Beschwerden bei körperlicher Anstrengung wie Kurzatmigkeit oder verminderte Leistungsfähigkeit stellen häufig beklagte Symptome im ärztlichen Alltag dar. Ergänzend zu kardiologischen und pneumologischen Untersuchungen bietet sich entsprechend dem belastungsassoziierten Charakter derartiger Beschwerden die Durchführung eines Belastungstests an. Mittels dieser Tests kann die Symptomatik nicht nur reproduziert, sondern unter differenzialdiagnostischen Gesichtspunkten häufig bereits eine Aussage über das verantwortliche Organsystem getroffen werden. Belastungsuntersuchungen werden zudem zur Beurteilung des Schweregrades einer Erkrankung, zur krankheitsbezogenen oder prozedurenbezogenen Risikostratifikation, zur Trainingssteuerung in Prävention und Rehabilitation sowie zur Verlaufsbeurteilung einer therapeutischen Intervention eingesetzt. In der Arbeitsmedizin dienen Belastungsuntersuchungen zur objektiven Beurteilung einer Minderung der körperlichen Belastbarkeit, die Rückschlüsse auf das berufliche Einsatzgebiet ermöglicht. Im vorliegenden Kapitel werden vor allem wichtige Verfahren in der Pneumologie dargestellt mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Spiroergometrie.
Beschwerden bei körperlicher Anstrengung wie Kurzatmigkeit oder verminderte Leistungsfähigkeit stellen häufig beklagte Symptome im ärztlichen Alltag dar. Ergänzend zu kardiologischen (Kap. „EKG“ und Kap. „Echokardiographie“) und pneumologischen (Spirometrie, Ganzkörperplethysmographie, arterielle Blutgase in Ruhe, CO-Diffusionskapazität) Untersuchungen bietet sich entsprechend dem belastungsassoziierten Charakter derartiger Beschwerden die Durchführung eines Belastungstests an (Meyer et al. 2013). Mittels dieser Tests kann die Symptomatik nicht nur reproduziert, sondern unter differenzialdiagnostischen Gesichtspunkten häufig bereits eine Aussage über das verantwortliche Organsystem (Herz, Lunge, Kreislauf, Muskulatur) getroffen werden. Belastungsuntersuchungen werden zudem zur Beurteilung des Schweregrades einer Erkrankung, zur krankheitsbezogenen (z. B. kardiovaskulär) oder prozedurenbezogenen (z. B. präoperativen) Risikostratifikation, zur Trainingssteuerung in Prävention und Rehabilitation sowie zur Verlaufsbeurteilung einer therapeutischen Intervention eingesetzt. In der Arbeitsmedizin dienen Belastungsuntersuchungen zur objektiven Beurteilung einer Minderung der körperlichen Belastbarkeit, die Rückschlüsse auf das berufliche Einsatzgebiet ermöglicht (Kap. „Berufserkrankungen in der Pneumologie“). Im vorliegenden Kapitel werden vor allem wichtige Verfahren in der Pneumologie dargestellt mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Spiroergometrie . Hinsichtlich primär kardiologischer Belastungsverfahren sei auf entsprechende Sektionen des Referenzwerks Innere Medizin verwiesen.
Methodische Aspekte
Indikationen und Kontraindikationen
Zur Abklärung belastungsassoziierter Beschwerden ist eine Belastungsuntersuchung häufig indiziert. Aufgrund des erhöhten Aufwandes bei der Durchführung ist die Indikation sorgfältig zu stellen; zudem sind abhängig vom Beschwerdebild und bereits bekannter Grunderkrankungen einige relative und absolute Kontraindikationen zu beachten, die entweder nur eine submaximale Ausbelastung zulassen oder eine Belastungsuntersuchung gänzlich verbieten. Tab. 1 fasst die wichtigsten Indikationen und Kontraindikationen zusammen. Unter Beachtung dieser Punkte treten Komplikationen im Rahmen von Belastungsuntersuchungen insgesamt selten auf. In der Literatur werden Raten von ca. 2–5 Zwischenfällen pro 10.000 Untersuchungen angegeben, davon ca. 0,5 allerdings mit tödlichen Folgen (Balady et al. 2010). Neben der Kenntnis patientenbezogener Faktoren erfordert die Durchführung von Belastungstests daher ausreichende Erfahrung im Hinblick auf eine korrekte Interpretation von Befundveränderungen während laufender Untersuchung.
Tab. 1
Indikationen und Kontraindikationen für Belastungsuntersuchungen in der Pneumologie. (Modifiziert nach Meyer et al. 2013)
- Epilepsie mit Risiko eines Anfalls unter Belastung
- Fortgeschrittene Schwangerschaft
- Elektrolytentgleisung
Technische und personelle Voraussetzungen
Die Indikation zu einer Belastungsuntersuchung wird durch den behandelnden Arzt gestellt, dem es entsprechend obliegt, mittels sorgfältiger Anamnese, körperlicher Untersuchung und zumindest einem Ruhe-EKG das Grundrisiko des Patienten vor einer körperlichen Anstrengung einzuschätzen. Auch ist es wichtig, den Patienten über Art und Ablauf des durchzuführenden Tests aufzuklären, da dies ganz entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Durchführung und damit die Aussagekraft haben kann. Im Falle invasiver Verfahren wie eines Rechtsherzkatheters mit Belastung sind standardisierte Aufklärungsbögen mit entsprechend schriftlich erteiltem Einverständnis des Patienten notwendig. Wenngleich nicht in schriftlicher Form Pflicht, muss auch bei alltäglicheren Verfahren wie der Spiroergometrie oder der Laktatdiagnostik über deren grundsätzlich invasiven Charakter (Blutgasanalyse, Laktatentnahmen) informiert werden.
