Diffusionskapazität und ihre Messung

Dieses Kapitel ist vor allem für Abschnitt F7(iv) des CICM-Primärlehrplans 2017 relevant, der von den Prüfungskandidaten erwartet, dass sie in der Lage sind, „die Diffusionskapazität und ihre Messung zu definieren“. Dies ist in den vergangenen CICM-Prüfungen mindestens einmal aufgetaucht, und zwar als unerwartetes Element in der Antwort auf Frage 20 der ersten Prüfung von 2012, die wie folgt lautete: „Nennen Sie die physiologischen Faktoren, die die Diffusion von Sauerstoff durch die Alveolarmembran beeinflussen“. Ein ernsthafter (wenn auch langatmiger) Versuch, diese Faktoren zu erforschen und die Frage durch eine wörtliche Auslegung zum Scheitern zu bringen, findet sich im Kapitel über die Diffusion von Gasen durch die Alveolarmembran. Hier soll es stattdessen speziell um die Diffusionskapazität gehen und wie sie bestimmt werden kann.

Zusammengefasst:

Es ist schwierig, einen einzelnen Artikel dazu zu empfehlen, da die meisten von ihnen sich auf einen bestimmten Aspekt konzentrieren und keiner einen kurzen, umfassenden Überblick zu bieten scheint, wie ihn sich ein zeitknapper Prüfungskandidat vielleicht wünscht. Eine vernünftige Quelle ist Hsia (2001), der sich etwas auf die Seite der belastungsinduzierten Veränderungen der DLCO neigt, und Ayers et al. (1975), der eine solide (wenn auch veraltete) Diskussion der verschiedenen Möglichkeiten darstellt, wie die DLCO pathologisch verringert werden kann. Wie bei allen Dingen, die mit Lungenfunktionstests zu tun haben, ist der exzellente PFTBlog eine ausgezeichnete Quelle, insbesondere in Bezug auf die Testmethoden der DLCO.

Definition der Diffusionskapazität

Auch wenn in der Frage nicht explizit danach gefragt wurde, war es eine ungeschriebene Erwartung der Prüfer in Frage 20 der ersten Prüfung 2012, dass die Auszubildenden die Diffusionskapazität im Zuge der Auflistung von Faktoren, die die Diffusion von Atemgasen beeinflussen, definieren würden. Nach dem eigenen Kommentar der Prüfer lautet die Definition für diesen Begriff:

„Die Diffusionskapazität ist definiert als das Gasvolumen, das pro Minute bei einer Partialdruckdifferenz von 1 mmHg durch die Membran diffundiert.“

Nunn’s definiert sie ein wenig anders:

„die Neigung eines Gases, infolge eines gegebenen Druckgradienten zu diffundieren“

Diffusionskapazität = Nettorate des Gastransfers / Partialdruckgradient

Diese Eigenschaft wird gewöhnlich als DL oder DL bezeichnet und in der Regel in Gasvolumen pro Druckeinheit pro Zeiteinheit gemessen; die SI-Einheiten sind beispielsweise mmol/min/kPa, und die traditionellen Einheiten sind ml/min/mmHg. Im Wesentlichen beschreibt dieser Parameter die Leichtigkeit, mit der Gase in das alveoläre Kapillarblut transportiert werden können, und ist daher eine praktische Destillation aller Faktoren, die die Diffusion von Atemgasen beeinflussen, in einer numerischen Darstellung.

Für Sauerstoff lautet die Gleichung:

DLO2 = Sauerstoffaufnahme / PO2-Gradient

Die Sauerstoffaufnahme ist gewissermaßen messbar, denn sie ist die Differenz zwischen dem gemischtvenösen und dem arteriellen Sauerstoffgehalt. Der PO2-Gradient ist hier jedoch die Differenz zwischen dem alveolären PO2 und dem pulmonalkapillären PO2, wobei letzterer im Grunde nie direkt gemessen werden kann. Unter verschiedenen Annahmen kann man schätzen, wie hoch der kapillare PO2 sein sollte, und einige Rückrechnungen durchführen. Aus irgendeinem seltsamen Grund scheint die einzige Quelle, die diesen Wert tatsächlich angibt, Gehr et al. (1981) zu sein, ein Buchkapitel über die vergleichende Atmungsphysiologie von Säugetieren. Dort findet man neben der Thompson-Gazelle und der Zwergmanguste auch den Wert für den Menschen, der mit 2,47 ml/mbar/sec angegeben wird. Ein verbindlicherer (aber immer noch nicht referenzierter) Wert, der in konventioneller Notation angegeben wird, findet sich im Lehrbuch von ER Weibel aus dem Jahr 1984, der 20-30ml/min/mmHg angibt.

