Die Impulsoszillometrie in der Schweregraddiagnostik obstruktiver Lungenerkrankungen[1] [2] [3]

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Zusammenfassung

Die Impulsoszillometrie (IOS) ist eine computergestützte Methode zur Messung komplexer mechanischer Eigenschaften der Atemwege. Ziel dieser Studie war die IOS in der Diagnose obstruktiver Atemwegserkrankungen im Hinblick auf die praktische Anwendbarkeit vergleichend zu den Standardverfahren Spirometrie, Pneumotachygrafie und Bodyplethysmografie zu evaluieren. Retrospektiv wurden 244 Patienten (Alter 61,5 ± 13,6 J; 61 % männlich) mit Asthma bronchiale (n = 65) und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (chronic obstructive pulmonary disease, COPD) (n = 179) untersucht. Mittels Bodyplethysmografie (SRtot > 120 %SW) wurde bei 94 % der Patienten eine Obstruktion diagnostiziert, mittels Pneumotachografie (FEV1 < 80 %SW) bei 78 % und mittels IOS je nach Parameter bei 87 – 94 %. Leicht- und mittelgradige Obstruktionen wurden durch alle IOS-Parameter außer R20 erfasst, schwere Obstruktionen jedoch besser durch die Frequenzabhängigkeit der Resistance FDR und die Reactance bei 5 Hz X5. Die Parameter R5, X5 und Zrs zeigten jedoch eine Tendenz zur Unterschätzung des Obstruktionsgrades. Eine bronchiale Obstruktion kann durch die IOS insgesamt sicher diagnostiziert werden, sofern bei schwerer Obstruktion komplexe IOS-Parameter wie FDR und X5 mit einbezogen werden. Die Parameter der Standardverfahren (Bodyplethysmografie und Pneumotachografie) zeigten aufgrund unterschiedlicher Messprinzipien insgesamt geringe statistische Korrelationen sowohl zur IOS, als auch im Vergleich untereinander. Zusammenfassend ist die IOS nach den Ergebnissen der Untersuchung eine patientenschonende und wenig kooperationsabhängige Methode zur Evaluierung obstruktiver Atemwegserkrankungen, welche bisherige Standardmethoden sinnvoll ergänzt und sich darüber hinaus als sensitives Screeninginstrument zur frühzeitigen Erkennung einer Bronchialobstruktion eignet.

Abstract

Impulse oscillometry (IOS) is a computer-supported method for the measurement of complex mechanical airway characteristics. The aim of this study was to evaluate the applicability of IOS in the diagnosis of obstructive airway diseases in comparison to the standard methods of spirometry, pneumotachymetry, and bodyplethysmography. 244 patients (age 61.5 ± 13.6 years; 61 % men) with bronchial asthma (n = 65) and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) (n = 179) were retrospectively analysed. By means of body plethysmography (Srtot < 120 %pred) an obstruction was diagnosed in 94 %, by pneumotachymetry (FEV1 < 80 %pred) in 78 %, and by IOS depending on the parameter chosen in 87 – 94 % of patients. Mild and medium obstructions could be identified by means of all IOS parameters except for R20: severe obstructions, however, were better detected by means of the frequency-dependant resistance FDR and reactance at 5 Hz, X5. The parameters R5, X5, and Zrs, however, showed a tendency to underestimate the degree of obstruction. Bronchial obstruction can reliably be diagnosed by IOS when, in cases of severe obstruction, more complex parameters like FDR and X5 are included. The parameters of the standard methods (body plethysmography and pneumotachymetry) show relatively low correlations due to the different measurement methods not only in comparison to IOS but also to one another. In summary, IOS is a convenient method for patients with a low dependency on cooperation for the evaluation of obstructive airway diseases complementary to the established standard methods and, in addition, is useful as a sensitive screening tool for the early detection of bronchial obstruction.

Einleitung

Zur Messung des Strömungswiderstandes, des Einsekundenvolumens (FEV1) und weiterer Parameter einer Atemwegsobstruktion stehen heute verschiedene Methoden zur Verfügung [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]. Eine modernen Ansprüchen genügende Lungenfunktionsdiagnostik sollte bei vertretbarem technischem und finanziellem Aufwand die wesentlichen Komponenten der Obstruktion bei geringer Kooperationsabhängigkeit und Patientenbelastung erfassen und im Idealfall ortsvariabel (z. B. am Arbeitsplatz) einsetzbar sein. Ziel dieser Arbeit ist die bei Erwachsenen mit verschiedenen Schweregraden einer Atemwegsobstruktion mittels IOS ermittelten Werte mit denen der Bodyplethysmografie und Spirometrie/Pneumotachografie zu vergleichen. Darüber hinaus sollte geprüft werden, welche IOS-Parameter für die Erfassung und Schweregradeinstufung bronchialer Obstruktionen bei Erwachsenen geeignet sind und welche Konsequenzen sich daraus für den praktischen Einsatz dieser Methode ableiten lassen.

Messverfahren und Problemstellung

Mittels Spirometrie bzw. Pneumotachografie lässt sich eine Obstruktion bei forcierter Atmung durch Messung des Einsekundenvolumens (FEV1), der relativen Einsekundenkapazität (Tiffeneau-Index, FEV1 %VCin) sowie exspiratorischer Flusswerte (MEF) quantifizieren. Das von der Patientenmitarbeit abhängige FEV1 zeigt bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) in der Regel eine geringe, beim Asthma bronchiale eine größere Variabilität [10] [11] [12] [13] [14]. Bei der COPD kommt es durch Elastizitätsverlust zur exspiratorischen bronchialen Kollapsneigung mit Flussbegrenzung bis hin zum „Emphysemknick” [15] [16]. Sehr leichte Obstruktionen, z. B. beim Asthma bronchiale, können teils durch forcierte Atemmanöver muskulär kompensiert und somit unterschätzt werden. Darüber hinaus ist eine Schädigung der peripheren Atemwege oft nur eingeschränkt erfassbar („quiet zone”), sodass die Frühdiagnose erschwert wird [16] [17] [18] [19] [20]. Die mit der Pneumotachografie zusätzlich erfassten mittleren exspiratorischen Flusswerte (MEF bei 50 und 25 % der Vitalkapazität) gelten als weniger mitarbeitsabhängig und liefern Hinweise auf eine periphere Atemwegsobstruktion („small airways disease”) [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26].

