Neustädter, Irena: Erweiterung der pulmologischen Diagnostik in der Nuklearmedizin - kombinierte Ventilations - Inhalationsszintigraphie

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Kapitel 1. Einleitung

1.1 Lungenerkrankungen und die nuklearmedizinische Diagnostik

Im Bestreben die pulmologische Diagnostik in der Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin (Direktor: Univ.-Prof. Dr. med. D. L. Munz) an der Charité zu erweitern und zu vervoll-kommnen, wurden die bereits bestehenden Indikationen und die Anwendung der szinti-graphischen Diagnostik bei Lungenerkrankungen überprüft, um somit eventuell weitere Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.

Seit die Anreicherung von radioaktiven Substanzen in der Lunge erforscht wurde (1947 vonI. Müller und P. Rossier) besteht eine zunehmend engere Zusammenarbeit zwischen Nuklear-medizinern und Pulmologen bei der Abklärung und dem Ausschluß von Störungen der pulmo-nalen Perfusion, Ventilation, Diffusion und Selbstreinigung.

Die nuklearmedizinische Diagnostik hat allerdings im Rahmen der allgemeinen szinti-graphischen Funktionsanalyse noch nicht den Stellenwert eingenommen, der ihr eigentlich zustehen sollte.

Speziell in der Pulmologie bestehen Möglichkeiten der Kombination klinischer Symptomatik, Lungenfunktion, konventioneller Radiologie, Angiographie und nuklearmedizinischer Untersuchungsverfahren, die eher unzureichend genutzt werden. Somit wird der Informations-gewinn dieser Methode zur sicheren und schnellen Diagnosefindung nur eingeschränkt verwertet.

Die Gegenüberstellung nuklearmedizinischer Daten mit gleichzeitig erhobenen Lungenfunktionsdaten ist bisher auch in der Literatur selten erwähnt worden.

Das Routinespektrum der pulmologischen Diagnostik in der Nuklearmedizin umfaßt:

1. Lungenperfusionsszintigraphie

2. Lungenventilationsszintigraphie


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3. Kombinierte Ventilations-Perfusionsszintigraphie

Um die Funktionsvorgänge so umfassend wie möglich bei Verdacht auf Lungenerkrankungen beurteilen zu können, sind Grenzen in dem bisher angewendeten Routineprogramm (eingeschränktes Repertoire) deutlich geworden. Auf der Suche nach sinnvollen Ergänzungen wurden folgende erweiternde Untersuchungen durchgeführt und auf deren Aussagekraft überprüft.

4. Inhalationsszintigraphie

Gerade die Inhalationsuntersuchungen werden meist als „Ventilationsersatz“ gebraucht. Dies ist unbefriedigend, da es nicht das geeignete Instrument zur Untersuchung der globalen Ventilationsverhältnisse in der Lunge darstellt als auch der zusätzliche Informationsgewinn unbeachtet bleibt.

5. Pertechnegasszintigraphie

Weiterhin erfüllt die Lunge wichtige Funktionen im Bereich der Immunabwehr. In den Atemwegen wird die eingeatmete Luft erwärmt und angefeuchtet. Dies geschieht über die Durchblutung des Bronchialsystems und über die Sekretion von Flüssigkeit und Schleim. Der Schleim dient unter anderem als Haftmaterial für eingedrungene Fremdkörper und Bakterien. Durch die Tätigkeit des Zilienapparates (Flimmerepithel), welcher die ganzen Atemwege bis zum Beginn der Bronchioli respiratorii auskleidet, werden inhalierte Partikel oralwärts befördert.


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Wir sind uns dabei bewußt, daß die Lungenfunktionsdiagnostik eine Domäne der Inneren Medizin ist. In Zusammenarbeit mit den Pulmologen der Klinik und Poliklinik für Innere Medizin I an der Charité (Leiter Abteilung Pneumologie: PD Dr. Ch. Witt) wurden Grenzen in der konventionellen Diagnostik deutlich. In dieser Arbeit soll daher geprüft werden, in wie fern sinnvolle Ergänzungen in der diagnostischen Information durch die Nuklearmedizin eingebracht werden können, um damit noch offene Fragen zu klären.

1.2 Funktionsanalyse der Lunge

Die Darstellung der anatomischen Verhältnisse der Lunge in der Nuklearmedizin ist abhängig von der Lokalisation der Radioisotope in ihr. Die anatomisch übliche Unterteilung der Lunge in Lappen ist bei der Beschreibung von Szintigraphiebildern schwierig, da es hier ähnlich wie beim Röntgenthoraxbild zu einem Summationseffekt kommt. Es wird daher die Einteilung in Felder beziehungsweise der Vergleich von zentralen und peripheren Lungenarealen verwendet.

