Lungenvolumina und Spirometrie: wie Atemräume und Luftstrom gemessen werden

Ein gemeinsames Schema ordnet alle Begriffe

Stellt man den Gasinhalt der Lunge als senkrechte Skala dar, liegt die ruhige Atmung in einem mittleren Bereich. Von dort kann weiter eingeatmet und weiter ausgeatmet werden. Die obere Grenze der maximalen Einatmung heißt totale Lungenkapazität. Am Ende maximaler Ausatmung bleibt das Residualvolumen zurück. [1][17]

Die Skala beschreibt Gasvolumen und Atemlage. Ein zusätzliches Zeitdiagramm zeigt, wie sich dieses Volumen im Verlauf verändert. Eine Volumensäule eignet sich deshalb zum Ordnen der Bestandteile, eine Atemkurve zum Verstehen von Manövern. In beiden Darstellungen beziehen sich die Begriffe auf dieselben Grenzen. [16][17]

Das Atemzugvolumen liegt zwischen zwei ruhigen Atemlagen

Das Atemzugvolumen, häufig VT abgekürzt, ist die bei einem einzelnen Atemzug bewegte Gasmenge. Bei ruhiger Atmung verläuft der Wechsel zwischen dem Ende einer normalen Ausatmung und dem Ende der folgenden Einatmung. Tiefe und Frequenz können sich mit Körpergröße, Belastung, Haltung und Zustand verändern. [1][17]

Für ein Grundlagenbild ist die Beziehung der Bereiche aussagekräftiger als eine starre Literzahl. Ein kleines VT kann mit hoher Frequenz kombiniert sein, ein größeres mit langsamerer Atmung. Die Wirkung auf die Austauschzone hängt zusätzlich vom Totraumanteil ab. Die Seite zur Atemregulation verknüpft diese Volumina mit der alveolären Ventilation. [1][15][17]

Inspiratorische und exspiratorische Reserven

Das inspiratorische Reservevolumen, IRV, liegt zwischen dem Ende einer normalen Einatmung und der maximalen Einatmung. Es beschreibt die zusätzliche Gasmenge, die über den ruhigen Atemzug hinaus eingeatmet werden kann. In der Volumensäule schließt dieser Bereich oberhalb des Atemzugvolumens an. [1][17]

Das exspiratorische Reservevolumen, ERV, reicht vom Ende einer ruhigen Ausatmung bis zum Ende maximaler Ausatmung. Unterhalb dieser Grenze bleibt das Residualvolumen. Die Reservebegriffe beziehen sich somit auf die jeweils normale Atemlage; ihre Größe hängt auch davon ab, wo diese Atemlage im Gesamtraum liegt. [1][17]

Residualvolumen und funktionelle Residualkapazität

Das Residualvolumen, RV, ist die Gasmenge nach maximaler Ausatmung. Die funktionelle Residualkapazität, FRC, bezeichnet dagegen das Gasvolumen nach einer passiven normalen Ausatmung. Sie setzt sich aus ERV und RV zusammen. In der FRC befinden sich die Lunge und der Brustkorb unter den jeweiligen Messbedingungen an ihrer endexspiratorischen Ruhelage. [1][17]

Die FRC ist ein wichtiger Ausgangspunkt für die Bestimmung weiterer statischer Lungenvolumina. Ihre Messung wird mit zusätzlichen spirometrischen Manövern verknüpft. Da die Körperhaltung und die Atemlage den Befund beeinflussen, müssen die Messbedingungen bekannt sein. Der Ausdruck statisch ordnet hierbei Volumina und Grenzen ein; die Messung selbst kann durchaus Atembewegungen enthalten. [17]

Vier Kapazitäten fassen die Grundvolumina zusammen

Die inspiratorische Kapazität, IC, reicht vom Ende normaler Ausatmung bis zur maximalen Einatmung: IC = VT + IRV. Die Vitalkapazität, VC, umfasst die maximal zwischen voller Ein- und voller Ausatmung bewegliche Gasmenge: VC = IRV + VT + ERV. Je nach Manöver wird sie langsam oder forciert ermittelt. [1][17]

Die totale Lungenkapazität, TLC, enthält auch das verbleibende Residualvolumen. Es gelten TLC = VC + RV und TLC = IC + FRC. Diese Beziehungen machen die Volumensäule rechnerisch überprüfbar. Die Anteile sind individuell unterschiedlich; für einen einzelnen Menschen werden sie gemessen und mit passenden Referenzwerten eingeordnet. [1][17]

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Was während einer Spirometrie erfasst wird

