בדיקה כפולה מדידת יכולת פיזור ריאתי של גזים במהלך פעילות גופנית בבני אדם בשיטת נשימה אחת

Summary

פרוטוקול זה מציג שיטה להערכת הרזרבה הנאדית-נימית הריאתית הנמדדת על ידי מדידה משולבת של נשימה אחת של יכולת הדיפוזיה לפחמן חד חמצני (D_L,CO) ותחמוצת החנקן (D_L,NO) במהלך פעילות גופנית. הנחות והמלצות לשימוש בטכניקה במהלך התרגיל עומדות בבסיס מאמר זה.

Abstract

המדידה המשולבת של נשימה אחת של יכולת הדיפוזיה של פחמן חד חמצני (D_L,CO) ותחמוצת החנקן (D_L,NO) היא טכניקה שימושית למדידת רזרבה נאדית-נימית ריאתית הן באוכלוסיות בריאות והן באוכלוסיות מטופלות. המדידה מספקת הערכה של יכולתו של המשתתף לגייס ולסלק נימי ריאה. לאחרונה דווח כי השיטה מפגינה אמינות גבוהה של בדיקה חוזרת בקרב מתנדבים בריאים במהלך פעילות גופנית בעצימות קלה עד בינונית. יש לציין כי טכניקה זו מאפשרת עד 12 תמרונים חוזרים ונשנים ודורשת נשימה אחת בלבד עם זמן עצירת נשימה קצר יחסית של 5 שניות. נתונים מייצגים מסופקים המראים את השינויים ההדרגתיים ב- D_{L, NO} ו- D_L,CO ממנוחה לפעילות גופנית בעוצמות הולכות וגדלות של עד 60% מעומס העבודה המרבי. מדידת יכולת הדיפוזיה והערכת הרזרבה הנאדית-נימית היא כלי שימושי להערכת יכולת הריאה להגיב לפעילות גופנית הן באוכלוסייה הבריאה והן באוכלוסיות חולים כגון אלה הסובלים ממחלת ריאות כרונית.

Introduction

פעילות גופנית מובילה לעלייה ניכרת בביקוש לאנרגיה בהשוואה למצב מנוחה. הלב והריאות מגיבים על ידי הגברת תפוקת הלב ואוורור וכתוצאה מכך הרחבה של המיטה הנאדית-נימית, בעיקר גיוס וניפוח של נימי ריאה¹. זה מבטיח חילופי גז ריאתי מספיק, אשר ניתן למדוד על ידי עלייה ביכולת פיזור ריאתי (D_L)^2,3,4. הניסיונות הראשונים למדוד D_L במהלך פעילות גופנית מתוארכים לפני יותר ממאה ^5,6,7. היכולת להגדיל D_L ממצב מנוחה מכונה לעתים קרובות שמורת נאדיות-נימים ^8,9.

