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Prim. Dr. Herwig A.E. Schinko Vorstand der Pneumologie, AKH Linz
 
ÖGP 2010 2. November 2010

COPD: Was ist Obstruktion wirklich?

Die Ausatmung ist typischerweise deutlich mehr als die Einatmung eingeschränkt.

Sowohl diagnostisch als auch therapeutisch trachtet man nach einer maximalen Beeinflussung sämtlicher Faktoren einer Obstruktion. Die Hauptparameter FEV1 und FEV1%VC sind in jedem Fall zu erheben. Aber die Beschränkung auf diese lässt weder den vollen Umfang einer obstruktiven Ventilationsstörung verstehen noch differenziert therapieren.

Bei Obstruktion klingt das lateinische Wort „obstruere“ – versperren, verrammeln – mit. Obstruktion bei COPD ist definiert als ein FEV1%VC kleiner als 70 Prozent. Das Ausmaß der Atemeinschränkung wird dabei durch die Abnahme des FEV1 bestimmt, des von der Totalen Lungenkapazität (TLC) in einer Sekunde forciert ausgeatmeten Lungenvolumens. Fällt FEV1 unter 80 Prozent des Alters-, Größen- und Geschlechtsreferenzwerts, liegt ein Atem-Kapazitätsverlust von klinischem Belang vor. Entsprechend werden die GOLD-Klassen II, III und IV als FEV1-Abfall unter 80 Prozent, 50 Prozent und 30 Prozent des Referenzwerts definiert. Diese Übereinkunft hat weniger mit biostatistischen Bereichen als mit dem klinischen Ermessen zu tun.

Tiffeneau und Pellini nutzten 1947 erstmals FEV1%IVC bei ihren pharmakologischen Versuchen mit Acetylcholin, Histamin und Adrenalin zur Objektivierung von Bronchokonstriktion und ihrer Reversibilität (siehe Grafik). Dejour hielt als Physiologe über 1954 hinaus daran fest, dass FEV1 nicht in Litern, sondern in Litern/Sekunde anzugeben sei. Offenkundig ein Widerspruch, der aber bei näherer Betrachtung keiner ist und dem besseren Verständnis dient.

FEV1 ist das Volumen nach einer Sekunde forcierter Ausatmung, FEV1/1s=FEF1 ist dabei der forcierte Ausatemfluss der ersten Sekunde. Damit bekommt die normale FEV1/VC-Ratio von 3,2L/4L d.h. von 80 Prozent mit FEF1/VC den gleichzeitigen Sinn von Fluss/Volumen.

Man versteht die Bedeutung, wenn man den Kehrwert, nämlich VC/FEF1, nimmt. Die Einheit von Volumen/Fluss ist Zeit. VC/FEF1 von 4L/3,2 L/s bedeutet dann, dass es 1,25 s dauern würde, das Volumen der Vitalkapazität mit dem Fluss der ersten Sekunde auszuatmen. Jede Verringerung von FEV1/s=FEF1 führt gleichzeitig zu einer längeren Entleerungszeit. Obstruktion heißt dann eine Verlängerung bzw. Verlangsamung der Entleerung.

Atemwiderstand und Lungendehnbarkeit

Die maximalen exspiratorischen Flüsse (MEF) hängen gemäß dem „Luftballonmodell“ von der Steife bzw. elastischen Retraktion des Ballons (Pel) und der Enge bzw. dem Widerstand (R) des Ballonhalses ab gemäß MEF = Pel/R. Ganz gleich verhält es sich bei Lunge und Bronchien. Der maximale Atemfluss nimmt aus zwei Gründen ab: durch eine schlaffe Lunge und/oder enge Bronchien. Hinter Obstruktion verbirgt sich demnach einerseits eine erhöhte Lungendehnbarkeit (verminderte Steife) wie bei Emphysem oder ein erhöhter Atemwiderstand wie bei Asthma. Die erhöhte Lungencompliance erkennt man an der parallelen Erhöhung von TLC (Überblähung), ITGV (erhöhte Atemruhelage) und RV (vergrößertes Rest- bzw. Residualvolumen = Airtrapping). Die Überblähung ist nur mit der Bodyplethysmografie, nicht aber mit der Spirometrie erfassbar. Auch das Airtrapping entzieht sich der Erfassung durch die Spirografie.

In Abbildung 2 erkennt man außerdem, dass die Exspiration deutlich mehr als die Inspiration eingeschränkt ist – typisch für COPD. In diesem Fall ist der Atemwiderstand von normal 0,2 auf 0,8 kPa um das Vierfache und die Atemruhelage um 150 Prozent von normal 2,5 auf 6,4 Liter erhöht. Demnach liegt eine Obstruktion vom Resistancetyp neben einer Obstruktion vom Compliancetyp vor. In Richtung Asthma zeigt neben der Atemwiderstandserhöhung die signifikante pharmakodynamische Reversibilität der funktionellen Abnormitäten auf vier Hub Salbutamol: TLC, ITGV und RV fallen signifikant ab. Entsprechend nimmt VC zu. Der Atemwiderstand fällt um 32 Prozent von 0,8 auf 0,54 kPa*L/s. Das Airtrapping, manifest als erhöhte Atemmittellage (FRC), und das vergrößerte RV sind deutlich rückläufig. FEV1 bessert sich um 60 Prozent oder 0,38 Liter. In Synopsis ein Beispiel einer Kombination eines Asthmas mit einer COPD.

