体积摄影与气压面学相结合测量肺结构-功能关系

在这里, 我们描述了肺功能的两个度量--允许测量肺体积的气压胸透和体积毛细血管造影, 这是测量解剖死空和气道均匀性的工具。这些技术可以单独使用, 也可以结合使用, 以评估不同肺体积的气道功能。

测量肺和气道体积的工具对于有兴趣评估疾病或新疗法对肺影响的肺研究人员来说至关重要。气压胸透造影是一种经典的技术, 以评估肺体积具有悠久的临床使用历史。体积毛细管利用呼出的二氧化碳的轮廓来确定导电气道的体积, 或死的空间, 并提供了气道均匀性的指数。这些技术可以单独使用, 也可以结合使用, 以评估气道体积和同质性对肺体积的依赖性。本文提供了复制这些技术的详细技术说明, 我们的代表性数据表明, 气道体积和均匀性与肺体积高度相关。我们还提供了一个用于分析 capnox-sp衣数据的宏, 可以对其进行修改或调整, 以适应不同的实验设计。这些措施的优点是, 几十年的实验数据支持了它们的优点和局限性, 在没有昂贵的成像设备或技术先进的分析算法的情况下, 它们可以在同一主题中反复制造。这些方法可能对对改变肺和气道体积的功能残余能力的扰动感兴趣的研究人员特别有用。

几十年来, 气体冲洗技术一直被用来提供有关气道树结构和均匀性的重要信息。肺被经典地描述为有两个隔间--一个是由解剖死区和肺泡中发生气体交换的呼吸区组成的传导区。导电气道被称为 "死区", 因为它们不参与氧气和二氧化碳的交换。在单呼吸气体冲洗法中, 呼气的浓度分布可用于确定解剖死空间的体积, 并获得通风均匀性的信息。有些方法依靠惰性气体的呼吸来制定这些措施 (n₂、氩、he_、sf 6 等)。惰性气体的使用是公认的, 并得到科学共识声明¹的支持, 有可用的商业设备与用户友好的界面。然而, 二氧化碳 (co2) 呼出的剖面可用于获得类似的信息。评估二氧化碳的轮廓作为呼出体积的函数, 或体积毛细血管造影, 不需要参与者呼吸特殊的气体混合物, 并允许调查人员灵活地收集有关新陈代谢和气体的其他信息以最小的调整技术进行交换。

在控制呼气过程中, 可根据呼出量总量绘制二氧化碳的浓度。呼气开始时, 死亡空间充满了大气气体。这反映在呼出的 co2 剖面的第一阶段 , 其中有一个无法检测到的 co2 量 (图 1, 上图)。第二阶段标志着向肺泡气体的过渡, 在肺泡中发生气体交换, 而_{二氧化碳是}丰富的。第二阶段中点的体积是解剖死空间 (_vd) 的体积。第三阶段含有肺泡气体。由于不同直径的气道在不同速率下呈空, 因此第三阶段的坡度 (s) 提供了有关气道均匀性的信息。第三阶段的陡峭坡度表明, 靠近末端细支气管的气道树不那么均匀, 或与对流有关的不均匀性²。在扰动_可能改变二氧化碳产生率的情况下, 为了在个体之间进行比较, 可以将斜率除以曲线下的区域, 以使新陈代谢的差异 (ns 或归一化的坡度) 正常化。体积毛细管以前曾被用来评估空气污染物接触^{3、4、5、6}后气道体积和均匀性的变化。

肺部的气体输送受对流和扩散的影响。单次呼气冲洗措施高度依赖于气流, v_d的测量值发生在对流扩散边界。改变呼气或吸入前吸的流速会改变该边界^{的位置 7}。光肺造影也高度依赖于紧接机动之前的肺体积。较大的肺体积使气道扩张, 从而产生更大的_vd⁸值。一种解决方案是在相同的肺体积 (通常是功能剩余容量 (frc)) 下持续测量。这里描述的另一种方法是将体积毛细血管造影与气压胸透结合, 以获得 v_d与肺体积之间的关系。然后, 参与者以恒定的流速进行机动, 同时改变肺体积。这仍然允许在 frc 采取经典的捕获措施, 也允许获得肺体积与死空间体积之间的关系以及肺体积与同质性之间的关系。事实上, 耦合毛细血管造影与胸透的附加价值来自于测试关于气道树的扩张性和肺的结构-功能关系的假设的能力。这可能是一个有价值的工具, 调查人员旨在量化气道力学与肺顺应性和弹性对健康和患病人群肺功能的影响^{9, 10,11}.此外, 考虑到进行体积毛细血管测量的绝对肺体积, 调查人员可以描述肥胖、肺等可能改变肺部膨胀状态的疾病的影响移植, 或干预, 如胸壁捆绑。体积毛细血管造影可能最终有临床效用在重症监护室设置^12,13。

