需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

结合容积毛细管二氧化碳图与体积描记法测量肺结构与功能关系

9.1K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/58238

⸱

2019年1月8日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Health and Human Physiology, Department of Internal Medicine, University of Iowa, 2Pulmonary, Critical Care and Occupational Medicine Division, University of Iowa, 3Hematology, Oncology and Bone Marrow Transplant Division, University of Iowa, 4Institute for Clinical and Translational Science and Stead Family Department of Pediatrics, University of Iowa

本文内容

摘要

本文介绍了两种肺功能检测方法——体积描记法，可用于测量肺容积；以及容积二氧化碳描记法，用于测量解剖死腔和气道均一性。这些技术可单独使用，也可结合使用，以评估不同肺容积下的气道功能。

摘要

用于测量肺和气道容积的工具对于评估疾病或新型疗法对肺部影响的呼吸系统研究人员至关重要。体积描记法是一种经典的评估肺容积的技术，具有长期的临床应用历史。容积二氧化碳图法利用呼出二氧化碳的曲线特征来确定传导气道（即死腔）的容积，并提供气道均一性的指标。这些技术可独立使用，也可联合应用，以评估气道容积和均一性对肺容积的依赖关系。本文提供了复制这些技术的详细操作说明，我们的代表性数据表明，气道容积和均一性与肺容积高度相关。我们还提供了一个用于分析二氧化碳图数据的宏程序，可根据不同的实验设计进行修改或调整。这些测量方法的优势在于，其优点和局限性已有数十年的实验数据支持，且可在同一受试对象中反复进行，无需昂贵的成像设备或技术复杂的分析算法。这些方法对于关注肺功能残气量和气道容积同时发生变化的研究人员可能尤为有用。

引言

气体洗出技术已使用数十年，用于提供有关气道树结构和通气均一性的重要信息。肺通常被描述为具有两个区域——传导区和呼吸区。传导区由解剖死腔组成，而呼吸区则在肺泡中进行气体交换。由于传导气道不参与氧气与二氧化碳的交换，因此被称为“死腔”。在单次呼吸气体洗出法中，可通过分析呼出气体的浓度分布曲线，测定解剖死腔容积，并获取有关通气均一性的信息。部分方法依赖于吸入惰性气体来实现这些测量（N2，氩气，He，SF6, 等等。）。惰性气体的使用已有充分依据，得到科学共识声明的支持1，且市面上已有配备用户友好界面的商用设备。然而，呼出二氧化碳（CO₂）的曲线特征2) 可用于获取类似信息。评估 CO 的谱型2 作为呼出气体体积的函数，或容积二氧化碳图法，无需受试者吸入特殊气体混合物，且允许研究者灵活获取有关代谢和气体交换的额外信息，同时对技术本身仅需极少调整。

在受控呼气过程中，可以将 CO2 浓度随总呼出气体体积的变化绘制成图。呼气开始时，解剖死腔内充满大气气体，这反映在呼出 CO2 曲线的 I 相中，此时 CO2 含量无法检测到（图 1，上方）。II 相标志着向肺泡气体的过渡，此处发生气体交换，CO2 含量显著升高。II 相中点所对应的体积即为解剖死腔容积（VD）。III 相包含肺泡气体。由于不同直径的气道排空速率不同，III 相的斜率（S）可提供关于气道均一性的信息。III 相斜率越陡，提示终末细支气管近端的气道树越不均一，即对流依赖性不均一性2。当某些干扰因素可能改变 CO2 的生成速率时，或需在不同个体间进行比较时，可通过将斜率除以曲线下面积来标准化代谢差异（NS 或归一化斜率）。容积式二氧化碳图此前已被用于评估暴露于空气污染物后气道容积及均一性的变化3,4,5,6。