Die Untersuchungsbedingungen sollten immer möglichst standardisiert sein, was besonders für vergleichende Verlaufsuntersuchungen, z. B. Sechs-Minuten-Gehtest, wichtig ist. Gerade die Spiroergometrie erfordert das Beachten definierter Umgebungsbedingungen wie Raumtemperatur (18–24 °C) und Luftfeuchte (30–60 %), da Abweichungen dieser Parameter relevante Einflüsse auf die Messergebnisse haben können. Eine Notfallausrüstung sollte in jedem Fall selbst bei vermeintlich Gesunden (z. B. Leistungsdiagnostik bei Sportlern) griffbereit zur Verfügung stehen; zudem sollte ein in Notfällen erfahrener Arzt zumindest in unmittelbarer Nähe bzw. bei Risikopatienten auch durchgehend anwesend sein. Nicht selten kommt es auch bei Gesunden bei maximaler Ausbelastung zu vagotonen Reaktionen mit plötzlichem Blutdruckabfall und Präkollapssymptomatik; es ist daher ratsam, auch eine Liege sowie einen Infusionsständer in erreichbarer Nähe vorzuhalten.
Auswahl der Belastungsform
Das gewählte Belastungsverfahren muss die körperlichen Voraussetzungen und Vorerkrankungen des Patienten sowie die Zielfragestellung im Kontext der Problematik des Untersuchten berücksichtigen. Bei älteren, multimorbiden oder fortgeschritten pneumologisch erkrankten Patienten mit deutlich reduzierter Belastbarkeit bieten sich gerade im Rahmen einer Rehabilitation primär standardisierte Gehtests an. Bei ausreichender Belastbarkeit und körperlicher Eignung werden in aller Regel Ergometrien nach verschiedenen Protokollen (s. u.) durchgeführt.
Weit verbreitet ist in Deutschland die Fahrradergometrie , die von einer Mehrheit der Patienten aufgrund geringerer Anforderungen an Koordination und Gleichgewicht leichter durchgeführt werden kann. Zudem hat das Körpereigengewicht im Gegensatz zum Laufband hier keinen nennenswerten Einfluss auf die Beziehung zwischen Sauerstoffaufnahme und Wattleistung. Eine Fahrradergometrie kann in sitzender, halbliegender oder liegender Position durchgeführt werden; letztere Positionen führen aufgrund der höheren Belastung der Oberschenkelmuskulatur meist früher zur Erschöpfung mit entsprechend niedrigeren Maximalparametern, was besonders bei Verlaufsuntersuchungen berücksichtigt werden muss. Andererseits sind Untersuchungen im Liegen für körperlich beeinträchtigte Patienten ggf. besser umsetzbar und können mit einer Stressechokardiographie oder einem Rechtsherzkatheter verbunden werden.
Laufbänder sind im angloamerikanischen Sprachraum sowie auch in einigen europäischen Ländern (z. B. Skandinavien) sehr verbreitet. Häufig werden sie bei Patienten zur Durchführung spezieller, in verschiedentlich modifizierten Formen vorliegender Protokolle eingesetzt (Balke, Bruce, Naughton, Tab. 2), bei denen neben Erhöhungen der Laufbandgeschwindigkeit auch eine Erhöhung der Laufbandsteigung zur Intensitätssteigerung eingesetzt wird. Laufbanduntersuchungen erfordern in aller Regel einen höheren Einsatz an Muskelmasse, was relativ zur Wattleistung auf dem Fahrrad zu einer höheren Sauerstoffaufnahme führen kann (Christensen et al. 2004; Hsia et al. 2009). Es gibt allerdings auch Daten z. B. bei COPD-Patienten, die keinen Unterschied hinsichtlich der Zielparameter gezeigt haben (Mathur et al. 1995), sodass vorwiegend ein individueller Einsatz je nach klinischer Situation des Patienten erwogen werden kann.
