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Method Article
Dieses Protokoll stellt eine Methode zur Bewertung der pulmonalen alveolar-kapillaren Reserve vor, die durch kombinierte Einzelatemmessung der Diffusionskapazität zu Kohlenmonoxid (DL, CO) und Stickstoffmonoxid (DL, NO) während des Trainings gemessen wird. Annahmen und Empfehlungen für die Anwendung der Technik während des Trainings bilden die Grundlage dieses Artikels.
Die kombinierte Messung der Diffusionskapazität von Kohlenmonoxid (D L, CO) und Stickstoffmonoxid (DL, NO) ist eine nützliche Technik zur Messung der pulmonalen alveolar-kapillaren Reserve sowohl in gesunden als auch in Patientenpopulationen. Die Messung liefert eine Schätzung der Fähigkeit des Teilnehmers, Lungenkapillaren zu rekrutieren und zu dehnen. Kürzlich wurde berichtet, dass die Methode bei gesunden Probanden während des Trainings mit leichter bis mittlerer Intensität eine hohe Test-Retest-Reliabilität aufweist. Bemerkenswert ist, dass diese Technik bis zu 12 wiederholte Manöver ermöglicht und nur einen einzigen Atemzug mit einer relativ kurzen Atemhaltezeit von 5 s erfordert. Es werden repräsentative Daten vorgelegt, die die allmählichen Veränderungen von DL, NO undD L, CO von Ruhe zu Bewegung bei zunehmenden Intensitäten von bis zu 60 % der maximalen Arbeitsbelastung zeigen. Die Messung der Diffusionskapazität und die Bewertung der alveolar-kapillaren Reserve ist ein nützliches Instrument, um die Fähigkeit der Lunge zu bewerten, auf Bewegung zu reagieren, sowohl in der gesunden Bevölkerung als auch in Patientenpopulationen wie Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen.
Bewegung führt zu einem erheblichen Anstieg des Energiebedarfs im Vergleich zum Ruhezustand. Herz und Lunge reagieren mit einer Erhöhung des Herzzeitvolumens und der Beatmung, was zu einer Erweiterung des Alveolarkapillarbetts führt, hauptsächlich der Rekrutierung und Dehnung von Lungenkapillaren1. Dies gewährleistet einen ausreichenden pulmonalen Gasaustausch, der durch eine Erhöhung der pulmonalen Diffusionskapazität (DL) gemessen werden kann2,3,4. Die ersten Versuche, DL während des Trainings zu messen, liegen mehr als ein Jahrhundert zurück 5,6,7. Die Fähigkeit, DL aus dem Ruhezustand heraus zu erhöhen, wird oft als alveolar-kapillare Reserve bezeichnet 8,9.
Experimentell können die relativen Beiträge der Alveolar-Kapillarmembran-Diffusionskapazität (DM) und des pulmonalen kapillaren Blutvolumens (VC) zur alveolar-kapillaren Reserve mit verschiedenen Methoden bewertet werden, einschließlich der klassischen Mehrfachfraktionen des eingeatmeten Sauerstoffs () Methode10. Eine alternative Technik, die in diesem Zusammenhang nützlich sein kann, ist die Dual-Testgas-Methode, bei der DL zu Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffmonoxid (NO) (DL, CO/NO) gleichzeitig gemessen werden11. Diese Technik wurde in den 1980er Jahren entwickelt und macht sich die Tatsache zunutze, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von NO mit Hämoglobin (Hb) wesentlich größer ist als die von CO, so dass die pulmonale Diffusion von CO stärker von VC als von NO abhängt. Daher befindet sich der Hauptort des Widerstands (~75%) gegen CO-Diffusion innerhalb der roten Blutkörperchen. während der Hauptwiderstand (~60%) gegen NO-Diffusion an der Alveolarkapillarmembran und im Lungenplasmaliegt 12. Die gleichzeitige Messung von DL,CO undD L,NO ermöglicht somit die Bewertung der relativen Beiträge von DM und VC zu DL12, wobei die während der Belastung beobachtete Änderung vonD L,NO somit weitgehend die Ausdehnung der Alveolar-Kapillarmembran widerspiegelt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode bei der Erfassung von Messungen während des Trainings besteht darin, dass sie eine relativ kurze Atemhaltezeit (~5 s) und weniger Manöver im Vergleich zur klassischen
Technik beinhaltet, bei der mehrere wiederholte Manöver mit einem standardisierten Atemanhalten von 10 s bei unterschiedlichen Sauerstoffgehalten durchgeführt werden. Obwohl
kürzlich mit einer kürzeren Atemanhaltezeit und weniger Manövern bei jeder Intensität13 angewendet wurde. Trotzdem erlaubt es nur insgesamt sechs DL,CO-Manöver pro Sitzung, während bis zu 12 wiederholte DL,CO/NO-Manöver ohne messbare Auswirkungen auf die resultierenden Schätzungen durchgeführt werdenkönnen 14.
