Arbetsprov med andningsgasanalys. Anette Rickenlund, Fysiologkliniken

Transkript

1 Arbetsprov med andningsgasanalys Anette Rickenlund, Fysiologkliniken

2 Arbetsfysiologi 1. Ventilation 2. Diffusion av andningsgaser 3. Central cirkulation (CO) 4. Perifer cirkulation, O2 transport 5. Perifer O2 extraktion 6. Muskulär förbränning, oxidation 7. Venöst återflöde (CO) 2

3 Arbetsförmåga Hur är syreupptaget relaterat till arbetsbelastning och vilka organsystem kan påverkar syreupptaget? Given absolut arbetsbelastning = givet syreupptag VO2 (l/min) = 0,26 + 0,012 W (watt) 3

4 Reglering av andning under arbete Respiratoriskt andningscentrum (hjärnstammen) Viljemässigt motor cortex Propioception Muskler, leder Kemoreceptorer Centrala Perifera PCO 2 -ph PO 2 4

5 Centrala cirkulationen Hjärtminutvolym ökar linjärt med arbetsbelastning x = 5

6 Reglering av hjärtminutvolym i vila Hjärtminutvolym = Blodtryck / Perifer blodkärlsresistans U R x I Nervös reglering av cirkulationen Afferens (impulser till CNS) Baroreceptorer, Kemoreceptorer Högre hjärncentra Kardiovaskulärt center i hjärnstammen Efferens (impulser från CNS) Sympatiska nervsystemet (hjärta, kärl) Parasympatiska nervsystemet (hjärta) Reglering av hjärtminutvolym under arbete Vid muskelarbete kommer hjärtminutvolymen att öka, vilket borde aktivera baroreceptorreflexen Muskelaktivering Inhibering av kardioinhibitoriska arean Omställning av Baroreceptorn Som börjar verka inom ett större tryckintervall 6

7 Perifer cirkulation Sympatikuspåslag under arbete ger generell kärlsammandragning Pga lokala metabola förhållanden upphävs kärlkonstriktion i arbetande muskler Detta leder till en styrning av blodvolymen till skelettmuskel med ökade metabola krav 1. Metaboliter från arbetande muskel (mjölksyra, ph, CO 2, O 2 ) 2. Ökning av lokal kroppstemperatur 3. Ökat laminärt flöde i medelstora artärer > shear stress (NO) Vidgning av kärl i och till arbetande muskel 7

8 Vad bestämmer syreupptaget i arbetande muskler V O2 = SV * HR * Hb * 1,34 * (S a O2 S v O2 ) Ökad A-VO 2 differens för syre vid arbete beror av Sänkt O 2 koncentration i vävnaden Ökad temperatur och CO 2, sänkt ph vid arbete, minskar syrets affinitet till hemoglobin 8

9 Venöst återflöde Avgörande betydelse för att öka/bibehålla slagvolymen vid ökad hjärtfrekvens Ökas vid arbete genom: - Muskelpumpen skelettmuskeln kramar blod till hjärtat - Andning suger blod upp till bröstkorgen vid inandning > lägre intra-thorakalt tryck och pumpar in blod i hjärtat vid utandning > högre tryck i bröstkorgen - Omfördelning av blodvolym från icke arbetande vävnad 9

10 Depåernas storlek Krav på syretillgång Förbränningens uthållighet Energins tillgänglighet Muskelmetabolism: energisystem i arbetande muskel Spjälkning av ATP-fosfokreatin PCr + ADP + H + Cr + ATP Anaerob glykolys C 6 H 12 O 6 2 CH 3 CHOHCOOH (fermentation mjölksyra) C 6 H 12 O [NAD] *ADP+ + 2 *P+i 2 CH 3 COCOO [NADH] + 2 H [ATP] (Steget före aerob förbränning) Aerob kolhydratoxidation Muskelglykogen, blodglukos, leverglykogen C 6 H 12 O O2 6 CO H 2 O + 36 ATP (37 ATP) 6 CO 2 produceras, 6 O 2 åtgår; RQ = 1,0 Energieffektivitet, 6,2 ATP per C-atom. Syrekrav, 6,2 ATP per O2. Aerob fettoxidation Plasma FFA, TG-plasma, TG-fettväv, TG-muskel C 16 H 32 O O 2 16 CO H 2 O ATP 16 CO 2 produceras, 23 O 2 åtgår; RQ = 0,71 Energieffektivitet, 8,1 ATP per C-atom. Syrekrav, 5,6 ATP per O2. RQ RER ca 0,8 i vila 10

11 Varför överstiger RQ 1,0 vid ett maximalt arbetsprov? Bicarbonatbuffert; HC H + H 2 C0 3 CO 2 + H 2 O Andnings drive ; PCO 2, ph, PO 2 stimulerar andningscentrum via perifera och centrala kemoreceptorer