该议定书先前已得到爱荷华州大学机构审查委员会的批准, 并遵循了该委员会制定的准则。所显示的数据是作为爱荷华州大学机构审查委员会批准的项目的一部分收集的。与会者表示了知情同意, 并根据《赫尔辛基宣言》进行了研究。

1. 设备

1. 检查设备表, 以验证所有必需的设备是否可用。使用图 2中设备的图形描述对配置进行仔细检查。

2. 胸次电图

注: 气压胸透摄影是一种描述良好的临床工具, 根据标准化肺体积测量^14,15的共识声明, 使用商业设备进行。必要时, 将肺流量和体积与 nhane 数据集以及高盛和 becklake 16 中包含的预测值进行比较, 这些值包含在胸透软件中。

1. 每天和实验前对胸透进行校准。
   1. 在校准前使用标准气压计测量温度、气压和相对湿度, 并将这些值输入到胸透软件中作为校正因子。
   2. 使用校准的3l 注射器以可变流量校准流量传感器。使用精确的50毫升泵校准箱体压力。箱式压力传感器应按月检查, 并根据制造商的要求根据需要重新校准。
2. 在测量之前, 将参与者放置在全身的全透测声仪中, 并关闭车门。在30-60 后进行测量, 从而实现热平衡。
   1. 指示参与者将嘴放在喉舌上, 放在鼻子夹子上, 双手放在脸颊上。防止在动作过程中 "膨化" 脸颊的体积变化, 导致改变嘴的体积。
   2. 指示参与者正常呼吸, 允许获得至少四次潮汐呼吸, 并建立功能剩余能力 (frc)。
   3. 在正常呼气 (frc) 结束时, 关闭快门。在0.5-1 呼吸的情况下, 指导参与者轻拍 3-4 s. 评估口腔压力与胸透压力之间的关系, 以确保它是一系列重叠的直线, 没有热漂移。
   4. 打开快门, 让参与者正常呼吸。指导参与者呼气到剩余体积 (rv), 然后进行最大的吸气机动到总肺活量。重复至少三次, 直到获得5% 以内的 frc 值

