Ejektionsfraktion

Die Ejektionsfraktion (EF; lateinisch e- = aus, iacere = werfen, fractio = Bruchstück, Anteil) oder Auswurffraktion (auch Austreibungsfraktion) ist ein Maß für die Herzfunktion, jedoch kein Maß für die Schwere einer Herzinsuffizienz. Da bei einer Kontraktion des Herzmuskels nicht das gesamte Blutvolumen aus der Kammer ausgestoßen wird, sondern ein gewisser Teil zurückbleibt, kann der Anteil des ausgestoßenen Volumens am enddiastolischen Füllungsvolumen Rückschlüsse auf den Zustand des Herz- und Kreislaufsystems bieten. ⓘ

Jede der vier Herzhöhlen (lateinisch: cavum cordis) hat bei jedem Herzschlag eine eigene Ejektionsfraktion. Bei jedem Herzschlag sind die enddiastolischen Füllungsvolumina in allen Herzhöhlen verschieden, weil auch Vorhöfe und Kammern nicht exakt dasselbe Volumen haben (besonders deutlich bei der asymmetrischen dilatativen Kardiomyopathie). Das Schlagvolumen als Produkt dieser beiden Parameter muss bei jedem Herzschlag in allen vier Höhlen jedoch eine Konstante bilden, um einen Rückstau im Blutkreislauf zu verhindern. Hierdurch wird die Aussagekraft der Ejektionsfraktion als übliches Maß für die Schwere einer Herzinsuffizienz relativiert. Wegen der großen Bedeutung der linken Herzkammer wird in der Kardiologie nahezu ausschließlich die EF des linken Ventrikels (als LVEF) angegeben. ⓘ

Bei allen Herzfehlern wie Herzklappenfehlern, Atriumseptumdefekten, Ventrikelseptumdefekten oder mit einem Shunt (lateinisch: vitium cordis) kommt es in den Herzhöhlen bei jedem Herzschlag zu Blutrückflüssen entgegen der vorgesehenen Strömungsrichtung; man spricht von der Flussumkehr (Umkehrfluss), vom Pendelvolumen und von der Regurgitation. Also müsste korrekt jeweils die gemessene Bruttoejektionsfraktion von der effektiven Nettoejektionsfraktion unterschieden werden. Die Differenz wäre die Regurgitationsfraktion. Gerade auch bei diesen Patienten ist die Bruttoejektionsfraktion kein geeignetes Maß für die Schwere ihrer Herzinsuffizienz. ⓘ

Die Ejektionsfraktion bezeichnet den Anteil des vom Herzen bei einer Kontraktion ausgeworfenen Blutes im Verhältnis zum Gesamtblutvolumen in der Herzkammer. Definiert wird sie als Anteil des Schlagvolumens (SV) am enddiastolischen Volumen (EDV). Beim Gesunden beträgt sie bei einem normalen enddiastolischen Volumen von etwa 120 ml und bei einem physiologischen Schlagvolumen von circa 80 ml also in etwa 67 %. ⓘ

$EF={\frac {SV}{EDV}}\cdot 100\,\%$ ⓘ

Dabei ist das Schlagvolumen die Differenz von Enddiastolischem und Endsystolischem Volumen (ESV):

$EF={\frac {EDV-ESV}{EDV}}\cdot 100\,\%=\left(1-{\frac {ESV}{EDV}}\right)\cdot 100\,\%$ ⓘ

Bestimmung der Ejektionsfraktion im Ultraschall nach der Simpson-Methode ⓘ

Bestimmung der Ejektionsfraktion im Ultraschall im M-Mode nach Teichholz
(ungenauer als die Simpson-Methode) ⓘ

Die Ejektionsfraktion kann mit verschiedenen Untersuchungsverfahren gemessen werden, in absteigender Häufigkeit:

• Echokardiographie
• Herzkatheteruntersuchung
• Magnetresonanztomografie
• Myokardszintigrafie oder Radionuklid-Ventrikulografie bzw. Binnenraumszintigrafie.

In der klinischen Praxis erfolgt die Abschätzung der Ejektionsfraktion häufig nach dem visuellen Eindruck; dies wird bei subjektiv normaler Pumpfunktion als ausreichend angesehen. Bei eingeschränkter Pumpfunktion sollte eine quantitative Bestimmung mit Hilfe der Scheibchensummationsmethode nach Simpson erfolgen; die Quantifizierung mittels M-Mode nach Teichholz wird als zu ungenau angesehen. ⓘ

