Spirometrie und PEF-Messung

Allgemeine Informationen

  • Die Spirometrie und Messung des Spitzenflusses („Peak Expiratory Flow“, PEF) werden im Rahmen der Lungenfunktionsdiagnostik eingesetzt.1
    • Die Verfahren dienen der objektiven Bestimmung von Lungenvolumina und Atemstromstärken.
    • Häufig werden die Untersuchungen im Rahmen von obstruktiven Lungenerkrankungen wie Asthma bronchiale2 oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD)3 eingesetzt.
    • Die Spirometrie findet zudem in der Arbeitsmedizin Verwendung zur:
      • arbeitsmedizinischen Vorsorge (z. B. bei Exposition gegenüber Noxen)
      • Diagnostik bei berufsassoziiertem Asthma bronchiale
      • Erstellung von arbeitsmedizinischen Gutachten.
  • Die Spirometrie ist eine heutzutage einfache, kostengünstige, verbreitete und nichtinvasive Untersuchung zur Objektivierung der Lungenfunktion.1,4
    • Bestimmung der statischen und dynamischen Parameter der Lungenfunktion
    • Messung der Atemflüsse mittels Strömungssensoren (z. B. Pneumotachograph)
      • Berechnung der Atemvolumina durch Betrachtung der Atemflüsse über die Zeit
    • Messung der Lungenvolumina mittels Volumensensoren (Turbinen)
    • Diagnostik und Verlaufskontrolle von obstruktiven Atemwegserkrankungen
      • elementarer Bestandteil der Diagnostik von Asthma und COPD
    • Das Ergebnis ist von der Mitarbeit der Patient*innen abhängig.
  • Die Messung des exspiratorischen Spitzenflusses („Peak Expiratory Flow", PEF) ist Teil der Spirometrie.
    • Der Spitzenfluss ist die maximal erreichbare Atemstromstärke bei forcierter Exspiration.
    • Der PEF kann auch mit einem kleineren, tragbaren Gerät (Peak-Flow-Meter) gemessen werden.
    • Das Ergebnis hängt stark von der Mitarbeit der Patient*innen ab.
    • häusliche Messung zur Bestimmung der PEF-Variabilität als Marker zur Verlaufs- und Therapiekontrolle bei Asthma bronchiale
  • Es existiert eine Leitlinie der DGP zur standardisierten Durchführung der Spirometrie.1
    • Diese berücksichtigt die 2012 publizierten Referenzwerte der GLI.5
  • Weitere Verfahren der Lungenfunktionsdiagnostik:
    • Ganzkörperplethysmografie
    • CO-Diffusionsmessung (Diffusionskapazität).

Indikationen

Leitlinie: Indikationen und Kontraindikationen der Spirometrie1

Indikationen

  • Diagnostik von Atemwegserkrankungen (z. B. COPD, Asthma bronchiale)
  • Dyspnoe, Husten und/oder Auswurf
  • Früherkennung von Schäden durch inhalative Noxen
  • Verdacht auf Erkrankungen von Atemwegen, Lunge oder Herz sowie muskuloskelettale Erkrankungen mit Auswirkungen auf die Atmung
  • Verdacht auf Erkrankungen der Atempumpe (Atemzentrum, zugehörige Nerven und Muskeln)
  • Verlaufsbeobachtung bronchopulmonaler Erkrankungen
  • Therapiekontrolle bronchopulmonaler Erkrankungen
  • Arbeitsmedizinische Überwachung und Vorsorge (z. B. bei Exposition gegenüber Allergenen, anorganischen Stäuben, Rauchbelastungen usw.)
  • Präoperative Diagnostik