肺部的气体运输受对流和扩散共同支配。单次呼吸冲洗测量值高度依赖于气流，所测得的VD 发生在对流-扩散边界处。改变呼气或前一次吸气的流速会改变该边界的位罝。7. 二氧化碳波形图还高度依赖于操作前即刻的肺容积。较大的肺容积会扩张气道，导致V值增大D8一种解决方案是在相同的肺容积下持续进行测量，通常选择功能残气量（FRC）。另一种方法（本文所述）是将容积二氧化碳图与体积描记法结合，以获得VD 以及肺容积。受试者随后在恒定气流速率下执行该操作，同时改变肺容积。这仍可在功能残气量（FRC）下进行经典的二氧化碳波形测量，同时还能推导出肺容积与死腔容积之间、以及肺容积与通气均一性之间的关系。事实上，将二氧化碳波形监测与体积描记法结合的附加价值在于能够检验有关气道树可扩张性及肺结构-功能关系的假设。这对于旨在量化气道力学影响的研究人员而言，可能是一种有价值的工具。 与 健康与疾病人群中肺顺应性与弹性阻力对肺功能的影响9,10,11此外，考虑到进行容积二氧化碳图测量时肺部的绝对容积，可使研究人员表征那些可能改变肺膨胀状态的条件所产生的影响，例如肥胖、肺移植或胸壁捆绑等干预措施。容积二氧化碳图最终可能在重症监护环境中具有临床应用价值。12,13.

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

本方案此前已获得爱荷华大学机构审查委员会的批准，并遵循其制定的指南。所示数据是根据爱荷华大学机构审查委员会批准的一项研究项目收集的。参与者均签署了知情同意书，研究均按照《赫尔辛基宣言》的规定进行。

1. 仪器设备

  1. 查看设备列表，确认所有必需的设备均已备齐。根据图2中的设备示意图仔细核对配置。

2. 体积描记法

注意：体积描记法是一种已有明确描述的临床工具，应根据关于标准化肺容积测量的共识声明，使用商用设备进行操作14,15。必要时，将测得的肺部气流和容积数据与体积描记仪软件中内置的NHANES数据集以及Goldman和Becklake16的预测值进行比较。

  1. 每天进行体积描记仪的校准，并在任何实验开始前完成校准。
    1. 在校准前，使用标准气压计测量温度、大气压和相对湿度，并将这些数值作为校正因子输入体积描记仪软件中。
    2. 使用经校准的3 L注射器在不同流速下校准流量传感器。使用精确的50 mL泵校准箱内压力。箱内压力传感器应每月检查一次，并根据制造商建议按需重新校准。
  2. 测量开始前，立即将受试者放入全身体积描记仪中并关闭舱门。等待30–60秒后开始测量，以确保达到热平衡。
    1. 指导受试者将嘴贴紧咬口，佩戴鼻夹，并将双手置于面颊上。在操作过程中防止面颊鼓起，可最大程度减少因口腔容积变化引起的容积改变。
    2. 指导受试者正常呼吸，至少采集四次潮气呼吸，以建立功能残气量（FRC）。
    3. 在一次正常呼气末期（FRC），关闭隔板。指导受试者以0.5–1次/秒的频率轻柔地快速呼吸3–4秒。评估口压与体积描记仪压力之间的关系，确保其呈一系列重叠的直线，且无热漂移现象。
    4. 打开隔板，让受试者进行一次正常呼吸。指导受试者呼气至残气量（RV），随后进行最大吸气动作至肺总量。重复至少三次，直至获得的FRC值之间差异在5%以内。

