Kombinera volymetrisk Capnography och barometrisk pletysmografi för att mäta förhållandet Lung struktur och funktion
Summary
Här beskriver vi två åtgärder av lungfunktion – barometrisk pletysmografi, som tillåter mätning av lungvolym, och volymetrisk capnography, ett verktyg för att mäta anatomiska dödvolymen och luftvägarna enhetlighet. Dessa tekniker kan användas självständigt eller tillsammans för att bedöma airways funktion vid olika lung volymer.
Abstract
Verktyg för att mäta lungor och luftvägar volym är kritiska för pulmonell forskares utvärdering av sjukdom eller roman terapier på lungan. Barometer pletysmografi är en klassisk teknik för att utvärdera lungvolymen med en lång historia av klinisk användning. Volymetrisk capnography använder tredjeparts profilen av utandad koldioxid att bestämma volymen av ledande luftvägarna, eller dead space, och ger ett index av luftvägarna homogenitet. Dessa tekniker kan användas självständigt eller i kombination för att utvärdera beroendet av luftvägarna volym och homogenitet på lungvolym. Detta dokument innehåller detaljerade tekniska instruktioner att replikera dessa tekniker och vår representativa uppgifter visar att luftvägarna volym och homogenitet är starkt korrelerad till lungvolym. Vi ger också ett makro för analys av capnographic data, som kan ändras eller anpassas för att passa olika experimentella designer. Fördelen med dessa åtgärder är att deras fördelar och begränsningar som stöds av årtionden av experimentella data, och de kan göras flera gånger i samma ämne utan dyra bildgivande utrustning eller tekniskt avancerad analys algoritmer. Dessa metoder kan vara särskilt användbart för utredarna intresserade av störningar som ändrar både den funktionell residualkapacitet av lungorna och luftvägarna.
Introduction
Gas blekt tekniker har använts i årtionden för att tillhandahålla viktig information om struktur och enhetlighet i trädet luftvägarna. Lungan är klassiskt beskrivs som att ha två avdelningar – en ledande zon som består av den anatomiska dödvolymen och respiratoriska zonen där gasutbytet sker i alveolerna. Bedriver luftvägarna kallas som ”dead space” eftersom de inte deltar i utbytet av syre och koldioxid. I metoden enda andetag gas blekt kan koncentration profilen av en utandningsgasen användas att bestämma volymen av den anatomiska dödvolymen och att härleda information om likformigheten av ventilation. Vissa metoder är beroende av andningen av Inerta gaser att göra dessa åtgärder (N2, argon, han, SF6, etc.). Användning av inert gas är väletablerade, stöds av vetenskaplig konsensus uttalanden1, och det finns tillgänglig kommersiell utrustning med användarvänligt gränssnitt. Utandad profilen av koldioxid (CO2) kan dock användas för att härleda liknande information. Utvärdera profilen av CO2 som en funktion av utandad volym eller volymetrisk capnography, kräver inte deltagaren att andas speciella gasblandningar och tillåter utredaren att samla ytterligare information flexibelt om metabolism och gas utbyte med minimal justering till tekniken.
Under en kontrollerad utandning, kan koncentrationen av CO2 plottas mot den totala utandad volymen. I början av en utandning, är döda utrymmet fyllt med atmosfärisk gas. Detta återspeglas i fas I av den utandade CO2 profil där det finns en omätbara mängd CO2 (figur 1, överst). Fas II markerar övergången till alveolära gasen, där gasutbyte sker och CO2 är riklig. Volymen vid mittpunkten av Fasii är volymen av den anatomiska dödvolymen (VD). Fas III innehåller alveolär gas. Eftersom luftvägarna med olika diametrar tom i olika takt, lutning (S) FASIII ger information om airways enhetlighet. En brantare lutning på FASIII föreslår en mindre enhetlig luftvägarna träd proximala till terminalen bronkioler eller konvektion-beroende inhomogenitet2. I fall där en störning kan ändra antalet CO2 -produktion, och att göra jämförelser mellan individer, kan lutningen delas av arean under kurvan att normalisera för skillnader i metabolism (NS- eller normaliserade lutning). Volymetrisk capnography har använts tidigare att utvärdera förändringar i luftvägarna volym och enhetlighet följande luft förorening exponering3,4,5,6.
Gastransporter i lungan styrs av både konvektion och diffusion. Enda breath washout åtgärder är starkt beroende av luftflöde och det uppmätta värdet på VD uppstår vid konvektion-diffusion gränsen. Om du ändrar flödet av utandning eller föregående inandning ändras platsen för att gränsen7. Capnography är också starkt beroende av volymen av lungan föregår manövern. Större lung volymer distend luftvägarna, vilket resulterar i större värden av VD8. En lösning är att konsekvent göra mätningen på samma lunga volym – oftast funktionell residualkapacitet (FRC). En alternativ, beskrivs här, är att par volymetrisk capnography med barometrisk pletysmografi, för att få förhållandet mellan VD och lungvolym. Deltagaren utför sedan manövern vid konstanta flöden, medan varierande lungvolymen. Detta tillåter fortfarande för klassiska capnographic åtgärder göras på FRC, men också för förhållandet mellan lungvolym och dödvolymen volym och mellan lungvolym och homogenitet skall härledas. Mervärdet av koppling capnography med pletysmografi kommer faktiskt från möjligheten att testa hypoteser om distensibility av trädet airways och struktur och funktion förhållandet av lungan. Detta kan vara ett värdefullt verktyg för utredare som syftar till att kvantifiera påverkan av luftvägarna mekanik kontra lung efterlevnads- och elastans på lungfunktion i friska och sjuka populationer9,10,11 . Dessutom svarar för den absoluta lungvolym som volymetrisk capnographic mätningarna utförs kan utredarna att karakterisera effekterna av villkor som kan förändra tillståndet inflationen i lungan, såsom fetma, lung transplantation eller interventioner som bröstet vägg bandning. Volymetrisk capnography kan slutligen ha klinisk nytta i intensivvård inställning12,13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Här finns ett protokoll för mätning av VD och airways homogenitet (lutning). Dessa mätningar kan göras på FRC, eller som en funktion av lungvolym. Mäta FRC före start av experiment och efter en störning gör VD och lutning för att ritas som en funktion av lungvolym och kan ge värdefull information om relationen struktur och funktion av lungan som inte erhålls från capnography på FRC ensam.
Airways volym och högupplösta struktur kan erhållas från beräkna…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete finansierades av avdelningar för hälsa och människans fysiologi och internmedicin vid University of Iowa. Detta arbete var också stöds av Old Gold Fellowship (Bates) och Grant IRG-15-176-40 från American Cancer Society, administreras via The Holden omfattande Cancer Center vid 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).
