SUPPLEMENT: Perspektiven der Pneumologie & Allergologie

Spirometrie: Vom Symptom zum Befund

Dtsch Arztebl 2020; 117(7): [26]; DOI: 10.3238/PersPneumo.2020.02.14.06

Krüll, Matthias

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Die Spirometrie ist zur Verlaufskontrolle obstruktiver Atemwegserkrankungen sowohl im hausärztlichen als auch im fachärztlichen Umfeld weit verbreitet. Es gilt dabei, nicht die Verlaufskurven, sondern vor allem die Symptomatik in den Vordergrund zu stellen.

Foto: picture alliance/BSIP
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Die Spirometrie ist eine einfache, kostengünstige, nichtinvasive und schnell umzusetzende Technik zur Messung verschiedener statischer und dynamischer Lungenvolumina und Atemflüsse. Tatsächlich ist sie die weltweit verbreitetste Methode zur Untersuchung der Lungenfunktion.

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Durch die Einführung neuer Referenzwerte 2012 (GLI-/Global-Lung-Initiative-Sollwerte), basierend auf qualitätskontrollierten Messungen von fast 75 000 gesunden Nichtrauchern im Alter von 3–95 Jahren, wird jetzt auch eine deutlich größere Bandbreite der Werte bei Kindern und älteren Menschen diverser Ethnien berücksichtigt.

Wenngleich bezüglich ihrer Wichtung in den letzten Jahren intensiv diskutiert, ist die Spirometrie immer noch das zentral diagnostische Werkzeug zur Diagnostik, Graduierung, Therapiesteuerung und Verlaufskontrolle obstruktiver Atemwegserkrankungen wie COPD und Asthma bronchiale. Allerdings bilden die nationalen und internationalen Leitlinien für COPD und Asthma eine Entwicklung ab, vor allem bei der auf Therapiesteuerung keine „Kurvenkosmetik“ von Lungenfunktionswerten zu betreiben, sondern Symptomatik (Lebensqualität) und Infekt- beziehungsweise Exazerbationsanfälligkeit in den Vordergrund der Entscheidungen zu stellen.

Methode und Limitierungen

Die heute auf Basis der Pneumotachografie eingesetzten Geräte erfassen und errechnen über den Atemfluss (Pneumotachygraf, Hitzedrahtanemometer) oder den Volumenstrom (Turbine) eine Reihe statischer und dynamischer (vom zeitlichen Ablauf abhängiger) Parameter. Um eine adäquate Validität und Reproduzierbarkeit der Daten zu gewährleisten, müssen alle Geräte mindestens einmal pro Tag kalibriert werden. Alle Messparameter werden zudem vereinbarungsgemäß auf BTPS-Bedingungen (Body Temperature Pressure Saturated) normiert: Die erhobenen Daten gelten somit für 37 °C und 100 % relative Feuchte beim gegebenen Luftdruck (1). Folgende Parameter werden hierbei regelhaft erhoben:

Statische(r) Parameter/Vitalkapazität: Unter Vitalkapazität (VC) versteht man das Volumen, das zwischen maximaler Exspiration und Inspiration mobilisiert werden kann. In Deutschland wird meist noch mit der inspiratorischen Vitalkapazität (IVC) gearbeitet. In den angloamerikanischen Ländern erfolgt die Messung der exspiratorischen oder forcierten Vitalkapazität (E/FVC) nach vorangegangener maximaler Inspiration. Bei gesunden Menschen besteht idealerweise keine signifikante Differenz zwischen den beiden Werten. Bei einem obstruktiven Atemwegssystem ist es jedoch durchaus möglich, dass die forcierte Exspiration zu einem Kollaps der Atemwege und damit zu einem Einschließen von Luft in den nachgeschalteten Arealen kommt („air trapping“). Damit sind in diesen Fällen die IVC-Werte meist deutlich größer als die E/FVC-Werte.

Eine Einschränkung der Vitalkapazität wird gemeinhin mit dem Vorliegen einer restriktiven Lungenerkrankungen gleichgesetzt, diese Schlussfolgerung gilt jedoch nur unter Vorbehalt (siehe unten).

