Hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellinen merkitys spiroergometriassa

(1)

HIILIDIOKSIDIN HENGITYSEKVIVALENTIN ENNUSTEELLINEN MERKITYS SPIROERGOMETRIASSA

Kiika Tarhonen Tutkielma

Lääketieteen koulutusohjelma Itä-Suomen yliopisto

Terveystieteiden tiedekunta Lääketieteen laitos / lääketiede Helmikuu 2017

(2)

Sisältö

1. JOHDANTO .……….... 5

2. VERENKIERTO JA HENGITYSELIMISTÖN ANATOMIA JA FYSIOLOGIA ….……….. 7

2.1 Keuhkot ja hengityslihakset ………..…... 7

2.2 Keuhkotuuletuksen mekanismit ...………..…... 8

2.3 Keuhkoverenkierron säätely ...……….……. 9

2.4 Hengityskaasujen vaihto keuhkorakkuloiden ja keuhkoverenkierron välillä .. 10

2.5 Hengityksen säätely lepotilassa ………... 12

2.6 Hengityksen säätelyn rasituksessa ………... 14

3. KLIININEN KUORMITUSKOE ………....…. 15

3.1 Merkitys ja käyttöaiheet ……...……….... 15

3.2 Kliinisen kuormituskokeen suorittaminen ………... 15

3.3 Kliinisen kuormituskokeen tulkinta ………. 16

3.4 Spiroergometria ……… 17

4. HIILIDIOKSIDIN HENGITYSEKVIVALENTTI ………... 20

4.1 Määritelmä, käyttö ja vaikuttavat tekijät ………. 20

4.2 Ennusteellinen merkitys sydämen vajaatoimintaa sairastavilla ………... 24

4.3 Ennusteellinen merkitys muissa sydänsairauksissa ………. 27

4.4 Ennusteellinen merkitys keuhkosairauksissa ………... 28

4.5 Ennusteellinen merkitys keuhkoverenpainetaudissa ……… 29

4.6 Ennusteellinen merkitys preoperatiivisessa arviossa ………... 29

5. POHDINTA ..……….. 32

6. LÄHTEET ……….. 33

(3)

ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO, Terveystieteiden tiedekunta Lääketieteen laitos

Lääketieteen koulutusohjelma

Tarhonen Kiika Stina: Hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellinen merkitys spiroergometriassa

Opinnäytetutkielma, 38 sivua

Tutkielman ohjaajat, professori Timo Lakka, dosentti Kai Savonen Helmikuu 2017

Asiasanat: kuormituskoe, hengityselimistö, sydän- ja verenkiertoelimistö

Kliinisellä kuormituskokeella mitataan tutkittavan hengitys- ja verenkiertoelimistön toimintaa. Spiroergometrialla mitataan sydänsähkökäyrän ja verenpaineen lisäksi myös hengityskaasuja, minkä takia spiroergometrian avulla voidaan paremmin arvioida elimistön toimintaa rasituksen aikana ja suorituskykyä rajoittavia tekijöitä.

Hiilidioksidin hengitysekvivalentti on yksi spiroergometriassa mitattavista suureista. Se tarkoittaa uloshengitetyn ilman tilavuutta, jonka mukana saadaan elimistöstä poistetuksi yksi litra hiilidioksidia. Hiilidioksidin hengitysekvivalenttia kuvataan usein ventilaation ja hiilidioksidintuoton suhteen kulmakertoimena, mutta edellä mainittua suhdetta voidaan myös mitata ajan funktiona. Tällöin voidaan määrittää hiilidioksidin hengitysekvivalentin suuruus esim. aerobisella kynnyksellä tai sen pienin arvo. Eri määritysmenetelmille on olemassa ter- veen väestön ikä- ja sukupuolivakioidut viitearvot. Hiilidioksidin hengitysekvivalentin ar- voihin vaikuttavat mm. hengitys- ja verenkiertoelimistön sentraalisen ja perifeerisen sääte- lyn erilaiset ongelmat.

Hiilidioksidin hengitysekvivalenttia tulisi tutkia erityisesti potilailta, joilla on sydän- tai keuhkosairaus tai selittämätöntä rasituksen aikaista hengenahdistusta. Hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellista merkitystä on tutkittu laajasti eri sairaustiloissa. Eniten tutki- musnäyttöä on sydämen vajaatoimintapotilaista, joilla epänormaalisti suurentuneiden ventilaation ja hiilidioksidin suhdetta kuvaavan kulmakertoimen ja hiilidioksidin hengitysekvivalentin arvojen on todettu liittyvän huonompaan ennusteeseen. Lisäksi ennusteellista mer- kitystä on todettu keuhkosairauksissa, keuhkoverenpainetaudissa ja preoperatiivisessa arvioinnissa. Tämän kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on kuvata hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellista merkitystä.

(4)

UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND, Faculty of Health Sciences School of Medicine

Medicine

Tarhonen Kiika Stina: Ventilatory equivalent for carbon dioxide and its prognostic value in cardiopulmonary exercise test

Thesis, 38 pages

Tutors: professor Timo Lakka and adjunct professor Kai Savonen February 2017

Keywords: exercise test, respiratory system, cardiovascular system

Clinical exercise testing provides useful information about cardiopulmonary capacity. It includes monitoring of electrocardiogram and blood pressure. Cardiopulmonary exercise testing (CPET) comprises also gas exchange measurements. Hence, CPET provides more data and gives more valuable information about patient’s cardiopulmonary function during exercise and about factors limiting exercise capacity.

Ventilatory equivalent for carbon dioxide is one of the variables measured during CPET. It quantifies the amount of ventilation required to eliminate one liter of carbon dioxide (CO2).

It’s usually expressed as a steepness of the slope quantifying the relationship between ventilation and CO2 output. Ventilatory equivalent can also be expressed as an instant VE/VCO2-ratio at a given timepoint e.g. at the anaerobic threshold or at its lowest value.

Age- and gender-specific normal values are available for VE/VCO2-slope and -ratio. Several factors affect VE/VCO2-values including problems related to regulation of cardiopulmonary system both centrally and peripherally.

Ventilatory equivalent for carbon dioxide should be measured especially with patients suffering from cardiorespiratory system disease or patients having unexplained exertional dyspnea. Prognostic value of VE/VCO2 has been widely studied with different diseases; most evidence is available from patients with chronic heart failure. Abnormally high value for VE/VCO2-slope or –ratio predict worse prognosis. There is also evidence of its prognostic value in lung diseases, pulmonary hypertension and in preoperative evaluation.

(5)

1. Johdanto

Hengitys- ja verenkiertoelimistö reagoi akuuttiin fyysiseen kuormitukseen lisäämällä hapen kuljetusta aktiivisille luurankolihaksille, jotta ne pystyisivät vastaamaan kuormituksen aiheuttamaan energiankulutuksen lisääntymiseen. Elimistön kapasiteetti lisätä hapen kuljetusta ja käyttöä on riippuvainen monista tekijöistä, kuten iästä, sukupuolesta, harjoittelutaus- tasta, geneettisestä vaihtelusta ja sairauksista (Arena ym. 2008).

Kliinisellä kuormituskokeella mitataan henkilön fyysistä suorituskykyä, erityisesti kar- diorespiratorista suorituskykyä, mutta sen avulla voidaan myös arvioida suoristuskykyä rajoittavia mekanismeja. Tarkimman kuvan kardiorespiratorisesta suorituskyvystä saa spiroer- gometriatutkimuksessa, jossa mittaamalla hengityskaasuja kuormituksen aikana voidaan suoraan ja laskennallisesti määrittää erilaisia suureita (Sovijärvi ym. 2003).

Hengityselimistön tehtävänä on siirtää happea alveoleista verenkiertoon ja poistaa hiilidioksidia päinvastaiseen suuntaan. Sen neljä pääasiallista toimintaa ovat keuhkotuuletus, hapen ja hiilidioksidin vaihto alveolin ja veren välillä, hapen ja hiilidioksidin kuljettaminen veren ja kudosnesteen kautta soluille sekä ventilaation säätely (Guyton & Hall 2006).

Hengityksen tehokkuutta voidaan mitata kuormituskokeessa usealla tavalla. Viimeisen 20 vuoden aikana on enenevässä määrin alettu käyttää hiilidioksidin hengitysekvivalenttia mi- tattavana suureena pyrittäessä tunnistamaan sydämestä tai keuhkoista johtuvaa hengityksen tehottomuutta. Tätä suuretta mitataan myös hoidon jälkeen hengitysfunktion paranemisen arvioimiseksi. Mitä enemmän ventilaatiota tarvitaan poistamaan tietty tilavuus hiilidioksidia, sitä tehottomammin hengitys- ja verenkiertoelimistö toimii (Stringer 2010).

Hiilidioksidin hengitysekvivalenttia voidaan käyttää diagnosoimaan sydämen vajaatoimintaa sekä arvioimaan sen vaikeusastetta ja hoidon tehoa. Se on käyttökelpoinen myös tutkit- taessa idiopaattista ja sekundaarista keuhkoverenpainetautia (Stringer 2010). Hiilidioksidin hengitysekvivalentin avulla voidaan myös selvittää selittämättömän rasituksenaikaisen hengenahdistuksen syytä ja arvioida keuhkoahtaumatautipotilailla keuhkojen osapoiston jälkeen keuhkoverenpainetaudin ilmaantumisen vaaraa. Hiilidioksidin hengitysekvivalentilla voi-

(6)

daan myös määrittää mitokondriaalisten sairauksien vaikeusastetta (Guazzi ym. 2012, Was- serman ym. 2012). Tämän kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on kuvata hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellista merkitystä eri sairaustiloissa ja ennen leikkausta tehtävässä riskinarvioinnissa.

(7)

2. Verenkierto- ja hengityselimistön anatomia ja fysiologia

2.1. Keuhkot ja hengityslihakset

Ihmisen kaksi keuhkoa sijaitsevat rintaontelossa kylkiluiden suojassa. Ne ovat koostumuk- seltaan sienimäiset, mutta pinnaltaan sileät. Oikeassa keuhkossa on kolme lohkoa: ylä-, keski- ja alalohko; vasemmassa keuhkossa on vain kaksi lohkoa, koska sydän vie vasemmalla puolella enemmän tilaa. Lohkot voidaan jakaa edelleen segmentteihin ja pienempiin yksiköihin, joista pienin on keuhkorakkula eli alveoli. Sen pintaa peittää lipideistä ja prote- iineista koostuva surfaktantti, jonka tehtävänä on pitää keuhkorakkuloita avoinna. Keuhkoja peittää keuhkopussi, joka on joustava, sidekudoksinen rakenne. Keuhkopussin kahdesta leh- destä viskeraalinen keuhkopussi on kiinnittynyt keuhkoihin, kun taas rintaontelon seinässä, palleassa ja rintaontelon keskiosissa kiinni olevaa lehteä kutsutaan parietaaliseksi keuhko- pussiksi. Keuhkopussilehtien väliin jää keuhkopussinontelo, jossa on liukastavaa nestettä (Thibodeau & Patton 2003, Guyton & Hall 2011).

