Summary
このプロトコルは、運動中の一酸化炭素(DL、CO)および一酸化窒素(DL、NO)への拡散能力の複合単呼吸測定によって測定される肺胞毛細管予備能を評価する方法を提示します。エクササイズ中にこのテクニックを使用するための仮定と推奨事項が、この記事の基礎を形成します。
Abstract
一酸化炭素(DL、CO)と一酸化窒素(DL、NO)の拡散能力の複合単回呼吸測定は、健康な集団と患者集団の両方で肺胞毛細血管予備能を測定するための有用な手法です。測定値は、肺毛細血管を動員して拡張する参加者の能力の推定値を提供します。この方法は最近、軽度から中程度の強度の運動中に健康なボランティアで高いテスト再テストの信頼性を示すことが報告されています。注目すべきは、このテクニックでは最大12回の繰り返し操作が可能で、1回の呼吸で5秒という比較的短い息止め時間で済むことです。代表的なデータは、最大作業負荷の最大60%の強度の増加で、安静から運動へのDL、NO およびDL、CO の段階的な変化を示しています。拡散能力の測定と肺胞毛細血管予備能の評価は、健康な集団と慢性肺疾患などの患者集団の両方で運動に反応する肺の能力を評価するための有用なツールです。
Introduction
運動は、安静状態と比較してエネルギー需要の大幅な増加につながります。心臓と肺は、心拍出量と換気の増加によって応答し、肺胞毛細血管床の拡張、主に肺毛細血管の動員と膨張を引き起こします1。これにより、肺拡散容量(DL)の増加によって測定できる十分な肺ガス交換が保証されます2,3,4。運動中にDLを測定する最初の試みは、100年以上前にさかのぼります5,6,7。安静状態からDLを増加させる能力は、しばしば肺胞毛細血管予備能と呼ばれる8,9。
実験的には、肺胞毛細血管膜拡散能(DM)および肺毛細血管血液量(VC)の肺胞毛細血管予備能に対する相対的な寄与は、吸気酸素の古典的な多重画分()
法10を含むさまざまな方法によって評価することができる。この文脈で有用であり得る代替技術は、DLから一酸化炭素(CO)および一酸化窒素(NO)(DL、CO / NO)が同時に測定されるデュアルテストガス法である11。この技術は1980年代に開発され、NOとヘモグロビン(Hb)の反応速度がCOよりも大幅に高いという事実を利用して、COの肺拡散はNOよりもVCに大きく依存します。 したがって、CO拡散に対する耐性(~75%)の主な部位は赤血球内にあります。 一方、NO拡散に対する主な抵抗(~60%)は、肺胞毛細血管膜と肺血漿12にあります。したがって、DL,COおよびDL,NOの同時測定により、D L12に対するDMおよびVCの相対的な寄与の評価が可能になり、運動中に観察されるDL,NOの変化は、肺胞毛細血管膜の拡張を大きく反映する。運動中に測定値を取得する場合のこの方法のさらなる利点は、標準化された10秒の息止めで複数の繰り返し操作が異なる酸素レベルで実行される従来の技術と比較して、比較的短い息止め時間(~5秒)と少ない操作を伴うことです。最近では、息止め時間が短く、各強度13での操作が少なくなっていますが。それにもかかわらず、セッションごとに合計6回のDL、CO操作しか許可されませんが、最大12回のDL、CO / NO操作を繰り返しても、結果の推定値に測定可能な影響はありません14。長時間の息止めと複数回の操作の両方は、非常に高い強度または呼吸困難を経験する患者集団で実行するのが難しい場合があるため、これらは運動中に測定値を取得する際の重要な考慮事項です。
本論文は、運動中のDL、CO / NO の測定と肺胞毛細血管予備能の指標としての使用に関する理論的考察と実践的な推奨事項を含む詳細なプロトコルを提供します。この方法は、実験設定に容易に適用でき、肺での拡散制限がさまざまな集団の酸素摂取にどのように影響するかを評価できます。
理論と測定原理
DL,CO/NO 法では、吸入後にガスが換気された肺胞腔に均等に分布すると仮定して、混合ガスを 1 回吸入します。混合ガスは、不活性トレーサーガスを含むいくつかのガスからなる。呼気終末空気中のその画分に基づいて、換気された肺胞腔内のトレーサーガスの希釈を使用して、肺胞容積(VA)を計算できます15。混合ガスには試験ガスCOとNOも含まれており、どちらも換気された肺胞空間で希釈され、肺胞毛細血管膜を横切って拡散します。肺胞分画に基づいて、胞巣腔からの拡散定数とも呼ばれる個々の消失率(k)を計算できます。慣例により、単呼吸操作中に測定される試験ガスのDL は、以下の式16によって導かれる。
ここで、FA0は、個々のDL操作の息止め開始時の試験ガスの肺胞分率(COまたはNO)であり、FAは、息止め終了時の試験ガスの肺胞分率であり、tBHは、息止め時間である。DLは、血漿と赤血球内部を通って肺胞毛細血管膜を横切ってヘモグロビンに至る試験ガスのコンダクタンスと機械的に等価です。したがって、それはDMのコンダクタンスと肺毛細血管血のいわゆる比コンダクタンス(θ)の両方に依存し、後者は血液中の試験ガスのコンダクタンスとヘモグロビンとの反応速度の両方に依存する10。コンダクタンスの逆数が抵抗であることを考えると、テストガスの移動に対する総抵抗は、直列10の次の抵抗に依存します。
これらの成分は、異なるθ値を有し、したがって、それぞれのDL値がVCに異なるように依存するため、DLをCOおよびNOに同時に測定することによって区別することができる。COの肺拡散はNOよりもVCに大きく依存しており、CO拡散に対する耐性の主な部位(~75%)は赤血球内に位置している12。対照的に、NO拡散に対する主な抵抗(~60%)は、NOとヘモグロビンの反応速度がCOの反応速度よりも大幅に大きいため、肺胞毛細血管膜と肺血漿にあります。 したがって、DL,COとDL,NOを同時に測定することにより、DMとVCの両方の変化が前者に著しく影響します。 一方、後者はVCへの依存度がはるかに低いため、DLを決定する要因の統合評価が可能になります。