Kontraindikationen

Messparameter

Statische Lungenvolumina

  • Atemzugvolumen (VT)
    • Volumen, das in einem Atemzug eingeatmet wird.
  • Exspiratorisches Reservevolumen (ERV)
    • Volumen, das bis zur maximalen Exspiration ausgeatmet werden kann.
  • Inspiratorisches Reservevolumen (IRV)
    • Volumen, das bis zur maximalen Inspiration eingeatmet werden kann.
  • Vitalkapazität (VC)
    • Atemvolumen zwischen maximaler Exspiration und maximaler Inspiration
    • auch als inspiratorische Vitalkapazität (IVC) bezeichnet
  • Forcierte Vitalkapazität (FVC)
    • Atemvolumen, das nach maximaler Inspiration forciert ausgeatmet werden kann.
  • Residualvolumen (RV)
    • in der Lunge verbleibendes, nicht mobilisierbares Volumen
    • RV mittels Spirometrie nicht messbar
  • Totalkapazität/totale Lungenkapazität (TC/TLC)
    • Gesamtvolumen der Lunge in maximaler Inspiration
    • Setzt sich zusammen aus VT, ERV, IRV und RV.
  • Funktionelle Residualkapazität (FRC)
    • in der Lunge verbleibendes Volumen nach normaler Ausatmung (RV + ERV)

Dynamische Lungenfunktionsparameter

  • Forciertes exspiratorisches Volumen in einer Sekunde (Einsekundenkapazität, FEV1)
    • Volumen, das nach maximaler Inspiration in der ersten Sekunde forciert ausgeatmet werden kann.
    • Angabe als absolute Einsekundenkapazität in Liter
  • Tiffeneau-Index (relative Einsekundenkapazität, FEV1/FVC)
    • Anteil der Einsekundenkapazität an der forcierten Vitalkapazität in %
  • Exspiratorischer Spitzenfluss (Peak Expiratory Flow, PEF)
    • Atemstromstärke, die bei forcierter Exspiration maximal erreicht werden kann.
  • Forcierter exspiratorischer Fluss bei xx % der Vitalkapazität (FEF xx %)
    • Atemstromstärken bei ausgeatmetem Anteil der Vitalkapazität
    • üblicherweise FEF25, FEF50 und FEF75
    • FEF25–75 gibt die mittlere Atemstromstärke zwischen 25 % und 75 % der FVC an.

Durchführung

DGP-Leitlinie: Durchführung der Spirometrie1

 Vorbereitung

  • Bitten Sie die Patient*innen, beengende Kleidung abzulegen bzw. zu öffnen.
  • Messung der Körpergröße der Patient*innen
  • Die spirometrische Messung erfolgt im Sitzen.
    • Die Normalwerte wurden bei sitzenden Patient*innen bestimmt.
  • Die Nase soll mit einer Nasenklemme luftdicht verschlossen werden.
  • Die Person platziert Mundstück bzw. Filter zwischen den Zähnen.
    • Die Zunge liegt unter dem Mundstück.
  • Patient*in wird aufgefordert, die Lippen fest um das Mundstück zu schließen, insbesondere an den Mundwinkeln.

Atemmanöver

  • Einige ruhige und gleichmäßige Atemzüge auf normalem Niveau
  • Patient*in wird gebeten langsam maximal auszuatmen, bis ein Plateau in Exspiration erreicht ist.
  • Daraufhin vollständige, zügige Inspiration
    • Bestimmung der inspiratorischen Vitalkapazität (IVC)
  • Daraufhin direkt forcierte und maximale Exspiration, bis ein deutliches Plateau sichtbar wird.
    • Bestimmung der FEV1 und Fluss-Volumen-Kurve
    • komplette Exspiration v. a. für Kinder und Patient*innen mit obstruktiven Ventilationsstörungen schwierig
  • Ggf. Wiederholung des Atemmanövers

Kriterien für eine akzeptable Durchführung der Messung6

  • Akzeptanzkriterien
    • Dauer des forcierten Exspirationsmanövers bei Erwachsenen > 6 s (bei Kindern > 10 J länger als 3 s)
    • keine Artefakte (z. B. Husten)
    • Beendigung erst bei Erreichen eines Plateaus in Exspiration (< 25 ml Änderung in 1 s)
    • rückextrapoliertes Volumen < 5 % der FEV1 und < 150 ml
  • Reproduzierbarkeitskriterien
    • Durchführung von mind. 3 akzeptierten Versuchen
    • hierbei Unterschied zwischen bestem und zweitbestem Versuch ≤ 5 % und < 150 ml für FEV1 und FVC
      • bei FEV1 und FVC < 1 l um nicht mehr als 100 ml
  • Induktion von „Spirometer-Asthma“ (Bronchoprovokation durch forcierte Exspiration) kann Reproduzierbarkeit verhindern.
    • insbesondere bei mehrfachen Versuchen
  • Wiederholung bis 3 akzeptable Atemmanöver vorhanden, jedoch nicht mehr als 8
  • Dokumentation der Akzeptanzkriterien, der Güte der Mitarbeit und der technischen Qualität

