Vergleich eines ultraschallbasierten Messverfahrens mit konventionellen Methoden zur Lungenfunktionsdiagnostik bei Kindern und Jugendlichen

Abstract

Ultraschallspirometer sind innovative, vielfältig einsetzbare, einfach aufgebaute Geräte mit geringem Atemwiderstand und optimalen Hygienebedingungen. Die Strömung und die Molmasse der Exspirationsluft wird mittels Ultraschall(US)-Laufzeitdetektion bestimmt. Neben Parametern der herkömmlichen Spirometrie kann die funktionelle Residualkapazität (FRC) unter Anwendung des Stickstoffausschwemmverfahrens gemessen werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war der Vergleich von Ultraschall- und herkömmlicher Methodik im klinischen Einsatz bei Kindern und Jugendlichen. Die verwendeten Geräte waren das Spiroson® der Fa. ndd, Würzburg (US-Verfahren), Lilly-Pneumotachographen (PTG) der Firmen Siemens, Erlangen und Erich Jaeger, Würzburg, sowie ein Heliumeinwaschgerät und ein Bodyplethysmograph, beide Fa. Jaeger. Spirometrische Messungen wurden an 183 Lungengesunden und Asthma-Patienten im Alter von 5-16 Jahren durchgeführt. Die Reproduzierbarkeit, die in 112 Doppelmessungen der Vitalkapazität (VC) mit den verschiedenen PTG ermittelt wurde, war bei allen Verfahren gleich gut (r = 0,99). Die durchschnittlichen Differenzen innerhalb der Wertepaare betrugen beim US-Gerät 3,0 %, bei den herkömmlichen PTG 2,7 und 4,7 %. Weiterhin erhoben wir die Parameter VC, Peak Expiratory Flow (PEF), Einsekundenkapazität (FEV1) und die maximalen exspiratorischen Flüsse bei 50 bzw. 25 % der forcierten Vitalkapazität (MEF50 und MEF25) in insgesamt 183 Fällen mit sowohl US- als auch herkömmlichen Methoden in randomisierter Reihenfolge. Alle Größen wurden durch die US-Technik vergleichsweise unterschätzt. Die mittleren Abweichungen / Korrelationen betrugen 8,4 % / 0,94 (VC), 9,6 % / 0,95 (FEV1), 10,8 % / 0,89 (PEF), 10,4 % / 0,87 (MEF50) und 4,0 % / 0,67 (MEF25). Für FRC-Messungen standen 204 Lungengesunde sowie Patienten mit den Diagnosen 'Asthma bronchiale', 'Zystische Fibrose' (CF), 'exogen allergische Alveolitis', 'Kartagener Syndrom' und 'bronchopulmonale Fehlbildung' im Alter von 7-36 zur Verfügung. Die Reproduzierbarkeit wurde in 230 Doppelmessungen mit den jeweiligen Verfahren geprüft. Auch hier waren die Korrelationen bei allen Verfahren praktisch gleich gut (r = 0,99). Die mittleren Differenzen zwischen den gepaarten FRC-Werten betrugen 5,0 % beim Spiroson® versus 4,3 % beim Helium-Dilutionsgerät und 5,0 % beim Bodyplethysmographen. Zum Vergleich der Messwerte der verschiedenen Methoden bestimmten wir die FRC in insgesamt 276 Fällen mit mindestens zwei Geräten in randomisierter Reihenfolge. Das US-Verfahren lieferte wiederum im Durchschnitt kleinere Werte als die herkömmlichen Techniken. Die mittleren Differenzen / Korrelationen der US- zur Helium-Methode betrugen 0,5 % / 0,87, zur Bodyplethysmographie 2,6 % / 0,83. Diskrepanzen zwischen Bodyplethysmographie und beiden Fremdgasverfahren ließen gleichermaßen auf Trapped-Gas-Anteile schließen. Für die Differenz zwischen US- und Heliumtechnik bestanden keine signifikanten Einflüsse der Grunderkrankung bzw. dem Grad der Atemwegsobstruktion. Zusammenfassend liefert die US-Spirometrie gut reproduzierbare sowie hinsichtlich VC, FEV1, PEF, MEF50 und FRC mit den konventionellen Verfahren vergleichbare Messwerte. Abweichungen zu herkömmlichen Geräten sind insbesondere durch Mitarbeitsschwierigkeiten erklärbar. Weiterführende Studien sollten den Einfluß des geringen Strömungswiderstandes der US-Methodik auf das Atemverhalten bei spirometrischen Messungen untersuchen sowie die Frage klären, inwiefern leichte Ventilationseinschränkungen mittels FRC-Messung durch US- im Vergleich zur Heliumtechnik infolge der Verschiedenartigkeit der Atemmanöver sensitiver erfasst werden. Andere Einsatzmöglichkeiten der Ultraschallspirometrie, z.B. die Analyse der Alveolargaskurve sowie die diagnostische Verwertung der Auswaschkurve, werden bereits untersucht.