Die Diffusionskapazität von Kohlendioxid ist noch schwieriger zu ermitteln. Nunn’s gibt keine Referenzen oder sogar exakte Messungen an, sondern liefert eine Zeile darüber, dass sie 20,5 mal größer ist als die Diffusionskapazität von Sauerstoff. Kaninchendaten von Heller et al. (1998) berichten von einem DLCO2 von 14,0 ml/mmHg/min.

Wie weiter unten gezeigt wird, stellen diese Werte – gemessen an ruhenden Personen – nicht das wahre Maximum der Diffusionskapazität der Lunge dar. Dies kann nur durch eine anstrengende körperliche Betätigung festgestellt werden, bei der die Zufuhr von Blut in die Kapillare erheblich zunimmt.

Messung der Diffusionskapazität

Natürlich ist das Gas, das Sie am meisten interessiert, der Sauerstoff, und daher wäre es irgendwie logisch, dieses Gas direkt zu messen, aber in Wirklichkeit gibt es mehrere praktische Hindernisse. Zumindest gab es diese Hindernisse, als die Frage der Messung der Diffusionskapazität erstmals aufkam. Um die DLO2 zu messen, müsste man in der Lage sein, sowohl die Sauerstoffaufnahme als auch den Partialdruckgradienten genau zu messen. Für den Gradienten müsste man den alveolengängigen Sauerstoff berechnen (was leicht zu bewerkstelligen ist) und dann den arteriellen Sauerstoff messen (als Surrogat für den pulmonalen endkapillaren Sauerstoff). Dann „muss die Spannung von O2 und CO2 im arteriellen Blut mit der von Riley entwickelten Mikrotonometertechnik gemessen werden – eine Technik, die viel Übung und Geschicklichkeit erfordert“, schrieb Dacie 1957, dem keine sauerstoffmessenden Clark-Elektroden zur Verfügung standen. Für den modernen Intensivmediziner, der jederzeit literweise Blut (sowohl venöses als auch arterielles) zur Entnahme bereithält und über genaue Instrumente zur Messung des Gasgehalts verfügt, scheint dies kein großes Hindernis zu sein. In der Vergangenheit war dies jedoch ein großes Problem, und es besteht nach wie vor eine gewisse Zurückhaltung bei der Entnahme arterieller Blutproben in der ambulanten Gruppe. Die Überweisungen würden schnell versiegen, wenn die Leute merken, was man mit ihnen vorhat.

Daher ist die Verwendung von Kohlenmonoxid historisch gesehen viel beliebter. Marie und August Krogh hatten es 1915 erstmals erfunden:

„Man nimmt ferner an, dass, wenn man einen kleinen Teil CO in das Blut übergehen lässt, sich das Gas praktisch augenblicklich mit dem Hämoglobin verbindet und der CO-Druck im Blut als 0 angenommen werden kann. Wenn also ein Gemisch aus CO und Luft für eine bestimmte Zeit in der Lunge eingeschlossen wird und der Abfall des CO-Anteils bestimmt wird, kann die Diffusion durch die Alveolarwand berechnet werden.“

Kurz gesagt, man gibt einem Patienten eine nicht tödliche und bekannte Dosis Kohlenmonoxid zum Einatmen. Der Patient hält diesen Atemzug zehn Sekunden lang an und atmet ihn dann wieder aus. Da Kohlenmonoxid nirgendwo anders hin kann als in die Erythrozyten, muss jede Differenz zwischen der eingeatmeten und der ausgeatmeten CO-Menge über die Blut-Gas-Schranke diffundiert und an Hämoglobin gebunden sein. In der Gleichung bedeutet dies:

DLCO = Kohlenmonoxidaufnahme / Kohlenmonoxidgradient

die Kohlenmonoxidaufnahme ist die „fehlende“ Differenz zwischen eingeatmetem und ausgeatmetem CO, und der Gradient wird zwischen dem alveolengängigen Partialdruck von CO (der bekannt ist, weil Sie ihn angegeben haben) und dem arteriellen Partialdruck von CO (der 0 mmHg beträgt, weil wir wissen, dass alles CO am Ende an Hämoglobin gebunden wird) angenommen. Die Messung der DLCO kann also nicht-invasiv erfolgen.