Airtrapping

Airtrapping ist neben dem erhöhten Atemwiderstand und der Lungendehnbarkeit (vergrößerten Compliance) die dritte und zwar periphere Form der Obstruktion. Sie kommt durch vorzeitigen Kollaps/Verschluss der kleinen Atemwege zustande, entweder weil sie durch Entzündung konstriktiv verengt bzw. verdickt sind oder weil sie durch den bullösen Umbau der Lunge, den Verlust von alveolären Verankerungen oder Elastolyse (den Verlust von Elastin) nicht offen gehalten werden können. Airtrapping erhöht die Atemruhelage und macht die Lunge stumm. Im Gegensatz dazu führt ein erhöhter Ausatemwiderstand zu einem turbulenten Ausatemstrom, d. h. zu Giemen. Airtrapping ist gleichbedeutend mit intrinsischem oder Auto-PEEP. Erst wenn bei Inspiration der Öffnungsdruck die kollabierten kleinen Atemwege wieder eröffnet hat, ist Einatmen möglich.

Atmen strengt an

Die Atmung wird bei obstruktiven Ventilationsstörungen deshalb anstrengend, weil es folgende erhöhte Drucke zu generieren gilt: elastischer Druck durch erhöhte Atemlage, Überwindung eines erhöhten Atemwiderstands und Auto-PEEP. Bei Asthma durch Aeroallergie oder Histaminprovokation wird zusätzlich die Atemmuskulatur tonisiert.

Die Lungenparenchymschädigung erkennt man an der verminderten Diffusionskapazität. In diesem Fall beträgt sie nur noch ein Drittel der Norm. Lungenüberblähung und Gastransferstörung sind Merkmale einer COPD, das heißt vereinfacht, Obstruktion plus Diffusionsstörung bedeuten Lungenemphysem. In gezeigtem Beispiel liegen demnach eine Koinzidenz einer zigarettenbedingten COPD mit Emphysem und gleichzeitig ein Bronchialasthma vor, erhärtet durch den Nachweis einer Aeroallergie, mit erhöhtem IgE- und ECP-Wert.

Die Obstruktion zieht eine inhomogene Lungenbelüftung nach sich. Damit sind alveoläre Ventilation und Perfusion nicht gut aufeinander abgestimmt („Mismatch“), das heißt, statt eines Ventilations/Perfusionsverhältnisses von 5/4 finden sich Regionen mit verminderter Belüftung, was einen funktionellen Rechts-Links-Shunt mit Sauerstoffabfall bedeutet, neben Gebieten mit verminderter Perfusion, was zu einer vermehrten Totraumventilation, das heißt einem vermehrten Atemminutenvolumen bzw. ventilatorischen Aufwand führt. Sinkt bei obstruktiven Patienten noch krankheitsbedingt das Atemregulationsniveau von PaCO2 39 bis 40 auf z. B. 30 bis 32 mmHg, ist eine zusätzliche Atemanstrengung notwendig.

Zusammenfassung

In Zusammenfassung beschreiben FEV1 und FEV1/VC nur unvollständig die Abnormitäten bei obstruktiven Ventilationsstörungen. Nicht nur ein erhöhter Atemwiderstand, sondern auch eine vermehrte Lungencompliance verursachen eine FEV1/VC-Minderung, d.h. eine Obstruktion gemäß [FEV1/VC=1/(R*C)=1/Zeit].

Obstruktion ist gleichbedeutend mit einer verlängerten Entleerungszeit in Abhängigkeit von der „Zeitkonstante“ = Raw*Clu. Auch die abgeflachte Fluss-Volumenkurve bei Obstruktiven spiegelt R*C=Zeit. Selbst bei der Resistancemessung repräsentiert die Drehung der „Widerstandsschleife“ im Uhrzeigersinn eigentlich eine längere Entleerungszeit (wegen Fluss/Verschiebevolumen=1/Zeit).

Lungenüberblähung und Airtrapping entgehen der Spirometrie ebenso wie die erhöhte Totraumventilation oder veränderte Atemregulation. Die periphere Obstruktion führt zu gefangener Luft (trapped air), was man auskultatorisch als normale zentrale, aber abgeschwächte periphere Atemgeräusche fasst. Funktionell wird dabei die Vitalkapazität „von unten“ eingeschränkt, da die Ausatmung durch den vorzeitigen Bronchialkollaps behindert wird und ein Auto- oder intrinsischer PEEP auftritt.

Die verlängerte Exspirationszeit ist schuld an der Erhöhung des endexspiratorischen Lungenvolumens (EELV) bei körperlicher Belastung, da nicht genügend Zeit für eine Rückkehr zur Atemruhelage bleibt. Diese leistungs- und atemfrequenzabhängige Anhebung der Atemendlage bezeichnet man im Gegensatz zur Compliance und dem durch Closing Volume bedingten statischen Airtrapping als dynamisches Airtrapping (nicht ganz ideal ist der Ausdruck „dynamische Überblähung“).

Von Prim. Dr. Herwig Schinko, Ärzte Woche 44 /2010

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