Die Perfusionsuntersuchung zählt zu den etabliertesten Methoden in der nuklearmedizinischen Lungenfunktionsdiagnostik. Ihre Indikation und Interpretation ist eindeutig. Anders sieht es mit der Beurteilung der ventilatorischen Verhältnisse aus. Die Edelgasventilation wird vorrangig zur Detektion von Lungenembolien in Kombination mit der Perfusion angewendet. Es kommt somit die allgemeine Belüftung zur Darstellung. Werden also radioaktive Gase der Einatemluft zugesetzt, wird die prinzipielle Belüftung der Lunge angezeigt (Ventilationsszintigraphie). Bei ungehinderter Belüftung läßt sich die Luftverteilung bis in die Bronchiolen/Alveolen (Lungenperipherie) erfassen, da Edelgase wie Xenon 133 und Krypton 81m aufgrund ihrer geringen Löslichkeit nicht ins Gewebe abwandern und mit wenigen Exspirationsmanövern abgeatmet werden.

Verwirrungen treten auf, wenn Ventilationsszintigraphie (Edelgase) und Inhalationsszintigraphie mittels Aerosolen gleichgesetzt werden. Hier gibt es Unklarheiten methodischer Art und auf dem Gebiet der Indikation.

Mittels Ventilationsszintigraphie wird die globale Luftverteilung bis in die Lungenperipherie nachweisbar.

Bei Störungen der Aerodynamik, wie sie bei obstruktiven Lungenerkrankungen oder Tumoren im Bronchialsystem auftreten, unterliegen die Gase nicht den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Deposition in Abhängigkeit von der Atemwegsgeometrie. Es können auch verengte Bronchien bei forcierter Inspiration von Gas passiert werden. Erst wenn die Belüftung bestimmter Lungenareale funktionell ausgefallen ist oder bei Bronchusabbrüchen kommt es zu Minderanreicherung des Radionuklids im distalen Anteil.

Die Nutzung der Inhalationsszintigraphie über das derzeitig übliche Maß der „Pseudo-ventilation“ hinaus kann die diagnostischen Möglichkeiten erweitern.


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Die Inhalation von Aerosolen zeigt in Abhängigkeit von den zustandekommenden Depositions-mechanismen ein funktionelles Abbild der Aerodynamik.

Während konventionelle Lungenfunktionsparameter zur Bestimmung von ventilatorisch und atemmechanisch bedingten Verteilungsstörungen nur eine vorwiegend global funktionelle Beurteilung erlauben, ermöglicht die Methode der Inhalationsszintigraphie eine regional funktionelle Zuordnung in indizierten Fällen.

Bisherige Einsatzgebiete der Inhalationsszintigraphie:

Um das bisher eingeschränkte Routinerepertoire in der Lungenfunktionsszintigraphie zu erweitern und somit eine differenzierte Betrachtung der Funktionsanalyse anzustreben, sollen die Besonderheiten bei der Radioaerosoldepostion im Tracheo-Broncho-Alveolären System ausgenutzt werden, so daß diese bisher wenig genutzten Informationsgewinne auf dem Gebiet der Detektion von Verteilungsstörungen (Inhomogenitäten) zum Einsatz kommen.

1.2.1 Die Inhalationsproblematik

Die Problematik des Verständnisses für die Inhalation und daraus sich ergebender Analyse dieser mittels Szintigraphie liegt in den physiologischen und technischen Einflußfaktoren begründet. Es soll an dieser Stelle noch einmal betont werden, daß diese Untersuchungsmethode keine Neuerfindung ist, bereits frühzeitig wurde die Lungenfunktionsprüfung mit Radioaerosolen von Taplin (1966) angeregt. Eine breite klinische Anwendung blieb dieser Methode bisher versagt. Die Ursache hierfür ist wohl in dem besonderen Verhalten der Aerosole zu suchen.

Zum besseren Verständnis werden im folgenden einige Grundlagen der Aerodynamik vermittelt, die für die Abgrenzung der Inhalationsszintigraphie von der Edelgasventilation und für die Interpretation der Szintigramme unerläßlich sind.

1.2.1.1 Mechanismen der Aerosoldeposition in Abhängigkeit von der Aerodynamik

Unter einem Aerosol wird ein System verstanden, das aus einem Gas (Luft) und feinstverteilten festen oder flüssigen Schwebstoffen zusammengesetzt ist. Das Absetzen der Schwebstoffe an Oberflächen (Deposition) wird von einer Reihe von Faktoren beeinflußt.