Hengityselimistö alkaa nenä- ja suuontelosta, joista ilma virtaa kurkunpäähän, jossa sijaitsevat äänihuulet ja niitä liikuttelevat lihakset, sekä rustoja, johon lihakset kiinnittyvät. Matkal- laan nenän ja kurkunpään läpi lämmennyt ja kostunut ilma ohjautuu henkitorveen, joka on 10–11 cm pitkä, epätäydellisistä rustorenkaista, sileästä lihaksesta ja sidekudoksesta koostuva putki. Sen läpimitta on aikuisella n. 1,5–2 cm. Henkitorvi jakautuu viidennen rintanika- man kohdalla oikealle ja vasemmalle suuntautuvaksi pääkeuhkoputkeksi, joista oikealle suuntautunut on lyhyempi, laajempi ja enemmän vaakatasossa kuin vasen. Pääkeuhkoputket haarautuvat edelleen keuhkolohkoihin meneviksi keuhkoputkiksi, jotka kulkevat keuhko- portin läpi keuhkoihin. Tämän jälkeen keuhkolohkojen sisällä keuhkoputket haarautuvat segmentaalisiksi keuhkoputkiksi ja edelleen yhä pienemmiksi putkiksi. Lopulta pienet ter- minaaliset keuhkoputket haarautuvat keuhkorakkuloihin avautuviksi respiratorisiksi keuhkoputkiksi. Keuhkoputkien anatomia on samankaltainen kuin henkitorven, mutta distaali- semmissa osissa rustojen epäsäännöllisyys lisääntyy, kunnes pienimmissä keuhkoputkissa sitä ei ole enää lainkaan. Keuhkoputkien pinnalla on respiratorisia värekarvoja ja limakalvo- kerros, joiden tehtävänä on pitää hengitystiet kosteina ja puhtaina (Pocock & Richards 1999, Barret ym. 2010, Guyton & Hall 2011).

(8)

Pienimpien keuhkoputkien läpimittaa säätelevät suoraan sympaattiset hermosäikeet, joiden vaikutus on kuitenkin heikko. Suurempi vaikutus on lisämunuaisen kuorikerrokselta eritty- vällä adrenaliinilla ja noradrenaliinilla, jotka sitoutuvat beeta-adrenergisiin reseptoreihin keuhkoputken pinnalla ja aiheuttavat keuhkoputkien laajentumista. Sitä vastoin parasym- paattisesta hermostosta vapautuva asetyylikoliini aiheuttaa keuhkoputkien pientä tai kohta- laista supistumista. Myös paikallisesti erittyvät välittäjäaineet aiheuttavat keuhkoputkien supistumista. Tällainen on esimerkiksi syöttösoluista allergisessa reaktiossa vapautuva hista- miini (Barret ym. 2010, Gyuton & Hall 2011, Broaddus ym. 2016).

2.2 Keuhkotuuletuksen mekanismit

Keuhkotuuletuksen aikaansaamiseksi keuhkojen täytyy pystyä laajenemaan ja supistumaan.

Tämä saadaan aikaan sekä pallealihaksen ylös- ja alaspäin suuntautuvilla, rintaonteloa pi- dentävillä ja lyhentävillä liikkeillä, että nostamalla ja laskemalla kylkiluita, jolloin rintaontelo pääsee laajenemaan etu-takasuunnassa (Pocock & Richards 1999, Thibodeau & Patton 2003).

Normaalissa rauhallisessa hengityksessä käytetään lähes yksinomaan pallean liikkeitä. Si- säänhengityksessä pallealihas supistuu vetäen keuhkojen alapintaa alaspäin. Uloshengityk- sessä pallealihas taas rentoutuu, jolloin keuhkojen, rintakehän ja vatsan rakenteiden elastinen kimmovoima vetää keuhkoja kasaan. Tällöin ilma poistuu keuhkoista (Broaddus ym. 2016).

Sisäänhengityksessä lihastyötä tehdään keuhkojen ja rintakehän kimmovoimia, kudosten ja ilmateiden vastusta vastaan, mikä kuluttaa normaalisti noin 3–5 prosenttia kokonaisenergi- ankulutuksesta. Kovassa rasituksessa hengitykseen liittyvä energiankulutus voi nousta 50- kertaiseksi, varsinkin jos ilmateiden vastus on lisääntynyt tai keuhkokudoksen komplianssi vähentynyt sairaustilan johdosta (Guyton & Hall 2011).

Voimakkaammin hengitettäessä elastiset voimat eivät aikaansaa riittävän nopeaa uloshengi- tystä. Lisävoimaa saadaan vatsalihaksista, jotka supistuessaan lisäävät vatsaontelonsisäistä painetta, jolloin kohoava palleaa lisää rintaontelonsisäistä painetta avustaen keuhkojen tyh- jenemistä. Uloshengityslihaksina toimivat vatsalihasten lisäksi myös sisemmät kylkivälili- hakset vetämällä kylkiluita alaspäin (Broaddus ym. 2016). Sisäänhengityksessä puolestaan ulommat kylkivälilihakset sekä apuhengityslihakset (sternocleidomastoideus ja serratus an- terior) pyrkivät laajentamaan keuhkoja etu- ja takasuunnassa nostamalla kylkiluita (Boron

& Boulpaep 2005).

(9)

Ilman virtaamiseksi keuhkoihin tarvitaan lihasten aiheuttamien rintakehän liikkeiden lisäksi paine-ero liikuttamaan ilmaa keuhkoihin ja sieltä pois. Joustavana materiaalina keuhkot pyr- kivät painumaan kasaan, mikäli mikään voima ei pidä niitä laajentuneina. Keuhkoja kasaan vetävät kimmovoimat aiheutuvat elastiinista ja kollageenista koostuvista keuhkoparenkyy- min säikeistä, jotka tekevät keuhkoparenkyymistä joustavaa. Myös rintaontelolla on omat joustavat ominaisuutensa: vaikka keuhkot poistettaisiin, ei rintaontelo pysyisi kasassa ilman lihastyötä (Boron & Boulpaep 2005, Barret ym. 2010, Guyton & Hall 2011).

Normaalisti keuhkopussissa vallitsee hieman negatiivinen paine, joka pitää keuhkot avoinna niiden ollessa lepotilassa. Sisäänhengityksessä rintaontelon laajeneminen vetää keuhkoja ulospäin, mikä johtaa paineen muuttumiseen negatiivisemmaksi keuhkoissa. Uloshengityk- sessä negatiivinen paine taas hieman pienenee. Lepotilassa keuhkorakkuloiden sisällä vallit- seva alveolaarinen paine on saman suuruinen kuin normaali ilmanpaine, mutta sisäänhengi- tyksessä alveolaarinen paine muuttuu hieman negatiiviseksi, jolloin ilmaa pääsee virtaamaan keuhkoihin. Uloshengityksessä puolestaan alveolaarinen paine muuttuu hieman positii- viseksi normaaliin ilmanpaineeseen nähden, mikä johtaa ilman virtaamiseen ulos keuhkoista. Keuhkopussin paineen ja alveolaarisen paineen välinen erotus, transpulmonaarinen paine, kuvaa keuhkojen kimmovoimien suuruutta (Boron & Boulpaep 2005, Barret ym.

2010, Guyton & Hall 2011).

2.3 Keuhkoverenkierron säätely

Sydämen oikea kammio pumppaa verta keuhkoverenkiertoon, jossa happea siirtyy alveoleista vereen ja toisaalta hiilidioksidia poistuu verenkierrosta alveoleihin. Koska keuhkoverenkierron tilavuus on sama kuin sydämen minuuttitilavuus, keuhkoverenkiertoon vaikuttavat samat asiat kuin minuuttitilavuuteen eli sydämen supistuvuus, esikuorma ja jälki- kuorma eli perifeerinen virtausvastus. Suurimman osan ajasta keuhkoverisuonet ovat passii- visia putkia, joiden läpimittaan vaikuttavat paineolosuhteet. Niiden läpimitta suurenee paineen kasvaessa ja pienenee paineen vähentyessä (Barret ym. 2010, Guyton & Hall 2011).

Optimaalisessa kaasujenvaihdossa keuhkoverenkierto suuntautuu alueille, joiden keuhko- rakkuloissa on eniten happea tarjolla. Keuhkorakkuloiden ilman happipitoisuuden laskiessa

(10)

normaalia matalammaksi keuhkoverisuonet supistuvat ohjaten verenkiertoa happirikkaam- mille alueille. Tämä reaktio on päinvastoin kuin systeemisessä verenkierrossa, jossa kudok- sen hapenpuute aiheuttaa verisuonten laajenemista. Myös hydrostaattinen paine vaikuttaa keuhkoverenkierron jakaantumiseen: keuhkojen yläosat ovat ihmisen seisoessa n. 30 sentti- metriä ylempänä kuin alaosat, jolloin hydrostaattinen paine keuhkojen yläosassa on n. 23 mmHg pienempi kuin alaosassa. Tämän takia seistessä verenvirtaus on voimakkaampaa keuhkojen alaosassa (Broaddus ym. 2016). Kaasujen vaihtoon tarvitaan riittävä kapillaari- kierto keuhkorakkuloiden alueella. Jos ilmanpaine keuhkorakkulan sisällä kasvaa suuremmaksi kuin keuhkokapillaarin verenpaine, kapillaari sulkeutuu eikä veri pääse virtaamaan.

Kuormituksen aikana sydämen minuuttitilavuuden kasvu lisää keuhkojen verenvirtausta.

Keuhkovaltimon paine ei kuitenkaan suuresti nouse, koska lisää keuhkokapillaareja avautuu lisääntyneen verenvirtauksen myötä, ja jo auki olevat kapillaarit laajenevat (Barret ym. 2010, Guyton & Hall 2011).

