단일 호흡 방법을 사용한 인간의 운동 중 이중 테스트 가스 폐 확산 용량 측정

이 프로토콜은 운동 중 일산화탄소(_DL,CO) 및 산화질소(_DL,NO)로의 확산 능력을 단일 호흡으로 결합하여 측정한 폐포-모세혈관 예비력을 평가하는 방법을 제시합니다. 운동 중 기술 사용에 대한 가정과 권장 사항은 이 기사의 기초를 형성합니다.

일산화탄소(_DL,CO)와 산화질소(_DL,NO)의 확산 용량을 결합한 단일 호흡 측정은 건강한 인구와 환자 집단 모두에서 폐 폐포-모세혈관 예비량을 측정하는 데 유용한 기술입니다. 측정은 참가자가 폐 모세혈관을 모집하고 팽창시키는 능력에 대한 추정치를 제공합니다. 이 방법은 최근 가벼운 강도에서 중간 강도의 운동 중에 건강한 지원자에서 높은 테스트-재테스트 신뢰성을 나타내는 것으로 보고되었습니다. 참고로 이 기술은 최대 12번의 반복 조작을 허용하며 5초의 비교적 짧은 호흡 참기 시간으로 한 번의 호흡만 필요합니다. 최대 작업량의 최대 60%까지 증가하는 강도에서 휴식에서 운동으로 DL,_NO 및 DL_{, CO} 의 점진적인 변화를 보여주는 대표 데이터가 제공됩니다. 확산 능력의 측정과 폐포-모세혈관 예비력의 평가는 건강한 인구뿐만 아니라 만성 폐 질환이 있는 환자군에서도 운동에 반응하는 폐의 능력을 평가하는 데 유용한 도구입니다.

운동은 휴식 상태에 비해 에너지 요구량을 상당히 증가시킵니다. 심장과 폐는 심박출량과 환기를 증가시켜 폐포-모세혈관 침대의 확장, 주로 폐모세혈관의 모집과 팽창을 일으킨다¹. 이것은 충분한 폐 가스 교환을 보장하며, 이는 폐 확산 능력_(DL)^2,3,4의 증가로 측정할 수 있습니다. 운동 중_DL을 측정하려는 첫 번째 시도는 100년 이상 거슬러 올라갑니다 ^5,6,7. 휴식 상태에서_DL을 증가시키는 능력은 종종 폐포-모세관 예비력(alveolar-capillary reserve) ^8,9이라고 합니다.

실험적으로, 폐포-모세혈관 예비량에 대한 폐포-모세관 막 확산 능력_(DM) 및 폐 모세혈관 혈액량_(VC)의 상대적 기여도는 흡기 산소() 방법의 고전적인 다중 분획(¹⁰)을 포함한 다양한 방법으로 평가할 수 있습니다. 이러한 맥락에서 유용할 수 있는 대체_{기술은 일산화}탄소(CO) 및 산화질소(NO)(_DL,CO/NO)를 동시에 측정하는 이중 테스트 가스 방법입니다¹¹. 이 기술은 1980 년대에 개발되었으며, 헤모글로빈 (Hb)에 대한 NO의 반응 속도가 CO의 반응 속도보다 실질적으로 더 크다는 사실을 이용하여 CO의 폐 확산_{이 NO}보다 VC에 더 많이 의존합니다. 따라서 CO 확산에 대한 저항의 주요 부위 (~ 75 %)는 적혈구 내에 위치하며, NO 확산에 대한 주요 저항(~60%)은 폐포-모세혈관막과 폐 혈장¹²에 있습니다. 따라서 DL_{, CO} 및_DL,NO의 동시 측정은 D_L¹²_{에 대한} DM 및 VC의 상대적 기여도를 평가할 수 있도록 하며, 여기서 운동 중에 관찰된_DL,NO의 변화는 주로 폐포-모세혈관 막의 확장을 반영합니다. 운동 중 측정값을 얻을 때 이 방법의 또 다른 장점은 표준화된 10초 숨 참기로 여러 번 반복되는 기동이 서로 다른 산소 수준에서 수행되는 클래식 기술에 비해 상대적으로 짧은 숨 참기 시간(~5초)과 더 적은 기동을 포함한다는 것입니다. 최근에는 호흡 참기 시간이 짧고 각 강도에서 더 적은 기동으로 적용되었지만,¹³. 그럼에도 불구하고, 세션당 총 6개의 D_{, L,CO} 기동만을 허용하는 반면, 최대 12개의 반복적인 D_{, L,CO/NO} 기동은 결과 추정치(¹⁴)에 측정 가능한 영향 없이 수행될 수 있다. 이는 긴 숨참기와 여러 번의 조작 모두 매우 높은 강도에서 또는 호흡 곤란을 경험하는 환자 집단에서 수행하기 어려울 수 있기 때문에 운동 중 측정값을 얻을 때 중요한 고려 사항입니다.

본 논문은 운동 중_DL,CO/NO 의 측정 및 폐포-모세관 예비력의 지표로 사용에 대한 이론적 고려 사항 및 실용적인 권장 사항을 포함한 자세한 프로토콜을 제공합니다. 이 방법은 실험 환경에서 쉽게 적용할 수 있으며 폐의 확산 제한이 다른 집단의 산소 섭취에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 평가할 수 있습니다.