Die intrakorporale Deposition eines Aerosols hängt im wesentlichen von den folgenden Mechanismen/Voraussetzungen ab:


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  1. Physikalische Eigenschaften
  2. Aerosolgenerator
  3. Atemwegsgeometrie

Im folgenden werden diese Phänomene näher besprochen, um somit aufzuzeigen, daß die Inhalation in der Nuklearmedizin bislang nicht sinnvoll eingesetzt wurde, weil wichtige Aspekte dieser Untersuchungsmethode nicht beachtet worden sind.

1.2.1.1.1 Ad 1. Physikalische Eigenschaften

Aerosole können wie ein Gas ein- und ausgeatmet werden, andererseits erfolgt in Abhängigkeit von der Partikelgröße im Bronchialsystem und in den Alveolen eine Partikeldeposition. Somit liefert die Inhalationsszintigraphie ein dynamisches Bild der Lungenfunktion in Abhängigkeit vom Vorhandensein von Passagehindernissen. Behinderungen in der Peripherie durch Schleimhautschwellung, Hypersekretion oder Bronchialmuskelspasmus können somit dargestellt werden.

Abb. 1: Alveole


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Bei der Aerosoldeposition werden mindestens 5 verschiedene Mechanismen wirksam, deren Bedeutung und gegenseitige Wechselwirkung wiederum von verschiedenen inneren und äußeren Abflüssen abhängig sind (a - e).

Grundsätzlich immer wirksam sind Sedimentation, Trägheit und Diffusion der Aerosolpartikel.

a) Sedimentation

Die Sedimentation ist ein Vorgang, der das Absetzen von Teilchen in einer Suspension beschreibt.

Es ist ein physikalisches Verhalten, das durch Bestimmung der Korngrößen die Verteilung in Prozessen beeinflußt. Diese Verteilungen bestimmen solche Eigenschaften wie die Affinität von chemischen Katalysatoren, die Absetzzeit, die Deckkraft wie auch die Wirksamkeit von Pharmaka. Bei kleineren Geschwindigkeiten wird eine einfache Relation zwischen Sinkgeschwindigkeit und Teilchengröße hergestellt.

Teilchen mit einer Dichte größer als Luft bewegen sich durch die Schwerkraft abwärts. Die Sinkgeschwindigkeit hängt ab von Größe, Form und Gewicht des Partikels. Kleinere Partikel sedimentieren entsprechend langsamer und erreichen eher die Alveolen. Größere Partikel sedimentieren vor den Alveolen.

Abb. 2: Sedimentation (33)

Die Funktionsanalyse der einzelnen Atemwegsabschnitte leitet sich damit direkt aus der verwendeten Partikelgröße ab.

b) Trägheit

Nach dem ersten Newtonschen Axiom behält ein Körper, der in Ruhe ist oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt seinen Bewegungszustand bei, wenn keine resultierende Kraft auf ihn einwirkt. Er bleibt also in Ruhe oder bewegt sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit weiter. Diese Eigenschaft eines Körpers, seinen Bewegungszustand beizubehalten, bezeichnet man als Trägheit.


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Ändert der Luftstrom in den Atemwegen plötzlich seine Richtung, so ändert sich die Lage eines Aerosolpartikels zum Luftstrom, der Partikel wird im Bezug zum Luftstrom seitlich versetzt.

Abb. 3: Trägheit (33)

c) Diffusion

Wenn eine physikalische Größe über ein Gasvolumen nicht konstant ist, so treten Transportvorgänge auf, die zum Ausgleich der bestehenden Unterschiede führen. Besteht ein Dichtegradient, so tritt die Diffusion auf; dabei wird Masse transportiert. Diffusion ist also ein Transport von Teilchen aus einem Raumgebiet höherer Konzentration in ein Gebiet niederer Konzentration.

Abb. 4: Diffusion (33)

Die Diffusion der Aerosolpartikel erfolgt durch die Braun`sche Molekularbewegung. Die in Flüssigkeiten suspendierten Teilchen führen eine unregelmäßige Zitterbewegung aus. Diese Bewegungen lassen sich dadurch erklären, daß die im Vergleich zu Atomen sehr großen Teilchen dauernd von sich schnell bewegenden Atomen beziehungsweise Molekülen in statistisch verteilten Richtungen gestoßen werden. Hierbei stoßen die Partikel an Bronchial- und Alveolarwände und bleiben dort hängen.

d) Elektrische Ladungskräfte

Die elektrische Ladung ist eine fundamentale Eigenschaft der Materie - es gibt positive und negative elektrische Ladungen. Gegenstände werden durch Ladungsaustausch, meist durch die Übertragung von


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Elektronen, elektrostatisch aufgeladen. Die Ladung kann bei Prozessen der elektrostatischen Aufladung nicht erzeugt oder zerstört werden, sondern lediglich um verteilt werden.

