Herzzeitvolumen (Fick-Prinzip)

Klinischer Hintergrund

Das Herzzeitvolumen (Cardiac Output, CO) ist bei der Rechtsherzkatheteruntersuchung zentral für die Klassifikation der pulmonalen Hypertonie, die Beurteilung der Herzinsuffizienz und die Priorisierung für Transplantation und mechanische Kreislaufunterstützung. Die Thermodilution ist am Krankenbett das gebräuchlichste Verfahren, setzt aber voraus, dass ein Indikatorbolus die Pulmonalarterie passiert, ohne durch einen Regurgitationsfluss über die Trikuspidalklappe verdünnt zu werden. Bei relevanter Trikuspidalinsuffizienz, sehr niedrigem Fluss oder intrakardialem Shunt galt die Thermodilution als unzuverlässig, und das Fick-Prinzip ist dann die eingesetzte Alternative.

Das Fick-Prinzip in seiner direkten Form, bei der die VO₂ mit einem metabolischen Messsystem bestimmt wird, ist der anerkannte Goldstandard der CO-Bestimmung. In der klinischen Praxis ist die direkte VO₂-Messung häufig nicht verfügbar, sodass eine angenommene (geschätzte) VO₂ verwendet wird. Genau diese Annahme ist der schwächste Punkt des Verfahrens: Ist die VO₂-Schätzung falsch, ist das CO falsch, und da die VO₂ im Zähler steht, verstärkt sich der Schätzfehler im Ergebnis.

Berechnung des Herzzeitvolumens (Fick-Prinzip)

Der Rechner berechnet das CO nach:

$$\text{CO}\ (\text{L/min}) = \frac{125 \times \text{BSA}\ (\text{m}^2)}{1{,}36 \times \text{Hb}\ (\text{g/dL}) \times 10 \times (S_{aO_2} - S_{vO_2})}$$

Dabei sind $S_{aO_2}$ die arterielle und $S_{vO_2}$ die gemischtvenöse O₂-Sättigung, angegeben als Anteile (0–1; im Rechner in Prozent eingegeben und intern umgerechnet). Die Konstante 1,36 ist die Sauerstoffbindungskapazität des Hämoglobins (mL O₂ pro g Hb), der Faktor 10 rechnet g/dL in g/L um. Die VO₂ wird mit 125 mL/min/m² × Körperoberfläche geschätzt. Der Herzindex (CI) ergibt sich als CO/BSA (L/min/m²).

Die Ableitung der geschätzten VO₂ geht auf LaFarge und Miettinen (1970) zurück und beruht auf Patientinnen und Patienten bei der Herzkatheteruntersuchung [1]. Die drei gebräuchlichen Schätzformeln für die VO₂ (LaFarge-Miettinen, Bergstra, Dehmer) wurden vor 30 bis 60 Jahren an Patientinnen und Patienten bei der Herzkatheteruntersuchung abgeleitet, überwiegend Kindern und jungen Erwachsenen mit angeborenem Herzfehler [2]. Die vereinfachte Konstante von 125 mL/min/m² ist eine grobe Näherung der Ruhe-VO₂ einer stabilen erwachsenen Person ohne akute Erkrankung.

Interpretation in der Praxis

Der normale Herzindex in Ruhe beträgt 2,5–4,0 L/min/m². Die folgende Tabelle gibt Interpretationsbereiche und klinisches Vorgehen an.

Bei pulmonaler Hypertonie ordnet ein niedriger CI die Patientin oder den Patienten einer höheren Risikokategorie zu und beeinflusst die Wahl des Vasodilatators sowie die Transplantationsüberlegungen. Bei Herzinsuffizienz werden Entscheidungen über Transplantation und mechanische Unterstützung durch den CI in Kombination mit dem PCWP gesteuert.

Eine klassische Indikation für die Fick-Methode war die relevante Trikuspidalinsuffizienz, bei der die Thermodilution als zu niedrig messend galt. Eine systematische Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2024 stellt dies infrage: In vier Studien mit insgesamt 602 Patientinnen und Patienten (258 mit TI) betrug die Korrelation zwischen Thermodilution und direktem Fick r = 0,90 bei mittel- bis hochgradiger TI und r = 0,86 bei leichter oder fehlender TI, war also nicht signifikant unterschiedlich [3]. Die Heterogenität war jedoch hoch (I² 71 beziehungsweise 68 %) und das Bias-Risiko in den älteren Studien größer, weshalb der Befund in einer modernen Kohorte bestätigt werden sollte.