이론 및 측정 원리
_DL,CO/NO 방법은 흡입 후 가스가 환기된 폐포 공간에 균등하게 분포한다는 가정 하에 가스 혼합물을 한 번 호흡하는 것을 포함합니다. 가스 혼합물은 불활성 추적 가스를 포함한 여러 가스로 구성됩니다. 호기말 공기의 분율을 기준으로 환기된 폐포 공간에서 추적 가스의 희석은 폐포 부피_(VA)¹⁵를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 가스 혼합물에는 테스트 가스 CO 및 NO도 포함되며, 둘 다 환기된 폐포 공간에서 희석되어 폐포-모세관 막을 가로질러 확산됩니다. 폐포 분획을 기반으로 폐포 공간에서 확산 상수라고도 하는 개별 소실률(k)을 계산할 수 있습니다. 관례에 따라, 단일 호흡 기동 중에 측정된 테스트 기체에 대한_DL은 다음 수학식¹⁶에 의해 도출됩니다.

여기서 F_A0은_{개별 DL 기}동의 숨참기 시작 시 테스트 기체의 폐포 분율(CO 또는 NO)이고,_FA는 숨참기 종료 시 테스트 기체의 폐포 분율이며, tBH는 숨참기 시간입니다. _DL은 폐포-모세혈관 막을 가로질러 혈장과 적혈구 내부를 통해 헤모글로빈에 이르는 테스트 가스의 전도도와 기계적으로 동일합니다. 따라서 DM의 전도도와 소위 폐 모세혈관 혈액(θ)의 특정 전도도에 의존하며, 후자는 혈액 내 테스트 가스의 전도도와 헤모글로빈과의 반응 속도(¹⁰)에 모두 의존합니다. 컨덕턴스의 역수가 저항이라는 점을 감안할 때 테스트 가스의 전달에 대한 총 저항은 시리즈¹⁰의 다음 저항에 따라 달라집니다.

이들 성분_{은 DL}을 CO 및 NO로 동시에 측정함으로써 구별될 수 있는데, 이는 이들이 서로 다른 θ-값을 가지기 때문이며, 따라서 각각_{의 DL 값은 VC}에 따라 다르게 의존하기 때문이다. CO의 폐 확산_{은 NO}보다 VC에 더 크게 의존하며, CO 확산에 대한 저항의 주요 부위(~75%)는 적혈구 내에 위치한다(¹²). 대조적으로, NO 확산에 대한 주요 저항(~60%)은 폐포-모세관 막과 폐 혈장에 있는데, 이는 헤모글로빈과 NO의 반응 속도가 CO의 반응 속도보다 실질적으로 더 크기 때문입니다. 따라서 DL_{, CO} 및 DL_{, NO}를 동시에 측정_{함으로써 DM 및 VC 모두의} 변화는 전자에 현저하게 영향을 미칩니다. 후자는_VC에 훨씬 덜 의존하므로_DL을 결정하는 요인에 대한 통합적 평가가 가능합니다.

_DL,CO/NO 메트릭의 보고는 다른 단위를 사용하여 수행할 수 있습니다. 따라서 유럽 호흡기 학회(ERS)는 mmol/min/kPa를 사용하는 반면 미국 흉부 학회(ATS)는 mL/min/mmHg를 사용합니다. 단위 간의 변환 계수는 2.987mmol/min/kPa = mL/min/mmHg입니다.

덴마크 수도권 과학 윤리 위원회(Scientific Ethical Committee for the Capital Region of Denmark)는 이전에 우리 기관의 건강한 지원자와 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 환자 모두에서 휴식 시, 운동 중 및 누운 자세에서_DL,CO/NO 의 측정을 승인했습니다(프로토콜 H-20052659, H-21021723 및 H-21060230).

알림: 운동 중_DL,CO/NO를 측정하기 전에 동적 폐활량 측정과 심폐 운동 검사(CPET)를 수행해야 합니다. 동적 폐활량 측정은 개별_DL,CO/NO 조작의 품질 관리에 사용되는 반면, CPET는 운동 중_DL,CO/NO를 측정해야 하는 작업량을 결정하는 데 사용됩니다. 특히 폐쇄성 폐 질환으로 인해 공기 흐름이 제한된 환자의 경우, 폐활량의 유효한 측정값을 얻기 위해 전신 혈류측정법으로 동적 폐활량 측정을 보완하는 것이 유리할 수 있습니다. CPET를 시작하기 전에 알려진 금기 사항을 배제하기 위한 의학적 건강 검진이 권장된다¹⁷. 중요한 것은 CPET는 이전의 격렬한 운동이 최대 48시간 동안_DL에 영향을 미칠 수 있으므로 운동 중에 얻은_DL,CO/NO 측정보다 최소 24시간 전에 수행해야 합니다^18,19.

1. 동적 폐활량 측정

알림: 동적 폐활량 측정은 ERS 및 ATS²⁰의 현재 임상 지침에 따라 수행해야 합니다.

1. 무게(100g 단위)와 높이(1mm 단위)를 측정합니다.
2. 참가자에게 똑바로 앉은 의자에 앉으라고 합니다.
3. 다른 곳에서^설명한 바와 같이, 강제 만료된 기동 동안 동적 폐활량 측정을 수행하여, 1초 내에 강제 만료된 체적(FEV₁) 및 참가자의 강제 폐활량(FVC)을 식별한다.

2. 심폐운동 검사(CPET)

참고: CPET는 현재 임상 권장 사항²¹에 따라 수행해야 합니다.

1. 참가자의 키에 따라 사이클 에르고미터를 조정하고 가슴에 심박수(HR) 모니터를 놓습니다.
2. 참가자를 사이클 에르고미터에 올려 놓습니다. 참가자에게 대사 측정 시스템에 연결된 마스크를 착용하여 테스트 전반에 걸쳐 환기 및 폐 가스 교환을 측정합니다.
3. 참가자에게 스스로 선택한 페이스≥분당 60회전(RPM))으로 사이클링을 시작하고 자가 보고된 활동 수준, 일일 체력 및 질병 상태(예: 5-15W)를 기반으로 준최대 작업량으로 150분의 워밍업 시간을 수행하도록 지시합니다.
4. 참가자가 자발적 소진에 도달할 때까지 작업량을 분당 5-20W씩 늘립니다. 증분은 참가자의 현재 체력 수준을 기반으로 해야 하므로 증분 단계가 시작된 후 8-12분 후에 테스트가 종료될 것으로 예상됩니다.
5. 참가자에게 다음 48시간 동안 다른 격렬한 운동을 피하도록 지시합니다.