12 Arbetsprov med andningsgasanalys (ergospirometri) Given absolut arbetsbelastning = givet syreupptag VO2 l/min = 0,26 + 0,012 W 12

13 Arbetsprov med andningsgasanalys (ergospirometri) Given absolut arbetsbelastning givet syreupptag VO2 l/min = 0,26 + 0,012 W VARFÖR GÖR VI DÅ ERGOSPIROMETRI (sambandet förutsätter cykelergometer och cykelvana) 13

14 Arbetsprov med andningsgasanalys (ergospirometri) Given absolut arbetsbelastning givet syreupptag förutsätter CYKELERGOMETER: VO2 l/min = 0,26 + 0,012 W men vid GÅNGMATTA: P (watt) = m (kg) x v (m/s) x sin α x 9,8 Således arbete på gångmatta förutsätter ett lutande plan Dessutom stor individuell skillnad i verkningsgrad 14

15 Gångmatta Armergometer Cykelergometer Lämlig belastningsform för patienter som inte kan cykla och patienter med PM Dyrt, bullrigt & skrymmande. Olycksfallsrisk Stor individuell varation i verkningsgrad Svårt kvatifiera belastning och utfört arbete, formeln för bestämning av det yttre mekaniska arbetet kräver ett lutande plan. P (watt) = m (kg) x v (m/s) x sin α x 9,8. Bör därför kombineras med analys av andningsgaser för bestämning av syreupptag. Lämlig för patieter som inte kan utföra ett benarbete Blodtrycket och hjärtfrekvensen ökar mer än vid benarbete vid motsvarande arbete pga mindre muskelmassa Förväntat armarbete är 58-59% av ett benarbete på ergometercykel. Betydande EKGartefakter, inte möjligt att bestämma blodtrycksreaktion. Liten individuell variation i verkningsgrad (25%) Kvantifiering av belastning det yttre mekaniska arbetet är enkelt och obeorende av kroppsvikt Färre EKG-artefakter, lättare att mäta blodtryck, lättare att analysera andningsgaser Lättare att fastställa VO 2 - arbete samband VO2max 89%-95% jämfört med gångmatta Alla patienter kan inte cykla, svåriad pulsutveckling för patienter med PM 15

16 Gångmatta Armergometer Cykelergometer Lämlig belastningsform för patienter som inte kan cykla och patienter med PM Dyrt, bullrigt & skrymmande. Olycksfallsrisk Stor individuell varation i verkningsgrad Svårt kvatifiera belastning och utfört arbete, formeln för bestämning av det yttre mekaniska arbetet kräver ett lutande plan. P (watt) = m (kg) x v (m/s) x sin α x 9,8. Bör därför kombineras med analys av andningsgaser för bestämning av syreupptag. Lämlig för patieter som inte kan utföra ett benarbete Blodtrycket och hjärtfrekvensen ökar mer än vid benarbete vid motsvarande arbete pga mindre muskelmassa Förväntat armarbete är 58-59% av ett benarbete på ergometercykel. Betydande EKGartefakter, inte möjligt att bestämma blodtrycksreaktion. Liten individuell variation i verkningsgrad (25%) Kvantifiering av belastning det yttre mekaniska arbetet är enkelt och obeorende av kroppsvikt Färre EKG-artefakter, lättare att mäta blodtryck, lättare att analysera andningsgaser Lättare att fastställa VO 2 - arbete samband VO2max 89%-95% jämfört med gångmatta Alla patienter kan inte cykla, svåriad pulsutveckling för patienter med PM 16

17 Arbetsförmåga: Effekt (Watt) vs VO 2 (l/min, ml/(kg x min)) Effekt (Watt) Utförd på cykel, lätt att bestämma Pga liten individuell variation av verkningsgrad på cykel (25%) kan patientens metabolism förutsägas från uppmätt effekt på cykel Uppmätt värde/referens måste korrigeras om annan belastningsökning än 10W används (15 W-1,07; 20 W-1,12) Syreupptag (l/min) Mer robust, utfallet påverkas inte av belastningsprofil förutom vid mkt låg eller mkt hög arbetsförmåga Kan ge tilläggsinformations utöver arbetsförmåga Omständig, svårberäknad Referensmaterial saknas för svenska förhållanden 17

18 Arbetsförmåga: Effekt (Watt) vs VO 2 (l/min, ml/(kg x min)) Effekt (Watt) Utförd på cykel, lätt att bestämma Arbetsförmåga angiven som Effekt är väl etablerat i Sverige Pga liten individuell variation av verkningsgrad på cykel (25%) kan patientens metabolism förutsägas från uppmätt effekt på cykel Uppmätt värde/referens måste korrigeras om annan belastningsökning än 10W används (15 W-1,07; 20 W-1,12) Syreupptag (l/min) Mer robust, utfallet påverkas inte av belastningsprofil förutom vid mkt låg eller mkt hög arbetsförmåga Kan ge tilläggsinformations utöver arbetsförmåga Omständig, svårberäknad Referensmaterial saknas för svenska förhållanden T Scott Bowen et al. J Appl Physiol 113: ,