Tab. 2
Beispiele standardisierter Laufbandprotokolle (Zahlen bedeuten: Laufbandgeschwindigkeit [km/h]/Neigungswinkel [%]/Stufendauer [min]). Es existiert allerdings eine Reihe von Modifikationen (Bruce und McDonough 1969; Nagle et al. 1965; Naughton et al. 1964)
Stufe
Bruce
Balke
Naughton
1
2,7/0/3
5,3/0/1
3,2/0/3
2
2,7/5/3
5,3/2,5/1
3,2/3,5/3
3
2,7/10/3
5,3/5/1
3,2/7/3
4
4,0/12/3
5,3/7,5/1
3,2/10,5/3
5
5,4/14/3
5,3/10/1
3,2/14/3
6
6,7/16/3
5,3/12,5/1
3,2/17,5/3
7
8/18/3
5,3/15/1
4,8/12,5/3
8
8,8/20/3
5,3/17,5/1
4,8/15/3
9
5,3/20/1
4,8/17,5/3
10
4,8/20/3
11
4,8/22,5/3
12
5,5/20/3
In der Sportmedizin ermöglicht der Einsatz von Laufbändern entsprechend der dominierenden Bewegungsform einer Sportart eine spezifischere Leistungsbeurteilung (u. a. Leichtathletik, Marathon, Fußball). Spezielle ergometrische Belastungsformen sind hier u. a. große Laufbänder für z. B. Langläufer und Biathleten, Ruderergometer, Handkurbelergometer für behinderte Sportler oder Feldtests auf der Bahn bei gleichzeitiger Testung größerer Mannschaften. Führendes Ziel der sportmedizinischen Belastungsuntersuchung ist die Beurteilung des muskulären Energiestoffwechsels unter ansteigender Belastung mit der Möglichkeit, aerobe und anaerobe Trainingsbereiche festzulegen. Im vorliegenden Kapitel wird aufgrund des pneumologischen Schwerpunkts nicht näher auf diese Belastungsformen eingegangen.
Eine vergleichende Übersicht über Vor- und Nachteile von Fahrrad- und Laufbandergometern gibt Tab. 3.
Tab. 3
Vergleich Fahrrad- versus Laufbandergometrie
Parameter
Fahrradergometrie
Laufbandergometrie
\( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O 2max
↔
↑
Herzfrequenz
↔
↑
Einsatz Muskelmasse
↔
↑
Platzbedarf
↓
↑
Kosten
↔
↑
Koordination
↑
↓
Übergewicht
Weniger Einfluss
Stärkerer Einfluss
EKG-Beurteilung
↑
↓
Blutdruckmessung
Stufenbezogen
Vorher/nachher
Laktatentnahme
Während Belastung
Pause notwendig
Protokollgestaltung
Belastungsuntersuchungen auf Ergometern sollten idealerweise bis zur symptomlimitierten Ausbelastung des Patienten durchgeführt werden. Das reine Erreichen von Sollwerten (s. u.) kann zwar eine Hilfestellung zur Beurteilung des Ausbelastungsgrades darstellen, ist aber u. U. mit der Gefahr der Verkennung einer tatsächlich individuell deutlich höheren Belastbarkeit und damit dem Übersehen relevanter Befundveränderungen verbunden. Bei Kontraindikation für eine maximale Belastung oder bei speziellen Fragestellungen sind allerdings auch Protokolle etabliert, die submaximale Parameter im Sinne der Ausdauerleistungsfähigkeit evaluieren.
Die Gesamtdauer einer Belastung sollte, sofern nicht protokollbedingt eindeutig festgelegt (z. B. 6-Minuten-Gehtest, Bruce-Protokoll, spezielle sportmedizinische Protokolle), 8–12 Minuten bei Rampenbelastungen oder 5–6 Belastungsstufen bei Stufenprotokollen nach Möglichkeit nicht unter- oder überschreiten. Kürzere Belastungszeiten mit zu starker Steigerung der Wattleistung können zu vorzeitiger Ermüdung und Überforderung des Patienten sowie eingeschränkter Beurteilung v. a. submaximaler Parameter führen; längere Belastungen führen gegenteilig zu vorzeitiger submaximaler Verausgabung und damit womöglich unzureichender maximaler Ausbelastung. Vor der Belastung sollte generell eine 3-minütige Ruhephase eingehalten werden, die ein Einpendeln („steady-state“) der Ruheparameter bei häufig initial noch erhöhter Anspannung des Patienten ermöglicht. Nach Belastung sind dagegen in der Regel 5-minütige Erholungsphasen etabliert mit einer Leerlaufphase bzw. einer noch geringen Belastung in den ersten 2–3 Minuten und anschließend folgender vollständiger Ruhephase. Im Folgenden werden die wichtigsten Belastungsprotokolle zusammenfassend dargestellt.
Rampenprotokolle
Bei dieser Belastungsform werden kontinuierliche Steigerungen („Rampe“) der Belastung alle 10 bis maximal 60 Sekunden gewählt (Meyer et al. 2013). Derartige Belastungsanstiege wurden vor allem durch die Verbesserung der zeitnahen Messwertberechnung ermöglicht („breath-by-breath“) und haben den Vorteil einer in der Regel gleichmäßigen Adaptation spiroergometrischer Messwerte an die jeweilige Belastungsstufe mit meist sehr guter Beurteilung submaximaler und maximaler Parameter. Das Erreichen einer Belastungsdauer von 8–12 Minuten setzt zur Programmierung der Rampensteigerung eine Abschätzung der erwarteten Maximalleistung des Patienten voraus; allerdings gibt es auch Anhaltspunkte, dass valide Messungen der Sauerstoffaufnahme in größeren Zeitfenstern (5–26 min) möglich sind (Midgley et al. 2008). Geeignete Steigerungen der Belastbarkeit in Watt pro Minute (S) können anhand der folgenden Formel ermittelt werden (ATS/ACCP 2003):
Bei erniedrigter FEV1 (<80 %) ist die Eingangsstufe entsprechend der prozentualen Einschränkung der FEV1 gegenüber dem Sollwert zu reduzieren.
