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KCS
2009, 2(10): 10-15
HZV in der Leistungsdiagnostik
(http://klinische-sportmedizin.de)
Nichtinvasive Messung des HZV in der klinischen und sportmedizinischen
Leistungsdiagnostik
Noninvasive measurement of Cardiac Output in exercise test
Fikenzer, S1, Fikenzer, K3, Falz, R1, Hoppe, St1, Brückner, M1, Schulze, A1, Tegtbur, U2, Busse,M1
Institut für Sportmedizin/Sportmedizinische Ambulanz der Universität Leipzig 1(Direktor: Prof. Dr. med. M. W. Busse)
Sportmedizinisches Zentrum der Med. Hochschule Hannover 2 (Leiter: Prof. Dr. med. U. Tegtbur)
Klinik für Kardiologie, Herzzentrum, Universität Leipzig 3 (Direktor: Prof. Dr. med. G. Schuler)
Zusammenfassung
Fazit: Die nichtinvasive kontinuierliche Messung des HZV
mittels Bioimpedanzverfahren (Physio-Flow) während der
Belastung stellt ein einfach anwendbares Verfahren dar.
Die Tatsache, dass bei >40jährigen Erwachsen mit bzw.
ohne Ischämiezeichen (Gr2 und Gr3) kein Unterschied im
HZV existiert, ist am ehesten durch die annähernd normale
EF in beiden Gruppen zu erklären. Die im EKG vorhandenen Ischämiezeichen führen offenbar nicht zu hämodynamischen relevanten und mittels Bioimpedanzverfahren
(Physio-Flow) messbaren Veränderungen des HZV.
Schlüsselwörter: HZV, Bioimpedanz, Physioflow, KHK.
Fikenzer S, Fikenzer K, Falz R, Hoppe St, Brückner M,
Schulze A, Tegtbur U, Busse M. Nichtinvasive
Messung des HZV in der klinischen und sportmedizinischen Leistungsdiagnostik. Klinische Sportmedizin/Clinical Sports Medicine – Germany (KCS)
2008, 1(9): 10-15.
Einleitung: Die Messung des Herzzeitvolumens (HZV)
stellt ein wesentliches Untersuchungskriterium zur Beurteilung der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit in der
sportmedizinischen Leistungsdiagnostik dar. Ziel dieser
Studie war es, das HZV kontinuierlich nichtinvasiv mittels
Bioimpedanzverfahren (Physio-Flow) bei verschiedenen
Patientenkollektiven zu messen und auszuwerten.
Material und Methode: I.R. der Leistungsdiagnostik
wurden 146 Pat. mittels kontinuierlicher HZV-Messung
untersucht. Dabei erfolgte retrospektiv die Einteilung in 3
Gruppen: Gr1: gesunde Erwachsene < 40 Jahre, Gr2: > 40
Jahre ohne Ischämiezeichen und Gr3: > 40 Jahre mit
Ischämiezeichen während der Belastung. Gr1: N=32 (28
M, 4 F; Alter: 26 ± 4,4 Jahre; Größe:178 ± 9,9 cm;
Gewicht: 77 ± 13,5 kg, Gr2: N=65 (35 M, 30 F; Alter: 57 ±
11,2 Jahre; Größe:172 ± 9,0 cm; Gewicht: 95 ± 16,0 kg)
und Gr3: N=49 (31 M, 18 F; Alter: 65 ± 8,1 Jahre;
Größe:170 ± 8,2 cm; Gewicht: 85 ± 14,1 kg). In einem
stufenförmigen maximalen Ergometertest wurden Herzfrequenz (Hf), Herzzeitvolumen (HZV), Schlagvolumen
(SV) und Ejektionsfraktion (EF) ausgewertet.