3. 단일 호흡 확산 용량 장비의 교정

알림: 유량 센서와 가스 분석기를 교정하여 측정이 유효하고 신뢰할 수 있는지 확인해야 합니다. 정확한 절차는 제조업체 및 장치에 따라 다릅니다. 생물학적 방제를 포함한 교정 절차는 각 연구일에 완료되어야 하며, 주당 1일 미만의 연구가 실행되는 경우 추가 주간 교정을 수행해야 합니다. 실험 설정은 그림 1에 나와 있습니다.

1. 컴퓨터에서 소프트웨어 프로그램을 열면 공압의 충분한 온도를 보장하기 위해 50분의 자동 예열 시간이 시작됩니다.
2. 테스트 가스가 담긴 용기가 열려 있는지 확인하십시오( 그림 1D 참조).
3. 먼저 s를 연결하여 가스 교정을 수행합니다.amp공기의 링 라인을 CAL이라고 하는 MS-PFT 분석기 장치 플러그인에 연결합니다( 그림 1B 참조).
4. 홈 페이지에서 Calibration(보정 )을 선택하여 가스 보정을 시작하고( 그림 2A 참조) Gas Calibration(가스 보정)을 선택합니다. 시작 또는 F1 을 눌러 보정을 시작합니다( 그림 2B 참조).
5. s를 부착amp가스 교정이 충족되고 수락되면 pneumotach 라인.
6. 유효한 3L 주사기를 사용하여 부피 보정을 수행합니다. 홈 페이지(그림 2A 참조)에서 Calibration(보정)을 선택하고 Volume calibration(볼륨 보정)을 선택하여 볼륨 보정을 시작합니다. F1을 눌러 보정을 시작하고 소프트웨어에서 제공하는 지침을 따릅니다(그림 2C 참조).
7. 흡기 백이 MS-PFT 분석기 장치에 연결되어 있는지 확인합니다( 그림 1C 참조).
8. 앉은 자세에서 생물학적 제어 측정을 수행하여 보정 절차를 완료합니다. 이것은 방법의 신뢰성을 보장하기 위해 건강한 비흡연자가 수행해야 합니다. 주어진 피험자의 주별 변동이 D_{, L, CO} 또는 DL_{, NO} 에서 각각 1.6 및 6.5mmol/min/kPa(5 및 20mL/min/mmHg) 이상 변하는 경우, 변동은 기계 오류로 인한 것일 수 있으므로 추가로 조사해야 합니다^{12, 22}.

4. 참가자 준비

1. _DL,CO/NO가 측정될 선택한 강도(최대 작업 부하의 %(W_max))에 대한 이전 CPET 결과에서 원하는 작업량을 계산합니다.
2. 참가자가 CPET를 수행한 후 최소 48시간 후에 참가자에게 실험실로 돌아가 운동 중_DL,CO/NO 측정값을 얻도록 요청합니다.
3. 환자의 모세혈관 혈액(mmol/L에서 가장 가까운 0.1mmol/L)에서 키(cm에서 가장 가까운 mm), 체중(kg 단위에서 가장 가까운 100g) 및 Hb를 측정합니다.
4. 프로그램의 홈 페이지에서 환자 > 새 환자 ( 그림 2A 참조)를 선택하고 참가자의 신분증, 성, 이름, 생년월일, 성별, 키 및 체중과 같은 필수 데이터를 입력합니다. OK 또는 F1 을 선택하여 계속합니다( 그림 2D 참조).

5. DL, 직립 휴식 중_{CO / NO} 측정

참고:_DL,CO/NO 측정은 ERS 태스크 포스¹²의 현재 임상 권장 사항에 따라 수행됩니다.

1. Home(홈)에서 Measurement(측정) > NO Membrane difising(멤브레인 확산 없음 )을 선택합니다( 그림 2E 참조).
2. 소프트웨어의 자동 재설정을 시작하여 모든 테스트 가스에 대한 가스 분석기를 영점 조정하고 연결된 흡기 백에서 테스트 가스의 혼합을 시작합니다. F1 을 눌러 자동 재설정을 시작합니다( 그림 2F 참조).
   1. 자동 재설정에는 140-210초가 걸립니다. 소프트웨어에서 제공하는 지침을 준수하여 측정을 시작할 때를 인식하십시오. 소프트웨어가 Connect patient(환자 연결)를 지시할 때 즉시 측정을 시작하는 것이 중요합니다.
3. 참가자를 노즈 클립이 있는 직립 의자에 앉힙니다. 참가자에게 아래 설명된 대로 기동을 수행하는 방법을 지시합니다.
   1. 참가자에게 노즈 클립을 사용하고 기포에 연결된 마우스피스를 통해 정상적인 조수 호흡을 시작하도록 요청합니다. 측정을 위한 폐쇄 시스템을 보장하려면 참가자의 입술이 마우스피스 주위에 닫혀 있는지 확인하십시오.
   2. 세 번의 정상적인 호흡 후 참가자에게 잔량(RV)에 도달하기 위해 빠른 최대 호기를 수행하도록 지시합니다.
   3. RV에 도달하면 즉시 참가자에게 < 4초의 흡기 시간을 목표로 총 폐활량(TLC)에 대한 빠른 최대 영감을 수행하도록 지시합니다. 최대 흡입 중에 밸브가 열려 참가자가 흡입 직전에 흡기 백에 알려진 농도의 NO(800ppm NO/N₂)와 혼합된 가스 혼합물을 흡입할 수 있습니다.
   4. 참가자에게 TLC에서 5(4-8)초의 숨참기를 수행하도록 요청합니다. 인스피레이션 동안, 인스피릿 용적_(VI) ≥4-8초의 호흡 참기 시간을 갖는 FVC(또는 혈량측정법 기반 폐활량)의 90%가 목표이다²³(표 1).
   5. 숨을 참은 후 참가자에게 중단 없이 강력하고 꾸준한 최대 호기를 수행하도록 지시합니다.
   6. 최대 만료 후 참가자에게 마우스피스와 노즈 클립을 놓도록 요청합니다. 그러면 소프트웨어가 명령 없이 DL_{, NO} 및 DL_{, CO} 를 계산합니다.
4. 참가자가 RV 및 TLC에 도달할 수 있도록 기동 전반에 걸쳐 구두 격려를 사용하십시오. 표 1에 따라 기동의 수용 가능성을 평가합니다.
5. 최소 4분의 세척 기간 후 두 번의 기동이 허용 기준(표 1)을 충족할 때까지 또는 동일한 세션에서 총 12번의 기동(아래 참조)이 수행될 때까지 기동을 다시 수행합니다.
6. DL_{, NO} 및 DL_{, CO} 는 표 2에 요약된 기준에 따라 보고됩니다. 또한 보고된 대로 숨 참기 시간, 흡기 볼륨 및 폐포 볼륨을 권장합니다. 또한 허용 가능한 기동 및 반복 가능한 기동의 수를 보고해야 하며, 허용 가능성 또는 반복성 기준을 충족하지 않는 기동에 기반한 결과는 신중하게 해석해야 합니다.

