Combina la capnografía volumétrica y la pletismografía barométrica para medir la relación estructura-función de pulmón
Summary
Aquí, Describimos dos medidas de función pulmonar – pletismografía barométrica, que permite la medición de la capacidad pulmonar y capnografía volumétrica, una herramienta para medir el espacio muerto anatómico y la uniformidad de las vías respiratorias. Estas técnicas pueden utilizarse independientemente o en combinación para evaluar la función de las vías respiratorias en volúmenes pulmonares diferentes.
Abstract
Herramientas para medir el volumen pulmonar y las vías respiratorias son críticos para pulmonares investigadores interesados en evaluar el impacto de las terapias de la enfermedad o la novela en el pulmón. Barométrica es una técnica clásica para evaluar el volumen pulmonar con un largo historial de uso clínico. Capnografía volumétrica utiliza el perfil de dióxido de carbono exhalado para determinar el volumen de las vías aéreas de conducción o espacio muerto y proporciona un índice de homogeneidad de las vías respiratorias. Estas técnicas pueden utilizarse independientemente o en combinación para evaluar la dependencia del volumen de las vías respiratorias y la homogeneidad de capacidad pulmonar. Este artículo proporciona instrucciones detalladas técnicas para replicar estas técnicas y nuestros datos representativos demuestran que el volumen de las vías respiratorias y homogeneidad están altamente correlacionados a la capacidad pulmonar. También proporcionamos una macro para el análisis de los datos de capnographic, que pueden ser modificados o adaptados para caber diversos diseños experimentales. La ventaja de estas medidas es que sus ventajas y limitaciones son compatibles con décadas de datos experimentales, y pueden hacerse varias veces en el mismo tema sin costosos aparatos de proyección de imagen o algoritmos de análisis avanzado técnicamente. Estos métodos pueden ser particularmente útiles para los investigadores interesados en perturbaciones que cambian tanto la capacidad residual funcional del volumen del pulmón y vías respiratorias.
Introduction
Técnicas de lavado de gas se han utilizado durante décadas para proporcionar información importante sobre la estructura y la uniformidad del árbol de la vía aérea. El pulmón es clásicamente descrito como teniendo dos compartimentos – una zona conductora que está conformada por el espacio muerto anatómico y la zona respiratoria, donde se produce intercambio gaseoso en los alvéolos. Las vías aéreas conductoras se llaman como “dead space” porque no participan en el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono. En el método de lavado de gas de respiración única, el perfil de concentración de un gas espirado puede utilizarse para determinar el volumen del espacio muerto anatómico y obtener información sobre la uniformidad de la ventilación. Algunos métodos se basan en la respiración de gases inertes para hacer estas medidas (N2, argón, él, SF6, etc.). El uso de gas inerte está bien establecido, apoyado por declaraciones de consenso científico1, y hay equipo comercial disponible con interfaces de usuario amigables. Sin embargo, el perfil exhalado de dióxido de carbono (CO2) puede utilizarse para obtener información similar. Evaluar el perfil de CO2 en función del volumen espirado, o capnografía volumétrica, no requiere el participante respirar mezclas de gases especiales y permite que el investigador recabar información adicional flexible sobre metabolismo y gas intercambio con ajuste mínimo de la técnica.
Durante una exhalación controlada, la concentración de CO2 puede trazar contra el volumen espirado. Al principio de una exhalación, el espacio muerto se llena de gas atmosférico. Esto se refleja en la fase I del CO espirado2 perfil donde hay una cantidad indetectable de CO2 (figura 1, arriba). Fase II marca la transición hacia el gas alveolar, donde se produce el intercambio de gases y CO2 es abundante. El volumen en el punto medio de la fase II es el volumen del espacio muerto anatómico (VD). Fase III contiene gas alveolar. Porque airways con diferentes diámetros de vacíos a diferentes velocidades, la pendiente (S) de fase III proporciona información sobre la uniformidad de las vías respiratorias. Una pendiente más pronunciada de la fase III sugiere menos árbol uniforme en las vías respiratorias proximal a los bronquiolos terminales o inhomogeneidad dependiente de la convección2. En el caso donde una perturbación puede cambiar la tasa de producción de CO2 y para hacer comparaciones entre individuos, la pendiente se puede dividir por el área bajo la curva para normalizar las diferencias en el metabolismo (NS o pendiente normalizado). Capnografía volumétrica se ha utilizado anteriormente para evaluar los cambios en el volumen de las vías respiratorias y siguiente uniformidad aire agente contaminador exposición3,4,5,6.
Transporte de gas en el pulmón se rige por convección y difusión. Medidas de aliento solo lavado depende en gran medida de flujo de aire y el valor medido de VD ocurre en el límite de convección difusión. Cambiar la velocidad de flujo de exhalación o inhalación anterior cambia la ubicación de ese límite7. También es altamente dependiente en el volumen del pulmón inmediatamente anterior a la maniobra de capnografía. Grandes volúmenes pulmonares dilatan las vías respiratorias, lo que resulta en valores más grandes de VD8. Una solución es siempre realizar la medición en el mismo volumen de pulmón – capacidad generalmente funcional residual (FRC). Una alternativa, descrito aquí, es pareja de capnografía volumétrica con pletismografía barométrica, para obtener la relación entre VD y capacidad pulmonar. El participante realiza la maniobra a velocidades de flujo constante, mientras varía el volumen del pulmón. Esto todavía permite para medidas capnographic clásico en FRC, sino también para la relación entre la capacidad pulmonar y el volumen del espacio muerto y el volumen pulmonar y la homogeneidad se derivan. De hecho, el valor añadido de acoplamiento capnografía con pletismografía proviene de la capacidad para probar las hipótesis acerca de la distensibilidad del árbol de las vías respiratorias y la relación estructura y función del pulmón. Esto puede ser una herramienta valiosa para los investigadores con el objetivo de cuantificar la influencia de las vías respiratorias mecánica versus pulmón cumplimiento y elastancia sobre la función pulmonar en poblaciones sanas y enfermas,9,10,11 . Además, contabilidad para el volumen de pulmón absoluta en que se realizan las mediciones volumétricas capnographic permite a los investigadores caracterizar los efectos de las condiciones que pueden alterar el estado de la inflación del pulmón, como la obesidad, pulmón trasplante, o intervenciones como fleje de la pared de pecho. Capnografía volumétrica en última instancia puede tener utilidad clínica en el cuidado intensivo ajuste12,13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aquí, se proporciona un protocolo para la medición de homogeneidadD y vías aéreas de V (pendiente). Estas mediciones pueden hacerse en FRC, o en función de la capacidad pulmonar. Medir la FRC antes del inicio del experimento y después de una perturbación permite VD y pendiente a ser trazado en función de la capacidad pulmonar y puede proporcionar información útil acerca de la relación estructura y función del pulmón que no se obtiene de capnografía en FRC solo.
<p class="jove_conte…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue financiado por los departamentos de salud y fisiología humana y medicina interna en la Universidad de Iowa. Este trabajo fue apoyado también por el compañerismo de oro viejo (Bates) y Grant IRG-15-176-40 de la American Cancer Society, administrado por el centro de cáncer integral de Holden en la Universidad de Iowa (Bates)
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 |
Riferimenti
- 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).