Die Ganzkörperplethysmografie (Bodyplethysmografie) gilt als Goldstandard und erlaubt bei Ruheatmung u. a. die Bestimmung des intrathorakalen Gasvolumens (ITGV), der funktionellen Residualkapazität (FRC), des Residualvolumens (RV), des Atemwegswiderstands (z. B. als Rtot) und der spezifischen Resistance (SRtot) [13] [21] [25] [27] [28] [29] [30] [31] [32]. Nachteile sind jedoch der apparative Aufwand, hohe Kosten und die fehlende Mobilität des Messsystems [27] [32] [33] [34].

Die Methodik der Impulsoszillometrie (IOS), bei welcher durch einen externen Generator erzeugte sinusförmige Schwingungen (Oszillationen) der Ruheatmung des Patienten überlagert werden, stellt eine Weiterentwicklung der klassischen Oszillometrie dar. Die Antwort des respiratorischen Systems wird durch Registrierung der am Mundstück entstehenden Wechselströmung sowie des Wechseldrucks analysiert. Vorteile sind der geringe apparative Aufwand und die weitgehende Unabhängigkeit der Messung von der Mitarbeit des Patienten [32] [35]. Periphere und zentrale Obstruktionen sind durch spezifische Parameter bei verschiedenen Messfrequenzen charakterisierbar [36]. Die IOS erlaubt ferner eine fortlaufende Widerstandsbestimmung ohne die aktive Mitarbeit des Patienten, was sich besonders nützlich auch bei jüngeren Kindern erweist [1] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50].

Ziel dieser Arbeit ist die Beurteilung von Sensitivität und Schweregradeinstufung bronchialer Obstruktionen bei Erwachsenen mittels IOS im Vergleich zu den Standardverfahren Bodyplethysmografie und Spirometrie/Pneumotachografie.

Patienten und Methoden

Die Lungenfunktionsdaten von 244 Patienten, die im Rahmen der Routinediagnostik in der Abteilung Pneumologie, Medizinische Klinik und Poliklinik I, Universitätsklinikum Leipzig, zwischen Oktober 1995 und April 2000 untersucht worden waren, wurden retrospektiv analysiert. Die Ein- und Ausschlusskriterien sind in [Tab. 1], wesentliche Patientencharakteristika in [Tab. 2] dargestellt.

Tab. 1 Ein- und Ausschlusskriterien.

Einschlusskriterien	Ausschlusskriterien
1. schriftlicher ärztlicher Untersuchungsauftrag 2. ausreichende Kooperation 3. stabile klinische Situation ohne Atemwegsinfekt 4. obstruktive Normabweichungen in der Basis-Lungenfunktionsdiagnostik 5. keine bronchospasmolytische Medikation in den letzten 6 h (kurzwirksame Beta-2-Mimetika), 12 h (langwirksame Beta-2- Mimetika)	1. Verletzung der Untersuchungsreihenfolge 2. Nichteinhaltung der Medikamentenpause vor der Untersuchung 3. Nichteinhaltung der Wartezeit nach Gabe der bronchospasmolytischen Medikation (15’ nach Beta-2-Mimetika, 30’ nach Anticholinergika) 4. Messartefakte trotz Wiederholungsmessungen

Tab. 2 Patientencharakteristika der Gesamtgruppe (n = 244).

Parameter MW ± s	Gesamtgruppe	Asthma bronchiale	COPD
n (%)	244	65 (27 %)	179 (73 %) ns
n (%) männlich	150 (61 %)	30 (46 %)	120 (67 %) ns
Alter (J)	61,5 ± 13,6	52 ± 13,3	64,9 ± 12,0*
Größe (cm)	169 ± 8,5	169 ± 8,3	169 ± 8,5 ns
Gewicht (kg)	75,9 ± 16,1	77,5 ± 14,2	75,4 ± 16,7 ns
ns = nicht signifikant, *p < 0,001.

Untersuchungsablauf und Bronchospasmolysetestung

Nach Aufklärung und Einwilligung des Patienten wurden durchgeführt:

1. IOS-Messung (Basiswerte)

2. Bodyplethysmografie mit integrierter Pneumotachografie/Spirometrie

3. Verabreichung von inhalativen Bronchospasmolytika

4. Wartezeit abhängig von der Substanz in Nähe des Untersuchungsraumes

5. IOS-Folgemessung

6. Bodyplethysmografie mit integrierter Pneumotachografie/Spirometrie nach Lyse

Die Messungen erfolgten mittels IOS (MasterScreen IOS, Cardinal Health, Jaeger GmbH, D-97204 Höchberg) und Ganzkörperplethysmografie/Pneumotachografie (Masterlab, volumenkonstantes System, Cardinal Health, Jaeger GmbH, D-97204 Höchberg) gemäß standardisierter Empfehlungen [51] [52] [53] [54] [55] [56]. Die abteilungsintern angewandte Definition der Obstruktionsschweregrade ist in [Tab. 3] dargestellt [21] [57]. Zur besseren Vergleichbarkeit mit den Resistancewerten der IOS-Methode erfolgte die Schweregradeinteilung anhand des Leitparameters SRtot (spezifische Resistance), welcher die COPD-typische Lungenüberblähung mit einbezieht [28] [58]. Auf eine Darstellung der Ergebnisse der Bronchospasmolysetestung (Untersuchungsschritte 3 – 6) wurde verzichtet.

Da die impulsozillometrischen Resistancewerte, wie oben ausgeführt, besonders bei peripherer Obstruktion eine deutliche Frequenzabhängigkeit mit höheren Werten insbesondere bei niedrigen Frequenzen zeigen, wurde zur Quantifizierung dieser Frequenzabhängigkeit der Parameter „Frequenzabhängigkeit der Resistance” (FDR) absolut und relativ nach folgender Vorschrift berechnet [59] [60] [61] [62]:

absolute Frequenzabhängigkeit: FDRa = R5 – R20

standardisierte (relative) Frequenzabhängigkeit: FDR = (R5 – R20)/R20

Statistische Datenanalyse

Die Ergebnisse sind als Mittelwerte (MW) ± Standardabweichung (s) wiedergegeben. Die statistische Kalkulation und Erstellung von Grafiken erfolgten mit Hilfe des Computerprogramms SPSS^® (Version 10.0, SPSS^®, D-Erkrath) und Excel^® Version 8 (Microsoft^®). Zur Prüfung individueller Differenzen abhängiger Stichproben wurde der parameterfreie Wilcoxon-Test und für Vergleiche zwischen unabhängigen Gruppen der Mann-Whitney-U-Test eingesetzt. Der Korrelationskoeffizient nach Pearson wurde als Maß für statistische Zusammenhänge verwendet und gegen 0 auf statistische Signifikanz geprüft. Befunde mit einem p-Wert ≤ 0.05 wurden als signifikant bezeichnet.