DL,CO/NO メトリックのレポートは、異なる単位を使用して行うことができます。したがって、欧州呼吸器学会 (ERS) は mmol/min/kPa を使用しますが、米国胸部学会 (ATS) は mL/min/mmHg を使用します。単位間の変換係数は2.987 mmol / min / kPa = mL / min / mmHgです。
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Protocol
デンマーク首都圏の科学倫理委員会は、以前に、健康なボランティアと慢性閉塞性肺疾患(COPD)患者の両方で、安静時、運動中、および仰臥位でのDL、CO / NO の測定を承認しました 私たちの施設での(プロトコルH-20052659、H-21021723、およびH-21060230)。
注意: 運動中にDL、CO / NOを測定する前に、動的肺活量測定と心肺運動テスト(CPET)を実行する必要があります。動的スパイロメトリーは、個々のDL、CO/NO操作の品質管理に使用され、CPETは、運動中にDL、CO/NOを測定する作業負荷を決定するために使用されます。特に閉塞性肺疾患による気流制限のある患者では、動的肺活量測定を全身プレチスモグラフィーで補完して、肺活量の有効な測定値を得ることが有利な場合があります。.CPETを開始する前に、既知の禁忌を除外するための医学的健康診断が推奨されます17。重要なことに、CPETは、以前の激しい運動が少なくとも最大24時間XLに影響を与える可能性があるため、運動中に得られたDL、CO / NO測定の少なくとも48時間前に実行する必要があります18,19。
1. 動的肺活量測定
注:動的スパイロメトリーは、ERSおよびATS20の現在の臨床ガイドラインに従って実行する必要があります。
- 体重(100g単位)と身長(1mm単位)を測定します。
- 参加者に直立した椅子に座ってもらいます。
- 他の場所で説明されているように、強制期限切れ操作中に動的スパイロメトリーを実行して、1秒(FEV1)および参加者の強制呼気量(FVC)の強制呼気量(FVC)を特定します。
2.心肺運動テスト(CPET)
注:CPETは、現在の臨床的推奨事項21に沿って実行する必要があります。
- 参加者の身長に応じてサイクルエルゴメーターを調整し、心拍数(HR)モニターを胸部に置きます。
- 参加者をサイクルエルゴメーターに置きます。参加者に代謝測定システムに接続されたマスクを装備して、テスト中の換気と肺ガス交換を測定します。
- 参加者に、自己選択したペース≥毎分60ラウンド(RPM)でサイクリングを開始し、自己申告の活動レベル、毎日のフィットネス、および疾患状態に基づいて、最大下ワークロードで5分間のウォームアップ期間を実行するように指示します(例:15〜150 W)。
- 参加者が自発的な枯渇に達するまで、毎分5〜20Wのワークロードを増やします。増分は、参加者の現在のフィットネスレベルに基づいている必要があるため、テストは段階フェーズの開始から8〜12分後に終了すると予想されます。
- 次の48時間は他の激しい運動を避けるように参加者に指示します。
3.単呼吸拡散容量装置の校正
注意: 流量センサーとガス分析計を校正して、測定値が有効で信頼できることを確認する必要があります。正確な手順は、メーカーとデバイスによって異なります。生物学的防除を含む校正手順は、各研究日に完了する必要があり、週に実行される研究日が 1 日未満の場合は、追加の毎週の校正を実行する必要があります。実験装置を 図1に示します。
- コンピュータでソフトウェアプログラムを開くと、じん肺の十分な温度を確保するために50分の自動ウォームアップ期間が開始されます。
- テストガスの入った容器が開いていることを確認してください( 図1Dを参照)。
- まず、ニューモタックからのサンプリングラインをCALと呼ばれるMS-PFT分析ユニットプラグインに接続して、ガス校正を実行します( 図1Bを参照)。
- ホームページで [Calibration ](校正)を選択し( 図2Aを参照)、[ Gas calibration](ガス校正)を選択して、ガス校正を開始します。Start(スタート) またはF1(F1 )を押してキャリブレーションを開始します( 図2Bを参照)。
- サンプリングラインをニューモタックに取り付けて、ガス校正が完了し、受け入れられたら。
- 有効な 3 L シリンジを使用して容量校正を行います。ホームページで [Calibration](キャリブレーション )を選択し( 図2Aを参照)、[Volume calibration]( ボリュームキャリブレーション)を選択して、ボリュームキャリブレーションを開始します。 F1を押してキャリブレーションを開始し、ソフトウェアの指示に従います( 図2Cを参照)。
- 吸気バッグがMS-PFT分析ユニットに接続されていることを確認してください( 図1Cを参照)。
- 座位で安静時に生物学的防除測定を行うことにより、校正手順を完了します。これは、方法の信頼性を確保するために、健康な非喫煙者が行う必要があります。特定の被験者の DL、CO または DL、NO の週ごとの変動がそれぞれ 1.6 および 6.5 mmol/min / kPa (5 および 20 mL/min / mmHg) を超える場合、変動は機械エラーが原因である可能性があり、さらに調査する必要があります12, 22。