6. 운동 중 DL_{, CO / NO} 측정

알림: 운동 중 DL_{, CO/NO} 측정 타임라인은 그림 3에 나와 있습니다.

1. 사이클 에르고미터를 참가자가 사이클링 위치를 변경할 필요 없이 마우스피스를 통해 숨을 쉴 수 있는 거리에 놓습니다. 자전거의 올바른 작업 위치에서 측정을 수행할 수 있도록 장비 높이를 높입니다( 그림 2 참조).
2. 참가자를 사이클 에르고미터에 놓고 HR 모니터를 가슴에 놓습니다. 참가자에게 5.3단계에 설명된 대로 각 기동을 수행하도록 지시합니다.
3. 참가자에게 측정 전 워밍업으로 최대 작업 부하에서 5분 동안 사이클링을 시작하도록 지시합니다.
4. F1을 눌러 장치의 자동 재설정을 시작하는 동시에 작업 부하를 목표 강도로 늘립니다(5.2 단계 참조). 자동 재설정에는 140-210초가 소요되며 이는 참가자가 정상 상태에 도달했는지 확인하기에 충분합니다.
5. 자동 재설정이 완료되면 마우스피스를 참가자에게 돌리고 참가자가 목표 강도로 계속 사이클링하는 동안 아래 설명된 대로 조작을 수행합니다.
   1. 5.4-5.5단계의 단계를 따릅니다. 각 워크로드에서 수용성 및 반복성 기준(표 1)을 평가하고 휴식 중 측정에 대해 보고합니다(5.6단계 및 표 2 참조).
6. 기동이 완료되면 마우스피스를 제거하고 작업량을 15-40W로 줄입니다. 2분 동안 활성 복구 단계를 수행한 후 6.4단계와 6.5단계를 반복합니다. 2분의 활성 복구와 자동 재설정 중 140-210초는 4-5분의 충분한 세척 기간을 제공합니다.

이 프로토콜은 2021년에 구현되었으며 작성 당시 운동 중 총 124회의 측정(즉, 건강한 지원자의 경우 51회, 다양한 중증도의 COPD 환자의 경우 73회)이 수행되었습니다. 조작, 충족된 수용성 및 반복성 기준, 실패율에 대한 데이터는 모두 표 3에 나와 있습니다.

계산
예를 들어, 단일 D,_{L, CO/NO} 조작으로부터의 계산은 아래에 설명된 사례 연구로서 건강한 그룹에서 최대 W의₂₀ %에서 첫 번째 조작의 데이터를 기반으로 여기에 제공됩니다. 표 4에 제공된 측정값을 기반으로 다음이 계산됩니다.

(BTPS)를 참조하십시오.

여기서 F_I 는 영감 분수, V_I 는 영감 볼륨, D_{D, inst} 및 VD_{, anat} 는 각각 도구적 및 해부학적 데드 스페이스입니다.

여기서 F_I 는 흡기 분율,_PB 는 기압,_PH2O 는 포화 수증기압이며, 여기서

운동 중 얻은 DL_{, CO / NO} 결과의 해석
관심의 주요 결과 측정은_DL,NO이며, 휴식에서 특정 작업량으로의_DL,NO 의 변화는 폐포-모세관 예비력의 전체 측정값을 제공하는 것으로 해석됩니다. 건강한 사람에서, D_L,NO 는 운동 강도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는데, 이는 심박출량의 증가에 의해 촉진된 폐 모세혈관 침대로의 혈액 모집이 증가하기 때문이다¹². 이는 혈류 또는 압력의 증가와 폐포-모세혈관막 표면적의 동원으로 인해 모세혈관 모집을 유도하고, 이에 따라 적혈구의 보다 균질한 분포와 조직과 적혈구 막 표면 사이의 정렬이 개선된다¹². 대조적으로,_DL,CO 는 이 맥락에서 2차 측정으로 간주되며,_{주로 VC} 의 동시 변경이 발생하는지 여부를 추론하는 데 사용됩니다. 개별 수준에서의 해석을 위해 측정 오차보다 큰 두 측정값 간의 차이는 생리학적²⁴, 즉_DL,NO 의 경우 2.7mmol/min/kPa,_DL,CO의 경우 1.6mmol/min/kPa로 간주됩니다.