Ergebnisse: Es existierte bzgl. der max. Leistung lediglich
ein Unterschied zwischen Gr1 und den übrigen Gruppen
(p<0,0001). Gr1: 244 ± 55,8 Watt, Gr2: 138 ± 44,8 Watt
und Gr3: 125 ± 38,1 Watt. Für die abhängigen Parameter
Hf (S/min), SV (ml), HZV (l/min) und EF (%) von Ruhe zu
maximaler Belastung waren lediglich Unterschiede
zwischen Gr1 und den anderen beiden Gruppen
ermittelbar. Gr2 und Gr3 unterschieden sich hier nicht. Die
Hf (S/min) stieg in Gr1 von 77,2 ± 15,4 auf 182,0 ± 15,4;
in Gr2 von 76,7 ± 11,4 auf 134,8 ± 21,6 und in Gr3 von
72,3 ± 11,4 auf 133,5 ± 18,1. Das HZV (l/min) stieg in Gr1
von 8,9 ± 2,4 auf 27,3 ± 6,5; in Gr2 von 8,1 ± 2,5 auf 18,3
± 4,9 und in Gr3 von 7,4 ± 1,7 auf 17,0 ± 4,3. Die EF (%)
stieg in Gr1 von 63,8 ± 10,1 auf 84,0 ± 9,3; in Gr2 von
57,0 ± 9,8 auf 77,0 ± 11,0 und in Gr3 von 58,0 ± 7,3 auf
74,9 ± 9,0.
Abstract
Fikenzer S, Fikenzer K, Falz R, Hoppe St, Brückner M,
Schulze A, Tegtbur U, Busse M. Noninvasive
measurement of Cardiac Output in exercise test
Klinische Sportmedizin/Clinical Sports Medicine –
Germany (KCS) 2008, 1(9): 10-15.
Objective: Cardiac output (CO) is the main parameter to
estimate the performance of the heart. The aim of this
study was to measure the CO during incremental exercise
tests with bioimpedance system (Physio-Flow) in different
groups of patients.
Material and methods: A total number of 146 patients
were examined by using continuous measurement of CO
during evaluation of max. exercise capacity. Patients were
divided into 3 groups retrospectively: Gr1: healthy adults <
40 yrs., Gr2: adult subjects > 40 yrs. without signs of
ischemia during exercise and Gr3: adults > 40 yrs. with
signs of ischemia during exercise. Heart rate (HR), CO,
stroke volume (SV) and ejection fraction (EF) were
measured in a stepwise maximum bicycle test (supine
position).
Results: According to maximum work load, there was a
difference between group 1 and the other groups
(p<0,0001). Gr1: 244 ± 55,8 Watt, Gr2: 138 ± 44,8 Watt
und Gr3: 125 ± 38,1 Watt. Regarding to the depended
parameters, it could be shown difference between Gr1 and
the other groups but one between group 2 and 3. HR
(S/min) increased in Gr1 from 77,2 ± 15,4 to 182,0 ± 15,4;
in Gr2 from 76,7 ± 11,4 to 134,8 ± 21,6 and in Gr3 from
72,3 ± 11,4 to 133,5 ± 18,1. CO (l/min) increased in Gr1
from 8,9 ± 2,4 to 27,3 ± 6,5; in Gr2 from 8,1 ± 2,5 to 18,3
± 4,9 and in Gr3 from 7,4 ± 1,7 to 17,0 ± 4,3. EF (%)
10
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HZV in der Leistungsdiagnostik
increased in Gr1 from 63,8 ± 10,1 to 84,0 ± 9,3; in Gr2
from 57,0 ± 9,8 to 77,0 ± 11,0 and in Gr3 from 58,0 ± 7,3
to 74,9 ± 9,0.
Conclusion: Non invasive continuous measurement of CO
using bioimpedance during exercise is feasible procedure.
This existence of no difference in measured CO between
adults > 40 yrs with and without signs of ischemia could be
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explained by the nearly normal EF in both groups. Signs of
ischemia in ECG may not lead to relevant and by using the
Physio Flow measurable changes in CO.
