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采用单次呼吸法测量人体运动期间双测试气体肺弥散能力

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DOI：

10.3791/65871

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2024年2月2日

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1Centre for Physical Activity Research, Copenhagen University Hospital - Rigshospitalet, 2Department of Biomedical Sciences, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen, 3Department of Clinical Physiology and Nuclear Medicine, Copenhagen University Hospital - Rigshospitalet, 4Department of Anesthesiology and Intensive Care, Hvidovre Hospital, 5Department of Clinical Medicine, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen, 6Neurovascular Research Laboratory, Faculty of Life Sciences and Education, University of South Wales

本文内容

摘要

本方案介绍了一种通过在运动期间联合测定一氧化碳弥散量（DL,CO）和一氧化氮弥散量（DL,NO）的单次呼吸法，来评估肺泡-毛细血管储备功能的方法。本文以该技术在运动中应用的假设和建议为基础进行阐述。

摘要

一氧化碳弥散量（DL,CO）与一氧化氮弥散量（DL,NO）的联合单次呼吸测定法是一种可用于评估健康人群及患者群体肺泡-毛细血管储备功能的有效技术。该测量方法可估算受试者肺部毛细血管的募集与扩张能力。近期研究表明，该方法在健康志愿者进行轻至中等强度运动时具有较高的重复测量信度。值得注意的是，该技术允许最多进行12次重复操作，且每次仅需一次呼吸，屏气时间相对较短，仅为5秒。文中提供了代表性数据，展示从静息状态到逐步增加运动强度（最高达最大负荷的60%）过程中DL,NO和DL,CO的渐进性变化 。弥散能力的测定及肺泡-毛细血管储备的评估，是评价健康人群以及慢性肺疾病等患者群体在运动状态下肺部响应能力的重要工具。

引言

与静息状态相比，运动会导致能量需求显著增加。心脏和肺通过增加心输出量和通气量作出反应，从而扩张肺泡-毛细血管床，主要是通过募集和扩张肺毛细血管1。这确保了充分的肺气体交换，可通过肺弥散能力（DL）的增加来测量2,3,4。首次尝试在运动过程中测量DL可追溯到一个多世纪前5,6,7。从静息状态增加DL的能力通常被称为肺泡-毛细血管储备8, 9。

实验上，肺泡-毛细血管膜弥散能力（DM）和肺毛细血管血容量（VC) 对肺泡-毛细血管储备功能的评估可通过多种方法进行，包括经典的吸入氧分数多级法（静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。）方法10另一种在此背景下可能有用的技术是双气体测试法，其中 DL 一氧化碳（CO）和一氧化氮（NO）（DL,CO/NO同时测量11该技术于20世纪80年代开发，利用了一氧化氮（NO）与血红蛋白（Hb）反应速率远高于一氧化碳（CO）这一特性，因此一氧化碳在肺部的弥散更依赖于VC 相较于NO，CO扩散的主要阻力（约75%）位于红细胞内，而NO扩散的主要阻力（约60%）则位于肺泡-毛细血管膜和肺部血浆中。12D的同时测量L,CO 和 DL,NO 从而允许评估 D 的相对贡献M 和 VC 至 DL12，其中 D 的变化L,NO 运动过程中观察到的结果在很大程度上反映了肺泡-毛细血管膜的扩张。该方法在运动中进行测量时的另一优势在于，其所需的屏气时间相对较短（约5秒），且操作次数少于经典方法。 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 技术，该技术在不同氧浓度下进行多次重复操作，每次均采用标准化的10秒屏气。尽管 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 最近已应用该方法，可在每个强度下以更短的屏气时间和更少的操作完成13然而， 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 仅允许总共六个 DL,CO 每次会话的操作次数，而最多可重复12次DL,CO/NO 操作可执行而对最终估计结果无任何可测量的影响14在运动过程中获取测量数据时，这些因素尤为重要，因为长时间的屏气和多次操作在极高强度运动中或在有呼吸困难症状的患者群体中可能难以完成。

本文提供了一项详细的实验方案，包括在运动过程中测量DL,CO/NO 的理论依据和实际操作建议，并阐述了将其作为肺泡-毛细血管储备功能指标的应用。该方法易于在实验环境中实施，可用于评估肺部扩散受限如何影响不同人群的氧气摄取能力。

理论与测量原理
DL,CO/NO 方法采用一次吸入气体混合物的方式，并假设气体吸入后在通气的肺泡腔内均匀分布。该气体混合物包含多种气体，其中包括一种惰性示踪气体。根据呼气末气体中示踪气体的分数，可利用其在通气肺泡腔中的稀释程度来计算肺泡容积（VA）15。气体混合物中还包括测试气体 CO 和 NO，这两种气体均在通气的肺泡腔中被稀释，并通过肺泡-毛细血管膜进行扩散。根据它们在肺泡中的分数，可分别计算出它们从肺泡腔消失的速率（k），也称为扩散常数。按照惯例，单次呼吸法测得的某种测试气体的 DL 可通过以下公式推导得出16：