3. 容积二氧化碳图

注意：步骤 3.1 – 3.4 需在受试者到达前完成。

  1. 在继续之前，处理好变量问题 表1 并根据需要进行修改。在研究设计阶段调整这些变量至关重要，并且在整个研究过程中应保持其恒定。
    1. 在开始新的实验方案之前，务必精确测量气体分析仪（用于测量CO2 浓度，以及测量气流的 pneumotach。这使得能够测定 CO2 并使流动信号对齐。
    2. 通过5% CO气流实验测量时间延迟2将气体管路连接至旋塞阀，然后连接吹嘴。
    3. 打开活塞，以10 L/min的流速通入气体。在10次试验中测定 pneumotach 与气体分析仪响应之间的平均时间延迟，并输入宏中。
    4. 通过保持分析仪的采样速率恒定来维持时间延迟不变。时间延迟高度依赖于气体分析仪的采样速率，在整个实验过程中以及不同受试者之间，该采样速率必须保持恒定。
  2. 定义用于收集气流和呼出 CO 的三个“通道”2 （%）及体积。气流与呼出气中的一氧化碳2 （%）为模拟输入，体积为流量的积分。
    1. 确认流速和 CO2 （%）直接由 pneumotach 和气体分析仪测得，体积则通过流量积分计算得出。 图3 显示这些信号正在通道1、2和6中被采集。
  3. 每次使用前校准气体分析仪。包括 O2 如果需要测量，则使用传感器。
    1. 使用惰性气体对分析仪进行调零。100% 校准级（<0.01% 污染物）N2 或可使用氦气，但更推荐使用氦气，因为氮气可能含有微量氧气污染。将干燥管放入袋中或连接至混合室，以不低于10 L/min的流速用惰性气体吹扫袋或混合室。注意避免对系统加压，以免影响校准。
    2. 用惰性气体充满袋子或腔室以置换其中的 O₂2 和 CO2. 一旦显示的 CO 浓度达到设定值2 和 O2 稳定后，调节调零旋钮，直至两个读数均为零。
    3. 用6% CO重复2 和常温空气（20.93% O₂）2) 作为校准气体。当目标气体浓度稳定后，调节量程旋钮，使其读数与校准气体的浓度一致。
    4. 重新检查惰性气体和校准气体，并调整零点和量程，直至两者均准确在±0.1%范围内。
  4. 根据制造商的说明校准加热式气流传感器。
    1. 简而言之，在研究开始前，需将气流传感器在37 °C下预热至少20分钟。
    2. 选择流体通道的下拉菜单（通道 1），选择 肺量计 菜单选项，然后单击 零 将 pneumotach 归零。最后选择 好的.
    3. 将一个3L注射器通过流量头适配器直接连接到 pneumotach 上。标出校准呼吸段。再次选择流量通道的下拉菜单。选择 肺量计 流 | 校准，输入 3L，然后选择 好的"\.
    4. 通过在不同流量（0-4 L/s、4-8 L/s 和 8-12 L/s）下向 pneumotach 注入 3 L 气体来检查校准情况。实际注入量与 3 L 的偏差应小于 5%。
  5. 收集操作过程，确保采集到两次连续的呼吸，并且两次呼吸的流速保持一致。
    1. 指导受试者完成一次包含两对呼吸动作的单次操作——一次指导呼吸和一次用于分析的呼吸。该过程的图示如下所示： 图1 （底部）
    2. 在操作过程中，指导受试者遵循计算机显示器上的流程引导。研究者可通过提示“现在吸气”或“现在呼气”来指导受试者。
    3. 执行该操作时，需在单次动作中完成两组此类呼吸。动作中的第一次呼气持续3秒，第二次呼气持续5秒。可考虑在咬嘴管路中串联一个阻力器，以更易于控制呼气流量。使用阻力值为5 cm H₂O·s/L的阻力器。2O/L/s 抗性通常耐受性良好。
      注意：如果使用电阻器，必须在整个研究过程中对每位参与者均使用，因为它会增加口腔和气道压力，从而改变气道直径。此外，参与者不应“鼓起”脸颊，因为这会增加死腔容积。
  6. 测量方案
    1. 指导受试者坐直，双脚平放在地面上，将鼻夹夹在鼻子上，并将嘴放在咬嘴上。
    2. 指导受试者完成至少一分钟的平静呼吸。此步骤用于代谢功能的测量，并使受试者熟悉呼吸口器的使用。一分钟后，停止数据采集。
    3. 接下来，指导受试者改变其潮气量，进行正常、小于正常或大于正常的潮气呼吸。这可确保在不同肺容积下获取呼气末二氧化碳波形图
    4. 指导受试者，一旦在屏幕上看到流量波形出现，应立即开始进行二氧化碳图描记动作。
    5. 在受试者呼吸周期的随机时点恢复数据采集。这使得可在不同的肺容积下进行测量。
    6. 最后，指导受试者在每次操作结束时进行一次深大呼气（sigh），完全放松呼吸肌，以便测定功能残气量（FRC）。
    7. 停止数据采集。重复步骤 3.6.3–3.6.5，直至完成至少 6–8 次操作（用于分析的 12–16 对呼吸）。