Dies sind wichtige Überlegungen bei der Durchführung von Messungen während des Trainings, da sowohl ein langes Atemanhalten als auch mehrere Manöver bei sehr hohen Intensitäten oder bei Patientenpopulationen mit Dyspnoe schwierig durchzuführen sein können.
Die vorliegende Arbeit enthält ein detailliertes Protokoll, einschließlich theoretischer Überlegungen und praktischer Empfehlungen zur Messung vonD L, CO/NO während des Trainings und seiner Verwendung als Index der Alveolar-Kapillar-Reserve. Diese Methode ist im experimentellen Umfeld leicht anwendbar und ermöglicht die Beurteilung, wie sich die Diffusionsbegrenzung in der Lunge auf die Sauerstoffaufnahme in verschiedenen Populationen auswirken kann.
Theorie und Messprinzipien
Die DL,CO/NO-Methode beinhaltet einen einzigen Atemzug eines Gasgemisches mit der Annahme, dass sich die Gase nach der Inhalation gleichmäßig im belüfteten Alveolarraum verteilen. Das Gasgemisch besteht aus mehreren Gasen, darunter ein inertes Prüfgas. Die Verdünnung des Tracergases im belüfteten Alveolarraum, basierend auf seinem Anteil in der endexspiratorischen Luft, kann zur Berechnung des Alveolarvolumens (VA) verwendet werden15. Das Gasgemisch enthält auch die Prüfgase CO und NO, die beide im belüfteten Alveolarraum verdünnt sind und über die Alveolar-Kapillarmembran diffundieren. Anhand ihrer Alveolarfraktionen können ihre individuellen Verschwindensraten (k), auch Diffusionskonstante genannt, aus dem Alveolarraum berechnet werden. Gemäß der Konvention wird derD L für ein Prüfgas, das während eines Einatemmanövers gemessen wird, aus der folgenden Gleichung16 abgeleitet:
wobei FA0 der alveoläre Anteil des Testgases (CO oder NO) zu Beginn des Atemanhaltens deseinzelnen DL-Manövers ist, während FA der alveoläre Anteil des Testgases am Ende des Atemanhaltens und tBH die Atemanhaltezeit ist. DL entspricht mechanisch der Leitfähigkeit des Testgases durch die Alveolarkapillarmembran, durch Plasma und das Innere der roten Blutkörperchen zu Hämoglobin. Sie hängt also sowohl von der Leitfähigkeit von DM als auch von der sogenannten spezifischen Leitfähigkeit des Lungenkapillarblutes (θ) ab, wobei letztere sowohl von der Leitfähigkeit des Prüfgases im Blut als auch von seiner Reaktionsgeschwindigkeit mit Hämoglobin10 abhängt. Da der Kehrwert des Leitwerts der Widerstand ist, hängt der Gesamtwiderstand gegen die Übertragung eines Prüfgases von den folgenden Widerständen der Reihe10 ab:
Diese Komponenten können durch gleichzeitige Messung von DL zu CO und NO unterschieden werden, da diese unterschiedliche θ-Werte haben und ihrejeweiligen DL-Werte daher unterschiedlich von VC abhängen. Die pulmonale Diffusion von CO hängt stärker von VC ab als von NO, wobei sich der Hauptwiderstandsort (~75%) gegen CO-Diffusion innerhalb der roten Blutkörperchenbefindet 12. Im Gegensatz dazu liegt der Hauptwiderstand (~60%) gegen NO-Diffusion an der Alveolarkapillarmembran und im Lungenplasma, da die Reaktionsgeschwindigkeit von NO mit Hämoglobin wesentlich größer ist als die von CO. Daher wirken sich bei gleichzeitiger Messung von DL, CO und DL,NO Änderungen sowohl von DM als auch von VC deutlich auf erstere aus. während letzteres viel weniger von VC abhängt und somit eine integrative Bewertung der Faktoren ermöglicht, die DL bestimmen.
Die Meldung von DL, CO/NO-Metriken kann mit unterschiedlichen Einheiten erfolgen. Daher verwendet die European Respiratory Society (ERS) mmol/min/kPa, während die American Thoracic Society (ATS) mL/min/mmHg verwendet. Der Umrechnungsfaktor zwischen den Einheiten beträgt 2,987 mmol/min/kPa = ml/min/mmHg.
