Combina la capnografía volumétrica y la pletismografía barométrica para medir la relación estructura-función de pulmón

Resumen

Aquí, Describimos dos medidas de función pulmonar – pletismografía barométrica, que permite la medición de la capacidad pulmonar y capnografía volumétrica, una herramienta para medir el espacio muerto anatómico y la uniformidad de las vías respiratorias. Estas técnicas pueden utilizarse independientemente o en combinación para evaluar la función de las vías respiratorias en volúmenes pulmonares diferentes.

Resumen

Herramientas para medir el volumen pulmonar y las vías respiratorias son críticos para pulmonares investigadores interesados en evaluar el impacto de las terapias de la enfermedad o la novela en el pulmón. Barométrica es una técnica clásica para evaluar el volumen pulmonar con un largo historial de uso clínico. Capnografía volumétrica utiliza el perfil de dióxido de carbono exhalado para determinar el volumen de las vías aéreas de conducción o espacio muerto y proporciona un índice de homogeneidad de las vías respiratorias. Estas técnicas pueden utilizarse independientemente o en combinación para evaluar la dependencia del volumen de las vías respiratorias y la homogeneidad de capacidad pulmonar. Este artículo proporciona instrucciones detalladas técnicas para replicar estas técnicas y nuestros datos representativos demuestran que el volumen de las vías respiratorias y homogeneidad están altamente correlacionados a la capacidad pulmonar. También proporcionamos una macro para el análisis de los datos de capnographic, que pueden ser modificados o adaptados para caber diversos diseños experimentales. La ventaja de estas medidas es que sus ventajas y limitaciones son compatibles con décadas de datos experimentales, y pueden hacerse varias veces en el mismo tema sin costosos aparatos de proyección de imagen o algoritmos de análisis avanzado técnicamente. Estos métodos pueden ser particularmente útiles para los investigadores interesados en perturbaciones que cambian tanto la capacidad residual funcional del volumen del pulmón y vías respiratorias.

Introducción

Técnicas de lavado de gas se han utilizado durante décadas para proporcionar información importante sobre la estructura y la uniformidad del árbol de la vía aérea. El pulmón es clásicamente descrito como teniendo dos compartimentos – una zona conductora que está conformada por el espacio muerto anatómico y la zona respiratoria, donde se produce intercambio gaseoso en los alvéolos. Las vías aéreas conductoras se llaman como "dead space" porque no participan en el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono. En el método de lavado de gas de respiración única, el perfil de concentración de un gas espirado puede utilizarse para determinar el volumen del espacio muerto anatómico y obtener información sobre la uniformidad de la ventilación. Algunos métodos se basan en la respiración de gases inertes para hacer estas medidas (N₂, argón, él, SF₆, etc.). El uso de gas inerte está bien establecido, apoyado por declaraciones de consenso científico¹, y hay equipo comercial disponible con interfaces de usuario amigables. Sin embargo, el perfil exhalado de dióxido de carbono (CO₂) puede utilizarse para obtener información similar. Evaluar el perfil de CO₂ en función del volumen espirado, o capnografía volumétrica, no requiere el participante respirar mezclas de gases especiales y permite que el investigador recabar información adicional flexible sobre metabolismo y gas intercambio con ajuste mínimo de la técnica.

Durante una exhalación controlada, la concentración de CO₂ puede trazar contra el volumen espirado. Al principio de una exhalación, el espacio muerto se llena de gas atmosférico. Esto se refleja en la fase I del CO espirado₂ perfil donde hay una cantidad indetectable de CO₂ (figura 1, arriba). Fase II marca la transición hacia el gas alveolar, donde se produce el intercambio de gases y CO₂ es abundante. El volumen en el punto medio de la fase II es el volumen del espacio muerto anatómico (V_D). Fase III contiene gas alveolar. Porque airways con diferentes diámetros de vacíos a diferentes velocidades, la pendiente (S) de fase III proporciona información sobre la uniformidad de las vías respiratorias. Una pendiente más pronunciada de la fase III sugiere menos árbol uniforme en las vías respiratorias proximal a los bronquiolos terminales o inhomogeneidad dependiente de la convección². En el caso donde una perturbación puede cambiar la tasa de producción de CO₂ y para hacer comparaciones entre individuos, la pendiente se puede dividir por el área bajo la curva para normalizar las diferencias en el metabolismo (NS o pendiente normalizado). Capnografía volumétrica se ha utilizado anteriormente para evaluar los cambios en el volumen de las vías respiratorias y siguiente uniformidad aire agente contaminador exposición^3,4,5,6.