Zusätzlich zur oben erwähnten 3-minütigen Ruhephase zu Beginn der Belastung hat es sich bei der Durchführung von Rampenprotokollen bewährt, eine weitere (1- bis) 3-minütige Leerlaufphase (unloaded pedaling) dem eigentlichen Belastungsbeginn vorzuschalten, um den Patienten an die Belastungsform heranzuführen und in den Organsystemen einen steady state unter „Bewegung ohne Last“ (im engeren Sinne bei 0 Watt) herbeizuführen.
Stufenprotokolle
Hier erfolgt der Belastungsanstieg mittels zuvor festgelegter Stufen mit einer Dauer von (je nach Fragestellung) 2–5 Minuten. Kürzere Stufendauern sind in der Kardiologie etabliert, bei der die Messung von stufenbezogenem Blutdruck sowie die EKG-Beurteilung im Vordergrund stehen (Kap. „EKG/Belastungs-EKG“), längere Stufen werden dagegen in der Sportmedizin im Falle einer Laktatdiagnostik gewählt, bedingt durch das pro Belastungsstufe notwendige „steady-state“ des Laktatwertes, welches ab einer Dauer von drei Minuten zu erwarten ist. Allgemein ist ein „steady state“ für hämodynamische Parameter nach einer Belastungsstufe von drei Minuten und für Parameter des Gasaustausches nach fünf Minuten zu erwarten (Meyer et al. 2013). Je nach Trainingszustand bzw. körperlicher Voraussetzung des Patienten wird mit 20–50 Watt begonnen, bei Trainierten auch mit 80–100 Watt; das Inkrement erfolgt in der Regel mit Werten zwischen 20–50 Watt. Größere Wattstufen wirken sich zwar auf eine Steigerung der Leistung (Watt) aus, haben aber keinen relevanten Einfluss auf Parameter des Gasaustausches, z. B. VO 2max. Stufenprotokolle bieten den beim Laktat bereits erwähnten Vorteil eines steady states hämodynamischer und metabolischer Parameter auf dem jeweiligen Belastungsniveau, was eine exakte Zuordnung von Befunden und Messparametern zur jeweiligen Belastungsintensität ermöglicht. Nachteil ist die nicht immer sichere Abschätzung der Gesamtdauer einer Belastung sowie die mitunter erschwerte Beurteilbarkeit submaximaler und maximaler Belastungswerte.
Stufenprotokoll zur Analyse des Gasaustausches
Dieses Protokoll stellt einen Sonderfall eines Stufenprotokolls dar mit allerdings vergleichbarer Zielsetzung eines möglichst sicheren „steady-state“ des Gasaustausches, der in aller Regel nach etwa 5 Minuten gleichbleibendem Belastungsniveau erreicht ist. Dazu werden entsprechend 2–3 jeweils 5-minütige Belastungsstufen bei moderater bis allenfalls submaximaler Intensität gewählt. Bei einer Intensität >50 % der maximalen Leistungsfähigkeit ist vor allem bei stark limitierten Patienten kein sicherer „steady-state“ mehr zu erreichen. Die Wahl der Stufen erfolgt vorwiegend nach klinischen Kriterien der Belastungseinschränkung; die Blutgasanalyse erfolgt jeweils in der letzten Minute der Belastungsstufe.
Protokoll mit konstanter Belastungsstufe („constant workload test“)
Für spezielle Fragestellungen nach der Ausdauer („endurance“) werden Belastungstests auf nur einer Stufe durchgeführt (meist moderat bei 30–40 % \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2 max bzw. 50–70 % Wattmax. Die vom Patienten erreichte Dauer eines solchen Tests kann z. B. zur Beurteilung von Therapieeffekten bei COPD herangezogen werden; hier wurden Verbesserungen im Verlauf um 33 % gegenüber der Ausgangszeit bzw. eine „minimal clinically important difference“ von 1,35 Minuten beschrieben (Casaburi und Porszasz 2009). In der Sportmedizin können derartige Dauertests in der Differenzialdiagnostik mitochondrialer Myopathien eingesetzt werden, da hier bereits bei sehr niedrigen Belastungsstufen ein überwiegend anaerober Stoffwechsel einsetzt mit ungewöhnlich hohen Laktatanstiegen. Konstante Belastungstests bei möglichst hohen, submaximalen Belastungen (80 % \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2 max) finden auch in der Diagnostik des Anstrengungsasthmas Anwendung mit dem Ziel der Induktion obstruktiver Reaktionen in anschließend wiederholt durchgeführten Lungenfunktionsprüfungen. Abb. 1 fasst schematisch die genannten grundsätzlichen Protokolle zusammen.
