Che unisce la capnografia volumetrica e pletismografia barometrica per misurare la relazione struttura-funzione di polmone

Riepilogo

Qui, descriviamo due misure della funzione polmonare – barometrica pletismografia, che permette la misurazione del volume polmonare e capnografia volumetrica, uno strumento per misurare la spazio morto anatomico e uniformità airways. Queste tecniche possono essere utilizzate in modo indipendente o combinate per valutare la funzione airways a volumi polmonari differenti.

Abstract

Strumenti per misurare il volume del polmone e le vie respiratorie sono critici per polmonari ricercatori interessati a valutare l'impatto delle terapie di malattia o romanzo sul polmone. Pletismografia barometrica è una tecnica classica per valutare il volume polmonare con una lunga storia di uso clinico. Capnografia volumetrica utilizza il profilo di anidride carbonica espirata per determinare il volume delle vie aeree di conduzione, o dead space e fornisce un indice di omogeneità airways. Queste tecniche possono essere utilizzate indipendentemente o in combinazione per valutare la dipendenza del volume airways e omogeneità il volume polmonare. Questo documento fornisce istruzioni tecniche dettagliate per replicare queste tecniche e nostri dati rappresentativi dimostrano che il volume di airways e omogeneità sono altamente correlati al volume del polmone. Forniamo anche una macro per l'analisi dei dati capnographic, che possono essere modificati o adattati a diversi disegni sperimentali. Il vantaggio di queste misure è loro vantaggi e limitazioni sono supportati da decenni di dati sperimentali, che possono essere realizzati più volte nello stesso soggetto senza costose apparecchiature di imaging o tecnicamente algoritmi di analisi avanzate. Questi metodi possono essere particolarmente utili per i ricercatori interessati a perturbazioni che cambiare sia la capacità residua funzionale del volume del polmone e le vie respiratorie.

Introduzione

Tecniche di washout del gas sono stati utilizzati per decenni per fornire informazioni importanti circa la struttura e l'uniformità dell'albero della via aerea. Il polmone è classicamente descritto come avendo due scomparti – una zona di conduzione che comprende lo spazio morto anatomico e la zona respiratoria dove lo scambio di gas si verifica negli alveoli. Le vie aeree di conduzione sono definite come "dead space" perché non partecipano allo scambio di ossigeno e anidride carbonica. Nel metodo di interruzione gas singolo respiro, il profilo di concentrazione di un gas espirato utilizzabile per determinare il volume dello spazio morto anatomico e ricavare informazioni sull'uniformità della ventilazione. Alcuni metodi si basano sulla respirazione di gas inerti per rendere queste misure (N₂, argon, egli, SF₆, ecc.). L'uso di gas inerte è ben consolidata, supportato da dichiarazioni di consenso scientifico¹, e ci sono attrezzature commerciali disponibili con interfacce user-friendly. Tuttavia, il profilo di espirata di anidride carbonica (CO₂) utilizzabile per derivare informazioni simili. Valutando il profilo di CO₂ in funzione del volume espirato o capnografia volumetrica, non richiede al partecipante di respirare miscele di gas speciali e permette al ricercatore di raccogliere ulteriori informazioni in modo flessibile su metabolismo e gas scambio con regolazione minima alla tecnica.

Durante un'espirazione controllata, la concentrazione di CO₂ può essere tracciata contro il totale volume espirato. All'inizio di un'espirazione, lo spazio morto è riempito di gas atmosferici. Questo si riflette nella fase I di CO nell'aria espirata₂ profilo dove c'è una quantità rilevabile di CO₂ (Figura 1, alto). Fase II segna il passaggio al gas alveolare, dove lo scambio di gas avviene e CO₂ è abbondante. Il volume nel punto medio della fase II è il volume dello spazio morto anatomico (V_D). Fase III contiene gas alveolare. Perché airways con diversi diametri vuoti a velocità diverse, la pendenza (S) della fase III fornisce informazioni sull'uniformità airways. Un pendio ripido della fase III suggerisce un meno albero uniforme delle vie aeree prossimale al bronchioli terminali o disomogeneità di convezione-dipendente². Nel caso in cui una perturbazione può modificare il tasso di produzione di CO₂ e per effettuare confronti tra gli individui, la pendenza è divisibile dall'area sotto la curva per normalizzare le differenze nel metabolismo (NS o pendio normalizzato). Capnografia volumetrica è stato utilizzato in precedenza per valutare le variazioni di volume airways e segue uniformità aria inquinante dell'esposizione^3,4,5,6.

