Kombination von volumetrischen Capnographie und barometrischen Plethysmographie der Lunge-Struktur-Funktions-Beziehung zu messen

Zusammenfassung

Hier beschreiben wir zwei Maßnahmen der Lungenfunktion – barometrischen Plethysmographie, wodurch die Messung von Lungenvolumen, und volumetrische Kapnografie, ein Werkzeug zur Messung der anatomischen Totraum und Atemwege Einheitlichkeit. Diese Techniken können unabhängig voneinander verwendet oder kombiniert, um die Atemwege Funktion bei verschiedenen Lungenvolumen zu beurteilen.

Zusammenfassung

Instrumenten zur Messung der Lunge und Atemwege Volumen sind entscheidend für pulmonale Forscher interessieren Bewertung der Auswirkungen der Krankheit oder Roman Therapien auf die Lunge. Barometrische Plethysmographie ist eine klassische Technik, das Lungenvolumen mit einer langen Geschichte der klinischen Anwendung zu bewerten. Volumetrische Kapnografie nutzt das Profil der ausgeatmete Kohlendioxid bestimmen die Lautstärke der leitenden Atemwege oder dead space, und enthält ein Verzeichnis der Atemwege Homogenität. Diese Techniken können unabhängig voneinander oder in Kombination verwendet werden, um die Abhängigkeit der Atemwege Volumen und Homogenität Lungenvolumen zu bewerten. Dieses Dokument enthält detaillierte technische Anleitungen, diese Techniken zu replizieren und unsere repräsentativen Daten zeigt, dass die Atemwege Volumen und Homogenität, Lungenvolumen stark korreliert sind. Wir bieten auch ein Makro für die Analyse von Capnographic Daten, die geändert oder verschiedene experimentelle Designs angepasst werden können. Der Vorteil dieser Maßnahmen ist, dass ihre Vorteile und Grenzen werden durch jahrzehntelange experimentellen Daten unterstützt, und sie wiederholt im selben Fach ohne teure bildgebende Geräte oder technisch fortgeschrittene Analysealgorithmen hergestellt werden können. Diese Methoden können besonders nützlich für die Ermittler Störungen interessiert sein, die die funktionellen Restkapazität der Lunge und Atemwege Lautstärke zu ändern.

Einleitung

Gas Auswaschung Techniken wurden jahrzehntelang zur wichtige Informationen über die Struktur und die Einheitlichkeit der Atemwege Baum. Die Lunge ist klassisch beschrieben als zwei Fächer – eine leitende Zone, die aus der anatomischen Totraum besteht und die respiratorische Zone, wo der Gasaustausch in den Alveolen auftritt. Die Durchführung von Atemwege werden als "dead Space" bezeichnet, weil sie nicht den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid beteiligt sind. In der einzigen Atemzug Gas Washout-Methode kann die Konzentration Profil eines ausgeatmeten Gases, das Volumen der anatomischen Totraum zu ermitteln und Informationen über die Einheitlichkeit der Lüftung abzuleiten verwendet werden. Einige Methoden beruhen auf die Atmung von Inertgasen, diese Maßnahmen zu machen (N₂, Argon, er, SF₆, etc.). Die Verwendung von Schutzgas ist etablierter, unterstützt durch wissenschaftliche Konsens Aussagen¹, und es gibt verfügbare kommerzielle Ausrüstung mit benutzerfreundlichen Interfaces. Jedoch kann das ausgeatmete Kohlendioxid (CO₂)-Profil verwendet werden, um ähnliche Informationen abzuleiten. Das Profil der CO₂ als Funktion der ausgeatmeten Volumen oder volumetrische Kapnografie Bewertung bedarf keiner die Teilnehmer spezielle Gasgemische atmen und ermöglicht die Ermittler weitere Informationen flexibel über Stoffwechsel und Gas sammeln tauschen Sie mit minimaler Anpassung an die Technik.