化学动力学方程 DL=ln(FA0/FA)/tBH·VA=k·VA；反应速率分析。

其中 FA0 是单次屏气开始时呼出气中测试气体（CO 或 NO）的肺泡分数 DL 操作，而 FA 是呼吸保持末期测试气体的肺泡分数，tBH 为呼吸保持时间。DL 在力学上等同于测试气体通过肺泡-毛细血管膜、血浆以及红细胞内部到达血红蛋白的传导能力。因此，它既取决于传导能力 DM 以及所谓的肺毛细血管血液的比电导θ），后者既取决于测试气体在血液中的传导性，也取决于其与血红蛋白的反应速率10由于电导的倒数是电阻，测试气体传递的总阻力取决于以下串联的阻力10:

色谱分析相关的静态平衡方程：1/DL = 1/DM + 1/θ·VC。

这些组分可通过同时测量一氧化碳（CO）和一氧化氮（NO）的弥散系数（DL）加以区分，因为二者具有不同的θ值，其相应的 DL 值对肺毛细血管体积（VC）的依赖性也不同。CO 在肺部的弥散比 NO 更依赖于 VC，CO 弥散的主要阻力位点（约 75%）位于红细胞内12。相比之下，NO 弥散的主要阻力（约 60%）位于肺泡-毛细血管膜和肺血浆中，这是因为 NO 与血红蛋白的反应速率显著高于 CO。因此，通过同时测定 DL,CO 和 DL,NO，DM 和 VC 的变化会显著影响前者，而后者对 VC 的依赖性则弱得多，从而能够对决定 DL 的多种因素进行综合评估。

DL,CO/NO 指标的报告可使用不同的单位。例如，欧洲呼吸学会（ERS）使用 mmol/min/kPa，而美国胸科学会（ATS）使用 mL/min/mmHg。这两种单位之间的换算系数为 2.987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg。

方案

丹麦首都大区科学伦理委员会此前已批准在我机构对健康志愿者和慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者进行静息状态、运动期间以及仰卧位时的一氧化碳和一氧化氮弥散量（DL,CO/NO）测定（方案编号：H-20052659、H-21021723 和 H-21060230）。

注意：在运动过程中测量 DL,CO/NO 之前，必须进行动态肺量测定和心肺运动试验（CPET）。动态肺量测定用于个体 DL,CO/NO 操作的质量控制，而 CPET 用于确定运动中测量 DL,CO/NO 时所需的工作负荷。对于存在气流受限的患者，尤其是由阻塞性肺疾病引起的患者，建议在动态肺量测定基础上补充进行全身容积描记法，以获得有效的肺活量测量值。在开始 CPET 前，建议进行健康检查，以排除任何已知的禁忌证17。重要的是，CPET 应在运动时 DL,CO/NO 测量至少 48 小时前完成，因为此前的剧烈运动可能会影响 DL 至少达 24 小时18,19。

1. 动态肺量测定

注意：动态肺量测定应根据欧洲呼吸学会（ERS）和美国胸科学会（ATS）现行的临床指南进行20。

  1. 测量体重（精确到最接近的 100 g）和身高（精确到最接近的 1 mm）。
  2. 让受试者坐在直立的椅子上。
  3. 在用力呼气动作期间进行动态肺量测定，以确定受试者的第 1 秒用力呼气容积（FEV1）和用力肺活量（FVC），具体方法见其他文献20。

2. 心肺运动试验（CPET）

注意：CPET 应根据当前的临床推荐进行21。

  1. 根据受试者的身高调整功率自行车，并在其胸部佩戴心率（HR）监测器。
  2. 让受试者坐上功率自行车，并为其佩戴连接代谢测量系统的面罩，以在整个测试过程中监测通气量和肺部气体交换。
  3. 指导受试者以自选速度开始骑行，转速不低于每分钟60转（RPM），并根据其自我报告的活动水平、日常体能状况和疾病状态，在亚极量负荷下进行5分钟热身（例如15–150 W）。
  4. 每分钟增加负荷5–20 W，直至受试者达到自愿力竭。负荷增量应基于受试者当前的体能水平，使测试在递增负荷阶段开始后预计8–12分钟内结束。
  5. 指导受试者在接下来的48小时内避免进行其他剧烈运动。

单次呼吸弥散能力设备的校准

注意：必须校准流量传感器和气体分析仪，以确保测量结果的有效性和可靠性。具体校准步骤因制造商和设备型号而异。应于每次研究日完成校准 程序，包括生物对照；若每周执行的研究日少于一天，则应额外进行每周一次的校准。实验装置如图1所示。