Abb. 5: elektrische Ladungskräfte (33)

Die Oberfläche des Respirationstraktes ist ungeladen, aber elektrisch leitfähig. Ein elektrisch geladenes Teilchen kann eine Ladung auf der Oberfläche induzieren und wird daraufhin von dieser angezogen. Diese elektrischen Kräfte haben jedoch insgesamt einen geringeren Einfluß auf die bronchiale Deposition.

e) Zentrifugalkräfte

Zentrifugalkräfte wirken in einem gleichförmig rotierenden Bezugssystem auf einen darin ruhenden Körper. Diese beschleunigen einen Körper vom Zentrum der Kreisbewegung weg in radialer Richtung.

Die Zentrifugalkraft spielt in Natur und Technik bei vielen Vorgängen eine große Rolle. Sie bewirkt das bekannte Gefühl im Kopf und Magen auf dem Karussell oder der Kurvenfahrt im Auto.

Wenn sich ein Körper durch ein Gas wie Luft oder eine Flüssigkeit bewegt, erfährt er einen Strömungswiderstand, der seiner Bewegung entgegenwirkt. Der Strömungswiderstand nimmt mit der Geschwindigkeit zu. Bei höheren Geschwindigkeiten bilden sich in dem Medium (Gas, Flüssigkeiten) so genannte Wirbel.

Abb. 6: Zentrifugalkräfte (33)

Durch Wirbelbildung im Luftstrom zum Beispiel nach Stenosen an Schleimpfröpfen oder bei „small airway disease“ wirken Zentrifugalkräfte auf die Aerosolpartikel ein und führen zum vorzeitigen Niederschlag.


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Das Depositionsmuster eingeatmeter radioaktiver Partikel ist aufgrund der oben genannten vielfältigen Depositionsmechanismen nicht nur eine Funktion der Inhalation sondern auch der physikalischen Eigenschaften des Aerosols, der morphologischen Gegebenheiten der Atemwege (Aerodynamik - Atemwegsgeometrie) sowie der physiologischen Verhältnisse während der Atmung.

Bei Beachtung dieser ebengennanten Aspekte wird deutlich, daß die Inhalation mit Aerosolen nicht der Ventilation mit Edelgasen gleichgesetzt werden darf. Die Phänomene der Aerosoldeposition sollten bei der funktionellen Beurteilung der Lunge durch die Nuklearmedizin effizienter ausgenutzt werden.

1.2.1.1.2 Ad 2. Aerosolgenerator

Die Erzeugung eines Aerosols erfordert Energiezufuhr. Grundsätzlich kann nach Aerosoleigenschaften unterschieden werden. Haben sämtliche hergestellte Partikel den gleichen Durchmesser, dann spricht man von monodispersen, haben sie verschiedene Durchmesser, von einem polydispersen Aerosol. Die Erzeugung monodisperser ist sehr aufwendig. Für die klinische Anwendung ist es ausreichend, zunächst ein polydisperses Aerosol zu erzeugen, und dessen Spektrum nachträglich einzuengen. Die nachfolgende Selektion der Partikelgröße erfolgte beim hier verwendeten Aerosolgenerator mit Hilfe einer Prallplatte. Hier werden die durch einen Preßluftvernebler entstandenen Partikel in der nachgeschalteten Prallplatte infolge ihrer Trägheit abgefangen. Somit ist auch eine ständige Verfügbarkeit garantiert.

Die Größe der erzeugten polydispersen Partikel wird am besten durch den aerodynamischen mittleren Massendurchmesser (AMMD) beschrieben. Partikel mit einem AMMD von mehr als 10 µm erlauben keine wesentliche pulmonale Deposition, von weniger als 1 µm verhalten sie sich wie ein unlösliches Gas und werden kaum deponiert, sondern wieder ausgeatmet.

Der verwendete Aerosolgenerator hat 2 Vernebler, die so konstruiert sind, daß sie auf einen spezifischen Bereich der Lunge zielen können. Einer für die Trachea- und Bronchialab-lagerungen und der andere für die alveoläre Ablagerung.


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Abb. 7: Gezielte Aerosolplazierung durch unterschiedliche Partikelgrößen

Für die Inhalationsszintigraphie zur Beurteilung der regionalen Lungenbelüftung wurden Partikelgrößen < 2 µm angestrebt, um eine möglichst periphere Ablagerung zu erreichen. Für die Beurteilung der mukociliären Clearance gelangten Partikelgrößen von > 3,5 µm zum Einsatz, um einen Niederschlag im zilientragenden Teil der Lunge bis etwa zur 19. Bronchialgeneration durch vorwiegend Trägheitskräfte zu ermöglichen.