Während einer kontrollierten Ausatmung kann die Konzentration von CO₂ gegen das Gesamtvolumen der ausgeatmeten geplottet werden. Zu Beginn einer Ausatmung ist der Totraum mit atmosphärischen Gas gefüllt. Dies spiegelt sich in Phase I der ausgeatmete CO₂ wo Profil gibt es eine nicht nachweisbare Menge an CO₂ (Abbildung 1, oben). Phase II markiert den Übergang zum alveolären Gas, wo Gasaustausch auftritt und CO₂ ist reichlich vorhanden. Die in der Mitte der Phase II ist das Volumen der anatomischen Totraum (V_D). Phase III enthält alveolären Gas. Weil Airways mit unterschiedlichen Durchmessern unterschiedlich schnell leer, informiert die Steigung (S) der Phase III über Airways Einheitlichkeit. Ein steiler Hang der Phase III schlägt eine weniger einheitliches Atemwege Baum proximal zu den terminalen Bronchiolen oder Konvektion-abhängige Inhomogenität². In dem Fall, wo eine Störung der Kurs, der CO-₂ -Produktion und Vergleiche zwischen Individuen ändern kann, kann die Steigung durch die Fläche unter der Kurve für Unterschiede im Stoffwechsel (NS oder normalisierte Hang) normalisieren unterteilt werden. Volumetrische Kapnografie zuvor verwendet wurde, um die Volumenänderungen Airways bewerten und Einheitlichkeit im folgenden Luft Schadstoff Exposition^3,4,5,6.

Gastransport in der Lunge wird durch Konvektion und Diffusion geregelt. Atemzug Auswaschung Maßnahmen sind stark abhängig von der Luftmenge und der gemessene Wert der V_D tritt an der Konvektion-Diffusions-Grenze. Die Durchflussmenge der Ausatmung oder vorherigen Inhalation ändern die Position, dass Grenze⁷. Kapnografie ist auch stark abhängig von dem Volumen der Lunge unmittelbar vor dem Manöver. Größeren Lungenvolumen ausdehnen der Atemwege, was zu größeren Werten von V_D⁸. Eine Lösung soll konsequent die Messung bei gleichen Lungenvolumen – in der Regel funktionellen Restkapazität (FRC) machen. Hier eine alternative, beschriebene ist, paar die volumetrische Kapnografie mit barometrischen Plethysmographie, um das Verhältnis zwischen V_D und Lungenvolumen zu erhalten. Der Teilnehmer führt dann das Manöver zu konstanten Preisen, während das Lungenvolumen variieren. Dies ermöglicht noch für klassische Capnographic Maßnahmen bei FRC erfolgen, sondern auch für die Beziehung zwischen dem Lungenvolumen und Totraum Volumen und zwischen dem Lungenvolumen und Homogenität abgeleitet werden. In der Tat kommt der Mehrwert der Kupplung Kapnografie mit Plethysmographie von Hypothesen über die Dehnbarkeit des Baumes Airways und der Struktur-Funktions-Beziehung der Lunge zu testen. Dies ist möglicherweise ein wertvolles Werkzeug für die Ermittler mit dem Ziel, den Einfluss der Atemwege Mechanik versus Lungencompliance und Elastance auf Lungenfunktion in gesunden und Kranken Bevölkerung^{9,10,11 quantifizieren} . Darüber hinaus entfallen die absoluten Lungenvolumen, an dem die volumetrische Capnographic Messungen durchgeführt, ermöglicht Ermittler, die Auswirkungen der Bedingungen zu charakterisieren, die die Inflation Status der Lunge, wie Übergewicht, ändern kann Lungenkrebs Transplantation oder Interventionen wie Brust Wand Umreifung. Volumetrische Kapnografie möglicherweise letztlich klinischen Nutzen in der Intensivpflege Einstellung^12,13.

