11105 Vernetzte Untersuchungseinheiten Lungenfunktionsdiagnostik
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Dieser Beitrag bietet eine Einführung in die medizinische Umgebung, Messverfahren und -methoden sowie die technische Umsetzung der Installation vernetzter Untersuchungseinheiten der Lungenfunktionsdiagnostik.
Betrachtet werden die etablierten Methoden der Bodyplethysmografie und der Diffusionsmessung. Berücksichtigt werden neben dem technischen und klinischen Risikomanagement auch die Möglichkeiten, die der Einsatz von KI und Wearables bietet. von: |
1 Einführung
Die Pneumologie, auch Pulmologie oder Lungenheilkunde genannt, ist ein Teilgebiet der Inneren Medizin und beschäftigt sich mit der Diagnose und Therapie von Lungenerkrankungen. Zu den Aufgabenfeldern der Pneumologie zählt die Prophylaxe, also die möglichst frühzeitige Erkennung sowie die konservative teils operative Behandlung von Lungenkrankheiten. In der Lungenheilkunde arbeiten Mediziner eng mit den medizinischen Fachgebieten der Chirurgie, der Radiologie sowie der Onkologie zusammen.
1.1 Historie der Lungenheilkunde
Historisch gesehen ist die Entstehung und Entwicklung der Pneumologie über lange Zeit fast ausschließlich der Geschichte der Bekämpfung der Krankheit Tuberkulose zuzuschreiben. Bis ins späte 19. Jahrhundert war die Tuberkulose eine schwer zu begreifende Krankheit. Aufgrund der Vielfalt und oftmals Uneindeutigkeit der Symptome, mit denen sie einhergehen kann, wurde sie nicht als eigenständiges Krankheitsbild definiert. Die Entwicklung wirksamer medikamentöser Therapien gegen Tuberkulose begann 1943 mit der Entdeckung des Antibiotikums Streptomycin. Bald zeigte sich jedoch, dass das Tuberkulosebakterium Resistenzen gegen einen einzelnen Wirkstoff bilden kann. Bis heute besteht deshalb die medikamentöse Therapie einer Tuberkuloseinfektion aus der Gabe mehrerer Substanzen, die über mehrere Monate verabreicht werden.
Als Folge des Rückgangs der Tuberkulose traten ab den 1960er-Jahren andere Krankheitsbilder verstärkt in den Blickpunkt der Pneumologen. Die reine Tuberkuloseheilkunde (Phthisiologie) begann sich zur modernen Pneumologie zu wandeln. Das Bronchialkarzinom sowie die Therapie weiterer Lungenkrankheiten wie Asthma und chronische Bronchitis, nicht tuberkulöse Mykobakteriosen oder Innovationen in der Thoraxchirurgie und Lungenfunktionsdiagnostik aber auch Post-Covid-Krankheiten gewannen an Gewicht.
Viele der historischen Lungenheil- und Kuranstalten in Deutschland wurden zu pneumologischen Fachkliniken erweitert. In neuester Zeit entstand eine massive Ausweitung der pneumologischen Diagnostik mittels der pneumologischen Funktionsdiagnostik in Kombination mit den bildgebenden Verfahren MRT und CT sowie neuartigen, personalisierten Therapieansätzen aus Erkenntnissen der Molekularbiologie („Targeted Therapy”).
1.2 Auswirkungen der Coronapandemie
Die steigende Zahl der Asthmaerkrankungen und die steigenden Fälle der Tuberkulosekrankheiten rücken die Bedeutung der Lungenfunktionsdiagnostik wieder in den Vordergrund.
Asthma gehört weltweit zu den häufigsten Atemwegserkrankungen. Global gesehen leiden mehr als 300 Millionen Menschen an der Krankheit, die oft durch allergische Reaktionen ausgelöst wird und zu Atemnot, Husten und einem Gefühl der Enge in der Brust führen kann. In Deutschland sind laut dem Gesundheitsatlas der AOK rund 3,5 Millionen Menschen Asthmatiker. Nach einer Studie des Deutschen Ärzteblatts [1], steigen die Symptome von Asthmakrankheiten mit progressivem Verlauf (Asthma-Exazerbationen) seit 2020 wieder deutlich an.
Entsprechend dem globalen Tuberkulosebericht der Weltgesundheitsorganisation WHO aus dem Jahr 2022 steigen auch die weltweiten Tuberkulosekrankheiten wieder an. Die Ausgabe 2022 des Berichts basiert in erster Linie auf Daten, die die WHO in jährlichen Datenerhebungsrunden von nationalen Gesundheitsministerien erhoben hat. Im Jahr 2022 meldeten 202 Länder und Gebiete mit mehr als 99 % der Weltbevölkerung und Tuberkulosefällen Daten.