Trasporto di gas nel polmone è disciplinato dalla convezione e la diffusione. Misure di sbiaditura del singolo respiro dipendono molto dal flusso d'aria e il valore misurato di V_D si verifica al contorno di convezione-diffusione. Variare la velocità di flusso dell'espirazione o inalazione precedente cambia la posizione di quel limite⁷. Capnografia è anche altamente dipendente dal volume del polmone immediatamente precedente la manovra. Più grandi volumi polmonari dilatano le vie aeree, con conseguente più grandi valori di V_D⁸. Una soluzione consiste nel rendere coerente la misura allo stesso volume del polmone – capacità di solito funzionale residua (FRC). Un'alternativa, descritta qui, è per coppia capnografia volumetrica con pletismografia barometrica, al fine di ottenere il rapporto tra V_D e del volume polmonare. Il partecipante quindi esegue la manovra a velocità di flusso costante, pur variando il volume polmonare. Questo consente ancora classico capnographic misure da effettuarsi presso FRC, ma anche per il rapporto tra il volume polmonare e il volume dello spazio morto e tra il volume polmonare e omogeneità per essere derivato. Infatti, il valore aggiunto della capnografia di accoppiamento con pletismografia proviene dalla possibilità di testare le ipotesi circa la distensibilità dell'albero airways e la relazione struttura-funzione del polmone. Questo può essere uno strumento prezioso per gli investigatori con l'obiettivo di quantificare l'influenza delle vie aeree meccanica contro compliance polmonare ed elastanza sulla funzione polmonare in popolazioni sane e malate^9,10,11 . Inoltre, contabilità per il volume assoluto del polmone in cui vengono eseguite le misurazioni volumetriche capnographic permette ai ricercatori di caratterizzare gli effetti delle condizioni che possono alterare lo stato di inflazione del polmone, come l'obesità, polmone trapianto, o interventi come la reggiatura di parete toracica. Capnografia volumetrica può in definitiva avere utilità clinica a cure intensive impostazione^12,13.

Protocollo

Questo protocollo è stato approvato in precedenza dal e segue le linee guida impostate dall'Università di Iowa Institutional Review Board. I dati indicati sono stati raccolti nell'ambito di un progetto approvato dall'Institutional Review Board presso la University of Iowa. I partecipanti hanno dato il consenso informato e gli studi sono stati effettuati in conformità con la dichiarazione di Helsinki.

1. le attrezzature

1. Controlla la tabella di apparecchiature per verificare che tutte le necessarie attrezzature sono disponibile. Ricontrollare la configurazione utilizzando la rappresentazione grafica delle apparecchiature nella Figura 2.

2. pletismografia

Nota: Pletismografia barometrica è un attrezzo clinico ben descritto e viene eseguita utilizzando attrezzature commerciali secondo le dichiarazioni di consenso sulla standardizzazione del polmone volume misure^14,15. Quando necessario, polmone flussi e volumi vengono confrontati con i valori stimati dal set di dati NHANES e Goldman e Becklake¹⁶ che sono inclusi nel software pletismografo.