Abb. 8: Totale und regionale Deposition von Aerosolteilchen in Abhängigkeit vom Durchmesser (14)


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1.2.1.1.3 Ad 3. Atemwegsgeometrie

Unterschiedliche Obstruktionsgrade beeinflussen die lokale Deposition der Aerosole. Dieser Mechanismus ermöglicht die Beurteilung der regionalen Lungenbelüftung, im Sinne eines Funktionszustandes der Lunge in der Nuklearmedizin durch die Inhalation von Radioaerosolen.

Abb. 9: Laminare und turbulente Strömung im Bereich von Schleimhautplaques (21)

1.2.2 Die nuklearmedizinische Beurteilung der Lungenfunktion - Ventilation und Inhalation

Die bisher unzulängliche Information über die regionale physiologische beziehungsweise gestörte Atemwegsgeometrie weist auf die Notwendigkeit einer gezielten Untersuchung zur nuklearmedizinischen Ventilation und Inhalation hin.

Regionale Ventilations-Inhalations-Konstellationen sollten dabei von besonderem Interesse sein. Gerade welchen Einfluß Störungen der Lungenfunktion auf die szintigraphische Ventilation und Inhalation haben, ist in diesem Zusammenhang noch nicht untersucht worden.

Die szintigraphischen Lungenuntersuchungen mittels Ventilationsszintigraphie und Inhalationsszintigraphie unterscheiden sich hinsichtlich der Penetration des Tracers in die Lungenperipherie deutlich voneinander.


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Die Edelgasventilation ermöglicht aufgrund der physikalischen Eigenschaften eines Gases keine Deposition. Das Funktionsszintigramm liefert somit ein „Abbild“ der allgemeinen „Luftzugängigkeit“ für einen Moment.

Die Deposition des Aerosols bei der Inhalation ist abhängig von einer bestimmten Partikelgröße, das heißt Partikel von einer Größe zwischen 2 - 5 µm werden im Tracheobronchialsystem plaziert und zwischen 0,5 - 2 µm im Bronchiolo-Alveolären Bereich.

Bei den die Atemwegsgeometrie beeinflussenden Lungenerkrankungen kann durch den Einsatz von Aerosolen (mittlere Partikelgröße 1,2 µm) gezielt eine Verteilungsstörung nachgewiesen werden, die um so ausgeprägter ist, je weniger sich im Szintigramm die Lungenperipherie darstellen läßt (Vergleich zentrale und periphere Deposition). Mit einer gleichzeitig durchgeführten Edelgasventilation (Xenon-133) können regionale Ventilations-Inhalations-Konstellationen ermittelt werden. Es könnte somit differenziert werden, ob es sich um eine obstruktionsbedingte erschwerte Luftzugängigkeit handelt (dies entspricht einem Ventilations-Inhalations-Mismatch) oder ob die Belüftung bestimmter Lungenareale funktionell ausgefallen ist (Ventilations-Inhalations-Match).

1.2.2.1.1 Ungenutzte Einsatzmöglichkeiten

  1. periphere Inhomogenitäten bei chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen
  2. zentrale Obstruktionen durch Tumore oder funktionelle Stentverschlüsse
  3. mukociliäre und resorptive Clearance


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1.3 Physiologie der Lunge

Die Beurteilung der gesamten Lungenfunktion kann nur korrekt erfolgen, wenn deren Einzelfunktionen beschrieben werden können. Diese Partialfunktionen sind Perfusion, Ventilation / Inhalation, Diffusion und Selbstreinigung. Sie können durch die konventionellen Methoden, wie Röntgen, Lungenfunktion und Angiographie erfaßt werden. Die Szintigraphie stellt ein bisher weitestgehend ergänzendes Verfahren dar. Dabei muß beachtet werden, daß die Messung von regionalen Funktionsabläufen durch die nuklearmedizinische Diagnostik exakt und wenig invasiv abgeklärt werden kann. Im folgenden soll der erweiterte Einsatz der Lungenszintigraphie anhand der physiologischen Abläufe in der Lunge verdeutlicht werden.

1.3.1 Perfusion

Zur Erfassung der Strömungsverhältnisse im pulmonalen Gefäßsystem gelangen denaturierte mit Technetium 99m markierte Humanserum-Albumin-Partikel zur Anwendung. Die so gekenn-zeichneten radioaktiven Partikel werden entsprechend des Blutflusses im kleinen Kreislauf verteilt und bleiben aufgrund ihres Durchmessers von 15 - 40 µm in den Kapillaren hängen. Die erzeugten Mikroembolien sind nicht hämodynamisch wirksam, da nur etwa 1 von 10 000 Kapillaren vorübergehend verschlossen wird (31). Die Szintigraphie spiegelt so die regionalen Volumenflüsse des Blutes wieder.