1.3 Physiologie der Atmung
Die Lunge hat drei wichtige Aufgaben:
| • | Atmung |
| • | Stoffwechselaufgaben |
| • | Puffer für das Blut (Säure-Basen-Haushalt) |
Der Transportweg der Luft im Körper ist gekennzeichnet von komplexen Vorgängen der Atmung. Physiologisch ist es wichtig, den Weg der Luft und des Sauerstoffs innerhalb des Körpers zu verstehen. Die Luft wird entweder über die Nase oder den Mund eingeatmet. Sie strömt dann angewärmt durch den Respirationstrakt. Dazu gehören neben der Luftröhre auch die Bronchien, Bronchiolen und die Alveolen.
Die Alveolen werden auch als Lungenbläschen bezeichnet. In diesen ca. 300 Millionen Bläschen findet der eigentliche Gasaustausch statt. Sauerstoff gelangt über die Wand der Alveolen ins Blut. Diesen Vorgang bezeichnet man als Diffusion. Der verbrauchte Sauerstoff, zu Kohlenstoffdioxid umgewandeltes Ausatemgas, verlässt das Blut ebenfalls über die Alveolarwand. Von dort wird Kohlenstoffdioxid abgeatmet.
Die wichtigsten Transporter im Blut für Sauerstoff (O2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sind die roten Blutkörperchen (Erythrozyten). Hier liegt der Sauerstoff gebunden an den Proteinkomplex Hämoglobin vor. Ein Großteil des Sauerstoffs im Blut liegt in gebundener Form vor. Davon sind 98 % an Hämoglobin gebunden. Nur ein Bruchteil des Sauerstoffs ist frei im Blut gelöst. Das Protein Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten, die jeweils ein O2-Molekül binden können. Sauerstoff kommt somit an folgenden Orten im Körper vor:
Alveole → Diffusion → Erythrozyt (O2 gebunden an Hämoglobin) → Erythrozyt → Organ
Abbildung 1 zeigt den Gasaustausch der Luft im Körper eines Menschen.
Wenn O2 im Zielorgan/Gewebe verbraucht wird, entsteht Kohlenstoffdioxid. Dieses CO2 wird anschließend von den roten Blutkörperchen aufgenommen. CO2 liegt jedoch im Vergleich zum O2 nicht an Hämoglobin gebunden vor. Es wird innerhalb des Erythrozyten schnell weiterverarbeitet. Unter Verbrauch von Wasser (H2O) produziert das Enzym Carboanhydrase Wasserstoffionen und das Bicarbonat (HCO3). HCO wird aus dem Erythrozyten ausgeschleust und befindet sich zunächst im Blutplasma. Der gegenteilige Ablauf findet dann in der Lunge statt. Dort nehmen die Erythrozyten das HCO3 wieder auf und wandeln es zu CO2 um. Das Kohlenstoffdioxid diffundiert dann über die Alveolarwand und kann von dort aus abgeatmet werden:
Organ → CO2 → Erythrozyt → Carboanhydrase → Bicarbonat → gelöst im Blutplasma → Lunge → Bicarbonat in Erythrozyten → Carboanhydrase → CO2 → Alveole → Ausatmen von CO2
Wie oben beschrieben, findet an zwei Stellen im Körper ein Gasaustausch statt, einerseits in der Lunge, zum anderen im Organ selbst. Man spricht auch von zwei Kreisläufen beim Gasaustausch:
| • | Körperkreislauf: Er dient der Versorgung der Organe mit O2 und dem Abtransport von CO2. Der Körperkreislauf beginnt im Anschluss an den Gasaustausch in der Lunge in der linken Herzhälfte (linker Ventrikel). Daran schließen sich die Arterien an, die unsere Organe mit Blut und frischem Sauerstoff versorgen. Nachdem das Organ passiert wurde, werden die Blutgefäße als Venen bezeichnet. Sie fließen zur rechten Herzhälfte zurück. Dort endet der Körperkreislauf (rechter Vorhof). |
| • | Lungenkreislauf: Er dient dem Transport von CO2 zur Lunge. Dort findet wieder ein Gasaustausch statt. Der Lungenkreislauf beginnt dort, wo der Körperkreislauf aufgehört hat. Im rechten Vorhof. Zunächst strömt das Blut durch den Ventrikel des rechten Herzens zur Lunge. Hier findet der Gasaustausch statt. Das Blut fließt zum linken Vorhof. Daran schließt sich der Körperkreislauf an (s. Abb. 2). |
Im Hirnstamm gibt es zur Regulation der Atmung das sogenannte Atemzentrum. Diese Ansammlung von Nervenzellen stimuliert die Atemmuskulatur rhythmisch. Der wichtigste Einatmungsmuskel ist das Zwerchfell. Zusätzlich zur Atmung benutzt man die Muskeln zwischen den Rippen zum Ein- und Ausatmen.