Keywords: Cardiac Output, bioimpedance, Physio Flow,
CAD
Einleitung
Die Messung der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit
stellt einen zentralen Parameter bei Belastungstests dar.
Bislang waren hierfür lediglich aufwendige z.T. auch nur
invasive Verfahren verfügbar, die wiederum keine
maximale Ausbelastung erlaubten. In Abbildung 1 sind die
aktuell gebräuchlichen Verfahren gegenübergestellt. Aus
diesem Grunde bleibt gerade bei maximalen
Belastungstests nur die Gruppe der „nicht-invasiven“Verfahren übrig. Aber auch diese Verfahren beinhalten
einige Schwierigkeiten, was die Durchführung anbetrifft.
NICHT
INVASIV
INVASIV
•
•
•
“Direkte” Fick-Methode
(PA-Katheder)
Pulse Kontur Analyse
(PICCO)
Thermodilution
(PA Katheter)
u.a.
Die Echokardiographie gilt dabei sicherlich als gutes
Beispiel, denn es benötigt nicht nur exzellente Erfahrungen
beim Ultraschall an sich, sondern eben auch unter der
besonderen Bedingung eines Belastungstest. Dies führt
häufig zu Problemen beim Ausmessen gerade bei mittleren
und hohen Belastungen, so dass hier auf der Ebene eines
submaximalen Tests die Untersuchung abgebrochen wird.
Auch die Rückatmungsmethode erzielt sehr gute
Ergebnisse in Ruhe, da hier das dazu benötigte Atemmanöver noch erfolgreich durch den Patienten realisiert
werden kann. Bei hohen Belastungen ergeben sich
diesbezüglich schon erheblich größere Probleme. Ein
zusätzliches Handicap stellt das Mundstück dar, welches in
Zusammenhang mit einer Zahnprothetik zu deutlich
reduzierter Akzeptanz beim Patienten führen kann. So
stellt sich das Bioimpedanzverfahren als die am wenigsten
problematische Methode erstmal grundsätzlich dar. In den
letzten 8 Jahren hat sich dabei das Verfahren der Firma
Manatec mit ihrem Gerät „Physioflow“ als besonders valide
dargestellt [1,5]. Im Gegensatz zu der Vielzahl an
Untersuchungen
im
Zusammenhang
mit
dem
Herzminutenvolumen (HZV) will die vorliegende Studie
nicht die interne oder externe Validität prüfen, sondern Ziel
dieser Studie war es, das HZV kontinuierlich nichtinvasiv
mittels
Bioimpedanzverfahren
(Physio-Flow)
bei
verschiedenen Patientenkollektiven zu messen und
auszuwerten.
•
•
•
“Indirekte” Fick-Methode
(Rückatmung)
Echokardiographie
(Doppler)
Impedanzkardiographie
(PhysioFlow)
u.a.
Abb.1: Methoden zur Bestimmung des HZV während Belastung mit mehr
oder wenig guten Aufwand-Nutzen-Relation
Material und Methode:
Im Rahmen der Leistungsdiagnostik wurden 146 Patienten
mittels kontinuierlicher HZV-Messung untersucht. Dabei
erfolgte retrospektiv die Einteilung in 3 Gruppen (Tab.1):
Gr1: gesunde Erwachsene < 40 Jahre, Gr2: > 40 Jahre
ohne Ischämiezeichen und Gr3: > 40 Jahre mit
Ischämiezeichen während der Belastung. Gr1: N=32 (28
M, 4 F; Alter: 26 ± 4,4 Jahre; Größe:178 ± 9,9 cm;
Gewicht: 77 ± 13,5 kg, Gr2: N=65 (35 M, 30 F; Alter: 57 ±
11,2 Jahre; Größe:172 ± 9,0 cm; Gewicht: 95 ± 16,0 kg)
und Gr3: N=49 (31 M, 18 F; Alter: 65 ± 8,1 Jahre;
Größe:170 ± 8,2 cm; Gewicht: 85 ± 14,1 kg).