Dynamische Parameter: Bei dem forcierten Exspirationsmanöver (Tiffeneau-Test) nach maximaler Inspiration werden der Spitzenfluss (Peak Flow, PEF), das forcierte exspiratorische Volumen in der ersten Sekunde (FEV1 = absolute Einsekundenkapazität), der Tiffeneau-Index (FEV1/FVC = relative Einsekundenkapazität) sowie die forcierten exspiratorischen Flüsse bei 25–75 % der exspirierten Vitalkapazität (FEF 25–75 %) erfasst. Diese Parameter korrelieren wiederum sehr gut mit dem Schweregrad einer obstruktiven Ventilationsstörung.

Akzeptanz und Reproduzierbarkeit: Die Ergebnisse der Spirometrie sind in einem hohen Maße von der Mitarbeit des Probanden, aber auch von der motivierenden Durchführung durch den Untersucher abhängig. Eine schlechte Mitarbeit beider Parteien ergibt meist falsch-negative Ergebnisse und führt somit regelmäßig zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Lungenfunktionsparameter. Vom europäischen (ERS) und amerikanischen Fachverband (ATS) wurden daher eine Reihe von Akzeptanz- und Reproduzierbarkeitskriterien formuliert, die es bei jeder Untersuchung zu erfüllen gilt (2).

Um die Reproduzierbarkeit zu verbessern, müssen mindestens 3 Versuche durchgeführt werden, bei denen die Werte der FEV1 und des FVC sich jeweils um nicht als mehr als 5 % unterscheiden. Falls sie sich unterscheiden, sollten weitere Versuche (maximal 8) angeschlossen werden. Abweichungen der Akzeptanz oder Reproduzierbarkeit müssen zudem vom Untersucher dokumentiert werden.

Normwerte: Viele der erfassten geschlechts-, alters- und gewichtsadaptierten relativen Lungenfunktionsparameter sind nur so gut, wie die im System des Spirometers hinterlegten Normwerte. Die bisher in Deutschland überwiegend eingesetzten Sollwerte waren die zuletzt 1993 von der Europäischen Gesellschaft für Kohle und Stahl veröffentlichten EGKS-Werte (3). Diese entsprachen aber epidemiologisch (hochausgewählte Populationen) und biostatisch (unzureichende Regressionsanalysen) de facto zu keinem Zeitpunkt den Anforderungen. Die errechneten Werte wurden generell als ziemlich hoch angesehen; vor allem aber beruhten die Sollwerte für Frauen auf keiner Messung, sondern wurden im Sinne einer „fachkundigen Schätzung“ aus den Daten von Männern abgeleitet.

Die 2012 publizierten GLI-Sollwerte haben gegenüber den alten EGKS-Werten von 1993 die Vorteile, dass die Populationen deutlich umfangreicher gewählt wurden (fast 75 000 gesunde nichtrauchende Probanden aller Ethnien), die Gleichungen zur Bestimmung der Sollmittelwerte genauer sind und ein fließender Übergang aller Lebensalter (3. bis 95. Lebensjahr) erfasst wurde (4). Weitere wesentliche Aspekte sind zudem, dass mit den neuen altersjustierten Sollwerten bis zu 10 % höhere Lungenfunktionswerte für FEV1 und FVC im mittleren und höheren Lebensalter angesetzt werden, wobei die absolute Streuung der Messwerte altersabhängig variiert. Bis dato wurden mit den alten Normwerten also gerade im höheren Alter krankhafte Werte diagnostiziert, die nach den neuen Berechnungen jetzt normal sind. Die nötigen Referenzgleichungen sind allerdings einigermaßen komplex und erfordern den Einsatz einer speziellen Software, die bisher noch nicht auf allen Geräten hinterlegt ist (1, 3). Eine kostenlose Alternative findet sich unter www.lungfunction.org.

