Einleitung
Die Atemfrequenz ist das pulmonale Vitalzeichen. Der Normbereich für die Atemfrequenz
für Erwachsene liegt zwischen 12 und 20/min. Faktoren wie Alter, Körpertemperatur
und vegetatives Nervensystem nehmen Einfluss auf die Atemfrequenz [1 ]. Untersuchungen verschiedener ethnischer Bevölkerungsgruppen zeigten darüber hinaus
auch einen genetischen Einfluss auf die Atemfrequenz [2 ]. Definierte Referenzbereiche unter Berücksichtigung dieser Faktoren gibt es bislang
nicht. Die Atemfrequenz ist ein wichtiger Risikomarker, mit dessen Hilfe kritisch
kranke und gefährdete Patienten im klinischen Alltag frühzeitig erkannt werden können
[1 ]
[3 ]
[4 ]. Methodisch kann die Atemfrequenz über eine Registrierung der Impedanzänderung des
Brustkorbs bei der In- und Exspiration (Impedanzplethysmografie) oder aber über eine
akustische Langzeitregistrierung und Analyse des Atemgeräuschzyklus erfolgen [5 ]
[6 ]
[7 ]. Ziel dieser Pilotstudie ist es, die mittlere nächtliche Atemfrequenz anhand von
Atemgeräuschaufnahmen zu berechnen und die Abhängigkeit der Atemfrequenz von COPD-Schweregrad
und Raucherstatus zu untersuchen.
Methode
Patienten
Das Gesamtkollektiv setzt sich aus 31 Patienten mit stabiler COPD unterschiedlichen
Schweregrades GOLD II – IV zusammen. Bez. der Datenerhebung und -analyse sei auf den
Artikel von Krönig et al. verwiesen, bei der nächtliche Atem- und Atemnebengeräusche
von 48 Patienten mit stabiler COPD GOLD II – IV aufgezeichnet und unter dem Aspekt
der Objektivierung von Husten und Wheezing analysiert wurden [8 ]. Für die originäre Studie liegt ein Ethikvotum (Ethikvotum Az. 143/15, Ethikkommission
Fachbereich Medizin) vor.
Messmethode
Bei allen Patienten erfolgte eine Lungenfunktionsprüfung mit Blutgasanalytik. Die
Atemfrequenzbestimmung erfolgte mittels einer nächtlichen Langzeitregistrierung der
Atem- und Atemnebengeräusche über eine Dauer von etwa 10 h (22.00 – 08.00 Uhr). Die
Daten wurden mithilfe des Monitors LEOSound der Firma Löwenstein Medical GmbH & Co.KG
(Bad Ems) aufgezeichnet. Bei diesem Geräuschrekorder handelt es sich um ein zertifiziertes
Medizinprodukt der Risikoklasse I. Zwei schallgekoppelte Oberflächenmikrofone, welche
die Atemgeräusche aufzeichnen, werden auf dem Rücken des Patienten auf Höhe der basalen
Lungenanteile befestigt. Das dritte Mikrofon, welches das tracheale Atemgeräusch erfasst,
wird seitlich an der Trachea fixiert.
Die Atemfrequenz wurde anhand des Spektrums des trachealen Atemgeräuschsignals durch
2 Experten mittels einer audiovisuellen Feinanalyse bestimmt. Die Feinanalyse der
Atemfrequenz erfolgte für 3 Nachtstunden, wobei jeweils eine Stunde zufällig aus dem
ersten, zweiten und dritten Nachtdrittel entnommen wurde, um die Atemfrequenz während
möglichst unterschiedlicher Schlafphasen zu untersuchen. Mithilfe eines speziellen
Bewertungsprogramms wurde die Anzahl der Atemzüge innerhalb von 30-Sekunden-Segmenten
(Epochen genannt) visuell bestimmt und im Programm hinterlegt. Die Unterteilung in
30-Sekunden-Epochen wird vom LungenSound-Rekorder vorgegeben und orientiert sich an
den in der Schlafmedizin üblichen Auswertungsprogrammen. Für jeden Patienten wurde
die mittlere Atemfrequenz für die Messperiode berechnet (siehe [Abb. 1 ] und [Abb. 2 ]). Die Untersuchungen zum Wheezing erfolgten in vorangegangenen Studien ebenfalls
mithilfe des Monitors LEOSound [8 ]. Aufgrund des identischen Patientenkollektivs werden die Ergebnisse in dieser Studie
mitaufgeführt und betrachtet.