Protokoll

Dieses Protokoll genehmigt wurde zuvor durch und folgt die Richtlinien der University of Iowa Institutional Review Board. Angezeigten Daten wurden im Rahmen eines Projekts von der Institutional Review Board an der University of Iowa genehmigt gesammelt. Teilnehmer gaben informierte Einwilligung und die Untersuchungen wurden durchgeführt in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki.

1. Ausrüstung

1. Überprüfen Sie die Geräte-Tabelle um sicherzustellen, dass alle erforderlichen Geräte zur Verfügung steht. Überprüfen Sie die Konfiguration über die grafische Darstellung der Ausrüstung in Abbildung 2.

(2) Plethysmographie

Hinweis: Barometrische Plethysmographie ist ein gut beschriebenen klinischen Werkzeug und erfolgt über kommerzielle Ausrüstung nach den Aussagen der Konsens auf die Standardisierung der Lunge Volumen Messungen^14,15. Bei Bedarf sind Lunge fließt und Volumen im Vergleich zu vorhergesagten Werte der NHANES-Datensatz und Goldman und Becklake¹⁶ , die in der Plethysmogramm-Software enthalten sind.

1. Durchführen Sie Kalibrierung von Plethysmogramm täglich und vor alle Experimente.
   1. Messen Sie die Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit mit Hilfe eines standard-Barometer vor der Kalibrierung und geben Sie diese Werte in die Plethysmogramm-Software als Korrekturfaktoren.
   2. Der Durchflusssensor mit einer kalibrierten 3 L-Spritze bei Variablen Flussraten zu kalibrieren. Kalibrieren Sie den Kasten-Druck mit einem präzisen 50 mL Pumpe. Box-Druckwandler sollten Monats- und neu kalibriert Bedarf pro des Herstellers überprüft werden.
2. Unmittelbar vor der Messung den Teilnehmer in den ganzen Körper Plethysmogramm und schließen Sie die Tür. Machen Sie Messungen nach 30-60 s, ermöglicht eine thermische Gleichgewichtherstellung.
   1. Weisen Sie die Teilnehmer legen Sie ihren Mund auf das Mundstück, Nase Clips, und legen Sie ihre Hände auf ihren Wangen. Verhindert "schnaufen" der Wangen während des Manövers minimiert Volumenänderungen, die ergeben sich aus der Mund-Lautstärke ändern.
   2. Weisen Sie die Teilnehmer in der Regel atmen ermöglicht mindestens vier Gezeiten Atemzüge zu erworbenen und funktionellen Restkapazität (FRC) eingerichtet werden.
   3. Am Ende einer normalen Ausatmung (FRC) schließen Sie den Auslöser. Trainer die Teilnehmer zu Keuchen leicht um 0,5-1 Atemzüge/s für 3-4 s. beurteilen Sie die Beziehung zwischen dem Mund und Plethysmogramm Leistungsdruck sorgen dafür, dass es eine Reihe von sich überlappenden Linien ohne thermische Drift ist.
   4. Der Verschluss geöffnet und lassen die Teilnehmer um einen normalen Atemzug zu nehmen. Trainer der Teilnehmer auf Restvolumen (RV), gefolgt von einer maximalen inspiratorischen Manöver zum totalen Lungenkapazität ausatmen. Wiederholen Sie mindestens dreimal, FRC-Werte, die innerhalb von 5 % keine Einigung erzielt werden

(3) volumetrische Kapnografie

Hinweis: Schritte 3.1-3.4 sind vor der Ankunft der Versuchsperson durchgeführt.

