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方法文章

采用单次呼吸法测量人体运动期间双测试气体肺弥散能力

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DOI：

10.3791/65871

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2024年2月2日

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1Centre for Physical Activity Research, Copenhagen University Hospital - Rigshospitalet, 2Department of Biomedical Sciences, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen, 3Department of Clinical Physiology and Nuclear Medicine, Copenhagen University Hospital - Rigshospitalet, 4Department of Anesthesiology and Intensive Care, Hvidovre Hospital, 5Department of Clinical Medicine, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen, 6Neurovascular Research Laboratory, Faculty of Life Sciences and Education, University of South Wales

本文内容

摘要

本方案介绍了一种通过在运动期间联合测定一氧化碳弥散量（DL,CO）和一氧化氮弥散量（DL,NO）的单次呼吸法，来评估肺泡-毛细血管储备功能的方法。本文以该技术在运动中应用的假设和建议为基础进行阐述。

摘要

一氧化碳弥散量（DL,CO）与一氧化氮弥散量（DL,NO）的联合单次呼吸测定法是一种可用于评估健康人群及患者群体肺泡-毛细血管储备功能的有效技术。该测量方法可估算受试者肺部毛细血管的募集与扩张能力。近期研究表明，该方法在健康志愿者进行轻至中等强度运动时具有较高的重复测量信度。值得注意的是，该技术允许最多进行12次重复操作，且每次仅需一次呼吸，屏气时间相对较短，仅为5秒。文中提供了代表性数据，展示从静息状态到逐步增加运动强度（最高达最大负荷的60%）过程中DL,NO和DL,CO的渐进性变化 。弥散能力的测定及肺泡-毛细血管储备的评估，是评价健康人群以及慢性肺疾病等患者群体在运动状态下肺部响应能力的重要工具。

引言

与静息状态相比，运动会导致能量需求显著增加。心脏和肺通过增加心输出量和通气量作出反应，从而扩张肺泡-毛细血管床，主要是通过募集和扩张肺毛细血管1。这确保了充分的肺气体交换，可通过肺弥散能力（DL）的增加来测量2,3,4。首次尝试在运动过程中测量DL可追溯到一个多世纪前5,6,7。从静息状态增加DL的能力通常被称为肺泡-毛细血管储备8, 9。

实验上，肺泡-毛细血管膜弥散能力（DM）和肺毛细血管血容量（VC) 对肺泡-毛细血管储备功能的评估可通过多种方法进行，包括经典的吸入氧分数多级法（静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。）方法10另一种在此背景下可能有用的技术是双气体测试法，其中 DL 一氧化碳（CO）和一氧化氮（NO）（DL,CO/NO同时测量11该技术于20世纪80年代开发，利用了一氧化氮（NO）与血红蛋白（Hb）反应速率远高于一氧化碳（CO）这一特性，因此一氧化碳在肺部的弥散更依赖于VC 相较于NO，CO扩散的主要阻力（约75%）位于红细胞内，而NO扩散的主要阻力（约60%）则位于肺泡-毛细血管膜和肺部血浆中。12D的同时测量L,CO 和 DL,NO 从而允许评估 D 的相对贡献M 和 VC 至 DL12，其中 D 的变化L,NO 运动过程中观察到的结果在很大程度上反映了肺泡-毛细血管膜的扩张。该方法在运动中进行测量时的另一优势在于，其所需的屏气时间相对较短（约5秒），且操作次数少于经典方法。 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 技术，该技术在不同氧浓度下进行多次重复操作，每次均采用标准化的10秒屏气。尽管 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 最近已应用该方法，可在每个强度下以更短的屏气时间和更少的操作完成13然而， 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 仅允许总共六个 DL,CO 每次会话的操作次数，而最多可重复12次DL,CO/NO 操作可执行而对最终估计结果无任何可测量的影响14在运动过程中获取测量数据时，这些因素尤为重要，因为长时间的屏气和多次操作在极高强度运动中或在有呼吸困难症状的患者群体中可能难以完成。

本文提供了一项详细的实验方案，包括在运动过程中测量DL,CO/NO 的理论依据和实际操作建议，并阐述了将其作为肺泡-毛细血管储备功能指标的应用。该方法易于在实验环境中实施，可用于评估肺部扩散受限如何影响不同人群的氧气摄取能力。