Die neuen Sollwerte gelten jedoch nur für die exspiratorischen Parameter FVC, FEV1, FEV1/FVC, FEF 25–75 %, nicht jedoch für die inspiratorischen Parameter wie zum Beispiel die IVC, obwohl gerade diese bei Patienten mit obstruktiven Atemwegserkrankungen größer sein kann als die FVC. Die Werte gelten ebenfalls nicht für die weiteren im Rahmen der Bodyplethysmografie ermittelten Volumina (totale Lungenkapazität = TLC, Residualvolumen = RV, intrathorakales Gasvolumen = ITGV bzw. funktionelle Residualkapazität = FRC).

Stärken und Schwächen

Die große Stärke der Spirometrie liegt in der schnellen und einfachen Erfassung und Verlaufskontrolle (reversibel) obstruktiver Atemwegserkrankungen. Eine Verringerung der spirometrischen Volumina ([Pseudo-]Restriktion) hingegen muss nicht zwingend eine pulmonale Genese im Sinne eines Gewebeverlusts haben, sondern kann auch Ausdruck einer Reihe weiterer extrapulmonaler Erkrankungen und Veränderungen sein. Die größte Schwäche ist jedoch sicherlich die Tatsache, dass die ermittelten Daten in hohem Maße mitarbeitsabhängig sind und damit häufig genug das nötige Maß an Objektivierbarkeit fehlt.

Obstruktion: Die Definition einer obstruktiven Atemwegsstörung variiert in Abhängigkeit der zugrunde liegenden Normwerte nach EGKS1993 und GLI2012. Da in Deutschland aus vielerlei Gründen auch die „alten“ Normwerte noch weit verbreitet sind, werden der Form halber im Folgenden beide Definitionen gegenübergestellt:

Auf Basis der EGKS-Normwerte spricht man von einer obstruktiven Ventilationsstörung bei Vorliegen einer Verminderung des altersabhängigen Tiffeneau-Index (FEV1/IVC) auf Werte unterhalb des 5. Perzentils. In der Regel sind auch die absolute Einsekundenkapazität (FEV1) sowie die Spitzenflüsse (PEF) kleiner als die entsprechenden Normwerte. Der spirometrische Schweregrad der obstruktiven Ventilationsstörung ergibt sich dann aus der Einschränkung der FEV1, ausgedrückt in Prozent des Sollwerts (10). Der lange Zeit als starrer Schwellenwert kommunizierte Tiffeneau-Index von 0,7 basiert(e) vor allem auf Expertenmeinungen und wurde immer wieder kritisch diskutiert.

Eine neue gepoolte Kohortenstudie mit > 24 000 Erwachsenen bestätigte jetzt mit Hinblick auf Hospitalisierung und Mortalität von COPD-Patienten, dass sich – in einem Bereich eines fixen Schwellenwertes zwischen 0,75 und ≤ 0,65 als unterer Grenze – ein Wert von 0,71 als optimale fixierte Schwelle und als relevanter Prädiktor für eine Verschlechterung der Patienten erwies (9).

Berücksichtigt man die GLI-Werte, so spricht man von einer obstruktiven Ventilationsstörung bei einer Verminderung des Tiffeneau-Index (FEV1/FVC) auf Werte unterhalb des 5. Perzentils (entsprechend dem unteren Grenzwert, lower limit of normal LLN, Z-Score < −1,645). Da für die inspiratorischen Werte keine GLI-Normwerte existieren, wurde die IVC durch die FVC ersetzt (1).

Restriktion: Eine restriktive Ventilationsstörung zeichnet sich durch eine Behinderung der normalen Lungenausdehnung oder fehlendes Lungenparenchym aus. Der spirometrische Nachweis einer reduzierten Vitalkapazität allein ist hierfür jedoch nicht ausreichend, da dies allein durch eine Erhöhung des Residualvolumens bei Überblähung schon erniedrigt sein kann. Per definitionem spricht man daher nur von einer Restriktion, wenn die totale Lungenkapazität (TLC) auf Werte unterhalb des 5. Perzentils (LLN) erniedrigt ist. Die TLC kann jedoch nur mittels Bodyplethysmografie ermittelt werden (1, 6). Es gibt eine Vielzahl von Ursachen für eine Restriktion:

  • pulmonal: vermehrte Steifigkeit ≈ verminderte Compliance, diffuse Lungenparenchymerkrankungen, Pneumonie, Silikose, Mukoviszidose und anderes.
  • extrapulmonal: Lungenausdehnung vermindert wegen Atemmuskelschwäche oder Thoraxdeformität aufgrund von neuromuskulären Erkrankungen, Pneumothorax, Pleuraerguss, Kyphoskoliose, Zustand nach Pneumektomie und anderem.

Bei einer spirometrisch nachgewiesenen verminderten VC sollte daher neben einer Bodyplethysmografie immer auch eine (radiologische/sonografische) Bildgebung erfolgen.

Obstruktive Atemwegserkrankunge

In den letzten Jahrzehnten hat man die obstruktiven Atemwegserkrankungen, allen voran die COPD, im Wesentlichen am Ausmaß der lungenfunktionellen Einschränkungen bemessen. Vor allem die Stadieneinteilung, aber auch die Therapiesteuerung orientierte sich lange Zeit einzig am Schweregrad der Obstruktion (11). Auch bei der Stadieneinteilung des Asthma bronchiale in verschiedene Schweregrade spielten die Einschränkungen der Lungenfunktion eine zentrale Rolle (12). Dieses Denken hat sich in den letzten Jahren jedoch grundlegend geändert.

Man hat gelernt, dass der Schweregrad der Messwerteinschränkung sicher mit dem Grad der Obstruktion korreliert, aber nicht zwingend mit dem klinischen Bild (Symptomatik, Einschränkung der Lebensqualität) und dem notwendigen Maß an Therapie einhergeht. In der Therapiesteuerung der COPD spielt der spirometrisch erfasste Grad der Obstruktion aktuell nur noch eine untergeordnete Rolle (13).

Auch beim Asthma bronchiale orientiert sich die Krankheitskontrolle und damit die Intensität der nötigen Therapie vor allem an der Symptomatik und weniger an lungenfunktionellen Einschränkungen (14).

COPD

Bis 2010 erfolgte die Schweregradeinteilung der COPD ausschließlich auf Basis der spirometrisch zu ermittelnden Einschränkungen der postbronchodilatatorisch gemessenen FEV1 (GOLD 2010, http://www.goldcopd.org). Orientierend am Schweregrad erfolgte dann eine eskalierende medikamentöse Therapie (11).

Inzwischen hat sich allerdings gezeigt, dass die Spirometrie eher schlecht geeignet dafür ist, die COPD-Therapie zu steuern, weil die Lungenfunktion im Einzelfall nur schlecht mit Symptomen, Leitungseinschränkung, Exazerbationsanfälligkeit und dem tatsächlichen Gesundheitszustand korreliert.

2011 erfolgte dann ein Paradigmenwechsel in der Stadieneinteilung. Basis hierfür waren vor allem die Daten der ECLIPSE-Studie, die neben der spirometrisch gemessenen Obstruktion auch das Ausmaß der Symptomatik und die Exazerbationshäufigkeit in die Graduierung mit einfließen ließen (15).

Seit 2017 orientiert sich die Intensität der Therapie ausschließlich an den Symptomen und dem Exazerbationsrisiko. Die lungenfunktionelle Einschränkung wird noch erfasst, spielt aber bei der Auswahl der Therapie keine Rolle mehr. Hintergrund sind die Erkenntnisse, dass Progress der Erkrankung, Häufigkeit und Dauer von stationären Aufenthalten und Mortalität weniger durch lungenfunktionelle Einschränkungen als vielmehr durch die Häufigkeit von Exazerbationen bestimmt werden (16).