사례 연구
최대 2696mL_O2/min(47.3mL_O2/min/kg)의_O2max를 가진 건강한 25세 여성은 앉은 자세에서 똑바로 쉬는 동안 측정한 후 자전거 에르고미터(W_max = 208)에서 운동 중_{최대 W max}의 60%까지 강도를 증가시켜 측정하는 등 8개의 D_L,CO/NO 조작을 수행했습니다(표 5). 모든 기동은 수용성 및 반복성 기준을 모두 충족했습니다.

1852mL_O2/min(22.8mL_O2/min/kg)의_O2peak를 가진 중등도의 COPD(FEV₁= 예측의 56%)를 가진 68세 남성은 앉은 자세에서 똑바로 쉬는 동안 측정을 시작으로_{최대 W의} 최대 60%까지 강도를 증가시켜 자전거 에르고미터(W_최대 = 125W)에서 운동하는 동안 측정하는 8개의 D_L,CO/NO 조작을 수행했습니다(표 6). 모든 기동은 수용성 및 반복성 기준을 모두 충족했습니다.

위에서 설명한 두 사례의 각 워크로드에 대해 보고된 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 또한, O₂의 함수인_DL,NO 및_DL,CO(만료된 공기 측정에서 계산됨)가 그림 5에 나와 있습니다. 건강한 개인의 경우,_WL,NO의 거의 선형적인 증가는 W_max의 20%에서 40%까지의 정체기를 제외하고는 예상대로 관찰되는 반면,_DL,CO는 모든 워크로드에서 약간 점진적으로 증가합니다. 이는 운동_{시작 시 D M}이 이전에 관류되지 않은 모세혈관을 모집하기 위한 폐혈류의 재분배를 반영하여 처음에는 변경되지 않은 VC로 증가하지만, 더 높은 작업량에서_VC의 점진적인 증가와 함께 증가함을 시사하며, 이는 교대 모세관 모집과 팽창이 함께 작용하여 점진적인 운동 중에 폐 가스 교환을 최적화한다는 것을 보여줍니다. COPD의 경우,_DL,NO는 첫 번째 작업량에서 증가한 다음 나머지 작업량 동안 동일한 수준을 유지하기 위해 정체되어 전체 폐포-모세관 예비력이_최대 W의 20%에서 이미 달성되었음을 나타냅니다. 전반적으로, 폐모세혈관 동원 및 팽창의 정도, 즉 폐포-모세혈관 예비력은 COPD의 경우 건강한 사람보다 낮습니다.

그림 1: 스터디 설정 개요. (A) 운동 중 수행된 측정을 위한 연구 설정. (B) CAL이라고 하는 MS-PFT 분석기 장치 플러그인에 대한 샘플링 라인이 연결된 가스 보정. (C) MS-PFT 분석기 장치에 연결된 흡기 백. (D) 테스트 가스가 들어 있는 용기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 프로그램 가이드. (A) 홈 페이지에서 Calibration을 선택합니다. (B) 가스 보정을 선택합니다. (C) 볼륨 보정을 선택합니다. (D) 새 환자를 선택합니다. (E) 새 환자를 선택하고 필요한 정보를 입력합니다. (F) 측정값 을 선택하고 NO diff Membrane을 선택합니다. (G) F1을 눌러 자동 재설정을 시작합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 운동 중 확산 능력 측정 타임라인. BioRender를 사용하여 제작되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 폐 확산 능력. 건강한 개인과 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)이 있는 개인의 최대 작업량(W_max)의 %의 함수로 점진적 운동 중 일산화탄소(_DL,CO) 및 산화질소(_DL,NO)에 대한 폐 확산 능력의 비교. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 폐 확산 능력. 건강한 개인과 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)이 있는 개인의 산소 섭취량(O₂)의 함수로서 증분 운동 중 일산화탄소(_DL,CO) 및 산화질소(_DL,NO)에 대한 폐 확산 능력 비교. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Table 1: 수용성 및 반복성 기준. 약어: DL_{, CO}: 일산화탄소에 대한 폐 확산 능력, DL_{, NO:} 산화질소에 대한 폐 확산 능력, FVC: 강제 폐활량,_VA: 폐포 부피; VC: 필수 용량입니다.

Table 2: 데이터 보고. 약어: DL_{, CO}: 일산화탄소에 대한 폐 확산 능력, DL_{, NO:} 산화질소에 대한 폐 확산 능력.

Table 3: 2021년 7월부터 2023년 12월까지 우리 기관에서 운동 중_DL,CO/NO 측정을 완료했습니다. 약어: COPD, 만성 폐쇄성 폐질환.

Table 4: 단일 호흡 기동 중 흡기(FI) 및 폐포(FA) 공기에서 측정된 테스트 및 불활성 추적 가스 분율. 약어 : V_I : 영감을받은 볼륨; V_D,anat: 해부학적 데드 스페이스; _VD,inst: 기기 데드 스페이스; tBH: 숨 참기 시간.

Table 5: 건강한 개인의 데이터. 약어: DL_{, NO:} 산화질소에 대한 폐 확산 능력, DL_{, CO}: 일산화탄소에 대한 폐 확산 능력_{, VI:} 흡기 부피_{, VA:} 폐포 부피.

표 6: 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 데이터. 약어: DL_{, NO:} 산화질소에 대한 폐 확산 능력, DL_{, CO}: 일산화탄소에 대한 폐 확산 능력_{, VI:} 흡기 부피_{, VA:} 폐포 부피.