Validierung und Testgüte

Die angenommene VO₂ ist die dominierende Fehlerquelle. Palanques-Tost et al. prüften drei etablierte eFick-Formeln gegen die Thermodilution als Referenz in einer modernen Intensivkohorte [2]. Auf einer postoperativen thoraxchirurgischen Intensivstation betrug der mittlere Fehler (MAPE) 30 %, und das Bestimmtheitsmaß R² war negativ (−1,5), das heißt, das Modell schnitt schlechter ab, als den Mittelwert zu raten. Ursache war, dass die statische VO₂-Schätzung der dynamischen Physiologie kritisch kranker Patientinnen und Patienten nicht folgen konnte. Ihr CORE-Modell, das dynamische physiologische Variablen einbezog, erreichte einen MAPE von 14 % und ein R² von 0,58.

Narang et al. fanden in einer klinischen Kohorte von 535 Patientinnen und Patienten bei der Rechtsherzkatheteruntersuchung, dass die gemessene VO₂ signifikant von allen drei Schätzformeln abwich, mit größerer Abweichung bei ausgeprägter Adipositas (BMI >40) [4]. Chase et al. berichteten in einer Kohorte mit Herzinsuffizienz und reduzierter Ejektionsfraktion, dass alle Formeln erhebliche Fehler und Fehlklassifikationen hämodynamischer Kategorien einschließlich kardiogenem Schock und Hypoperfusion ergaben [5]. Zusammenfassend ist der eFick bei stabilen erwachsenen Patientinnen und Patienten ohne akute Erkrankung und ohne ausgeprägte Adipositas am zuverlässigsten, also in der Population, die der Ableitungskohorte ähnelt.

Limitationen

Die angenommene VO₂ gilt nicht bei:

• Kritischer Erkrankung. Die VO₂ in der Intensivmedizin ist dynamisch und wird durch Sympathikotonus, Vasopressoren und Sedierung beeinflusst, wodurch die vom Fick-Prinzip vorausgesetzte Steady-State-Bedingung verletzt wird [2,3].
• Ausgeprägter Adipositas (BMI >40). Die Schätzformeln überschätzen die VO₂, was ein zu niedriges CO ergibt [4].
• Extremen Altersgruppen. Die Formeln wurden an Kindern und jungen Erwachsenen mit angeborenem Herzfehler abgeleitet [2].
• Intrakardialem Shunt. Ein Shunt erfordert eine getrennte Probenentnahme aus der Vena cava superior und inferior und nicht eine gemischtvenöse Probe aus der Pulmonalarterie; andernfalls wird die arteriovenöse Differenz falsch berechnet [3].

Häufige Fehler:

• Den eFick allein wegen einer Trikuspidalinsuffizienz der Thermodilution vorzuziehen. Die systematische Übersichtsarbeit zeigt, dass die Thermodilution bei TI nicht zwangsläufig unzuverlässig ist [3].
• Sich bei instabiler Physiologie auf einen Einzelwert zu verlassen. Das CO ist bei kritischer Erkrankung nicht statisch; wiederholte Thermodilutionsmessungen können aussagekräftiger sein [2,3].
• Anzunehmen, dass 125 mL/min/m² für alle Patientinnen und Patienten gilt. Bei Fieber, Sepsis und hypermetabolen Zuständen ist die VO₂ erhöht, bei Sedierung und Hypothermie erniedrigt.

Wenn klinisch wichtige Entscheidungen auf dem CO beruhen und die Thermodilution unzuverlässig ist, sollte die VO₂ direkt gemessen und nicht geschätzt werden [2,4].

Quellen

1. LaFarge CG, Miettinen OS. The estimation of oxygen consumption. Cardiovasc Res. 1970;4(1):23–30. PMID: 5416840
2. Palanques-Tost E, et al. Cardiac output estimation in the intensive care unit. JACC: Advances. 2025. PMID: 40286350
3. Abualsaud R, et al. Time to calm the Fick down? A systematic review and meta-analysis of thermodilution compared to direct Fick in tricuspid regurgitation. CJC Open. 2024. PMID: 39525819
4. Narang N, et al. Inaccuracy of estimated resting oxygen uptake in the clinical setting. Circulation. 2014;129(2):203–10. PMID: 24077170
5. Chase PJ, et al. Comparison of estimations versus measured oxygen consumption at rest in patients with heart failure and reduced ejection fraction who underwent right-sided heart catheterization. Am J Cardiol. 2015;116(11):1724–30. PMID: 26443561