Combinaison de capnographie volumétrique et pléthysmographie barométrique pour mesurer la relation Structure-fonction de poumon

Résumé

Nous décrivons ici les deux mesures de la fonction pulmonaire – pléthysmographie barométrique, qui permet la mesure du volume pulmonaire et capnographie volumétrique, un outil pour mesurer l’espace mort anatomique et uniformité des voies respiratoires. Ces techniques peuvent être utilisés indépendamment ou combinées pour évaluer la fonction airways à volumes pulmonaires différents.

Résumé

Outils permettant de mesurer le volume du poumon et des bronches sont critiques pour pulmonaires chercheurs intéressés par l’évaluation de l’impact des thérapies de la maladie ou un roman sur le poumon. Pléthysmographie barométrique est une technique classique pour évaluer le volume pulmonaire avec une longue histoire d’utilisation clinique. Capnographie volumétrique utilise le profil de dioxyde de carbone expiré pour déterminer le volume des voies aériennes conductrices ou dead space et fournit un indice d’homogénéité des voies respiratoires. Ces techniques peuvent être utilisées indépendamment ou en combinaison pour évaluer la dépendance du volume des voies respiratoires et l’homogénéité du volume pulmonaire. Cet article fournit des instructions techniques détaillées pour répliquer ces techniques et nos données représentatives démontrent que le volume des voies respiratoires et l’homogénéité sont fortement corrélés au volume pulmonaire. Nous fournissons également une macro pour l’analyse des données de capnographic, qui peuvent être modifiées ou adaptées pour s’adapter à différents modèles expérimentaux. L’avantage de ces mesures est que leurs avantages et leurs limites sont pris en charge par des décennies de données expérimentales, et elles peuvent être faites à plusieurs reprises dans le même sujet sans équipement d’imagerie coûteux ou des algorithmes d’analyse avancés techniquement. Ces méthodes peuvent être particulièrement utiles pour les chercheurs intéressés par les perturbations qui modifient les deux la capacité résiduelle fonctionnelle du volume du poumon et des bronches.

Introduction

Techniques de lavage de gaz ont servi pendant des décennies pour fournir des informations importantes concernant la structure et l’uniformité de l’arbre bronchique. Le poumon est classiquement décrit comme ayant deux compartiments – une zone conductrice qui se compose de l’espace mort anatomique et la zone respiratoire où les échanges gazeux se produit dans les alvéoles. Des voies sont désignées comme « dead space » parce qu’ils ne participent pas à l’échange d’oxygène et de dioxyde de carbone. Dans la méthode de lavage de gaz seul souffle, le profil de concentration d’un gaz exhalé peut servir à déterminer le volume de l’espace mort anatomique et pour obtenir des informations sur l’uniformité de la ventilation. Certaines méthodes sont fondées sur la respiration de gaz inertes pour rendre ces mesures (N₂, argon, il, SF₆, etc.). L’utilisation de gaz inerte est bien établie, soutenus par des déclarations de consensus scientifique¹, et il y a un appareil commercial disponible avec interfaces conviviales. Cependant, le profil expiré de dioxyde de carbone (CO₂) peut être utilisé pour dériver des informations similaires. Évaluation du profil de CO₂ en fonction du volume expiré ou capnographie volumétrique, ne nécessite pas le participant de respirer des mélanges de gaz spéciaux et permet au chercheur de recueillir des informations supplémentaires avec souplesse sur le métabolisme et gaz échanger avec ajustement minime à la technique.