1. Bevor Sie fortfahren, Adresse der Variablen in der Tabelle 1 und bei Bedarf zu ändern. Es ist wichtig, dass diese Variablen in der Entwurfsphase Studie angepasst und für die Dauer der Studie dann konstant gehalten.
   1. Bevor Sie beginnen ein neues experimentelles Protokoll, achten Sie darauf, um die zeitliche Verzögerung zwischen der Gasanalysator, die CO₂ -Konzentration misst, und der Pneumotachograph, der Fluss misst genau zu messen. Dies ermöglicht die CO₂ und Flow Signale ausgerichtet werden.
   2. Die zeitliche Verzögerung experimentell mit einem Strom von 5 % CO₂zu messen. Legen Sie die Gasleitung auf einen Absperrhahn, gefolgt von dem Mundstück.
   3. Öffnen Sie den Absperrhahn, Einführung in das Gas mit einer Rate von 10 L/min bestimmen die mittlere Zeit Verzögerung zwischen der Reaktion des Pneumotachograph und Gas Analyzer über 10 Studien und geben Sie in das Makro.
   4. Die Zeitkonstante für die Verzögerung durch die Aufrechterhaltung der Analyzer-Sampling-Rate zu erhalten. Die Zeitverzögerung ist stark abhängig von der Sampling-Rate des Analysegeräts und es ist wichtig, dass dies durch das Experiment und zwischen den Teilnehmern konstant.
2. Definieren Sie drei "Kanäle" für die Sammlung von Durchfluss, ausgeatmete CO₂ (%) und Volumen. Flow und ausgeatmete CO₂ (%) sind analoge Eingänge und Volumen ist das Integral des Flusses.
   1. Bestätigen Sie, dass Strom und CO₂ (%) direkt aus der Pneumotachograph und Gas Analyzer gemessen werden und Volumen als das Integral der Strömung berechnet wird. Abbildung 3 zeigt, dass diese in die Kanäle 1, 2 und 6 gesammelt werden.
3. Kalibrieren der Gasanalysator vor jeder Benutzung. Enthalten Sie O₂ Sensor, wenn dies gemessen werden soll.
   1. Den Analyzer mit einem inerten Gas auf Null. 100 % Kalibrierung Grade (< 0,01 % Verunreinigung) N₂ oder er kann verwendet werden, obwohl Helium bevorzugt wird, weil Stickstoff mit Spuren von Sauerstoff kontaminiert sein kann. Legen Sie das Trocknen Rohr in eine Tasche oder eine Verbindung zu einer Mischkammer. Spülen Sie den Beutel oder die Kammer mit Inertgas mit einer Rate von mindestens 10 L/min, was, die darauf geachtet werden sollte, nicht, das System unter Druck zu setzen, da dies die Kalibrierung auswirken kann.
   2. Flut der Tasche oder Kammer mit Inertgas, O₂ und CO zu verdrängen_2. Sobald die angezeigte Konzentration von CO₂ und O₂ stabilisieren, stellen Sie die Null Regler, bis sie beide Null gelesen.
   3. Als Kalibriergase mit 6 % CO₂ und Raum Luft (20,93 % O₂) wiederholen. Wenn die Konzentration der das gewünschte Gas stabilisiert hat, passen Sie die Spannen-Regler, um die Konzentration des Gases Kalibrierung entsprechen.
   4. Überprüfen Sie das Inertgas und Kalibriergase und passen Sie die Null und überspannen Sie, bis beide genaue ±0.1 sind %.
4. Kalibrieren Sie den beheizten Pneumotachograph gemäß den Anweisungen des Herstellers.
   1. Kurz, lassen Sie die Pneumotachograph auf 37 ° C für mindestens 20 Minuten vor Beginn der Studie erwärmen.
   2. Wählen Sie im Dropdown-Menü des Strömungskanals (Kanal 1), wählen Sie den Menüpunkt Spirometer , und klicken Sie auf null der Pneumotachograph auf Null. Durch die Auswahl Okayzu beenden.