Abb. 1
Schematische Darstellung grundlegender Belastungsprotokolle in der Pneumologie
×
Sollwerte und Ausbelastungskriterien
Die im Rahmen einer Belastungsuntersuchung erreichte Leistung kann durch Vergleich mit Sollwerten oder anhand von Ausbelastungskriterien beurteilt werden. In der Literatur werden mittlerweile zahlreiche Referenzwerte für die im Normalfall zu erreichende \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2 max, die maximale Wattleistung, Herzfrequenz oder weitere Leistungsparameter angegeben (ATS/ACCP 2003; Koch et al. 2009); siehe auch Abschn. 3.2). Grundsätzlich wichtig für die Interpretation des Abbruchs der Belastung ist die Differenzierung zwischen mangelnder Motivation („könnte, aber will nicht“) und objektiver Limitierung durch z. B. Organdysfunktionen („will, aber kann nicht“). Die Gründe für den Abbruch einer Belastung sollten daher entsprechend jeweils dokumentiert werden, da sie zur differenzialdiagnostischen Beurteilung beitragen können. Gängige Abbruchgründe von Patientenseite sind Dyspnoe (kardiopulmonal, Anämie), periphere Ermüdung (Trainingsmangel, krankheitsbedingte muskuläre Dekonditionierung), Bein- (Kap. „Periphere arterielle Verschlusskrankheit“) oder Thoraxschmerz (Kap. „Stabile koronare Herzerkrankung“); objektive Abbruchgründe umfassen u. a. Rhythmusstörungen, Blutdruckerhöhungen oder ischämieverdächtige EKG-Veränderungen.
Die Beurteilung einer tatsächlich erzielten objektiven Ausbelastung ist insgesamt umstritten und wird in der Spiroergometrie meist anhand einer Kombination von qualitativen (z. B. Erreichen eines Plateau der \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O 2) und quantitativen (z. B. „respiratory exchange ratio“ [RER] >1,1) erfasst. In der Praxis ist es häufig noch üblich, anhand einer traditioneller Ausbelastungskriterien ( wie zum Beispiel bei Erreichen der „altersentsprechenden“ maximalen Herzfrequenz) abzubrechen. Wie bereits erwähnt, kann ein solches Vorgehen allerdings zu frühzeitigem Abbruch mit unzureichender Beurteilbarkeit der Untersuchung führen. Bei Fehlen objektiver Abbruchkriterien von ärztlicher Seite sollte nach Möglichkeit das Belastungsende daher primär immer von Patientenseite angezeigt werden.
Hilfreich und empfehlenswert ist die Anwendung der Borg-Skala („category ratio“ [CR] bzw. „rating of perceived exertion“ [RPE]), die eine subjektive Einschätzung des stufenbezogenen Anstrengungsgrades sowie auch des Ausmaßes einer Dyspnoe unter Belastung anhand einer vorgegebenen Zahlenskala ermöglicht (Borg 2004; Tab. 4). In regelmäßigen Abständen bzw. bei jeweiligem Stufenende wird der Patient mittels Vorhalten der Skala nach einer Einschätzung seines Anstrengungsgrades gefragt. Diese zunächst subjektive Einschätzung unterstützt nicht nur die Beurteilung des erreichten Belastungsgrades, sondern ermöglicht oft auch eine Abschätzung der noch zu erwartenden Belastungsdauer; zudem ist eine gute Korrelation der Skala mit dem Energiestoffwechsel beschrieben (Scherr et al. 2013). Die Skala sollte dem Patienten entsprechend vor der Belastung gut erklärt werden. Bei COPD-Patienten zeigte die Borg-Skala eine Test/Retest-Variabilität nach wenigen Tagen von 3 ± 1 %, nach sechs Wochen intraindividuell von 14 ± 9 % (Muza et al. 1990). Die Variabilität ist damit zwar größer als objektive Messgrößen, aber als subjektive Einschätzung von Symptomschweregraden eignet sich die Skala dennoch sehr gut für Verlaufsbeobachtungen, zur Trainingssteuerung in der Rehabilitation, zur Beurteilung der Therapieerfolge antiobstruktiver Medikationen oder Sauerstoffgaben, nach Lungenvolumenreduktion sowie bei pulmonaler Hypertonie.
Tab. 4
Borg-Skala mit zwei verschiedenen Skalierungen. Die „category ratio 10“ findet breite Anwendung u. a. in der Pneumologie, während das „rating of perceived exertion“ in der Sportmedizin dominiert und in Anlehnung an den steigenden Puls entwickelt wurde (60–200/min). Eine Umrechnung ist möglich (Borg 2004)
Category ratio
Rating of perceived exertion
0 Keine Anstrengung/Atemnot
1 Sehr leichte Anstrengung/Atemnot
2 Leichte Anstrengung/Atemnot
3 Mäßige Anstrengung/Atemnot
4 Ziemliche Anstrengung/Atemnot
5 Schwere Anstrengung/Atemnot
6
7 Sehr schwere Anstrengung/Atemnot
8
9 Sehr sehr schwere Anstrengung/Atemnot
10 Maximale Anstrengung/Atemnot
6
7 Sehr sehr leicht/sehr sehr gering
8
9 Sehr leicht/sehr gering
10
11 Mäßig leicht/gering
12
13 Etwas schwer/ziemlich stark
14
15 Schwer/stark
16
17 Sehr schwer/sehr stark
18
19 Sehr sehr schwer/sehr sehr stark
20
Spezielle Belastungsuntersuchungen in der Pneumologie
Gehtests
Gehtests haben sich aufgrund der einfachen Durchführbarkeit mit überschaubarem zeitlichem, technischem und personellem Aufwand besonders bei Patienten mit fortgeschrittenen Erkrankungen sowie in der Rehabilitation bewährt. Führend ist hier sowohl aus kardiologischer als auch pneumologischer Sicht der 6-Minuten-Gehtest (6-MWD für „walking distance“), für den eine umfangreiche Literatur zu verschiedenen Krankheitsbildern vorliegt (ATS 2002; Meyer et al. 2013). Zunehmend wird in der pneumologischen Rehabilitation auch der „incremental shuttle walk test“ (ISWT) eingesetzt (Revill et al. 1999); beide Verfahren werden nachfolgend dargestellt.