באופן ניסיוני, ניתן להעריך את התרומות היחסיות של יכולת פיזור קרום נאדי-נימי (D_M) ונפח דם נימי ריאתי (V_C) לרזרבה הנאדית-קפילרית בשיטות שונות, כולל השברים המרובים הקלאסיים של חמצן השראה () שיטה¹⁰. טכניקה חלופית שעשויה להיות שימושית בהקשר זה היא שיטת הגז הכפולה, שבה D_L לפחמן חד חמצני (CO) ותחמוצת החנקן (NO) (D_{L, CO/NO)} נמדדים בו זמנית¹¹. טכניקה זו פותחה בשנות השמונים, ומנצלת את העובדה שקצב התגובה של NO עם המוגלובין (Hb) גדול משמעותית מזה של CO, כך שהדיפוזיה הריאתית של CO תלויה יותר ב- V_C מאשר NO. לפיכך, האתר העיקרי של עמידות (~ 75%) לדיפוזיה של CO ממוקם בתוך תא הדם האדום, בעוד שההתנגדות העיקרית (~60%) ל- NO diffusion היא בקרום הנאדיות-נימיות ובפלזמה הריאה¹². המדידה המקבילה של D_L,CO ו- D_L,NO מאפשרת אפוא להעריך את התרומות היחסיות של D_M ו- V_C ל- D_L¹², כאשר השינוי ב- D_L,NO שנצפה במהלך התרגיל משקף במידה רבה את התרחבות הממברנה הנאדית-נימית. יתרון נוסף של שיטה זו בעת קבלת מדידות במהלך התרגיל הוא שהיא כרוכה בזמן עצירת נשימה קצר יחסית (~ 5 שניות) ופחות תמרונים בהשוואה לטכניקה הקלאסית , שבה מבוצעים תמרונים חוזרים מרובים עם עצירת נשימה סטנדרטית של 10 שניות ברמות חמצן שונות. למרות שהוחל לאחרונה עם זמן עצירת נשימה קצר יותר ופחות תמרונים בכל עוצמה¹³. עם זאת, מתיר רק שישה תמרוני D_L,CO לכל הפעלה, בעוד שניתן לבצע עד 12 תמרוני D_L,CO/NO חוזרים ונשנים ללא כל השפעה מדידה על האומדנים המתקבלים¹⁴. אלה הם שיקולים חשובים בעת קבלת מדידות במהלך פעילות גופנית, שכן הן עצירת נשימה ארוכה והן תמרונים מרובים עשויים להיות קשים לביצוע בעוצמות גבוהות מאוד או באוכלוסיות חולים שחווים קוצר נשימה.

המאמר הנוכחי מספק פרוטוקול מפורט, הכולל שיקולים תיאורטיים והמלצות מעשיות למדידת D_L,CO/NO במהלך פעילות גופנית והשימוש בו כמדד למאגר הנאדיות-נימי. שיטה זו ישימה בקלות במסגרת הניסוי ומאפשרת להעריך כיצד הגבלת הדיפוזיה בריאות עשויה להשפיע על ספיגת החמצן באוכלוסיות שונות.

תיאוריה ועקרונות מדידה
שיטת D_L,CO/NO כוללת נשימה אחת של תערובת גזים מתוך הנחה שהגזים מתפזרים באופן שווה בחלל הנאדיות המאוורר לאחר שאיפה. תערובת הגזים מורכבת ממספר גזים כולל גז נותב אינרטי. דילול גז הנותב בחלל הנאדיות המאוורר, כפי שהוא מבוסס על שבריטו באוויר הסופי, יכול לשמש לחישוב נפח הנאדית (V_A)¹⁵. תערובת הגזים כוללת גם את גז הבדיקה CO ו- NO, שניהם מדוללים בחלל הנאדיות המאוורר ומתפזרים על פני הממברנה הנאדית-נימית. בהתבסס על שברי הנאדיות שלהם, ניתן לחשב את שיעורי ההיעלמות האישיים שלהם (k), המכונה גם קבוע הדיפוזיה, ממרחב הנאדיות. על פי המוסכמות, D_L עבור גז בדיקה שנמדד במהלך תמרון נשימה אחת, נגזר על ידי המשוואה הבאה¹⁶:

כאשר F_A0 הוא החלק הנאדי של גז הבדיקה (CO או NO) בתחילת אחיזת הנשימה של תמרון D_L בודד, בעוד F_A הוא החלק הנאדי של גז הבדיקה בסוף עצירת הנשימה, ו- tBH הוא זמן עצירת הנשימה. D_L שווה מבחינה מכנית למוליכות גז הבדיקה על פני קרום הנאדיות-נימי, דרך פלזמה ופנים תאי הדם האדומים להמוגלובין. לפיכך זה תלוי הן במוליכות של D_M והן במוליכות הספציפית כביכול של דם נימי ריאתי (θ), אשר האחרון תלוי הן במוליכות גז הבדיקה בדם והן בקצב התגובה שלו עם המוגלובין¹⁰. בהתחשב בכך שהדדיות ההולכה היא התנגדות, ההתנגדות הכוללת להעברת גז בדיקה תלויה בהתנגדויות הבאות בסדרה¹⁰:

ניתן להבחין בין רכיבים אלה על ידי מדידה מקבילה של D_L ל- CO ו- NO, מכיוון שלערכים אלה יש ערכי θ שונים, ולכן ערכי D_L המתאימים שלהם תלויים באופן שונה ב- V_C. הדיפוזיה הריאתית של CO תלויה יותר ב- V_C מאשר NO, כאשר האתר העיקרי של עמידות (~ 75%) לדיפוזיה של CO ממוקם בתוך תאי הדם האדומים¹². לעומת זאת, ההתנגדות העיקרית (~60%) לדיפוזיה של NO היא בקרום הנאדיות-נימיות ובפלזמה ריאתית, מכיוון שקצב התגובה של NO עם המוגלובין גדול משמעותית מזה של CO. לפיכך, על ידי מדידה מקבילה של D_L,CO ו- D_L,NO, שינויים הן ב- D_M והן ב- V_C ישפיעו במידה ניכרת על הראשון, בעוד האחרון יהיה תלוי הרבה פחות על V_C, ובכך לאפשר הערכה אינטגרטיבית של הגורמים הקובעים D_L.

הדיווח של מדדי D_L,CO/NO עשוי להיעשות באמצעות יחידות שונות. לפיכך, החברה האירופית לנשימה (ERS) משתמשת ב-mmol/min/kPa, בעוד שהחברה האמריקאית לבית החזה (ATS) משתמשת ב-mL/min/mmHg. מקדם ההמרה בין היחידות הוא 2.987 mmol / min / kPa = mL / min / mmHg.

Protocol

הוועדה האתית המדעית לאזור הבירה של דנמרק אישרה בעבר מדידה של D_L,CO/NO במנוחה, במהלך פעילות גופנית ובתנוחת שכיבה הן במתנדבים בריאים והן בחולים עם מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD) במוסד שלנו (פרוטוקולים H-20052659, H-21021723 ו- H-21060230).

הערה: לפני מדידת D_L,CO/NO במהלך התרגיל, יש לבצע ספירומטריה דינמית ובדיקת פעילות לב-ריאה (CPET). הספירומטריה הדינמית משמשת לבקרת איכות של תמרוני D_L,CO/NO בודדים, בעוד שה-CPET משמש לקביעת עומס העבודה שבו יש למדוד D_L,CO/NO במהלך התרגיל. בחולים עם הגבלה בזרימת האוויר, בעיקר עקב מחלת ריאות חסימתית, זה עשוי להיות יתרון להשלים את הספירומטריה הדינמית עם plethysmography של כל הגוף כדי לקבל מידה תקפה של קיבולת חיונית. מומלץ לבצע בדיקת בריאות רפואית כדי לשלול התוויות נגד ידועות לפני התחלת CPET¹⁷. חשוב לציין, יש לבצע את ה-CPET לפחות 48 שעות לפני מדידת D_L,CO/NO המתקבלת במהלך התרגיל, שכן פעילות גופנית נמרצת קודמת עשויה להשפיע על D_L עד 24 שעות^{לפחות 18,19}.

1. ספירומטריה דינמית

הערה: ספירומטריה דינמית צריכה להתבצע בהתאם להנחיות הקליניות הנוכחיות של ERS ו- ATS²⁰.

1. יש למדוד משקל (ל-100 גרם הקרובים) וגובה (ל-1 מ"מ הקרובים).
2. בקשו מהמשתתפים לשבת בכיסא זקוף.
3. בצע ספירומטריה דינמית במהלך תמרון שפג תוקפו כדי לזהות את הנפח שפג תוקפו בשנייה אחת (FEV₁) ואת היכולת החיונית הכפויה (FVC) של המשתתף, כמתואר במקום אחר²⁰.

