שילוב Capnography נפח Plethysmography הברומטרי כדי למדוד את מערכת היחסים מבנה-פונקציית ריאות
Summary
כאן, אנו מתארים שני מדדי תפקודי ריאות – plethysmography הברומטרי, המאפשר מדידת נפח הריאות, capnography נפח, כלי למדידת שטח מת אנטומי ואחידות איירווייז. טכניקות אלה עשויים להשתמש בו באופן עצמאי או בשילוב כדי להעריך את הפונקציה איירווייז בעוצמות שונות ריאות.
Abstract
כלים למדידת נפח ריאות, דרכי הנשימה הם קריטיים עבור ריאתי מהחוקרים המעוניינים להעריך את ההשפעה של טיפולים למחלה או רומן על הריאות. Plethysmography ברומטרי הוא טכניקה קלאסית כדי להעריך את נפח הריאות עם היסטוריה ארוכה של שימוש קליני. Capnography הנפחי מנצל את הפרופיל של פחמן דו חמצני בריכוז כדי לקבוע את עוצמת הקול של דרכי הנשימה ניצוח, או שטח מת, ומספק אינדקס של הומוגניות איירווייז. טכניקות אלה עשוי לשמש באופן עצמאי, או בשילוב כדי להעריך את התלות של הומוגניות ונפח איירווייז נפח הריאות. מאמר זה מספק הוראות טכניות מפורטות כדי לשכפל את הטכניקות הללו, הנתונים הנציגה שלנו מדגים נפח הנשימה ואת ההומוגניות בקורלציה גבוהה לנפח הריאה. אנו מספקים גם מאקרו עבור הניתוח של נתונים capnographic, אשר ניתן לשינוי או הותאם כדי להתאים עיצובים מוטוריים שונים. היתרון של אמצעים אלה היא כי המגבלות והיתרונות שלהן נתמכים על ידי עשרות שנים של נתוני הניסוי, הם יכולים להתבצע שוב ושוב את הנושא אותו ללא ציוד הדמיה יקר או טכנית ניתוח מתקדמים באלגוריתמים. שיטות אלה עשוי להיות שימושי במיוחד עבור החוקרים מעוניינים לפליטת לשנות שני פונקציונלי שיורית הקיבולת של אמצעי האחסון ריאות, דרכי הנשימה.
Introduction
גז שטיפה טכניקות שימשו במשך עשרות שנים כדי לספק מידע חשוב על מבנה ועל אחידות של העץ דרכי הנשימה. הריאה מתואר בסגנון קלאסי בעל שני תאים – אזור ניצוח מורכב של שטח מת אנטומי אזור הנשימה שבו חילוף הגזים מתרחשת ב alveoli. דרכי הנשימה ניצוח מכונים בשם “שטח מת” כי הם לא השתתפו החליפין של חמצן, פחמן דו-חמצני. בשיטה שטיפה גז נשימה יחיד, לפרופיל ריכוז של גז בריכוז יכול לשמש כדי לקבוע את עוצמת הקול של המרחב מת אנטומי וכדי להפיק מידע על האחידות של אוורור. כמה שיטות להסתמך על הנשימה של גזים אצילים לעשות צעדים אלה (N2, ארגון, הוא, SF6, וכו ‘). השימוש של גז אינרטי הוא ומבוססת, נתמך על ידי ההצהרות קונצנזוס מדעי1, ויש ציוד מסחרי זמין עם ממשקים ידידותיים למשתמש. עם זאת, הפרופיל בריכוז של פחמן דו-חמצני (CO2) ניתן להפיק מידע דומה. הערכת לפרופיל של CO2 כפונקציה של נפח בריכוז או נפחי capnography, אינו מחייב את המשתתף לנשום תערובות גז מיוחד ומאפשר החוקר לאסוף מידע נוסף בגמישות על חילוף החומרים, גז חילופי עם התאמה מינימלית הטכניקה.
המתרכז מבוקרת, ניתן להתוות את ריכוז CO2 נגד האחסון בריכוז מוחלט. בתחילתו של התנדפות, שטח מת מלא גז באטמוספירה. זה משתקף בשלב מלך ה-CO בריכוז2 פרופיל שבו יש כמות לא לגילוי CO2 (איור 1, העליון). שלב II מסמן את המעבר לגז מכתשי, כאשר מתרחש חילוף הגזים ו- CO2 הוא שופע. אמצעי האחסון אל נקודת האמצע של השלב השני נמצא עוצמת הקול של שטח מת אנטומי (VD). השלב השלישי מכיל מכתשי גז. כי דרכי הנשימה עם קטרים שונים ריק בקצב שונה, השיפוע (S) של שלב III מספק מידע אודות דרכי הנשימה אחידות. מדרון תלול של שלב III מרמז פחות אחיד דרכי הנשימה עץ proximal bronchioles מסוף או תלויי-הסעת חום inhomogeneity2. במקרה שבו ההפרעות עלול לשנות את קצב ייצור2 CO, וכדי לערוך השוואות בין אנשים, ניתן לחלק את השיפוע על-ידי האזור תחת עקומת לנרמל את ההבדלים בחילוף החומרים (NS או מדרון מנורמל). Capnography הנפחי שימש בעבר להעריך את השינויים בהיקף איירווייז, אחידות הבאים אוויר מזהם חשיפה3,4,5,6.