4. 参加者の準備
- DL、CO/NO が測定される選択した強度 (最大ワークロードの % (Wmax)) について、以前の CPET 結果から目的のワークロードを計算します。
- 参加者がCPETを実行してから少なくとも48時間後に、参加者に実験室に戻って、運動中にDL、CO / NO 測定を取得するように依頼します。
- 患者の毛細血管血から身長(cmからmm単位)、体重(kg単位から100 g単位)、およびHb(mmol / Lから0.1 mmol / L単位)を測定します。
- プログラムのホームページで、 患者>新しい患者 ( 図2Aを参照)を選択し、必要なデータ(参加者のID、姓、名、生年月日、性別、身長、体重)を入力します。 OK または F1 を選択して続行します( 図2Dを参照)。
5. 直立した休息の間のDL、CO/NO の測定
注:DL、CO / NO 測定は、ERSタスクフォース12からの現在の臨床推奨事項に従って実行されます。
- ホームページで、 測定>膜拡散なし を選択します( 図2Eを参照)。
- ソフトウェアの自動リセットを開始し、すべてのテストガスのガス分析計をゼロにし、接続された吸気バッグ内のテストガスの混合を開始します。 F1 を押して自動リセットを開始します( 図2Fを参照)。
- 自動リセットには140〜210秒かかります。ソフトウェアの指示に従って、測定を開始するタイミングを認識します。ソフトウェアが 患者を接続するように指示したら、すぐに測定を開始することが重要です。
- ノーズクリップ付きの直立椅子に参加者を置きます。以下に説明するように、操作の実行方法を参加者に指示します。
- 参加者にノーズクリップを使用し、気泡に接続されたマウスピースから通常の潮汐呼吸を開始するように依頼します。測定のためのクローズドシステムを確保するために、参加者の唇がマウスピースの周りで閉じていることを確認してください。
- 3回の正常な呼吸の後、残存容積(RV)に達するために急速な最大呼気を実行するように参加者に指示します。
- RV に達したら、すぐに参加者に、< 4 秒の吸気時間を目標に、総肺活量 (TLC) に対して迅速な最大吸気を実行するように指示します。最大吸気中、バルブが開き、参加者は吸入直前に吸気バッグ内の既知の濃度のNO(800 ppm NO / N2)と混合されたガス混合物を吸入できます。
- 参加者にTLCで5(4-8)秒の息止めを行うように依頼します。吸気中、吸気量(VI)≥FVC(またはプレチスモグラフィーベースの肺活量の90%)、4〜8秒の息止め時間が目標とされています23(表1)。
- 息を止めた後、参加者に、中断することなく強く安定した最大呼気を実行するように指示します。
- 最大有効期限が切れたら、参加者にマウスピースとノーズクリップを手放すように依頼します。その後、ソフトウェアはコマンドなしでD L,NO と DL,CO を計算します。
- 操作全体を通して口頭での励ましを使用して、参加者がRVとTLCに到達するようにします。 表1に従って操作の受容性を評価します。
- 少なくとも4分間のウォッシュアウト期間の後、2つの操作が許容基準(表1)を満たすまで、または同じセッションで合計12の操作(以下を参照)が実行されるまで、操作を再度実行します。
- DL、NO およびDL、CO は、 表2に概説されている基準に従って報告されます。また、報告されているように、息止め時間、吸気量、および肺胞容積を推奨します。さらに、許容可能で再現可能な操作の数を報告する必要があり、許容性または再現性の基準を満たさない操作に基づく調査結果は慎重に解釈する必要があります。
6. 運動中のDL、CO/NO 測定
注:エクササイズ中のDL、CO/NO 測定のタイムラインを 図3に示します。
- サイクルエルゴメーターは、参加者がサイクリング位置を変えずにマウスピースで呼吸できる距離に置きます。自転車の正しい作業位置で測定を実行できるように、機器の高さを上げます( 図2を参照)。
- 参加者をサイクルエルゴメーターに置き、心拍モニターを胸に置きます。ステップ5.3で概説されているように、各操作を実行するように参加者に指示します。
- 測定前のウォームアップとして、最大下負荷で5分間のサイクリングを開始するように参加者に指示します。
- F1を押してデバイスの自動リセットを開始すると同時に、ワークロードを目標強度まで増やします(手順5.2を参照)。自動リセットには140〜210秒かかりますが、これは参加者が定常状態に達したことを確認するのに十分です。
- 自動リセットが終了したら、マウスピースを参加者に向け、参加者が目標強度でサイクリングを続けている間、以下に説明する操作を実行します。
- 手順 5.4 から 5.5 の手順に従います。各ワークロードで受容性と再現性の基準(表1)を評価し、休息中の測定値について報告します(ステップ5.6および 表2を参照)。
- 操作が完了したら、マウスピースを取り外し、作業負荷を15〜40Wに減らします。 アクティブリカバリフェーズを2分間実行した後、手順6.4と6.5を繰り返します。2分間のアクティブリカバリと自動リセット中の140〜210秒は、4〜5分の十分なウォッシュアウト期間を提供します。
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Representative Results
