Combineren volumetrische Capnography en barometrische Plethysmography voor het meten van de Long structuur-functie relatie
Summary
Hier beschrijven we twee maatregelen van pulmonaire functie – barometrische plethysmography, waarmee de meting van het volume van de longen, en volumetrische capnography, een instrument voor het meten van de anatomische dode ruimte en de eenvormigheid van de luchtwegen. Deze technieken kunnen worden afzonderlijk gebruikt of gecombineerd om te beoordelen airways functie bij verschillende Long volumes.
Abstract
Hulpprogramma’s voor het meten van Long- en luchtwegen volume staan kritisch tegenover voor pulmonaire onderzoekers ook geïnteresseerd in de evaluatie van de gevolgen van ziekte of nieuwe therapieën op de longen. Barometrische plethysmography is een klassieke techniek te evalueren van het volume van de longen met een lange geschiedenis van klinisch gebruik. Volumetrische capnography maakt gebruik van het profiel van de uitgeademde kooldioxide te bepalen van de omvang van de dirigent luchtwegen of dode ruimte, en biedt een index van airways homogeniteit. Deze technieken kunnen zelfstandig of in combinatie worden gebruikt om te evalueren van de afhankelijkheid van airways volume en homogeniteit op longkanker volume. Dit document biedt gedetailleerde technische instructies voor het repliceren van deze technieken en onze representatieve gegevens blijkt dat het volume van de luchtwegen en homogeniteit zijn sterk gecorreleerd aan longkanker volume. We bieden ook een macro voor de analyse van gegevens van de capnographic, die kunnen worden gewijzigd of aangepast aanpassen aan verschillende experimentele designs. Het voordeel van deze maatregelen is dat hun voordelen en beperkingen worden ondersteund door tientallen jaren van experimentele gegevens, en ze herhaaldelijk in hetzelfde onderwerp zonder dure beeldvormende apparatuur of technisch geavanceerde analyse algoritmen kunnen worden gemaakt. Deze methoden kunnen met name nuttig zijn voor onderzoekers ook geïnteresseerd in de verstoringen die zowel de functionele residuele capaciteit van de Long- en luchtwegen volume veranderen.
Introduction
Gas wassen technieken zijn gebruikt voor decennia te leveren belangrijke informatie over de structuur en de eenvormigheid van de boom van de luchtwegen. De Long is klassiek beschreven als zijnde twee compartimenten – een geleidende zone die bestaat uit de anatomische dode ruimte en de respiratoire zone waar Gaswisseling in de longblaasjes voorkomt. De geleidende luchtwegen worden genoemd als “dead space”, omdat ze niet aan de uitwisseling van zuurstof en koolstofdioxide deelnemen. In één adem gas wassen voorinstallatiemethode, kan het profiel van de concentratie van een uitgeademde gas worden gebruikt om te bepalen van de omvang van de anatomische dode ruimte en voor het afleiden van de informatie over de uniformiteit van ventilatie. Sommige methoden afhankelijk is van het ademen van inerte gassen te maken van deze maatregelen (N-2, argon, hij, SF6, enz.). Het gebruik van inert gas is reeds lang gevestigde, ondersteund door1van de verklaringen van wetenschappelijke consensus, en er zijn beschikbare commerciële apparatuur met gebruiksvriendelijke interfaces. Echter kan de uitgeademde Profiel van kooldioxide (CO2) worden gebruikt voor het afleiden van soortgelijke informatie. Evaluatie van het profiel van CO2 als een functie van de uitgeademde volume of volumetrische capnography, vereist geen de deelnemer om te ademen speciale gasmengsels en kunt de onderzoeker om extra informatie flexibel over het metabolisme en gas te verzamelen uitwisselen met minimale aanpassing aan de techniek.