Un expir contrôlé, la concentration de CO₂ peut être tracée contre le total volume expiré. Au début de l’expiration, l’espace mort est rempli de gaz atmosphérique. Ceci est reflété dans la Phase I du CO₂ expiré profil où il y a un montant indétectable de CO₂ (Figure 1, haut). Phase II marque la transition vers le gaz alvéolaire, où les échanges gazeux se produit et CO₂ est abondante. Le volume au milieu de la Phase II est le volume de l’espace mort anatomique (V_D). Phase III contient du gaz alvéolaire. Car airways avec différents diamètres de vides à des vitesses différentes, la pente (S) de la Phase III fournit des informations sur l’uniformité des voies respiratoires. Une pente plus raide de la Phase III indique un inférieur arbre uniforme bronchique proximal au bronchioles terminales ou dépendante de convection inhomogénéité². Dans le cas où une perturbation peut modifier le taux de production de CO₂ et de faire des comparaisons entre les individus, la pente peut être divisée par l’aire sous la courbe de normaliser des différences de métabolisme (NS ou pente normalisée). Capnographie volumétrique a été utilisé auparavant pour évaluer les changements dans le volume des voies respiratoires et qui suit uniformité air pollutant exposition^3,4,5,6.

Transport de gaz dans les poumons est régi par la convection et la diffusion. Mesures de lavage seul souffle dépendent fortement de l’écoulement d’air et la valeur mesurée de V_D se produit à la limite de convection-diffusion. Changer la vitesse d’écoulement de l’expiration ou inhalation précédente modifie l’emplacement de cette limite de⁷. Capnographie dépend aussi fortement le volume du poumon qui précède immédiatement la manœuvre. Grands volumes pulmonaires distendre les voies respiratoires, ce qui entraîne des valeurs plus élevées de V_D⁸. Une solution consiste à toujours faire la mesure au même volume pulmonaire – capacité résiduelle généralement fonctionnelle (FRC). Une alternative, décrite ici, est de capnographie volumétrique couple avec barométrique pléthysmographie, afin d’obtenir la relation V_D / volume pulmonaire. Le participant exécute alors la manœuvre à débit constant, tout en variant le volume pulmonaire. Cela permet encore pour capnographic classique des mesures prises à la FRC, mais aussi pour la relation entre le volume pulmonaire et le volume de l’espace mort et entre le volume pulmonaire et l’homogénéité doivent être dérivées. En effet, la valeur ajoutée de capnographie de couplage avec pléthysmographie provient de la possibilité de tester des hypothèses sur la distensibilité de l’arborescence des voies respiratoires et de la relation structure-fonction des poumons. Cela peut être un outil précieux pour les enquêteurs, qui vise à quantifier l’influence des voies respiratoires mécanique versus compliance pulmonaire et l’élastance sur la fonction pulmonaire chez les populations en bonne santé et malades^9,10,11 . En outre, représentent le volume pulmonaire absolue au cours de laquelle sont effectuées les mesures volumétriques capnographic permet aux enquêteurs caractériser les effets des conditions qui peuvent altérer l’état de l’inflation du poumon, comme l’obésité, poumon transplantation, ou interventions comme la poitrine mur cerclage. Capnographie volumétrique peut finalement avoir utilité clinique dans les soins intensifs réglage^12,13.

Protocole

Ce protocole a été préalablement approuvé par et suit les lignes directrices établies par l’Université de l’Iowa Institutional Review Board. Données présentées ont été recueillies dans le cadre d’un projet approuvé par la Commission de révision institutionnelle à l’Université de l’Iowa. Les participants ont donné un consentement éclairé et les études ont été réalisées conformément à la déclaration d’Helsinki.

1. matériel

1. Vérifiez le tableau d’équipement afin de vérifier que tous les équipements nécessaires est disponible. Vérifier la configuration en utilisant la représentation graphique de l’équipement à la Figure 2.

2. pléthysmographie

NOTE : Pléthysmographie barométrique est un outil clinique bien décrit et s’effectue à l’aide d’un appareil commercial selon les déclarations de consensus sur la standardisation de poumon volume mesures^14,15. Lorsque cela est nécessaire, volumes et débits pulmonaires sont comparées aux valeurs prédites du jeu de données NHANES et Goldman et Becklake¹⁶ qui sont inclus dans le logiciel de pléthysmographe.

