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

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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
120 Patienten 65 Patienten bedingt durch Studienwechsel Richard B. Moss, Chest. 2002;121:55

6 Effekt von Belastung auf FEV1 nach Placebo oder Albuterol
Nur Albuterolspray, Placebo, mittlere FEV1 57% Soll, 20 Patienten, VO2max gleich, Kein Effekt auf - Watt max - VO2 max Serisier D, Chest 2007, 1181

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

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

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 (Anzahl Studien) Ruben D, Resp Care 2007, 1159

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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 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 R 5 Hz Trompetenmodell der Lunge X 5 Hz

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
R eff X 5 Hz r = - 0,73 R 5 Hz r = 0,58 X 10 Hz r = - 0,82

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

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

26 Korrelation IOS - Spirometrie

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

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

29 Korrelation FEV1 - Rtot

30 Korrelation FEV1 – X5

31 Korrelation Rtot – X5

32 Broncholyse und CF

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

34 Reaktion auf Broncholyse

35 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 DLCO
CO-Gegendruck Hb kapilläres Blutvolumen/Blutfluss Transportstörungen im Gasraum Lungenvolumen Oberfläche, Oberfläche/Volumen Durchgängigkeit der Diffusionsbarriere Ändere CO durch Ändern von pO2 CO 1 DLCO DmCO = + . Vc „alveolo- kapilläre Membran“ pulmonal- kapilläres Blutvolumen Aufnahmerate pro mL für CO DLCO „Leitfähigkeit für CO“ „Widerstand“ = „Leitfähigkeit“ 1 Serielle Widerstände addieren sich

45 Ansatz der NO-CO-Diffusionskapazität

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

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

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

49 Fragestellungen bei CF
Messwerte DLNO relativ zu DLCO Dm und Vc Korrelation mit CF-spezifischem CT-Score DLNO, DLCO, 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 ± 8,8 38,3 ± 15,8 0,312 Größe, cm 176 ± 11 174 ± 9 0,630 Gewicht, kg 65,5 ± 13,4 72,4 ± 16,4 0,117 FEV1, %Soll 65,6 ± 28,4 108,5 ± 13,3 <0,001 VC, %Soll 87,7 ± 22,5 112,9 ± 12,9 FEV1/VC, %Soll 72,6 ± 14,9 96,9 ± 7,1 ITGV, L 4,14 ± 1,10 3,50 ± 0,66 0,023 RV, L 2,90 ± 1,06 1,91 ± 0,51 TLC, L 7,08 ± 1,69 6,85 ± 1,21 0,573 VA, L 5,45 ± 1,78 6,30 ± 1,15 0,063 DLNO, mmol×min-1×kPa-1 34,7 ± 12,2 45,5 ± 10,2 0,002 DLCO, mmol×min-1×kPa-1 9,14 ± 2,84 10,25 ± 2,33 0,148 DLNO/DLCO (geometrischer MW (SD)) 3,74 (1,11) 4,44 (1,47) KNO, mmol×min-1×kPa-1×L-1 6,34 ± 0,91 7,21 ± 0,87 0,001 KCO, mmol×min-1×kPa-1×L-1 1,69 ± 0,18 1,62 ± 0,21 0,258 (Mittelwert ± SD)

51 DLNO (%Soll) versus CT-Score (rS = -0,87; p < 0,001)

52 DLCO (%Soll) versus CT-Score (rS = -0,82; p < 0,001)

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

54 Normierung der DLCO auf DLNO statt VA
Nicht nur erreichbares Volumen, auch Stärke der Diffusionshindernisse berücksichtigt

55 DLCO versus DLNO bei Gesunden

56 Gesunde und CF CF Gesunde

57 Plus Gesunde bei 80% VA

58 Plus Gesunde bei 60% VA

59 Folgerung DLCO relativ zur DLNO bei CF erhöht
Hinweis auf (kompens.) Hypervaskularisierung?

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

61 Mögliche Anwendungen Diagnostisch zu eruieren Vasokonstriktion
„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 Intraindividual variability (SD) of repeated DLNO measurements at various breathhold times
Healthy 4 s s s s Variation coefficient (%)  Variability acceptable, CF similar Dressel et al., Chest 2008

63 DLNO (%pred) versus CT-Score (Brody) in CF (rS = -0.87; p < 0.001)
Dressel et al., BMC Pulm Med 2009

64 KNO (=DLNO/VA) versus CT-Score (Brody) in CF (rS = -0.54; p = 0.012)
Dressel et al., BMC Pulm Med 2009

65 DLCO versus DLNO in healthy subjects

66 Healthy subjects and CF patients
 elevated DLCO relative to DLNO in CF

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

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

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

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

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

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

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 Acoustic imaging of the lung
(Vibration Response Device) 40 acoustic sensors attached by negative pressure Data processing and conversion of information into dynamic images Dellinger et al., Respiration 2008

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

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

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

79 PET statt Lufu? Klein et al, CHEST 2001

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