このプロトコルは 2021 年に実施され、執筆時点では、運動中に合計 124 回の測定が行われました (つまり、健康なボランティアで 51 回、さまざまな重症度の COPD 患者で 73 回) が実施されました。操作、達成された合格性と再現性の基準に関するデータ、および失敗率はすべて 表 3 に示されています。
計算
例として、以下に説明するケーススタディとして、健常群のWmaxの20%での最初の操作のデータに基づいて、単一のDL、CO/NO操作からの計算がここで提供されます。表4に示す測定値に基づいて、以下が計算されます。
(BTPS)
ここで、FI は吸気分数、VI は吸気体積、DD,inst と VD,anat はそれぞれ器械的デッドスペースと解剖学的デッドスペースです。
ここで、FIは吸気分率、PBは気圧、PH2Oは飽和水蒸気圧であり、ここで、
運動中に得られたDL,CO/NO 結果の解釈
関心のある主要アウトカム指標は DL,NO であり、安静から特定のワークロードへのDL,NO の変化は、肺胞毛細血管予備能の全体的な測定値を提供すると解釈されます。健康な人では、DL,NO は運動強度の増加に伴って直線的に増加し、これは肺毛細血管床への血液の動員の増加に起因し、心拍出量の増加によって促進される12。これは、血流または圧力の増加および肺胞-毛細血管膜表面積の動員による毛細血管動員につながり、それによって赤血球のより均質な分布および組織と赤血球膜表面との間の改善されたアライメントをもたらす12。対照的に、DL,CO は、この文脈では二次的な尺度と見なされ、主にVC の同時変化が起こるかどうかを推測するために利用されます。個人レベルでの解釈では、測定誤差よりも大きい2つの測定値の差は生理学的24、つまり、DL、NO の場合は2.7 mmol / min / kPa、DL、COの場合は1.6 mmol / min / kPaと見なされます。
事例研究
O2max が 2696 mL O2/min (47.3 mL O2/min / kg) の健康な 25 歳の女性は
、座位での直立休息中の測定から始まり、続いて自転車エルゴメーター (Wmax = 208) での運動中の測定を行い、強度を Wmax の 60% まで増加させました (表 5)。すべての操作は、受容性と再現性の両方の基準を満たしていました。
中等度のCOPD(FEV1 = 予測の56%)の68歳の男性で、O 2 peakが1852 mL O2 / min(22.8 mL O2 / min / kg)のO2pekは、座位での直立休息中の測定から始まり、続いて自転車エルゴメーター(Wmax = 125 W)での運動中の測定を、Wmaxの最大60%まで強度を上げて8回のDL、CO / NO操作を実行しました(表6).すべての操作は、受容性と再現性の両方の基準を満たしていました。
上記の 2 つのケースから各ワークロードについて報告された結果を図 4 に示します。さらに、O2の関数としてのDL,NOおよびDL,CO(呼気測定値から計算)を図5に示します。健康な個人では、Wmaxの20%から40%へのプラトーを除いて、DL、NOのほぼ直線的な増加が予想どおりに観察されますが、DL、COのわずかな緩やかな増加はすべてのワークロードで発生します。これは、DMが最初に増加し、以前は灌流されていなかった毛細血管を動員するための肺血流の再分配を反映して、運動開始時に変化しないVCで増加するが、より高いワークロードでVCが付随して徐々に増加し、交互の毛細血管の動員と膨張が一緒に機能して、漸進的な運動中の肺ガス交換を最適化することを示している。COPDの場合、DL,NOは最初の作業負荷で増加し、その後、残りの作業負荷の間、同じレベルにとどまるように横ばいになり、肺胞毛細血管予備能全体がWmaxの20%ですでに達成されていることを示しています。全体として、肺毛細血管の動員と膨満の程度、すなわち肺胞毛細血管予備能は、健康な人よりもCOPDの場合の方が低い。
図1:試験セットアップの概要。 (A)運動中に行われる測定のための研究セットアップ。(B)サンプリングラインをMS-PFT分析装置プラグイン(CAL)に接続してガス校正。 (C)MS-PFT分析装置に吸気バッグを接続。(D)試験ガスの入った容器。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:プログラムのガイド。 (A)ホームページで[キャリブレーション]を選択します。(B)ガス校正を選択します。(C)ボリュームキャリブレーションを選択します。(D) [新しい患者] を選択します。(E) 新規患者を選択し、必要事項を記入します。(F)測定を選択し、NO diff Membraneを選択します。(G)F1を押して自動リセットを開始します。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:運動中の拡散容量測定のタイムライン。 BioRender を使用して作成。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:肺拡散能。健康な個人と慢性閉塞性肺疾患(COPD)の個人における最大ワークロード(Wmax)の%の関数としての、インクリメンタル運動中の一酸化炭素(DL、CO)および一酸化窒素(DL、NO)に対する肺拡散能力の比較。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:肺拡散能。健康な個人と慢性閉塞性肺疾患(COPD)の個人における酸素摂取量(O2)の関数としての漸進運動中の一酸化炭素(DL、CO)および一酸化窒素(DL、NO)に対する肺拡散能力の比較。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| 受容性の基準 | ||