Ergebnisse

Das Durchschnittsalter von Patienten mit COPD war signifikant höher im Vergleich zu solchen mit Asthma bronchiale, die übrigen Parameter waren vergleichbar. Bei den COPD-Patienten war der Anteil männlicher Patienten erhöht im Vergleich zu einem ausgeglichenen Geschlechterverhältnis bei Asthma bronchiale ([Tab. 2]).

Quantifizierung der Obstruktion mittels Bodyplethysmografie/Pneumotachygrafie

Es zeigte sich im Gruppenmittel eine mittelgradige Erhöhung des Atemwegswiderstandes bei Ruheatmung ([Tab. 4]). Das erhöhte Residualvolumen spricht bei eingeschränkter Vitalkapazität und normaler Totalkapazität für eine leichtgradige relative Lungenüberblähung. FEV1 %SW und FEV1 %VCin waren erniedrigt. Gemäß den Kriterien der Schweregradeinteilung ([Tab. 3]) fand sich eine leicht- bis mittelgradige obstruktive Ventilationsstörung mit leichter relativer Lungenüberblähung. Über dem Sollgrenzwert von 120 % liegende Werte für die spezifische Resistance fanden sich bei 229 Patienten (94 %). Unter dem Sollgrenzwert für FEV1 %VCin von 70 % lagen 182 Patienten (75 %). Ein absolutes FEV1 von < 80 %SW hatten 190 Patienten (78 %). 173 Patienten (71 %) hatten pathologische Werte in beiden Leitparametern (SRtot und FEV1 %VCin), bei 65 Patienten (23 %) erfolgte die Einstufung als „obstruktiv” nur nach einem der beiden Parameter (SRtot n = 56, FEV1 %VCin n = 9). SRtot zeigte trotz größerer Streuung eine stärkere prozentuale Normabweichung gegenüber Rtot (p < 0,001). Zwischen den Leitparametern der Bodyplethysmografie (SRtot %SW) und der Pneumotachografie (FEV1) zeigte sich eine schwache statistische Korrelation (r = – 0,49, p < 0,01).

Tab. 3 Funktionsdiagnostische Grenzwerte zur Schweregradeinteilung von Obstruktion und Lungenüberblähung.

Schweregrad/Parameter	Obstruktion bei forcierter Atmung, sofern FEV1 % FVC < 70	Obstruktion bei Ruheatmung SRtot %SW	Lungenüberblähung RV %TLC
leichtgradig	FEV1 %SW ≥ 80	> 120 bis ≤ 200	> 45 bis ≤ 60
mittelgradig	FEV1 %SW < 80 ≥ 50	> 200 bis ≤ 400	> 60 bis ≤ 70
schwergradig	FEV1 %SW < 50	> 400	> 70

Tab. 4 Gemessene Standardparameter der Lungenfunktion (Bodyplethysmografie und Pneumotachografie) in der Gesamtgruppe (n = 244).

Parameter/statistischer Gruppenwert	Mittelwert	Standardabweichung	Variationskoeffizient in %	Minimum/Maximum
Rtot (kPa/l/s)	0,62	0,27	43	0,21/1,63
Rtot %SW	205	89,5	43	71/544
SRtot %SW	249	129,7	52	82/774
FEV1 (l)	1,76	0,69	39	0,53/4,43
FEV1 %SW	63	20,4	32	22/113
FEV1 %VCin	61	12,6	21	30/88
PEF %SW	58	21,4	37	11/113
MEF50 %SW	31	19,1	62	7/102
MEF25 %SW	26	16,4	63	2/95
TLC %SW	102	14,2	14	70/143
RV %TLC	53	10,4	20	23/76
VCin %SW	79	16,5	21	35/128

Quantifizierung der Obstruktion mittels IOS

Die Resistancewerte waren besonders bei 5 Hz (202 %SW) gegenüber den Sollwerten deutlich erhöht, bei 20 Hz jedoch nur grenzwertig (140 %SW) ([Tab. 5]). Die Reactance X lag bei 5 Hz deutlich im pathologischen Negativbereich. Die Impedanz (Zrs %SW) zeigte eine Normwertüberschreitung von 223 %, die über der von R5 und R20 lag (p < 0,001).

Im Vergleich zwischen Widerstandsparametern der Bodyplethysmografie und der IOS war die größte Normwertabweichung für SRtot feststellbar (p < 0,05 vs. Z, übrige p < 0,001). Die Sollwertabweichung von R5 war der von Rtot vergleichbar.

Die über den Frequenzbereich 5 bis 20 Hz erfassbare Abhängigkeit der Resistance, definiert als FDR-Maßzahl, lag mit 0,68 deutlich über dem erwarteten Wert. Die Resonanzfrequenz, bei der die Reactance X den Wert 0 erreicht, war im Mittel um 10 – 16 Hz höher als in Referenzkollektiven beschrieben [63] [64] [65] [66] [67] [68]. Die Sollwerte um mehr als 30 % überschreitende Beträge fanden sich für Zrs bei 87 %, für R5 bei 83 % und für R20 bei 52 % der Patienten ([Abb. 1]).

Abb. 1 Vergleich verschiedener Lungenfunktionsparameter anhand des Anteils von Patienten mit Überschreitung der Sollgrenzwerte.

