Atemgasanalyse

Atemgasanalyse ist die wissenschaftliche Untersuchung der menschlichen Atemluft. Ziel ist es einerseits, Markersubstanzen zu identifizieren, die Rückschlüsse auf den klinischen Zustand eines Patienten erlauben, und andererseits mathematische Modelle zu entwickeln, die es erlauben, von Atemgaskonzentrationen auf die entsprechenden Blutkonzentrationen umzurechnen. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann in Atemgastests für die medizinische Diagnostik umgesetzt werden.

Im Gegensatz zu Blutproben ist die Abnahme von Atemgasproben für den Patienten nicht-invasiv und kann auch beliebig oft wiederholt werden. Atemgasproben können in Echtzeit ausgewertet werden und ermöglichen daher auch eine kontinuierliche Beobachtung der Veränderung von Körpersubstanzen zum Beispiel am Ergometer, im Schlaflabor oder in der Intensivmedizin.

Konnten früher nur Stoffe in hohen Konzentrationen wie z. B. Kohlenstoffdioxid und Alkohol identifiziert werden, ist es durch die Fortschritte der letzten Jahre in der Analysetechnik (GC-MS, PTR-MS, SIFT-MS, IMS, chemische Sensoren) möglich, ein einzelnes Molekül in einer Billion Moleküle (ppt) zu entdecken.

Die moderne Ära der Atemgasanalyse wurde vom Nobelpreisträger Linus Pauling eingeleitet, der nachwies, dass die menschliche Atemluft über 200 flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOCs) in picomolarer Konzentration enthält.^[1][2]

Das einfachste Lungenmodel besteht aus einem Kompartiment. Die stationäre Lösung der Massenbilanzgleichung ergibt den Zusammenhang zwischen alveolarer und Blutkonzentrationen, Farhi^[3]:

${\displaystyle C_{A}={\frac {C_{\bar {v}}}{\lambda _{\text{b:air}}+{\dot {V}}_{A}/{\dot {Q}}_{c}}}.}$

Hierbei ist ${\displaystyle C_{A}}$ die alveolare Konzentration, ${\displaystyle C_{\bar {v}}}$ die gemischt venöse Konzentration, und ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}}$ der Blut:Luft Partitionskoeffizient, und ${\displaystyle {\dot {V}}_{A}/{\dot {Q}}_{c}}$ das Ventilations-Perfusions-Verhältnis (in Ruhe ca. 1).

Die Farhi-Gleichung liefert die alveolare Konzentration für alle VOCs, aber nur wenn der Blut:Luft Partitionskoeffizient klein ist (${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}<10}$), ist auch die alveolare Konzentration gleich der endtidalen Atemkonzentration. Für VOCs mit großen Blut:Luft Partitionskoeffizienten (diese sind stark wasserlöslich) ist die endtidale Atemkonzentration gleich der Konzentration in den oberen Atemwegen (bronchiale Konzentration; mehr Details dazu findet man in Petralia et al^[4].

Multipliziert man zum Beispiel nach dieser Gleichung die durchschnittliche Acetonkonzentration von ${\displaystyle 1\,\mathrm {\mu g/l} }$ in der end-tidalen Atemluft mit dem Partitionskoeffizienten ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=340}$, so erhält man um einen Faktor 3 abweichende Werte von den tatsächlich gemessenen arteriellen Blutwerten, die im Bereich von ${\displaystyle \mathrm {1\,mg/l} }$ liegen. Für Isopren mit einem Partitionskoeffizienten ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=0{,}95}$ ist zwar die alveolare Konzentration gleich der endtidalen Konzentration, aber hier kann das Ventilations-Perfusions-Verhältnis in dieser Gleichung auch nicht mehr vernachlässigt werden.

Ein weiterer wesentlicher Faktor, der nicht vernachlässigt werden kann, ist der Einfluss der Umgebungskonzentrationen, der nicht einfach subtrahiert werden kann. Die Lösung diese Problems ist in Petralia et al. [4] zusammengefasst.

Weiterentwicklungen dieses Modells sind daher ein aktuelles Forschungsgebiet.^[5][6]

• Wasserstoffatemtest

1. ↑ Linus Pauling, Arthur B. Robinson, Roy Teranish, Paul Cary: Quantitative Analysis of Urine Vapor and Breath by Gas-Liquid Partition Chromatography. In: Proc Natl Acad Sci U S A. Band 68, Nr. 10, 1971, S. 2374–2376, doi:10.1073/pnas.68.10.2374. 
2. ↑ Anil S. Modak: Single time point diagnostic breath tests: a review. In: Journal of Breath Research. Band 4, Nr. 1, 2010, S. 017002, doi:10.1088/1752-7155/4/1/017002. 
3. ↑ Leon E. Farhi: Elimination of inert gas by the lung. In: Respiration Physiology. Band 3, Nr. 1, Juli 1967, S. 1–11, doi:10.1016/0034-5687(67)90018-7. 
4. ↑ Lorenzo Salvatore Petralia, Julian King, Anesu Chawaguta, Pawel Mochalski, Chris Antony Mayhew, Karl Unterkofler: Some Crucial Principles of Exhaled Breath Volatile Analysis. In: Journal of Breath Research. Band 20, 2026, doi:10.1088/1752-7163/ae4bff. 
5. ↑ Julian King, Helin Koc, Karl Unterkofler, Pawel Mochalski, Alexander Kupferthaler, Gerald Teschl, Susanne Teschl, Hartmann Hinterhuber, Anton Amann: Physiological modeling of isoprene dynamics in exhaled breath. In: Journal of Theoretical Biology. Band 267, Nr. 4, 21. November 2010, S. 626–637, doi:10.1016/j.jtbi.2010.09.028. 
6. ↑ Julian King, Karl Unterkofler, Gerald Teschl, Susanne Teschl, Helin Koc, Hartmann Hinterhuber, Anton Amann: A mathematical model for breath gas analysis of volatile organic compounds with special emphasis on acetone. In: Journal of Mathematical Biology. Band 63, 2011, S. 959–999, doi:10.1007/s00285-010-0398-9. 

• Atemgasanalyse am Institut für Atemgasanalytik der UNI Innsbruck
• Atemgasanalyse: Über die Atemluft lassen sich Krankheiten diagnostizieren auf gesundheit.de
• Atemgasanalyse: Atem statt Blut auf CliniCum.at
• Breath-Analysis Data Mining Project