Abb. 1 30-Sekunden-Abschnitt einer visuellen Darstellung des Atemgeräusches bei Normalatmung.
Abb. 2 Übersicht der Atemfrequenz über die gesamte Aufzeichnungszeit, hier 22.00 – 08.00
Uhr.
Ergebnisse
Kollektiv
Das mittlere Alter des Gesamtkollektivs beträgt 66 Jahre bei einem mittleren BMI von
26 kg/m2 . 54 % der Patienten sind männlich, 10 Patienten zum Zeitpunkt der Untersuchung aktive
Raucher. Die mittlere Atemfrequenz (AF) des Gesamtkollektivs beträgt 19/min. 11 Patienten
weisen ein klinisch relevantes Wheezing mit mindestens einer Wheezingepisode > 5 Minuten
auf. [Tab. 1 ] zeigt die anthropometrischen Daten der Patienten sowie die Ergebnisse von Lungenfunktion
und akustischer Langzeitregistrierung für das Gesamtkollektiv und die Untergruppen
mit den COPD-Schweregraden GOLD II – IV.
Tab. 1
Anthropometrische Daten und Ergebnisse der Untersuchungen für das Gesamtkollektiv
sowie die unterschiedlichen COPD-Schweregrade II – IV.
Gesamtkollektiv
COPD-Grad
II
III
IV
(n = 31)
n = 10
n = 11
n = 10
Kollektivbeschreibung
MW ± SD
MW ± SD
MW ± SD
MW ± SD
Alter [Jahre]
66,13 ± 7,44
65,80 ± 7,58
67,55 ± 4,76
64,90 ± 9,87
Gewicht [kg]
74,56 ± 17,81
74,75 ± 17,38
79,91 ± 19,58
68,50 ± 15,91
Größe [m]
1,69 ± 0,10
1,67 ± 0,10
1,72 ± 0,10
1,69 ± 0,09
BMI [kg/m2 ]
25,94 ± 5,91
26,94 ± 6,80
26,91 ± 5,84
23,87 ± 5,05
Geschlecht männlich [%]
54,00 %
50,00 %
54,54 %
60,00 %
Aktive Raucher [%]
32,25 %
50,00 %
18,18 %
30,00 %
Lungenfunktion und Blutgase
FEV1 [% Sollwert]
44,61 ± 15,17
60,80 ± 7,27
43,82 ± 8,32
29,30 ± 9,24
FEV1/VC [%]
68,13 ± 17,99
81,70 ± 12,74
66,55 ± 10,77
56,30 ± 20,59
pO2
65,55 ± 5,98
69,34 ± 4,04
64,28 ± 4,34
63,04 ± 7,44
pCO2
38,82 ± 5,13
36,92 ± 6,18
39,97 ± 5,20
39,56 ± 3,65
HCO3
25,71 ± 2,87
24,59 ± 3,39
26,63 ± 3,12
25,90 ± 1,74
BE
1,64 ± 2,26
0,83 ± 2,72
2,43 ± 2,37
1,66 ± 1,40
pH-Wert
7,44 ± 0,02
7,44 ± 0,03
7,44 ± 0,02
7,43 ± 0,02
O2 -Sättigung [%]
93,52 ± 1,49
94,52 ± 0,84
93,21 ± 1,02
92,83 ± 1,91
Nächtliche Respiration
Atemfrequenz [n/min]
18,52 ± 4,02
17,06 ± 3,38
18,47 ± 3,98
20,03 ± 4,48
Klinisch rel. Wheezing [%]
35,50 %
50,00 %
36,36 %
20,00 %
Der Test auf Gruppenunterschiede der unterschiedlichen COPD-GOLD-Schweregrade zeigte
keine Signifikanz hinsichtlich der mittleren Atemfrequenz. Des Weiteren wurde das
Kollektiv nach dem aktiven Raucherstatus differenziert und ein Test auf Gruppenunterschiede
durchgeführt. Die aktiven Raucher hatten eine signifikant höhere mittlere AF (20,84 ± 4,45/min
vs. 17,41 ± 3,14/min, p < 0,05), wie in [Abb. 3 ] dargestellt. Aktive Raucher gehören zudem signifikant häufiger zur Gruppe der Patienten
mit nächtlichem Wheezing (60 % vs. 23,8 %). [Tab. 2 ] zeigt die anthropometrischen Daten und die Ergebnisse der Lungenfunktion für das
Gesamtkollektiv und differenziert nach dem Raucherstatus.
