Combinando a capnografia volumétrica e pletismografia barométrica para medir a relação estrutura-função do pulmão

Resumo

Aqui, descrevemos duas medidas de função pulmonar – pletismografia barométrica, que permite a medição do volume pulmonar e capnografia volumétrica, uma ferramenta para medir o espaço morto anatômico e uniformidade de vias aéreas. Estas técnicas podem ser usadas independentemente ou combinadas para avaliar a função de vias aéreas em volumes pulmonares diferentes.

Resumo

Ferramentas para medir o volume do pulmão e vias aéreas são críticas para pulmonares pesquisadores interessados em avaliar o impacto das terapias doença ou romance no pulmão. Pletismografia barométrica é uma técnica clássica para avaliar o volume pulmonar, com uma longa história de uso clínico. Capnografia volumétrica utiliza o perfil de dióxido de carbono exalado para determinar o volume das vias aéreas conduzindo, ou espaço morto e fornece um índice de homogeneidade de vias aéreas. Estas técnicas podem ser usadas independentemente ou em combinação para avaliar a dependência do volume de vias aéreas e homogeneidade no volume pulmonar. Este documento fornece instruções técnicas detalhadas para replicar essas técnicas e nossos dados representativos demonstram que o volume de vias aéreas e homogeneidade estão altamente correlacionados com volume pulmonar. Nós igualmente fornecemos uma macro para a análise dos dados Amonitorização, que podem ser modificados ou adaptados para caber diferentes desenhos experimentais. A vantagem dessas medidas é que as suas vantagens e limitações são suportadas por décadas de dados experimentais, e podem ser feitos repetidamente no mesmo assunto sem equipamento caro de imagens ou algoritmos de análise avançada tecnicamente. Estes métodos podem ser particularmente úteis para os investigadores interessados em perturbações que alteram tanto a capacidade residual funcional do volume pulmonar e das vias aéreas.

Introdução

Técnicas de lavagem de gás têm sido utilizadas há décadas para fornecer informações importantes sobre a estrutura e a uniformidade da árvore das vias respiratórias. O pulmão é classicamente descrito como tendo dois compartimentos – uma zona de condução que é composta o espaço morto anatômico e zona respiratória, onde a troca gasosa ocorre nos alvéolos. As vias aéreas realizando são denominadas como "dead space", porque não participam na troca de oxigênio e dióxido de carbono. No método de esmaecimento de gás única respiração, o perfil de concentração de um gás exalado pode ser usado para determinar o volume do espaço morto anatômico e de informação sobre a uniformidade da ventilação. Alguns métodos baseiam-se na respiração de gases inertes para fazer estas medidas (N₂, argônio, ele, SF₆, etc.). O uso de gás inerte é bem estabelecido, suportado pelo consenso científico instruções¹, e existem equipamentos comerciais disponíveis com interfaces de usuário amigável. No entanto, o perfil exalado de dióxido de carbono (CO₂) pode ser usado para derivar informações semelhantes. Avaliar o perfil de CO₂ em função do volume exalado ou capnografia volumétrica, não exige que o participante a respirar misturas de gases especiais e permite que o investigador reunir informações adicionais flexìvel sobre metabolismo e gás intercâmbio com ajuste mínimo para a técnica.

Durante uma expiração controlada, a concentração de CO₂ pode ser plotada contra o volume total expirado. No início de uma exalação, o espaço morto é preenchido com gás atmosférico. Isto reflecte-se na fase I do exalado CO₂ perfil onde há uma quantidade detectável de CO₂ (Figura 1, top). Fase II marca a transição para o gás alveolar, onde ocorre trocas gasosas e CO₂ é abundante. O volume no ponto médio da fase II é o volume do espaço morto anatômico (V_D). Fase III contém gás alveolar. Porque vias aéreas com diferentes diâmetros de vazios em taxas diferentes, a inclinação (S) da fase III fornece informações sobre a uniformidade de vias aéreas. Uma inclinação mais íngreme da fase III sugere um menos árvore uniforme das vias aéreas proximal aos bronquíolos terminais ou homogeneidade de convecção-dependente². No caso onde uma perturbação pode alterar a taxa de produção de CO₂ e fazer comparações entre indivíduos, a inclinação pode ser dividida pela área sob a curva para normalizar as diferenças no metabolismo (NS ou inclinação normalizada). Capnografia volumétrica foi usada anteriormente para avaliar as alterações no volume de vias aéreas e seguinte uniformidade de ar poluente exposição^3,4,5,6.