Die Reactance lag bei 87 % der Messungen unterhalb des Sollgrenzwertes von – 0,12 kPa/l/s. Die Resonanzfrequenz lag bei 230 Patienten (94 %) oberhalb des in der Literatur angegebenen mittleren Sollwertes von 12 Hz. Der in der Literatur angegebene Sollgrenzwert (MW + 2 s) der absoluten Frequenzabhängigkeit (FDRa) von 0,12 [62] wurde bei 232 Patienten (95 %) überschritten. Die standardisierte (relative) Frequenzabhängigkeit der Resistance FDR lag bei 94 % der Patienten oberhalb des berechneten Grenzwertes von 0,2 standardisierten Einheiten ([Abb. 2]).

Abb. 2 Vergleich verschiedener Lungenfunktionsparameter anhand der prozentualen Abweichungen vom Sollmittelwert, Gegenüberstellung von Pneumotachografie, Bodyplethysmografie und Impulsoszillometrie.

Die Korrelation zwischen den Parametern der Standardmethodik und der IOS ist relativ schwach ([Tab. 6] und [Abb. 3]). Die IOS-Parameter korrelieren deutlicher zu Widerstandsparametern der Bodyplethysmografie (SRtot, Rtot) als zu den Flussparametern der Pneumotachografie. Für die komplexeren IOS-Parameter X5, Fres und Zrs ist eine Korrelation zu den forcierten Flusswerten (FEV1, PEF, MEF) und zur Lungenüberblähung (RV %TLC) feststellbar. Für R20 liegen keine wesentlichen Korrelationen zu Parametern der Standardlungenfunktion vor, während R5 zur Resistance Rtot korreliert. Trotz der fehlenden Korrelation der Absolutwerte von R20 und der nur geringen von R5 zu den forcierten Flusswerten und dem Residualvolumen korreliert die Frequenzabhängigkeit von R5 und R20 (FDR) mit allen Vergleichsparametern der Standardlungenfunktion und ist damit den komplexeren IOS-Parametern X5, Fres, Zrs vergleichbar. Von den Parametern der statischen Lungenvolumina bzw. der Lungenüberblähung wurde nur RV %TLC dargestellt, da sich für die übrigen statischen Volumina noch schwächere statistische Zusammenhänge ergaben (z. B. VCin zu Fres, r = – 0,22, p < 0,01).

Abb. 3 Korrelationen zwischen ausgewählten Parametern der Standardmethodik und der Impulsoszillometrie.

Schweregradeinstufung der Obstruktion

Aufgrund der mittels Standardmethodik ermittelten Daten wurde das heterogene Patientenspektrum in Untergruppen nach der Schwere der Obstruktion eingeteilt. Einteilungskriterium für die Schweregradabstufungen (ohne Obstruktion = Gruppe 0, leichte Obstruktion = Gruppe 1, mittelgradige Obstruktion = Gruppe 2, schwergradige Obstruktion = Gruppe 3) war die in der Bodyplethysmografie gemessene spezifische Resistance ([Tab. 3]). Dabei unterscheiden sich Gruppe 1 vs. 2 (p < 0,001) sowohl in allen Standardparametern ([Tab. 7]) als auch, mit Ausnahme von R20, in den Parametern der IOS ([Tab. 8]). Anhand der TLC %SW, lassen sich beide Gruppen, im Gegensatz zu RV %TLC und VCin %SW, nicht signifikant voneinander trennen, was auch bei schwerer Obstruktion (Gruppe 3) auf eine relative Lungenüberblähung schließen lässt. Mit Ausnahme der peripheren bzw. totalen Atemwiderstände R5 und R20 unterscheiden sich die Gruppen 1, 2 und 3 in den übrigen Parametern der IOS deutlich.

Die bezüglich der Frühdiagnostik der Obstruktion besonders relevanten Gruppen 0 und 1, welche sich in der bodyplethysmografischen Resistance signifikant unterscheiden, zeigen interessanterweise keine Differenzen in den pneumotachografischen Parametern (muskuläre Kompensation geringer Veränderungen beim forcierten Messmanöver?). Mittels IOS sind Unterschiede der Gruppen 0 vs. 1 (trotz des geringen Stichprobenumfanges der Gruppe 0 und deutlicher Streuungen einzelner Parameter wie X5) durch die Parameter X5 und Fres bereits erfassbar.

R5 und Zrs zeigen deutliche Überlappungsbereiche zwischen den Gruppen 0 und 1. Obwohl sich die Werte der Widerstandsparameter R5 und R20 der Gruppen 0 vs. 1 statistisch nicht unterscheiden, ist FDR (abgeleitet aus R5 und R20) in der Gruppe 0 signifikant geringer. Bei 9 Patienten der Gruppe 0 ohne bodyplethysmografisch nachweisbare Obstruktion (SRtot %SW = 105 ± 10,9) ist mittels Pneumotachografie eine leichte Obstruktion (FEV1 %VCin = 62 ± 4,9, FEV1 %SW = 69 ± 10,0) bei exspiratorischer Flussminderung (PEF %SW = 70 ± 15,5, MEF50 %SW = 30 ± 8,6, MEF25 %SW = 24 ± 8,1) nachweisbar. Bei 6 Patienten der Gruppe 0 lässt sich weder bodyplethysmografisch (SRtot %SW = 99 ± 8,4) noch mittels Pneumotachografie (FEV1 %VCin = 76 ± 4, FEV1 %SW = 84 ± 8,9) eine Obstruktion erfassen. In der Flussvolumenkurve ist jedoch bereits eine exspiratorische Flussminderung feststellbar (PEF %SW = 75 ± 20,5, MEF50 %SW = 58 ± 11,2, MEF25 %SW = 51 ± 9,5). Für beide Populationen der Gruppe 0 zeigen sich impulsoszillometrisch bereits Sollwertüberschreitungen für verschiedene Parameter. Sowohl für die Patienten mit pathologischem (n = 9) als auch mit normalem Tiffeneau-Index (n = 6) fallen abweichende Mittelwerte besonders für R5 (156 ± 43,6 %SW vs. 157 ± 43,4 %SW), für Zrs (162 ± 48,8 %SW vs. 167 ± 48,1 %SW) und Fres (16 ± 5,8 Hz vs. 18 ± 4,1 Hz) sowie grenzwertige Befunde für X5 (– 0,15 ± 0,09 kPa/l/s vs. – 0,18 ± 0,07 kPa/l/s) auf (Sollwerte der Gesamtgruppe s. [Tab. 5]). Die Werte von R20 sind nicht in der Lage, die einzelnen Gruppen voneinander zu trennen. Die aus R5 und R20 abgeleitete Frequenzabhängigkeit der Resistance (FDR), die bezüglich ihres Betrages den Resistancewerten nicht direkt vergleichbar ist, nimmt mit dem Obstruktionsgrad kontinuierlich zu und zeigt signifikante Unterschiede zwischen allen Gruppen. Die Absolutwerte für R5 und Zrs liegen für die Gruppen 0, 1 und 2 über denen von Rtot (überschätzte Obstruktion?). Erst bei schweren Obstruktionen liegen die durch IOS gemessenen Werte unter denen für Rtot. Diese für die Oszillationsmethodik typische „Unterschätzung” schwerer Obstruktionen ist bei Zrs gegenüber R5 geringer ausgeprägt, sodass Zrs vergleichbar zu den anderen komplexeren IOS-Parametern FDR, X5 und Fres signifikante Unterschiede zwischen mittelschwerer und schwerer Obstruktion abbildet. Insgesamt zeigt der grafische Vergleich ([Abb. 4]), dass die IOS-Absolutwerte verschiedene Schweregrade der Obstruktion adäquat abbilden können, wobei typische Unterschiede zur bodyplethysmografischen Resistance besonders in den Gruppen 0 (Überschätzung) und 3 (Unterschätzung) bestehen und die komplexeren IOS-Parameter Zrs, FDRa und X5 sowie Fres gegenüber R5 Vorteile aufweisen. Die IOS-Parameter wie Zrs und X5 streuen insbesondere in Gruppe 3 stärker als die bodyplethysmografische Resistance.