| 1. | FVCまたはVCの90%≥ | |
| または、FVCまたはVCの85%≥ | ||
| ANDVA 他の 許容可能な操作からの最大のV A の 200 ml 以内 | ||
| または、FVCまたはVCの85%≥ | ||
| AND VA は、他の許容可能な操作からの最大 VA の 5% 以内 | ||
| 2. | 安定した4〜8秒の息止めで、漏れやバルサルバ/ミュラー操作の証拠はありません | |
| 再現性基準 | ||
| 範囲内の値を持つ 2 つの許容可能な操作 | ||
| < 5.8 mmol·min-1·kPa-1 for DL,NO | ||
| < 1 mmol·min-1·kPa-1 (DL,CO の場合) | ||
Table 1: 許容性と再現性の基準。 略語:DL、CO:一酸化炭素に対する肺拡散能力、DL、NO:一酸化窒素に対する肺拡散能力、FVC:強制肺活量、VA:肺胞容積;VC:バイタルキャパシティ。
| いいえ。許容可能な操作の数 | 再現性critieraは達成 | アクション |
| ≥2 | はい | 2 つの許容可能で再現可能な操作の平均 DL、NO および平均 DL、CO を報告します |
| ≥2 | いいえ | DL,NOが最も高い操作値を報告する |
| 1 | はい | 許容可能な操作からの値を報告する |
| 1 | いいえ | 許容可能な操作からの値を報告する |
| 0 | はい | すべての再現可能な操作の平均 DL、NO および平均 DL、CO を報告します |
| 0 | いいえ | 測定の失敗 |
Table 2:データのレポート。 略語:DL、CO:一酸化炭素に対する肺拡散能力、DL、NO:一酸化窒素に対する肺拡散能力。
| 群 | 測定値 (n) | マヌーバpr.測定(中央値[IQR]) | 合格基準の達成、n (%) | 達成された再現性基準、n (%) | 測定失敗、n (%) |
| 元気 | 51 | 2 (2-2) | 50 (98) | 51 (100) | 0 (0) |
| 軽度COPD | 24 | 3 (2-3) | 22 (92) | 22 (92) | 0 (0) |
| 中等度のCOPD | 39 | 2 (2-3) | 26 (67) | 32 (82) | 3 (8) |
| 重度のCOPD | 10 | 2 (2-3) | 1 (10) | 4 (40) | 6 (60) |
| すべての | 124 | 2 (2-3) | 99 (80) | 109 (88) | 9 (7) |
Table 3: 2021 年 7 月から 2023 年 12 月の間に当施設での運動中に DL、CO/NO 測定を完了しました。 略語:COPD、慢性閉塞性肺疾患。
| 分数 | |
| FI,CO | 0.238 |
| FI,NO | 48.75×10-6 |
| FI、彼 | 0.08 |
| FA、CO | 0.12 |
| FA、いいえ | 6.18×10-6 |
| FA,He | 0.0603 |
| ボリューム (BTPS) | |
| VI (L) | 4.13 |
| VD,anat (L) | 0.132 |
| VD,inst (L) | 0.220 |
| tBH (秒) | 5.65 |
Table 4: 単呼吸操作中に、吸気 (FI) および肺胞 (FA) 空気中のテストおよび不活性トレーサー ガス分率を測定しました。 略語:VI:インスピレーションを受けたボリューム。VD、anat:解剖学的デッドスペース;VD、inst:計器のデッドスペース。tBH:息止め時間。
| 直立 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | ||||||
| 休む | 最大Wの | 最大Wの | 最大Wの | ||||||
| ワークロード (ワット) | 0 | 40 | 80 | 125 | |||||
| かくさく | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | |
| DL,NO (mmol/min/kPa) | 35.0 | 34.7 | 37.0 | 38.9 | 37.4 | 38.4 | 42.2 | 43.4 | |
| DL,CO (ミリモル/分/kPa) | 8.0 | 7.8 | 8.4 | 8.4 | 9.2 | 9.1 | 9.8 | 9.9 | |
| 息止め時間(秒) | 5.8 | 5.6 | 5.7 | 5.8 | 5.8 | 5.7 | 5.7 | 5.5 | |
| VI (L) | 4.1 | 4.1 | 4.1 | 4.1 | 4.0 | 4.0 | 3.8 | 4.0 | |
| VA (L) | 4.9 | 4.8 | 5.0 | 5.0 | 5.1 | 5.1 | 5.2 | 5.3 | |
Table 5:健康な個人からのデータ。 略語:DL、NO:一酸化窒素に対する肺拡散能力、DL、CO:一酸化炭素に対する肺拡散能力、VI:吸気体積、VA:肺胞体積。
| 直立 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | ||||||
| 休む | 最大Wの | 最大Wの | 最大Wの | ||||||
| ワークロード (ワット) | 0 | 25 | 50 | 75 | |||||
| かくさく | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | |
| DL,NO (mmol/min/kPa) | 17.9 | 21.6 | 23.35 | 24.35 | 24.9 | 24.2 | 21.8 | 23.6 | |
| DL,CO (ミリモル/分/kPa) | 4.7 | 5.3 | 5.0 | 5.2 | 5.1 | 4.9 | 3.3 | 4.1 | |
| 息止め時間(秒) | 6.6 | 6.1 | 6.1 | 5.8 | 5.8 | 5.8 | 5.8 | 6.0 | |
| VI (L) | 4.3 | 4.4 | 4.2 | 4.3 | 4.1 | 4.0 | 3.8 | 3.9 | |
| VA (L) | 6.7 | 6.6 | 6.7 | 6.7 | 6.7 | 6.7 | 6.7 | 6.8 | |
表6:慢性閉塞性肺疾患の個人からのデータ。 略語:DL、NO:一酸化窒素に対する肺拡散能力、DL、CO:一酸化炭素に対する肺拡散能力、VI:吸気体積、VA:肺胞体積。
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Discussion
このプロトコルは、デュアルテストガスシングルブレス技術を使用して、運動中のDL、CO / NO の測定に標準化されたアプローチを提供します。得られたDL、CO / NOメトリックは肺毛細血管の動員と膨張により増加するため、この方法は肺胞毛細血管予備能の生理学的に意味のある尺度を提供します。
プロトコルの重要なステップ
この方法では、残存量まで呼気を吐き出し、続いて総肺活量に吸気し、5秒の息止めが実行され、RVへの呼気で終了します。これは、運動中、特に高強度の運動中に行うのが複雑になる可能性があるため、重要なステップです。運動強度の増加はVIの減少につながる可能性があり、肺活量の85%を下回ると、操作は受け入れられません(表1を参照)。したがって、テストのインストラクターは、参加者が十分に息を吸い込んでいるかどうかを記録し、各操作の直後に4〜8秒の十分な息止め時間を確認することが重要です12。さらに、再現性基準を達成することが困難な場合があります。そのような場合、DL,NOが最も高い手技のデータが報告され、データを提示する際に、これが何件必要であったかを明示的に記載することをお勧めします。場合によっては、運動中に許容できる、または再現性のある測定値をまったく得ることができない場合があります、たとえば、十分な息止めを達成できない重度の呼吸困難を経験している患者や、運動中に吸気能力が同時に低下する動的ハイパーインフレーションの患者の研究。そのような場合、仰臥位で得られたDL、CO / NO測定値を使用する方が適している可能性があり、これは肺毛細血管の動員と膨張にもつながりますが、最大下運動中ほど顕著ではありません24,25。
メソッドの変更とトラブルシューティング
高強度の運動を行った後、疲労18,19,26までDL、COを最大6〜20時間減少させることができるため、運動中に行われる測定に常に安静時の測定を先行させることが重要です18,19,26。さらに、HRおよび/またはその他の代謝負荷の指標を記録して、さまざまな被験者で得られた測定値が定常状態および同様の代謝ワークロードで行われたことを確認することが重要です。
この方法は、特定の指標に応じて、同じセッション内のテスト間のばらつきが最大7%報告されているため、DL,NOまたはDL,COのいずれかの小さな変化を検出するには感度が低い可能性があります12。したがって、測定誤差よりも大きな増加を誘発するのに十分な運動強度を選択することが重要ですが、参加者は特定の強度で少なくとも2つの許容可能な操作を実行できる必要があることを念頭に置いています。デュアルテストガス法を使用した以前の研究では、軽度から中程度までさまざまな強度が使用されてきました。ほとんどの研究は、換気閾値24,27の%、年齢予測最大HRの%28、または最大酸素貯蔵量の%29に関連する相対強度を使用していますが、80Wの固定ワークロードで絶対強度を適用した研究は1件のみ30です。研究全体で、これらのワークロードは、Wmax24,27,29 の 20% から 86% の範囲の相対強度に対応しています。研究間の測定値の比較を容易にするために、相対強度、すなわち、Wmaxの%、最大HRの%(HRmax)、またはO 2 maxの%(またはO2ピーク)を実装し、Wmaxと測定値が得られたワークロードの両方を報告することをお勧めします。
既存/代替法に対する方法の重要性
DMとVCは、DL、CO / NO12,31によって数学的に導出される可能性があり、これは注意して行う必要がありますが(以下の「方法の限界」を参照)、肺毛細血管の動員(DMによって評価)および膨満(DMを超えるVCの増加)による肺胞毛細血管表面積の拡大のより直接的な機構的評価を可能にします)は、肺ガス交換の運動関連の変化に寄与します。.しかし、私たちの知る限り、シングルブレスDL,CO/NO 法は、直立した安静状態でのみ検証されています11。この2つの方法は、以前のいくつかの研究で運動中に使用されており、健康な若い個人では、DMとVCに同様の生理学的変化が見られます3,24。ただし、各方法では異なる数のマヌーバが可能であり、最大6回、DL,CO/NOでは同じセッションで最大12回のマヌーバが可能です12。これは、同じCO分率(~0.30)であるにもかかわらず、DL,CO/NOの息止め時間が短い(5秒対10秒)と、血中のCO蓄積が少なくなり、その結果、CO背圧が低くなるためです14。さらに、11〜66ppbの範囲の内因性呼気NOのレベルは、ppm範囲14にあるNO測定値よりも1000倍低いため、最大22 DL、CO / NO操作をDL、NOに影響を与えることなく実施できます。したがって、10 s DL,COを使用し、各運動強度で最低4回の運動に対応する再現性を評価するために少なくとも2つの操作が必要であることを考えると、二重終了が実行されると、これは運動中に実行できない可能性があります。したがって、以前のベースの方法は、それぞれ