1. Effectuer le calibrage de la pléthysmographie par jour et avant toutes les expériences.
   1. Mesurer la température, la pression barométrique et l’humidité relative à l’aide d’un baromètre étalon avant l’étalonnage et entrer ces valeurs dans le logiciel de pléthysmographie comme facteurs de correction.
   2. Calibrer le capteur de débit à l’aide d’une seringue de 3 L calibré à débits variables. Calibrer la pression de la boîte à l’aide d’une pompe précise 50 mL. Transducteurs de pression de boîte doivent être vérifiées mensuelles et ré-étalonné selon les besoins, par la recommandation du manufacturier.
2. Juste avant la mesure, placer le participant à la pléthysmographie de corps entier et fermer la porte. Effectuer des mesures après 30 à 60 s, ce qui permet d’équilibration thermique.
   1. Demander au participant de mettre leur bouche sur l’embout buccal, chaussez pince-nez et placent leurs mains sur leurs joues. Prévention « bouffées » des joues pendant la manœuvre minimise les variations de volume résultant de la modification du volume de la bouche.
   2. Demander au participant de respirer normalement, permettant au moins quatre respirations marées à capacité résiduelle acquise et fonctionnelle (FRC) à établir.
   3. À la fin d’une expiration normale (FRC), fermer la vanne. Entraîneur du participant à haleter légèrement à 0,5-1 respirations/s pour 3-4 s. évaluer la relation entre la pression de la bouche et la pléthysmographie pression pour s’assurer que c’est une série de lignes droites qui se chevauchent sans dérive thermique.
   4. Ouvrir l’obturateur et permettre aux participants de prendre une respiration normale. Les entraîneurs participant à expirer au volume résiduel (VR), suivie d’une manœuvre inspiratoire maximale de la capacité pulmonaire totale. Répéter au moins trois fois jusqu'à ce qu’on obtient des valeurs FRC qui conviennent au sein de 5 %

3. volumétrique capnographie

Remarque : Les étapes 3.1 à 3.4 sont effectuées avant l’arrivée de l’objet de recherches.