이 프로토콜은 이중 테스트 가스 단일 호흡 기술을 사용하여 운동 중 DL_{, CO/NO} 측정에 대한 표준화된 접근 방식을 제공합니다. 얻어진 D_{, L, CO/NO-metrics}는 폐 모세혈관 모집 및 팽창으로 인해 증가하기 때문에, 이 방법은 폐포-모세혈관 예비력의 생리학적으로 의미 있는 측정을 제공한다.

프로토콜의 중요한 단계
이 방법은 잔여 부피로 숨을 내쉬고 총 폐활량에 대한 영감을 필요로 하며, 5초의 숨 참기가 수행되고 RV로의 호기로 종료됩니다. 이것은 운동 중에, 특히 고강도로 운동하는 동안 수행하는 것이 복잡할 수 있기 때문에 중요한 단계입니다. 운동 강도가 증가하면_VI가 감소할 수 있으며, 폐활량의 85% 미만으로 감소하면 기동이 허용되지 않습니다(표 1 참조). 따라서, 시험의 강사는 참가자가 충분히 숨을 들이쉬었는지의 여부를 기록하고, 각 기동⁽¹²) 직후에 4 내지 8초의 충분한 호흡 참기 시간을 확인하는 것이 중요하다. 또한 경우에 따라 반복성 기준을 달성하기 어려울 수 있습니다. 이러한 경우_DL,NO가 가장 높은 기동의 데이터가 보고되며, 데이터를 제시할 때 이것이 필요한 경우의 수를 명시적으로 명시하는 것이 좋습니다. 어떤 경우에는 운동 중에 수용 가능하거나 반복 가능한 측정값을 전혀 얻지 못할 수 있습니다(예: 충분한 호흡 참기를 달성할 수 없는 심각한 호흡 곤란을 경험하는 환자 및/또는 운동 중 흡기 용량의 동반 감소와 함께 동적 과팽창이 있는 환자에 대한 연구). 이러한 경우, 앙와위 자세에서 얻어진 D_{, L, CO / NO} 측정을 사용하는 것이 더 적합 할 수 있으며, 이는 또한 폐 모세 혈관 모집 및 팽창을 유발하지만, 준최대 운동 동안보다 덜 두드러집니다^24,25.

방법의 수정 및 문제 해결
고강도 운동을 한 후 소진될 때까지 최대 6-20시간 동안_DL,CO를 감소시킬 수 있으므로 휴식 측정이 항상 운동 중에 수행되는 모든 측정보다 먼저 이루어지는 것이 중요합니다 18,19,26. 또한 HR 및/또는 기타 대사 부하 지수를 기록하여 다른 피험자에서 얻은 측정이 정상 상태 및 유사한 대사 작업량에서 수행되었는지 확인하는 것이 중요합니다.

이 방법은 특정 메트릭(¹²)에 따라 동일한 세션 내의 검정 간 변동성이 최대 7%까지 보고되었기 때문에 D_L,NO 또는_DL,CO의 작은 변화를 검출하는 데 민감하지 않을 수 있습니다. 결과적으로, 측정 오차보다 더 큰 증가를 유도하기에 충분한 운동 강도를 선택하는 것이 중요하며, 참가자가 주어진 강도에서 허용 가능한 동작을 최소 두 번 수행할 수 있어야 한다는 점도 염두에 두는 것이 중요합니다. 이중 테스트 가스 방법을 사용한 이전 연구에서는 약함에서 중등도까지 다양한 강도가 사용되었습니다. 대부분의 연구에서는 환기 역치의 %^24,27, 연령 예측 최대 HR의 %²⁸ 또는 최대 산소 예비량의 %²⁹와 관련된 상대 강도를 사용했으며, 단 한 건의 연구만이 80W³⁰의 고정 작업량에서 절대 강도를 적용했다. 연구 전반에 걸쳐 이러한 워크로드는 W_최대 24,27,29의 20%에서 86%에 이르는 상대 강도에 해당합니다. 연구 간 측정값 비교를 용이하게 하기 위해 상대 강도, 즉 최대 W_max의 %, 최대 HR %(HR_max) 또는 O_2max (또는 O_2피크)의 %를 구현하고 W_max와 측정값이 얻어진 작업량을 모두 보고하는 것이 좋습니다.

기존/대체 방법과 비교한 방법의 중요성
에 관해서는_{, DM 및 VC}는_DL,CO/^{NO 12,31}에 의해 수학적으로 유도될 수 있으며, 이는 주의해서 수행되어야 하지만(아래의 '방법의 한계' 참조), 폐모세혈관 모집(_DM에 의해 평가됨) 및 팽창_(DM을_초과하는 VC의 증가)을 통한 폐포-모세혈관 표면적의 확장에 대한 보다 직접적인 기계론적 평가를 허용합니다)는 폐 가스 교환의 운동 관련 변화에 기여합니다. 그러나, 우리가 아는 한, 단호흡 D_{, L,CO/NO} 방법은 직립 휴식 조건¹¹에서만 검증 되었다. 이 두 가지 방법은 여러 이전 연구에서 운동 중에 사용되었으며 건강한 젊은이의 D,_M 및 V_C에서 유사한 생리적 변화를 보여줍니다 ^3,24. 그러나, 각 방법마다 상이한 수의 기동이 가능하며, 동일한 세션에서 최대 6회의 기동을 허용하고_DL,CO/NO는 최대 12회의 기동을 허용한다(¹²). 이는 동일한 CO 분율(~0.30)을 가짐에도 불구하고_DL,CO/NO의 호흡 참기 시간(5초 대 10초)이 짧을수록 혈액 내 CO 축적이 줄어들고 결과적으로 CO 배압이 감소하기 때문입니다¹⁴. 또한, 11에서 66ppb 사이의 내인성 호기 NO의 수준이 ppm 범위¹⁴에 있는 NO 측정보다 1000배 낮기 때문에 DL,_NO에 영향을 주지 않고 최대 22 D_L,CO/NO 기동을 수행할 수 있습니다. 따라서, 10 s_DL,CO를 사용하고, 각각의 운동 강도에서 최소 4 개의 기동에 해당하는 각각에서 반복성을 평가하기 위해 적어도 2 개의 기동이 필요하다고 가정하면, 이중 종료가 수행 될 때, 이는 운동 중에 실현 가능하지 않을 수 있습니다. 따라서, 종래 의 기초 방법들은 각각에서 단일 기동을 사용해왔는데, 그 결과 각각의 운동 강도(³²)에서 최소 3회의 기동이 발생하였으며, 그 기동들이 실제로 어느 정도까지 반복될 수 있는지 평가할 수 없다는 주목할 만한 단점이 있다. 그러나_DL,CO/NO 방법은 반복성 기준을 충족하고 각 운동 강도에서 허용되는 것으로 간주되는 경우 두 번의 측정만 필요합니다. 그러나 호흡 참기 시간이 단축된 경우에도 운동 중_DL,CO/NO에 필적하는 허용 가능한 반복성을 제공하는 것으로 나타났습니다. 따라서, 적당한 운동 동안, 우리는 이전에 ~ 6 s²⁴의 호흡 참기 시간에 다른 DL_{, CO / NO} 메트릭에 대해 2 %에서 6 %의 일일 간 분산 계수 (CV)를 발견 한 반면,_{DL, CO, VC 및 DM}에 대해 각각 7 %, 8 % 및 15 %의 약간 더 높은 CV만이 유사한 호흡 참기 시간³²을 사용 하여보고되었습니다.