で単一の操作を使用しており、各運動強度32で最低3つの操作が行われ、操作が実際にどの程度再現可能であるかを評価することができないという顕著な欠点があります。それでも、DL,CO/NO 法は、再現性基準を満たし、各運動強度で許容できると見なされる場合、2 回の測定のみを必要とします。しかし、呼吸止め時間が短くなった場合でも、運動中のDL、CO/NOに匹敵する許容可能な再現性が得られることが示されています。したがって、適度な運動中、以前は、息止め時間~6秒24で、異なるDL、CO/NO指標で2%から6%の日間分散係数(CV)を発見しましたが、同様の息止め時間32で使用した場合、DL 、CO、VC、DMのCVはそれぞれ7%、8%、15%とわずかに高いことしか報告されていません32。
関連して、DL,CO/NO の文脈で測定されたD L,CO は、10 秒の息止め12,33 に基づいて、より広く使用されているD L,CO よりも一貫して低いことが知られています。以前の研究によると、これは息止め時間の違いによるものではなく、息止め時間が短いとDL,CO34 が増加します。むしろ、吸入ガスの組成やCOとNOの動態の違いなど、他のさまざまな要因に起因している可能性があります33。まず、DL,CO/NO はヘリウムを使用しますが、従来の 10 s DL,CO は不活性トレーサー ガスとしてメタンを利用します。これらのガスは、その異なる物理的特性により、肺や組織において異なる分布と溶解度を示します。これにより、メタンよりもヘリウムのVAが低くなる可能性があります。最後に、試験ガスの反応性は、ヘモグロビンと結合したときのNOとCOの動態の違いが役割を果たす可能性があることを意味します。推測の域を出ないが、DL,CO/NO 中の NO の存在は、したがって、CO のヘモグロビンへの結合に影響を与える可能性がある33。
肺胞毛細血管膜を横切るCOの拡散速度は、血液中のヘモグロビンへのCOの結合に依存し、θCOの計算に使用されることとは別に、DLのヘモグロビン補正は、特定の状況に応じてCO値が適切であり得る35。これは臨床現場では一般的ですが、DL、COへの影響が無視できることが多い健康な個人ではそれほど重要ではありません。このような補正は、運動中のDL、CO / NOの評価にも使用できますが、ヘモグロビンの(急性の)変化が重要性が低い特定の安静から運動への変化を評価する場合は関連性が低くなります。.これらの式は、CO35 の DM と θ∙Vc の比が 0.7 であることを前提としているため、いずれにせよ注意して行う必要があります。
この方法の制限
健康な人の運動中のDL、NOおよびDL、COの強度依存的な増加は、肺毛細血管の動員と膨満を反映しています。.肺胞毛細血管予備能の直接的な測定は、最大動員と膨満が明らかな最大強度での実験的または臨床的設定でも実際には実行不可能であるため、おそらく最大以下の強度でのみ取得できます。したがって、実用的な選択は、肺毛細血管の動員と膨満を体系的に誘発するのに十分な事前に指定された(絶対的または相対的な)ワークロードをターゲットにすることですが、すべての参加者にとって実行可能です。現在のプロトコルでは、強度は Wmax の % に基づいていました これは他の研究に簡単に移行できるためです。従来、運動は O2max または HRmax の % に従って処方されてきましたが、これにはすべての参加者が真の最大値に到達する必要があります。そうでなければ、参加者は潜在的に異なる相対強度で測定を行う可能性があり36、これは特に問題を引き起こし、慢性肺疾患や心臓病の患者などの重度の労作性呼吸困難を有する集団における生理学的解釈を複雑にする可能性がある。
個々のDL、CO / NO 操作内では、テストガスが肺の比較的換気の悪い領域に分配されない可能性があることに注意する必要があります。これは、肺疾患のない個人には軽微な問題を引き起こすが、明白な空気の閉じ込めを含む実質的な換気の不均一性が存在する場合には、測定は肺の最も換気の良い領域の状態のみを反映しているため、参加者の真のDL は過大評価される可能性があり、その効果は息止めが短いことによって強調される37.原則として、これは明らかに逆説的な減少につながる可能性があります 肺疾患のある参加者が換気の不均一性を減らす介入にさらされた場合。
ここで報告されたCOPD症例における最高強度(Wmaxの60%)でのDL,NOを超える運動関連の減少は、生理学的観点から簡単に解釈できないため、慎重に解釈する必要があります。 同様のパターンは、これまでに私たちの施設で研究した73人のCOPD患者の大多数で指摘されており、単なる方法論的制限の寄与を考慮する必要があります。したがって、COはNOよりも上記の衝撃換気の不均一性の影響を受けやすい可能性があることは別として、そのNOがヘモグロビンとほぼ300倍速く反応し、COの2倍の速さで組織や血漿を拡散するという事実も役割を果たしている可能性があります31。したがって、NOとCOの両方が通常拡散制限ガス交換を受けるが、個々の肺単位の灌流が~100倍減少するとCOの取り込みが灌流制限になる可能性があり31、したがって、DL、NOに影響を与えることなく測定されたDL、COの減少につながる。COPDが肺胞の破壊と毛細血管の進行性の喪失と関連していることを考えると、肺全体に不均一な換気-灌流分布が付随して39、灌流が100倍減少する肺単位は珍しいことではなく40、それらは実際に赤血球の通過時間が極端に短縮され、運動中の酸素とCOの両方の取り込みを損なう可能性のある領域を表しています。作用し得る追加の相補的要因は、個々の肺ユニット41の毛細血管ネットワーク内の赤血球の不均一な分布であり、これもまた、DL,NOよりもDL,COに対してはるかに深遠な影響を有し得る。