1. Avant de continuer, traiter les variables dans le tableau 1 et modifier si nécessaire. Il est important que ces variables soient ajustées au cours de la phase de conception d’étude et puis maintenues constantes pendant la durée de l’étude.
   1. Avant de commencer un nouveau protocole expérimental, prenez soin de mesurer avec précision le délai entre l’analyseur de gaz, qui mesure la concentration de CO₂ et le pneumotachomètre, qui mesure le débit. Cela permet pour les signaux de CO₂ et les flux doivent être alignés.
   2. Mesurer le temps de retard expérimentalement avec un courant de 5 % de CO₂. Fixez le tuyau de gaz sur un robinet d’arrêt, suivi par l’embout buccal.
   3. Ouvrir le robinet, introduisant le gaz à un débit de 10 L/min. déterminer ce temps le délai entre la réponse de l’analyseur de gaz et pneumotachomètre plus de 10 essais et entrer dans la macro.
   4. Maintenir la constante de temps du retard en maintenant le taux d’échantillonnage d’analyseur. Le délai dépend fortement de la fréquence d’échantillonnage de l’analyseur de gaz et il est essentiel que cela demeure constante à travers l’expérience et entre les participants.
2. Définir trois « chaînes » de la collection de flux, exhalé CO₂ (%) et le volume. Flux et exhalé CO₂ (%) sont des entrées analogiques et volume correspond à l’intégrale de l’écoulement.
   1. Confirmer que les flux et CO₂ (%) sont mesurées directement à partir de l’analyseur de gaz et pneumotachomètre et que le volume est calculé comme l’intégrale de l’écoulement. La figure 3 montre que celles-ci sont collectées dans les canaux 1, 2 et 6.
3. Étalonnage de l’analyseur de gaz avant chaque utilisation. Inclure le capteur₂ O s’il s’agit de mesurer.
   1. Zéro de l’analyseur avec un gaz inerte. 100 % grade de calibration (< 0,01 % contaminant) N₂ ou il peut être utilisé, bien que l’hélium est préférable, car l’azote peut-être être contaminé par des traces d’oxygène. Placer le tube de séchage dans un sac ou vous connecter à une chambre de mélange. Rincer le sac ou la chambre à gaz inerte, un taux d’au moins 10 L/min, qu'il faut ne pas pour pressuriser le système, car cela peut avoir des répercussions l’étalonnage.
   2. Inonder le sac ou la chambre avec un gaz inerte à supplanter O₂ et la CO_2. Une fois que la concentration affichée de CO₂ et O₂ stabilise, réglez les boutons de zéro jusqu'à ce qu’ils ont tous deux la mention zero.
   3. Répétez avec 6 % CO₂ et chambre air (20,93 % O₂) comme gaz d’étalonnage. Lorsque la concentration de gaz désiré se stabilise, réglez le bouton étendue pour correspondre à la concentration du gaz d’étalonnage.
   4. Revérifier le gaz inerte et le gaz d’étalonnage et de régler le zéro et couvrir avant que les deux sont précision ±0. 1 %.
4. Calibrer la pneumotachomètre chauffée selon les instructions du fabricant.
   1. En bref, laisser le pneumotachomètre se réchauffer à 37 ° C pendant au moins 20 min avant l’étude.
   2. Sélectionnez le menu déroulant du chenal d’écoulement (canal 1), sélectionnez l’option de menu spiromètre et cliquez sur zéro à zéro le pneumotachomètre. Finition en sélectionnant OK.
   3. Se connecter directement une seringue de 3L à la pneumotachomètre à l’aide d’un adaptateur de tête de débit. Mettez en surbrillance le souffle de l’étalonnage. Encore une fois, sélectionnez le menu déroulant du chenal d’écoulement. Sélectionnez le spiromètre flux | Calibrer, tapez dans 3 L, puis sélectionnez OK« \.
   4. Vérifier le calibrage en injectant 3L dans le pneumotachomètre à différents débits (0-4 L/s, 4-8 L/s et 8-12 L/s). La différence de 3 L devrait être inférieure à 5 %.
5. Recueillir la manœuvre, en veillant à ce que les deux respirations séquentielles sont collectées et qu’elles sont effectuées à la même vitesse d’écoulement.
   1. Les entraîneurs de l’objet pour effectuer une manœuvre unique composé de deux paires de respirations – une bouffée de coaching et un souffle pour analyse. Ceci est illustré graphiquement à la Figure 1 (bas).
   2. Pendant la manœuvre, les entraîneurs participants pour suivre le guide de la circulation sur l’écran d’ordinateur. L’enquêteur peut encadrer le sujet en indiquant « inspirez maintenant » ou « expirez maintenant ».
   3. Effectuer la manœuvre afin qu’il y a deux paires de ces respirations en une seule manœuvre. La premier exhalation de la manœuvre est de 3 s et le second est Consider s. 5, ajoutant une résistance en ligne avec l’embout afin de faciliter les flux expiré au contrôle. Une résistance avec 5 cm H₂O/L/s de la résistance est généralement bien tolérée.
      Remarque : Il est important que si une résistance est utilisée, il est utilisé tout au long de l’étude et pour tous les participants car elle augmente la pression de la bouche et des voies respiratoires, ce qui peut changer le diamètre des voies respiratoires. Il est également important que les participants pas « bouffent » les joues car cela augmente l’espace mort.
6. Protocole de mesure
   1. Demandez aux participants d’assis tout droit avec les deux pieds sur le sol, mettre le pince-nez sur leur nez et placer leur bouche sur l’embout buccal.
   2. Entraîneur du participant afin de remplir au moins une minute de marée de la respiration. C’est pour les mesures de la fonction métabolique et permet au participant de se familiariser avec l’embout buccal. Après une minute, arrêter la collecte de données.
   3. Ensuite, les entraîneurs participants pour faire varier leur volume de marée, ou autre de normale, petits - plus de respirations marées normales. Cela garantit que les capnograms sont obtenus à des volumes différents de poumon
   4. Entraîneur du participant qu’ils devraient la transition à l’exécution d’une manœuvre capnogramme dès qu’ils voient le traçage de flux apparaissent sur leur écran.
   5. Reprendre la collecte de données à un point aléatoire dans le cycle respiratoire du participant. Ceci permet des mesures prises à des volumes pulmonaires différents.
   6. Enfin, entraîneur d’effectuer un soupir à la fin de chaque manoeuvre, totalement relaxant les muscles de la respiration. Ceci permet à la FRC à déterminer.
   7. Arrêter la collecte de données. Répétez les étapes 3.6.3-3.6.5 jusqu'à ce que les manœuvres d’au moins 6-8 (12 -16 paires de respirations pour analyse) sont terminés.

