeit für CO Widerstand = Leitfähigkeit 1 Serielle Widerstände addieren sich CO 1 DL CO 1 Dm CO 1 =+. V c alveolo- kapilläre Membran pulmonal- kapilläres Blutvolumen Aufnahmerate pro mL für CO Ändere CO durch Ändern von pO 2

45 Ansatz der NO-CO-Diffusionskapazität

46 NOCO Hb Molekulargewicht & Diffusionseigenschaften für NO und CO gleich Kombinierte CO/NO-Diffusionskapazität 1 Dm

47 Kombinierte CO/NO-Diffusionskapazität 1 DL 1 Dm 1 =+. V c Diffusionswiderstand DL NO kapilläres Blutvolumen DL CO und DL NO NOCO Hb Affinität 400x Molekulargewicht & Diffusionseigenschaften für NO und CO gleich insensitiv gegenüber Vc DL NO DL CO informativ/ NO >> CO

48 Volumen Testgas Analysefenster Effektive Atemanhaltezeit Problem Obstruktion VC VA Beginn Aufnahme Ende Einatmung = Problem Verteilungsstörungen Zeit

49 Fragestellungen bei CF Messwerte DL NO relativ zu DL CO Dm und Vc Korrelation mit CF-spezifischem CT-Score DL NO, DL CO, abgeleitete Größen Vergleich mit üblicher Lungenfunktion

50 Charakteristika der Probanden CF n=21 Gesund n=30 p Frauen, n (%) 8 (38%)16 (53%)0,394 Alter, Jahre 34,8 ± 8,838,3 ± 15,80,312 Größe, cm 176 ± ± 90,630 Gewicht, kg 65,5 ± 13,472,4 ± 16,40,117 FEV 1, %Soll 65,6 ± 28,4108,5 ± 13,3<0,001 VC, %Soll 87,7 ± 22,5112,9 ± 12,9<0,001 FEV 1 /VC, %Soll 72,6 ± 14,996,9 ± 7,1<0,001 ITGV, L 4,14 ± 1,103,50 ± 0,660,023 RV, L 2,90 ± 1,061,91 ± 0,51<0,001 TLC, L 7,08 ± 1,696,85 ± 1,210,573 VA, L 5,45 ± 1,786,30 ± 1,150,063 DL NO, mmol×min -1 ×kPa -1 34,7 ± 12,245,5 ± 10,20,002 DL CO, mmol×min -1 ×kPa -1 9,14 ± 2,8410,25 ± 2,330,148 DL NO /DL CO (geometrischer MW (SD)) 3,74 (1,11)4,44 (1,47)<0,001 KNO, mmol×min -1 ×kPa -1 ×L -1 6,34 ± 0,917,21 ± 0,870,001 KCO, mmol×min -1 ×kPa -1 ×L -1 1,69 ± 0,181,62 ± 0,210,258 (Mittelwert ± SD)

51 DL NO (%Soll) versus CT-Score (r S = -0,87; p < 0,001)

52 DL CO (%Soll) versus CT-Score (r S = -0,82; p < 0,001)

53 Folgerung NO-Diffusionskapazität möglicherweise besonders sensitiv gegenüber morphol. Veränderungen bei CF KNO

54 Normierung der DL CO auf DL NO statt VA Nicht nur erreichbares Volumen, auch Stärke der Diffusionshindernisse berücksichtigt

55 DL CO versus DL NO bei Gesunden

56 Gesunde und CF CF Gesunde

57 Plus Gesunde bei 80% VA

58 Plus Gesunde bei 60% VA

59 Folgerung DL CO relativ zur DL NO bei CF erhöht Hinweis auf (kompens.) Hypervaskularisierung?

60 Fazit NO-CO-Diffusionskapazität Möglichkeiten einfach, schnell, reproduzierbar Partitionierung der Diffusionskapazität Volumenabhängigkeit möglicherweise informativ DL NO - statt VA als Bezugsgröße für DL CO - Strukturkorrelat (Gasraum/Barriere) Limitationen Umrechnung in alveolo-kapilläres Blutvolumen unsicher komplexe Abhängigkeit von Volumen und Belüftung

61 Mögliche Anwendungen Diagnostisch zu eruieren echte Diffusionsstörungen (Asthma, CF, COPD...) Kapillarbettstörungen (Diabetes…) pulmonale Hypertonie (HZV mittels Azetylen) Embolien Vasokonstriktion Feinstaub (Außenluft, Schweißer...) Hypoxie (experimentell, Höhe, Arbeitsplatz) Vasodilatation z.B. Nebeneffekte von Bronchodilatatoren vasoaktive Substanzen

62 Variation coefficient (%) Variability acceptable, CF similar Dressel et al., Chest 2008 Healthy Intraindividual variability (SD) of repeated DL NO measurements at various breathhold times 4 s 6 s 8 s 10 s

63 DL NO (%pred) versus CT-Score (Brody) in CF (r S = -0.87; p < 0.001) Dressel et al., BMC Pulm Med 2009

64 KNO (=DL NO /VA) versus CT-Score (Brody) in CF (r S = -0.54; p = 0.012) Dressel et al., BMC Pulm Med 2009

65 DL CO versus DL NO in healthy subjects Healthy

66 Healthy subjects and CF patients CF Healthy elevated DL CO relative to DL NO in CF

67 Plus healthy subjects at 60% VA suggesting pulmonary hypercapillarization in CF? CF Healthy 60%

68 Combined diffusing capacity for CO and NO Potential information pulmonary capillary blood volume membrane factor changes with lung volume easy to assess Clinical data not sufficient

69 Paredi et al., AJRCCM 2009 Exhaled ethane elevated in untreated CF marker of lipid peroxidation

70 Paredi et al., AJRCCM 2009 Exhaled ethane correlates with exhaled CO in untreated CF

71 Barker et al., ERJ 2006 Relationship between exhaled pentane and lung function CF exacerbation CF stable Controls

72 Analysis of exhaled breath by chromatography [HS-SPME(PDMS)-GC-MS] high demands on technology Lung cancer Healthy Smoker Chemoth.

73 Drift gas Reaction chamber Sample gas Ionization Principle of ion mobility spectrometry Drift chamber Electrode rings (+/-) Detector Electric switching (+/-) Voltage gradient (+/-) Ions are generated different charge different size Result depends on ion charge ion size and form drift gas flow + - Possibility to identify VOCs

74 Electronic nose (chemiresistor array) Cyranose 320 (Smith Detection) Nanocomposite Sensor Array 32 sensor signals Pattern recognition (smell print) Comparison with mit GC-MS etc. and defined substances

75 Dellinger et al., Respiration acoustic sensors attached by negative pressure Data processing and conversion of information into dynamic images Acoustic imaging of the lung (Vibration Response Device)

76 Dellinger et al., Respiration 2008 Signal of maximal energy right left Inspiration Expiration Acoustic imaging of the lung Time course of acoustic images

77 Dellinger et al., Respiration 2008 Acute asthma before bronchodilationafter bronchodilation Acoustic imaging of the lung

78 Potential information time course of ventilation regional ventilation effect of interventions Clinical data not sufficient Acoustic imaging of the lung

79 PET statt Lufu? Klein et al, CHEST 2001

80 FEV1 – Verlauf nach Exacerbation Sanders et al Ped Pulm 2010


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