2. בדיקת פעילות גופנית לב-ריאה (CPET)

הערה: יש לבצע CPET בהתאם להמלצות הקליניות הנוכחיות²¹.

1. כוונן את ארגומטר המחזור בהתאם לגובה המתאמן והצב מד דופק (HR) על החזה.
2. הניחו את המשתתף על ארגומטר המחזור. ציידו את הנבדק במסכה המחוברת למערכת מדידה מטבולית, למדידת אוורור וחילוף גזים ריאתי במהלך הבדיקה.
3. הנחו את המשתתף להתחיל לרכוב בקצב שנבחר באופן עצמאי ≥60 סיבובים לדקה (סל"ד) ולבצע חימום של 5 דקות בעומס עבודה תת-מקסימלי בהתבסס על רמת הפעילות המדווחת על עצמו, הכושר היומי ומצב המחלה (למשל, 15-150 W).
4. הגדל את עומס העבודה ב 5-20 W בכל דקה עד שהמשתתף מגיע תשישות מרצון. התוספות צריכות להתבסס על רמת הכושר הנוכחית של המתאמן, כך שהמבחן צפוי להסתיים 8-12 דקות לאחר תחילת השלב המצטבר.
5. הנחו את המשתתף להימנע מפעילות גופנית נמרצת אחרת במשך 48 השעות הבאות.

3. כיול של ציוד בעל יכולת פיזור נשימה אחת

הערה: יש צורך לכייל חיישני זרימה ומנתחי גזים כדי להבטיח שהמדידות תקפות ואמינות. ההליך המדויק הוא ספציפי ליצרן ולמכשיר. יש להשלים את הליך הכיול, כולל בקרה ביולוגית, בכל יום לימוד, ואם מתבצע פחות מיום לימוד אחד בשבוע, יש לבצע כיולים שבועיים נוספים. מערך הניסוי מוצג באיור 1.

1. פתח את התוכנה במחשב, ותקופת חימום אוטומטית של 50 דקות תיפתח כדי להבטיח טמפרטורה מספקת של דלקת ריאות.
2. ודאו שהמכלים עם גזי הבדיקה פתוחים (ראו איור 1D).
3. בצע כיול גז על-ידי חיבור תחילה של קו הדגימה מדלקת הריאות לתוסף MS-PFT Analyzer Unit המכונה CAL (ראה איור 1B).
4. התחל את כיול הגז על-ידי בחירת כיול בדף הבית (ראה איור 2A) ובחר כיול גז. התחל את הכיול על-ידי הקשה על Start או F1 (ראה איור 2B).
5. יש לחבר את קו הדגימה לפנאומוטאך כאשר כיול הגז מתמלא ומתקבל.
6. בצע כיול נפח באמצעות מזרק 3 ליטר חוקי. התחל את כיול אמצעי האחסון על-ידי בחירה באפשרות כיול בדף הבית (ראה איור 2A) ובחר כיול עוצמת קול. התחל את הכיול על-ידי הקשה על F1, ופעל בהתאם להוראות שסופקו על-ידי התוכנה (ראה איור 2C).
7. ודא ששקית ההשראה מחוברת ליחידת האנלייזר MS-PFT (ראה איור 1C).
8. השלם את הליך הכיול על ידי ביצוע מדידת בקרה ביולוגית במנוחה בתנוחת ישיבה. זה צריך להתבצע על ידי בריא לא מעשן כדי להבטיח את האמינות של השיטה. אם השונות של הנושא הנתון משבוע לשבוע ב- D_{L, CO} או D_L,NO משתנה יותר מ- 1.6 ו- 6.5 mmol / min / kPa (5 ו- 20 mL / min / mmHg), בהתאמה, השונות יכולה לנבוע משגיאת מכונה ויש לחקור אותה עוד^{12, 22}.

