Spiroergometrie Cardiopulmonary exercise - CPX

Dr. A. Galland Klinikum Traunstein

Themen

• Methodik

• Grundlagen

• Grenzwerte, Sollwerte

• Beispiele

Indikationen für CPX

• Objektive Leistungsbeurteilung (z.B. Gutachten) • Trainingssteuerung z.B. für Sportler oder Herzkranke • Differenzierung pulmonale – kardiale

Belastungsdyspnoe • KHK, systolische vs. diastolische Pumpfunktionsstörung • Präoperative Risikobeurteilung (z.B. vor

Lungenresektion) • Indikationsstellung bei Herzklappen-OP, HTX, LTX • Therapiekontrolle, z.B. bei eingeschränkter LV-Funktion,

COPD, … • Adipositas – Bestimmung der optimalen Fettverbrennung

Kontraindikationen absolut (Auswahl)

• Akute Myokardischämie

• Dekompensierte Herzinsuffizienz

• Akute Myokarditis

• Unbehandeltes Asthma bronchiale

• Symptomatische Aortenstenose

• Fieber

• …

• Myokardinfarkt < 4 Wochen

• Hämodynamisch relevante Herzklappenvitien

• Ruhetachykardie > 120/min

• HOCM

• Pulmonale Hypertonie, PAMP > 30 mmHg (Druckmonitoring!)

• Thrombembolische Zustände

• Symptomatische Carotisstenose

• …

Kontraindikationen relativ (Auswahl)

Abbruchkriterien Auswahl

• Vergleichbar mit normaler Ergometrie (z.B. ST-Strecken-Senkung, Angina pectoris, …)

• Progrediente Dyspnoe bzw. Zyanose

• SaO2 <80% (keine Routinemessung)

• Progrediente arterielle Hypoxyämie (PaO2 <40mmHg)

• …

Untersuchungsaufbau

Welche Belastungsform

erreichte VO2max

Laufband 100 %

Laufen in der Ebene 95-98 %

Fahrradergometrie sitzend 93-96 % liegend 82-85%

Handkurbelergometrie 65-70 %

Arm- und Bein-Ergometrie 100 %

Schwimmen 85 %

Was geschieht bei der körperlichen Belastung?

Ruhe Belastung Faktor

HMV 6 l/min 20 l/min 3,3

V´O2 250 ml 2500 ml 10

HR 75 /min 180/min 2,4

SV 80 ml 120 ml 1,5

Was geschieht in der Muskelzelle bei der Energiegewinnung?

Glycogen (Muskel)

Glucose – 6 - P

Pyruvat

Acetyl – Co - A

Glycogen (Leber)

Plasma Glucose

Muskelproteine

Aminosäuren

Fett

Fettsäuren

Laktat

3 ATP - Moleküle

Citratzyklus O2

37 ATP - Moleküle CO2

aerob

anaerob

Laktat entsteht durch einen vermehrten Anfall von Pyruvat bei Zunahme der Glycogenolyse und

anaerober Muskelarbeit.

Vorteile - Nachteile

Aerob Anaerob

Vorteil Ausdauerleistung (Stunden – Tage)

Sofort verfügbar

Nachteil Beginnt erst nach ca. 40 sec

Keine Ausdauerleistung

Anaerobe Schwelle

Sauerstoffminutenvolumen (V´O2) oberhalb dessen unter Belastung neben der

aeroben die anaerobe ATP – Produktion einsetzt.

Was passiert an der anaeroben Schwelle?

Laktaterhöhung im Blut

Verminderung des Standardbikarbonats

Anstieg des V´CO2 durch Pufferung Anstieg des V´E (isokapnische Pufferung)

Anstieg des V´E

Endexspirator. CO2-Konzentration ↓ Endexspirator. O2-Konzentration ↑ durch „Hyperventilation“

La- + H+ + NaHCO3 → NaLa + H2CO3

H2CO3 → H2O + CO2

Lunge

Muskel / Blut

Ventilation

Ziel der Ventilation ist es über einen weiten Bereich der körperlichen Belastung die

alveolaren Partialdrucke sowie den Säure – Basen – Status stabil zu halten.

Methodik, Grenzwerte, Sollwerte

Kenngrößen der Spiroergometrie

•Gasaustauschwerte • Sauerstoffaufnahme (V´O2max , V´O2peak)

• Kohlendioxidabgabe (V´CO2)

• Endexspiratorische CO2- und O2- Sättigung (PET O2 und PET CO2)*

•Ventilationswerte • Atemzugvolumen (VT)*, Atemfrequenz (AF),

Atemminutenvolumen (V´E), Atemflussstärke*

•Herz-Kreislaufparameter • EKG*, Herzfrequenz, Blutdruck*

* Werden in diesem Workshop nicht behandelt

Kenngrößen der Spiroergometrie

• Abgeleitete Größen • Totraumventilation (Vd/Vt)*

• Spezifische Ventilation für O2 (V´E / V´O2) bzw. CO2 (V´E / V´CO2) als Maß für die Atemökonomie (EqO2, EqCO2) - Atemäquivalente

• Rate Exchange Ratio (RER-Wert = V´CO2/V´O2)*

• Anaerobe Schwelle (AT = anaerobic threshold) oder Dauerleistungsgrenze

* Werden in diesem Workshop nicht behandelt

Wassermann et al.