Es gibt drei Hauptmethoden für die Messung der DLCO: die Einzelatemmethode, die Steady-State-Methode und die Rückatemmethode. Die Einatemmethode wird in dem ausgezeichneten ERS/ATS-Standardwerk (Cotes et al., 1993), aus dem der Autor einige erläuternde Bilder „entliehen“ hat, sehr ausführlich beschrieben. Die Technik der Rückatmung wird hier und die Steady-State-Methode hier im Detail beschrieben. Da von den CICM-Prüfungskandidaten keine vertieften Kenntnisse zu diesem Thema erwartet werden (können), soll hier eine Zusammenfassung genügen:

Einzelatem-Methode zur Messung der DLCO

• Idealerweise sollte vor der Messung eine Zeit lang Raumluft geatmet werden
• Zuerst atmet der Patient maximal aus (bis zum RV)
• Der Patient atmet dann ein Gasgemisch aus 0.3% Kohlenmonoxid und 10% Helium
  (das Helium dient zur Messung des Alveolarvolumens)
• Dies ist ein Atemzug mit Vitalkapazität (d.h.
• Der Patient hält diesen Atemzug zehn Sekunden lang an
  • Dieser Atemzug soll die gleichmäßige Verteilung des Kohlenmonoxids auf alle Lungeneinheiten sicherstellen, unabhängig von ihrer Zeitkonstante
  • Es ist wichtig, zu diesem Zeitpunkt Valsalva-Atemzüge zu vermeiden, da sie das intrathorakale Blutvolumen beeinflussen und den DLCO-Wert fälschlicherweise verringern können.
• Der Patient atmet dann aus.
  • Die ersten 0,75 Liter werden vollständig ignoriert, da dies als Totraumgas betrachtet wird und nicht repräsentativ für den Rest ist.
• Dann wird eine Gasprobe entnommen
  • Aus der exspiratorischen Heliumkonzentration kann das gesamte Alveolarvolumen gemessen werden (dies ist eine klassische Anwendung der Tracergasverdünnungsmessung zur Messung des Lungenvolumens)
  • Die Kohlenmonoxidaufnahme kann aus der Differenz zwischen dem eingeatmeten und dem ausgeatmeten Partialdruck
  • Der Partialdruckgradient für Kohlenmonoxid kann aus dem ausgeatmeten Partialdruck bestimmt werden

Rückatmungsmethode DLCO

• Dies ist praktisch dasselbe wie die Einzelatemmethode, mit der Ausnahme, dass der Atem nicht angehalten wird.
• Der Patient wird dazu gebracht, schnell zu atmen (die empfohlene Atemfrequenz beträgt 30), während er aus einem Behälter mit einer bekannten Gasmenge und einem bekannten Gasvolumen atmet, das 0,3 % Kohlenmonoxid und 10 % Helium enthält
• Die Gasmenge in dem Beutel wird in der Regel so eingestellt, dass sie ungefähr dem Tidalvolumen des Probanden entspricht, d. h. er entleert sich während der Inspiration vollständig
• Nach einer solchen schnellen Atmung wird eine Gasprobe entnommen
• Die Berechnung des Alveolarvolumens und der Kohlenmonoxidaufnahme kann dann auf genau dieselbe Weise erfolgen wie bei einem einzelnen Atemzug
• Aus irgendeinem Grund ist diese Technik in der klinischen Praxis praktisch unbekannt und wird anscheinend hauptsächlich in Situationen angewandt, in denen die DLCo gemessen werden muss, ohne den Atemrhythmus der Testperson wesentlich zu unterbrechen, z. B. wenn die Person auf einem Trainingsrad in die Pedale tritt.

Steady-State-Methode zur Messung der DLCO

• Die Testperson atmet ein kontrolliertes Gasgemisch ein, das 0,3 % Kohlenmonoxid enthält.
• Das ausgeatmete Gas wird in einem Beutel gesammelt
• Nach einer gewissen Zeit der Atmung (lange genug, um einen stationären Zustand zu erreichen) wird das ausgeatmete Gas analysiert
• Die Kohlenmonoxidabgabe und das Volumen des ausgeatmeten Gases sind bekannt, so dass sich die Kohlenmonoxidaufnahme leicht berechnen lässt.
• Die alveolengängige Kohlenmonoxidkonzentration kann anhand einer modifizierten Form der Alveolengasgleichung berechnet werden
• Auch diese Technik scheint in der klinischen Routinepraxis praktisch unbekannt zu sein; Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie in keiner Weise von der Mitarbeit des Patienten abhängig ist, so dass sie auch bei unkooperativen oder sedierten Personen eingesetzt werden kann