Spirometrie

  • Patient*in sitzt, nach Möglichkeit ohne beengende Bekleidung.
  • Die Spirometrie beginnt mit einigen normalen Atemzügen. Die Person wird dann gebeten, langsam und maximal auszuatmen. Daraufhin folgt eine maximale Einatmung und eine forcierte, maximale Ausatmung.
  • Die Ausatmung wird so lange wie möglich fortgesetzt (bis die Lunge vollständig entleert ist) oder bis für das Ausatmungsvolumen ein Plateau erreicht ist.
  • Menschen mit gesunder Lunge entleeren die Lunge innerhalb weniger Sekunden, während Patient*innen mit obstruktiven Lungenerkrankungen 10–15 Sekunden benötigen können.
  • Die Luftmenge und Luftgeschwindigkeit werden gemessen und in einer grafischen Kurve (Fluss-Volumen-Diagramm) dargestellt.

Nationale Versorgungsleitlinie Asthma: Spirometrie7

  • Die Spirometrie mit Darstellung der vollständigen Fluss-Volumen-(FV)-Kurve soll die Basis der Funktionsdiagnostik sein.
  • Da das Verfahren mitarbeitsabhängig ist, sollen ggf. zusätzlich weniger mitarbeitsabhängige Methoden herangezogen werden (z. B. Bodyplethysmografie).
  • Bei der Spirometrie sollen die besten Werte aus mindestens 3 reproduzierbaren Fluss-Volumen-Kurven verwendet werden.
    • Erst die Durchführung von 3 Messungen erlaubt die Beurteilung der Güte der Mitarbeit der Patient*innen und damit die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse.
    • Dabei wird ein Unterschied von bis zu 5% zwischen dem besten und zweitbesten Ergebnis der Messung von FEV1 und FVC akzeptiert.

PEF-Messung

  • Bei einer isolierten PEF-Messung wird ein spezielles PEF-Messgerät (Peak-Flow-Meter) verwendet.
    • Dieses kann auch von den Patient*innen selbst im Rahmen häuslicher Messungen eingesetzt werden.
    • Viele Peak-Flow-Meter geben den Fluss in l/min und nicht in l/s an.
  • Das Ziel besteht darin, die höchste Geschwindigkeit der durch den Mund strömenden Luft zu messen.
  • Bei der PEF-Messung im Rahmen einer Spirometrie wird der tatsächliche Spitzenfluss gemessen. Ein Peak-Flow-Meter bestimmt lediglich die Kraft der Ausatmung. Differenzen sind insofern irrelevant, da mit dem Peak-Flow-Meter die individuelle Variabilität bestimmt werden soll.
  • Alleinige PEF-Messung ist für die Diagnostik von Asthma und COPD nicht ausreichend.
  • Bestimmung der PEF-Variabilität in der Asthma-Verlaufskontrolle2
    • Formel: (höchster – niedrigster Wert während 1 Woche)/höchster Wert x 100 %
    • Beispiel: höchster PEF = 400 l/min, niedrigster PEF = 300 l/min, PEF−Variabilität = (400–300)/400 x 100 = 25 %
    • Eine PEF Variabilität ≥ 10 % (bei Kindern > 13 %) spricht für ein Asthma.

Nationale Versorgungsleitlinie Asthma: Peak-Flow-Messung7

  • Einen relevanten Stellenwert für die Peak-Flow-Messung oder die Messung der Peak-Flow-Variabilität in der Primärdiagnostik sieht die Leitliniengruppe nicht mehr.
  • Die Diagnose des Asthmas soll nicht ausschließlich durch Anwendung der Peak-Flow-Messung (PEF) gestellt werden.