Transporte de gás no pulmão é governada pela difusão e convecção. Medidas de esmaecimento de respiração são altamente dependentes do fluxo de ar e o valor medido de V_D ocorre no limite de convecção-difusão. Muda a taxa de fluxo da expiração ou inalação anterior altera o local do que limite o⁷. Capnografia é também altamente dependente do volume do pulmão imediatamente anterior a manobra. Maiores volumes de pulmão dilatar as vias aéreas, resultando em maiores valores de V_D⁸. Uma solução é tornar consistentemente a medição no mesmo volume pulmonar – capacidade residual funcional normalmente (FRC). Uma alternativa, descrito aqui, é para casal capnografia volumétrica com pletismografia barométrica, a fim de obter a relação entre V_D e volume pulmonar. O participante, em seguida, executa a manobra em taxas de fluxo constante, enquanto a variação do volume pulmonar. Isto permite ainda para clássico Amonitorização medidas deve ser feito na CRF, mas também para a relação entre o volume pulmonar e o volume de espaço morto e o volume pulmonar e a homogeneidade deve ser derivado. Com efeito, o valor acrescentado do acoplamento capnografia com pletismografia provém a capacidade de testar hipóteses sobre a distensibilidade da árvore de vias aéreas e a relação estrutura-função do pulmão. Isto pode ser uma ferramenta valiosa para pesquisadores com o objetivo de quantificar a influência de vias aéreas mecânica contra o pulmão de conformidade e elastância na função pulmonar em populações saudáveis e doentes^9,10,11 . Além disso, a contabilidade para o volume de pulmão absoluta em que estão sendo realizadas as medições volumétricas Amonitorização permite que os investigadores caracterizar os efeitos das condições que podem alterar o estado de inflação do pulmão, tais como obesidade, pulmão transplante, ou intervenções como cintas de parede torácica. Capnografia volumétrica no final pode ter utilidade clínica na UTI configuração^12,13.

Protocolo

Este protocolo foi previamente aprovado pelo e segue as orientações definidas pela Universidade de Iowa Conselho de revisão institucional. Os dados mostrados foram coletados como parte de um projeto aprovado pelo Conselho de revisão institucional na Universidade de Iowa. Os participantes deram consentimento informado e os estudos foram realizados em conformidade com a declaração de Helsinque.

1. equipamento

1. Verifique a tabela de equipamento para verificar que todos os necessários equipamentos está disponível. Verifique a configuração utilizando a representação gráfica do equipamento na Figura 2.

2. pletismografia

Nota: Pletismografia barométrica é uma ferramenta clínica bem descrita e é executada usando equipamento comercial de acordo com as declarações de consenso sobre a padronização^1514,as medições do volume pulmonar. Quando necessário, pulmão fluxos e volumes são comparados com valores previstos do conjunto de dados NHANES e Goldman e Becklake¹⁶ que estão incluídos no software pletismógrafo.

1. Realize a calibração da pletismografia diariamente e antes de quaisquer experiências.
   1. Medir a temperatura, a pressão barométrica e umidade relativa do ar usando um barômetro padrão antes da calibração e insira esses valores no software do pletismógrafo como fatores de correção.
   2. Calibre o sensor de fluxo, usando uma seringa de 3L calibrado em taxas de fluxo variável. Calibre a pressão da caixa usando uma bomba de precisão de 50 mL. Transdutores de pressão de caixa devem ser verificados mensalmente e re-calibrados conforme necessário, por recomendação do fabricante.
2. Imediatamente antes da medição, colocar o participante na pletismografia de corpo inteiro e feche a porta. Fazer medições após 30-60 s, que permite o equilíbrio térmico.
   1. Instrua o participante a colocar a boca no bocal, colocar clipes de nariz e coloque suas mãos em suas bochechas. Impedir o "sopro" das bochechas durante a manobra minimiza as variações de volume resultantes de alterar o volume da boca.
   2. Instrua o participante a respirar normalmente, permitindo que pelo menos quatro respirações das marés para ser adquirida e funcional capacidade residual (FRC) para ser estabelecida.
   3. No final de uma expiração normal (FRC), feche o obturador. Treinar o participante a calça levemente em 0,5-1 respirações/s para 3-4 s. avaliar a relação entre a pressão de boca e a pletismografia pressão para garantir que é uma série de linhas sobrepostas, em linha retas sem deriva térmica.
   4. Abrir o obturador e permitir que o participante a tomar uma respiração normal. O treinador o participante a exalar de volume residual (RV), seguido por uma manobra inspiratória máxima a capacidade pulmonar total. Repita pelo menos três vezes, até são obtidos valores de CRF que concordam dentro de 5%

3. volumétrica capnografia

Nota: Etapas 3.1-3.4 são executadas antes da chegada do sujeito da pesquisa.

