Luftverdrängungsplethysmographie

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 23. November 2016
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Die Luftverdrängungsplethysmographie wird in der Medizin als nichtinvasives Diagnosemittel zur Bestimmung des Volumens oder von Volumenveränderungen eines Körpers oder bestimmter Körperteile genutzt.

In einer geschlossenen Kapsel oder eines geschossenen Hohlraums, der durch eine Manschette luftdicht abgeschlossen wird, bewirken Volumenveränderungen des Körpers oder Körperteilen Änderungen des Luftdrucks. Aus den Luftdruckänderungen berechnen Computerprogramme die entsprechenden Volumenänderungen und kompensieren dabei eventuelle Temperaturänderungen der Luft.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Luftverdrängungsplethysmographie?

Unter Plethysmographie werden in der Medizin nichtinvasive Messverfahren zur Messung von Volumen oder Volumenänderungen des ganzen Körpers oder von Körperteilen bezeichnet. Die Messverfahren werden entweder nach dem Zweck des Messverfahrens benannt wie die Verschlussplethysmographie zur Messung und Erkennung von Venenverschlüssen und Funktionsstörungen der Venenklappen oder sie werden nach dem Medium benannt, das für das Messverfahren zur Anwendung kommt.

Als Luftverdrängungsplethysmographie wird daher ein Verfahren bezeichnet, dem die Verdrängung von Luft bzw. die Erzeugung von Druckänderungen bei Volumenänderungen als Messprinzip zugrunde liegt. Die Luftverdrängungsplethysmographie kommt in der Regel als Bodyplethysmographie zum Einsatz, bei der sich die zu untersuchende Person in einer hermetisch abgeschlossenen Kabine befindet und die Volumenänderungen des gesamten Körpers einbezogen werden.

Alternativ kann die Luftverdrängungsplethysmographie z.B. zur Prüfung der Venenfunktionen an Teilbereichen des Körpers angewandt werden. Als funktionelle Einheiten dienen in diesem Fall luftdichte Manschetten, die bei Volumenänderungen der Venen mit entsprechenden Druckänderungen reagieren.

Die Untersuchungsmethode liefert schnelle und sichere Hinweise auf die Unterscheidung zwischen Asthma und Chronisch obstruktiver Lungenerkrankung. Auch Lungenemphyseme können diagnostiziert werden.

Die Bodyplethysmographie, die ein wenig vergleichbar ist mit dem Archimedeschen Prinzip der Wasserverdrängung, bei dem das Volumen eines Körpers durch Eintauchen in Wasser gemessen wird. Die verdrängte Wassermenge entspricht dem Volumen des eingetauchten Körpers und die Gesamtmasse (Gewicht) kann durch eine Waage bestimmt werden. So kann auch die spezifische Masse je Volumeneinheit errechnet werden.

Weil es sich bei Luft im Gegensatz zu Wasser um ein kompressibles Medium handelt, muss die vom Körper verdrängte Luft bei der Luftverdrängungsplethysmographie nicht direkt gemessen werden, sondern das geschieht indirekt in der abgeschlossenen Kabine über Messung der Druckänderungen. Das gleiche Prinzip der Druckänderungen analog zu Volumenänderungen des untersuchten Körperteils wird bei der Verschlussplethysmographie an Armen und Beinen genutzt. Es handelt sich dabei dem Prinzip nach ebenfalls um eine Luftverdrängungsplethysmographie, bei der der zu untersuchende Körperteil mit einer luftdicht abschließenden Manschette umhüllt wird.

Funktion, Wirkung & Ziele

Ein häufig genutzter Anwendungsbereich der Luftverdrängungsplethysmographie in Form der Bodyplethysmographie ist die Ermittlung der spezifischen Masse des Körpers und der daraus abgeleiteten Körperzusammensetzung. Insbesondere kann dadurch der prozentuale Fettanteil am Körper ermittelt werden. Die Untersuchungsmethode hat gegenüber der Wasserverdrängungsmethode den Vorteil, dass sie auch für Personen mit körperlichen Problemen geeignet ist, weil die Probanden nicht mehrmals in Wasser vollständig untertauchen müssen.