Fehlerquellen

  • Die Spirometrie erfordert motivierte und kooperative Patient*innen.
  • Anstrengungsabhängigkeit („Effort Dependence")
    • bei maximaler Anstrengung meist etwas geringere Atemstromstärken als bei submaximaler Anstrengung
      • insbesondere bei obstruktiven Ventilationsstörungen
      • Die submaximale Anstrengung ist jedoch nicht reproduzierbar.
  • Zeitabhängigkeit („Time Dependence")
    • Bei forcierter Exspiration nach langsamer Inspiration und Pause ist die FEV1 geringer als nach schneller Inspiration.
    • daher Empfehlung einer zügigen Inspiration ohne Pause vor der forcierten Exspiration
  • Validität
    • Für die Interpretation sollte die untersuchende Person bewerten, in welchem Umfang die Ergebnisse ein reproduzierbares Bild der Lungenfunktion der Patient*innen abgeben.
    • Mindestens 3 Spirometrie-Messungen sollten durchgeführt werden, um die bestmögliche Validität sicherzustellen.7
    • Die beiden besten Ergebnisse der FVC bzw. FEV1 sollten nicht mehr als 150 ml1,8 bzw. 5 %7  voneinander abweichen.
  • Die Normalwerte für die Spirometrie variieren entsprechend der Größe, des Gewichts, des Alters, des Geschlechts und des ethnischen Hintergrunds der Patient*innen.4

Interpretation

Allgemeines zur Beurteilung

  • Nachweis und Quantifizierung einer möglichen Ventilationsstörung anhand der spirometrischen Messparameter
  • Die Beurteilung der spirometrischen Messergebnisse erfolgt anhand der 2012 veröffentlichten Referenzwerte der Global Lung Initiative (GLI) für gesunde Proband*innen im Alter von 3–95 Jahren.5
    • Die Normalwerte sind u. a. abhängig von Alter, Geschlecht, Körperstatur und ethnischer Herkunft.
      • Die ethnische Gruppenzugehörigkeit hat Einfluss auf die Lungenfunktion.
      • Die Beurteilung anhand von Perzentilen berücksichtigt eine Streuung der Normalwerte eher als Prozentangaben des Mittelwertes.
  • Die Berechnung der Referenzgleichung ist komplex.
    • Webbasierter Rechner der GLI: Siehe Spirometry Calculator.
    • Normalwerte der GLI sind üblicherweise in die Software der Spirometriegeräte integriert.
  • Pathologische Grenzwerte
    • Spirometrischen Messparameter sind pathologisch, wenn sie unterhalb der 5. Perzentile liegen.
      • Dieser untere Grenzwert wird auch als „Lower Limit of Normal“ (LLN) bezeichnet.
    • Z-Score gibt die Standardabweichungen vom Sollwert an.
      • Z-Score von geringer als –1,645 wird als pathologisch gewertet.
      • nur negative Z-Scores, da nur Abweichungen nach unten pathologisch
    • Perzentilen und Z-Scores sind gleichwertig und ineinander umwandelbar.
  • Zuvor wurden die 1993 von der European Respiratory Society (ERS) publizierten Normalwerte (EGKS-Werte) verwendet.
    • epidemiologisch nicht den heutigen Anforderungen entsprechend
    • Die EGKS-Werte können weiter benutzt werden, falls die GLI-Werte nicht in die Geräte integriert sind.
  • Die Verlaufskontrolle der Lungenfunktionswerte für eine/n Patientin/Patienten ist aussagekräftiger als einmalige Messung und Beurteilung anhand der Normalwerte.1

