Arbetsprov med andningsgasanalys
Anette Rickenlund, Fysiologkliniken
Arbetsfysiologi
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Ventilation
Diffusion av andningsgaser
Central cirkulation (CO)
Perifer cirkulation, O2 transport
Perifer O2 extraktion
Muskulär förbränning, oxidation
Venöst återflöde (CO)
2
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
Reglering av andning under arbete
Respiratoriskt andningscentrum (hjärnstammen)
Viljemässigt
motor cortex
Propioception
Muskler, leder
Kemoreceptorer
Centrala Perifera
PCO2-pH PO2
4
Centrala cirkulationen
Hjärtminutvolym ökar linjärt med arbetsbelastning
=
x
5
Reglering av hjärtminutvolym i vila
Hjärtminutvolym = Blodtryck / Perifer blodkärlsresistans
U
RxI
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
6
Omställning av
Baroreceptorn
Som börjar verka
inom ett större
tryckintervall
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.
2.
3.
Metaboliter från arbetande muskel (mjölksyra,
pH⇓, CO2⇑, O2 ⇓)
Ökning av lokal kroppstemperatur
Ökat laminärt flöde i medelstora artärer >
shear stress (NO)
7
Vidgning av
kärl i och till arbetande
muskel
Vad bestämmer syreupptaget i arbetande muskler
V O2 = SV * HR * Hb * 1,34 * (S aO2 – S vO2 )
Ökad A-VO2 differens för syre vid arbete beror av
– Sänkt O2 koncentration i vävnaden
– Ökad temperatur och CO2, sänkt pH vid arbete, minskar syrets
affinitet till hemoglobin
8
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
Energins tillgänglighet
Muskelmetabolism: energisystem i arbetande muskel
 Spjälkning av ATP-fosfokreatin
PCr + ADP + H+ ↔ Cr + ATP
Anaerob glykolys
C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOOH (fermentation → mjölksyra)
C6H12O6 + 2 [NAD]+ + 2 *ADP+ + 2 *P+i → 2 CH3COCOO- +
2 [NADH] + 2 H+ + 2 [ATP] (Steget före aerob förbränning)
Förbränningens uthållighet
Krav på syretillgång
Depåernas storlek
Aerob kolhydratoxidation
Muskelglykogen, blodglukos, leverglykogen
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP (37 ATP)
6 CO2 produceras, 6 O2 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
C16H32O2 + 23 O2 → 16 CO2 + 16 H2O + 130 ATP
16 CO2 produceras, 23 O2 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
Varför överstiger RQ 1,0 vid ett maximalt arbetsprov?
Bicarbonatbuffert; HC03- + H+ ↔ H2C03 ↔ CO2 + H2O
Andnings ”drive”; PCO2↑, pH↓, PO2↓ stimulerar
andningscentrum via perifera och centrala
kemoreceptorer
Arbetsprov med andningsgasanalys (ergospirometri)
Given absolut arbetsbelastning = givet syreupptag
VO2 l/min = 0,26 + 0,012 W
12
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
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
Gångmatta
–
–
–
–
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.
Armergometer
–
–
–
–
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.
15
Cykelergometer
–
–
–
–
–
–
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 VO2arbete samband
VO2max 89%-95%
jämfört med gångmatta
Alla patienter kan inte cykla,
svåriad pulsutveckling för
patienter med PM
Gångmatta
–
–
–
–
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.
Armergometer
–
–
–
–
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.
16
Cykelergometer
–
–
–
–
–
–
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 VO2arbete samband
VO2max 89%-95%
jämfört med gångmatta
Alla patienter kan inte cykla,
svåriad pulsutveckling för
patienter med PM
Arbetsförmåga: Effekt (Watt) vs VO2 (l/min, ml/(kg x min))
Effekt (Watt)
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
– 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)
17
Arbetsförmåga: Effekt (Watt) vs VO2 (l/min, ml/(kg x min))
Effekt (Watt)
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
– 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)
T Scott Bowen et al. J Appl Physiol 113:451-458, 2012
18
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
Utvärdering av hjärtfunktionen, peak VO2
-Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter
-Hjärttransplantationsutredning
-Uppföljning av kongenitala hjärtsjukdomar
20
Utvärdering av hjärtfunktionen
-Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter
-Hjärttransplantationsutredning
-Uppföljning av kongenitala hjärtsjukdomar
21
Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini
22
Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini
23
Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini
24
Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter
VO2 < 14 ml/kg x min
VE/VCO2-slope > 34
PetCO2 @ AT < 36
No one
25
Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter
-
VO2 max
Ventilatoriskt tröskelvärde (motsvarar AT)
VE/VCO2 (@AT eller slope)
PETCO2 i vila, @AT
Förekomst av oscillatorisk andning
Ugo Corra et al. Eur J Heart Failure. In press 2014
26
Riskstratifiering och prognostik hos hjärtsviktspatienter
-
VO2 max
Ventilatoriskt tröskelvärde (motsvarar AT)
VE/VCO2 (@AT eller slope)
PETCO2 i vila, @AT
Förekomst av oscillatorisk andning
27
Är arbetsprovet maximalt?
Indikationer för ett cirkulatoriskt begränsat arbetsprov
-RQ > 1,1
-Borgskattning nära max 19-20/20
-Hjärtfrekvens nära predikterad max
-VO2 platå
-VE/VCO2 vid slutbelastning > 30
Detta gäller åtminstone yngre och friska
28
Är arbetsprovet maximalt?
Indikationer för ett cirkulatoriskt begränsat arbetsprov
vid hjärtsjukdom
-RQ > 1,1
-Borgskattning nära max 19-20/20
-Hjärtfrekvens nära predikterad max (?)
-VO2 platå (?)
-VE/VCO2 vid slutbelastning > 30 (?)
29
Praktiska riktlinjer – bestämning av max syreupptag
30
Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde
Bild använd med godkännande från upphovsman prof Agostini
Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde
VT enligt VCO2/VO2-grafen
En teoretisk figur som visar hur VCO2/VO2
grafen viker av uppåt vid AT.
32
mentometerfråga
33
Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde
VT enligt VE/VO2- och VE/VCO2
När inträffar VT
A. När VE/VCO2 börjar stiga
B. När ekvivalenterna korsas
C. När VE/VO2 börjar stiga
AB C
En teoretisk figur som visar hur VE/VO2 grafen börjar stiga vid AT.
34
Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde
VT enligt VE/VO2- och VE/VCO2
En teoretisk figur som visar hur VE/VO2 grafen
börjar stiga vid AT.
35
mentometerfråga
36
Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde
VT enligt PetO2 och PetCO2
A
B C
När inträffar VT
A. När PetCO2 når högsta nivån
B. När PetO2 börjar stiga
C. När PetCO2 börjar sjunka
En teoretisk figur som visar hur PetO2 i grafen börjar stiga vid AT.
37
Bestämning av ventilatoriskt tröskelvärde
VT enligt PetO2 och PetCO2
En teoretisk figur som visar hur PetO2 i grafen
börjar stiga vid AT.
38
Bestämning av VE/VCO2 - slope
39
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 VO2
-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
42
mentometerfråga
43
Är mätvärdena för arbete (W) och syreupptag rimliga?
A. Ja, de är rimliga
B. Nej, de är inte rimliga
44
45
46
47