Tabelle1: Soziodemographische Daten
11
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HZV in der Leistungsdiagnostik
Belastungsminute sowie zum Zeitpunkt der Ausbelastung
ausgewertet (Test, Abb. 2). Im Anschluss fuhren die
Probanden 5 Minuten bei 25 % der maximal erreichten
Leistung. Die Datenerhebung erfolgte in der Pause am
Ende der 1., 3. und 5. Minute (Pause, Abb.2).
Leistung in Watt
Stufentest
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Test
Pause
100%
0
1
2
3
4
5
17
18
19
20
21
22
(http://klinische-sportmedizin.de)
HZV-Messung mit Physio-Flow:
Die Firma Manatec Biomedical entwickelte in den 90er
Jahren das Gerät Physio Flow. Für die Messung des
Herzzeitvolumens werden nur noch sechs Gelelektroden
gebraucht, zwei zur Messung der Herzfrequenz und vier
zur Aufzeichnung des Impedanzsignals. Es wird lediglich
unter Ruhebedingungen eine Kalibrationsphase von 30
Herzzyklen Sekunden nach vorheriger Eingabe von
externen Patientenparametern wie Blutdruck, Körpergröße
und Körpergewicht durchgeführt. Dies ermöglicht exakte
Messungen von Herzzeitvolumenwerten.
Charloux et al. (2000) beweisen in ihrer Studie zur
Impedanzkardiographie, dass diese eine reliable noninvasive Methode darstellt. Verglichen wurden dabei die mit
Physio Flow erhaltenen Messungen mit einer zeitgleichen
Datenerhebung durch die Fick-Methode. Auch Cholley &
Payen (2005), Kööbi et al. (1997) u.a. führten Vergleichsstudien zur Fick-Methode durch, während z.B. Cotter et al.
(2004), Scherhag et al. (2005), Van de Water et al. (2003)
und Woltjer et al. (1996a) Vergleiche zur Thermodilutionsmethode anstellten. In allen Studien konnte die Messgenauigkeit des Bioimpedanzverfahrens nachgewiesen
und bestätigt werden.
23
Zeit in Min.
Abbildung 2: Testablauf
Untersuchungsablauf
Zur Untersuchung wurde die Halbliegeergometrie in einem
für Belastungs-EKG vorgesehenem Labor verwendet. Der
Vorteil der Halbliegeergometrie gegenüber der
Sitzendergometrie besteht in der deutlich ruhigeren
Oberkörperposition und damit einer deutlich geringeren
Anfälligkeit gegenüber Artefakten. Der Anstellwinkel des
Halbliegeergometers betrug 35°. Sattelhöhe und Druckpunkt der Pedale konnten dabei den Körperproportionen
angepasst werden.
Die Füße wurden mit Klettverschlusspedalen fest am
Ergometer fixiert, so dass sich die zu Untersuchenden
ausschließlich auf das Fahren konzentrieren mussten. Die
Trittfrequenz wurde mit 60 – 70 U/min festgelegt. Eine
dauerhafte Unterschreitung wurde als Belastungs-abbruch
gewertet.
Die Steigerung der Belastung um 10 Watt/min, beginnend
mit 30 Watt bis zur subjektiven Erschöpfung bzw. bis
objektive Kriterien zum Testabbruch erreicht wurden (Abb.
2). In einem stufenförmigen maximalen Er-gometertest
wurden Herzfrequenz (Hf), Herzzeitvolumen (HZV),
Schlagvolumen (SV) und Ejektionsfraktion (EF) beginnend
mit dem Ruhewert vor Belastung, am Ende jeder dritten
Auswertung:
Der statistische Vergleich erfolgte auf der Basis der
relativen Leistung.Die Ergebnisse werden als Mittelwerte
(MW) und Standardabweichungen (Stabw) angegeben. Die
Signifikanz von Unterschieden wird mittels einer
Varianzanalyse für Messwiederholungen berechnet.