2.4 Hengityskaasujen vaihto keuhkorakkuloiden ja keuhkokapillaarien veren välillä

Keuhkokapillaarit ympäröivät tiiviisti keuhkorakkuloita mahdollistaen tehokkaan kaasujenvaihdon näiden välillä. Keuhkorakkulaan sisäänhengityksessä tuleva ilma on usean kaasun seos sisältäen suurimmaksi osaksi happea, typpeä ja hiilidioksidia, jotka pystyvät liukene- maan nesteisiin liike-energiansa avulla. Kaasut vaihtuvat diffundoitumalla eli liikkumalla vapaasti keuhkorakkulan ja keuhkokapillaarin välillä. Diffuusion perusperiaatteen mukai- sesti kaasumolekyylit siirtyvät pienemmästä pitoisuudesta kohti suurempaa pitoisuutta liike- energiansa turvin. Liikkuvat molekyylit aiheuttavat pintaa vasten painetta, joka on suoraan verrannollinen kaasun pitoisuuteen. Eri kaasujen diffundoitumisnopeus on siis suoraan verrannollinen sen aiheuttamaan paineeseen, jota kutsutaan kaasun osapaineeksi. Kaasumole- kyyli käyttäytyy samalla tavalla kaasumaisessa muodossa kuin nesteeseen liuenneena. Koh- datessaan pinnan, kuten solukalvon, molekyyli käyttää omaa osapainettaan siirtyessään ti- lasta toiseen. Nesteeseen liuenneen kaasun osapaineeseen vaikuttaa kuitenkin pitoisuuden lisäksi myös sen liukoisuuskerroin. Osalla kaasuista on fysikaalisia ja kemiallisia ominai- suuksia, joiden avulla ne kiinnittyvät vesimolekyyleihin, kun taas toiset hyljeksivät vettä.

Tämä ominaisuus on riippuvainen kaasun molekyylipainosta. Näin ollen kaasulla voi olla suuri osapaine nesteessä huolimatta vähäisestä määrästä liuenneita kaasumolekyylejä (Thi- bodeau & Patton 2003, Guyton & Hall 2011).

(11)

Keuhkorakkulassa olevien kaasujen osapaineiden suhde keuhkokapillaarissa virtaavaan vereen liuenneiden kaasujen osapaineisiin ratkaisee diffundoitumisen. Diffuusion aikana jotkut molekyylit siirtyvät satunnaisesti pienemmästä osapaineesta suurempaan osapaineeseen, joten tarkalleen ottaen puhutaan nettodiffuusiosta suuremmasta osapaineesta pienempään päin.

Hengityksen kannalta olennaiset kaasut liukenevat erityisen hyvin solukalvon läpi, jolloin diffuusion nopeutta rajoittaa enemmän kaasun diffuusio kudosnesteen läpi kuin keuhkorakkulan seinämän läpi. Keuhkorakkulasta keuhkoverenkiertoon siirtyessään kaasu läpäisee useita rakenteita: alveolissa sijaitsevan nesteen eli surfaktantin, alveolin epiteelisolukon ja tyvikalvon, keuhkorakkulan ja keuhkokapillaarin väliin jäävän soluvälitilan sekä keuhkokapillaarin tyvikalvon, epiteelin ja endoteelin. Näiden kaikkien yhteenlaskettu paksuus on kuitenkin keskimäärin vain 0,6 mikrometriä. Koko keuhkojen kaasujenvaihtoon osallistuvan pinta-alan on arvioitu olevan n. 70 neliömetriä. Koska keuhkokapillaarin läpimitta on vain n. 5 mikrometriä, punasolut litistyvät kulkiessaan niiden läpi. Tällöin punasolut koskettavat keuhkokapillaarin seinämää, mikä nopeuttaa diffuusiota lyhentäessään kaasujen kulkemaa matkaa soluvälinesteessä (Boron & Boulpaep 2005, Guyton & Hall 2011).

Normaalisti keuhkorakkulan ilmassa on keuhkolaskimoverta suurempi happipitoisuus, joten happi liukenee keuhkokapillaarissa virtaavaan vereen. Hiilidioksidin osalta vallitsee päin- vastainen tilanne: osapaine keuhkolaskimoveressä on suurempi kuin keuhkorakkulassa, joten hiilidioksidi siirtyy keuhkorakkulaan. Diffuusiokapasiteetti on tilavuus, joka diffundoi- tuu minuutin aikana kaasun osapaineiden erotuksen ollessa 1 mmHg. Hapen diffuusiokapasiteetti terveellä nuorella miehellä levossa on 21 ml/min/mmHg. Hapen osapaineiden erotus on lepotilassa normaalisti hengitettäessä n. 11 mmHg, jolloin edellä mainitulla diffuusioka- pasiteetillä kerrottaessa havaitaan 230 ml happea diffundoituvan joka minuutti, mikä on siis sama kuin elimistön lepohapenkulutus (Guyton & Hall 2011, Broaddus ym. 2016).

Happea siirtyy jatkuvasti keuhkorakkulasta keuhkoverenkiertoon uusien happimolekyylien virratessa keuhkorakkulaan ilmakehästä sisäänhengityksen mukana. Hapen pitoisuus ja tätä kautta osapaine keuhkorakkulassa ovat riippuvaisia kahdesta eri mekanismista: hapen imey- tymisestä verenkiertoon ja uuden hapen saapumisesta keuhkoihin ventilaation kautta. Mitä nopeammin happi imeytyy keuhkoverenkiertoon, sitä matalammaksi sen osapaine keuhkorakkulassa laskee. Toisaalta mitä nopeammin uutta happea hengitetään keuhkorakkulaan, sitä suuremmaksi sen pitoisuus nousee

.

Kuormituksen aikana sekä keuhkoverenkierto että

(12)

alveolaarinen ventilaatio lisääntyvät, jolloin diffuusiokapasiteetti lisääntyy jopa tasolle 65 ml/min/mmHg. Tähän vaikuttaa useampi mekanismi: uusia aiemmin käytöstä poissaolleita keuhkokapillaareja avautuu ja jo käytössä olleet laajentuvat lisäten diffuusion mahdollista- vaa pinta-alaa. Myös ventilaation suhde keuhkorakkuloiden kapillaarien verenvirtaukseen tehostuu (Barret ym. 2010, Guyton & Hall 2011).

Hiilidioksidin diffuusiokapasiteettia ei pystytä määrittämään, koska hiilidioksidin diffundoi- tuminen keuhkorakkulasta keuhkokapillaariin on niin nopeaa, että osapaine kapillaarive- ressä ja keuhkorakkulassa on lähes sama, alle 1 mmHg. Tämä ero on liian pieni mitattavaksi.

Koska hiilidioksidin diffuusiokerroin on n. 20-kertainen happeen verrattuna, hiilidioksidin diffuusiokapasiteetti arvioidaan olevan levossa n. 400–450 ml/min/mmHg (Thibodeau &

Patton 2003, Guyton & Hall 2011).

Hengityskaasujen vaihto keuhkorakkuloiden ja keuhkokapillaareissa virtaavan veren välillä tapahtuu siis kaasujen erilaisten osapaineiden mahdollistaman diffuusion avulla. Keuhkove- renkiertoa säädellään lisäämällä tai vähentämällä keuhkoverenkierron virtausta eri alueilla keuhkoissa. Optimitilanteessa hyvin ventiloiduilla keuhkojen alueilla keuhkoverenkierto on suurempaa, jolloin kaasujen diffuusio lisääntyisi. Kuitenkin joissain keuhkosairauksissa keuhkojen kokonaisventilaatio ja verenvirtaus voivat olla normaalit, mutta keuhkoverenkierto suuntautuu huonosti ventiloituun keuhkojen osaan. Tästä aiheutuu epäsuhta keuhkorakkuloiden ventilaation ja keuhkokapillaarien verenvirtauksen välille, joka ilmenee heiken- tyneenä ventilaatio–perfuusio-suhteena (Barret ym. 2010, Broaddus ym. 2016).

2.5 Hengityksen säätely lepotilassa

Keskushermoston hengityskeskuksen säädellessä normaalisti alveolaarista ventilaatiota hapen ja hiilidioksidin osapaineet valtimoveressä pysyvät samana jopa raskaan kuormituksen aikana. Ydinjatkeen ja aivosillan alueella sijaitseva hengityskeskus koostuu kolmesta pää- ryhmästä hermosoluja: sisäänhengitystä säätelevästä takimmaisesta ryhmästä; pääasiassa uloshengitystä säätelevästä etummaisesta ryhmästä; ja enimmäkseen hengitystiheydestä ja - syvyydestä huolehtivasta, taka-yläosassa sijaitsevasta ryhmästä. Hengityskeskus säätelee hengitystä hermoston välityksellä tulevien viestien sekä veren kemiallisen koostumuk- senavulla. Veren kemiallinen koostumus voi vaikuttaa hengityskeskukseen suoraan tai her- mojen välityksellä (Pocock & Richards 1999, Guyton & Hall 2011).

(13)

Hengityskeskuksen takimmainen hermosoluryhmä on tärkein anatominen osa hengityksen säätelyssä. Suurin osa sen hermosoluista sijaitsee nucleus tractus solitariuksen alueella ydinjatkoksessa, joka on myös kahden aivohermon, kiertäjä- ja kieli-kitahermon, sensorisen osan päätepiste. Nämä aivohermot välittävät hengityskeskukseen tietoa perifeerisistä kemo- ja baroreseptoreista sekä keuhkojen eri reseptoreista. Pääasiassa hengityksen perusrytmistä vastaavan takimmaisen hermosoluryhmän soluissa syntyy toistuvia, sisäänhengitystä stimuloivia purkauksia, joiden perussyytä ei tiedetä (Thibodeau & Patton 2003, Guyton &

Hall 2011).

Hengityksen tavoitteena on säilyttää kudoksissa optimaalinen happi-, hiilidioksidi- ja vetyionipitoisuus, minkä takia hengityskeskus pyrkii nopeasti korjaamaan em.

pitoisuuksissa ilmeneviä muutoksiin. Kohonnut veren hiilidioksidi- tai vetyionipitoisuus vaikuttaa voimakkaasti suoraan hengityskeskukseen aiheuttaen motoristen hermosignaalien lisääntymisen sekä sisään- että uloshengityslihaksille. Kohonnut hiilidioksidi- ja vetyionipitoisuus vaikuttaa myös perifeerisiin kemoreseptoreihin lisäten näiden hermosignalointia ja aktivoiden sitä kautta hengityskeskusta, mutta vaikutus on vähäisempi kuin pitoisuuksien suoralla vaikutuksella hengityskeskuksen kemoreseptoreihin (Pocock &

Richards 1999, Thibodeau & Patton 2003).

Happipitoisuudella ei sitä vastoin ole vastaavaa suoraa vaikutusta aivojen hengityskeskukseen, mutta matalalla valtimoveren happipitoisuudella on vaikutusta perifeerisiin kemoreseptoreihin kaulavaltimoiden ja aortan tyvessä, joista lähtee hermosignaaleja hengityskeskukseen. Happipitoisuuden hengitystä säätelevä vaikutus on kuitenkin heikompi kuin hiilidioksidi- ja vetyionipitoisuudella (Pocock & Richards 1999, Guyton & Hall 2011).