Abb. 3 Die Atemfrequenz in Abhängigkeit vom Nikotinkonsum.
Tab. 2
Gegenüberstellung der beiden Kollektive aktive/nicht aktive Raucher (10 vs. 21 Patienten).
Die Atemfrequenz ist bei Rauchern signifikant höher, zudem weisen die Raucher nachts
häufiger Wheezing auf.
aktive Raucher
Ja
Nein
(n = 10)
(n = 21)
Signifikanzniveau
Kollektivbeschreibung
MW ± SD
MW ± SD
Alter [Jahre]
63,90 ± 7,76466
67,19 ± 6,843
Gewicht [kg]
69,45 ± 17,3788
77,00 ± 17,05
Größe [m]
1,65 ± 0,08355
1,72 ± 0,094
BMI [kg/m2 ]
25,70 ± 6,90577
26,05 ± 5,218
Geschlecht männlich [%]
40,00 %
61,90 %
COPD II [%]
50,00 %
23,80 %
COPD III [%]
20,00 %
42,90 %
COPD IV [%]
30,00 %
33,30 %
Lungenfunktion und Blutgase
FEV1 [% Sollwert]
49,60 ± 12,9167
42,24 ± 15,23
FEV1/VC [%]
80,20 ± 15,8795
62,38 ± 15,48
pO2
64,87 ± 5,6317
65,90 ± 5,973
pCO2
39,90 ± 4,54291
38,28 ± 5,19
HCO3
26,60 ± 2,02237
25,26 ± 3,054
BE
2,41 ± 1,51555
1,26 ± 2,406
pH-Wert
7,44 ± 0,02619
7,44 ± 0,021
O2 -Sättigung [%]
93,23 ± 1,72166
93,67 ± 1,29
Nächtliche Respiration
Atemfrequenz [n/min]
20,84 ± 4,45
17,41 ± 3,14
p < 0,05
Klinisch rel. Wheezing [%]
60,00 %
23,80 %
p < 0,05
Diskussion
Die Ergebnisse unserer Studie zeigen, dass mit der akustischen Aufzeichnung der Atemgeräusche
eine verlässliche Darstellung und Berechnung der Atemfrequenz möglich ist. Die gemittelte
nächtliche Atemfrequenz unterscheidet sich zwischen den verschiedenen COPD-Stadien
nicht signifikant, wenngleich eine Tendenz zu höheren Werten in Abhängigkeit des COPD-Schweregrades
zu verzeichnen ist. Die Atemfrequenz bei COPD-Patienten mit versus ohne persistierendem
Nikotinkonsum ist mit 21 bzw. 17 Atemzügen/min bei Rauchern signifikant höher.
Die Respiration und die Blutgashomöostase werden u. a. über die Atemfrequenz und das
Atemzugvolumen geregelt. Idealerweise kann der Sauerstoffbedarf den unterschiedlichsten
Stoffwechselbedingungen angepasst werden. So wird ein akuter Abfall des Sauerstoffpartialdrucks
durch eine Erhöhung von Atemfrequenz und Atemzugvolumen kompensiert [8 ]. Eine pathologisch erhöhte oder erniedrigte Atemfrequenz stellt einen Prädiktor
für schwergradige klinische kardiopulmonale und metabolische Ereignisse dar. Die prognostische
Bedeutung der Atemfrequenz wurde in verschiedenen nationalen und internationalen Studien
bei Patienten mit ambulant erworbener Pneumonie, Lungenembolie, akutem Asthma bronchiale,
Herzinsuffizienz, Sepsis und nach Lebertransplantation nachgewiesen [4 ]
[10 ]
[11 ]. Es gibt keine festen, altersadaptierten Vorgaben, in welchem Bereich die Atemfrequenz
als physiologisch angesehen wird und ab welchen Werten von einem pathologischen Zustand
gesprochen wird. Bei Erwachsenen liegt die physiologische Atemfrequenz zwischen 12
und 20 Atemzügen pro Minute. Gibson et al. definieren Atemzüge von mehr als 20 pro
Minute als erhöhte Atemfrequenz und Atemzüge von weniger als 10 pro Minute als erniedrigte
Atemfrequenz [12 ].