Vorgehen

  • Sicherung der Messergebnisse mit Erfüllung der Akzeptanzkriterien
  • Übernahme der höchsten Werte für IVC, FEV1 und FVC aus allen akzeptablen Messungen
  • Übernahme der maximalen exspiratorischen Atemstromstärken (z. B. PEF) anhand der besten Fluss-Volumen-Kurve
  • Beurteilung der exspiratorischen Messparameter anhand der GLI-Normalwerte
    • normales Ergebnis: oberhalb der 5. Perzentile bzw. Z-Score > –1,645
    • pathologisches Ergebnis: unterhalb 5. Perzentile bzw. Z-Score < –1,645
  • Beurteilung, ob eine obstruktive oder eine restriktive Ventilationsstörung vorliegt:
    • obstruktive Ventilationsstörung
      • Verminderung der Atemflüsse durch Obstruktion
      • reduzierte FEV1, FEV1/FVC und PEF
    • restriktive Ventilationsstörung
      • Behinderung der normalen Lungenausdehnung oder fehlendes Lungengewebe
      • Verminderung der Vitalkapazität (VC) und Totalkapazität (TLC), jedoch Letztere in Spirometrie nicht messbar
      • normale oder erhöhte FEV1

Obstruktive Ventilationsstörungen

  • Diagnostische Kriterien1
    • FEV1/FVC < LLN 
      • Tiffeneau-Index unterhalb des 5. Perzentils (Z-Score < –1,645)
      • definierendes Kriterium einer obstruktiven Ventilationsstörung
    • in der Regel auch FEVunterhalb des Normwerts
    • Abnahme der maximalen exspiratorischen Atemstromstärken
    • typische Innenkrümmung bzw. Knickbildung in der Ausatmungskurve
  • Schweregrad
    • Einteilung anhand der FEV1
      • leicht (I): FEV1 > 60 % des Sollwertes
      • mittelschwer (II): FEV1 40–60 % des Sollwertes
      • schwer (III): FEV1 < 40 % des Sollwertes 
    • Schweregrad der Ventilationsstörung muss nicht mit dem Schweregrad der Erkrankung übereinstimmen.
      • Schweregradeinteilung der COPD anhand der postbronchodilatatorischen FEV13
      • reduzierte FEV1 als Kriterium unzureichender Asthmakontrolle2

Besonderheiten bei Kindern

  • Bedingungen für ausreichende Mitarbeit sicherstellen.
  • Normwerte der GLI erlauben Beurteilung ab dem 3. Lebensjahr. Kinder vor dem Schulalter leeren ihre Lungen schneller.
    • Angabe zusätzlich von FEV0,5 und FEV0,75
    • FEV1/FVC als alleiniger Parameter vor dem Schulalter nicht ausreichend
  • Mitbeurteilung der Fluss-Volumen-Kurve

Differenzialdiagnosen bei obstruktiver Ventilationsstörung

Restriktive Ventilationsstörungen

  • Diagnostische Kriterien1
    • TLC < LLN
      • verminderte Totalkapazität (TLC)
      • definierendes Kriterium einer restriktiven Ventilationsstörung
      • spirometrisch nicht messbar
    • verminderte Vitalkapazität (VC)
      • Bestimmung inspiratorisch (IVC) oder bei forcierter Exspiration (FVC)
      • Nicht beweisend, da VC auch durch Überblähung (erhöhtes RV) erniedrigt sein kann.
      • Wenn FEV1/FVC im Normbereich, ist eine Überblähung unwahrscheinlich.
  • Schweregrad
    • Einteilung anhand der FVC bzw. IVC
      • leicht (I): FVC (IVC) > 60 % des Sollwertes
      • mittelschwer (II): FVC (IVC) 40–60 % des Sollwertes
      • schwer (III): FVC (IVC) <40 % des Sollwertes
    • Schweregrad der Ventilationsstörung muss nicht mit dem Schweregrad der Erkrankung übereinstimmen.