1. Eseguire la calibrazione di tutti i giorni il pletismografo e prima di eventuali esperimenti.
   1. Misurare la temperatura, la pressione barometrica e l'umidità utilizzando un barometro standard prima della taratura e inserire questi valori nel software pletismografo come fattori di correzione.
   2. Calibrare il sensore di flusso usando una siringa da 3 L calibrato alle portate variabili. Calibrare la pressione di casella utilizzando una pompa di precisione 50 mL. Trasduttori di pressione di casella dovrebbero essere controllati mensile e ricalibrato come necessario, per la raccomandazione del produttore.
2. Immediatamente prima della misurazione, posizionare il partecipante nel pletismografo tutto il corpo e chiudere la porta. Effettuare misurazioni dopo 30-60 s, che consente di equilibramento termico.
   1. Istruire il partecipante al posto loro bocca il boccaglio, mettere sulla molletta per il naso e posizionare le mani sulle guance. Prevenzione "sbuffando" delle guance durante la manovra riduce al minimo le variazioni di volume che causate dalla modifica del volume di bocca.
   2. Istruire il partecipante di respirare normalmente, permettendo almeno quattro respiri delle maree essere acquisita e funzionale capacità residua (FRC) da stabilire.
   3. Al termine di un'espirazione normale (FRC), chiudere l'otturatore. Allenare il partecipante ad ansimare leggermente a 0,5-1 respiri/s per 3-4 s. valutare la relazione tra la pressione di bocca e pletismografo per assicurare che è una serie di linee rette e sovrapposte senza deriva termica.
   4. Aprire l'otturatore e consentire al partecipante di prendere un respiro normale. Allenatore al partecipante di espirare al volume residuo (RV), seguita da una manovra inspiratoria massima di capacità polmonare totale. Ripetere almeno tre volte, fino a quando si ottengono valori FRC che d'accordo entro il 5%

3. volumetrico capnografia

Nota: Passaggi 3.1 – 3.4 vengono eseguiti prima dell'arrivo dell'oggetto di ricerca.