2.6 Hengityksen säätely rasituksessa

Raskaassa kuormituksessa hapenkulutus ja hiilidioksidintuotanto voivat lisääntyä jopa kaksikymmentäkertaisiksi. Terveellä urheilijalla alveolaarinen ventilaatio lisääntyy enemmän kuin hapenkulutus. Valtimoveren happi- ja hiilidioksidiosapaine sekä pH pysyvät lähes normaaleina kovassakin rasituksessa, joten niiden muutokset eivät suoraan vaikuta hengityksen säätelyyn. Ventilaatio lisääntyy välittömästi rasituksen alussa ennen aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuksien muutoksia, koska rasituksen alkaessa aivokuorelta

(14)

lähtee luurankolihaksille suunnattujen motorisia signaalien lisäksi samanaikaisesti signaaleja aivorunkoon, jossa hengityskeskus aktivoituu. Myös vasomotorinen keskus aivorungossa stimuloituu samalla tavalla aiheuttaen verenpaineen nousemisen rasituksen aikana (Whipp ym. 1998, Guyton & Hall 2011).

Motoristen signaalien aktivoidessa hengityskeskuksen se pystyy pitämään hengityskaasupitoisuudet verenkierrossa lähes vakiona. Joskus kuitenkin motoristen signaalien aikaansaama hengityskeskuksen aktivointi on riittämätöntä, jolloin aineenvaihduntatuotteet vaikuttavat hengityksen säätelyyn. Näistä etenkin hiilidioksidin osapaineen nousu yli tason 40 mmHg aktivoi hengityskeskusta lisäten ventilaatiota.

Kuormituksen alussa ventilaation välitön lisääntyminen on usein niin voimakasta, että valtimoveren hiilidioksidiosapaine laskee jopa alle lepotason. Noin 30–40 sekunnin kuluttua luurankolihasten aineenvaihdunnan tuottama ylimääräinen hiilidioksidi kuitenkin palauttaa veren hiilidioksidipitoisuuden ennalleen rasituksen jatkuessa (Guyton & Hall 2011, Prada ym. 2016).

Hengityksen hermostollinen säätely voi olla osittain opittua, sillä keskushermosto mahdollisesti oppii säätelemään hengitystä paremmin rasituksen aikana valtimoveren hiilidioksidipitoisuuden säilyttämiseksi vakiona (Shea ym. 1993, Guyton and Hall 2011).

(15)

3. Kliininen kuormituskoe

3.1 Merkitys ja käyttöaiheet

Kliinisen kuormituskokeen avulla tutkitaan fyysistä suorituskykyä, erityisesti kardiorespira- torista suorituskykyä, mutta myös suorituskyvyn rajoittumisen astetta ja mekanismeja. Ta- vallisimmin kuormituskoe suoritetaan joko polkupyöräergometrilla tai kävelymatolla. Rasi- tusastetta kasvatetaan asteittain, kunnes saavutetaan tutkittavan suoristuskyvyn yläraja.

Yleensä tutkimus keskeytetään tutkittavan oireiden rajoittaessa tutkimuksen jatkamista.

Kuormituskoe saatetaan keskeyttää myös mittauslöydösten perusteella, esimerkiksi EKG- muutosten tai verenpaineen laskun perusteella (Sovijärvi ym. 2003, Wasserman ym. 2012).

Kliinistä kuormituskoetta käytetään yleisesti sepelvaltimotaudin sekä muiden hengitys- ja verenkiertoelimistön sairauksien diagnostiikassa. Sitä voidaan käyttää myös työkyvyn, leikkausriskien ja hengitys- ja verenkiertoelimistön sairauksien hoidon arviointiin. Diagnostii- kassa tavallisimmat aiheet suorittaa kuormituskoe ovat rintakivun syyn selvittäminen ja rasitushengenahdistuksen tutkiminen. Oireettomia henkilöitä voidaan testata etenkin silloin, kun potilaalla on runsaasti sydän- ja verisuonisairauksien riskitekijöitä. Kuormituskoetta ei yleensä tehdä alle 6-vuotiaille lapsille; ehdottomia vasta-aiheita ovat akuutti infektiosairaus, akuutti sydäninfarkti, muu vaikea sydämen toimintahäiriö, akuutti keuhkoembolia tai muu akuutti sairaus. Suhteellisia vasta-aiheita ovat nopea eteisvärinä tai -lepatus, tuore vasen haa- rakatkos, korkea lepoverenpaine, keuhkojen vajaatoiminta ja vaikea anemia (Vuori ym.

2005, Palange ym. 2007).

3.2 Kliinisen kuormituskokeen suorittaminen

Kuormituskoe toteutetaan aina lääkärin johdolla, lisäksi tutkimustilanteessa on läsnä hoitaja.

Suositeltavin kuormitustapa on polkupyöräergometri, koska kuormitus on tällöin riippuma- ton kehonpainosta ja hyvin standardoitavissa; vaihtoehtoinen suoritustapa voi olla käsikam- piergometri. Kävelymattoa suositellaan toissijaiseksi kuormituskokeen suoritustavaksi, mutta se tulisi olla vaihtoehtona ainakin suurissa sairaaloissa. Sen haittoina ovat mm. riip- puvuus kehonpainosta ja kävelytekniikasta. Lisäksi työtehon arviointi on epätarkkaa ilman

(16)

hapenkulutuksen suoraa mittausta, ja EKG:ssä ilmenee enemmän häiriöitä (Sovijärvi ym.

2003, Wasserman ym. 2012).

Kuormituskokeen aikana monitoroidaan 12-kytkentäistä EKG:tä mielellään digitaalisesti.

Tietokone jatkokäsittelee signaalin, mikä helpottaa rytmihäiriöiden ja ST-välin muutosten havainnointia. Lisäksi kuormituskokeen aikana mitataan verenpainetta ja valtimoveren hap- pikyllästeisyyttä anturilla joko sormesta tai korvanlehdestä. Tietyt lääkkeet tulee tauottaa ennen kuormituskoetta: anti-iskeemiset lääkkeet, digitalis, fentiatsiinit ja keuhkoputkiin vaikuttava lääkitys riippuen kuormituskokeen indikaatiosta. Ennen kuormituskoetta keuhkofunktiot mitataan spirometrilla tai PEF-mittarilla, mitataan verenpaine ja kiinnitetään hap- pisaturaatiomittari ja EKG-anturit. Keuhkot ja sydän kuunnellaan ennen rasitusta ja sen jäl- keen (Sovijärvi ym. 2003).

Kuormituskoe suoritetaan portaittain nousevalla vastuksella ja sitä jatketaan tutkittavan voi- makkaaseen väsymiseen saakka. Tätä voidaan mitata Borgin asteikolla, jolloin rasittavuus kokeen lopussa vastaa tasoa 17–19/20. Kuormituskoe voidaan joutua lopettamaan myös esimerkiksi voimakkaan rintakivun tai hengenahdistuksen takia. EKG:hen ilmaantuva ST-tason nousu tai lasku yli 4 mm, systolisen verenpaineen lasku, vakava rytmihäiriö, eteis-kammio- katkos tai tutkittavan voinnin huononeminen ovat myös kuormituksen lopettamissyitä. Ra- situksen jälkeen kysytään tutkittavalta rasituksenaikaisista oireista, mitataan uudestaan keuhkofunktiot ja kuunnellaan sydän ja keuhkot. EKG:tä seurataan palautumisvaiheessa vä- hintään viiden minuutin ajan (Sovijärvi ym. 2003, Vuori ym. 2005).

3.3 Kliinisen kuormituskokeen tulkinta

Kuormituskokeesta voi tehdä useita päätelmiä. Kokonaissuorituskyky kuvaa tutkittavan kar- diorespiratorista suorituskykyä ja se ilmoitetaan ikään ja ruumiinrakenteeseen perustuviin viitearvoihin suhteutetusti prosenttiyksikköinä. Suorituskyky voidaan ilmaista myös MET- asteikoilla, mikä tarkoittaa hapen lepokulutuksen kerrannaisten määrää eli metabolista ekvi- valenttia siten, että 1 MET yksikkö vastaa hapenkulutusta levossa. Maksimaalinen hapenkulutus voidaan epäsuorasti arvioida sykkeen, työkuorman ja hapenkulutuksen välisen riippu- vuuden avulla, mutta tällä tavoin ekstrapoloimalla tehtävä arvio on kuitenkin epätarkka. Li- säksi arvioidaan syke- ja verenpainevastetta sekä EKG:ssä ilmeneviä ST-tason ja T-aallon

(17)

muutoksia. Sykevaste kertoo sydämen pumppaustoiminnasta ja autonomisen hermoston toi- minnasta. Systolinen verenpaine nousee normaalisti yli 120 mmHg rasituksen aikana. Jos näin ei kuitenkaan tapahdu tai systolinen verenpaine on yli 10 mmHg matalampi rasituksessa kuin levossa, viittaa tämä vasemman sepelvaltimon päärungon ahtaumaan. ST-tason muutokset kertovat sydänlihaksen hapenpuutteesta; myös rasituksen jälkeen ilmaantuvat T-in- versiot viittaavat sepelvaltimotautiin. Jos tutkittavalla havaitaan rasituksen aikana sekä ST- tason muutoksia, että rintakipua, todennäköisyys sepelvaltimotautiin on suuri. Kammiope- räisiä rytmihäiriöitä voi ilmentyä rasituksen aikana, mutta ne eivät kuitenkaan ole diagnos- tisia sepelvaltimotaudille. Saturaatiomittarilla mitattava valtimoveren happikyllästeisyys ei normaalisti pienene, mutta mahdollinen lasku voi liittyä keuhko- tai sydänsairauteen. PEF tai FEV1-arvo mitataan ennen rasitusta ja sen jälkeen. Jos tulos laskee vähintään 15 %, viittaa se keuhkoputkien poikkeavaan supistumistaipumukseen, kuten tyypillisesti astmassa.

Tällöin myös hengitysäänet voivat vinkua rasituksen jälkeen (Sovijärvi ym. 2003).

3.4 Spiroergometria

Spiroergometriassa tehdään suora hengityskaasumittaus kliinisen kuormituskokeen aikana, jolloin saadaan tarkempi kuva tutkittavan suorituskyvystä ja rasituksen siedon eri osa-alu- eista. Näin voidaan arvioida solutason sekä hengitys- ja verenkiertoelimistön vasteita kuormituksessa. Tutkittavalla voi olla useamman elinjärjestelmän ongelmaa, jolloin spiroergometrialla voidaan saada selville mistä elinjärjestelmästä tutkittavan oireet johtuvat. Tavalli- sessa kuormituskokeessa ilman hengityskaasujen analyysia voidaan tutkia ainoastaan sydän- lihaksen iskeemisiä muutoksia. Spiroergometriassa mitataan sykkeen, verenpaineen ja työ- kuorman lisäksi minuuttiventilaatiota, hengityksen syvyyttä ja taajuutta, hapenkulutusta ja hiilidioksidintuottoa. Näistä voidaan lisäksi määrittää laskennallisesti muita suureita, kuten hengitysosamäärä, hengitysekvivalentit, happipulssi, hengitysreservi ja ulkoisen työn meta- bolinen hyötysuhde (Sovijärvi ym. 2003, Palange 2007, Wasserman ym. 2012).