Signifikanzangaben: p<0.05: *, p<0.01: **, p<0.005: ***,
p<0.001:****
Ergebnisse
Die Gruppen unterschieden sich bezüglich ihrer erreichten
maximalen Belastbarkeit. Die Ergebnisse werden in
Abbildung 3 und Tabelle 2 dargestellt. Gruppe 1 hatte
dabei signifikant höhere Leistung gegenüber den beiden
anderen Gruppen. Gruppe 2 und Gruppe 3 unterschieden
sich dabei aber nicht.
Watt
Gr 2 >40J
Gr 3 >40J +
243 ± 56,8
138 ± 44,8
125 ± 38,1
Pmax [Watt]
Gr 1 <40J
***
350
***
250
ns
150
50
Tabelle 2: Ergebnisse der maximalen Leistungen
Gr1
Gr2
Abb.3: Ergebnisse der maximalen Leistung
12
Gr3
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HZV in der Leistungsdiagnostik
In den Abbildung 4 und 5 und in Tabelle 3 sind die
Ergebnisse für die Herzfrequenz dargestellt. Dabei
unterschied sich die Gruppe 1 signifikant von den beiden
anderen Gruppen bei maximaler Belastung. Es gab
allerdings keine Unterschiede zwischen Gruppe 2 und 3.
Es werden sowohl die Ergebnisse in Ruhe als auch bei
maximaler Belastung verglichen.
200
30
150
125
100
20
15
75
10
50
5
0
25
50
Gruppe 1
Gruppe 2
Gruppe 3
25
HZV [l/min]
HF [S/min]
In den Abbildung 6 und 7 und in Tabelle 4 sind die
Ergebnisse für das HZV dargestellt. Dabei unterschied
sich die Gruppe 1 signifikant von den beiden anderen
Gruppen bei maximaler Belastung und in Ruhe gegenüber
Gruppe 3. Es gab allerdings keine Unterschiede zwischen
Gruppe 2 und 3. Es werden sowohl die Ergebnisse in
Ruhe als auch bei maximaler Belastung verglichen.
Gruppe 1
Gruppe 2
Gruppe 3
175
(http://klinische-sportmedizin.de)
75
100
125
150
0
25
50
Leistung [Watt]
Abb.4: Ergebnisse der Herzfrequenz im Belastungstest
Ruhe
Ruhe
Max
***
175
150
***
***
***
30
HZV [l/min]
ns
150
125
125
Max
40
200
100
Abb.6: Ergebnisse des HZV im Belastungstest
225
HF [S/min]
75
Leistung [Watt]
ns
100
ns
20
ns
**
ns
10
75
0
50
Gr1
Gr2
Gr3
Gr1
Gr2
Gr1
Gr3
Abb.5: Vergleich der Herzfrequenz in Ruhe und Pmax
Gr2
Gr3
Gr1
Gr2
Gr3
Abb.7: Vergleich des HZV in Ruhe und Pmax
S/min
Gr 1 <40J
Gr 2 >40J
Gr 3 >40J +
l/min
Gr 1 <40J
Gr 2 >40J
Gr 3 >40J +
HFRuhe
77 ± 15,4
77 ± 11,4
72 ± 11,4
HZVRuhe
8,9 ± 2,5
8,1 ± 2,5
7,4 ± 1,7
HFmax
182 ±15,4
135 ±21,6
134 ±18,1
HZVmax
27,3 ± 6,5
18,3 ± 4,9
17,0 ± 4,3
Tab.3: Ergebnisse der Herzfrequenz
Tab.4: Ergebnisse des HZV
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HZV in der Leistungsdiagnostik
Diskussion
In den Abbildung 8 und 9 und in Tabelle 5 sind die
Ergebnisse der Ejektionsfraktion dargestellt. Dabei
unterschied sich die Gruppe 1 signifikant von den beiden
anderen Gruppen bei maximaler Belastung und in Ruhe
gegenüber Gruppe 3. Keine Unterschiede gab es
zwischen Gruppe 2 und 3. Es werden sowohl die
Ergebnisse in Ruhe als auch bei maximaler Belastung
verglichen.