1. Prima di procedere, è necessario affrontare le variabili nella tabella 1 e modificare se necessario. È importante che queste variabili sono regolate durante la fase di progettazione di studio e poi mantenute costante per tutta la durata dello studio.
   1. Prima di iniziare un nuovo protocollo sperimentale, prendersi cura di misurare con precisione il tempo di ritardo tra l'analizzatore di gas, che misura la concentrazione di CO₂ e il pneumotach, che misura il flusso. Questo consente per i segnali di CO₂ e flusso essere allineati.
   2. Misurare il tempo di ritardo sperimentalmente con un flusso di 5% CO₂. Collegare la tubazione del gas a un rubinetto d'arresto, seguito dal boccaglio.
   3. Aprire il rubinetto, introducendo il gas ad un tasso di 10 L/min. determinare il tempo medio di ritardo tra la risposta dell'analizzatore gas e pneumotach oltre 10 prove e inserire la macro.
   4. Conservare la costante ritardo di tempo mantenendo la frequenza di campionamento di analizzatore. Il tempo di ritardo dipende fortemente la frequenza di campionamento dell'analizzatore gas ed è fondamentale che questo rimanga costante attraverso l'esperimento e tra i partecipanti.
2. Definire tre "canali" per la raccolta di flusso, espirata CO₂ (%) e volume. Espirata CO₂ (%) e flusso sono ingressi analogici e volume è l'integrale del flusso.
   1. Confermare che la CO₂ (%) e flusso sono misurati direttamente dall'analizzatore di gas e pneumotach e che il volume è calcolato come l'integrale del flusso. La figura 3 Mostra che questi vengono raccolti nei canali 1, 2 e 6.
3. Calibrare l'analizzatore di gas prima di ogni utilizzo. Includono il sensore₂ O se questa deve essere misurata.
   1. Zero l'analizzatore con un gas inerte. 100% di grado di calibrazione (< 0.01% contaminante) N₂ o lui possono essere utilizzato, anche se l'elio è preferito perché azoto può essere contaminato con tracce di ossigeno. Posizionare il tubo di essiccazione in un sacchetto o connettersi a una camera di miscelazione. Svuotare il sacchetto o camera con gas inerte, ad una velocità di almeno 10 L/min che cura dovrebbe essere presa non per pressurizzare il sistema come questo può influire la calibrazione.
   2. Inondare il sacchetto o il vano con gas inerte a spostare O₂ e il CO_2. Una volta visualizzate concentrazioni di CO₂ e O₂ stabilizzano, regolare le manopole di zero fino a quando entrambi hanno letto zero.
   3. Ripetere con 6% CO₂ e camera aria (20,93% O₂) come gas di taratura. Quando la concentrazione del gas desiderato si stabilizza, regolare la manopola di span per abbinare la concentrazione del gas di calibrazione.
   4. Ricontrollare il gas inerte e gas di taratura e regolazione lo zero e di span fino a quando entrambi sono accurati ± 0,1%.
4. Calibrare il pneumotach riscaldata secondo le istruzioni del produttore.
   1. Brevemente, consentire la pneumotach riscaldare a 37 ° C per almeno 20 min prima dello studio.
   2. Selezionare il menu a discesa del canale di flusso (canale 1), selezionare l'opzione di menu spirometro e fare clic su Zero a zero il pneumotach. Terminare selezionando OK.
   3. Collegare direttamente una siringa 3L pneumotach utilizzando un adattatore testa di flusso. Evidenziare il respiro di calibrazione. Ancora una volta, selezionare il menu a discesa del canale di flusso. Selezionare spirometro flusso | Calibra, digitare in 3L e selezionare OK"\.
   4. Controllare la taratura iniettando 3L pneumotach a diverse portate (0-4 L/s, 4-8 L/s e 8-12 L/s). La differenza da 3 L deve essere inferiore al 5%.
5. Raccogliere la manovra, assicurando che i due respiri sequenziali vengono raccolti e che sono fatti allo stesso tasso di flusso.
   1. Allenatore al soggetto di eseguire una singola manovra composto da due coppie di respiri – un coaching respiro e un respiro per l'analisi. Questo è illustrato graficamente nella Figura 1 (in basso).
   2. Durante la manovra, allenare i partecipanti per seguire la Guida di flusso sul monitor del computer. Lo sperimentatore può allenare il soggetto indicando "inalare ora" o "espirare ora".
   3. Eseguire la manovra in modo che ci sono due coppie di questi respiri in una singola manovra. L'espirazione prima della manovra è 3 s e il secondo è di 5 s. considerare l'aggiunta di una resistore in linea con il boccaglio al fine di rendere più facile da controllare flusso espirato. Una resistenza con 5 cm H₂O/L/s di resistenza è generalmente ben tollerata.
      Nota: È importante che se viene utilizzata una resistenza, viene utilizzato in tutto lo studio e per tutti i partecipanti perché aumenta la pressione della via aerea e bocca, che può cambiare il diametro delle vie respiratorie. È anche importante che i partecipanti non "gonfiare" loro guance come questo aumenta lo spazio morto.
6. Protocollo di misurazione
   1. Istruire il partecipante da seduti in posizione eretta con entrambi i piedi sul pavimento, mettere il naso clip sul loro naso e posizionare la bocca il boccaglio.
   2. Allenatore al partecipante di completare almeno un minuto di marea di respirazione. Questo è per le misure della funzione metabolica e permette al partecipante di familiarizzare con il boccaglio. Dopo un minuto, interrompere la raccolta dei dati.
   3. Successivamente, l'allenatore ai partecipanti per variare il loro volume corrente, presa normale, più piccolo - o più grande di respiri mareali normali. Questo assicura che la capnometria è ottenuti a volumi polmonari differenti
   4. Il partecipante che si dovrebbe passare all'esecuzione di una manovra di capnogramma, non appena vedono la traccia del flusso vengono visualizzati sullo schermo del loro allenatore.
   5. Riprendere la raccolta di dati in un punto casuale nel ciclo respiratorio del partecipante. Questo permette misurazioni da effettuare a volumi polmonari differenti.
   6. Infine, allenatore per eseguire un sospiro alla fine di ogni manovra, completamente rilassa i muscoli della respirazione. Questo consente per FRC da determinarsi.
   7. Interrompere la raccolta dei dati. Ripetere i passaggi 3.6.3-3.6.5 finché non vengono completate le manovre di almeno 6-8 (12 -16 paia di respiri per analisi).