Urheilijoilla spiroergometriaa käytetään usein maksimaalisen hapenottokyvyn määrittä- miseksi, mutta samalla saadaan määritettyä aerobinen- ja anaerobinen kynnys sekä ventilaa- tiovaste suhteessa hapenkulutukseen, hiilidioksidintuottoon ja rasitusasteeseen. Vaikka mak- simaalisesti suoritettu kuormituskoe antaa tarkimman kuvan tutkittavan suorituskyvystä, joissakin tilanteissa submaksimaalinen kuormituskoe on turvallisempi vaihtoehto. Spiroer- gometriaa voidaan käyttää rasitushengenahdistuksen ja suorituskyvyn rajoittumisen syyn

(18)

selvittämiseen, ja sitä voidaan hyödyntää diagnostiikassa rasitusastman ja sepelvaltimotaudin osalta. Spiroergometriaa voidaan käyttää apuna arvioitaessa työkykyä ja tehtäessä elä- kepäätöksiä, sekä arvioitaessa annetun hoidon tehoa ja potilaan kuntoutumista. Samoin kuin tavallistakin kuormituskoetta, myös spiroergometriaa voidaan käyttää leikkausriskien ja preoperatiivisen elintoimintojen reservin arviointiin. Kuormituskokeen tulosten perusteella voidaan myös arvioida ennenaikaisen kuoleman vaaraa (Sovijärvi ym. 2003, Arena ym.

2010, Stringer 2010).

Tutkittava hengittää kokeen aikana pneumotakografiin tiiviin suukappaleen kautta. Hengi- tyskaasuanalysaattorin avulla kaasupitoisuuksia voidaan seurata lähes reaaliajassa ja mit- tauksista sekä lasketuista arvoista voidaan piirtää kuvaajia. Hengityskaasuja voidaan analy- soida joko jokaisella hengityssyklillä tai tietyn ajanjakson aikana. Hiilidioksidipitoisuuden määritys tapahtuu mittaamalla hiilidioksidin absorpoimaa valon määrää tarkoituksenmukai- silla infrapunavalon aallonpituuksilla. Kaasua täynnä olevan tilan läpäisseen infrapunavalon määrää verrataan vertailuarvioihin, ja absorptio on verrannollinen hiilidioksidin osamäärään sekoituskammiossa (Wasserman ym. 2012).

Kuten tavallisessakin rasituskokeessa, spiroergometria voidaan suorittaa polkupyörällä pol- kien tai juoksumatolla; rasitusta lisätään asteittain kokeen aikana. Anaerobisen kynnyksen määrittämiseen sopii parhaiten 1–2 minuutin rasitusportaat. Todellisen maksimaalisen hapenkulutuksen saavuttaminen voi olla potilaalle vaikeaa, joten yleensä pyritään tasolle 90 % maksimaalisesta suorituskyvystä. Ennen suoritusta laitteet on kalibroitava luotettavien tulosten saamiseksi. MVV eli maksimaalinen tahdonalainen ventilaatiokapasiteetti määrite- tään hengitysreservin arvioimiseksi. Tämä voidaan mitata spirometrisesti tai määrittää laskennallisesti FEV1-arvosta (Sovijärvi ym. 2003, Stringer 2010).

Spiroergometriassa tarkastellaan tutkittavan hapenottokykyä mittaamalla elimistön käyttä- män hapen määrää. Maksimaalinen hapenottokyky tarkoittaa suurinta mitattua tutkittavan kuluttaman hapen määrää litroina minuutissa. Tämä voidaan myös epäsuorasti arvioida saa- vutetusta työkuormasta. Maksimaaliseen hapenottokykyyn vaikuttavat useat hengitys- ja ve- renkiertoelimistön tilaan liittyvät tekijät, lihasperäiset tekijät, keuhkojen kaasujenvaihdon ongelmat ja anemia. Lisäksi tutkittavan motivaatio tutkimuksen suorittamiseen vaikuttaa tu- lokseen (Arena ym. 2010, Stringer ym. 2010).

(19)

Toinen usein tarkasteltava suure on aerobinen kynnys, jonka tasolla tasolla uloshengitysilman happipitoisuus alkaa kasvaa hiilidioksidipitoisuuden pysyessä vielä melko muuttumat- tomana. Lisäksi veren maitohappopitoisuus lähtee lisääntymään. Aerobisen kynnyksen taso on riippuvainen kardiorespiratorisista sairauksista ja fyysisestä harjoittelusta siten, että sen ilmeneminen matalalla hapenkulutuksella ja kuormitustasolla viittaa huonoon kardiorespi- ratoriseen suorituskykyyn. Happipulssi, eli hapenkulutus suhteessa sydämen syketaajuuteen, on myös yksi tavallisesti tarkasteltava suure. Happipulssi käyttäytyy eri tavoin sydän- ja keuhkosairautta sairastavilla potilailla niin, että sydänpotilailla syketaajuus on tyypillisesti korkea jo matalilla hapenkulutusarvoilla. Happipulssiin vaikuttaa sydämen iskutilavuus ja lihasten hapenkäyttökyky (Sovijärvi ym. 2003, Palange ym. 2007).

Tulkittavia ventilatorisia suureita ovat hengitysreservi, hengitysekvivalentit hiilidioksidille ja hapelle, kuolleen tilan ventilaation osuus ja hengitysosamäärä. Hengitysreservi, joka kuvaa minuuttiventilaation riittävyyttä maksimaalisen rasituksen aikana, määritetään tah- donalaisen minuuttiventilaation ja maksimirasituksen aikaisen minuuttiventilaation erotuk- sena. Matala arvo viittaa ventilaatiokyvyn rajoittavan suorituskykyä, mutta myös hyperven- tilaatiosyndroomassa hengitysreservi voi alentua. Tällöin myös hengitysekvivalenteissa havaitaan poikkeavia arvoja (Sovijärvi ym. 2003, Wasserman ym. 2012).

Hengitysekvivalentit kuvaavat ventilaation suhdetta kaasujenvaihtoon. Alveolaarituuletuk- sen tehokkuutta kuvaa myös uloshengitysilman hiilidioksidipitoisuus. Lisäksi ventilatori- sena muuttujana voidaan mitata kuolleen tilan ventilaatio-osuutta. Tämä saadaan laskennallisesti uloshengityksen loppuvaiheen ilman hiilidioksidin osapaineesta ja sekoittuneen uloshengitysilman hiilidioksidin osapaineen erotuksen suhteesta uloshengityksen loppuvaiheen ilman hiilidioksidin osapaineen ja laitteiston kuolleen tilan ja kertahengitystilavuuden osamäärään erotukseen. Terveillä henkilöillä tämä suure pienenee rasituksen aikana, kun taas keuhkoverenkierron häiriötiloissa kuten keuhkoemboliassa, se voi jopa suurentua. Hengitys- osamäärä lasketaan hiilidioksidin tuoton ja hapenkulutuksen välisenä suhteena. Levossa ter- veellä henkilöllä hengitysosamäärä on n. 0,8 ja se nousee rasituksen aikana anaerobisen me- tabolian tuloksena. Hengitysosamäärän avulla voi arvioida rasituskokeen maksimaalisuutta, sillä yli 1,0 olevaa arvoa voidaan pitää osoituksena tutkittavan olemisesta lähellä aerobisen kapasiteettinsa ylärajaa. Rasituksen aikana voidaan lisäksi tarkastella virtaus-tilavuuskäyrää

(20)

epäiltäessä sisään- tai uloshengitysvirtauksen tai -tilavuuden rajoittumista, mutta sen kliininen käyttö on kuitenkin vielä osittain selkiytymätöntä. (Sovijärvi ym. 2003, Wasserman ym.

2012)

(21)

4. Hiilidioksidin hengitysekvivalentti

4.1 Määritelmä, käyttö ja vaikuttavat tekijät

Hiilidioksidin hengitysekvivalentti tarkoittaa uloshengitetyn ilman tilavuutta, jonka mukana saadaan elimistöstä poistetuksi yksi litra hiilidioksidia (Stringer 2010). Sitä kuvataan yleensä kulmakertoimena (esimerkki kuvassa 1.) sijoitettaessa uloshengitetyn hiilidioksidin tilavuus (hiilidioksidintuotto) vaaka-akselille ja kokonaishengitystilavuus pystyakselille (VE/VCO2- kulmakerroin). Koska ventilaatio on voimakkaammassa yhteydessä hiilidioksidin poistoon kuin hapenottoon, hengityksen tehokkuutta kuvaa parhaiten juuri näiden välinen kulmakerroin (Wasserman ym. 2012).

Kuva 1. Ventilaation ja hiilidioksidintuoton välisen suhteen kulmakerroin. Sydämen vajaatoimintaa sairastavilla potilailla nähdään jyrkemmin nouseva kuvaaja (Froelicher & Myers 2006).

Hiilidioksidin hengitysekvivalenttia voidaan myös kuvata hetkellisellä hiilidioksidin tuoton arvolla suhteessa ventilaatioon. Laskennallisesti hiilidioksidin hengitysekvivalentti voidaan ilmaista kaavalla VE/VCO2 =k/ [(PaCO2 x (1-VD/VT)], jossa PaCO2 tarkoittaa valtimoveren

(22)

hiilidioksidiosapainetta ja VD/VT keuhkojen kuolleen tilan ventilaatiota suhteessa uloshengityksen kertatilavuuteen. Näin ollen tekijät, jotka vaikuttavat matalaan hiilidioksidin osapaineeseen valtimoveressä tai suurentavat kuolleen tilan osuutta keuhkoissa, lisäävät hiilidioksidin hengitysekvivalentin arvoa osoituksena lisääntyneestä hengitystyöstä. Valtimoveren hiilidioksidiosapaineeseen vaikuttaa hyper- tai hypoventilaatio; kuolleen tilan suuruuteen vaikuttavat puolestaan ventilaatio/perfuusio-epäsuhta ja anatomisen kuolleen tilan osuus (Wasserman ym. 2012, Prado ym. 2016).