Transporte de gas en el pulmón se rige por convección y difusión. Medidas de aliento solo lavado depende en gran medida de flujo de aire y el valor medido de V_D ocurre en el límite de convección difusión. Cambiar la velocidad de flujo de exhalación o inhalación anterior cambia la ubicación de ese límite⁷. También es altamente dependiente en el volumen del pulmón inmediatamente anterior a la maniobra de capnografía. Grandes volúmenes pulmonares dilatan las vías respiratorias, lo que resulta en valores más grandes de V_D⁸. Una solución es siempre realizar la medición en el mismo volumen de pulmón – capacidad generalmente funcional residual (FRC). Una alternativa, descrito aquí, es pareja de capnografía volumétrica con pletismografía barométrica, para obtener la relación entre V_D y capacidad pulmonar. El participante realiza la maniobra a velocidades de flujo constante, mientras varía el volumen del pulmón. Esto todavía permite para medidas capnographic clásico en FRC, sino también para la relación entre la capacidad pulmonar y el volumen del espacio muerto y el volumen pulmonar y la homogeneidad se derivan. De hecho, el valor añadido de acoplamiento capnografía con pletismografía proviene de la capacidad para probar las hipótesis acerca de la distensibilidad del árbol de las vías respiratorias y la relación estructura y función del pulmón. Esto puede ser una herramienta valiosa para los investigadores con el objetivo de cuantificar la influencia de las vías respiratorias mecánica versus pulmón cumplimiento y elastancia sobre la función pulmonar en poblaciones sanas y enfermas,^9,10,11 . Además, contabilidad para el volumen de pulmón absoluta en que se realizan las mediciones volumétricas capnographic permite a los investigadores caracterizar los efectos de las condiciones que pueden alterar el estado de la inflación del pulmón, como la obesidad, pulmón trasplante, o intervenciones como fleje de la pared de pecho. Capnografía volumétrica en última instancia puede tener utilidad clínica en el cuidado intensivo ajuste^12,13.

Protocolo

Este protocolo ha sido aprobado previamente por y sigue los lineamientos establecidos por la Universidad de Iowa Junta de revisión institucional. Se obtuvieron datos que se muestran como parte de un proyecto aprobado por la Junta de revisión institucional en la Universidad de Iowa. Los participantes dieron consentimiento informado y los estudios fueron realizados con arreglo a la declaración de Helsinki.

1. equipo

1. Consulte la tabla del equipo para verificar que todos los necesarios equipos está disponible. Comprobaremos la configuración mediante la representación gráfica de los equipos en la figura 2.

2. pletismografía

Nota: Pletismografía barométrica es una herramienta clínica bien descrita y se realiza mediante equipos comerciales según las declaraciones de consenso en la estandarización de pulmón volumen medidas^14,15. Cuando sea necesario, volúmenes y flujos pulmonares se comparan con valores previstos del conjunto de datos NHANES y Goldman y Becklake¹⁶ incluidas en el software de pletismógrafo.

1. Realizar la calibración de la pletismografía diariamente y antes de cualquier experimentos.
   1. Medir la temperatura, presión barométrica y humedad relativa utilizando un barómetro estándar antes de la calibración e introduzca estos valores en el software de pletismógrafo como factores de corrección.
   2. Calibrar el sensor de flujo utilizando una jeringa de 3 L calibrado a velocidades de flujo variable. Calibrar la presión de la caja con una bomba de precisión 50 mL. Transductores de presión de la caja deben medirse mensualmente y volver a calibrar según sea necesario, por recomendación del fabricante.
2. Inmediatamente antes de la medición, coloque al participante en el pletismógrafo de cuerpo entero y cierre la puerta. Hacer mediciones después de 30-60 s, que permite conseguir el equilibrio térmico.
   1. Instruir al participante que coloque su boca sobre la boquilla, ponerse pinzas para la nariz y ponga sus manos sobre sus mejillas. Prevención "inflado" de las mejillas durante la maniobra minimiza los cambios en el volumen que resultan de modificar el volumen de la boca.
   2. Instruir al participante a respirar normalmente, permitiendo por lo menos cuatro respiraciones marea para ser adquirida y funcional capacidad residual (FRC) que se establecerá.
   3. Al final de una espiración normal (FRC), cerrar la compuerta. Entrenar al participante a pantalón ligeramente en 0.5-1 respiraciones/s para el 3-4 s. evaluar la relación entre la presión de la boca y la presión pletismógrafo para asegurarse de que es una serie de líneas superpuestas, recta sin deriva termal.
   4. Abra el obturador y permitir que el participante tome una respiración normal. El entrenador del participante para exhalar a volumen residual (RV), seguido de una maniobra inspiratoria máxima capacidad pulmonar total. Repetir al menos tres veces hasta que se obtienen valores FRC que dentro del 5% de acuerdo

3. volumétrico capnografía

Nota: Los pasos 3.1 – 3.4 se realizan antes de la llegada de la materia de investigación.