6-Minuten-Gehtest (6-MWD)
Die Indikationen für diesen Test entsprechen grundsätzlich den in Tab. 1 bereits genannten Fragestellungen. Der 6-MWD kann bei Patienten eingesetzt, bei denen durch körperliche Einschränkungen, reduzierte Belastbarkeit und belastungslimitierende Krankheitsbilder wie der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit oder einer fortgeschrittenen pulmonalen Hypertonie (Lee et al. 2010) die zu erwartende Aussagekraft einer Ergometrie deutlich limitiert ist (ATS 2002). Er findet auch häufig in der geriatrischen Rehabilitation Anwendung und hat einen etablierten Stellenwert in der Verlaufsbeurteilung der chronischen Herzinsuffizienz (Olsson et al. 2005) sowie der COPD (Vogelmeier et al. 2007). Zur Durchführung wird ein mindestens 30 m langer Korridor ohne störenden Publikumsverkehr oder sonstige Behinderung mit gut sichtbarer Platzierung von zwei Wendemarken benötigt. Nach ausführlicher Einweisung und ohne personelle Begleitung geht der Patient über sechs Minuten zwischen diesen Marken hin und her; notiert wird die erreichte Gesamtstrecke sowie das Belastungsempfinden und das Ausmaß der Dyspnoe nach der oben erwähnten Borg-Skala (Abb. 2). Die Durchführung ist durchaus auch mit Mobilitätshilfen wie Rollatoren oder mobiler Sauerstoffsubstitution aussagekräftig möglich; bei Verlaufsbeurteilungen ist allerdings auf vergleichbare Bedingungen streng zu achten. Häufig kommt es bedingt durch die Vertrautheit mit der Testdurchführung bei Wiederholungsmessungen zu besseren Ergebnissen (Gibbons et al. 2001), was bei der klinischen Interpretation mitbedacht werden muss; eine kurze Probephase vor dem ersten Test ist daher zu empfehlen.
Abb. 2
Grundsätzliches Szenario beim 6-Minuten-Gehtest sowie „incremental shuttle walk test“. (Modifiziert nach, www.artp.org.uk)
×
Normwerte für den 6-MWD lassen sich z. B. nach den folgenden Formalen bestimmen (Enright und Sherrill 1998):
Eine klinische Wertung der in Verlaufsuntersuchungen erreichten Strecken ist anhand der „minimally clinically important difference“ (MCID) möglich, d. h. des Streckenunterschiedes zwischen zwei Tests, der auf klinisch relevante Veränderungen deutet (Dolmage et al. 2011). Für die COPD wird diese häufig mit im Mittel 54 m bzw. 37–71 m angegeben, für pulmonale Hypertonie einer Studie entsprechend mit 13–41 m, für die idiopathische Lungenfibrose 24–45 m; bei Herzinsuffizienz wurden Werte für +43 m (klinische Verbesserung) und −24 m (Verschlechterung) ermittelt (Meyer et al. 2013).
Incremental Shuttle Walk Test (ISWT)
Im Gegensatz zum 6-MWD mit grundsätzlich „frei“ wählbarer Gehgeschwindigkeit des Patienten wird beim ISWT die Schrittzahl durch akustische Signale vorgegeben, welche im Testverlauf zunehmend schneller ertönen. Auch hier erfolgt nach einer definierten Gehstrecke jeweils ein Richtungswechsel; die Distanz beträgt allerdings nur 10 m und wird als „shuttle“ bezeichnet (Abb. 2). Bewertet wird das Ergebnis anhand der Anzahl der absolvierten „shuttles“ pro Minute. Eine alternative oder ergänzende Ausführung ist der „endurance shuttle walk test“ , bei dem der Bezeichnung entsprechend nicht eine inkrementelle Steigerung, sondern eine konstante submaximale Geschwindigkeit vorgegeben wird (ca. 85 % des im ISWT erreichten Maximalwertes). Werden beide Tests ausgeführt, sollte eine Zwischenpause von 40–60 min eingehalten werden. Der ISWT findet zunehmend Anwendung in der Rehabilitation bzw. der Therapiesteuerung von Patienten mit COPD (Pepin et al. 2007).
Spiroergometrie
Grundlagen und Durchführung
Die körperliche Belastbarkeit ist von der Integrität und dem physiologischen Zusammenspiel des respiratorischen, kardiovaskulären und skelettomuskulären Systems abhängig. Die normale Leistungsfähigkeit wird von Alter, Geschlecht und Trainingszustand beeinflusst.
Die Spiroergometrie (engl. „cardiopulmonary exercise testing“) ist ein komplexes, vielseitig einsetzbares Untersuchungsverfahren. Sie gilt als Goldstandard zur Evaluation von einerseits Leistungssportlern und deren Trainingssteuerung und andererseits des Schweregrades und der Ursache eingeschränkter Belastbarkeit bei Patienten. Das Indikationsgebiet der Spiroergometrie umfasst von der Früherkennung und der Erstdiagnostik z. B. vom anstrengungsinduzierten Asthma über die Prognoseeinschätzung von Patienten mit z. B. chronischer Herzinsuffizienz, COPD, vor Lungenresektion oder -transplantation bis zum Therapiemonitoring z. B. nach Rehabilitation ein breites Spektrum.