Eine gleichmäßige Verteilung der Lungenbelüftung und Durchblutung ist in Ruhe auch beim Gesunden nicht gegeben. Die Lungenbelüftung weist ein Gefälle von der Spitze zur Basis auf, während umgekehrt die Perfusion zur Spitze hin abnimmt. Diese physiologische ungleichmäßige Verteilung von Ventilation und Perfusion ist bei der Beurteilung nuklearmedizinischer Untersuchungen zu berücksichtigen.

Abb. 10: Perfusions - Ventilationsverteilung (32)


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Im Prinzip können die Ventilationsuntersuchungen in jeder Körperlage durchgeführt werden. Allerdings muß man dann beachten, daß schon beim Gesunden die oberen Lungenfelder mehr belüftet, untere mehr perfundiert werden.

1.3.2 Ventilation

Mit den Gasen Xenon 133, Xenon 127, Krypton 81m, Pertechnegas wird eine Beurteilung der Ventilation im Sinne der prinzipiellen Luftverteilung in der Lunge erreicht.

Das Edelgas erreicht die Bronchiolen / Alveolen und kann dadurch eine Darstellung dieses Funktionsbereiches ermöglichen. Durch Kombination der Ventilations- mit der Perfusionbeurteilung wird sie zur Detektion von akuten Lungenembolien eingesetzt.

Beim Einsatz von Pertechnegas, das heißt TcO4- , das als „Nebeneffekt“ durch die Alveolen in die Lungenkapillaren diffundiert, kann damit neben der Ventilation die Diffusion direkt und regional ermittelt werden.

1.3.3 Inhalation

Die diagnostische Anwendung von Radioaerosolen beim Menschen zur Messung der Lungenfunktion umfaßt im wesentlichen folgende Bereiche:

Voraussetzung für die Untersuchung ist in jedem Fall der Niederschlag des Aerosols im Bronchialbaum. (siehe Kapitel 1.2.1.)

1.3.4 Clearance

Der mukociliäre Apparat als komplexes System von Zilien, Schleim und Surfactant wird heute noch standardmäßig durch die Gewinnung von Schleimhautbiopsie (Nasenschleimhaut oder bronchoskopisch) mit nachfolgenden dynamischen Test im Elektronenmikroskop in seiner Funktion beurteilt.


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Zur Charakterisierung der mukociliären Clearance als Teilfunktion der bronchialen Selbst-reinigung wurden Untersuchungen mit radioaktiv markierten Aerosolpartikeln durchgeführt. Die mukociliäre Clearance ist bei Gesunden bis zur 19. Bronchusgeneration wirksam. Idealerweise werden die markierten Radioisotope eingesetzt, deren primärer Depositionsort in diesem Bereich liegt (Aerosoldurchmesser ca. 5 µm). Da die mukociliäre Clearance von zentral nach peripher abnimmt, kommt es im Verlauf der Aufzeichnung zu einer Aktivitätsabnahme in der Peripherie. Eine entscheidende Ergänzung ist die Feststellung der Funktionalität bei Patienten nach Stenteinlage. Die Fragestellung hierbei ist, ob Staubpartikel und Sekret von peripher nach zentral durch den Stent transportiert werden können, und danach durch Hustenmanöver eine endgültige Entfernung erreicht wird. Hier stellt die Nuklearmedizin sicherlich eine Ergänzung dar, um die Frage nach der Durchgängigkeit direkt zu beantworten.

Diese Untersuchungen wurden in eigener Regie begonnen und zur genaueren Untersuchung und Validierung an andere Doktoranden weitergeleitet.

1.4 Pathophysiologie der Lunge

Die Störungen der Lungenfunktion gehören neben den Herz-Kreislaufsystemdysregulationen zu den bedeutendsten Erkrankungen des Menschen. Eine frühestmögliche Erkennung dieser kann lebensrettend (Lungenarterienembolie) sein oder ein Fortschreiten der Erkrankung verhindern.

Zum Routinespektrum bei der Diagnostik von obstruktiven Lungenerkrankungen zählt die konventionelle Lungenfunktionsprüfung (Pneumotachographie, Bodyplethysmographie) und das Röntgenthorax. Bei der Untersuchung von chronisch obstruktiven Erkrankungen sind diese als alleinige von Nachteil, da dabei unbeachtet bleibt, daß es sich um vorwiegend regionale Verteilungsstörungen in den periphersten Abschnitten des Lungensystems handelt. Erst die „Summation“ einer Reihe von solchen dysbelüfteten Arealen bietet bei der Routinediagnostik die Möglichkeit des Nachweises.