4. analisi dei dati

1. Esportazione dei dati. Per poter eseguire la macro, ogni coppia di respiri dovrà essere esportato come un unico file di testo che viene quindi importato nella macro. Schermate di questo processo sono riportati nella supplementare nella figura 1.
   1. Evidenziare ogni paio di respiri, prendendo cura evidenziare una parte dell'espirazione, prima che inizi la manovra.
   2. Sotto il menu file, selezionare Esportae il nome di manovra del soggetto.
   3. Utilizzare il menu a discesa nella casella Salva come tipo e salvarlo come un file di dati. Quindi selezionare Salva.
   4. Questo richiederà una casella di Esportare come testo . Sulla destra deselezionare blocco intestazione colonne, ora, data, commenti e marcatori di eventi.
   5. Sulla sinistra, selezionare Selezione corrente e Output NaN per valori. Selezionare downsampling da e immettere 10 nella casella.
   6. Selezionare il Canale di flusso e la CO₂ (%) Canale da esportare e fare clic su Okay. Considerare i duplicati di questi file esportati come backup prima di iniziare l'analisi.
2. Eseguire l'analisi di macro. I colpi di schermo con annotazioni dettagliate di per analizzare le manovre esportate con la macro e il confronto con volume polmonare sono date in supplementare Figura 2 e possono essere utilizzati come una guida.
   1. Aprire la macro, andare su file e selezionare Openna.
   2. Selezionare il file di dati salvati, salvato con l'estensione. txt.
   3. Verrà visualizzata una finestra di Importazione guidata testo . In alto a sinistra, selezionare delimitato e scegliere Avanti. Per il passaggio 2, selezionare la scheda in delimitatori e scegliere Avanti. Per il passaggio 3, selezionare generale in Formato dati per colonna e fare clic su fine.
   4. Per eseguire la macro, selezionare Visualizza, Macro, Macro vista ed eseguire in successione. Selezionare Sì se c'è una copia di backup dei dati.
   5. Consentire l'esecuzione di macro (circa 90 s) e generare una cartella di lavoro con quattro fogli. Di rilevanza per queste misurazioni, foglio 2 contiene i dati numerici e grafico 3 contiene una trama del capnogramma.
   6. Tornare ai dati e determinare il volume per FRC. Questo è identificato come il volume alla fine del sospiro alle quali flusso = 0 L/s.
   7. Determinare il volume a cui era cominciato l'espirazione secondo in ogni paio di respiri. Sottraendo dal volume FRC, il volume iniziale sopra o sotto FRC può essere determinato per ogni respiro.

Risultati

Pletismografia rappresentante risultati sono riportati in Figura 4. Questo partecipante richiesto quattro tentativi al fine di raccogliere tre valori FRC con < 5% variabilità dalla mean.%Ref riflette la percentuale del valore stimato per ogni variabile basato su equazioni di regressione della popolazione che tengano conto sesso, età, razza, altezza e peso

Figura 1 (in...

Discussione

Qui, viene fornito un protocollo per la misurazione di omogeneità di_D e airways V (pendio). Possono essere misurati in FRC, o come una funzione del volume polmonare. FRC di misurazione prima dell'inizio dell'esperimento e dopo una perturbazione permette a V_D e pendio di essere tracciati in funzione del volume polmonare e può fornire informazioni utili circa il rapporto struttura-funzione del polmone che non viene ottenuto da capnografia al FRC da solo.

Vie aeree volume ...

Materiali

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