4. הכנת המשתתף

1. חשב את עומס העבודה הרצוי מתוצאות CPET קודמות עבור העוצמה שנבחרה (% מעומס העבודה המרבי (W_max)) שבה יימדד D_L,CO/NO .
2. לפחות 48 שעות לאחר ביצוע ה-CPET, בקשו מהמשתתף לחזור למעבדה כדי לקבל את מדידת D_L,CO/NO במהלך התרגיל.
3. למדוד את הגובה (בס"מ למ"מ הקרוב ביותר), משקל (בק"ג עד 100 גרם הקרוב ביותר) ו- Hb מדם נימי (ב- mmol / L ל- 0.1 mmol / L הקרוב ביותר) של המטופל.
4. בדף הבית של התוכנית בחר מטופל > מטופל חדש (ראה איור 2A) ומלא את הנתונים הנדרשים: זיהוי, שם משפחה, שם פרטי, תאריך לידה, מין, גובה ומשקל המשתתף. המשך על-ידי בחירה באפשרות אישור או F1 (ראה איור 2D).

5. D_{L, CO/NO} מדידה במהלך מנוחה זקופה

הערה: מדידות D_L,CO/NO מבוצעות בהתאם להמלצות הקליניות הנוכחיות של כוח המשימה ERS¹².

1. בדף הבית, בחר מדידה > ללא פיזור קרום (ראה איור 2E).
2. הפעל את האיפוס האוטומטי של התוכנה, לאפס את מנתח הגז עבור כל גזי הבדיקה וליזום את ערבוב גזי הבדיקה בשקית ההשראה המחוברת. התחל את האיפוס האוטומטי על-ידי הקשה על F1 (ראה איור 2F).
   1. האיפוס האוטומטי אורך 140-210 שניות. שים לב להוראות שסופקו על ידי התוכנה כדי לזהות מתי להתחיל את המדידה. חשוב להתחיל את המדידה מיד עם הנחיית התוכנה לחבר את המטופל.
3. הניחו את המשתתף בכיסא זקוף המצויד באטב לאף. להדריך את המשתתף כיצד לבצע את התמרון כמתואר להלן.
   1. בקשו מהמשתתפים להשתמש באטב האף ולהתחיל בנשימת גאות ושפל רגילה דרך פיה המחוברת לדלקת ריאות. כדי להבטיח מערכת סגורה למדידות, יש לוודא שהשפתיים של המשתתפת סגורות סביב השופר.
   2. לאחר שלוש נשימות רגילות, יש להנחות את המשתתף לבצע פקיעה מקסימלית מהירה כדי להגיע לנפח שיורי (RV).
   3. כאשר מגיעים לקרוואנים, הנחו מיד את המשתתף לבצע השראה מקסימלית מהירה לקיבולת הריאה הכוללת (TLC), תוך התמקדות בזמן השראה של < 4 שניות. במהלך ההשראה המקסימלית, נפתח שסתום המאפשר למשתתף לשאוף את תערובת הגזים מעורבבת עם ריכוז ידוע של NO (800 ppm NO/N₂) בשקית השריאה ממש לפני השאיפה.
   4. בקשו מהמשתתף לבצע עצירת נשימה של 5 (4-8) שניות ב-TLC. במהלך ההשראה, כרך מעורר השראה (V_I) ≥90% מה-FVC (או יכולת חיונית מבוססת פלטיסמוגרפיה) עם זמן עצירת נשימה של 4-8 שניות מכוון²³ (טבלה 1).
   5. לאחר עצירת הנשימה, הנחו את המשתתף לבצע פקיעה מקסימלית חזקה ויציבה ללא הפרעות.
   6. לאחר התפוגה המקסימלית בקשו מהמשתתף לשחרר את השופר ואת האטם לאף. לאחר מכן התוכנה תחשב D_L,NO ו- D_L,CO ללא כל פקודה.
4. השתמש בעידוד מילולי לאורך כל התמרון כדי להבטיח שהמשתתף יגיע ל- RV ו- TLC. להעריך את קבילות התמרון לפי טבלה 1.
5. בצע את התמרון שוב לאחר פרק זמן של 4 דקות לפחות, ועד ששני תמרונים יעמדו בתנאי הקבילות (טבלה 1) או עד לביצוע סך של 12 תמרונים (ראה להלן) באותו מפגש.
6. ה- D_L,NO ו- D_L,CO מדווחים בהתאם לקריטריונים המפורטים בטבלה 2. אנו ממליצים גם על זמן עצירת נשימה, נפח השראה ונפח מכתשית כפי שדווח. כמו כן, יש לדווח על מספר התמרונים הקבילים והחוזרים על עצמם, ולפרש בזהירות ממצאים המבוססים על תמרונים שאינם עומדים בקריטריונים של קבילות או חזרתיות.