   3. Schließen Sie eine 3L-Spritze direkt an die Pneumotachograph mit einer Kopf-Flow-Adapter an. Markieren Sie die Kalibrierung Atem. Wählen Sie erneut die Drop-Down-Menü des Strömungskanals. Spirometer Fluss auswählen | Kalibrieren, 3 L geben, und wählen Sie Okay"\.
   4. Überprüfen Sie die Kalibrierung durch Einspritzen von 3L in der Pneumotachograph zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten (0-4 L/s, 4-8 L/s und 8 bis 12 L/s). Der Unterschied von 3 L betragen weniger als 5 %.
5. Das Manöver, sicherzustellen, dass zwei sequentielle Atemzüge gesammelt werden und, dass sie die gleiche Durchflussmenge sind zu sammeln.
   1. Trainer zu eine einzige Manöver, bestehend aus zwei paar Atemzüge – coaching durchatmen und ein Hauch für die Analyse durchführen. Dies ist in Abbildung 1 (unten) grafisch dargestellt.
   2. Während des Manövers Trainer die Teilnehmer um die Strömungsführung auf dem Computermonitor zu folgen. Der Prüfer kann das Thema coachen, durch die Angabe "jetzt atmen" oder "Jetzt ausatmen".
   3. Führen Sie das Manöver, damit gibt es zwei Paare dieser Atemzüge in einem einzigen Manöver. Die ersten Ausatmung des Manövers ist 3 s und die zweite ist 5 S. betrachten, indem ein Widerstand in einer Linie mit dem Mundstück um ausgeatmeten fließen leichter kontrollierbar zu machen. Ein Widerstand mit 5 cm H₂O/L/s des Widerstands ist allgemein gut verträglich.
      Hinweis: Es ist wichtig, dass wenn ein Widerstand verwendet wird, es während der gesamten Studie und für jeden Teilnehmer verwendet wird, da es Mund und Atemwege Druck, erhöht die Atemwege Durchmesser ändern können. Es ist auch wichtig, dass die Teilnehmer nicht "ihre Wangen zu pusten" da dies der Totraum erhöht.
6. Messprotokoll
   1. Weisen Sie den Teilnehmer direkt mit beiden Füßen auf dem Boden sitzen, Nase Clips auf ihre Nase und ihren Mund auf das Mundstück.
   2. Trainer der Teilnehmer mindestens eine Minute der Gezeiten abschließen atmen. Dies ist für die Maßnahmen der metabolischen Funktion und ermöglicht die Teilnehmer, sich mit dem Mundstück vertraut zu machen. Stoppen Sie nach einer Minute Datenerhebung.
   3. Als nächstes Trainer die Teilnehmer um ihre Tidalvolumen, wobei entweder normal, kleiner oder größer als normale Gezeiten Atemzüge zu variieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Capnograms bei verschiedenen Lungenvolumen erreicht werden
   4. Trainer der Teilnehmer, die sie Übergang sollten zu eine Capnogram Manöver durchführen, sobald sie die Fluss-Ablaufverfolgung erscheinen auf ihrem Bildschirm sehen.
   5. Fortsetzen der Datensammlung an einer beliebigen Stelle in der Teilnehmer Atmungszyklus. Dies ermöglicht Messungen zu verschiedenen Lungenvolumen erfolgen.
   6. Zu guter Letzt Trainer zu einen Seufzer am Ende jedes Manöver, völlig entspannen die Muskeln der Atmung führen. Dies ermöglicht eine FRC bestimmt werden.
   7. Datenerhebung zu stoppen. Wiederholen Sie Schritte 3.6.3-3.6.5 bis mindestens 6-8 Manöver (12 -16 paar Atemzüge für Analyse) abgeschlossen sind.