Die Auswurffraktion (EF) ist der volumetrische Anteil (oder Teil der Gesamtmenge) der Flüssigkeit (in der Regel Blut), die bei jeder Kontraktion (oder jedem Herzschlag) aus einer Kammer (in der Regel dem Herzen) ausgestoßen wird. So verstanden, kann die Auswurffraktion zur Messung einer Flüssigkeit beliebiger Viskosität verwendet werden, die aus einem Hohlorgan in einen anderen Hohlraum oder außerhalb des Körpers abgegeben wird. Blut, Galle und Urin werden in der Regel auf dieser mathematischen Grundlage untersucht. Sie kann sich z. B. auf den Herzvorhof, die Herzkammer, die Gallenblase oder die Beinvenen beziehen, wobei sie sich, wenn sie nicht spezifiziert ist, in der Regel auf die linke Herzkammer bezieht. Die EF ist ein weit verbreitetes Maß für die Pumpleistung des Herzens und wird zur Klassifizierung von Herzinsuffizienztypen verwendet. Sie wird auch als Indikator für den Schweregrad der Herzinsuffizienz verwendet, obwohl sie anerkanntermaßen ihre Grenzen hat. ⓘ

Die EF des linken Herzens, die so genannte linksventrikuläre Auswurffraktion (LVEF), wird berechnet, indem das vom linken Ventrikel pro Schlag gepumpte Blutvolumen (Schlagvolumen) durch das im linken Ventrikel am Ende der diastolischen Füllung gesammelte Blutvolumen (enddiastolisches Volumen) dividiert wird. Die LVEF ist ein Indikator für die Effizienz der Pumpleistung in den Körperkreislauf. Die EF des rechten Herzens oder die rechtsventrikuläre Auswurffraktion (RVEF) ist ein Maß für die Effizienz des Pumpvorgangs in den Lungenkreislauf. Ein Herz, das nicht genügend Blut pumpen kann, um den Bedarf des Körpers zu decken (d. h. eine Herzinsuffizienz), weist häufig, aber nicht immer, eine reduzierte ventrikuläre Auswurffraktion auf. ⓘ

Messung

Die Modalitäten für die Messung der Auswurffraktion sind ein aufstrebendes Gebiet der medizinischen Mathematik und der anschließenden rechnerischen Anwendungen. Die erste gängige Messmethode war vielleicht die Echokardiographie, obwohl auch kardiale Magnetresonanztomographie (MRT), kardiale Computertomographie, Ventrikulographie und nuklearmedizinische Untersuchungen (gated SPECT und Radionuklidangiographie) verwendet werden können. Die Messungen mit verschiedenen Modalitäten sind nicht ohne weiteres austauschbar. In der Vergangenheit war die Ventrikulographie der Goldstandard für die Messung der Ejektionsfraktion, heute gilt die kardiale MRT als die beste Methode. Vor diesen fortschrittlicheren Techniken wurde die Ejektionsfraktion mit Hilfe einer Kombination aus Elektrokardiographie und Phonokardiographie genau geschätzt. ⓘ

Physiologie

Normale Werte

Bei einem gesunden 70-Kilogramm-Mann beträgt das Schlagvolumen etwa 70 ml und das linksventrikuläre enddiastolische Volumen (EDV) etwa 120 ml, was eine geschätzte Auswurffraktion von 70⁄120 oder 0,58 (58 %) ergibt. Gesunde Menschen haben in der Regel eine Auswurffraktion zwischen 50 % und 65 %, wobei die untere Grenze der Normalität nur schwer zu bestimmen ist. ⓘ

Ventrikuläre Volumina
Messen Sie	Rechter Ventrikel	Linker Ventrikel
Enddiastolisches Volumen	144 mL(± 23 mL)	142 mL (± 21 mL)
Enddiastolisches Volumen / Körperoberfläche (mL/m2)	78 mL/m2 (± 11 mL/m2)	78 mL/m2 (± 8,8 mL/m2)
Endsystolisches Volumen	50 mL (± 14 mL)	47 mL (± 10 mL)
Endsystolisches Volumen / Körperoberfläche (mL/m2)	27 mL/m2 (± 7 mL/m2)	26 mL/m2 (± 5,1 mL/m2)
Schlaganfall-Volumen	94 mL (± 15 mL)	95 mL (± 14 mL)
Schlagvolumen/Körperoberfläche (mL/m2)	51 mL/m2 (± 7 mL/m2)	52 mL/m2 (± 6,2 mL/m2)
Auswurffraktion	66% (± 6%)	67% (± 4.6%)
Herzfrequenz	60-100 Schläge pro Minute	60-100 Schläge pro Minute
Herzzeitvolumen	4,0-8,0 L/Minute	4,0-8,0 l L/Minute

Pathophysiologie

Kategorien der Herzinsuffizienz

Eine Schädigung des Herzmuskels (Myokard), wie sie z. B. nach einem Myokardinfarkt oder einer Kardiomyopathie auftritt, beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit des Herzens als effiziente Pumpe und kann die Auswurffraktion verringern. Eine solche Verringerung der EF kann sich als Herzinsuffizienz manifestieren. In den Leitlinien der Europäischen Gesellschaft für Kardiologie von 2016 für die Diagnose und Behandlung von akuter und chronischer Herzinsuffizienz wird die Herzinsuffizienz auf der Grundlage der LVEF in drei Kategorien eingeteilt:

1. normale oder erhaltene LVEF [≥50 %] (HFpEF)
2. mäßig reduzierte LVEF [im Bereich von 40-49%] (HFmrEF)
3. reduzierte LVEF [<40%] (HFrEF)] ⓘ