理论与测量原理
DL,CO/NO 方法采用一次吸入气体混合物的方式，并假设气体吸入后在通气的肺泡腔内均匀分布。该气体混合物包含多种气体，其中包括一种惰性示踪气体。根据呼气末气体中示踪气体的分数，可利用其在通气肺泡腔中的稀释程度来计算肺泡容积（VA）15。气体混合物中还包括测试气体 CO 和 NO，这两种气体均在通气的肺泡腔中被稀释，并通过肺泡-毛细血管膜进行扩散。根据它们在肺泡中的分数，可分别计算出它们从肺泡腔消失的速率（k），也称为扩散常数。按照惯例，单次呼吸法测得的某种测试气体的 DL 可通过以下公式推导得出16：

化学动力学方程 DL=ln(FA0/FA)/tBH·VA=k·VA；反应速率分析。

其中 FA0 是单次屏气开始时呼出气中测试气体（CO 或 NO）的肺泡分数 DL 操作，而 FA 是呼吸保持末期测试气体的肺泡分数，tBH 为呼吸保持时间。DL 在力学上等同于测试气体通过肺泡-毛细血管膜、血浆以及红细胞内部到达血红蛋白的传导能力。因此，它既取决于传导能力 DM 以及所谓的肺毛细血管血液的比电导θ），后者既取决于测试气体在血液中的传导性，也取决于其与血红蛋白的反应速率10由于电导的倒数是电阻，测试气体传递的总阻力取决于以下串联的阻力10:

色谱分析相关的静态平衡方程：1/DL = 1/DM + 1/θ·VC。

这些组分可通过同时测量一氧化碳（CO）和一氧化氮（NO）的弥散系数（DL）加以区分，因为二者具有不同的θ值，其相应的 DL 值对肺毛细血管体积（VC）的依赖性也不同。CO 在肺部的弥散比 NO 更依赖于 VC，CO 弥散的主要阻力位点（约 75%）位于红细胞内12。相比之下，NO 弥散的主要阻力（约 60%）位于肺泡-毛细血管膜和肺血浆中，这是因为 NO 与血红蛋白的反应速率显著高于 CO。因此，通过同时测定 DL,CO 和 DL,NO，DM 和 VC 的变化会显著影响前者，而后者对 VC 的依赖性则弱得多，从而能够对决定 DL 的多种因素进行综合评估。

DL,CO/NO 指标的报告可使用不同的单位。例如，欧洲呼吸学会（ERS）使用 mmol/min/kPa，而美国胸科学会（ATS）使用 mL/min/mmHg。这两种单位之间的换算系数为 2.987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg。

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方案

丹麦首都大区科学伦理委员会此前已批准在我机构对健康志愿者和慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者进行静息状态、运动期间以及仰卧位时的一氧化碳和一氧化氮弥散量（DL,CO/NO）测定（方案编号：H-20052659、H-21021723 和 H-21060230）。

注意：在运动过程中测量 DL,CO/NO 之前，必须进行动态肺量测定和心肺运动试验（CPET）。动态肺量测定用于个体 DL,CO/NO 操作的质量控制，而 CPET 用于确定运动中测量 DL,CO/NO 时所需的工作负荷。对于存在气流受限的患者，尤其是由阻塞性肺疾病引起的患者，建议在动态肺量测定基础上补充进行全身容积描记法，以获得有效的肺活量测量值。在开始 CPET 前，建议进行健康检查，以排除任何已知的禁忌证17。重要的是，CPET 应在运动时 DL,CO/NO 测量至少 48 小时前完成，因为此前的剧烈运动可能会影响 DL 至少达 24 小时18,19。

1. 动态肺量测定

注意：动态肺量测定应根据欧洲呼吸学会（ERS）和美国胸科学会（ATS）现行的临床指南进行20。

  1. 测量体重（精确到最接近的 100 g）和身高（精确到最接近的 1 mm）。
  2. 让受试者坐在直立的椅子上。
  3. 在用力呼气动作期间进行动态肺量测定，以确定受试者的第 1 秒用力呼气容积（FEV1）和用力肺活量（FVC），具体方法见其他文献20。

2. 心肺运动试验（CPET）

注意：CPET 应根据当前的临床推荐进行21。

  1. 根据受试者的身高调整功率自行车，并在其胸部佩戴心率（HR）监测器。
  2. 让受试者坐上功率自行车，并为其佩戴连接代谢测量系统的面罩，以在整个测试过程中监测通气量和肺部气体交换。
  3. 指导受试者以自选速度开始骑行，转速不低于每分钟60转（RPM），并根据其自我报告的活动水平、日常体能状况和疾病状态，在亚极量负荷下进行5分钟热身（例如15–150 W）。
  4. 每分钟增加负荷5–20 W，直至受试者达到自愿力竭。负荷增量应基于受试者当前的体能水平，使测试在递增负荷阶段开始后预计8–12分钟内结束。
  5. 指导受试者在接下来的48小时内避免进行其他剧烈运动。