測定値12から 
DMおよびVCを導出することは可能であるが、それにもかかわらず、それらの導出にはいくつかの仮定と経験定数31が含まれるため、系統誤差が導入されるため、広く使用されていない。例えば、一般的な科学的コンセンサスでは、拡散率αを1.97と認めており、これは組織におけるNOとCOの物理的溶解度の比を表している42。いくつかの研究はこの値に異議を唱えており、異なる測定方法間の不一致を調整するためにより高いα値を提案しているものもあります。しかし、これらの命題は、物理的拡散率から逸脱し、一貫性のないα値につながるため、主に却下されます12。さらに、θNOは有限値であると仮定されていますが、遊離ヘモグロビンとの反応速度が速いため、歴史的には無限大と推定されていました。しかし、包括的な議論と最近の研究はこの仮定に異議を唱え、θNOを有限として確立し、1.51 mLの血液/分/kPa/mmolのCOが最良の現在の推定値を提供し、理論的な予測と広範なin vitroおよびin vivo実験と一致しています12。同様に、θCOの式は、pH 7.4で得られた経験定数に基づいており、精度の低い非生理学的pH測定値に基づく以前の値を拒絶している43。しかし、この方法によって得ることができるさまざまな指標のうち、DL,NOは、いずれにせよ、最も少ない仮定に基づいており、肺胞毛細血管予備能の最も再現性のある推定値を提供するようであり24、したがって、肺胞毛細血管予備能の文脈で関心のある主要な結果指標であり続ける。
特定研究分野における本手法の重要性と応用の可能性
DL、CO/NO 測定は、運動中の肺ガス交換の包括的な説明を提供する可能性があります。この方法は、心不全や慢性肺疾患の患者など、労作性呼吸困難の集団を対象とした臨床試験よりも 、各作業負荷で必要な息止めが短く、操作回数が少ないため、運動中に実施しやすい可能性があります。さらに、D L,CO/NO は、特定の運動強度における肺胞毛細血管予備能の最も偏りのない推定値を提供するD L,NO を具体的に提供するため、多くの場合、適切な結果指標になります。
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Disclosures
この記事で紹介されている機器とソフトウェアは無料ではありません。作成者は、ソフトウェアのライセンスを提供する会社とは関係ありません。すべての著者は、競合する金銭的利益がないことを宣言します。
Acknowledgments
この研究は、スヴェンド・アンダーセン財団から資金援助を受けました。身体活動研究センターは、TrygFonden Grants ID 101390、ID 20045、およびID 125132によってサポートされています。JPHはヘルシーフォンデンとコペンハーゲン大学病院、リグスホスピタレットから資金提供を受けており、HLHはベケット財団から資金提供を受けています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| HemoCue Hb 201+ | HemoCue, Brønshøj, Denmark | Unkown | For measurements of hemoglobin |
| Jaeger MasterScreen PFT pro (Lung Function Equipment) | CareFusion, Höchberg, Germany | Unkown | For measurements of DLCO/NO |
| Mouthpiece | SpiroBac, Henrotech, Aartselaar, Belgium | Unkown | Used together with the Lung Fuction Equipment. (dead space 56 ml, resistance to flow at 12 L s−1 0.9 cmH2O) |
| Nose-clip | IntraMedic, Gentofte, Denmark | JAE-892895 | |
| Phenumotach | IntraMedic, Gentofte, Denmark | JAE-705048 | Used together with the Lung Fuction Equipment |
| SentrySuite Software Solution | Vyaire's Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg Germany | Unkown | |
| Test gasses | IntraMedic, Gentofte, Denmark | Unkown | Concentrations: 0.28% CO, 20.9% O2, 69.52% N2 and 9.3% He |
References
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