6. D_{L, CO/NO} מדידה במהלך התרגיל

הערה: ציר זמן של מדידות D_L,CO/NO במהלך פעילות גופנית מסופק באיור 3.

1. הניחו את ארגומטר המחזור במרחק המאפשר למשתתף לנשום דרך השופר ללא צורך לשנות את תנוחת המחזור. הגדל את גובה הציוד כך שניתן יהיה לבצע את המדידות עם תנוחת עבודה נכונה על האופניים (ראה איור 2).
2. הניחו את המשתתף על ארגומטר המחזור והניחו מוניטור דופק על החזה. הנחו את המשתתף לבצע כל תמרון כמתואר בשלב 5.3.
3. הנחו את המשתתף להתחיל לרכוב במשך 5 דקות בעומס עבודה תת-מקסימלי, כחימום לפני המדידה.
4. הגדל את עומס העבודה לעוצמת היעד תוך הפעלת האיפוס האוטומטי של ההתקן בו-זמנית על-ידי הקשה על F1 (ראה שלב 5.2). האיפוס האוטומטי לוקח 140-210 שניות, וזה מספיק כדי להבטיח שהמשתתף הגיע למצב יציב.
5. בסיום האיפוס האוטומטי, סובבו את השופר אל המשתתף ובצעו תמרון כמתואר להלן תוך כדי שהמשתתף ממשיך לרכוב בעצימות המטרה.
   1. בצע את השלבים בשלבים 5.4 עד 5.5. להעריך קריטריונים של קבילות וחזרתיות (טבלה 1) בכל עומס עבודה, ולדווח על מדידות בזמן מנוחה (ראה שלב 5.6 וטבלה 2).
6. לאחר השלמת התמרון, הסר את השופר והפחת את עומס העבודה ל 15-40 W. בצע את שלב ההתאוששות הפעילה במשך 2 דקות ולאחר מכן חזור על שלבים 6.4 ו 6.5. 2 דקות של התאוששות פעילה ו 140-210 שניות במהלך איפוס אוטומטי מספק זמן שטיפה מספיק של 4-5 דקות.

תוצאות

הפרוטוקול יושם בשנת 2021 ונכון לזמן כתיבת שורות אלה בוצעו בסך הכל 124 מדידות במהלך פעילות גופנית (כלומר 51 במתנדבים בריאים ו-73 בחולים עם COPD בדרגות חומרה שונות). התמרונים, כמו גם נתונים על קריטריוני קבילות וחזרתיות שהתקיימו, ושיעור הכישלון מופיעים כולם בטבלה 3.

Discussion

הפרוטוקול מספק גישה סטנדרטית למדידת D_L,CO/NO במהלך פעילות גופנית באמצעות טכניקת הנשימה הבודדת של גז הבדיקה הכפולה. מכיוון שמדדי D_L,CO/NO המתקבלים עולים עקב גיוס נימי ריאתי והתנפחות, השיטה מספקת מדד בעל משמעות פיזיולוגית של הרזרבה הנאדית-נימית.

שלבים קריטיים בפרוט...

Materials

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