Die Szintigraphie liefert im Gegensatz dazu eine regionale Funktionsanalyse vom „Belüftungsgrad“ der Bronchiolen/Alveolen, wobei durch die differenzierte Betrachtung von Ventilation und Inhalation auch zusätzlich Aussagen über den Schweregrad der Erkrankung getroffen werden können.


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1.4.1 Ventilationsstörungen

Die Ventilationsstörungen bilden keine einheitliche Gruppe. Es können obstruktive, restriktive beziehungsweise auch gemischte Funktionsstörungen auftreten. Erhöhungen des Strömungswiderstandes in den Atemwegen werden definitionsgemäß als Obstruktion bezeichnet. Dabei ist der Sitz der Verengung nicht primär festgelegt.

Bei restriktiven Ventilationsstörungen kommt es zu einer Verkleinerung des maximal mobilisierbaren Lungenvolumens durch verminderte Ausdehnungsfähigkeit des Lungen-Thorax-Zwerchfellsystems.

Als wesentlicher Unterschied dieser beiden Erkrankungsgruppen kann konstatiert werden, daß es bei der Obstruktion zu einer Verminderung des Lungenvolumens, das in der ersten Sekunde ausgeatmet werden kann, im Verhältnis zur Vitalkapazität (FEV1 % VC) kommt. Die Restriktion weist eine Verminderung der ventilatorischen Reserven, angezeigt durch verminderte Vitalkapazität (VC),auf.

Tab. 1: Vergleich Obstruktion und Restriktion (18)

 

Obstruktion

Restriktion

Vitalkapazität (VC)

(Erniedrigt)

Erniedrigt

FEV1

Erniedrigt

Normal

Residualvolumen (RV)

Erhöht

Erniedrigt

Resistance (R)

Erhöht

Normal

Das Asthma bronchiale spielt sich in den Bronchien und ihren kleinsten Verästelungen, den Bronchiolen ab. Unter der Schleimhaut der Bronchien liegt eine Muskelschicht, welche bei Kontraktion vor allem die Bronchien, denen das Knorpelgerüst fehlt, verengen. Eine Vielzahl von Einflußfaktoren (extrinsic und intrinsic Asthma) löst im Körper Reaktionen aus, die schließlich zu einer

und so zur Verlegung und Verengung der Bronchien führen.

Abb. 11: Schnitt durch einen Bronchus

Chronisch inhalative Noxen führen zu einer chronischen Bronchialschleimhautentzündung, deren Hauptsymptome Husten und Auswurf sind. Im Laufe der Jahre entwickelt sich eine chronisch obstruktive Ventilationsstörung mit zunächst respiratorischer Partialinsuffizienz (7). Charakteristisch ist die Schleimhauthypertrophie mit Beeinträchtigung der mukociliären Clearance, Schleimdrüsenhyperplasie mit Dyskrinie. Es kommt zu einem Mißverhältnis zwischen Schleimproduktion und der Fähigkeit diesen zu eliminieren. Bei langjährigem Ein-wirken der ursächlichen Noxe entwickelt sich häufig eine chronisch obstruktive Bronchitis.

Nach der WHO-Definition liegt eine chronische Bronchitis vor, wenn Husten und Auswurf über wenigstens 3 Monate in mindestens 2 aufeinanderfolgenden Jahren bestehen. Die international dafür übliche Bezeichnung lautet COPD (chronic obstructive pulmonary disease).

Als häufigste dieser geschilderten Veränderungen ist das inhalative Rauchen anzuschuldigen. Weiterhin zählen noch die berufliche Exposition von Staub, Dämpfen, Gasen, die Störung der mukociliären Clearance, Defekte in der zellulären und humoralen Abwehr dazu.

Bei der chronisch obstruktiven Bronchitis sind im weiteren Verlauf noch Destruktion der Bronchuswand, Überblähung und Zerstörung der Alveolen (Emphysem) nachweisbar. Die wesentlichen Folgen sind erhöhter Atemwegswiderstand, exspiratorischer Bronchialkollaps, Beeinträchtigung des Gasaustauschs und pulmonale Hypertonie.


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Die Bronchitismorbidität nimmt vom 20. Lebensjahr bis zum Alter linear zu. Jeder 2. Raucher zum Beispiel > 40 Jahre hat eine chronische Bronchitis.

Die üblichen diagnostischen Methoden für die eben aufgeführten pathophysiologischen Veränderungen sind die Lungenfunktionsuntersuchung mittels Spirometrie, Pneumotachographie, Bodyplethysmographie und die konventionelle Radiologie.