Messparameter
Die gemessenen Parameter der Spiroergometrie lassen sich mittels Ableitung aus Mundstück bzw. Nasen-Mundmaske bei nahezu allen oben dargestellten Formen von Belastungstests ermitteln.
Die Spiroergometrie erweitert die diagnostische Aussagekraft des Belastungs-EKGs durch die kontinuierliche Atemgasanalyse, die Luftflussmessung, die transkutane O2-Sättigungsmessung sowie die arterielle Blutgasanalyse.
Aus den direkt gemessenen Parametern lassen sich zahlreiche Größen zur Funktionseinschätzung der beteiligten Organsysteme durch mathematische Verknüpfungen ableiten (Tab. 5).
Tab. 5
Spiroergometrie – direkt gemessene und mathematisch abgeleitete Parameter. (Modifiziert nach Dumitrescu in Meyer et al. 2013)
Auswahl abgeleiteter Parameter: Atemäquivalent für O2 (\( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)E/ \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2), Atemäquivalent für CO2 (\( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)E/ \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)CO2), ventilatorische Schwellen, O2-Puls, alveolo-arterielle Partialdruckdifferenz für O2 (P[A-a]O2), arterielle-endexspiratorische Partialdruckdifferenz für O2 (P[a-ET]CO2), Totraumventilation (VD/VT)
Schwellenkonzepte
Die metabolischen Vorgänge unter zunehmender Belastungsintensität führen zur markanten Steigerung der Ventilation an sog. Schwellen (Tab. 6).
Tab. 6
Stoffwechselsituation an den ventilatorischen Schwellen VT1 und VT2
VT1
VT2
Laktatanstieg mit Laktatpufferung
Überschreiten vom Laktat-Steady-State mit Laktatexzess
Steigerung der CO2-Abgabe (bei Pufferung freigesetzt aus Bikarbonat) im Verhältnis zur O2-Aufnahme
Metabolische Azidose
Steigerung der Ventilation im Verhältnis zur O2-Aufnahme
Überproportionale Steigerung der Ventilation gegenüber CO2-Abgabe
Diese kennzeichnen den unterschiedlich langen Bereich zwischen Beginn und Ende des Übergangs von aerober zu anaerober Energiegewinnung. Die Terminologie nach Westhoff et al. (2013) unterscheidet nach zwei metabolischen bzw. Laktatschwellen (LT1 und LT2) und zwei ventilatorischen Schwellen (VT1 und VT2).
In der Sportmedizin ist vor allem die LT2 von Interesse, die oftmals nach fixem Laktatschwellenwert (4 mmol/l) bestimmt wird.
Die typischen Veränderungen der Ventilation kennzeichnen den aerob-anaeroben Übergangsbereich an den ventilatorischen Schwellen VT1 und VT2 (Abb. 3 und 4). Die ventilatorische Schwelle 1 (VT1) wird oftmals als anaerobe Schwelle nach Wasserman (AT) und die ventilatorische Schwelle 2 (VT2) wird als respiratorischer Kompensationspunkt nach Wasserman (RCP) bezeichnet.
Abb. 3
Bestimmung der ersten ventilatorischen Schwelle (VT1). (Modifiziert nach Westhoff et al. 2013)
Abb. 4
Bestimmung der zweiten ventilatorischen Schwelle (VT2). (Modifiziert nach Westhoff et al. 2013)
×
×
Es ist stets anzugeben, welches Belastungsverfahren (z. B. Fahrrad oder Laufband, Stufen- oder Rampenprotokoll)und welches Analyseverfahren (z. B. RER oder V-slope) zur Bestimmung der metabolischen und ventilatorischen Schwellen angewandt wurde.
Interpretation
Die Spiroergometrie ist mitarbeitsabhängig und sollte erst bei Symptomen oder bei objektiven Zeichen der Ausbelastung (z. B. physiologisches Plateau der O2-Aufnahme (sog. „leveling off“) oder „respiratory exchange ratio“ [RER] ≥1,15) beendet werden.
Die Interpretation beginnt wesentlich mit dem Vergleich der Messwerte mit adäquaten Sollwerten und dem Erkennen typischer Reaktionsmuster der spiroergometrischen Parameter (siehe Tab. 5).
Die körperliche Belastbarkeit wird durch die O2-Aufnahme beschrieben. Von \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2 max spricht man nur, wenn der (meist sehr gut trainierte) Proband ein physiologisches \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2-Plateau trotz Erhöhung der Belastungsintensität oder der Herzfrequenz über einen definierten Zeitraum (z. B. zwei Belastungsstufen) erreicht. Dieses \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2-Plateau wird nur selten bei Patienten mit kardiovaskulären oder pulmonalen Erkrankungen beobachtet und ist meist nicht in wiederholten Belastungsuntersuchungen mit unterschiedlichen Protokollen zu bestimmen. Daher wird die größte erreichte O2-Aufnahme während der einmalig durchgeführten Belastungsuntersuchung mit \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2 peak bezeichnet, typischerweise bei Patienten der Fall.
