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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.
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.
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 (VD). 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 exposição3,4,5,6.
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 VD 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 VD8. 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 VD 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 doentes9,10,11 . 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 configuração12,13.
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
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 padronização1514,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.
3. volumétrica capnografia
Nota: Etapas 3.1-3.4 são executadas antes da chegada do sujeito da pesquisa.
4. análise de dados
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 (topo) mostra um capnogram único representante usado na análise e na Figura 1 (abaixo) mostra os dados brutos de toda a sequência da manobra. Na Figura 1 (inferior), o capnogram e o rastreamento de fluxo não estão alinhados a conta para o tempo de atraso. Dados gerados a partir de atravessa uma sequência de respirações a macro são mostrados no final do suplemento Figura 2. Este indivíduo tinha um espaço morto de 0,266 L, uma inclinação de 0.523% CO2/l e um declive normalizado de 0,0826 L-1. Informações de qualidade sobre a manobra também são dadas nas colunas F, G, I, J e K. coluna F dá a taxa de vazão média exalado, com o desvio-padrão na coluna G. O volume corrente expirado é dada na coluna J e o valor de R-quadrado para a inclinação é na coluna K.
Dead space e inclinação plotado em função do volume pulmonar são dadas na Figura 5. No painel esquerdo, dead space e inclinação são plotados contra o volume de pulmão em relação a FRC, onde FRC = 0 L. Nos painéis da direito, inclinação e volume pulmonar são plotados contra o volume de pulmão absoluto. Em ambos os casos, dead space e inclinação são significativamente correlacionadas com o volume pulmonar (p < 0,05 para todas as análises de regressão quatro). Isto sugere que dead space e homogeneidade de vias aéreas aumentam à medida que aumenta de volume do pulmão, embora pouco se sabe sobre esta relação em populações com doença pulmonar ou com terapia broncodilatadora. O investigador também pode optar por usar esses dados para descrever o valor numérico do espaço morto e inclinação em volumes pulmonares específicas (FRC, volume residual, 50% da capacidade pulmonar total, etc)3.
Figura 1. Exemplo capnogram (superior), com exalado CO2 (%) plotada em função do volume expirado. I, II e III indicam as três fases do capnogram. A linha pontilhada indica o volume do espaço morto e a linha sólida representa a inclinação do platô alveolar (fase III). A inclinação pode ser dividida pela área sob a capnogram (sombreado cinza, rotulada A) ceder a inclinação normalizada. A sequência de quatro respiração é mostrada no painel inferior, seguido de um sopro de suspiro para determinar a capacidade residual funcional. Cada par de respirações é analisada como uma única manobra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Instalação de equipamentos para medições de Amonitorização. Mostrada nesta figura são o analisador de pneumotach e gás necessário para medições Amonitorização. O monitor esquerdo e rastreamento são utilizados pelo participante como um guia na geração do padrão de fluxo, enquanto os dados são observados no monitor certo pelo investigador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Configurações para a aquisição do capnogram volumétrica do canal. Fluxo é recolhido no canal 1, concentração de CO2 (%) é recolhida no canal 2, e o volume corrente é calculado no canal 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Dados do pletismógrafo representativo de um sujeito saudável, do sexo masculino. Particularmente relevantes para o protocolo relataram que aqui são a capacidade pulmonar total (TLC), o volume residual (RV) e a capacidade residual funcional (FRC). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Morto, espaço e alveolar inclinação plotados em função do volume pulmonar absoluto (painéis de direito) e como o volume em relação a capacidade residual funcional (FRC-volume, esquerda). Observe a dependência da heterogeneidade airways volume e pulmão de volume pulmonar. Volume pulmonar pode ser expressa como uma função de FRC ou volume absoluto, dependendo do projeto experimental. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6. Fatores que impactam a precisão dos dados. Dados são dadas como o média ± intervalo de confiança de 95%. Relação entre a taxa de amostragem do CO2 e o tempo de atraso entre o analisador de gases e pneumotach (parte superior). O tempo de atraso deve ser determinado com precisão antes de iniciar o experimento. Oito manobras totais de medição permite a medição do espaço morto num volume único pulmão com < variabilidade de 5% (inferior). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Aqui, um protocolo para a medição de homogeneidade deD 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 VD 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.