Die Methode ist mit wenig Zeitaufwand verbunden und ist weitestgehend automatisiert. Für die Untersuchung von Neugeborenen gibt es spezielle (kleine) Kammern. Ein anderer wichtiger Untersuchungsbereich für die Bodyplethysmographie bietet die umfassende Lungenfunktionsprüfung. Mittels Luftverdrängungsplethysmographie können besondere Lungen- und Atmungsparameter analysiert werden, die einer einfachen Spirometrie nicht zugänglich sind. Insbesondere kann der Atemwiderstand gemessen werden, eine wichtige Größe in der Diagnose von Atemwegserkrankungen. Des Weiteren liefert die Untersuchungsmethode schnelle und sichere Hinweise auf die Unterscheidung zwischen Asthma und Chronisch obstruktiver Lungenerkrankung. Auch Lungenemphyseme können diagnostiziert werden.

Zur Ergänzung und als Differentialdiagnose können auch spirometrische Ergebnisse herangezogen werden. Für die sogenannte Verschlussplethysmographie zur Funktionsprüfung von Venen und Arterien an den Extremitäten steht die Luftverdrängungsplethysmographie als eine von mehreren möglichen Methoden zur Verfügung. Sie bietet den Vorteil, dass tatsächliche Volumenänderungen gemessen werden und deshalb diagnostisch wertvollere und differenziertere Daten zur Verfügung stehen als z. B. bei der Plethysmographie mittels Dehnmessstreifen.

Bei der Verschlussplethysmographie per Luftverdrängung werden meist einzelne Extremitäten wie Unterschenkel oder Arme separat untersucht. Der notwendige abgeschlossene Luftraum wird per luftdichter Manschette geschaffen. Volumenänderungen durch einen veränderlichen Füllungsgrad der Venen oder Arterien wirken sich proportional auf Druckänderungen innerhalb der Manschette aus und können per spezialisiertem Computerprogramm direkt ausgewertet werden. Die Messung von Volumenänderungen am Finger (Finger-Plethysmographie) dienen dem Nachweis der Funktionalität der Arterien. Mit der gleichen Methode kann auch die Erektilität des Penis gemessen werden (penile Plethysmographie).

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Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren

Das Hauptproblem bei der Luftverdrängungsplethysmographie besteht darin, dass in einem geschlossenen System die Druckänderungen nur dann proportional zu den Volumenänderungen sind, wenn das Gas (oder die Luft) in dem abgeschlossenen System isotherm, also bei gleicher Temperatur, gehalten wird (Boyle-Mariottsches Gasgesetz).

Das lässt sich praktischerweise mit vertretbarem Aufwand kaum durchführen. Mit Entwicklung der Computertechnik und komplexer Algorithmen war es ab Ende der 1990er Jahre möglich, auf adiabatische Messungen zurückzugreifen. In diesem Fall findet kein thermischer Austausch mit der Umgebung statt. Allerdings ändert sich in dem abgeschlossenen System bei Volumenerhöhung des zu messenden Körpers oder Körperteils gleichzeitig Temperatur und Druck.

Prinzipiell bereitet die Berechnung der adiabatischen Zustandsänderung heute keine Probleme mehr, allerdings ist auch der adiabatische Zustand nicht ohne weiteres darstellbar, da z. B. die Körperwärme oder Wärmeinstrahlung von außen die Messergebnisse verfälschen können. Einerseits können über die Verwendung von Isoliermaterialien die verfälschenden Einflüsse minimiert werden, und die Entwicklung komplexer Algorithmen können die nicht ganz vermeidbaren Verfälschungen, die durch die Zufuhr thermischer Energie von außen in das abgeschlossene System entstehen, herausrechnen und kompensieren.

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