Wassermann et al.

Wichtige Messgrößen der CPX

• V´O2peak : Maximale O2 – Aufnahme

• RER : Respiratory exchange rate*

• AaDO2 : Alveoloarterielle O2 – Partialdruckdifferenz*

• VD/VT : Totraumanteil am Atemzugvolumen*

• AT : Anaerobe Schwelle

• HF : Herzfrequenz

• BR : Atemreserve

* Werden in diesem Workshop nicht behandelt

Sollwerte und abgeleitete Kenngrößen

Maximale O2-Aufnahme V´O2max

Wassermann

V´O2max = kgKG * (50,7 – 0,37 * Alter (Jahre))

Wassermann : normalgew. ♂: f = 20, ♀: f = 14

V´O2max = (Größe (cm) – Alter (Jahre)) * f

Schnelle Abschätzung

V´O2max = Sollwatt * 10ml + Ruhe V´O2

Breuer (Pneumologie 2004; 58 535-65)

♂: V´O2max = 911,28 * BSA – 18,9 *Alter + 1629,78

♀: V´O2max = 1513,99 * BSA – 15,99 *Alter - 136,77

BSA : Body surface area

Jones

♂: V´O2max = 4,2 – (0,032 * Alter)

♀: V´O2max = 2,6 – (0,014 * Alter)

Beispiel ♂ : 37 Jahre, 193cm,

85kg

3145 ml/min

3120 ml/min

2750 ml/min 250 Watt - Soll

2890 ml/min BSA: 2,13 m2

3016 ml/min

Atemgrenzwert

MVV (maximal voluntary ventilation)

Abgeschätzt nach der Formel

MVV = 40 * FEV1

Beispiel: FEV1 : 4,55 l MVV = 182 Liter

Atemreserve Breathreserve - BR

BR = MVV – V´E Eine BR < 15 l/min bzw. < 30% kann für eine pulmonale Limitierung

sprechen. Graubereich 15 – 35%

Beispiel : V´E = 114 l/min BR = 182 – 114 = 68 l/min (37%)

Beispiel

Atemfluss - Beispiel

Zu Beginn der Belastung

Gegen Ende der Belastung

Maximalparameter der Ventilation unter Belastung

Männer Frauen

V´max l/min 97 ± 25 69 ± 22

VTmax l 2,7 ± 0,48 1,92 ±0,48

Afmax min-1 26,1 ± 9,2 36,4 ± 9,4

Bestimmung der anaeroben Schwelle

1. Methode – V-Slope Infolge zunehmender Laktatazidose unter Belastung steigt das V´CO2 in Relation zur V´O2 beim Erreichen der anaeroben Schwelle an. Dadurch entstehen nach der anaeroben Schwelle zwei Kurven mit unterschiedlicher Steigung.

Rühle S. 60

Beispiel

Bestimmung der anaeroben Schwelle

2. Methode – Atemäquivalent Das Atemminutenvolumen (V´E) nimmt durch den CO2 vermittelten Atemantrieb überproportional am Punkt der respiratorischen Kompensation der Laktatazidose zu.

Bestimmung der anaeroben Schwelle

3. Methode – Serumlaktat Das Serumlaktat wird am Ende jeder Belastungsstufe gemessen. Ist der Wert > 4mmol/l, so ist die anaerobe sicher Schwelle überschritten.

Anaerobe Schwelle

Die anaerobe Schwelle wird als Absolutwert oder Relativwert (z.B. % von V´O2Soll) angegeben.

Eine AT < 40% von V´O2Soll ist sicher pathologisch, eine AT >60% normal.

Für untrainierte Männer liegt die AT durchschnittlich bei 1200ml V´O2, ca. 75 Watt.

Beispiel : AT bei 1540 ml V´O2, 98 Watt, 47% V´O2 - Soll

Probleme bei der Bestimmung der anaeroben Schwelle - AT

• Unregelmäßiges Atemmuster des Patienten (V´E / V´O2 ungünstig)

• Patienten mit Lungenerkrankungen zeigen nicht die normale Ventilationsanpassung auf die metabolische Azidose

• Zu mildes Belastungsprotokoll, so dass sich die metabolische Azidose nicht schnell genug entwickeln kann

Sauerstoffpuls

HRO2 = V´O2 / Hf SV * HR = CO = V´O2 / avDO2

V´O2 ~ SV

• Sofern die übrigen Spiroergometrieparameter normal sind, ist ein isolierter niedriger Sauerstoffpuls typisch für einen Trainingsmangel („kleines Schlagvolumen“).

• Entscheidend sind nicht die Absolutwerte. Wichtiger ist die Feststellung ob und in welcher Höhe ein Plateau ausgebildet wird.

• Ein nicht weiter ansteigender O2-Puls gibt Hinweise auf eine nicht weiter steigende Schlagkraft V.a. auf systolische oder/und diastolische Funktionsstörung oder/und pulmonale Hypertonie.