Ultrasound spirometers are innovative, multifunctional, simply constructed and very hygienic devices which expose little stream resistance. Flow and molar mass of the expiratory stream are measured by ultrasound (US) transit time detection. Additionally to the known parameters of spirometry, functional residual capacity (FRC) can be measured using nitrogen washout technique. Aim of our study was to compare the results of this method with those of well-tried devices when applied to children and adolescents in a clinical setting. The used devices were a Spiroson® by ndd, Wuerzburg (US technique), Lilly-type pneumotchographs (PTG) by SIEMENS, Erlangen, and Jaeger, Würzburg, a device for multiple breath helium equilibration technique and a bodyplethysmograph, both by Jaeger. Spirometric measurements were done on 183 healthy children and asthma patients by the age of 5 to 16 years. Reproducibility which was evaluated in 112 repeated tests of vital capacity (VC) using the several PTG was equal (r = 0.99). The average difference within the paired measurements by US technique were 3.0 % as compared to 2.7 % and 4.7 % using conventional devices. Further on, we measured VC, forced expiratory volume in one second (FEV1), peak expiratory flow (PEF), and the maximal expiratory flows at 50 and 25 % of forced vital capacity (MEF50 and MEF25) in 183 cases using both US and conventional PTG in randomised order. In comparison, all measured parameters were underestimated by US technique. The average difference / correlation were 8.4 % / 0.94 (VC), 9.6 % / 0.95 (FEV1), 10.8 % / 0.89 (PEF), 10.4 % / 0.87 (MEF50) and 4.0 % / 0.67 (MEF25). FRC was measured on 204 healthy persons and patients with the diagnoses 'bronchial asthma', 'cystic fibrosis' (cf), 'extrinsic allergic alveolitis', 'kartagener s syndrome' and 'bronchopulmonary malformation', aged 7 to 36 years. We evaluated reproducibility in 230 repeated tests using the several devices. Correlation was practically equal too (r = 0.99). The mean differences between paired FRC tests were 5.0 % using Spiroson® versus 4.3 % using helium equilibration technique and 5.0 % using bodyplethysmograph. Finally, we compared FRC detected by at least two techniques in randomised order in 276 cases. Again, the average results measured by US technique were lower then those by conventional methods. The mean differences / correlations were 0.5 % / 0.87 between US and helium method and 2.6 % / 0.83 between US technique and bodyplethysmograph. Deviation between bodyplethysmography and both the foreign gas methods equally indicated trapped gas areas. When comparing US and helium technique, no influence of the diagnosis or the degree of airway obstruction on the value of deviation were found. In conclusion, ultrasound based spirometry detects well reproducible data showing good agreement with the results by well-tried devices measuring VC, FEV1, PEF, MEF50 and FRC. Greater deviation between US and reference methods can be explained by compliance problems of subjects. Issues of further studies should be the influence of a varying breathing pattern due to different stream resistance as well as the question weather slight impairment of ventilation is diagnosed more sensitively by US technique as compared to helium method resulting from different maneuver performance. Other diagnostic features provided by US technique such as evaluation of alveolar gas curve and the analysis of washout diagram are being investigated.