3. 体积摄影

注: 步骤3.1–3.4 在研究对象到达之前执行。

1. 在继续之前, 请处理表 1中的变量, 并根据需要进行修改。重要的是, 这些变量在研究设计阶段进行调整, 然后在研究期间保持不变。
   1. 在开始新的实验方案之前, 注意准确测量测量 co2 浓度的气体分析仪与测量流量的气动分析仪之间的时间延迟。这使得 co₂和流动信号能够对齐。
   2. 用5% 的 co2 流进行实验测量时滞.将煤气管道连接到一个旋塞上, 然后是喉舌。
   3. 打开塞子, 以 10 l/min 的速度引入气体, 确定气囊和气体分析仪在10次试验中的平均响应之间的时间延迟, 并进入宏。
   4. 通过维护分析仪的采样率来保持时滞常数。时间延迟在很大程度上取决于气体分析仪的采样率, 通过实验和参与者之间保持不变至关重要。
2. 定义三个 "通道", 用于收集流量、呼出的 co2 (%) 和体积。流量和呼出的 co2 (%) 是模拟输入, 体积是流量的积分.
   1. 确认流量和 co2 (%) 直接从气动和气体分析仪测量, 并将流量计算为流量的积分。图 3显示了这些是在通道1、2和6中收集的。
3. 每次使用前校准气体分析仪。如果要测量 , 请包括 o2 传感器。
   1. 用惰性气体将分析仪归零。100% 定标等级 (和 lt;0.01 1% 的污染物) n₂或 he 可以使用, 尽管最好使用氦, 因为氮可能被微量氧气污染。将干燥管放入袋子中或连接到混合室。用惰性气体冲洗袋子或室, 速度至少为 10 l/min. 应注意不要给系统加压, 因为这会影响校准。
   2. 用惰性气体淹没袋子或商会, 以取代 o2和 co_2.一旦显示的 co2 和 o₂浓度稳定, 调整零旋钮, 直到它们都读零。
   3. 重复使用 6% co 2和室内空气 (20.93 o2)作为校准气体。当所需气体的浓度稳定时, 调整跨度旋钮以匹配校准气体的浓度。
   4. 重新检查惰性气体和校准气体, 并调整零和跨度, 直到两者精确±0.1%。
4. 根据制造商的说明校准加热的气轴。
   1. 简单地说, 在研究前至少 20分钟, 让肺气肿加热到37°c。
   2. 选择流通道的下拉菜单 (通道 1), 选择 "螺旋计" 菜单选项, 然后单击 "零" 以使气子为零。通过选择"确定" 完成.
   3. 使用流头适配器将3l 注射器直接连接到气动器。突出显示校准功能。再次, 选择流通道的下拉菜单。选择螺旋仪流量校准, 键入 3l, 然后选择"好"。
   4. 通过以不同的流速 (0-4 ls、4-8 ls 和 8-12 lss) 向气动器中注入3l 来检查校准。与3升的差应该小于5%。
5. 收集机动, 确保收集两个连续的呼吸, 并以相同的流速进行。
   1. 指导主体执行由两对呼吸组成的单一动作--教练呼吸和分析呼吸。图 1 (下图) 以图形方式显示了这一点。
   2. 在机动过程中, 指导参与者按照电脑显示器上的流量指南进行操作。调查人员可以通过表示 "现在吸气" 或 "现在呼气" 来指导这个问题。
   3. 执行机动, 以便在一次机动中有两对这些呼吸。机动的第一次呼气是 3秒, 第二次呼气是 5秒, 考虑增加一个与喉舌在线的电阻器, 以便更容易控制呼出的流量。具有5厘米 h₂o/l 的抵抗通常是耐受性良好的。
      注: 重要的是, 如果使用电阻, 它是在整个研究和每个参与者使用, 因为它增加嘴和气道压力, 这可能会改变气道直径。同样重要的是, 参与者不要 "吹出" 脸颊, 因为这会增加死亡空间。
6. 测量协议
   1. 指示参与者坐直, 双脚放在地板上, 把鼻子夹放在鼻子上, 把嘴巴放在喉舌上。
   2. 指导参与者完成至少一分钟的潮汐呼吸。这是为了衡量代谢功能, 并允许参与者熟悉喉舌。一分钟后, 停止数据收集。
   3. 接下来, 指导参与者改变他们的潮汐体积, 采取正常, 小或比正常的潮汐呼吸大。这确保了在不同的肺体积下获得的毛细血管图
   4. 指导参与者, 一旦看到流跟踪出现在屏幕上, 就应该过渡到执行毛细管动作。
   5. 在参与者的呼吸周期中的随机点恢复数据收集。这样就可以在不同的肺体积下进行测量。
   6. 最后, 教练在每次动作结束时进行一次叹息, 完全放松呼吸的肌肉。这就允许确定 frc。
   7. 停止数据收集。重复步骤 3.6.3-3.6.5, 直到完成至少6-8 次机动 (12-16 对呼吸进行分析)。