1. Antes, la dirección de las variables en la tabla 1 y modificar si es necesario. Es importante que estas variables son ajustadas durante la fase de diseño del estudio y luego constante durante la duración del estudio.
   1. Antes de comenzar un nuevo protocolo experimental, tenga cuidado de medir con precisión el tiempo de retardo entre el analizador de gases, que mide la concentración de CO₂ y el pneumotach, que mide el flujo. Esto permite que el CO₂ y el flujo de señales esté alineado.
   2. Medir el tiempo de retardo experimentalmente con una corriente de 5% CO₂. Conecte la línea de gas a una llave de paso, seguido por la boquilla.
   3. Abrir la llave de paso, introduciendo el gas a una velocidad de 10 L/min Determine el tiempo medio de demora entre la respuesta del analizador pneumotach y gas de más de 10 ensayos y entrar en la macro.
   4. Mantener la constante de retardo de tiempo manteniendo la frecuencia de muestreo del analizador. El tiempo de retardo es altamente dependiente de la frecuencia de muestreo del analizador de gas y es esencial que este permanece constante a través de la experiencia y entre los participantes.
2. Definir tres "canales" para la colección de flujo espirado CO₂ (%) y volumen. Flujo y espirado CO₂ (%) son entradas analógicas y volumen es la integral de flujo.
   1. Confirmar que se miden directamente en el analizador de gas y pneumotach flujo y CO₂ (%) y que el volumen se calcula como la integral de flujo. La figura 3 muestra que estos se recogen en los canales 1, 2 y 6.
3. Calibrar el analizador de gas antes de cada uso. Incluye el sensor de O₂ si se trata de medirse.
   1. Cero el analizador con un gas inerte. 100% grado de calibración (< 0,01% contaminante) N₂ o puede utilizarse, aunque el helio se prefiere porque nitrógeno puede estar contaminado con trazas de oxígeno. Coloque el tubo de secado en una bolsa o conectarse a una cámara de mezcla. Enjuague la bolsa o cámara de gas inerte a una velocidad de al menos 10 L/min que debe tener cuidado de no presurizar el sistema, esto puede afectar la calibración.
   2. Inundar la bolsa o cámara de gas inerte para desplazar O₂ y CO_2. Una vez que se estabilicen las concentraciones mostradas de CO₂ y O₂ ajuste los botones de cero hasta que ambos leen cero.
   3. Repita con el 6% CO₂ y sala aire (20.93% O₂) como gases de calibración. Cuando se estabiliza la concentración de gas deseada, ajuste la perilla span para que coincida con la concentración del gas de calibración.
   4. Vuelva a revisar el gas inerte y gases de calibración y ajuste del cero y span hasta que ambos son precisión ±0, 1%.
4. Calibrar el pneumotach climatizada según las instrucciones del fabricante.
   1. Brevemente, permiten la pneumotach calentar a 37 ° C durante al menos 20 minutos antes del estudio.
   2. Seleccione el menú desplegable del canal (canal 1), seleccione la opción de menú de espirómetro y haga clic en cero a cero el pneumotach. Acabado seleccionando bien.
   3. Directamente Conecte una jeringa de 3L a pneumotach utilizando un adaptador de cabezal de flujo. Destacar el aliento de la calibración. De nuevo, seleccione el menú desplegable del canal de flujo. Seleccione espirómetro de flujo | Calibrar, escriba en 3 L y seleccione bien"\.
   4. Compruebe la calibración inyectando 3L en el pneumotach en diferentes tasas de flujo (0-4 L/s, 4-8 L/s y 8-12 L/s). La diferencia de 3 L debe ser menos del 5%.
5. Recoger la maniobra, asegurar que se recogen dos respiraciones secuenciales y que se hacen en el mismo caudal.
   1. El entrenador del tema para realizar una sola maniobra que consiste en dos pares de respiraciones – un soplo de coaching y un aliento para el análisis. Esto se muestra gráficamente en la figura 1 (abajo).
   2. Durante la maniobra, entrenador de los participantes para seguir a la guía de flujo en la pantalla del ordenador. El investigador puede entrenar al tema indicando "inhale ahora" o "exhale ahora".
   3. Realizar la maniobra de modo que hay dos pares de estas respiraciones en una sola maniobra. La primera exhalación de la maniobra es 3 s y el segundo es 5 s. considere agregar una resistor en línea con la boquilla para facilitar flujo exhalado al control. Una resistencia con 5 cm H₂O/L/s de la resistencia es generalmente bien tolerada.
      Nota: Es importante que si se utiliza una resistencia, se utiliza durante todo el estudio y para todos los participantes porque aumenta la presión de boca y vías respiratorias, lo que puede cambiar el diámetro de las vías respiratorias. También es importante que los participantes no "soplo hacia fuera" sus mejillas como esto aumenta el espacio muerto.
6. Protocolo de medición
   1. Instruir a los participantes sentarse derecho con ambos pies en el suelo, pinzas para la nariz en su nariz y coloque su boca sobre la boquilla.
   2. Entrenador del participante para completar al menos un minuto de marea respirar. Esto es para las medidas de función metabólica y permite a los participantes a familiarizarse con la boquilla. Después de un minuto, dejar de recopilación de datos.
   3. A continuación, el entrenador los participantes para variar su volumen de marea, tomando normal, más pequeño - o más grande que la normal respiración de marea. Esto asegura que los capnograms se obtienen a volúmenes pulmonares diferentes
   4. Entrenador del participante que debe transición a realizar una maniobra de capnógrafo en cuanto ven el trazado de flujo aparece en su pantalla.
   5. Reanudar la recolección de datos en un punto al azar en el ciclo respiratorio del participante. Esto permite mediciones en volúmenes pulmonares diferentes.
   6. Por último, entrenador para llevar a cabo un suspiro al final de cada maniobra, relajando completamente los músculos de la respiración. Esto permite FRC a determinarse.
   7. Detener la recopilación de datos. Repita los pasos 3.6.3-3.6.5 hasta que se completen al menos 6-8 maniobras (12 -16 pares de respiraciones para el análisis).