גז התחבורה בריאה מנוהל על ידי הסעה והן דיפוזיה. אמצעי שטיפה נשימה יחיד הם תלויים במידה רבה זרימת אוויר ומתרחשת הערך שנמדד של VD -הגבול דיפוזיה הסעת חום. שינוי קצב הזרימה של נשיפה או שאיפת הקודם משנה את מיקומו של הגבול הזה7. Capnography הוא גם תלויים במידה רבה עוצמת הקול של הריאה מיד לפני את התמרון. אחסון ריאות גדולים יותר distend את דרכי הנשימה, וכתוצאה מכך ערכים גדולים יותר של Vד8. פתרון אחד הוא לעשות באופן עקבי את המדידה בעוצמה ריאות זהה – קיבולת תפקודית בדרך כלל שיורית (FRC). אלטרנטיבי, שתואר כאן, היא כמה נפח capnography עם plethysmography הברומטרי, על מנת לקבל את היחסים בין VD נפח הריאות. המשתתף ואז את התמרון במחירים זרימה מתמדת, בזמן מבצע משתנה את נפח הריאות. זה עדיין מאפשר אמצעים capnographic קלאסי שנעשית FRC, אלא גם עבור קשר הגומלין בין נפח הריאות נפח שטח מת ובין נפח הריאות לבין הומוגניות יש לגזור. אכן, הערך המוסף של צימוד capnography עם plethysmography באה היכולת לבדוק השערות על distensibility של העץ איירווייז והקשר מבנה פונקציה של הריאה. זה יכול להיות כלי רב ערך עבור חוקרים במטרה לכמת את ההשפעה של מכניקה איירווייז לעומת ריאות היענות לדרישות הרשויות והצלחה elastance על תפקוד ריאתי אוכלוסיות בריאים וחולים9,10,11 . יתר על כן, הנהלת חשבונות עבור נפח הריאות המוחלט שבו מבוצעות המדידות capnographic הנפחי מאפשר חוקרים כדי לאפיין את ההשפעות של תנאי זה יכול לשנות את המדינה אינפלציה של הריאות, כגון השמנה, ריאות ההשתלה, או התערבויות כמו החזה הקיר חסונים. Capnography הנפחי עשוי בסופו של דבר יש תועלת קלינית נמרץ הגדרה12,13.
Protocol
Representative Results
Discussion
. הנה, פרוטוקול לשקילת VD ואיירווייז הומוגניות (שיפוע) מסופק. מדידות אלה יכולים להתבצע FRC, או כפונקציה של נפח הריאות. מדידת FRC לפני תחילת הניסוי, אחרי ההפרעות מאפשר VD ו- slope להתוויה כפונקציה של נפח הריאות, עשוי לספק מידע שימושי על מערכת היחסים מבנה פונקציה של הריאות. זה לא מתקבל capnograp…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומן על ידי המחלקות לבריאות, פיזיולוגיה אנושית לרפואה פנימית באוניברסיטת איווה. עבודה זו נתמכה גם על ידי זהב העתיקה אחווה (בייטס) גרנט IRG-15-176-40 של האגודה האמריקנית לסרטן, מנוהל דרך הולדן מקיף במרכז לחקר הסרטן-אוניברסיטת איווה (בייטס)
Materials
| Computer with dual monitor | Dell Instruments | ||
| PowerLab 8/35* | AD Instruments | PL3508 | |
| LabChart Data Acquisition Software* | AD Instruments | Version 8 | |
| Gemini Respiratory Gas Analyzer* (upgraded option) | CWE, Inc | GEMINI 14-10000 | *indicates that part is available in the Exercise Physiology package from AD Instruments |
| Heated Pneumotach with Heater Controller* (upgraded option) | Hans Rudolph, Inc | MLT3813H-V | |
| 3L Calibration Syringe | Vitalograph | 36020 | |
| Nose Clip* | VacuMed | Snuffer 1008 | |
| Pulse Transducer* | AD Instruments | TN1012/ST | |
| Barometer | Fischer Scientific | 15-078-198 | |
| Flanged Mouthpiece* | AD Instruments | MLA1026 | |
| Nafion drying tube with three-way stopcock* | AD Instruments | MLA0343 | |
| Desiccant cartridge (optional for humid environments)* | AD Instruments | MLA6024 | |
| Resistor | Hans Rudolph, Inc | 7100 R5 | |
| Flow head adapters* | AD Instruments | MLA1081 | |
| Modified Tubing Adapter (optional) | AD Instruments | SP0145 | |
| Two way non-rebreather valve (optional)* | AD Instruments | SP0146 | |
| Plethysmograph | Vyaire | V62J | |
| High Purity Helium Gas | Praxair | He 4.8 | |
| 6% CO2 and 16% O2 Calibration Gas | Praxair | Custom | |
| Microsoft Excel | Microsoft | Office 365 |
References
- Robinson, P. D., et al. Consensus statement for inert gas washout measurement using multiple- and single- breath tests. European Respiratory Journal. 41 (3), 507-522 (2013).