Hiilidioksidin hengitysekvivalenttia voidaan määrittää usealla eri tavalla arvioitaessa hengityksen tehokkuutta. Voidaan mitata hengitetyn ilman ja tuotetun hiilidioksidin suhdetta (VE/VCO2)ajan funktiona, mutta voidaan myös määritellä VE/VCO2-kulmakerroin kuormituksen alusta respiratorista kompensaatiopistettä (anaerobinen kynnys) kuvaavalle rasi- tustasolle tai maksimikuormaan saakka. Lisäksi voidaan määrittää VE/VCO2 aerobisella kynnyksellä tai määrittää matalin arvo viiden ensimmäisen minuutin aikana kuormituksessa.

Lisäksi on käytetty hiilidioksidin hengitysekvivalentin määrittämistä submaksimaalisen kuormituksen aikana (Arena ym. 2003).

Kuva 2. Hiilidioksidin hengitysekvivalentin (VE/VCO2) käyttäytyminen nousujohteisessa rasituksessa sydämen vajaatoimintaa sairastavilla (●) ja terveillä verrokeilla. Levossa mitattu, matalin ja uupumishetkellä mitattu arvo osoitettu nuolilla. Potilailla arvot ovat suurempia kuin terveillä verrokeilla (Ingle ym. 2011).

(23)

Ventilaation ja hiilidioksidintuoton suhdetta kuvaava kulmakerroin on terveillä aikuisilla n.

20–30. Arvo nousee terveilläkin iän myötä; miehiltä mitataan keskimäärin hieman matalam- pia arvoja kuin naisilta. Siksi viitearvoissa huomioidaankin tutkittavan ikä ja sukupuoli.

Omat viitearvonsa on VE/VCO2-arvolle sekä aerobisen kynnyksen kohdalla, että matalim- malla tasolla. Sydänpotilailla yli 30 oleva VE/VCO2-kulmakerroin liittyy usein lievään tai kohtalaiseen sydämen vajaatoimintaan, kun taas yli 40 oleva arvo viittaa usein vakavaan sydämen vajaatoimintaan (Froelicher & Myers 2006, Wasserman ym. 2012, Prado ym.

2016).

Mikä tahansa hiilidioksidintuottoon nähden lisääntynyttä ventilaatiota aiheuttava perifeerinen syy tai sentraalisen säätelyn häiriö aiheuttaa kuvaajan nousua ylöspäin ja vasemmalle, eli suurentaa kulmakerrointa (Froelicher & Myers 2006). Tällaisia ovat mm. maitohapon aikainen kerääntyminen vereen, ventilaatio/perfuusio-epäsuhta, hyperventilaatio, huono fyysinen suorituskyky ja pinnallinen hengittäminen. Aikainen maitohapon kerääntyminen vereen johtuu potilailla usein sydämen pumppausvajeesta, joka johtaa huonoon hapenkuljetukseen. Mikäli lihassoluilla ei ole riittävästi happea käytettävänään, ne tuottavat suuremman osan energiastaan anaerobisella glykolyysillä, mikä johtaa maitohapon muodostumiseen ja ylimääräisten vetyionien kerääntymiseen vereen. Tämä taas suurentaa hengitystiheyttä ja aiheuttaa uupumista. Ventilaatio/perfuusio-epäsuhta tarkoittaa sitä, että hyvin ventiloiduilla keuhkojen alueilla kiertää huonosti tai ei lainkaan verta. Tämän syynä voi olla keuhkojen rakenteellinen poikkeama tai verisuonten epätarkoituksenmukainen supistuminen. Ventilaa- tio/perfuusio-epäsuhta voi aiheutua myös kertahengitystilavuuden riittämättömästä kasvusta tai epätarkoituksenmukaisen korkeasta hengitystiheydestä (Woods ym. 2010, Wasserman ym. 2012, Prado ym. 2016).

Suurentuneen hiilidioksidin hengitysekvivalentin syynä voi myös olla luurankolihasten mi- tokondrioiden heikentynyt oksidatiivinen kapasiteetti β-oksidaatioon osallistuvien entsyy- mien vähentyessä. Huonosti pumppaavasta sydämestä johtuva luurankolihasten vähentynyt hapensaanti aiheuttaa lihassoluihin muutoksia vähentäen oksidatiivisia tyypin I lihassäikeitä ja lisäten anaerobisia glykolyyttisiä tyypin II säikeitä. Myös afferentti hermojärjestelmä luu- rankolihaksista aivoille säätelee hengitystä kuormituksen aikana. Tämän järjestelmän toimintaa estämällä hiilidioksidin hengitysekvivalentin arvot nousivat huomattavasti koehen-

(24)

kilöillä. Samoin kemoreseptoreilla on merkittävä rooli hengityksen säätelyssä. Sydämen vajaatoimintapotilailla liiallisen hiilidioksidin aiheuttama sentraalisten kemoreseptoreiden ak- tivoituminen aiheuttaa hengityksen tehottomuutta (Olson ym. 2014, Prado ym. 2016).

Hiilidioksidin hengitysekvivalenttia tulisi erityisesti mitata potilailta, joilla on selittämätöntä rasituksen aikaista hengenahdistusta, interstitiaalinen keuhkosairaus tai epäilty tai diagno- soitu keuhkoverenpainetauti. Selittämätön rasituksen aikainen hengenahdistus voi selittyä usealla patofysiologisella mekanismilla. Keuhkojen kaasunvaihtoon liittyvissä ongelmissa VE/VCO2 on usein epänormaalin korkea. Kaasunvaihto-ongelmasta aiheutuva ventilaation/perfuusio-epäsuhta voi aiheutua kahdella eri mekanismilla: keuhkokudoksen sairau- della, joka johtaa hengityslihasten väsymiseen, tai keuhkoverenpaineen kohoamisella (Arena ym. 2010, Guazzi ym. 2012).

Kuva 3. Hiilidioksidin hengitysekvivalenttiin vaikuttavat tekijät kaaviona esitettynä. Nuolet kuvaavat vaikuttaako kyseinen tekijä pienentäen vai suurentaen hiilidioksidin hengitysekvivalenttia (Prado ym. 2016).

Ventilaation ja hiilidioksidintuoton kulmakertoimella ja VE/VCO2-arvolla on todettu olevan ennusteellista merkitystä ja korreloivan taudin vakavuuteen ainakin sydämen vajaatoimin- nassa, hypertrofisessa kardiomyopatiassa, primaarisssa tai sekundaarisessa keuhkoverenpainetaudissa ja interstitiaalisessa keuhkosairaudessa (Guazzi ym. 2012).

(25)

4.2 Ennusteellinen merkitys sydämen vajaatoimintaa sairastavilla

Sydämen vajaatoiminta tarkoittaa tilaa, jossa sydän ei enää pysty pumppaamaan kehon aineenvaihdunnan tarvitsemaa minuuttitilavuutta verta. Tähän on useita eri syitä (Andreoli ym. 2004). Sydämen minuuttitilavuuden lasku aiheuttaa oireita sekä levossa että rasituksessa. Sydämen vajaatoiminta johtaa huonontuneeseen hapenkuljetukseen kudoksille, aikai- seen maitohapon kertymiseen ja huonontuneeseen rasituksen sietoon. Pumppausvajeen aste vaikuttaa potilaan ennusteeseen ja oireiden määrään riippumatta etiologiasta. Spiroergomet- rialla ei pystytä erottelemaan systolista eli sydämen heikentyneestä pumppausvoimasta aiheutuvaa ja diastolista eli täyttämishäiriöstä aiheutuvaa sydämen vajaatoimintaa sairastavia potilaita, joiden NYHA-luokka eli rasituksen sieto ja oireaste on sama (Stringer 2010, Guazzi ym. 2012).

Sydämen vajaatoimintaa sairastavilla on tutkittu laajasti spiroergometrian käyttöä riskinarvioinnissa (Arena ym. 2007), ja useissa tutkimuksissa on havaittu sekä VE/VCO2- kulmakertoimella että VE/VCO2-arvolla olevan ennusteellista merkitystä (Guazzi ym. 2012, Alba ym. 2016). Hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellista arvoa on myös verrattu muihin spiroergometriamuuttujiin sekä tunnettuihin vaaratekijöihin pyrittäessä arvioimaan riskiä sydänperäiseen sairaalahoitoon joutumiseen ja kuolemaan (Kleber ym. 2000). Koska VE/VCO2 on helpompi määrittää kuin maksimaalista kuormitusta vaativat suureet, se on monessa tapauksessa käyttökelpoisempi (Sarullo ym. 2010). Hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellista arvoa lisää kuitenkin kuormituksen maksimaalisen tason saavuttaminen (Bard ym. 2006).

VE/VCO2-kulmakertoimelle on määritetty useissa eri tutkimuksissa optimaalisia kynnysarvoja, joiden perusteella voidaan arvioida riskiä sydänperäisestä syystä sairaalaan joutumiseen tai kuolemaan. Kiinalaisessa tutkimuksessa kynnysarvoiksi saatiin ≥32,9 ennustettaessa sairaalaan joutumista sydänperäisen syyn takia ja ≥39,3 ennustettaessa kuolemaa (Shen ym.

2015). Toisessa tutkimuksessa optimaaliseksi kynnysarvoksi saatiin 32,5 ennustettaessa sy- dänperäisestä syystä sairaalaan joutumista (Sarullo ym. 2010). Eri tutkimuksissa on määri- tetty VE/VCO2-kulmakertoimen kynnysarvoiksi eri arvoja, jotka ennustavat kuoleman ris- kiä. Matalimman arvon 34 saivat Ponikowski ym. (2001), kun taas 36,2 pidettiin optimaali- sena kynnysarvona Guazzi ym. tutkimuksessa (2007). Muita optimaalisia kynnysarvoja tutkimuksissa ovat olleet 41 ja 44 (Robbins ym. 1999, Gitt ym. 2002, Bard ym. 2014). Eri

(26)

tutkimuksissa saadut tulokset ovat siis samansuuntaisia, mutta tutkimusasetelmasta ja poti- lasaineistosta riippuen kynnysarvo on yleensä välillä 34–44, jonka jälkeen kuolleisuus kasvaa merkittäväksi.

Kuva 4. Oikeassa kuvaajassa esitettynä VE/VCO2-kulmakertoimen vaikutus sairastuvuuteen ja vasemmalla kuolleisuuteen. Kulmakertoimen arvo yli 32,9 ennusti sydänperäistä sairasta- vuutta ja kulmakerroin yli 39,3 ennusti kuolemaa (Shen ym. 2015).