90
EF [%]
Die vorliegende Studie hatte das Ziel, die Veränderungen
des HZV unter Belastung zu erfassen und bei
verschiedenen Patientengruppen zu vergleichen. Die
dabei verwendete nichtinvasive kontinuierliche Messung
des HZV mittels Bioimpedanzverfahren (PhysioFlow)
während der Belastung stellt ein einfach anwendbares
Verfahren dar. Es unterstützt eine routinemäßige Kontrolle
der hämodynamischen Leistungsfähigkeit des Herzens bei
Belastungs- und insbesondere bei Ergometeruntersuchungen. Es existiert eine Vielzahl an Studien und
Publikationen die einen Vergleich der verschiedenen Verfahren gegeneinander darstellen. Dabei wird deutlich,
dass nur eingeschränkt Informationen über die hämodynamischen Parameter bei maximalen Belastungstests
vorliegen.
Die Praxis verlangt neben den grundsätzlichen
Erkenntnissen über die Validität der Verfahren eben auch
Ergebnisse aus Routineuntersuchungen, um einen Vergleich mit pathophysiologischen Verläufen durchführen zu
können. Gerade unter diesem Gesichtspunkt stellt das
PhysioFlow ein mögliches Untersuchungsverfahren dar.
Die vorliegende Untersuchung selbst konnte zumindest
die Möglichkeit der Nutzung aufzeigen. Die retrospektive
Betrachtung der Hämodynamik konnte in dieser Studie
zwar keinen zusätzlichen Erkenntnisgewinn im Sinne
einer Ischämiediagnostik liefern, aber dies kann wiederum
an der im Ende eher geringen Vortestwahrscheinlichkeit
für Belastungs-EKGs liegen, so dass die Tatsache, dass
bei >40jährigen Erwachsen mit bzw. ohne
Ischämiezeichen (Gr2 und Gr3) kein Unterschied im HZV
existierte, am ehesten durch die annähernd normale EF in
beiden Gruppen zu erklären wäre. Die im EKG
vorhandenen Ischämiezeichen führten in Gruppe 3
offenbar nicht zu hämodynamischen relevanten und
mittels Bioimpedanzverfahren (Physio-Flow) messbaren
Veränderungen des HZV. Alternativ wäre auch denkbar,
dass die Ischämiezeichen „falsch-positiv“ waren, womit
eine Veränderung der HZV nicht zu erwarten wäre. Um
dies jedoch eindeutig zu klären, müssen weitere
Untersuchungen folgen, bei denen tatsächliche Ischämien
bei Belastung mit „falsch positiven“ Belastungs-EKGs und
gesunden Personen verglichen werden.
Gruppe 1
Gruppe 2
Gruppe 3
100
80
70
60
50
0
25
50
75
100
125
150
Leistung [Watt]
Abb.8: Ergebnisse der EF im Belastungstest
Ruhe
Max
***
100
EF [%]
90
**
***
ns
**
80
ns
70
60
50
40
Gr1
Gr2
Gr3
Gr1
Gr2
Gr3
Abb.9: Vergleich der EF in Ruhe und Pmax
%
Gr 1
<40J
Gr 2
>40J
Gr 3
>40J +
EFRuhe 64 ± 10,1
57 ± 9,8
58 ± 7,3
EFmax
77 ± 11,0
75 ± 9,0
84 ± 9,3
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Tab.5: Ergebnisse der Ejektionsfraktion
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Literaturverzeichnis
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Korrespondenzadresse:
Dipl. Sportl. S. Fikenzer
Universität Leipzig
Institut für Sportmedizin
Marschner Str. 29
04109 Leipzig
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