Tijdens een gecontroleerde uitademing, kan de concentratie van CO2 worden afgeplot tegen de uitgeademde totaalvolume. Aan het begin van een uitademing, is de dode ruimte gevuld met atmosferische gas. Dit komt tot uiting in fase I van de uitgeademde CO2 profile waar er is een niet detecteerbaar hoeveelheid CO2 (Figuur 1, bovenaan). Fase II markeert de overgang naar de alveolaire gas, waar de gasuitwisseling plaatsvindt en CO2 is overvloedig. Het volume op het middelpunt van fase II is het volume van de anatomische dode ruimte (VD). Fase III bevat alveolaire gas. Omdat airways met verschillende diameters leeg tegen verschillende tarieven, de helling (S) van fase III informatie over airways uniformiteit bevat. Een steilere helling van fase III suggereert een minder uniforme airway boom proximale naar terminal bronchioli of convectie-afhankelijke heterogeniteit2. In het geval waar een verstoring kan veranderen het rentepercentage van CO2 productie, alsmede om vergelijkingen tussen individuen te maken, kan de helling worden onderverdeeld door het oppervlak onder de kromme te normaliseren voor verschillen in de stofwisseling (NS- of genormaliseerde helling). Volumetrische capnography nog eerder is gebruikt voor de evaluatie van de veranderingen in airways volume en uniformiteit volgende lucht verontreinigende stof blootstelling3,4,5,6.
Gastransport in de longen wordt beheerst door zowel convectie en verspreiding. Maatregelen in één adem wassen zijn sterk afhankelijk van de luchtstroom en de gemeten waarde van VD optreedt bij de grens van convectie-diffusie. Het debiet van de uitademing of voorgaande inademing wijzigt, wordt de locatie van die grens7. Capnography is ook sterk afhankelijk van het volume van de longen die onmiddellijk voorafgaat aan de manoeuvre. Grotere volumes van de Long opzwellen de luchtwegen, wat resulteert in grotere waarden van VD8. Een oplossing is om consequent de meting op hetzelfde Long volume – meestal functionele residuele capaciteit (FRC). Een alternatieve, beschreven hier, is het paar volumetrische capnography met barometrische plethysmography, met het oog op de relatie tussen VD en het volume van de longen. De deelnemer voert vervolgens de manoeuvre bij constant debiet, terwijl variërend van het volume van de longen. Hierdoor kan nog steeds voor klassieke capnographic maatregelen op FRC, maar ook voor de relatie tussen het volume van de longen en de dode ruimte volume en het volume van de longen en de homogeniteit te worden afgeleid. Inderdaad, de toegevoegde waarde van de koppeling van capnography aan plethysmography komt uit de mogelijkheid om te testen van de hypothesen over de distensibility van de boom van de luchtwegen en de structuur-functie relatie van de longen. Dit kan zijn een waardevol instrument voor onderzoekers gericht op het kwantificeren van de invloed van airways mechanica versus de naleving van de Long en elastance pulmonale-functie in gezonde en zieke populaties9,10,11 . Bovendien, boekhouding voor het volume van de absolute Long waartegen de volumetrische capnographic metingen worden uitgevoerd onderzoekers kunt te karakteriseren van de effecten van voorwaarden die de status van de inflatie van de longen, zoals obesitas veranderen kunnen, Long transplantatie of interventies zoals borst muur vastbindt. Volumetrische capnography wellicht uiteindelijk klinisch nut in de intensieve zorg instelling12,13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier vindt u een protocol voor het meten van VD en airways homogeniteit (helling). Deze metingen kunnen worden verricht op FRC, of als een functie van longkanker volume. FRC te meten vóór het begin van het experiment en nadat een verstoring kan worden uitgezet als functie van longkanker volume VD en helling en kan nuttige informatie over de structuur-functie relatie van de longkanker die niet is verkregen capnography op FRC alleen.
Airways volume en structuur met een ho…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door de afdelingen van de gezondheid en de menselijke fysiologie en de interne geneeskunde aan de Universiteit van Iowa. Dit werk werd ook ondersteund door de oude goud Fellowship (Bates) en Grant IRG-15-176-40 van de American Cancer Society, beheerd door The Holden uitgebreide Cancer Center aan de University of 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 |
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).