- Verbanck, S., Paiva, M. Gas mixing in the airways and airspaces. Comprehensive Physiology. 1 (2), 809-834 (2011).
- Bates, M. L., et al. Pulmonary function responses to ozone in smokers with a limited smoking history. Toxicology and Applied Pharmacology. 278 (1), 85-90 (2014).
- Bates, M. L., Brenza, T. M., Ben-Jebria, A., Bascom, R., Ultman, J. S. Longitudinal distribution of ozone absorption in the lung: comparison of cigarette smokers and nonsmokers. Toxicology and Applied Pharmacology. 236 (3), 270-275 (2009).
- Reeser, W. H., et al. Uptake of ozone in human lungs and its relationship to local physiological response. Inhalation Toxicology. 17 (13), 699-707 (2005).
- Taylor, A. B., Lee, G. M., Nellore, K., Ben-Jebria, A., Ultman, J. S. Changes in the carbon dioxide expirogram in response to ozone exposure. Toxicology and Applied Pharmacology. 213 (1), 1-9 (2006).
- Baker, L. G., Ultman, J. S., Rhoades, R. A. Simultaneous gas flow and diffusion in a symmetric airway system: a mathematical model. Respiration Physiology. 21 (1), 119-138 (1974).
- Fowler, W. S. Lung Function Studies. II. The Respiratory Dead Space. American Journal of Physiology-Legacy Content. 154 (3), 405-416 (1948).
- Eberlein, M., et al. Supranormal Expiratory Airflow after Bilateral Lung Transplantation Is Associated with Improved Survival. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 183 (1), 79-87 (2011).
- Eberlein, M., Schmidt, G. A., Brower, R. G. Chest wall strapping. An old physiology experiment with new relevance to small airways diseases. Annals of the American Thoracic Society. 11 (8), 1258-1266 (2014).
- Taher, H., et al. Chest wall strapping increases expiratory airflow and detectable airway segments in computer tomographic scans of normal and obstructed lungs. Journal of Applied Physiology. , (2017).
- Verscheure, S., Massion, P. B., Verschuren, F., Damas, P., Magder, S. Volumetric capnography: lessons from the past and current clinical applications. Critical Care. 20 (1), 184 (2016).
- Suarez-Sipmann, F., Bohm, S. H., Tusman, G. Volumetric capnography: the time has come. Current Opinion in Critical Care. 20 (3), 333-339 (2014).
- Wanger, J., et al. Standardisation of the measurement of lung volumes. European Respiratory Journal. 26 (3), 511-522 (2005).
- Culver, B. H., et al. Recommendations for a Standardized Pulmonary Function Report. An Official American Thoracic Society Technical Statement. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 196 (11), 1463-1472 (2017).
- Goldman, H. I., Becklake, M. R. Respiratory function tests; normal values at median altitudes and the prediction of normal results. Am Rev Tuberc. 79 (4), 457-467 (1959).
- Shim, S. S., et al. Lumen area change (Delta Lumen) between inspiratory and expiratory multidetector computed tomography as a measure of severe outcomes in asthmatic patients. J The Journal of Allergy and Clinical. , (2018).
- Smith, B. M., et al. Human airway branch variation and chronic obstructive pulmonary disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (5), E974-E981 (2018).
- Farmery, A. D. Volumetric Capnography and Lung Growth in Children – a Simple-Model Validated. Anesthesiology. 83 (6), 1377-1379 (1995).
- Scherer, P. W., Neufeld, G. R., Aukburg, S. J., Hess, G. D. Measurement of Effective Peripheral Bronchial Cross-Section from Single-Breath Gas Washout. Journal of Biomechanical Engineering-Transactions of the Asme. 105 (3), 290-293 (1983).
- Sinha, P., Soni, N. Comparison of volumetric capnography and mixed expired gas methods to calculate physiological dead space in mechanically ventilated ICU patients. Intensive Care Medicine. 38 (10), 1712-1717 (2012).
- Bourgoin, P., et al. Assessment of Bohr and Enghoff Dead Space Equations in Mechanically Ventilated Children. Respiratory Care. 62 (4), 468-474 (2017).
