Kombinere volumetriske Capnography og Barometrisk Plethysmography å måle lunge struktur-funksjon forholdet
Summary
Her beskriver vi to mål av lunge funksjon-Barometrisk plethysmography, hvilke innrømmer måling av lunge volum, og volum capnography, et verktøy for å måle anatomiske døde plass og airways ensartethet. Disse teknikkene kan brukes uavhengig eller kombinert for å vurdere airways funksjonen på ulike lunge volumer.
Abstract
Verktøy for å måle lungene og luftveiene volum er avgjørende for lunge forskere interessert i å evaluere virkningen av sykdom eller romanen terapi på lungene. Barometrisk plethysmography er en klassisk teknikk å evaluere lungevolumet med en lang historie med klinisk bruk. Volumetrisk capnography benytter profilen til utåndet karbondioksid bestemme mengden gjennomfører luftveiene eller død plass, og gir en indeks over airways homogenitet. Disse teknikkene kan brukes uavhengig eller i kombinasjon for å evaluere avhengigheten av luftveiene volum og homogenitet lunge volum. Dette papiret gir detaljerte tekniske instruksjoner å gjenskape disse teknikkene og vår representant data viser at airways volumet og homogenitet er sterkt korrelert til lunge volum. Vi tilbyr også en makro for analyse av capnographic data, som kan endres eller tilpasses passer annerledes eksperimentell design. Fordelen med disse tiltakene er at sine fordeler og begrensninger støttes av tiår med eksperimentelle data, og de kan gjøres flere ganger i samme emne uten dyre bildebehandlingsutstyr eller teknisk avansert analysealgoritmer. Disse metodene kan være spesielt nyttig for etterforskere interesse for forstyrrelser som endre både den funksjonell restkapasitet av lungene og luftveiene.
Introduction
Gass bleke teknikker har blitt brukt i flere tiår for å gi viktig informasjon om struktur og ensartethet airway treet. Lungene er klassisk beskrevet som å ha to deler-en gjennomfører sone som består av anatomiske døde plass og respiratoriske sonen hvor gassutveksling oppstår i alveoli. Gjennomfører luftveiene er betegnet som “dead space” fordi de ikke deltar i utveksling av oksygen og karbondioksid. I enkelt pusten gass bleke metoden kan konsentrasjon profilen til en utåndet gass brukes til å finne volumet av anatomiske døde plass og utlede informasjon om ensartetheten ventilasjon. Noen metoder stole på pust av inert gasser å gjøre disse tiltakene (N2, argon, han SF6, etc.). Bruk av inert gass er veletablerte, støttet av vitenskapelige konsensus uttalelser1, og det er tilgjengelig kommersielt utstyr med brukervennlig grensesnitt. Imidlertid kan utåndet profilen av karbondioksid (CO2) brukes til å utlede lignende informasjon. Evaluere profilen av CO2 som en funksjon av utåndet volum eller volumetriske capnography, krever ikke deltakeren å puste spesielle gass blandinger og lar etterforskeren å samle ytterligere informasjon fleksibelt om stoffskifte og gass utveksle med minimal justering teknikken.
Under en kontrollert utpust, kan konsentrasjonen av CO2 tegnes mot utåndet totalvolumet. I begynnelsen av en utpust, er død rommet fylt med atmosfærisk gass. Dette gjenspeiles i fase I av utåndet CO2 profil der hvor det er en undetectable mengden CO2 (figur 1, topp). Fase II markerer overgangen til alveolar gassen, der gassutveksling oppstår og CO2 er rikelig. Volumet på midtpunktet i fase II er volumet av anatomiske døde plass (VD). Fase III inneholder alveolar gass. Fordi airways med forskjellige diametere tom på forskjellige rater, skråningen (S) av fase III gir informasjon om airways ensartethet. En brattere skråning på fase III antyder en mindre ensartet airway treet proksimale terminal bronchioles eller konveksjon-avhengige inhomogeneity2. I tilfelle der en forstyrrelsene kan endre CO2 produksjon, og foreta sammenligninger mellom individer kan skråningen deles av området under kurven normalisere for forskjeller i metabolismen (NS eller normalisert skråningen). Volumetrisk capnography har vært brukt tidligere å vurdere endringer i luftveiene volum og ensartethet følgende luft forurensende eksponering3,4,5,6.
Gasstransport i lungene er underlagt både konveksjon og spredning. Enkelt pusten bleke tiltak er svært avhengig av luftstrømmen målt verdien av VD skjer på konveksjon-diffusjon grensen. Endre infusjonshastigheten utpust eller foregående innånding endrer plasseringen av at grensen7. Capnography er også svært avhengig av volumet av lunge forut for manøveren. Større lunge volumer distend luftveiene, noe som resulterer i større verdier VD8. En løsning er å konsekvent gjør måling på samme lunge volum-vanligvis funksjonell restkapasitet (FRC). En alternativ, beskrevet her, er å par volumetriske capnography med Barometrisk plethysmography, for å få forholdet mellom VD og lunge volum. Deltakeren deretter utfører manøver til konstant flyt priser, mens varierende lungevolumet. Dette gjør fortsatt klassiske capnographic tiltak skal foretas FRC, men også forholdet mellom lungevolumet og dead space volum og mellom lungevolumet og homogenitet å være avledet. Faktisk kommer den ekstra verdien av capnography med plethysmography fra muligheten til å teste hypoteser om distensibility airways treet og struktur-funksjon forholdet av lunge. Dette kan være et verdifullt verktøy for etterforskerne å kvantifisere påvirkning av luftveiene mekanikk versus lunge samsvar og elastance lunge-funksjonen i friske og syke bestander9,10,11 . Videre regnskap for absolutt lungevolumet som volumetriske capnographic målingene blir utført gir etterforskerne å karakterisere effekten av forhold som kan endre inflasjon tilstanden til lungene, som fedme, lunge transplantasjon eller intervensjoner som brystet veggen strapping. Volumetrisk capnography kan til slutt ha klinisk nytte i intensivavdelinger innstillingen12,13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her tilbys en protokoll for måling av VD og airways homogenitet (stigningstallet). Disse målingene kan gjøres på FRC, eller som en funksjon av lunge volum. Måle FRC før begynnelsen av eksperimentet, og etter en forstyrrelsene tillater VD og skråningen skal tegnes som en funksjon av lungevolumet og kan gi nyttig informasjon om strukturen-funksjon forholdet av lunge som ikke er Hentet fra capnography på FRC alene.
Airways volum og høy oppløsning strukturen kan få…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble finansiert av avdelinger for helse og menneskelige fysiologi og indremedisin ved University of Iowa. Dette arbeidet ble også støttet av gamle gull fellesskap (Bates) og Grant IRG-15-176-40 fra American Cancer Society, administrert gjennom The Holden omfattende Cancer Center på The 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).