Arena ym. loivat tutkimuksensa perusteella neljäluokkaisen järjestelmän VE/VCO2- kulmakertoimeen perustuen: luokan I kulmakerroin oli ≤29,9, luokan II 30,0–35,9, luokan III 36,0–44,9 ja luokan IV ≥45,0. Päätetapahtumana oli sydänperäinen kuolema, vasemman kammion apupumpun käyttöönotto tai sydämensiirto, joiden määrä kasvoi merkitsevästi luo- kasta toiseen siirryttäessä. Luokan I potilaiden riski saada päätetapahtuma oli hyvin pieni (<5 %), luokan II matala (n. 15 %), luokan III kohtalainen (n. 30 %) ja luokan IV korkea (>50 %) (Arena ym. 2007). Kuvatun kaltainen luokitus saattaa olla parempi sydäntapahtu- mien ennustaja kuin pelkkä yksittäinen kynnysarvo (Arena ym. 2007, Arena ym. 2008). Sa- mankaltaista luokkajärjestelmää on käytetty myös mm. keuhkoahtaumataudin, interstitiaali- sen keuhkosairauden, keuhkoverenpainetaudin, hypertrofisen kardiomyopatian ja rasituksen aikaisesta selittämättömästä hengenahdistuksesta kärsivien potilaiden luokittelussa saman- laisilla arvoilla luokittelemaan sairauden vaikeusastetta (Guazzi ym. 2012).

(27)

Kuva 5. Hengitysluokat suhteessa selviytymiseen ilman päätetapahtumia. Mitä suurempi hengitysluokka, eli ventilaation ja hengityksen suhdetta kuvaava kulmakerroin, sitä huo- nompi selviytyminen ilman päätetapahtumia seuranta-aikana (Arena ym. 2007).

VE/VCO2-kulmakertoimen lisäksi hiilidioksidin hengitysekvivalentti voidaan ilmoittaa ajan suhteen, ja täten saadun käyrän muodon ennusteellista merkitystä on tutkittu. Terveillä verrokeilla käyrä oli normaalin L-kirjaimen muotoinen, samoin lievää sydämen vajaatoimintaa sairastavilla. Sydämen vajaatoimintaa sairastavista erottui käyrän muodon perusteella kaksi ryhmää: ensimmäisessä käyrä oli U-kirjaimen muotoinen ja toisessa lineaarisesti kasvava.

Kaikissa sydämen vajaatoimintaa sairastavien ryhmissä VE/VCO2-arvot olivat suurempia kuin terveillä verrokeilla. Huonoin suorituskyky ja maksimaalinen hapenottokyky (VO2max) olivat ryhmässä, jossa VE/VCO2-arvo kasvoi lineaarisesti, joten kuvaajan muoto korreloi sydämen vajaatoiminnan vakavuusasteeseen (Clark ym. 1992). Hiilidioksidin hengitysekvivalenttia mitataan yleisesti myös aerobisen kynnyksen kohdalla. Tässä kohdassa VE/VCO2-arvo on yleensä laskenut matalimpaan arvoonsa. Alle 10 % laskun lähtötasosta on todettu ennustavan huonompaa toimintakykyä (Milani ym. 1996). On myös tutkittu hiilidioksidin hengitysekvivalentin pienimmän arvon saavuttamiseen kuluvan ajan ennusteellista merkitystä. Sydämen vajaatoimintaa sairastavien on todettu saavuttavan nopeammin alimman VE/VCO2-arvon kuin terveet ja tällä on todettu olevan ennusteellista merkitystä.

Aika pienimmän arvon saavuttamiseen suhteessa suorituksen kokonaisaikaan oli kuitenkin sairailla ja terveillä sama (Ingle ym. 2012).

(28)

Hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellista arvoa on verrattu VO2max:in ennusteelli- seen arvoon sydämen vajaatoimintapotilailla useissa tutkimuksissa (Arena ym. 2004). Hiili- dioksidin hengitysekvivalentin on todettu olevan useissa tutkimuksissa vähintään yhtä hyvä tai jopa parempi ennusteellinen tekijä kuin VO2max (Arena ym. 2004, Poggio ym. 2010, Sarullo ym. 2010, Alba ym. 2016). Sairaalaan joutumista ennustettaessa hiilidioksidin hengitysekvivalentti ei kuitenkaan ollut tilastollisesti merkitsevästi parempi kuin VO2max (Arena ym. 2004). Vaikka hiilidioksidin hengitysekvivalentilla on todettu olevan itsenäistä ennusteellista merkitystä (Alba ym. 2016), paras riskinarvio on kuitenkin saatu yhdistämällä neljä spiroergometriassa mitattavaa muuttujaa, joilla kullakin on itsenäistä ennusteellista merkitystä. Ventilaation ja hiilidioksidin tuoton välisellä kulmakertoimella oli näistä muut- tujista suurin ennusteellinen merkitys. Muut suureet olivat jaksoittaisen hengityksen ilmeneminen, ventilaation ja hapenkulutuksen välinen kulmakerroin ja matalin hiilidioksidin hengitysekvivalentin arvo (Ingle ym. 2014).

Kestävyysharjoittelun sekä lääkkeistä beetasalpaajien ja ACE-estäjien on todettu pienentä- vän VE/VCO2-kulmakerrointa ja parantavan potilaan ennustetta myös muilla mittareilla mi- tattaessa (Guazzi ym. 1997, Myers ym. 1999, Agostoni ym. 2002, Pina ym. 2003).

4.3 Ennusteellinen merkitys muissa sydänsairauksissa

Suurten suonten transposition korjausleikkauksen jälkeisen selviytymisen ennustamisessa hiilidioksidin hengitysekvivalentilla on havaittu olevan merkitystä. Tutkimuksessa potilailla, joiden VE/VCO2-kulmakertoimen arvo oli ≥35,4, oli ennenaikaisen kuoleman ja sy- dänperäisistä syistä sairaalaan joutumisen riski tilastollisesti merkitsevästi suurempi (Giar- dini ym. 2009). Samansuuntaisia tuloksia on saatu myös tarkasteltaessa Fallotin tetralogian korjausleikkauksen läpikäyneitä potilaita, joilla VE/VCO2-kulmakerroin on osoittautunut it- senäisesti ennusteellisesti merkitykselliseksi tarkasteltaessa sydänperäisen syyn takia hoi- toon joutumista tai kuolemaa päätetapahtumina (Buys ym. 2012).

Hypertrofista kardiomyopatiaa sairastavilla on suurentunut äkillisen sydänperäisen kuoleman riski, ja se on yleisin syy nuorten urheilijoiden äkkikuolemissa (Andreoli ym. 2007).

Ventilaation ja hiilidoksidintuoton suhteen määrittämisen on todettu parantavan riskinar- viota erityisesti potilailla, jotka muilla perinteisesti käytetyillä riskinarviointimenetelmillä on arvioitu pienen tai kohtalaisen riskin potilaiksi. VE/VCO2-kulmakertoimen arvo yli 31

(29)

on yhteydessä lisääntyneeseen äkkikuoleman riskiin (Magri ym. 2016). Tämä johtuu mahdollisesti kohonneesta keuhkovaltimoiden paineesta vasemman kammion hypertrofian seu- rauksena. Vähäoireisillä potilailla hiilidioksidin hengitysekvivalentilla vaikuttaisi olevan ennusteellista merkitystä (Guazzi ym. 2012).

Sydänsairaiden potilaiden kuntoutuksessa hiilidioksidin hengitysekvivalentilla on todettu olevan itsenäistä ennusteellista merkitystä. Korkeammilla VE/VCO2-arvoilla työhön paluu on ollut epätodennäköisempää (Salzwedel ym. 2016).

4.4 Ennusteellinen merkitys keuhkosairauksissa

Keuhkoahtaumatauti tarkoittaa tilaa, jossa ilmanvirtaus hengitysteissä huononee pitkäaikai- sesti. Tähän liittyy krooninen keuhkoputkitulehdus ja keuhkokudoksen laajentuma eli emfyseema. Keuhkoahtaumataudin vaikeusastetta voidaan määritellä spirometrialla, jossa mitataan erityisesti uloshengityksen kokonaistilavuutta ja ensimmäisen sekunnin aikana ulospuhalletun ilman tilavuutta. Lievää keuhkoahtaumatautia sairastavilla potilailla on todettu olevan spiroergometriassa korkeammat hiilidioksidin hengitysekvivalentin arvot kuin terveillä verrokeilla. VE/VCO2-arvot korreloivat myös kuolleen tilan ventilaation osuuteen, joka lisääntyy keuhkoahtaumatautia sairastavilla potilailla (Weinberger 2004, Elbehairy ym.

2015).

Idiopaattinen keuhkofibroosi on palautumaton ja etenevä keuhkosairaus, johon liittyy lisään- tynyt kuolleisuus ja sairastavuus. Tauti on heterogeeninen, joten ennusteen laatiminen on haastavaa. Idiopaattisessa keuhkofibroosissa fysiologinen kuollut tila keuhkoissa lisääntyy, ventilaation ja perfuusion välillä on epäsuhtaa, ja kemo- sekä ergoreseptorit ovat tavan- omaista herkempiä. Nämä muutokset havaitaan jo levossa, mutta rasituksessa häiriö koros- tuu heijastuen hiilidioksidin hengitysekvivalenttiin. Hiilidioksidin hengitysekvivalentin arvolla aerobisella kynnyksellä mitattuna ja VE/VCO2-kulmakertoimella on todettu olevan ennusteellista merkitystä arvioitaessa kuoleman riskiä (Triantafillidou ym. 2013). VE/VCO2- arvo yli 45 aerobisella kynnyksellä mitattuna on yhteydessä merkittävästi huonompaan ennusteeseen (Wallaert ym. 2011).

(30)

4.5 Ennusteellinen merkitys keuhkoverenpainetautia sairastavilla

Keuhkoverenpainetautipotilaiden keuhkovaltimot eivät laajene normaalisti rasituksessa, minkä takia heidän rasituksensietokykynsä on alentunut. Keuhkoverenpainetautia sairastavilla on hoidosta huolimatta korkeat kuolleisuusluvut. Maksimaalisella hapenottokyvyllä on todettu olevan hyvä ennusteellinen merkitys, mutta myös VE/VCO2-kulmakertoimen on osoitettu olevan ennusteellisesti merkityksellinen. VE/VCO2-kulmakertoimen arvoon ≥ 55 liittyi 7.8-kertainen kuoleman riski ja ≥ 60 arvoon 5,8-kertainen kuoleman riski (Schwail- bmair ym. 2012). Samansuuntaisia tuloksia on saatu muissakin tutkimuksissa kuolleisuutta ennustettaessa (Groepenhoff ym. 2013). Toisessa tutkimuksessa myös VE/VCO2-arvolla aerobisen kynnyksen kohdalla mitattuna on todettu olevan itsenäistä ennusteellista merkitystä keuhkoverenpainetautia sairastavilla siten, että arvo alle 54 aerobisen kynnyksen kohdalla ennusti selviytymistä ilman päätetapahtumia (Deboeck ym. 2012).