4. 数据分析

  1. 导出数据。为了运行宏程序，每对呼吸必须作为单个文本文件导出，然后导入宏中。该过程的截图见补充材料图1。
    1. 选中每一对呼吸波形，注意在操作开始前要包含一段呼气阶段的数据。
    2. 在文件菜单下，选择导出，并为受试者的操作命名。
    3. 在保存类型的下拉菜单中选择数据文件格式，然后点击保存。
    4. 此时将弹出导出为文本对话框。在右侧取消选中块标题列、时间、日期、注释和事件标记。
    5. 在左侧选择当前选区和输出NaN作为值。勾选下采样倍数，并在输入框中输入10。
    6. 选择要导出的流量通道和CO2 (%) 通道，然后点击确定。建议在开始分析前，将这些导出的文件复制备份。
  2. 执行宏分析。使用宏分析导出的操作数据并与肺容积进行比较的逐步注释截图见补充材料图2，可作为操作指南。
    1. 打开宏程序，进入文件菜单，依次选择打开。
    2. 选择以 .txt 扩展名保存的数据文件。
    3. 将出现文本导入向导对话框。在左上角选择分隔符号，然后点击下一步。在第二步中，在分隔符下选择制表符，然后点击下一步。在第三步中，在列数据格式下选择常规，然后点击完成。
    4. 要运行宏，请依次选择视图、宏、查看宏、运行。如果已有数据备份，请选择是。
    5. 让宏运行（约90秒），生成一个包含四个工作表的工作簿。与本测量相关的是，工作表2包含数值数据，图表3包含二氧化碳波形图。
    6. 返回数据并确定功能残气量（FRC）。该值定义为深呼气结束时流量等于0 L/s时的容积。
    7. 确定每对呼吸中第二次呼气开始时的容积。通过从FRC容积中减去该值，可计算出每次呼吸相对于FRC的起始容积（高于或低于FRC）。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

代表性体积描记法结果如下所示 图4该受试者经过四次尝试才成功收集到三个FRC值 <均值的5%变异。%Ref反映的是根据考虑性别、年龄、种族、身高和体重的人群回归方程预测的每个变量的预测值百分比

图1（上方）显示了用于分析的典型单次容积二氧化碳图，图1（下方）显示了整个操作序列的原始数据。在图1（下方）中，容积二氧化碳图与流量波形未对齐以校正时间延迟。通过宏运行一系列呼吸所生成的数据见补充图2末尾。该受试者的死腔容积为0.266 L，斜率为0.523% CO2/L，标准化斜率为0.0826 L-1。有关操作的质量信息也列于F、G、I、J...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

本文提供了一种测量 VD 和气道均一性（斜率）的实验方案。这些测量可在功能残气量（FRC）下进行，也可作为肺容积的函数进行。在实验开始前及施加干扰后分别测量 FRC，可将 VD 和斜率表示为肺容积的函数，从而提供仅通过 FRC 下的二氧化碳图无法获得的肺结构-功能关系的有用信息。

通过计算机断层扫描成像可获得气道容积及高分辨率结构信息17,18，但该方法需要暴露于辐射，且需具备图像处理的专业知识。而体积描记二氧化碳图法可在不增加受试者风险的情况下进行重复测量，且无需昂贵设备或高级数据处理能力。对于需要多个时间点、多次肺容积测量的实验，以及需尽量减少辐射暴露的住院患者群体，体积描记二氧化碳图法是一种理想的研究方法。

关于体积描记法中的气压法，应按照共识声明进行测量操作。当需要将受试者的测量值与预测的群体数值进行比较时，应使用体重秤测量体重，并使用身高计确认身高。如本方案...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由爱荷华大学健康与人类生理学系及内科学系资助。同时获得美国癌症协会通过爱荷华大学霍尔登综合癌症中心管理的老金奖学金（Bates）以及资助号 IRG-15-176-40 的支持（Bates）

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
配备双显示器的计算机Dell Instruments
PowerLab 8/35*AD InstrumentsPL3508
LabChart 数据采集软件*AD Instruments版本 8
Gemini 呼吸气体分析仪*（升级选项）CWE, IncGEMINI 14-10000*表示该部件包含在 AD Instruments 的运动生理学套装中
带加热控制器的加热式 pneumotach*（升级选项）Hans Rudolph, IncMLT3813H-V
3L 校准注射器Vitalograph36020
鼻夹*VacuMedSnuffer 1008
脉搏换能器*AD InstrumentsTN1012/ST
气压计Fischer Scientific15-078-198
带法兰口的咬嘴*AD InstrumentsMLA1026
带三通旋塞的 Nafion 干燥管*AD InstrumentsMLA0343
干燥剂筒（潮湿环境下的可选配件）*AD InstrumentsMLA6024
电阻器Hans Rudolph, Inc7100 R5
流量头适配器*AD InstrumentsMLA1081
改良型管路适配器（可选）AD InstrumentsSP0145
双向非重复呼吸阀（可选）*AD InstrumentsSP0146
体积描记仪VyaireV62J
高纯度氦气PraxairHe 4.8
6% CO2 和 16% O2 校准气体Praxair定制
Microsoft ExcelMicrosoftOffice 365