单次呼吸弥散能力设备的校准

注意：必须校准流量传感器和气体分析仪，以确保测量结果的有效性和可靠性。具体校准步骤因制造商和设备型号而异。应于每次研究日完成校准 程序，包括生物对照；若每周执行的研究日少于一天，则应额外进行每周一次的校准。实验装置如图1所示。

  1. 打开计算机上的软件程序，系统将自动启动50分钟的预热过程，以确保 pneumotach 达到足够的工作温度。
  2. 确保测试气体的容器已打开（见图1D）。
  3. 进行气体校准：首先将来自 pneumotach 的采样管连接到 MS-PFT 分析仪单元上标有 CAL 的插口（见图1B）。
  4. 在主页中选择校准（见图2A），然后选择气体校准，开始气体校准程序；通过按下开始或F1键启动校准（见图2B）。
  5. 当气体校准完成并被系统接受后，将采样管重新连接至 pneumotach。
  6. 使用经过验证的3 L注射器进行容积校准。在主页中选择校准（见图2A），然后选择容积校准；按下F1键启动校准，并按照软件提供的指示操作（见图2C）。
  7. 确保吸气袋已连接至 MS-PFT 分析仪单元（见图1C）。
  8. 通过在坐位状态下进行静息时的生物学质控测量，完成整个校准流程。该测量应由一名健康的非吸烟者执行，以确保方法的可靠性。若该受试者在 DL,CO 或 DL,NO 上的周间变异分别超过 1.6 和 6.5 mmol/min/kPa（即 5 和 20 mL/min/mmHg），则变异可能源于仪器误差，需进一步排查12, 22。

4. 受试者的准备

  1. 根据先前心肺运动试验（CPET）的结果，计算在选定强度（以最大负荷（Wmax）的百分比表示）下测量DL,CO/NO所需的负荷量。
  2. 在受试者完成CPET至少48小时后，要求其返回实验室，以在运动过程中进行DL,CO/NO的测量。
  3. 测量受试者的身高（以厘米为单位，精确到毫米）、体重（以千克为单位，精确到100克）以及毛细血管血液中的血红蛋白浓度（Hb，以mmol/L 为单位，精确到0.1 mmol/L）。
  4. 在程序的主页上，选择患者 > 新患者（见图2A），并填写所需信息：编号、姓氏、名字、出生日期、性别、身高和体重。然后选择确定或F1继续（见图2D）。

5. 直立静息状态下的DL,CO/NO测量

注意：DL,CO/NO 的测量是根据欧洲呼吸学会（ERS）工作组当前的临床建议进行的12。

  1. 在首页选择 测量 > 一氧化氮膜扩散 （参见 图2E).
  2. 启动软件的自动重置程序，以对所有测试气体进行气体分析仪归零，并开始在连接的吸气袋中混合测试气体。通过按下按钮来启动自动重置 F1 （参见 图2F).
    1. 自动重置需要 140-210 秒。请遵循软件提供的操作说明。 以识别何时开始测量。当软件提示时，必须立即开始测量 连接患者.
  3. 让受试者坐在配备鼻夹的直立椅子上。按照下述方法指导受试者如何执行该操作。
    1. 请受试者使用鼻夹，并通过连接至 pneumotach 的口嘴进行正常的潮式呼吸。为确保测量系统的密闭性，需确保受试者的嘴唇紧闭并密封口嘴周围。 
    2. 在三次正常呼吸后，指导受试者进行一次快速的最大呼气，以达到残气量（RV）。
    3. 当达到残气量（RV）时，立即指导受试者进行一次快速的最大吸气至肺总量（TLC），目标吸气时间为 < 4 秒。在最大吸气期间，阀门打开，允许受试者吸入含有已知浓度一氧化氮（800 ppm NO/N₂）的混合气体2在吸入前，将药物加入吸气袋中。
    4. 要求受试者在肺总量（TLC）水平屏气5（4–8）秒。在吸气过程中，记录吸入容积（V我目标是达到用力肺活量（FVC）或基于体积描记法的肺活量的 ≥90%，并保持 4–8 秒的屏气时间。23 (表1).
    5. 屏气结束后，指导受试者进行一次用力、平稳且最大限度的呼气，过程中不得中断。
    6. 最大呼气后，让受试者松开咬嘴和鼻夹。软件将随后计算 DL-硝基精氨酸 和 DL,CO 无需任何指令。
  4. 在整个操作过程中使用语言鼓励，以确保受试者达到残气量（RV）和肺总量（TLC）。根据标准评估该操作的可接受性 表1.
  5. 在至少4分钟的静息洗脱期后再次执行该操作，直至两次操作均满足可接受性标准（表1或在同一实验环节中完成总共12次操作（见下文）。
  6. DL-硝基精氨酸 和 DL,CO 根据所列标准进行报告 表2我们还建议报告屏气时间、吸入容积和肺泡容积。此外，应报告可接受且可重复的操作次数；对于未满足可接受性或可重复性标准的操作所得结果，应谨慎解读。