Differenzialdiagnosen bei restriktiver Ventilationsstörung

Weitere Untersuchungen

  • Bei obstruktiver Ventilationsstörung sollte ein Reversibilitätstest und ggf. ein Provokationstest durchgeführt werden.
    • Dieser Test ist positiv, wenn die FEV1 nach Bronchodilatation um mindestens 12 % bzw. mindestens 200 ml ansteigt.
  • Bei verminderter Vitalkapazität sollte eine Ganzkörperplethysmografie mit Bestimmung von totaler Lungenkapazität (TLC), funktioneller Residualkapazität (FRC) und Residualvolumen (RV) erfolgen.
    • Bei verminderter Vitalkapazität (VC) kann anstatt einer restriktiven Ventilationsstörung eine Lungenüberblähung vorliegen.
      • Hierfür kann mittels Ganzkörperplethysmografie eine normale oder erhöhte Totalkapazität (TLC) nachgewiesen werden.
      • Eine verminderte TLC spricht hingegen für eine restriktive Ventilationsstörung.
      • Der Begriff „kombinierte Ventilationsstörung“ ist eine ungenaue Unterscheidung zwischen Restriktion und Lungenüberblähung und sollte nicht mehr verwendet werden.

Patienteninformationen

Patienteninformationen in Deximed

Illustrationen

Quellen

Leitlinien

  • NVL-Programm von BÄK, KBV, AWMF. Nationale VersorgungsLeitlinie Asthma. Registernummer nvl-002. 4. Auflag, 2020. www.leitlinien.de
  • Deutsche Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin (DGP). Spirometrie. AWMF-Leitllinie Nr. 020-017. S2k, Stand 2015. www.awmf.org
  • Deutsche Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin (DGP). Diagnostik und Therapie von Patienten mit Asthma. AWMF-Leitlinie Nr. 020-009. S2k, Stand 2017. www.awmf.org
  • Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease. GOLD 2020 Global Strategy for the Diagnosis, Management and Prevention of COPD. Stand 2020. www.goldcopd.org

Literatur

  1. Deutsche Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin (DGP). Spirometrie. AWMF S2k Leitlinie Nr. 020-017. Stand 6. Mai 2015 www.awmf.org
  2. Deutsche Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin (DGP). Diagnostik und Therapie von Patienten mit Asthma. AWMF-Leitlinie Nr. 020-009, Stand 2017. www.awmf.org
  3. Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease. GOLD 2017 Global Strategy for the Diagnosis, Management and Prevention of COPD. Stand 2017. goldcopd.org
  4. Petty TL. Simple office spirometry. Clin Chest Med 2001;22:845-59. PubMed
  5. Quanjer PH, Stanojevic S, Cole TJ, Baur X, Hall GL, Culver BH, Enright PL, Hankinson JL, Ip MS, Zheng J, Stocks J; ERS Global Lung Function Initiative. Multi-ethnic reference values for spirometry for the 3-95-yr age range: the global lung function 2012 equations. Eur Respir J. 2012 Dec;40(6):1324-43. doi: 10.1183/09031936.00080312 Epub 2012 Jun 27. PubMed PMID: 22743675. www.ncbi.nlm.nih.gov
  6. Miller MR, Hankinson J, Brusasco V, Burgos F, Casaburi R, Coates A, Crapo R, Enright P, van der Grinten CP, Gustafsson P, Jensen R, Johnson DC, MacIntyre N, McKay R, Navajas D, Pedersen OF, Pellegrino R, Viegi G, Wanger J; ATS/ERS Task Force. Standardisation of spirometry. Eur Respir J. 2005 Aug;26(2):319-38. PubMed PMID: 16055882. www.ncbi.nlm.nih.gov
  7. NVL-Programm von BÄK, KBV, AWMF. Nationale VersorgungsLeitlinie Asthma. Registernummer nvl-002. 4. Auflage, 2020. www.leitlinien.de
  8. Modrykamien AM, Gudavalli R, McCarthy K, et al. Detection of upper airway obstruction with spirometry results and the flow-volume loop: a comparison of quantitative and visual inspection criteria. Respir Care 2009; 54:474. PubMed

Autor*innen

  • Lino Witte, Dr. med., Arzt in Weiterbildung, Innere Medizin, Frankfurt
  • Monika Lenz, Fachärztin für Allgemeinmedizin, Neustadt am Rübenberge
  • Jonas Klaus, Arzt, Freiburg
  • Die ursprüngliche Version dieses Artikels basiert auf einem entsprechenden Artikel im norwegischen hausärztlichen Online-Handbuch Norsk Elektronisk Legehåndbok (NEL, https://legehandboka.no/).

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