1. Antes de prosseguir, abordar as variáveis na tabela 1 e modificar, se necessário. É importante que essas variáveis são ajustadas durante a fase de projeto de estudo e mantidas constantes durante a duração do estudo.
   1. Antes de iniciar um novo protocolo experimental, tome cuidado para medir com precisão o tempo de atraso entre o analisador de gases, que mede a concentração de CO₂ e o pneumotach, que mede o fluxo. Isso permite que os sinais de CO₂ e o fluxo a ser alinhado.
   2. Medir o tempo de atraso experimentalmente com um fluxo de 5% de CO₂. Anexe a linha de gás para uma torneira de passagem, seguida pelo porta-voz.
   3. Abra a torneira, introduzindo o gás em uma taxa de 10 L/min. Determine o tempo médio atraso entre a resposta do pneumotach e gás analisador de mais de 10 ensaios e entrar a macro.
   4. Manter o constante atraso de tempo mantendo a taxa de amostragem do analisador. O tempo de atraso é altamente dependente da taxa de amostragem do analisador de gases e é fundamental que este permaneça constante através da experiência e entre os participantes.
2. Defina três "canais" para a coleção de fluxo, exalado CO₂ (%) e volume. Fluxo e exalado CO₂ (%) são entradas analógicas e volume é a integral do fluxo.
   1. Confirme que o fluxo e CO₂ (%) são medidos diretamente a partir do analisador de pneumotach e gás e que o volume é calculado como a integral do fluxo. A Figura 3 mostra que estes estão sendo coletados em canais 1,2 e 6.
3. Calibre o analisador de gás antes de cada utilização. Inclua o sensor de₂ O se isto está a ser medido.
   1. Zero o analisador com um gás inerte. 100% grau de calibração (< 0,01% contaminante) N₂ ou ele pode ser usado, embora hélio é preferido porque o nitrogênio pode ser contaminado com traços de oxigênio. Coloque o tubo de secagem em um saco ou se conectar a uma câmara de mistura. Lave o saco ou a câmara com gás inerte, a uma taxa de pelo menos 10 L/min. deve ter cuidado para não pressionar o sistema como isto pode afetar a calibração.
   2. Inundar o saco ou a câmara com gás inerte para deslocar O₂ e CO_2. Depois de estabilizar as concentrações exibidas de CO₂ e O₂ , ajuste os botões de zero até que ambos leem zero.
   3. Repeti com 6% CO₂ e sala de ar (20,93% O₂) como gases de calibração. Quando a concentração do gás desejado se estabiliza, ajuste o botão de calibração para coincidir com a concentração dos gases de calibração.
   4. Verifique novamente o gás inerte e os gases de calibração e ajustar o zero e span até que ambos são precisos ± 0,1%.
4. Calibre o pneumotach aquecida de acordo com as instruções do fabricante.
   1. Brevemente, permitir que o pneumotach aquecer a 37 ° C, durante pelo menos 20 min antes do estudo.
   2. Selecione o menu drop-down do canal de fluxo (canal 1), selecione a opção de menu do espirômetro e clique em Zero a zero no pneumotach. Terminar, selecionando Okey.
   3. Diretamente Conecte uma seringa de 3L para a pneumotach usando um adaptador de cabeça de fluxo. Destaca-se a respiração de calibração. Novamente, selecione o menu drop-down do canal de fluxo. Selecione o espirômetro fluxo | Calibrar, tipo em L 3 e selecione Okey"\.
   4. Verificar a calibração através da injeção de 3L no pneumotach em diferentes taxas de fluxo (0-4 L/s, 4-8 L/s e 8-12 L/s). A diferença de 3 L deve ser inferior a 5%.
5. Recolha a manobra, garantindo que duas respirações sequenciais são recolhidas e que são feitos com a mesma taxa de fluxo.
   1. Treinador de assunto para executar uma única manobra que consiste de dois pares de respirações – respiração uma treinador e um fôlego para análise. Isso é mostrado graficamente na Figura 1 (inferior).
   2. Durante a manobra, treinar os participantes para o monitor do computador, siga o guia de fluxo. O investigador pode treinar o assunto indicando "inalar agora" ou "expirar agora".
   3. Execute a manobra que existem dois pares das respirações em uma única manobra. A primeira exalação da manobra é 3 s e o segundo é o 5 s. considere adicionar uma resistor em linha com o bocal para facilitar o fluxo exalado para controle. Uma resistência com 5 cm H₂O/L/s de resistência é geralmente bem tolerada.
      Nota: É importante que se um resistor é usado, ele é usado ao longo do estudo e para todos os participantes porque aumenta a pressão de boca e vias aéreas, o que pode mudar o diâmetro das vias aéreas. Também é importante que os participantes não "comer" suas bochechas como isto aumenta o espaço morto.
6. Protocolo de medição
   1. Instrua o participante a sentar-se em linha reta com os dois pés no chão, ponha o nariz nariz clipes e coloque sua boca sobre o porta-voz.
   2. Treinador do participante para completar pelo menos um minuto de marés respirando. Isto é para as medidas de função metabólica e permite que o participante a familiarizar-se com o porta-voz. Após um minuto, pare a coleta de dados.
   3. Em seguida, treinar os participantes para variar seu volume corrente, tomando ou normal, menor ou maior do que o normal das marés respirações. Isso garante que os capnograms são obtidos em volumes pulmonares diferentes
   4. Treinador, o participante que eles devem transição ao realizar uma manobra de capnogram, assim que eles veem o rastreamento de fluxo aparecem na sua tela.
   5. Retomar a coleta de dados em um ponto aleatório no ciclo respiratório do participante. Isto permite medições a efectuar-se em volumes pulmonares diferentes.
   6. Finalmente, o treinador para executar um suspiro no final de cada manobra, completamente relaxamento dos músculos da respiração. Isto permite a FRC ser determinado.
   7. Pare a coleta de dados. Repita etapas 3.6.3-3.6.5 até manobras de pelo menos 6-8 (12 -16 pares de respirações para análise) são concluídas.