Sauerstoffpuls

Faustregel:

Hoher Sauerstoffpuls = gute Belastbarkeit

Niedriger Sauerstoffpuls = schlechte Belastbarkeit

O2 / HR

VO2 ~ SV

Beispiel

Atemäquivalent für O2 und CO2 EqO2 = V´E / V´O2 EqCO2 = V´E / V´CO2

Atemarbeit die benötigt wird, um eine bestimmte Menge Sauerstoff aufzunehmen, z. B. 50l Atemluft für 1l O2 = 50 EqO2

Die Atemäquivalente spiegeln die Ökonomie der Atmung wieder. Je größer auf einer gegebenen Belastungsstufe das Atemäquivalent ist, desto geringer ist die Leistungsfähigkeit. Ein pathologisches EqO2 wird als Hinweis für ein Ventilations-Perfusions-Mismatch gesehen.

Normwert an der anaeroben Schwelle 25 – 30 Werte > 40 meist pulmonale Grunderkrankung

Beispiel : EqO2 18, EqCO2 29

Merke: Atemarbeit erzeugt Dyspnoe, hohe Atemäquivalente bedeuten vermehrte

Atemarbeit und damit Dyspnoe.

Atemäquivalent für O2 und CO2

Beispiel

Kriterien der Ausbelastung

• Leistung > 90% v. Soll (Watt) • HF > 210 – Alter • BE < -9mmol/l bei Gesunden • < -4-6mmol/l bei kardiopulm. Erkrankungen • Laktat > 4-6mmol/l - Graubereich • > 9mmol/l – sicher ausbelastet • pH < 7,25 • RER > 1,2 • Atemäquivalent > 30 – mindestens notwendig • > 35 – sicher ausbelastet • Breathreserve = 0 • V´O2-Plateau ≥ 30s am Ende der Belastung

Wassermann et al.

Beispiel 1

• Alter: 37 Jahre, ♂ • Größe: 193cm • Gewicht: 85kg • FEV1 4,55l • Vorerkrankungen: Keine • Medikation: Keine • Fragestellung: Leistungs-

diagnostik • Abbruch wegen

körperlicher Erschöpfung

Einige Messwerte

Ruhe AT Max Soll

Watt 0 98 221 247

V´E (l/min) 18 28 114 137

BR (%) 90 84 37 28

V´O2 (ml/min) 652 1540 3786 3266

HR (1/min) 74 102 163 183

Graphische Auswertung

V´O2, V´CO2, Watt

AT

Belastungsbeginn

Belastungsende

V´CO2-Slope zur Bestimmung der anaeroben Schwelle

HR/O2 Sauerstoffpuls

Breath-Reserve Heartrate-Reserve

Beispiel für EKG-Auswertung

Beispiel 2

• ♀, 16 Jahre, 168cm, 58kg, BSA 1,68m2

• Hypertrophe, nicht obstruktive Kardiomyopathie

• FEV1 2,8l

• Fragestellung: CMP, Belastbarkeit

• Medikation: niedrig dosiert ß-Blocker

• Abbruch wegen Dyspnoe

Messwerte

Ruhe AT Max Soll

Watt 0 58 114 144

V´E (l/min) 11 26 59 95

BR (%) 90 77 47 28

V´O2 (ml/min) 307 938 1443 1941

HR (1/min) 98 157 197 187

Beispiel 3

• ♀, 45 Jahre, 168cm, 116kg, BSA 2,2m2

• FEV1 1,43l (?)

• Aufnahme wegen kardialer Dekompensation bei dilatativer Kardiomyopathie, Implantation eines biventrikulären Schrittmachers geplant.

• Medikation: ACE-Hemmer, Diuretikum, niedrig dosiert ß-Blocker

• Abbruch wegen Dyspnoe und körperlicher Erschöpfung.

Einige Messwerte

Ruhe AT Max Soll

Watt 0 50 125 157

V´E (l/min) 15 28 61 84

BR (%) 74 54 -7 28

V´O2 (ml/min) 407 867 1674 1953

HR (1/min) 90 95 127 175

1 Jahr nach biventrikulärer Schrittmacherimplantation

• 116kg • FEV1 2,3l • Medikation unverändert • Abbruch wegen körperlicher Erschöpfung

Messwerte im Vergleich

Ruhe

alt / neu

AT

alt / neu

Max

alt / neu

Soll

alt / neu

Watt 0 / 0 50 / 72 125 / 122 157 / 154

V´E (l/min) 15 / 15 28 / 38 61 / 71 84 / 83

BR (%) 74 / 84 54 / 59 -7 / 24 28 / 28

V´O2 (ml/min) 407 / 568 867 / 1448 1674 / 2228 1953 / 1953

HR (1/min) 90 / 107 95 / 133 127 / 156 175 / 174

Vor SM-Implantation 1 Jahr später

Vor SM-Implantation 1 Jahr später

Vor SM-Implantation 1 Jahr später

Vor SM-Implantation 1 Jahr später

Die 6 Entwicklungsstufen des Doktors, der sich der Spiroergometrie widmet

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