Asthma

Etwas anders stellt sich die Situation und Entwicklung der letzten Jahre beim Asthma bronchiale dar. Hier ist die Spirometrie mit Darstellung der vollständigen Fluss-Volumen-(FV-)Kurve unverändert die Basis der Funktionsdiagnostik. Diese kann problemlos sowohl im hausärztlichen als auch im fachärztlichen Umfeld durchgeführt werden. Erst bei Einschränkungen der Mitarbeit sollten eventuell zusätzliche Methoden durch den Facharzt herangezogen werden, die weniger mitarbeitsabhängig sind (z. B. Bodyplethysmografie). Bei nachgewiesener Atemwegsobstruktion wird zur Bestätigung der Diagnose Asthma bronchiale ein Reversibilitätstest mit einem kurzwirkenden Beta-2-Sympathomimetikum empfohlen.

Eine sicher positive Reaktion wird bei einem Anstieg der FEV1 um > 12 % des Ausgangswertes und einem Anstieg über 200 ml angenommen. Je höher die Reversibilität, desto wahrscheinlicher ist die Diagnose eines Asthmas, vor allem bei entsprechender Klinik (8). Sollte die Lungenfunktion im Rahmen der Erstuntersuchung nicht eingeschränkt sein, die Anamnese aber für ein Asthma sprechen, so kann die Diagnose durch den Nachweis einer unspezifischen bronchialen Hyperreagibilität (BHR) erhärtet werden (14).

Der Nachweis einer bronchialen Hyperreagibilität ist und bleibt immer noch das pathophysiologische Korrelat für das Asthma bronchiale, und dieser lässt sich eben ohne großen Aufwand spirometrisch sichern. Bis vor einigen Jahren flossen sowohl die vorhandene Symptomatik als auch die Einschränkung der FEV1 in die Graduierung des Asthmas ein und bestimmten somit Maß und Intensität der Therapie (12).

Mittlerweile wird die Klassifikation des Asthmas durch die Graduierung der Asthmakontrolle abgebildet. Zur Unterscheidung von kontrolliertem und unkontrolliertem Status wird die Lungenfunktion jedoch nicht mehr berücksichtigt. Somit kann selbst bei präbronchodilatatorisch gemessener normaler Spirometrie ein unkontrolliertes Asthma vorliegen, wenn der Patient häufig Anfälle hat.

Die Lungenfunktion (Vorliegen einer Atemwegsobstruktion) wird nur noch für die Erfassung des Risikos für eine zukünftige Verschlechterung des Asthmas empfohlen und spielt keine Rolle mehr für Steuerung der therapeutischen Schritte (14).

Fazit

  • Die Spirometrie ist ein einfaches, kostengünstiges Verfahren, das sowohl im hausärztlichen als auch fachärztlichen Umfeld eingesetzt werden kann.
  • Sie ist immer noch die alternativlose diagnostische Technik der Wahl zur Erfassung und Verlaufskontrolle vor allem obstruktiver Atemwegserkrankungen.
  • Sie hat große Stärken für die Diagnostik einer Vielzahl weiterer (obstruktiver und restriktiver) pulmonaler Erkrankungen, dann meist ergänzt durch weiterführende Untersuchungstechniken.
  • Offenbar spielt das tatsächliche Ausmaß der lungenfunktionellen Einschränkungen für die Prognose und Therapiesteuerung der großen obstruktiven Atemwegserkrankungen eine weiter zu evaluierende Rolle, denn sowohl in der Therapie der COPD als auch des Asthma rücken andere Aspekte in den Vordergrund.

DOI: 10.3238/PersPneumo.2020.02.14.06

Priv.-Doz. Dr. med. Matthias Krüll
Niedergelassener Facharzt für Innere Medizin, Pneumologie, Infektiologie, Taucharzt (GTÜM e.V.), Notarzt, Berlin

Interessenkonflikt: Der Autor erhielt Berater- und Vortragshonorare sowie Kongressgebührenerstattungen von den Firmen Astra Zeneca, Berlin-Chemie, ALK, Novartis, Chiesi, Sanofi und Mundipharma, außerdem Reisekostenerstattungen von Berlin-Chemie, Astra Zeneca, Novartis und ALK.

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit0720

Vom Symptom zum Befund

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