4. análise de dados

1. Exportação de dados. Para executar a macro através de, cada par de respirações deve ser exportado como um arquivo de texto simples que é então importado para a macro. Capturas de tela deste processo são dadas em suplementar a Figura 1.
   1. Destaca-se cada par de respirações, tomando cuidado destacar uma porção da exalação antes de inicia a manobra.
   2. No menu arquivo, selecione Exportare nomeie a manobra do sujeito.
   3. Use o menu drop-down em Salvar como tipo e salvar como um arquivo de dados. Em seguida, selecione salvar.
   4. Este irá pedir uma caixa de Exportação como texto para aparecer. No lado direito desmarque a opção cabeçalho de bloco colunas, hora, data, comentários e marcadores de evento.
   5. À esquerda, selecione Seleção atual e Saída NaN para valores. Selecione Downsample por e digite 10 na caixa.
   6. Selecione o Canal de fluxo e o CO₂ (%) Canal para ser exportado e clique Okay. Considere fazer duplicatas desses arquivos exportados como backups antes de iniciar a análise.
2. Realizar a análise de macro. As capturas de tela comentada passo a passo de para analisar as manobras exportadas com a macro e comparando com o volume pulmonar são dadas em suplementar Figura 2 e podem ser usadas como um guia.
   1. Abrir a macro, vá ao menu arquivo e selecione Open.
   2. Selecione o arquivo de dados salvos, salvado com a extensão. txt.
   3. Será exibida uma caixa de Assistente de importação de texto . No canto superior esquerdo, selecione delimitado e clique em seguinte. Para a etapa 2, selecione a guia em delimitadores e clique em seguinte. Para o passo 3, selecione geral sob o Formato de dados de coluna e clique em concluir.
   4. Para executar a macro, selecione View, Macro, Macro de exibição e executar em sucessão. Selecione Sim se há uma cópia de backup dos dados.
   5. Permitir que a macro executar (aproximadamente 90 s) e gerar uma pasta de trabalho com quatro folhas. De relevância para essas medições, folha 2 contém os dados numéricos e gráfico 3 contém uma trama do capnogram.
   6. Voltar para os dados e determinar o volume de FRC. Isto é identificado como o volume no final do suspiro em qual fluxo = 0 L/s.
   7. Determine o volume no qual foi iniciada a segunda expiração em cada par de respirações. Por isso subtraindo o volume FRC, o volume inicial acima ou abaixo da CRF pode ser determinado para cada respiração.

Resultados

Representante da pletismografia resultados são apresentados na Figura 4. Este participante necessárias quatro tentativas para coletar os três valores de CRF com < variabilidade de 5% da mean.%Ref reflete a porcentagem do valor previsto para cada variável com base em equações de regressão de população que levam em conta sexo, idade, raça, altura e peso

Figura 1...

Discussão

Aqui, um protocolo para a medição de homogeneidade de_D e de vias aéreas em alta definição V (inclinação) é fornecido. Estas medições podem ser feitas na CRF, ou em função do volume pulmonar. CRF de medição antes do início do experimento e depois uma perturbação permite V_D e inclinação ser plotada em função do volume pulmonar e pode fornecer informações úteis sobre a relação estrutura-função do pulmão que não é obtido a partir Capnografia no FRC sozinho.

Materiais

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