Vias aéreas volume e estrutura de alta resolução podem ser obtidas computada tomográfica da imagem latente de17,18, mas isso requer exposição à radiação e especialização em processamento de imagem. Com capnografia volumétrica, medidas repetidas podem ser feitas sem aumentar o risco para o participante. Também não exige equipamento caro ou capacidades de processamento de dados avançados. Capnografia volumétrica é um método ideal para experimentos com vários pontos de tempo e vários volumes de pulmão e populações de internação hospitalar, cuja exposição à radiação deve ser minimizada.
No que se refere a pletismografia barométrica, deve ter-se cuidado para realizar a medição de acordo com declarações de consenso. Quando é importante comparar valores de participante para valores de população previsto, o peso deve ser medido com uma escala e altura deve ser verificada com um estadiômetro. Conforme observado no protocolo, o componente mais importante para medir antes de capnografia volumétrica de início é o tempo de atraso entre o pneumotach e o analisador de gases. O tempo de atraso é altamente dependente da taxa de amostragem do analisador (Figura 5, top) e pequenas alterações na taxa de amostragem podem ter grande influência nos valores medidos. A taxa de fluxo do analisador deve ser verificada no início e durante todo o experimento. Calibração do analisador e pneumotach também são críticos e devem ter cuidado para garantir a sua precisão antes de iniciar um experimento.
Também determinamos a precisão da medição em um volume único pulmão em 3 participantes. Figura 5 (parte inferior) demonstra que é necessário completar quatro manobras (8 respirações totais) em um volume de pulmão único para medir o espaço morto, para que a variação é < 5%. Os investigadores devem ter cuidado para fazer um número suficiente de medições, quando é importante ter dados em um volume pulmonar específico. Em um subconjunto de 36 manobras analisados em duplicado por dois investigadores, a variabilidade de análise intrainvestigador foi inferior a 0,5%.
Estes métodos exigem também um técnico ou um investigador que é hábil em coaching o participante para fazer as manobras ventilatórias. Uma limitação em estudos de função pulmonar pode ser a capacidade do participante para executar a manobra. No entanto, os participantes que são capazes de realizar a função pulmonar clínica são normalmente capazes de executar as manobras de Amonitorização. Se o estudo é projetado tais que a capnografia segue Pletismográfica e espirometria, os participantes que são incapazes de realizar uma manobra de ergoespirometria ou pletismográfico treinada podem ser excluídos. Em 60 estudos anteriores, um participante que realizaram espirometria clínica foi excluído porque poderia não seguem o padrão de respiração Amonitorização. Existem atualmente não há diretrizes de consenso definindo critérios de medição Amonitorização aceitável. No entanto, a variabilidade intersubject é 8±1% da taxa de fluxo de destino em nossos 10 participantes mais recentes. Variabilidade intrasubject (entre manobra) é de 4±2%.
Questões relativas à reprodutibilidade e precisão dos dados são o resultado de erros o tempo de atraso ou a calibragem do analisador e pneumotach. Antes de cada experiência, tome cuidado para calibrar o analisador com um conjunto de gases conhecidas e gerar uma curva padrão multi-ponto para confirmar a exatidão do analisador.
Além do escopo das informações aqui fornecidas, a macro contém dois cálculos adicionais que possam ser de interesse. Quando as manobras são feitas no FRC, coluna FRC fornece uma estimativa do FRC baseada o método Farmery19. Cálculo da periferia brônquica área secional da Cruz é baseado no método descrito por Scherer, et al 20. finalmente, se desejado, o fim das marés CO2 e média expirada concentração de CO2 podem ser usados para calcular o espaço morto fisiológico para comparação com o espaço morto anatômico21,22.
Os autores não têm nada para divulgar.
Este trabalho foi financiado pelo departamentos de saúde e fisiologia humana e medicina interna na Universidade de Iowa. Este trabalho também foi apoiado pela bolsa ouro velho (Bates) e Grant IRG-15-176-40 da sociedade americana de câncer, administrada através do Holden Comprehensive Cancer Center em The University of Iowa (Bates)
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 |
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