Für die Sollwertberechnung von spiroergometrischen Parametern existieren Formeln aus internationalen Kollektiven und aus dem deutschen SHIP-Kollektiv (Koch et al. 2009).
Die orientierende Ermittlung des Soll- \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)O2max nach dem Wasserman-Algorithmus (Männer: [Größe – Alter] × 20; Frauen: [Größe – Alter] × 14) ist nur für normalgewichtige Patienten validiert.
Die Analyse der spiroergometrischen Messung ermöglicht die Identifikation von normalen und pathologischen Reaktionsmustern unter Belastung, diese lassen häufig zwischen kardiovaskulärer und pulmonaler Ätiologie der Leistungseinschränkung differenzieren.
Die zugrunde liegende Pathophysiologie eines Symptoms, wie z. B. Dyspnoe, tritt unter Belastung oftmals deutlicher hervor und ist in der Spiroergometrie zu identifizieren: eine reduzierte O2-Aufnahme, ein gestörtes Verhältnis von pulmonaler Ventilation und Perfusion, eine obstruktive oder restriktive Atemmechanik, eine kardiale Dysfunktion etc. (Tab. 7).
Tab. 7
Typische Reaktionsmuster unter Belastung und mögliche Ursachen reduzierter körperlicher Belastbarkeit. (Modifiziert nach ATS/ACCP 2003; Guazzi et al. 2012)
\( \left(\dot{\mathrm{V}},\Big)\right. \)E/\( \left(\dot{\mathrm{V}},\Big)\right. \)CO2 an VT1 (sog. AT)
↑
↑
↑
↑
N
N
VD/VT
↑
↑
↑
↑
N
N
P(A-a)O2
(N)
(↑)
↑
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N
N normal
Bei Patienten mit obstruktiver oder restriktiver Ventilationsstörung in Ruhe ist die Atemreserve unter Belastung von besonderem Interesse, um eine atemmechanische Limitierung zu erkennen. Das heißt, das Atemminutenvolumen nähert sich normalerweise unter Belastung dem sog. Atemgrenzwert (engl. „maximal voluntary ventilation“, MVV), der sich aus FEV1 × 35 (bzw. × 40) errechnet, nur auf einen Abstand von 15–20 %. Gerade bei COPD oder Lungenfibrose ist die Atemreserve („breathing reserve“) oftmals aufgebraucht. Daneben werden die Fluss/Volumen-Kurven (sog. Atemschleifen) in Ruhe und unter Belastung analysiert. Sie können eine exspiratorische Flusslimitierung oder dynamische Überblähung – d. h. Abnahme der inspiratorischen Kapazität (IC) und Zunahme des endexspiratorischen Lungenvolumens (EELV, sinkt physiologischerweise um 0,5–1 l unter Belastung) anzeigen.
Bei Patienten mit chronischer Linksherzinsuffizienz, und noch deutlicher bei pulmonalarterieller Hypertonie, ist das Verhältnis von Ventilation und Perfusion ungleichmäßig verteilt. Die Ventilation wird unter Belastung zunehmend ineffizient, was zum erhöhten Atemäquivalent für CO2 (fällt nicht unter 30 während der Belastung) und einer erhöhten Steigung der Beziehung Atemminutenvolumen zu CO2-Abgabe (sog. \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)E/ \( \left(\dot{\mathrm{V}}\right) \)CO2-Slope) führt.
Der pulmonale Gasaustausch in der Lunge lässt sich in der alveoloarteriellen Partialdruckdifferenz für O2 (PA-aO2, oder AaDO2) erfassen. Normalerweise fällt PaO2 unter Belastung nicht signifikant ab, d. h. die PA-aO2 beträgt bei Gesunden ca. 10–15 mmHg und sollte unter Belastung auf maximal 25 mmHg ansteigen. Bei Patienten mit Gasaustauschstörung, z. B. bei Lungenfibrose oder pulmonaler Hypertonie, zeigt sich unter Belastung zunehmende PA-aO2, d. h. größer als 30 mmHg.
Graphischer Befund, Neun-Felder-Graphik nach Wasserman
Die Interpretation wird durch eine aussagekräftige graphische Darstellung, die das Erkennen von typischen Belastungsreaktionsmustern der Messwerte ermöglicht, vereinfacht (Tab. 8).
Tab. 8
Graphische Darstellung wichtiger spiroergometrischer Parameter (sog. Neun-Felder-Graphik nach Wasserman)
Zusätzlich konfigurierbar: Atemreserve (Y2-Achse in Graphik 7 oder 8), Blutdruck systolisch/diastolisch, SpO2
Anordnung in drei Zeilen mit je drei Feldern: 1-2-3, 4-5-6, 7-8-9 oder alternativ 3-2-5, 6-1-4, 9-8-7
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Internetadressen
CPX International Inc. (formerly The International Society for Exercise Intolerance Research and Education (ISEIRE)) is a Society that has been established since 1996, and organises the annual European „Practicum in Exercise Testing and Interpretation“. www.cpxinternational.com
Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft Spiroergometrie in der Deutschen Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin e.V., organisiert ein nationales Jahrestreffen und fördert den interdisziplinären Dialog in über 20 Regionalgruppen. www.ag-spirergometrie.de