이와 관련하여,_DL,CO/NO의 맥락에서 측정된_DL,CO는 10초 호흡 참기^12,33을 기준으로 더 널리 사용되는_DL,CO보다 일관되게 낮은 것으로 알려져 있습니다. 이전 연구에 따르면, 이것은 숨을 참는 시간이 짧을수록 DL_{, CO}³⁴가 증가하기 때문에 호흡 참기 시간의 차이 때문이 아닙니다. 오히려, 흡입 가스 조성 및 이질적인 CO 대 NO 동역학을 포함한 다양한 다른 요인에 기인할 수 있다³³. 첫째, DL_{, CO/NO}는 헬륨을 사용하는 반면 고전적인 10 s DL_{, CO}는 메탄을 불활성 추적 가스로 사용합니다. 뚜렷한 물리적 특성으로 인해 이러한 가스는 폐와 조직에서 서로 다른 분포와 용해도를 나타냅니다. 이로 인해 메탄보다 헬륨이 더 낮은_VA가 발생할 수 있습니다. 마지막으로, 테스트 가스의 반응성은 헤모글로빈과 결합할 때 NO와 CO의 동역학 차이가 역할을 할 수 있음을 의미합니다. 추측적이기는 하지만,_DL,CO/NO에 NO가 존재한다는 것은 CO와 헤모글로빈의 결합에 영향을 미칠 수 있다³³.

폐포-모세혈관막을 가로지르는 CO의 확산 속도는 혈액 내 헤모글로빈에 대한 CO의 결합에 의존하며, θCO를 계산하는 데 사용되는 것 외에도_DL,CO-값의 헤모글로빈 보정은 특정 맥락에 따라 적절할 수 있다³⁵. 이것은 임상 환경에서 널리 퍼져 있지만 DL_{, CO}에 미치는 영향이 종종 무시할 수 있는 건강한 개인에서는 덜 중요합니다. 이러한 보정은 운동 중 D_{, L, CO / NO}를 평가하는 데에도 사용될 수 있지만, 헤모글로빈의 (급성) 변화가 중요하지 않은 특정 휴식-운동 변화를 평가할 때는 관련성이 떨어집니다. 이 방정식은 CO^0.7에 대해_DM과 θ∙V_c 사이의 35의 비율을 전제로 하므로 어떤 경우에도 주의해서 수행해야 하며, 이는 운동 중에 사실이 아닐 수 있는 가정입니다.

방법의 한계
건강한 사람의 운동 중 D_{, L, NO} 및 DL_{, CO}의 강도 의존적 증가는 폐 모세혈관 모집 및 팽창을 반영합니다. 폐포-모세관 예비력의 직접적인 측정은 아마도 최대 이하의 강도에서만 얻을 수 있는데, 이는 최대 모집 및 팽창이 분명할 수 있는 최대 강도의 실험 또는 임상 환경에서도 접근 방식이 실질적으로 실현 가능하지 않기 때문입니다. 따라서 실용적인 선택은 체계적인 방식으로 폐 모세혈관 모집 및 팽창을 유발하기에 충분한 사전 지정된(절대적 또는 상대적) 작업량을 목표로 하는 동시에 모든 참가자에게 실현 가능한 것입니다. 본 프로토콜에서 강도는 다른 연구로 쉽게 이전할 수 있는 W_max의 %를 기반으로 했습니다. 전통적으로 운동은 O_2max 또는 HR_max의 %에 따라 처방되었지만 모든 참가자가 실제 최대치에 도달해야합니다. 그렇지 않다면, 참가자들은 잠재적으로 상이한 상대 강도⁽³⁶)에서 측정을 수행할 수 있으며, 이는 만성 폐 또는 심장 질환 환자와 같이 심각한 운동성 호흡곤란이 있는 인구에서 특히 문제를 제기하고 생리학적 해석을 복잡하게 만들 수 있다.