Methodisch kann die Atemfrequenz über eine Registrierung der Impedanzänderung des
Brustkorbs bei der In- und Exspiration (Impedanzplethysmografie) oder aber über eine
akustische Registrierung und Analyse des Atemgeräuschzyklus erfolgen. Mithilfe moderner
Computertechnik sind mittlerweile kontinuierliche Atemgeräuschaufzeichnungen in hoher
Qualität möglich geworden. Atemgeräusche und Atemnebengeräusche können mit akustischen
Biosensoren über längere Zeiträume aufgezeichnet, automatisch bewertet und vom Untersucher
audiovisuell überprüft werden [13 ].
In unserer Pilotstudie zeigt sich kein signifikanter Unterschied der gemittelten nächtlichen
Atemfrequenz in Abhängigkeit des Schweregrades der COPD, eine Tendenz ist jedoch eindeutig
erkennbar, sodass sich in einem größeren Patientenkollektiv vermutlich eine Signifikanz
zeigen könnte. Die Aufteilung des Gesamtkollektivs in Patienten mit/ohne Nikotinkonsum
zeigt einen interessanten Befund dahingehend, dass COPD-Patienten mit persistierendem
Nikotinkonsum eine höhere Atemfrequenz und mehr nächtliches Wheezing aufweisen als
COPD-Patienten, die nicht rauchen. Dies könnte dafür sprechen, dass bei Rauchern eine
erhöhte Atemarbeit mit erhöhter Atemfrequenz zur Kompensation des Sauerstoffmangels
bei bronchialer Obstruktion geleistet werden muss. Während Gesunde bei normaler Atmung
nur einen minimalen Anteil der maximalen Atemmuskelkraft benötigen, müssen Patienten
mit schwergradiger COPD zur Kompensation der Atmungsanstrengung ein Vielfaches der
maximalen Inspirationskraft aufbringen [14 ]. Diese starke Überbeanspruchung der Atemmuskulatur führt gerade bei Lungenerkrankten
zu einer raschen Erschöpfung. Um einer weiteren Atemmuskelerschöpfung vorzubeugen,
erfolgt als Konsequenz eine Reduzierung der Inspirationsdrücke, einhergehend mit der
Verminderung des Inspirationsvolumens durch das Atemzentrum. Um die verminderte Sauerstoffzufuhr
zu kompensieren, erhöht sich zunächst die Atemfrequenz, welche bei fortschreitender
Erschöpfung jedoch wieder abfällt [1 ]. Bei Patienten mit vorbestehender Lungen- und Muskelerkrankung oder einer Wirbelsäulendeformation
kann es so schnell zu einer Überbeanspruchung bzw. Ermüdung der Atemmuskulatur als
Folge eines erhöhten muskulären Energieverbrauchs kommen. Ein Krankheitsbild der COPD
bildet den Phänotyp „Pink Puffer“ aus. Dies sind abgemagerte (kachektische) Patienten,
die sich durch eine ausgeprägte Dyspnoe, ein Lungenemphysem mit typischem Fassthorax
sowie eine deutlich erhöhte Atemarbeit kennzeichnen. Diese Patienten steigern ihre
Ventilation enorm, um die Atemwegsobstruktion zu kompensieren.
Die Analyse der Atemfrequenz bei Patientenkollektiven mit respiratorischer Erkrankung
unterschiedlicher Ätiologie und Ausprägung ist klinisch von großer Bedeutung. Dazu
ist es notwendig, dass größere und klinisch vergleichbare Patientengruppen gebildet
werden. In der hier vorliegenden Pilotstudie wurde die jeweilige Therapieart des COPD-Patienten
nicht berücksichtigt. In weiteren Untersuchungen sollte untersucht werden, ob die
Art der Therapie Einfluss auf die Atemfrequenz hat. Interessant ist sicherlich auch
die Frage, ob persistierender Nikotinkonsum bei COPD-Patienten, wie in dieser Pilotstudie
darstellbar, wirklich zu einer erhöhten Atemfrequenz und -arbeit im Schlaf führt.
Die akustische Aufzeichnung der Atemgeräusche stellt eine sinnvolle Option zur Berechnung
der Atemfrequenz dar. Dieses Verfahren ermöglicht zudem eine Aufnahme über einen längeren
Zeitraum, sodass hierüber Veränderungen über den Tagesverlauf hinsichtlich der zirkadianen
Rhythmik potenziell beobachtet und untersucht werden können. Erste eigene Vorarbeiten
zur akustischen Bestimmung des Atemflusses zeigen langfristig ebenfalls Potenzial
zur Bestimmung des Atemvolumens und somit zur Messung des Atemzeitvolumens. Aktuell
sind hierfür jedoch individuelle Kalibrierungen notwendig.