4. 数据分析

1. 导出数据。若要运行宏, 必须将每一对呼吸导出为单个文本文件, 然后将其导入到宏中。此过程的屏幕截图在补充图 1中给出。
   1. 突出每一对呼吸, 注意在机动开始前突出一部分呼气。
   2. 在文件菜单下, 选择 "导出", 然后命名主题的操作。
   3. 使用"另存为类型"下的下拉菜单, 并将其另存为数据文件。然后选择"保存"。
   4. 这将提示 "导出为文本" 框出现。在右侧取消选择"阻止标头列"、"时间"、"日期"、"注释" 和 "事件标记"。
   5. 在左侧, 选择 "值的当前选择" 和 "输出 nan"。选择 "下载示例" , 然后在框中输入10 。
   6. 选择流量通道和co₂ (%)要导出的通道, 然后单击 "okay"。在开始分析之前, 请考虑将这些导出的文件复制为备份。
2. 执行宏分析。补充图 2给出了用于分析出口机动和与肺体积比较的分步注释屏幕截图, 可作为指南。
   1. 打开宏, 转到文件, 然后选择 o笔.
   2. 选择保存的数据文件, 并使用. txt 扩展名保存。
   3. 将出现"文本导入向导"框。在左上角, 选择 "分隔" , 然后单击 "下一步"。对于步骤 2, 选择 "分隔符"下的"选项卡",然后单击 "下一步"。对于步骤 3,在 "列数据格式"下选择"常规" , 然后单击"完成"。
   4. 若要运行宏, 请依次选择 "查看"、"宏"、"查看宏" 和 "运行" 。如果有数据的备份副本, 请选择 "是"。
   5. 允许宏运行 (大约 90秒) 并生成包含四个工作表的工作簿。与这些测量值相关的是, 图2包含数字数据, 图3包含资本图的图形。
   6. 返回到数据并确定 frc 的卷。这被确定为在叹息结束时的体积, 其中流 = 0 l\。
   7. 确定在每一对呼吸中开始第二次呼气的体积。通过从 frc 体积中减去这一点, 可以为每次呼吸确定高于或低于 frc 的起始音量。

图 4给出了代表性的超声检查结果。这个参与者需要四次尝试, 以收集三个 frc 值 & lt;5% 的变异性从平均值.% ref 反映了预测值的百分比为每个变量基于人口回归方程, 考虑到性别, 年龄, 种族,身高和体重

图 1(上图) 显示了分析中使用的具有代表性的单个毛细管图,图 1 (下图) 显示了整个机动序列的原始数据。在图 1 (底部) 中, 捕获图和流跟踪不对齐以说明时间延迟。通过宏运行一系列呼吸所产生的数据显示在补充图 2的末尾。该个体的死空间为 0.266 l, 斜率为 0.523% co 2/l, 归一化斜率为 0.0826 l-1.f、g、i、j 和 k. 列 f 中还给出了该机动的质量信息, 给出了平均呼出的流速, 标准偏差在 g 列中给出。在 j 柱给出呼出的潮汐体积, 在 k 柱给出坡度的 r 平方值。

图 5给出了绘制为肺体积函数的死空间和坡度。在左面板中, 与 frc 相对的肺体积绘制了死区和斜率, 其中 frccs0.l。在正确的面板中, 肺体积和斜率与绝对肺体积相对应。在这两种情况下, 死空间和坡度与肺体积显著相关 (p<0.05 所有四种回归分析)。这表明, 随着肺体积的增加, 死空和气道同质化程度会增加, 尽管在肺病或支气管扩张剂治疗人群中, 这种关系鲜为人知。调查人员还可以选择使用这些数据来描述特定肺体积 (frc、剩余体积、总肺活量的 50%等)^下的死空间和坡度的数值。

图1。样品毛细血管图 (上图), 呼出的 co2 (%) 绘制为呼出体积的函数。i、ii 和 iii 表示了捕获图的三个阶段.虚线表示死空间的体积, 实线表示肺泡高原 (第三阶段) 的坡度。坡度可以除以盖光下的区域 (阴影灰色, 标记为 a), 得出归一化坡度。四个呼吸序列显示在底部面板中, 然后是一个感叹呼吸, 以确定功能剩余能力。每一对呼吸都被分析为一个单一的动作。请点击这里查看此图的较大版本.

图2。用于捕获测量的设备设置。图中显示的是卡波图测量所需的气动和气体分析仪。参与者将左显示器和追踪作为生成流模式的指南, 而调查人员则在右侧显示器上观察数据。请点击这里查看此图的较大版本.

图3。用于获取体积容量捕获图的通道设置。流量在通道1中采集,_co2浓度 (%) 在通道2中采集, 潮汐体积在通道3中计算。请点击这里查看此图的较大版本.

图4。来自一个健康的男性学科的代表性胸透数据.与这里报告的协议特别相关的是总肺活量 (tlc)、剩余体积 (rv) 和功能剩余容量 (frc)。请点击这里查看此图的较大版本.