Abb. 4 Vergleich ausgewählter Atemwegswiderstandsparameter (Absolutwerte) bezüglich der Unterscheidung verschiedener Schweregrade der Obstruktion; Gegenüberstellung von Bodyplethysmografie und Impulsoszillometrie.

Tab. 5 IOS-Parameter in der Gesamtgruppe (n = 244, Überschreitungen der Sollwerte fettgedruckt).

Parameter/statistischer Gruppenwert	Sollwerte (± s bzw. ≤ Grenzwerte)	Mittelwert	Standardabweichung	Variationskoeffizient in %	Minimum/Maximum
R5 (kPa/l/s)	0,34 ± 0,05*	0,67	0,25	37	0,27/1,60
R5 % SW	≤ 130 – 150**	202	74,5	37	81/454
R20 (kPa/l/s)	0,29 ± 0,04*	0,40	0,13	32	0,14/1,05
R20 % SW	≤ 130 – 150**	140	45,1	32	59/393
FDRa	0,06 ± 0,03*	0,27	0,17	63	– 0,06/0,97
FDR	0,16 ± 0,02*	0,68	0,37	54	– 0,11/2,47
X5 (kPa/l/s)	– 0,04 ± 0,04*	– 0,31	0,21	68	– 1,41/0,54
Fres (Hz)	12,4 ± 5,2*	23,8	6,64	28	7,5/39,7
Zrs (kPa/l/s)	0,34 ± 0,05*	0,75	0,30	40	0,27/2,13
Zrs % SW	≤ 130 – 150**	223	87,9	40	86/498
*berechnet für die Gesamtgruppe aus den individuellen Sollwerten der Einzelpatienten. **berechnet als Grenzbereich (MW±2 s), innerhalb dessen 95 % der Normpopulation liegen sowie abgeleitet aus Literaturangaben [36].

Tab. 6 Korrelationskoeffizienten nach Pearson zwischen Parametern der Standardmethodik und IOS (n = 244).

Parameter/Korrelationen zu	FEV1(l)	PEF % SW	MEF50 % SW	Rtot % SW	SRtot % SW	RV % TLC
R5 (kPa/l/s)	– 0,28**	– 0,27**	– 0,17**	0,48**	0,37**	0,22*
R20 (kPa/l/s)	0,09	– 0,10	0,04	0,20	0,07	– 0,01
FDR	– 0,36**	– 0,34**	– 0,36**	0,52**	0,54**	0,42**
X5 (kPa/l/s)	0,38**	0,32**	0,27**	– 0,59**	– 0,52**	– 0,37**
Fres (Hz)	– 0,41*	– 0,34**	– 0,34**	0,53**	0,51**	0,44**
Zrs (kPa/l/s)	– 0,33**	– 0,32**	– 0,23**	0,57**	0,48**	0,29**
* p < 0,05, ** p < 0,01 (zweiseitig).

Tab. 7 Standardparameter der Lungenfunktion bei verschiedenen Obstruktionsschweregraden bei Ruheatmung, gemessen an SRtot in % des Sollwertes.

Parameter MW/s	Gruppe 0 ohne n = 15	0 vs. 1	Gruppe 1 leicht n = 97	1 vs. 2	Gruppe 2 mittel n = 105	2 vs. 3	Gruppe 3 schwer n = 27
Alter (J)	62/13,8	–	59/14,4	*	64/13,0	–	62/12,2
% männlich	80		58		62		63
Größe (cm)	169/7,9	–	169/7,7	–	169/8,8	–	171/9,9
Gewicht (kg)	73,6/9,4	–	75,7/15,5	–	75,7/16,1	–	79,4/20,7
Rtot (kPa/l/s)	0,31/0,06	***	0,45/0,10	***	0,69 /0,20	***	1,10/0,22
Rtot % SW	102/20,7	***	149/32,9	***	231/66,0	***	368/73,2
SRtot % SW	103/10,0	***	158/22,9	***	281/60,3	***	536/89,1
FEV1 (l)	2,21/0,68	–	2,06/0,68	***	1,56/0,54	***	1,17/0,56
FEV1 % SW	75/11,8	–	72/17,3	***	58/18,9	***	40/15,7
FEV1 % VCin	68/8,5	–	66/9,6	***	58/12,3	***	47/11,5
PEF % SW	72/17,1	–	66/19,9	***	53/19,3	**	39/17,2
MEF50 % SW	41/17,1	–	40/19,5	***	26/14,7	***	16/16,1
MEF25 % SW	35/15,8	–	32/18,0	***	22/12,2	***	13/11,3
TLC % SW	94/11,5	–	97/11,8	***	105/14,4	–	111/15,4
VCin % SW	86/12,0	–	84/15,7	***	77/15,8	**	65/14,2
RV % TLC	45/7,2	–	47/8,8	***	56/8,3	***	64/7,8
– = nicht signifikant; * p < 0,05; ** p < 0,01; *** p < 0,001.