개별_DL,CO/NO 기동 내에서 테스트 가스가 폐의 상대적으로 환기가 잘 되지 않는 영역에 분배되지 않을 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이는 폐 질환이 없는 개인에게는 경미한 문제를 제기하지만, 명백한 공기 포획을 포함하여 상당한 환기 불균일성이 존재하는 경우, 측정이 폐의 가장 환기가 잘 되는 영역의 조건만을 반영하기 때문에_{참가자의 실제} DL이 과대평가될 수 있으며, 그 효과는 짧은 호흡 참기에 의해 강조된다³⁷. 원칙적으로, 이는 폐 질환이 있는 참가자가 환기 불균일성을 줄이는 중재에 노출되는 경우 명백히 역설적으로 폐포-모세혈관 예비력의 감소로 이어질 수 있습니다.

여기에 보고된 COPD 사례에서 가장 높은 강도(_최대 W의 60%)에서 D_{, L, NO}의 감소를 초과하는 운동 관련_DL,CO의 감소는 생리학적 관점에서 쉽게 해석되지 않으므로 주의해서 해석해야 합니다. 지금까지 본 기관에서 연구한 73명의 COPD 환자 중 대다수에서 유사한 양상이 나타났으며, 단순한 체계적 한계의 기여를 고려해야 한다. 따라서, CO가 NO보다 위에서 설명한 충격 환기 불균일성에 더 민감할 수 있다는 것 외에도, NO가 헤모글로빈과 거의 300배 더 빠르게 반응하고 CO보다 두 배 더 빠르게 조직과 혈장을 통해 확산된다는 사실도 역할을 할 수 있습니다³¹. 따라서, NO와 CO는 둘 다 통상적으로 확산 제한 가스 교환을 겪는 반면, CO의 흡수는 개별 폐 단위에서의 관류가 ~100배 감소할 때 관류가 제한될 수 있으며,³¹, 따라서_DL,NO에 영향을 미치지 않고 측정된_DL,CO의 감소로 이어질 수 있다. COPD가 폐포 파괴 및 모세혈관의 점진적인 손실과 연관되어 있으며, 동시에 폐 전체에 걸쳐 불균일한 환기-관류 분포가 있다는 점을 감안할 때(³⁹), 관류가 100배 감소한 폐 단위는 드문 일이 아니며⁴⁰ 적혈구의 통과 시간이 결정적으로 감소하여 운동 중 산소와 CO 흡수를 모두 손상시킬 수 있는 영역을 실제로 나타낸다. 작용할 수 있는 추가적인 보완 인자는 개별 폐 유닛(⁴¹)의 모세혈관 네트워크 내의 적혈구의 불균등한 분포이며, 이는 또한_DL,NO보다_DL,CO에 훨씬 더 심오한 영향을 미칠 수 있다.

측정값⁽¹²)으로부터  D_{, M} 및_VC를 도출하는 것이 가능하지만, 그럼에도 불구하고 널리 사용되지는 않는데, 그 이유는 그 도출이 몇 가지 가정과 경험적 상수⁽³¹)를 포함하기 때문에 체계적인 오류가 발생하기 때문이다. 예를 들어, 지배적인 과학적 합의는 확산성 비율 α 1.97로 인정하며, 이는 조직⁴²에서 NO와 CO의 물리적 용해도의 비율을 나타냅니다. 여러 연구에서 이 값에 이의를 제기했으며, 일부 연구에서는 서로 다른 측정 방법 간의 불일치를 조정하기 위해 더 높은 α 값을 제안했습니다. 그러나 이러한 명제들은 물리적 확산율에서 벗어나 일관성 없는 α 값을 초래하기 때문에 주로 기각된다¹². 또한, θNO는 유한한 값을 갖는 것으로 가정되지만, 유리 헤모글로빈과의 빠른 반응 속도로 인해 역사적으로 무한대로 추정되었습니다. 그러나 포괄적인 토론과 최근 연구는 θNO를 유한한 것으로 확립했으며, 1.51mL_blood/min/kPa/mmol_CO는 이론적 예측과 광범위한 in vitro 및 in vivo 실험과 잘 일치하기 때문에 최상의 현재 추정치를 제공합니다¹². 유사하게, θCO에 대한 방정식은 pH 7.4에서 얻은 경험적 상수를 기반으로 하며, 덜 정확하고 비생리학적 pH 측정에 기초한 이전 값을 거부합니다⁴³. 그러나, 이 방법에 의해 얻어질 수 있는 상이한 지표들 중에서,_DL,NO는 어떤 경우에도 가장 적은 가정에 기초하고 있으며, 폐포-모세관 예비력(alveolar-capillary reserve)²⁴에 대한 가장 재현 가능한 추정치를 제공하는 것으로 보이며, 따라서 폐포-모세관 예비력의 맥락에서 관심의 주요 결과 척도로 남아 있다.

특정 연구 분야에서 이 방법의 중요성과 잠재적 적용
_DL,CO/NO 측정은 운동 중 폐 가스 교환에 대한 포괄적인 설명을 제공할 수 있습니다. 이 방법은 심부전 및 만성 폐 질환 환자와 같이 운동성 호흡곤란이 있는 인구에 대한 임상 연구보다 운동 중에 구현하기가 더 쉬울 수 있는데, 이는 각 작업량에서 더 짧은 호흡 참기와 더 적은 기동으로 인해 가능합니다. 또한_DL,CO/NO는 주어진 운동 강도에서 폐포-모세혈관 예비력에 대한 가장 편향되지 않은 추정치를 제공하는_DL,NO를 구체적으로 제공하므로 많은 경우에 적절한 결과 측정이 됩니다.

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이 연구는 스벤드 안데르센 재단(Svend Andersen Foundation)으로부터 재정 지원을 받았다. 신체 활동 연구 센터는 TrygFonden 보조금 ID 101390, ID 20045 및 ID 125132의 지원을 받습니다. JPH는 HelseFonden과 Copenhagen University Hospital, Rigshospitalet에서 자금을 지원받고 HLH는 Beckett Foundation에서 자금을 지원합니다.