Faktoren, die die Diffusionskapazität beeinflussen

Die Gleichung, die diesen Parameter beschreibt, ist recht einfach, und die Faktoren, die ihn beeinflussen, lassen sich in Gaseigenschaften und Eigenschaften des Atmungssystems unterteilen. Ein Gas mit einer höheren Diffusionskapazität kann die Blut-Gas-Schranke bei einem bestimmten Druckgradienten leichter überwinden als ein Gas mit einer geringeren Diffusionskapazität. Ebenso können sich die Eigenschaften des Atmungssystems in einer Weise ändern, die die Diffusionskapazität für dasselbe Gas und bei gleichem Partialdruckgradienten erhöhen oder verringern kann. Von den Eigenschaften des Atmungssystems können sich vor allem drei Faktoren ändern: entweder ändert sich die Oberfläche, oder die Membrandicke, oder die Aufnahme des Gases durch die roten Blutkörperchen wird irgendwie verändert. Man kann eine einprägsame Liste in Punktform erstellen, um diese Faktoren für die Zwecke der Prüfungsvorbereitung zu beschreiben. Also:

• Faktoren, die die Gaseigenschaften beeinflussen
  • Alle Faktoren, die den Diffusionskoeffizienten des Gases beeinflussen, werden dabei eine Rolle spielen, darunter:
    • Dichte des Gases
    • Größe der Moleküle
    • Temperatur des Mediums
• Faktoren, die die Gasaustauschfläche beeinflussen
  • Alter (mit zunehmendem Alter nimmt die gesamte verfügbare Oberfläche ab, unabhängig von den anderen Faktoren)
  • Körpergröße: Körpergröße beeinflusst die Größe der Lunge
  • Lungenvolumen
    • Je größer das Lungenvolumen, desto größer die Diffusionskapazität, d.e. Wenn man zwischen Individuen vergleicht, sollte man eine Metrik verwenden, die auf das Alveolarvolumen bezogen ist (z.B. Diffusionskapazität pro Liter Alveolarvolumen)
    • Alles, was das Lungenvolumen beeinflusst, ist daher eine potentielle Fehlerquelle, z.B. Lungenerkrankungen, Körperhaltung, Übergewicht, Schwangerschaft usw.
  • Faktoren, die die Ventilations-Perfusions-Charakteristik verändern:
    • Shunt: es findet keine Diffusion statt
    • Totraum: es findet keine Diffusion statt
    • V/Q-Streuung: Es findet eine ineffiziente, unvollständige Diffusion statt
• Faktoren, die die Membraneigenschaften beeinflussen
  • Dies sind im Wesentlichen die Krankheitszustände, die die Dicke der Blut-Gas-Schranke erhöhen, dazu gehören:
    • Lungenödem
    • Interstitielle Lungenerkrankung, z. B. Lungenfibrose
  • Streng genommen müsste man hier die Viskosität des Mediums (d.h. des Zytosols, der Basalmembran und des Kapillarplasmas) einbeziehen. Praktisch handelt es sich jedoch um stabile Elemente, die vernachlässigt werden können.
• Faktoren, die die Aufnahme durch Erythrozyten beeinflussen
  • Die Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff
  • Hämoglobinkonzentration
  • Herzleistung (insofern sie die kapillare Transitzeit beeinflusst
• Fehlerquellen
  • Verlust von Kohlenmonoxid an extravaskuläres alveoläres Hämoglobin, z.B.. im Zusammenhang mit alveolärer Hämorrhagie aufgrund des Goodpasture-Syndroms
  • Vorhandensein von „hausgemachtem“ Kohlenmonoxid aufgrund von Rauchen oder extensivem Hämoglobinabbau (z. B. intravaskuläre Hämolyse), die die CO-Aufnahme einschränken könnte
  • Konkurrenz zwischen CO und Sauerstoff (wenn der Patient z. B. zuvor 100 % FiO2 geatmet hat)
  • Die Hämoglobinkonzentration kann, wenn sie niedrig ist, die DLCO-Messung fälschlicherweise verringern, obwohl die Leistung des alveolären/kapillaren Komplexes völlig gesund bleibt

Wenn man genau hinschaut, kann man feststellen, dass diese Liste praktisch identisch ist mit der Liste der Faktoren, die die Diffusion von Gasen durch die Alveolarmembran beeinflussen, mit der bemerkenswerten Ausnahme des Partialdruckgradienten (der in die Definition der Diffusionskapazität einfließt) und der verschiedenen Faktoren im Zusammenhang mit Messfehlern.