4. Análisis de datos

1. Exportación de datos. Para ejecutar a través de la macro, cada par de respiraciones debe exportarse como un archivo de solo texto que luego es importado a la macro. Capturas de pantalla de este proceso se dan en el suplementario figura 1.
   1. Resalte cada par de respiraciones, tomando cuidado resaltar una porción de la exhalación, antes de que comience la maniobra.
   2. Bajo el menú Archivo, seleccione exportary nombre de la maniobra del sujeto.
   3. Utilice el menú desplegable Guardar como tipo y guárdelo como un archivo de datos. Continuación, seleccione Guardar.
   4. Esto mostrará un cuadro de Exportar como texto que aparezca. A la derecha deselecciona encabezado de bloque columnas, hora, fecha, comentarios y marcadores de evento.
   5. A la izquierda, seleccione Selección actual y NaN de salida para los valores. Seleccione reducir la resolución de e ingrese 10 en la caja.
   6. Seleccione el Canal de flujo y la de CO₂ (%) Canal para exportar y haga clic Okay. Considere hacer duplicados de los archivos exportados como copias de seguridad antes de comenzar el análisis.
2. Realizar el análisis macro. Las capturas de pantalla anotado paso a paso de para el análisis de maniobras exportados con la macro y la comparación de volumen de pulmón se dan en suplementario figura 2 y pueden utilizarse como una guía.
   1. Abra la macro, ir a archivo y seleccione Opluma.
   2. Seleccione el archivo de datos guardado, guardado con la extensión .txt.
   3. Aparecerá un cuadro de Asistente para importar texto . En la esquina superior izquierda, seleccione delimitado y haga clic en siguiente. Para el paso 2, seleccione la ficha bajo delimitadores y haga clic en siguiente. Para el paso 3, seleccione General bajo el Formato de datos de columna y haga clic en Finalizar.
   4. Para ejecutar la macro, seleccione ver, Macro, Macro de la vista y ejecutar en la sucesión. Seleccione sí si existe una copia de seguridad de los datos.
   5. Permitir que la macro ejecutar (aproximadamente 90 s) y generar un libro con cuatro hojas. De relevancia para estas mediciones, hoja 2 contiene los datos numéricos y tabla 3 contiene una parcela del capnograma.
   6. Volver a los datos y determinar el volumen de FRC. Esto se identifica como el volumen al final del suspiro en que flujo = 0 L/seg.
   7. Determinar el volumen en que se inició la segunda exhalación en cada par de respiraciones. Restando esto del volumen FRC, el volumen inicial por encima o por debajo de la FRC puede determinarse para cada respiración.

Resultados

Resultados de la pletismografía representativas se dan en la figura 4. Este participante requiere cuatro intentos para recoger tres valores FRC con < 5% la variabilidad de la mean.%Ref refleja el porcentaje del valor predicho para cada variable basado en ecuaciones de regresión de la población que tomen en cuenta sexo, edad, raza, altura y peso

Figura 1 (arriba) mues...

Discusión

Aquí, se proporciona un protocolo para la medición de homogeneidad_D y vías aéreas de V (pendiente). Estas mediciones pueden hacerse en FRC, o en función de la capacidad pulmonar. Medir la FRC antes del inicio del experimento y después de una perturbación permite V_D y pendiente a ser trazado en función de la capacidad pulmonar y puede proporcionar información útil acerca de la relación estructura y función del pulmón que no se obtiene de capnografía en FRC solo.

Materiales

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