6. 运动期间 DL,CO/NO 的测定

注意：运动期间一氧化碳/一氧化氮弥散量（DL,CO/NO）测量的时间线见图3。

  1. 将功率自行车放置在适当距离，使受试者能够通过吹嘴呼吸，同时无需改变骑行姿势。升高设备高度，确保受试者在自行车上保持正确的工作姿势进行测量（见图2）。
  2. 让受试者坐上功率自行车，并在其胸部佩戴 心率（HR）监测器。指导受试者按照步骤5.3中所述执行每一项操作。
  3. 指导受试者以次最大负荷骑行5分钟，作为测量前的热身。
  4. 将负荷增加至目标强度，同时通过按下F1 启动设备的自动重置功能（见步骤5.2）。自动重置过程持续140-210秒，足以确保受试者达到稳态。
  5. 当自动重置完成后，将吹嘴转向受试者，并在受试者继续以目标强度骑行的同时，执行如下所述的操作：
    1. 按照步骤5.4至5.5的流程进行。在每个负荷水平下评估可接受性和可重复性标准（表1），报告方式与静息状态下的测量相同（见步骤5.6和表2）。
  6. 完成操作后，取下吹嘴 并将负荷降低至15-40 W。进行2分钟的主动恢复，随后重复步骤6.4和6.5。2分钟的主动恢复期与140-210秒的自动重置时间共同提供了4-5分钟的充分洗脱期。

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结果

该方案于2021年实施，截至撰写本文时，共完成了124次运动过程中的测量（其中健康志愿者51次，不同程度慢性阻塞性肺疾病患者73次）。各项操作动作、符合可接受性和可重复性标准的数据以及失败率均列于表3中。

计算方法
以下以健康组在最大功率（Wmax）20% 时进行的首次 DL,CO/NO 操作为例，提供相应的计算过程，作为下文所述的案例研究。根据表 4中提供的实测数值，进行如下计算：

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讨论

该方案采用双测试气体单次呼吸法，在运动过程中标准化地测量DL,CO/NO。由于所获得的DL,CO/NO指标会因肺毛细血管的募集和扩张而升高，该方法可提供肺泡-毛细血管储备功能的生理学意义明确的评估指标。

实验方案中的关键步骤
该方法要求受试者先呼气至残气量（residual volume, RV），然后吸气至肺总量（total lung capacity, TLC），在此水平进行5秒的屏气，随后再呼气至残气量。这一步骤至关重要，因为在运动过程中，尤其是高强度运动时，完成该操作可能较为困难。随着运动强度的增加，通气量（VI）可能下降；若其降至低于肺活量的85%，则该操作被视为不可接受（见表1）。因此，测试操作人员必须注意观察受试者是否充分吸气，并在每次操作后立即确认屏气时间是否达到4至8秒的充分时长12。此外，在某些情况下，可能难以达到可重复性的标准；此时应报告一氧化氮弥散量（DL,NO...

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披露

本文所介绍的设备和软件并非免费。所有作者均未与提供该软件许可的任何公司有关联。所有作者声明不存在竞争性经济利益。

致谢

本研究获得了Svend Andersen基金会的经费支持。哥本哈根大学医院Rigshospitalet的物理活动研究中心获得了TrygFonden基金会的资助，项目编号分别为101390、20045和125132。JPH由HelseFonden基金会和哥本哈根大学医院Rigshospitalet资助，HLH则由Beckett基金会资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
血红蛋白检测仪 HemoCue Hb 201+ HemoCue, Brønshøj, 丹麦未知用于血红蛋白测定
耶格 MasterScreen PFT pro（肺功能检测设备）CareFusion, Höchberg, 德国未知用于测定 DLCO/NO
口器SpiroBac, Henrotech, Aartselaar, 比利时未知与肺功能检测设备配合使用（死腔容积 56 ml，气流阻力在 12 L s−1 时为 0.9 cmH2O） 
鼻夹IntraMedic, Gentofte, 丹麦JAE-892895
pneumotach（流量传感器）IntraMedic, Gentofte, 丹麦JAE-705048与肺功能检测设备配合使用
SentrySuite 软件系统Vyaire Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg, 德国未知
测试气体IntraMedic, Gentofte, 丹麦未知浓度：0.28% CO, 20.9% O2, 69.52% N2 和 9.3% He

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