19 Indikationer för arbetsprov med andningsgasanalys Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter. Hjärttransplantationsutredning. Uppföljning av kongenitala hjärtsjukdomar Preoperativ riskbedömning och utredning av lungcancerpatienter. Lungtransplantationsutredning av terminal KOL. Uppföljning av CF. Oklar dyspné. Med tillägg av artärgaser kan begränsande organsystem ofta bestämmas Prognosbedömning vid pulmonell hypertension Metoden för träningsoptimering och träningsuppföljning. 19

20 Utvärdering av hjärtfunktionen, peak VO 2 -Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter -Hjärttransplantationsutredning -Uppföljning av kongenitala hjärtsjukdomar 20

21 Utvärdering av hjärtfunktionen -Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter -Hjärttransplantationsutredning -Uppföljning av kongenitala hjärtsjukdomar 21

22 Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini 22

23 Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini 23

24 Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini 24

25 Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter VO2 < 14 ml/kg x min VE/VCO2-slope > 34 AT < 36 No one 25

26 Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter - VO 2 max - Ventilatoriskt tröskelvärde (motsvarar AT) - VE/VCO 2 (@AT eller slope) - PETCO 2 i - Förekomst av oscillatorisk andning Ugo Corra et al. Eur J Heart Failure. In press

27 Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter - VO 2 max - Ventilatoriskt tröskelvärde (motsvarar AT) - VE/VCO 2 (@AT eller slope) - PETCO 2 i - Förekomst av oscillatorisk andning 27

28 Är arbetsprovet maximalt? Indikationer för ett cirkulatoriskt begränsat arbetsprov -RQ > 1,1 -Borgskattning nära max 19-20/20 -Hjärtfrekvens nära predikterad max -VO 2 platå -VE/VCO 2 vid slutbelastning > 30 Detta gäller åtminstone yngre och friska 28

29 Är arbetsprovet maximalt? Indikationer för ett cirkulatoriskt begränsat arbetsprov vid hjärtsjukdom -RQ > 1,1 -Borgskattning nära max 19-20/20 -Hjärtfrekvens nära predikterad max (?) -VO 2 platå (?) -VE/VCO 2 vid slutbelastning > 30 (?) 29

30 Praktiska riktlinjer bestämning av max syreupptag 30

31 Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini

32 Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde VT enligt VCO 2 /VO 2 -grafen En teoretisk figur som visar hur VCO2/VO2 grafen viker av uppåt vid AT. 32

33 mentometerfråga 33

34 Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde VT enligt VE/VO 2 - och VE/VCO 2 A B C När inträffar VT A. När VE/VCO 2 börjar stiga B. När ekvivalenterna korsas C. När VE/VO 2 börjar stiga En teoretisk figur som visar hur VE/VO 2 grafen börjar stiga vid AT. 34

35 Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde VT enligt VE/VO 2 - och VE/VCO 2 En teoretisk figur som visar hur VE/VO 2 grafen börjar stiga vid AT. 35

36 mentometerfråga 36

37 Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde VT enligt PetO 2 och PetCO 2 A B C När inträffar VT A. När PetCO 2 når högsta nivån B. När PetO 2 börjar stiga C. När PetCO 2 börjar sjunka En teoretisk figur som visar hur PetO 2 i grafen börjar stiga vid AT. 37

38 Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde VT enligt PetO 2 och PetCO 2 En teoretisk figur som visar hur PetO 2 i grafen börjar stiga vid AT. 38

39 Bestämning av VE/VCO2 - slope 39

40 Kvalitetsgranskning av ett arbetsprov med analys av andningsgaser Praktiska riktlinjer -Adekvat belastningsprotokoll som leder till adekvat varaktighet av provet -Naughton protokoll, Bruce protokoll, modifierad Bruce, 1 m/s med vinkelinställning, 0,5 m/s med vinkelinställning -Rimlighetsbedömning av uppnådda resultat 100W = 1,5 l/min (cykel) -Bestämning av max VO 2 -Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde (VT, mäter andningsgaser); väsentligt utbytbart mot anaerob tröskel/laktattröskel (AT/LT som baseras laktatvärde) -Rimlighetsbedömning av beräknad andningsreserv (kontrollera patientens beräknade MVV FEV x 35/40 och patientens uppnådda maximala ventilation tidalvolym x andningsfrekvens vid max ) 40

41 41

42 42

43 mentometerfråga 43

44 Är mätvärdena för arbete (W) och syreupptag rimliga? A. Ja, de är rimliga B. Nej, de är inte rimliga 44

45 45

46 46

47 47