Eine chronisch niedrige Ejektionsfraktion von weniger als 30 % ist ein wichtiger Schwellenwert für die Gewährung von Invaliditätsleistungen in den USA. ⓘ

Berechnung

Definitionsgemäß ist das Blutvolumen im Inneren eines Ventrikels am Ende der Diastole das enddiastolische Volumen (EDV). Das Blutvolumen, das am Ende der Systole (Kontraktion) im Ventrikel verbleibt, ist das end-systolische Volumen (ESV). Die Differenz zwischen EDV und ESV ist das Schlagvolumen (SV). Die Auswurffraktion ist der Anteil des enddiastolischen Volumens, der bei jedem Schlag ausgeworfen wird, d. h. das Schlagvolumen (SV) geteilt durch das enddiastolische Volumen (EDV): ${\displaystyle }$ ⓘ

Wobei das Schlagvolumen durch gegeben ist: ${\displaystyle }$ ⓘ

EF ist von Natur aus ein relatives Maß - wie jeder Bruchteil, jedes Verhältnis oder jeder Prozentsatz -, während das Schlagvolumen, das enddiastolische Volumen oder das endsystolische Volumen absolute Maße sind. ⓘ

Geschichte

Nach William Harveys Beschreibung des grundlegenden Mechanismus des Kreislaufs im Jahr 1628 wurde zunächst angenommen, dass sich das Herz während der Systole vollständig entleert. Im Jahr 1856 stellten Chauveau und Faivre jedoch fest, dass nach der Kontraktion noch etwas Flüssigkeit im Herzen verblieb. Dies wurde 1888 von Roy und Adami bestätigt. 1906 schätzte Henderson das Verhältnis zwischen dem in der Systole abgegebenen Volumen und dem Gesamtvolumen der linken Herzkammer auf etwa 2/3. Gustav Nylin schlug 1933 vor, das Verhältnis von Herzvolumen/Hubvolumen (den Kehrwert der Auswurffraktion) als Maß für die Herzfunktion zu verwenden. 1952 verwendeten Bing und Kollegen eine geringfügige Abwandlung von Nylins Vorschlag (EDV/SV) zur Beurteilung der rechtsventrikulären Funktion unter Verwendung einer Farbstoffverdünnungstechnik. Wann genau das Verhältnis zwischen enddiastolischem Volumen und Schlagvolumen in seine heutige Form umgedreht wurde, ist unklar. Holt berechnete das Verhältnis SV/EDV und stellte fest, dass sich der Ventrikel "fraktioniert" entleert, wobei etwa 46 % des enddiastolischen Volumens bei jedem Schlaganfall ausgestoßen werden und 54 % am Ende der Systole im Ventrikel verbleiben. Folse und Braunwald verwendeten 1962 das Verhältnis von Vorwärtshubvolumen/EDV und stellten fest, dass "Schätzungen des Anteils des enddiastolischen Volumens des linken Ventrikels, der während jedes Herzzyklus in die Aorta ausgestoßen wird, sowie des enddiastolischen und des Restvolumens des Ventrikels Informationen liefern, die für eine hämodynamische Analyse der linksventrikulären Funktion von grundlegender Bedeutung sind". Elliott, Lane und Gorlin verwendeten den Begriff "Ejektionsfraktion" in einem im Januar 1964 veröffentlichten Konferenzbeitrag. 1965 verwendeten Bartle et al. den Begriff "ejected fraction" für das Verhältnis SV/EDV, und der Begriff "ejection fraction" wurde 1968 in zwei Übersichtsartikeln verwendet, was darauf hindeutet, dass er zu diesem Zeitpunkt weit verbreitet war. ⓘ

Referenzwerte

Die “2016 ESC Guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure” geben als Richtwerte an:

Ejektionsfraktion	Pumpfunktion ⓘ
> 50 %	normal
40 - 49 %	leichtgradig eingeschränkt
30 - 40 %	mittelgradig eingeschränkt
< 30 %	hochgradig eingeschränkt

Klinische Bedeutung

Eine reduzierte Ejektionsfraktion wird als objektivierbarer Parameter neben der klinischen Symptomatik zur Diagnostik der Herzinsuffizienz verwendet. Bei asymptomatischen Patienten definiert eine EF < 35–40 % das Vorliegen einer linksventrikulären Dysfunktion (NYHA I) und damit die Notwendigkeit einer medikamentösen Herzinsuffizienztherapie mit einem ACE-Hemmer. ⓘ

Bei gleichzeitig bestehender Erweiterung der Herzkammern (Dilatation) und Störung der Erregungsausbreitung (QRS > 120 ms) oder nach Myokardinfarkt ist bei EF < 35 % die Implantation eines CRT-Systems mit Defibrillatorfunktion indiziert. ⓘ

Eine verminderte Ejektionsfraktion gilt neben anderen Parametern wie klinischer Symptomatik und laborchemischen Markern als Indikator für eine schlechte Prognose bei Herzinsuffizienz. ⓘ