4. analyse des données

1. Exportation de données. Pour exécuter via la macro, chaque paire de respirations doit être exporté dans un fichier texte unique qui est ensuite importé dans la macro. Captures d’écran de ce processus sont indiquées dans la Figure 1.
   1. Mettez en surbrillance chaque paire de respirations, en prenant soin de mettre en évidence une portion de l’exhalation avant le début de la manœuvre.
   2. Dans le menu fichier, sélectionnez exporteret nommez la manœuvre du sujet.
   3. Utilisez le menu déroulant sous Enregistrer comme Type et enregistrez-le sous un fichier de données. Puis sélectionnez enregistrer.
   4. Cela va amener une boîte de L’exportation dans le texte . Sur la droite, désélectionnez en-tête de bloc colonnes, heure, Date, commentaires et marqueurs de l’événement.
   5. Sur la gauche, sélectionnez Sélection actuelle et NaN de sortie pour les valeurs. Sélectionnez sous-échantillonner par et entrez 10 dans la boîte.
   6. Sélectionnez le Canal d’écoulement et le de CO₂ (%) Canal à être exporté, puis cliquez sur Okay. Pensez à faire des copies de ces fichiers exportés comme sauvegardes avant de commencer l’analyse.
2. Effectuer l’analyse macro. Les captures d’écran annotées étape par étape de pour analyser les manœuvres exportés avec la macro et le comparer au volume pulmonaire figurent dans le supplément Figure 2 et peuvent être utilisés comme un guide.
   1. Ouvrir la macro, cliquez sur fichier et sélectionnez Open.
   2. Sélectionnez le fichier de données sauvegardées, enregistré avec l’extension .txt.
   3. Une boîte de l’Assistant importation de texte s’affiche. Dans le coin supérieur gauche, sélectionnez délimité et cliquez sur suivant. Pour l’étape 2, sélectionnez l' onglet sous séparateurs et cliquez sur suivant. Pour l’étape 3, sélectionnez générales sous Format de données de colonne , puis cliquez sur terminer.
   4. Pour exécuter la macro, sélectionnez affichage, Macro, mode Macro et Run en succession. Sélectionnez Oui si il y a une copie de sauvegarde des données.
   5. Permettre l’exécution de la macro (environ 90 s) et générer un classeur avec quatre feuilles. De la pertinence de ces mesures, feuille 2 contient les données numériques et graphique 3 contient une parcelle de la capnogramme.
   6. Retour aux données et déterminer le volume de la FRC. Cela est identifié comme le volume à la fin du soupir à quel débit = 0 m/l.
   7. Déterminer le volume au cours de laquelle a commencé la deuxième expiration dans chaque paire de respirations. En soustrayant le volume de la FRC de cela, le volume de départ au-dessus ou au-dessous de FRC peut être déterminé pour chaque respiration.

Résultats

Pléthysmographie représentant résultats sont donnés en Figure 4. Ce participant requis quatre tentatives afin de rassembler des trois valeurs FRC avec < variabilité de 5 % de la mean.%Ref reflète le pourcentage de la valeur prédite pour chaque variable basé sur des équations de régression de la population qui tiennent le compte sexe, âge, race, taille et poids

Figure ...

Discussion

Ici, un protocole pour la mesure de l’homogénéité de_D et des bronches V (pente) est fourni. Ces mesures peuvent être effectuées au CFD, ou en fonction du volume pulmonaire. ERS de mesure avant le début de l’expérience et après qu’une perturbation permet de V_D et pente à tracer en fonction du volume pulmonaire et peut fournir des informations utiles sur la relation structure-fonction des poumons qui ne provient pas de capnographie au CFD seul.

Volume des voi...

matériels

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