Bei der Spirometrie atmet die untersuchte Person über ein Mundstück in ein Messsystem. Dieses erfasst das bewegte Volumen beziehungsweise den Luftstrom und berechnet daraus zeitliche und volumenbezogene Größen. Eine dichte Mundverbindung, die korrekte Ausgangsatmung und die Begleitung durch geschultes Personal unterstützen eine verwertbare Messung. [16]

Bei einem forcierten Ausatemmanöver folgt auf eine möglichst vollständige Einatmung eine rasche, kräftige und ausreichend vollständige Ausatmung. Die forcierte Vitalkapazität, FVC, ist das dabei insgesamt ausgeatmete Volumen. FEV₁ ist der Anteil, der in der ersten Sekunde nach Beginn der forcierten Ausatmung abgegeben wird. [16]

Volumen-Zeit-Kurve und Fluss-Volumen-Kurve

In einer Volumen-Zeit-Kurve steigt das ausgeatmete Volumen vom Manöverbeginn an. Nach einer Sekunde lässt sich FEV₁ ablesen; das erreichte Endvolumen gehört zur FVC. Die Kurve macht sichtbar, wie schnell das Gesamtvolumen abgegeben wird. Die eigene Grafik verwendet hierfür eine konstruierte Lehrkurve, die den Zusammenhang der beiden Volumina erklärt. [16]

Die Fluss-Volumen-Kurve trägt den Luftstrom gegen das bereits bewegte Volumen auf. Sie betont damit den Verlauf des Flusses während des Manövers. Beide Darstellungen helfen, das Manöver und mögliche Auffälligkeiten zu beurteilen. Kurvenform, Messqualität und Zahlenwerte werden zusammen gelesen. [16][18]

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Messqualität gehört zum Ergebnis

Ein Hustenstoß früh im Manöver kann die erste Sekunde stören. Ein Leck am Mundstück, ein zögerlicher Beginn oder eine unvollständige maximale Einatmung verändern ebenfalls die Aussage. Die ATS/ERS-Standards unterscheiden deshalb die Verwertbarkeit einzelner Messgrößen und verlangen eine dokumentierte Qualitätsbeurteilung. [16]

Mehrere Versuche ermöglichen den Vergleich und die Prüfung der Wiederholbarkeit. Für FEV₁ und FVC gelten eigene Kriterien; ein Manöver kann für eine Größe besser verwendbar sein als für eine andere. Beginn, Verlauf, Abschluss und Wiederholbarkeit des Manövers werden gemeinsam beurteilt. Die Untersuchung wird an die Möglichkeiten und den klinischen Zustand der Person angepasst. [16]

Wie das verbleibende Gasvolumen gemessen wird

Das bei maximaler Ausatmung verbleibende Gas gelangt während dieses Manövers nicht vollständig zum Mundstück. Für RV und davon abhängige Größen wie TLC wird daher eine zusätzliche Volumenbestimmung gebraucht. Häufig wird zunächst die FRC erfasst und mit einer verbundenen IC- beziehungsweise VC-Messung kombiniert. [17]

Die Körperplethysmografie nutzt Druck-Volumen-Beziehungen in einer Messkabine und erfasst komprimierbares intrathorakales Gas. Gasverdünnungs- und Auswaschverfahren leiten ein Volumen aus der Verteilung oder Entfernung eines Gases ab. Diese Verfahren erfassen vor allem die mit dem Messgas kommunizierenden Bereiche. Unterschiede zwischen den Methoden können daher bei ungleichmäßiger Belüftung besonders relevant werden. [17]

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Referenzwerte berücksichtigen die untersuchte Person

Gemessene Größen werden mit geeigneten Referenzgleichungen verglichen. Dazu gehören je nach Modell unter anderem Alter, Körpergröße und Geschlecht. Der Abstand zur erwarteten Verteilung kann über z-Werte und eine untere Normgrenze, LLN, beschrieben werden. z-Werte und die zugehörigen Referenzgrenzen ordnen einen Messwert innerhalb der erwarteten Verteilung ein. [18]

Die Auswahl der Referenzgleichung beeinflusst die Einordnung. Ein offizielles ATS-Statement empfiehlt für die Spirometrie ethnizitätsneutrale Durchschnittsgleichungen. Für andere Funktionsbereiche und ihre Referenzdaten bestehen teilweise andere Evidenzlagen. Im Befund sollte daher erkennbar sein, welche Messung und welche Referenz zugrunde liegen. [19]