Tab. 8 IOS-Parameter bei verschiedenen Obstruktionsschweregraden.

Parameter MW/s	Gruppe 0 ohne n = 15	0/1	Gruppe 1 leicht n = 97	1/2	Gruppe 2 mittel n = 105	2/3	Gruppe 3 schwer n = 27
R5 (kPa/l/s)	0,50/0,13	–	0,59/0,20	***	0,74/0,25	–	0,84/0,30
R5 % SW	157/41,9	–	176/65,5	***	219/72,7	–	250/81,4
R20 (kPa/l/s)	0,36/0,08	–	0,39/0,13	–	0,42/0,13	–	0,41/0,15
R20 % SW	130/25,8	–	136/47,2	–	144/43,1	–	141/52,9
FDRa	0,14/0,08	*	0,20/0,12	***	0,32/0,17	**	0,43/0,20
FDR	0,38/0,20	*	0,51/0,26	***	0,78/0,34	***	1,09/0,42
X5 (kPa/l/s)	– 0,16/0,08	*	– 0,22/0,12	***	– 0,35/0,16	***	– 0,55/0,37
Fres (Hz)	16,9/5,1	*	20,6/5,0	***	26,1/5,9	**	29,9/6,2
Zrs (kPa/l/s)	0,52/0,14	–	0,63/0,22	***	0,83/0,27	**	1,04/0,39
Zrs % SW	164/45,1	–	188/70,5	***	243/81,3	**	307/104,2
– = nicht signifikant; * p < 0,05; ** p < 0,01; *** p < 0,001, Überschreitungen der Sollwerte fettgedruckt.

Diskussion

Die in dieser Studie im Vergleich zu den Widerstands-Messverfahren geringeren quantitativen Sollwertabweichungen der Flussparameter dürften wesentlich durch das Messprinzip und die Mitarbeitsabhängigkeit mitbedingt sein. Die endexspiratorischen Flusswerte zeigen hierbei die deutlichsten Sollwertabweichungen, was auf die Bedeutung der kleinen Atemwege bei obstruktiven Erkrankungen hinweist. Das relative FEV1 mit Bezug auf die Vitalkapazität weist geringere Streuungen gegenüber dem absoluten FEV1-Wert auf, hat aber den Nachteil einer geringeren Sensitivität bei vorliegender Lungenüberblähung mit reduzierter Vitalkapazität als Bezugsgröße. In der Gruppe mit leicht- bis mittelschwerer Obstruktion werden aufgrund des relativen FEV1 jedoch nur acht von 190 Patienten weniger als obstruktiv eingestuft als aufgrund der absoluten Einsekundenkapazität. Die Parameter FEV1 und Rtot bzw. SRtot gelten als Standard für die Erfassung bronchialer Obstruktionen [57] [69] [70] [71] [72] und trotz der geringeren Sensitivität wird die hohe Spezifität der Spirometrieparameter als Vorteil gesehen, was sich international auch in der Betonung des FEV1 als Leitparameter in den GOLD-Richtlinien [57] [70] und des FEV1/PEF in den GINA-Leitlinien ausdrückt [11] [69] [73] [74]. Der erhebliche Anteil von Patienten dieser Untersuchung, bei denen die Obstruktion nur bodyplethysmografisch erkannt wird, spricht gegen die alleinige Anwendung der FEV1-Messung, jedoch für die Sensitivität der Resistancemessung A [25] [75] und damit den Einsatz von Widerstandsmessverfahren unter Ruheatmung. Unterschiede zwischen den Erkrankungsgruppen COPD und Asthma waren aufgrund des methodischen Untersuchungsansatzes und der Stichprobenchrakteristika nicht Gegenstand der vorliegenden Untersuchung.

Bei der Widerstandsmessung liegt für die Gesamtgruppe dieser Studie R5 in Übereinstimmung mit einer kürzlich veröffentlichten Arbeit gering über Rtot [76]. Dabei wurde der mittlere Raw ebenfalls kleiner gemessen als die oszillometrischen Resistancewerte bei niedrigen Frequenzen als Hinweis darauf, dass die IOS-Resistancewerte in diesen Bereichen gering überschätzt werden. Der Unterschied zwischen R5 (IOS) und Raw (Bodyplethysmografie) war für die Gesamtgruppe jedoch nur gering (im Mittel 0,1 kPa/l/s), wobei die Abhängigkeit vom Obstruktion-Schweregrad zu beachten ist. Insgesamt liegen die Normabweichungen von Zrs und R5 zwischen denen von SRtot und Rtot, was eine vergleichbare Messempfindlichkeit dieser Parameter für die Gesamtgruppe nahelegt. Besonders häufige und deutliche Normwertüberschreitungen zeigen in unserer Untersuchungsgruppe die bodyplethysmografischen Werte der totalen Resistance mit statistischer Überlegenheit der spezifischen Resistance gegenüber Rtot. Dieser Unterschied lässt sich durch die Berücksichtigung der Lungenüberblähung im Parameter SRtot erklären, da mit höherer Atemmittellage eine mechanische Vordehnung der kleinen Atemwege erfolgt und somit mittels Rtot scheinbar niedrigere Widerstandswerte gemessen werden [28]. Bei der Bewertung von IOS-Obstruktionsparametern in der Schweregradeinstufung werden spirometrische Parameter und bodyplethysmografische Resistancewerte als Referenzverfahren eingesetzt [41] [53] [61] [62] [65] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83]. Unterschiede der bestimmten Messparameter sind bekannt, wobei gering höhere Normwertgrenzen für den oszillometrisch gegenüber dem bodyplethysmografisch gemessenen Atemwegswiderstand angegeben werden [51] [61] [84] [85] [86] [87].