Änderung der Diffusionskapazität bei körperlicher Anstrengung

Manch einer könnte sagen, dass die Diskussion über die Diffusionskapazität in Ruhe eine falsche Bezeichnung ist, weil sie sich auf ein unbelastetes System bezieht, das in Wirklichkeit eine viel höhere Diffusionskapazität hat. In der Tat steigt die DLO2 bei intensiver körperlicher Betätigung von 20-30 ml/min/mmHg auf etwa 100-120 ml/min/mmHg an, was der „echten“ Diffusionskapazität entspricht. Dieser Anstieg ist darauf zurückzuführen, dass die Sauerstoffaufnahmerate in der Gleichung (DLO2 = Sauerstoffaufnahme / PO2-Gradient) deutlich zunimmt. Es bedarf keiner großen Vorstellungskraft, um zu erklären, warum dies so sein könnte. Man bedenke: Das Minutenvolumen nimmt zu, nicht nur wegen der erhöhten Atemfrequenz, sondern auch wegen der Zunahme des Tidalvolumens. Mit dem vergrößerten Lungenvolumen vergrößert sich auch die gesamte alveoläre Gasaustauschfläche. Außerdem wird das Herzzeitvolumen erhöht. Dadurch wird die Blutversorgung der Pulmonalkapillaren erhöht. Dadurch ändert sich die V/Q-Verteilung, da mehr Kapillaren in Lungenregionen rekrutiert werden, die zuvor entweder „echter“ Totraum waren oder einen V/Q von viel mehr als 1,0 hatten. Um dies in einer schmackhaften Form zusammenzufassen:

Bei körperlicher Betätigung verändern sich die beiden Hauptelemente, die die Diffusionskapazität beeinflussen:

• Die Sauerstoffaufnahme in den Lungenkapillaren nimmt zu, weil:
  • Oberfläche vergrößert sich (größere Tidalvolumina)
  • Pulmonaler Blutfluss vergrößert sich (erhöhtes Herzzeitvolumen)
  • V/Q-Anpassung verbessert sich (Bereiche mit hoher Ventilation erhalten größeren Blutfluss, und ruhende Kapillarbetten werden rekrutiert)
• Partialdruckgradient in den Lungenkapillaren vergrößert sich, weil:
  • Das Sauerstoffextraktionsverhältnis steigt, wodurch der PO2 des gemischten Venensystems sinkt
  • Eine erhöhte Minutenventilation senkt den alveolären PCO2 (und erhöht somit den alveolären PO2,
  • Eine erhöhte Zufuhr von Hämoglobin an die Absorptionsoberfläche wirkt als Sauerstoffsenke und hält einen niedrigen Kapillarpartialdruck aufrecht

Welchen Anstieg des DLO2 sollten wir erwarten? Die Antwort des Kollegiums auf Frage 20 aus dem ersten Papier von 2012 geht darauf in einer kryptischen Bemerkung ein: „…die alveoläre Ventilation nimmt zu und es gibt eine bessere Abstimmung zwischen Ventilation und Perfusion, die von 21ml/min/mmHg bis zu 65ml/min/mmHg ansteigt“.
Vermutlich beziehen sich die in der zweiten Hälfte dieses obiter dictum zitierten Werte auf Veränderungen der DLCO und sind von einer seriösen Quelle abgeleitet, aber wer weiß, wo das ist. Im Allgemeinen erwartet man, dass sie aus einem Lehrbuch stammen, und Lehrbuchwerte stammen in der Regel aus Studien, die in den 1960er Jahren durchgeführt wurden. Ohne genau zu wissen, welche mittelalterliche Quelle die Prüfer im Sinn hatten, ist die Suche nach aussagekräftigen, von Fachleuten überprüften Referenzen im Wesentlichen dasselbe wie das Werfen von Pfeilen auf die Literatur. Eine kurze Suche ergibt zum Beispiel eine Studie von Turino et al. (1963), deren gesunde Probanden DLCO-Werte in Ruhe von 18 bis 22 und bei Belastung von 55 bis 64 ml/min/mmHg aufwiesen. Dies scheint in etwa richtig zu sein, und auf jeden Fall kann man sich kein Universum vorstellen, in dem das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der exakten Zahlen hier der entscheidende Faktor für das Abschneiden bei einer Prüfung sein würde.