Idiopaattista keuhkoverenpainetautia sairastavilla on saatu samansuuntaisia tuloksia myös ennustettaessa taudin pahenemisvaiheita. VE/VCO2-kulmakertoimen arvo 23,5 ja VE/VCO2-arvo 55 aerobisella kynnyksellä mitattuna osoittautuivat parhaiksi kynnysarvoiksi ennustettaessa taudin pahenemisvaiheita, mutta niillä ei kuitenkaan ollut itsenäistä ennusteellista merkitystä. Muihin sairauksiin liittyvässä keuhkoverenpainetaudissa ei hiilidioksidin hengitysekvivalentilla ollut ennusteellista merkitystä (Deboeck ym. 2012).

4.6 Ennusteellinen merkitys preoperatiivisessa arviossa

Spiroergometria on muihin riskinarviointimenetelmiin yhdistettynä käyttökelpoinen mene- telmä arvioitaessa potilaan leikkausriskejä, koska sillä saadaan tarkempi arvio hengitys- ja verenkiertoelimistön suorituskyvystä kestää leikkaukseen liittyvää kuormitusta. Spiroergo- metriaa tulisi käyttää erityisesti ennen korkean riskin leikkauksia. Lisäksi sitä tulisi käyttää arvioitaessa potilaita, joilla on anestesia- ja leikkausriskiä lisääviä sairauksia, kuten sydän- ja verenkiertoelimistön sairaus tai runsaasti näiden riskitekijöitä. Spiroergometriaa suositellaan myös käytettäväksi potilailla, joilla on useaan elimeen vaikuttava sairaus tai alentunut toimintakyky. Tavoitteena on tunnistaa paremmin suuren riskin potilaat ja suunnitella heidän postoperatiivinen hoitonsa siten, että vältyttäisiin komplikaatioilta (Stringer ym. 2012).

(31)

Useita tutkimuksia on tehty hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennustearvosta preoperatiivisessa riskinarviossa ennen suuria vatsan alueen leikkauksia (Morani ym. 2016). Maksan- siirtopotilailla VE/VCO2 ennustaa sydän- ja hengityselimistön komplikaatioita optimaalisen raja-arvon ollessa 34,5 aerobisen kynnyksen kohdalla mitattuna (Junejo ym. 2012). Vatsa- aortan aneurysman leikkauksissa VE/VCO2 aerobisella kynnyksellä mitattuna oli yhteydessä kuolleisuuteen 3 vuoden seurannassa optimaalisen raja-arvon ollessa 42, jota suuremmilla arvoilla kuolleisuus lisääntyi merkitsevästi (Grant ym. 2015). Samansuuntaisia tuloksia on saatu muissakin tutkimuksissa vatsa-aortan aneurysman leikkauksen jälkeen (Carlisle &

Swart 2007, Hartley ym. 2012). Korkea VE/VCO2-arvo anaerobisella kynnyksellä ennustaa pidempää postoperatiivista sairaalahoitoa paksu- ja peräsuolikirurgian jälkeen (Wilson ym.

2010, West ym. 2014). Myös haimakirurgiassa sekä munuaisten ja virtsarakon poiston jäl- keen VE/VCO2:lla aerobisella kynnyksellä on ennusteellista merkitystä. Raja-arvon 34 ylit- tyessä sekä sairaalakuoleman että 90 päivän kuolemanvaara kasvoivat merkitsevästi (Wilson ym. 2010).

Kuva 6. Hiilidioksidin hengitysekvivalentin merkitys leikkauksesta selviytymisessä paksu- tai peräsuolileikkauksen jälkeen. Kynnysarvolla 34 havaittiin optimaalisin erottelukyky (Wilson ym. 2010).

Keuhkon tai keuhkolohkon poistoleikkausten preoperatiivisessa arvioinnissa VE/VCO2– kulmakertoimen ylittäessä arvon 35 hengityskomplikaatioiden ja kuolemien määrä lisääntyi merkittävästi seuranta-aikana (Brunelli ym. 2012). Ventilaation ja hiilidioksidintuoton väli-

(32)

nen kulmakerroin ei kuitenkaan ennustanut sydänkomplikaatioiden, kuten eteisvärinän ilmaantumista. Korkea ventilaation ja hiilidioksidintuoton välisen kulmakertoimen arvo ennusti hengityskomplikaatioita paremmin kuin VO2max (Brunelli ym. 2012). Myös keuhkoahtaumatautia sairastavien keuhkosyöpäpotilaiden preoperatiivisessa arvioinnissa koko kuormituskokeen keston ajalta lasketun VE/VCO2-kulmakertoimella arvo yli 35 ennusti kuolemaa tai leikkauskomplikaatioiden ilmaantumista voimakkaammin kuin VO2max. Ven- tilaation ja hiilidioksidin tuoton välisellä kulmakertoimella oli itsenäistä ennusteellista mer- kitystä monimuuttujamallissa huomioitaessa useita muuttujia (Shafiek ym. 2016).

Hennis ym. (2012) eivät kuitenkaan havainneet VE/VCO2:n olevan yhteydessä kuoleman- vaaraan tai pitkittyneeseen sairaalassaoloon 106 mahalaukun ohitusleikkauspotilaalla.

Vaikka hiilidioksidin hengitysekvivalentin on havaittu olevan yhteydessä kuolleisuuteen ja komplikaatioihin suurimmassa osassa tutkimuksista, se on tutkijoiden mukaan silti alikäy- tetty muuttuja preoperatiivisessa riskinarvioinnissa (Morani ym. 2016).

(33)

5. Pohdinta

Sydämen vajaatoiminta on oireyhtymä, jonka syynä voi olla useita eri sairauksia. Ennusteen laatiminen sydämen vajaatoimintaa sairastaville on haastavaa. Hiilidioksidin hengitysekvivalentilla on useassa tutkimuksessa osoitettu olevan sydämen vajaatoimintaa sairastavilla ennusteellista merkitystä, olipa päätetapahtumana sydänsairauteen liittyvä kuolema tai sairaalaan joutuminen sydänperäisten syiden takia. VE/VCO2-kulmakertoimen kasvaessa li- sääntyy sydäntapahtumien määrä. Hiilidioksidin hengitysekvivalentti voi jopa olla ennusteellisesti merkittävin ergospirometriamuuttuja sydänpotilailla, mutta riskinarvio on kuitenkin vielä luotettavampaa käytettäessä eri muuttujien yhdistelmää. Lisäksi VE/VCO2- kulmakertoimesta johdetut hengitysluokat voivat mahdollisesti olla parempia ennustavia te- kijöitä kuin yksittäinen kynnysarvo.

VE/VCO2-muuttujaa on tarkasteltu sydänpotilailla tutkimuksissa eri tavoin. VE/VCO2- muuttujan arvot kuormituskokeen suoritusaikaan suhteutettuna, eli käyrän muoto, voi antaa lisätietoa kuten myös aerobisen kynnyksen kohdalla mitattu VE/VCO2-arvon pieneneminen lähtöarvoon nähden. Tutkimuksia hiilidioksidin hengitysekvivalentin ennusteellisesta mer- kityksestä sydänpotilailla on paljon, mutta kliinistä käyttöä ilmeisen vähän. Spiroergometria on melko raskas toteutettava kaikille sydämen vajaatoimintaa sairastaville, mutta vali- koiduille potilaille hiilidioksidin hengitysekvivalentin määrittäminen voisi tarjota työkalun ennustettaessa potilaan toimintakykyä ja selviytymistä.

Keuhkoahtaumatautia ja keuhkoverenpainetautia sairastavilla potilailla hiilidioksidin hengitysekvivalenttia ennusteellisena tekijänä on tutkittu melko vähän. Näistä kaivattaisiin jat- kossa lisää tutkimustietoa, jotta voitaisiin paremmin arvioida merkitystä ennusteen kannalta.

Leikkausta edeltävässä arviossa hiilidioksidin hengitysekvivalentilla on havaittu olevan ennusteellista merkitystä, tosin lisää tutkimustuloksia tästäkin kaivataan. Spiroergometriaa voisi kuitenkin alkaa yhä enemmän käyttää riskipotilaiden leikkauskelpoisuuden arviointiin muiden arviointimenetelmien ohella.

(34)

6. Lähteet

Agostoni P, Guazzi M, Bussotti M, De Vita S, Palermo P. Carvedilol reduces the inappropriate increase of ventilation during exercise in heart failure patients. Chest 2002;122:2062–2067.

Alba A, Adamson M, Macisaac J ym. The added value of exercise variables in heart failure prognosis. J Card Fail 2016;22:492–497

Andreoli T, Carpenter C, Griggs R, Benjamin I. Andreoli and Carpenters’s Cecil essentials of medicine. Kanada: Saunders 2007. s. 151

Arena R, Myers J, Aslam S, Varughese E, Peberdy M. Technical considerations related to the minute ventilation/carbon dioxide output slope in patients with heart failure. Chest 2003;124:720–727.

Arena R, Myers J, Aslam S, Varughese E, Pedergy M. Peak VO2 and VE/VCO2 slope in patients with heart failure: a prognostic comparison. Am Heart J 2004;147:354–60.

Arena R, Myers J, Abella J ym. Developement of a ventilator classification system in patients with heart failure. Circulation 2007;115:2410–2417.

Arena R, Myers J, Guazzi M. The clinical significance of aerobic exercise testing and prescription: from apparently healthy to confirmed cardiovascular disease. Am J Lifesty Medi 2008;2:519–536

Arena R, Myers J, Abella J ym. The ventilatory classification system effectively predicts hospitalization in patients with heart failure. J Cardiopulm Rehab Prev 2008;28:195–198.

Arena R, Myers J, Guazzi M: The Future of aerobic exercise testing in clinical practice. is it the ultimate vital sign? Future Cardiolog 2010;6:325–342

Bard R, Gillespie B, Clarke N, Egan T, Nicklas J. Determining the best ventilator efficiency measure to predict mortality in patients with heart failure. J Heart Lung Transplant 2006;

25:589–595.

Bard R, Gillespie B, Lange D, Pinter A, Nicklas J. Systolic blood pressure influences the interpretation of cardiopulmonary exercise tests and helps identify a very high-risk cohort of heart failure patients. J Heart Lung Trasplant 2014;33:388–396.

Barrett K, Barman S, Boitano S, Brooks H. Ganong’s review of medical physiology. USA:

The McGraw-Hill Companies 2010. s. 590–592, 595, 601–604, 620.

Boron W & Boulpaep E. Medical physiology a cellular and molecular approach. USA: Else- vier inc. 2005. s. 602–603, 612, 614, 616, 620, 690–691.

Broaddus V, Mason R, Ernst J ym. Murray & Nadel’s textbook of respiratory medicine.

Kanada: Saunders 2016. s. 8–9, 16–17, 49, 58–59, 69–70, 80–81, 98–99.