参考文献

  1. Robinson, P. D., et al. Consensus statement for inert gas washout measurement using multiple- and single- breath tests. European Respiratory Journal. 41 (3), 507-522 (2013).
  2. Verbanck, S., Paiva, M. Gas mixing in the airways and airspaces. Comprehensive Physiology. 1 (2), 809-834 (2011).
  3. Bates, M. L., et al. Pulmonary function responses to ozone in smokers with a limited smoking history. Toxicology and Applied Pharmacology. 278 (1), 85-90 (2014).
  4. Bates, M. L., Brenza, T. M., Ben-Jebria, A., Bascom, R., Ultman, J. S. Longitudinal distribution of ozone absorption in the lung: comparison of cigarette smokers and nonsmokers. Toxicology and Applied Pharmacology. 236 (3), 270-275 (2009).
  5. Reeser, W. H., et al. Uptake of ozone in human lungs and its relationship to local physiological response. Inhalation Toxicology. 17 (13), 699-707 (2005).
  6. Taylor, A. B., Lee, G. M., Nellore, K., Ben-Jebria, A., Ultman, J. S. Changes in the carbon dioxide expirogram in response to ozone exposure. Toxicology and Applied Pharmacology. 213 (1), 1-9 (2006).
  7. Baker, L. G., Ultman, J. S., Rhoades, R. A. Simultaneous gas flow and diffusion in a symmetric airway system: a mathematical model. Respiration Physiology. 21 (1), 119-138 (1974).
  8. Fowler, W. S. Lung Function Studies. II. The Respiratory Dead Space. American Journal of Physiology-Legacy Content. 154 (3), 405-416 (1948).
  9. Eberlein, M., et al. Supranormal Expiratory Airflow after Bilateral Lung Transplantation Is Associated with Improved Survival. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 183 (1), 79-87 (2011).
  10. Eberlein, M., Schmidt, G. A., Brower, R. G. Chest wall strapping. An old physiology experiment with new relevance to small airways diseases. Annals of the American Thoracic Society. 11 (8), 1258-1266 (2014).
  11. Taher, H., et al. Chest wall strapping increases expiratory airflow and detectable airway segments in computer tomographic scans of normal and obstructed lungs. Journal of Applied Physiology. , (2017).
  12. Verscheure, S., Massion, P. B., Verschuren, F., Damas, P., Magder, S. Volumetric capnography: lessons from the past and current clinical applications. Critical Care. 20 (1), 184(2016).
  13. Suarez-Sipmann, F., Bohm, S. H., Tusman, G. Volumetric capnography: the time has come. Current Opinion in Critical Care. 20 (3), 333-339 (2014).
  14. Wanger, J., et al. Standardisation of the measurement of lung volumes. European Respiratory Journal. 26 (3), 511-522 (2005).
  15. Culver, B. H., et al. Recommendations for a Standardized Pulmonary Function Report. An Official American Thoracic Society Technical Statement. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 196 (11), 1463-1472 (2017).
  16. Goldman, H. I., Becklake, M. R. Respiratory function tests; normal values at median altitudes and the prediction of normal results. Am Rev Tuberc. 79 (4), 457-467 (1959).
  17. Shim, S. S., et al. Lumen area change (Delta Lumen) between inspiratory and expiratory multidetector computed tomography as a measure of severe outcomes in asthmatic patients. J The Journal of Allergy and Clinical. , (2018).
  18. Smith, B. M., et al. Human airway branch variation and chronic obstructive pulmonary disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (5), E974-E981 (2018).
  19. Farmery, A. D. Volumetric Capnography and Lung Growth in Children - a Simple-Model Validated. Anesthesiology. 83 (6), 1377-1379 (1995).
  20. Scherer, P. W., Neufeld, G. R., Aukburg, S. J., Hess, G. D. Measurement of Effective Peripheral Bronchial Cross-Section from Single-Breath Gas Washout. Journal of Biomechanical Engineering-Transactions of the Asme. 105 (3), 290-293 (1983).
  21. Sinha, P., Soni, N. Comparison of volumetric capnography and mixed expired gas methods to calculate physiological dead space in mechanically ventilated ICU patients. Intensive Care Medicine. 38 (10), 1712-1717 (2012).
  22. Bourgoin, P., et al. Assessment of Bohr and Enghoff Dead Space Equations in Mechanically Ventilated Children. Respiratory Care. 62 (4), 468-474 (2017).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

标签

pneumotach capnogram
结合容积毛细管二氧化碳图与体积描记法测量肺结构与功能关系
联系我们
向图书馆推荐

隐私

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。