Die Lungenfunktionsparameter messen die Beeinträchtigung der Exspiration (FEV1%VC) und ermöglichen eine Beurteilung des Atemwegswiderstandes (Raw).Diese Messungen sind mitarbeitsabhängig, das heißt es wird eine bestimmte Volumenmenge (l) benötigt, um eine korrekte Aussage treffen zu könne (27). Weiterhin wird die Funktion global beurteilt, das bedeutet, daß kleine regionale Unterschiede in der Atemwegsgeometrie bei sonst noch normaler Belüftung der Diagnostik entgehen.

Grundsätzlich führt aber bereits eine regionale Obstruktion, sei es nun durch Bronchospasmus, Schleimhautschwellung oder Mukusplaques zu einer deutlichen Inhomogenität des Aerosolverteilungsmusters (13,14,25). Diese deutliche Darstellung entsteht, weil die regionale Durchmesserabnahme des Bronchialbaumes den Strömungswiderstand mit der 4. Potenz verändert (Hagen-Poiseuille-Gesetz, Formel 2).Somit könnte die Nuklearmedizin einen ergänzenden Beitrag in der Detektion von regionalen Verteilungsstörungen bei Störungen der Atemwegsgeometrie liefern.

Die Röntgenaufnahme der Thoraxorgane liefert vor allem unspezifische Veränderungen wie peribronchiale Infiltration, betonte Hili, Kalibersprünge oder zeigt Spätstadien (Abflachung des Zwerchfells).

Die chronische Bronchitis bietet klinisch initial nur leichten Husten eventuell mit Auswurf. Im weiteren Verlauf, der sich im frühen Stadium über Jahre erstrecken kann, erscheint die klinische Symptomatik so lange relativ milde, bis sich die obstruktive Komponente ausbildet. Da gerade in einem relativ frühen Erkrankungsstadium eine therapeutische Beeinflussung möglich ist, besteht großes Interesse, eine Diagnosestellung in der reversiblen Phase des noch nicht fixierten Krankheitsbildes anzustreben. Dies um so mehr, da bislang gilt, daß sich gerade günstige Frühstadien, das heißt therapeutisch gut angehbare Stadien der radiologischen Diagnostik entziehen und sich mit herkömmlichen spirometrischen Methoden häufig erst später aufdecken lassen. In dieser Situation stellt sich die Frage, ob die Inhalationsszintigraphie und/oder kombinierte Ventilations-Inhalationsszintigraphie in indizierten Fällen eine Ergänzung des diagnostischen Spektrums darstellt und ob die Analyse des Aerosolverteilungsmusters eine Aussage über räumliche Ausdehnung und Schweregrad einer pulmonalen Schädigung erlaubt.


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Die für die nuklearmedizinische Untersuchung notwendigen Veränderungen sind bei der chronischen Bronchitis ständig nachzuweisen, beim Asthma bronchiale nur im Status. Eine diagnostische Prozedur verbietet sich von selbst im Anfall.

1.4.2 Lungenfibrosen

Die Lungenfibrosen als „Endzustand“ interstitieller Lungenerkrankungen unterschiedlichster Ätiologie stellen eine weitestgehend irreversible Vernarbung des Lungenparenchyms mit erheblicher Störung des Gasaustauschs und Auswirkungen auf den Lungenkreislauf dar.

Den diagnostischen Standard stellt heute die Diffusionsanalyse dar. Die Messung der Diffusionskapazität für Sauerstoff ist ein kompliziertes Verfahren. Aus diesem Grund wird als Testgas Kohlenmonoxid (CO) verwendet, das eine starke Affinität zum Hämoglobin hat. Die CO-Aufnahme des Blutes aus einem Inspirationsluftgemisch, welches eine definierte Menge CO enthält, ist ein Maß für die Diffusionskapazität. Die lungenfunktionsdiagnostisch ermittelten Parameter sind folgende: Transferfaktor (TLCO/VA), Krogh-Faktor (TLCO SB), Membranfaktor, kapilläres Blutvolumen.

Die Nuklearmedizin vermag mit Hilfe von modifiziertem Technegas (Pertechnegas) die Diffusion direkt zu beurteilen und eine regionale Differenzierung zu erreichen. Nach Literaturangaben kann mit dieser Untersuchung die Passage des Radiopharmakons aus dem Alveolarraum in die Blutbahn direkt beurteilt werden. Erste eigene Untersuchungen erfolgten an

Patienten mit Sklerodermie, als Modellgruppe mit relativ einheitlichem Krankheitsbild und an Patienten mit Lungenfibrose unterschiedlichster Ätiologie.

Argumente, die für die weitere Analysierung der Zusammenhänge zwischen Diffusionsstörung und Nuklidclearance sprechen:

Aus diesen Gründen wurde die Diffusionsanalyse in der Nuklearmedizin von einem weiteren Doktoranden verfolgt.


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