Von den in dieser Untersuchung mittels IOS anhand von FDR, X5 und Fres als leicht obstruktiv eingestuften Patienten der Gruppe 0 wiesen jedoch neun einen pathologischen Tiffeneau-Index auf, während die verbleibenden sechs Patienten bei normalem Index eine deutliche exspiratorische Flussminderung im Sinne einer „small airways disease” aufwiesen. Somit finden früh obstruktive IOS-Befunde (trotz normaler SRtot) in der Pneumotachografie ein pathologisches Korrelat, was eher für eine hohe Sensitivität als für eine rein methodische Überschätzung spricht. Eine Erhöhung von Rtot resultiert nach bisherigen Erkenntnissen wesentlich aus der Einengung der zentralen Atemwege [31]. Die IOS vermag hingegen, bedingt durch das wenig flussabhängige Messprinzip, Obstruktionen der peripheren Atemwege sensitiver zu erfassen [59] [65]. Dies birgt jedoch die Gefahr „falsch positiver” Werte, denen „normale” bodyplethysmografische Resistancewerte im Sinne einer geringeren Spezifität („Überschätzung leichter Obstruktionen”) gegenüberstehen. Allerdings wäre eine verallgemeinernde Wertung hier nur anhand einer größeren Gruppe 0 unter Einbeziehung von Bronchoprovokation und ggf. exhalativer NO-Messung möglich. Nach dieser Studie sind für eine statistische Differenzierung der Gruppen 0 und 1 die Parameter Reactance (X5), Resonanzfrequenz (Fres) und Frequenzabhängigkeit der Resistance (FDR) besonders geeignet. Die höhere Empfindlichkeit von R5 gegenüber R20 in dieser Studie zeigt die größere Aussagefähigkeit niedrigfrequenter Oszillationsmessungen, die auf der besseren Erfassung der peripheren Atemwege beruhen dürfte.

Beim mittleren Obstruktionsschweregrad stimmen die Absolutwerte von R5 und Impedanz noch gut mit der bodyplethysmografischen Resistance überein, wobei Zrs höhere Werte als R5 ergibt. Bei schwergradigen Obstruktionen zeigt sich eine Unterschätzung des durch die spezifische Resistance (SRtot) beschriebenen Obstruktionsgrades sowohl durch die bodyplethysmografische Resistance (Rtot) als auch durch den IOS-Parameter R5 sehr deutlich, während die Pneumotachografie ausgeprägte Flusseinschränkungen erfasst. Mehrfach fanden sich IOS-Resistancewerte sowohl bei höheren Messfrequenzen als auch mit zunehmender Obstruktion deutlich unter bodyplethysmografischen Werten mit dadurch bedingter Unterschätzung schwerer Obstruktionen [61] [66] [76] [85] [88]. Die diagnostische Information einer Atemwegsobstruktion geht mit steigendem Grad zunehmend auf die Reactance X mit einer höheren Sensitivität bei niedrigen Messfrequenzen über [89]. Mit dem Kombinationsparameter Impedanz Zrs, der die Komponenten R und X einbezieht, ist jedoch eine bessere Einschätzung schwerer Obstruktionen zu erwarten [61] [66]. Folgerichtig weicht in unserer Untersuchung die Impedanz Zrs bei schwerer Obstruktion wesentlich geringer von Rtot ab als R5. Zusätzlich zeigt die Frequenzabhängigkeit FDR trotz größerer Streuungen eine bessere Erfassung schwerer Obstruktionen gegenüber R5. In der Subgruppenanalyse zeigt die von der Reactance abhängige Fres, die als empfindlicher für die Charakterisierung einer Obstruktion im Vergleich zur Resistance beschrieben wird [63] [65], wie auch X5 im Gegensatz zu R5 signifikante Unterschiede zwischen allen Schweregraden einschließlich Gruppe 3 mit schwerer Obstruktion. Diese Studie zeigt, dass die hochfrequente oszillometrische Resistance (R20) als Einzelparameter nicht wesentlich zur Schweregradabschätzung der Obstruktion beiträgt, wohl jedoch zur Berechnung der Frequenzabhängigkeit der Resistance. Eine ausreichende Empfindlichkeit für den Obstruktionsnachweis mittels IOS wird dahingegen besonders für niedrige Messfrequenzen gesehen [61] [65] [66] [87] [90] [91] [92].

Da neben den beiden Impedanzkomponenten R und X diagnostische Informationen über Art und Ausmaß einer Atemwegsobstruktion im gesamten, von der IOS-Methode erfassten Frequenzverlauf vorhanden sind, werden Vorteile von formspezifischen Kennwerten erwartet, welche die Frequenzabhängigkeit von R(f) und X(f) quantitativ charakterisieren. Analog zur klassischen Oszillometrie und in Anlehnung an die Literatur [60] [68] wurde deshalb in der vorliegenden Studie die mit stärkerer Obstruktion zunehmende Frequenzabhängigkeit von R durch den Parameter FDR, welcher bisher kein IOS-Routineparameter ist, quantifiziert. Dieser stellt ein relatives Maß durch die Normierung auf R20 dar, es werden in der Literatur auch absolute Differenzen R5 – R20 bzw. R5 – R15 angegeben [53] [61]. Ein hoher FDR-Wert charakterisiert somit eine größere Steilheit der frequenzabhängigen Resistancekurve, bedingt durch höhere R5 und/oder niedrigere R20-Werte. Diese Frequenzabhängigkeit der Resistance wird als ein guter Marker für den Obstruktionsgrad und als sensitiver Indikator einer frühen Atemwegsobstruktion gesehen [37] [66] [83] [93] [94] [95]. Beim Vergleich gesunder und symptomarmer asthmakranker Kinder erwies sich die FDR als die am besten trennende Messgröße [60]. In der vorliegenden Studie weist neben X5 und Fres nur die FDR signifikante Unterschiede zwischen allen Obstruktions-Schweregraden auf und liegt, bezogen auf die Sollwertabweichung, trotz höherer Streuungen in den Gruppen 0 und 3 der Rtot am nächsten. Die Abgrenzung mittelgradiger gegenüber leichtgradiger Obstruktionen war mit allen untersuchten Parametern außer R20 gut möglich. Für die Aussagekraft der komplexeren IOS-Parameter spricht auch deren gegenüber R5 deutlichere Korrelation zu Rtot und auch zu FEV1 in dieser Studie.