Obstruktives Muster und verminderte Gesamtkapazität

Ein im Referenzvergleich vermindertes Verhältnis FEV₁/FVC weist auf eine obstruktive Funktionsstörung hin: Der in der ersten Sekunde ausgeatmete Anteil ist gegenüber dem Gesamtvolumen verringert. Die Einordnung verbindet dieses Muster mit Beschwerden, Vorgeschichte, Messqualität und weiteren Befunden. Der Quotient ist eine Funktionsbeschreibung innerhalb dieser Beurteilung. [18]

Eine restriktive ventilatorische Störung wird durch eine verminderte TLC bestätigt. Eine niedrige FVC kann Anlass sein, die statischen Volumina genauer zu untersuchen; sie kann unter verschiedenen Bedingungen entstehen. Auch die Kombination von Verengung und veränderten Gesamtvolumina kommt vor. Genau deshalb ergänzen sich Spirometrie und zusätzliche Volumenmessung. [17][18]

Von der Messkurve zurück zur Atemfunktion

Für den ersten Blick auf einen Befund helfen vier Fragen: Welche Größe wurde gemessen? Wie wurde sie erfasst? Ist die Messung verwertbar? Mit welcher Referenz wird sie verglichen? Erst danach folgt die inhaltliche Zuordnung. Das Schema führt von der tatsächlichen Messung zur physiologischen Interpretation. [16][17][18]

Die Verbindung zur Anatomie bleibt anschaulich: Luftwege beeinflussen den Strom, die elastischen Eigenschaften von Lunge und Brustkorb prägen die Volumenlage, und die Atemmuskeln erzeugen die Druckänderung. Der Gasaustausch ergänzt anschließend eine weitere Funktionsdimension. So fügt sich jede Lungenfunktionsgröße in das größere Bild des Atmungssystems ein. [1][17][18]

Ein Volumenbefund lässt sich rechnerisch verbinden

Aus einer gemessenen FRC und der direkt damit verbundenen inspiratorischen Kapazität ergibt sich die TLC: TLC = FRC + IC. Wird außerdem eine passende Vitalkapazität bestimmt, folgt daraus RV = TLC − VC. Die Verbindung der Manöver ist wichtig, weil die Atemlage während der Messung schwanken kann. [17]

Diese Rechnung erklärt, warum ein statischer Volumenbefund mehrere aufeinander bezogene Messungen enthalten kann. Die Zahlen gehören zu einem gemeinsamen Atemlagenschema und zur Qualität der jeweiligen Manöver. Der technische Standard beschreibt dafür verknüpfte Verfahren und eigene Kriterien der Akzeptabilität und Nutzbarkeit. [17]

Volumen und Luftstrom beantworten unterschiedliche Fragen

Volumen wird beispielsweise in Litern angegeben; Luftstrom beschreibt eine Volumenänderung pro Zeit. In der Volumen-Zeit-Kurve entspricht die Steilheit dem jeweils erreichten Ausatemstrom. Zu Beginn einer kräftigen Ausatmung kann viel Volumen in kurzer Zeit abgegeben werden; im weiteren Verlauf ändert sich dieser Strom. [16]

Daraus ergeben sich zwei ergänzende Lesarten: Die Zeitkurve zeigt, wie viel insgesamt bis zu einem Zeitpunkt ausgeatmet wurde. Die Fluss-Volumen-Kurve zeigt, welcher Strom beim jeweils bereits bewegten Volumen vorlag. Beide Darstellungen beruhen auf demselben Manöver und heben unterschiedliche Eigenschaften hervor. [16]

Volumina und Kapazitäten im Zusammenhang

Wichtige Begriffe

FVC

Forcierte Vitalkapazität: bei einem forcierten Manöver insgesamt ausgeatmetes Volumen. [16]

FEV₁

Forciertes Exspirationsvolumen in der ersten Sekunde. [16]

FEV₁/FVC

Anteil des ersten Sekundenvolumens am forciert ausgeatmeten Gesamtvolumen. [16][18]

FRC

Gasvolumen am Ende passiver normaler Ausatmung. [17]

LLN

Untere Grenze der für die jeweilige Referenzverteilung erwarteten Werte. [18]

Körperplethysmografie

Messverfahren mit Kabine, das über Druck-Volumen-Beziehungen komprimierbares intrathorakales Gas erfasst. [17]

Häufige Fragen

Weiter im Zusammenhang

• Atmungssystem im Überblick
• Atemmechanik und Druckverhältnisse
• Atemregulation und alveoläre Ventilation
• Aufbau der leitenden Luftwege
• Alveolen und Gasaustausch