Das Wissenschaftliche Ethikkomitee für die Hauptstadtregion Dänemarks hat zuvor die Messung von DL, CO/NO in Ruhe, während des Trainings und in Rückenlage sowohl bei gesunden Freiwilligen als auch bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) in unserer Einrichtung genehmigt (Protokolle H-20052659, H-21021723 und H-21060230).
HINWEIS: Bevor DL, CO/NO während des Trainings gemessen wird, müssen eine dynamische Spirometrie und ein kardiopulmonaler Belastungstest (CPET) durchgeführt werden. Die dynamische Spirometrie dient der Qualitätskontrolle der einzelnen DL,CO/NO-Manöver, während die CPET zur Bestimmung der Arbeitsbelastung verwendet wird, bei der DL,CO/NO während des Trainings gemessen werden soll. Bei Patienten mit eingeschränktem Luftstrom, insbesondere aufgrund einer obstruktiven Lungenerkrankung, kann es vorteilhaft sein, die dynamische Spirometrie durch eine Ganzkörperplethysmographie zu ergänzen, um ein valides Maß für die Vitalkapazität zu erhalten. Ein ärztlicher Gesundheitscheck zum Ausschluss bekannter Kontraindikationen vor Beginn der CPET wird empfohlen17. Wichtig ist, dass die CPET mindestens 48 Stunden vor der während des Trainings durchgeführten DL,CO/NO-Messung durchgeführt werden sollte, da eine vorherige intensive Betätigung dieD L bis zu mindestens 24 h beeinflussen kann18,19.
1. Dynamische Spirometrie
HINWEIS: Die dynamische Spirometrie sollte in Übereinstimmung mit den aktuellen klinischen Richtlinien des ERS und ATS20 durchgeführt werden.
2. Herz-Lungen-Belastungstest (CPET)
HINWEIS: CPET sollte in Übereinstimmung mit den aktuellen klinischen Empfehlungendurchgeführt werden 21.
3. Kalibrierung von Geräten mit Einzelatem-Diffusionskapazität
HINWEIS: Es ist notwendig, Durchflusssensoren und Gasanalysatoren zu kalibrieren, um sicherzustellen, dass die Messungen sowohl gültig als auch zuverlässig sind. Das genaue Vorgehen ist hersteller- und gerätespezifisch. Das Kalibrierungsverfahren, einschließlich der biologischen Kontrolle, sollte an jedem Studientag abgeschlossen werden, und wenn weniger als ein Studientag pro Woche durchgeführt wird, sollten zusätzliche wöchentliche Kalibrierungen durchgeführt werden. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt.
4. Vorbereitung des Teilnehmers
5. DL, CO / NO-Messung während der aufrechten Ruhe
Hinweis: DL,CO/NO-Messungen werden in Übereinstimmung mit den aktuellen klinischen Empfehlungen der ERS Task Force12 durchgeführt.
6. DL, CO / NO-Messung während des Trainings
HINWEIS: Eine Zeitleiste der DL, CO/NO-Messungen während des Trainings ist in Abbildung 3 dargestellt.
Das Protokoll wurde im Jahr 2021 implementiert und zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels wurden insgesamt 124 Messungen während des Trainings (d. h. 51 bei gesunden Freiwilligen und 73 bei Patienten mit COPD unterschiedlicher Schweregrade) durchgeführt. Die Manöver sowie Daten zu erfüllten Akzeptanz- und Wiederholbarkeitskriterien und der Ausfallrate sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Berechnungen
Als Beispiel werden hier Berechnunge...
Das Protokoll bietet einen standardisierten Ansatz für die Messung von DL, CO/NO während des Trainings mit der Dual-Testgas-Single-Breath-Technik. Da die erhaltenen DL,CO/NO-Metriken aufgrund der Rekrutierung und Dehnung der Lungenkapillaren ansteigen, liefert die Methode ein physiologisch aussagekräftiges Maß für die alveolar-kapillare Reserve.
Kritische Schritte im Protokoll
Die Methode erfordert eine Ausatmung auf das Restvolumen, gefolgt von e...
Die im Artikel vorgestellten Geräte und Software sind nicht kostenlos. Keiner der Autoren ist mit einem Unternehmen verbunden, das die Lizenz für die Software bereitstellt. Alle Autoren erklären, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.
Die Studie wurde von der Svend Andersen Stiftung finanziell unterstützt. Das Zentrum für Bewegungsforschung wird durch die TrygFonden-Zuschüsse ID 101390, ID 20045 und ID 125132 unterstützt. JPH wird von HelseFonden und dem Universitätskrankenhaus Kopenhagen, Rigshospitalet, finanziert, während HLH von der Beckett-Stiftung finanziert wird.
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 |
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