图5。死空间和肺泡坡绘制为绝对肺体积 (右面板) 的函数, 并作为相对于功能剩余容量的体积 (体积-frc, 左) 的体积。注意气道体积和肺异质性对肺体积的依赖性。肺体积可以表示为 frc 的函数或绝对体积, 这取决于实验设计。请点击这里查看此图的较大版本.

图6。影响数据准确性的因素。数据为平均±95% 置信区间。co2 采样率与气体分析仪与气表 (上图) 时间延迟的关系。在开始实验之前, 应准确地确定时间延迟。测量8次总机动可以测量单个肺体积的死空间, 具有 & lt;5% 的变异性 (底部)。请点击这里查看此图的较大版本.

本文给出了一种测量 v d 和气道均匀性 (斜率) 的协议。这些测量可以在 frc 进行, 也可以作为肺体积的函数。在实验开始前测量 frc, 在扰动之后测量_frc , 使 v d 和斜率被绘制为肺体积的函数, 并可能提供有关未从仅在 frc 就有毛细血管造影。

航空的体积和高分辨率结构可以从计算机断层扫描^{成像 17,}18 中获得, 但这需要辐射和图像处理方面的专业知识。使用体积上限, 可以在不增加参与者风险的情况下重复测量。它也不需要昂贵的设备或高级数据处理能力。体积毛细血管造影是一种理想的方法, 用于实验多个时间点和多个肺体积和住院人群, 其辐射暴露应尽量减少。

关于气压超显像, 应注意根据一致的陈述进行测量。当将参与者值与预测的人口值进行比较很重要时, 应使用比例测量重量, 并使用测速仪验证高度。正如协议中所指出的, 在开始体积毛细管造影之前要测量的最关键的组件是气片和气体分析仪之间的时间延迟。时间延迟在很大程度上取决于分析仪的采样率 (图 5, 顶部), 采样率的微小变化可能会对测量值产生很大影响。在试验开始时和整个实验过程中, 应检查分析仪的流速。校准分析仪和气片也是至关重要的, 在开始实验之前, 应注意确保其准确性。

我们还确定了3个参与者在单个肺体积下测量的准确性。图 5(底部) 表明, 有必要在一个肺体积完成四次机动 (8次总呼吸), 以测量死空, 使变化 lt;5%。当在特定肺体积的数据很重要时, 调查人员应注意进行足够数量的测量。在两名调查人员分析的36种机动动作的子集中, 调查人员内部分析的可变性不到0.5%。

这些方法还需要熟练的技术人员或调查员指导参与者进行通气操作。肺功能研究的一个局限性可能是参与者进行机动的能力。然而, 能够执行临床肺功能的参与者通常能够进行毛细血管机动。如果这项研究的设计使毛细血管造影遵循胸透和螺旋测量, 参与者谁不能执行教练的肺活量或胸透机动可以排除。在此前的60项研究中, 一名进行临床肺活量测量的参与者被排除在外, 因为他们无法遵循呼吸模式。目前没有一致的准则来界定可接受的捕获测量标准。然而, 在我们最近的10名参与者中, 主题间的变异性是目标流量的8±1%。内 (机动) 变异性为4±2%。

与数据准确性和重现性相关的问题是由于时间延迟或分析仪和气动校准中的错误造成的。在每次实验之前, 请注意使用一组已知气体对分析仪进行校准, 并生成多点标准曲线以确认分析仪的准确性。

除了此处提供的信息的范围外, 宏还包含可能感兴趣的两个额外计算。当机动在 frc 进行时, frc 柱提供了基于 farmery 方法¹⁹的 frc 估计数。外围支气管横截面面积的计算是以谢雷尔等人描述的方法为基础的.²⁰. 最后, 如果需要, 结束潮汐二氧化碳_和平均过期的二氧化碳_浓度可用于计算生理死空间, 以便与解剖死空间^21,22进行比较。

作者没有什么可透露的。

这项工作由爱荷华州大学卫生和人体生理和内科系资助。这项工作还得到了美国癌症协会的旧黄金研究金研究金研究金研究金研究金研究金研究金研究金研究金研究金 (b茨) 和美国癌症协会的 granga-176-40 的支持, 这些研究报告是通过爱荷华州大学 (贝茨) 的霍尔顿综合癌症中心管理的。