Rtot und R5 (IOS) korrelieren in Übereinstimmung mit einer anderen Studie vergleichsweise schwach [76]. Vereinzelt wurden auch höhere Korrelationen, z. B. zwischen Ros bei 6 Hz (FOT) und Raw beschrieben [63]. Die vorliegende Studie zeigt trotz insgesamt niedriger Korrelationskoeffizienten eine Korrelation zur Pneumotachografie für X5, Fres und FDR, wobei die Korrelation von Fres zu FEV1 gut mit den Ergebnissen bei älteren Patienten übereinstimmt [96], die in einer anderen Studie für Fres beschriebenen Korrelationskoeffizienten jedoch unterschreitet [97]. Bei Kindern mit Asthma war die Korrelation von X5 geringer als die von R5 [98].

Die relativ geringen Korrelationen zwischen oszillometrischer und bodyplethysmografischer Resistance bei COPD werden durch messmethodische Unterschiede erklärt [66] [85] [87]. Insgesamt sind jedoch Korrelationen der IOS zur Bodyplethysmografie deutlicher als zur Pneumotachografie/Spirometrie. In einer Studie mit einer gemischten obstruktiv-restriktiven Patientengruppe finden sich die höchsten Korrelationen von Rtot zu Fres, Zrs, X5 und zu R5, wobei der mittlere Rtot der Gesamtgruppe mit 0,47 kPa/l/s niedriger als in der vorliegenden Studie war [62]. Für die Widerstandswerte bei höheren Frequenzen fanden sich ebenfalls geringere bzw. keine signifikanten Korrelationen zum bodyplethysmografischen Widerstand. Korrelationen zu den exspiratorischen Flusswerten (MEF) wurden nur für R5 und für Zrs berichtet [62]. Zwischen FEV1 und Parametern der multifrequenten Oszillometrie wie R8, X8 und Fres wurden Korrelationskoeffizienten < 0,3 beschrieben [96] [99]. Bei einer Untersuchung an 216 Asthmapatienten lagen die Korrelationen von R5 und Zrs zum FEV1 bei – 0,49 [97], bei jugendlichen Asthmatikern fanden sich enge Korrelationen zwischen FEV1 und R5, X5 sowie R5 – R15 [53].

Betrachtet man bei der Charakterisierung der Obstruktion in der Gesamtgruppe die Empfindlichkeit der Standardparameter, gemessen an der Häufigkeit normabweichender Befunde, so schneidet SRtot am besten ab, gefolgt von Rtot, was die Bedeutung der im deutschsprachigen Raum gut etablierten und international wieder aufgewerteten Bodyplethysmografie belegt. Unter den IOS-Parametern erwiesen sich FDR, Fres und Zrs als besonders sensitiv. Deren Normwertüberschreitungen lagen signifikant über denen der Widerstände R5 und R20. Während R5 und Zrs Variationskoeffizienten vergleichbar der Standardmethodik aufweisen, ist die Streubreite der Reactance X5 und der Frequenzabhängigkeit FDR (vergleichbar zu den exspiratorischen Flusswerten MEF25 bzw. MEF50) recht hoch, was deren Aussagekraft einschränkt. Dennoch wird die Frequenzabhängigkeit der Resistancewerte (FDR) mit zunehmender Obstruktion als brauchbarer Parameter hervorgehoben und durch die vorliegende Studie bestätigt [61] [62]. Für eine Messung schwergradiger Obstruktionen mittels IOS sind nach diesen Daten Reactance (X5), Resonanzfrequenz (Fres), Impedanz (Zrs) und Frequenzabhängigkeit der Resistance (FDR) geeigneter als R5, um Nachteile der klassischen Oszillometrie zu vermeiden.

Zusammenfassend vermögen die Pneumotachografie, die Bodyplethysmografie und die IOS Kriterien einer Obstruktion in den entsprechenden Leitparametern deutlich aufzuzeigen, wobei bei einem großen Patientenanteil die Widerstands- und komplexeren IOS-Parameter deutlich von den Sollwerten abweichen, was für eine insgesamt gute Sensitivität spricht. Unter den IOS-Parametern zeigen die FDR und die Fres, gefolgt von X5, R5 und der aus beiden Parametern abgeleiteten Impedanz Zrs eine der bodyplethysmografischen Resistance vergleichbare, gegenüber den Flussparametern jedoch höhere Empfindlichkeit. Die insgesamt relativ schwachen Korrelationen der IOS-Parameter zur Pneumotachografie und Bodyplethysmografie sind aus den Unterschieden der physikalischen Messprinzipien zu erklären [59] [62] [71] [99] [100] [101].

Die IOS hat nach der vorliegenden Untersuchung aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und der sehr guten Handhabbarkeit das Potenzial für eine aussagekräftige, wenig aufwendige Vorfeldmethode, mit der sich beginnende, klinisch jedoch noch nicht manifeste Obstruktionen sensitiver als allein mit der Pneumotachografie nachweisen lassen. Besonders die Parameter X5 und Fres sowie abgeleitet Zrs erfassen zusätzlich erhöhte Blindwiderstände, die auf ein verändertes bronchopulmonales Trägheits- und Elastizitätsverhalten und somit auf strukturelle Wandeigenschaften hinweisen. Die Nachteile oszillometrischer Messverfahren bei der Erfassung schwerer Obstruktionen können durch die abgeleiteten komplexeren Parameter bei höheren Messwertstreuungen zum Teil ausgeglichen werden. Die Schwächen der klassischen Oszillometrie mit Überschätzung leichter und Unterschätzung schwerer Obstruktionen sind bei Verwendung geeigneter und komplexer IOS-Parameter deutlich geringer ausgeprägt, sodass die IOS bei Interpretation komplexer Parameter als moderne Weiterentwicklung mit praktischen Vorteilen zu betrachten ist. Die Autoren empfehlen deshalb den Einsatz der IOS besonders als Ergänzung zur Pneumotachografie/Spirometrie bei fehlender Bodyplethysmografie und bei kooperationsgeminderten Patienten sowie zur Früh- und Screeningdiagnostik bronchialer Obstruktionen.

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1 Jörg Winkler und Anne Hagert-Winkler haben zu gleichen Teilen zu der Arbeit beigetragen.

2 Teile der Arbeit sind Gegenstand der Dissertationsschrift von Anne Hagert-Winkler.

3 Herrn Professor Schauer, unserem klinischen Lehrer, zum 70. Geburtstag gewidmet.