(4) Datenanalyse

1. Exportieren von Daten. Um das Makro zu durchlaufen, muss jedes paar Atemzüge als eine einzelne Textdatei exportiert werden, die dann in das Makro importiert wird. Screenshots dieses Prozesses sind ergänzende Abbildung 1zu entnehmen.
   1. Markieren Sie jedes paar Atemzüge, dabei darauf achten, einen Teil der Ausatmung zu markieren, bevor das Manöver beginnt.
   2. Wählen Sie im Dateimenü exportierenund nennen Sie das Thema Manöver.
   3. Verwenden Sie das Dropdown-Menü unter Dateityp und speichern Sie es als eine Datendatei. Wählen Sie anschließend Speichern.
   4. Dies fordert ein Export als Textfeld angezeigt werden. Deaktivieren Sie auf der rechten Seite Block Header Spalten, Uhrzeit, Datum, Kommentare, und Ereignis-Marker.
   5. Wählen Sie auf der linken Seite Aktuelle Auswahl und Ausgang NaN für Werte. Wählen Sie herunterskalieren durch und geben Sie 10 im Feld.
   6. Wählen Sie den Strömungskanal und der CO₂ (%) Kanal exportiert werden, und klicken Sie auf OKay. Erwägen Sie, Duplikate dieser exportierten Dateien als Backup vor Beginn der Analysis.
2. Durchzuführen Sie die Makro-Analyse. Die schrittweise kommentierte Screenshots von für die Analyse von exportierten Manöver mit der Makro- und im Vergleich zu Lungenvolumen sind ergänzende Abbildung 2 gegeben und als Leitfaden verwendet werden.
   1. Öffnen Sie das Makro, gehen Sie auf Datei und wählen Sie OStift.
   2. Wählen Sie die gespeicherten Daten-Datei mit der Erweiterung .txt gespeichert.
   3. Textimport-Assistent wird angezeigt. Wählen Sie in der oberen linken Ecke Delimited aus , und klicken Sie auf weiter. Wählen Sie für Schritt 2 die Registerkarte unter Trennzeichen , und klicken Sie auf weiter. Wählen Sie Allgemeine unter Spalte Datenformat für Schritt 3 und klicken Sie auf fertig.
   4. Um das Makro auszuführen, wählen Sie Ansicht, Makro, Makro Ansicht, und Lauf in Folge. Wählen Sie Ja , wenn gibt es eine Sicherungskopie der Daten.
   5. Ermöglichen das auszuführende Makro (ca. 90 s) und erzeugen eine Arbeitsmappe mit vier Blättern. Von Relevanz für diese Messungen Blatt 2 enthält die numerischen Daten und Tabelle 3 enthält ein Grundstück von der Capnogram.
   6. Zurück zu den Daten und bestimmen Sie die Lautstärke für FRC. Diese ist gekennzeichnet als die Lautstärke am Ende der Seufzer auf die fließen = 0 L/s.
   7. Bestimmen Sie die Lautstärke an der zweiten Ausatmung in jedem paar Atemzüge begonnen wurde. Durch Subtraktion dieser aus dem FRC-Volumen, kann ab Volumen oberhalb oder unterhalb FRC für jeden Atemzug ermittelt werden.

Ergebnisse

Repräsentative Plethysmographie Ergebnisse sind in Abbildung 4angegeben. Diese Teilnehmer verpflichtet vier Versuche um drei FRC-Werte mit sammeln < 5 % Variabilität von der mean.%Ref spiegelt die Prozent des vorhergesagten Werts für jede Variable basierend auf Bevölkerung Regressionsgleichungen, die Konto-Geschlecht, Alter, Rasse, berücksichtigen Höhe und Gewicht

Abbildun...

Diskussion

Hier ist ein Protokoll zur Messung von V_D und Airways Homogenität (Neigung) zur Verfügung gestellt. Diese Messungen erfolgen bei FRC oder als Funktion des Lungenvolumens. FRC vor Beginn des Experiments und messen, nachdem eine Störung ermöglicht V_D und Neigung in Abhängigkeit von Lungenvolumen gezeichnet werden und kann nützliche Informationen über das Verhältnis von Struktur und Funktion der Lunge, die nicht von vorliegt Kapnografie bei FRC allein.

Airways Volume...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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