  1. 打开计算机上的软件程序，系统将自动启动50分钟的预热过程，以确保 pneumotach 达到足够的工作温度。
  2. 确保测试气体的容器已打开（见图1D）。
  3. 进行气体校准：首先将来自 pneumotach 的采样管连接到 MS-PFT 分析仪单元上标有 CAL 的插口（见图1B）。
  4. 在主页中选择校准（见图2A），然后选择气体校准，开始气体校准程序；通过按下开始或F1键启动校准（见图2B）。
  5. 当气体校准完成并被系统接受后，将采样管重新连接至 pneumotach。
  6. 使用经过验证的3 L注射器进行容积校准。在主页中选择校准（见图2A），然后选择容积校准；按下F1键启动校准，并按照软件提供的指示操作（见图2C）。
  7. 确保吸气袋已连接至 MS-PFT 分析仪单元（见图1C）。
  8. 通过在坐位状态下进行静息时的生物学质控测量，完成整个校准流程。该测量应由一名健康的非吸烟者执行，以确保方法的可靠性。若该受试者在 DL,CO 或 DL,NO 上的周间变异分别超过 1.6 和 6.5 mmol/min/kPa（即 5 和 20 mL/min/mmHg），则变异可能源于仪器误差，需进一步排查12, 22。

4. 受试者的准备

  1. 根据先前心肺运动试验（CPET）的结果，计算在选定强度（以最大负荷（Wmax）的百分比表示）下测量DL,CO/NO所需的负荷量。
  2. 在受试者完成CPET至少48小时后，要求其返回实验室，以在运动过程中进行DL,CO/NO的测量。
  3. 测量受试者的身高（以厘米为单位，精确到毫米）、体重（以千克为单位，精确到100克）以及毛细血管血液中的血红蛋白浓度（Hb，以mmol/L 为单位，精确到0.1 mmol/L）。
  4. 在程序的主页上，选择患者 > 新患者（见图2A），并填写所需信息：编号、姓氏、名字、出生日期、性别、身高和体重。然后选择确定或F1继续（见图2D）。

5. 直立静息状态下的DL,CO/NO测量

注意：DL,CO/NO 的测量是根据欧洲呼吸学会（ERS）工作组当前的临床建议进行的12。

  1. 在首页选择 测量 > 一氧化氮膜扩散 （参见 图2E).
  2. 启动软件的自动重置程序，以对所有测试气体进行气体分析仪归零，并开始在连接的吸气袋中混合测试气体。通过按下按钮来启动自动重置 F1 （参见 图2F).
    1. 自动重置需要 140-210 秒。请遵循软件提供的操作说明。 以识别何时开始测量。当软件提示时，必须立即开始测量 连接患者.
  3. 让受试者坐在配备鼻夹的直立椅子上。按照下述方法指导受试者如何执行该操作。
    1. 请受试者使用鼻夹，并通过连接至 pneumotach 的口嘴进行正常的潮式呼吸。为确保测量系统的密闭性，需确保受试者的嘴唇紧闭并密封口嘴周围。 
    2. 在三次正常呼吸后，指导受试者进行一次快速的最大呼气，以达到残气量（RV）。
    3. 当达到残气量（RV）时，立即指导受试者进行一次快速的最大吸气至肺总量（TLC），目标吸气时间为 < 4 秒。在最大吸气期间，阀门打开，允许受试者吸入含有已知浓度一氧化氮（800 ppm NO/N₂）的混合气体2在吸入前，将药物加入吸气袋中。
    4. 要求受试者在肺总量（TLC）水平屏气5（4–8）秒。在吸气过程中，记录吸入容积（V我目标是达到用力肺活量（FVC）或基于体积描记法的肺活量的 ≥90%，并保持 4–8 秒的屏气时间。23 (表1).
    5. 屏气结束后，指导受试者进行一次用力、平稳且最大限度的呼气，过程中不得中断。
    6. 最大呼气后，让受试者松开咬嘴和鼻夹。软件将随后计算 DL-硝基精氨酸 和 DL,CO 无需任何指令。
  4. 在整个操作过程中使用语言鼓励，以确保受试者达到残气量（RV）和肺总量（TLC）。根据标准评估该操作的可接受性 表1.
  5. 在至少4分钟的静息洗脱期后再次执行该操作，直至两次操作均满足可接受性标准（表1或在同一实验环节中完成总共12次操作（见下文）。
  6. DL-硝基精氨酸 和 DL,CO 根据所列标准进行报告 表2我们还建议报告屏气时间、吸入容积和肺泡容积。此外，应报告可接受且可重复的操作次数；对于未满足可接受性或可重复性标准的操作所得结果，应谨慎解读。

6. 运动期间 DL,CO/NO 的测定

注意：运动期间一氧化碳/一氧化氮弥散量（DL,CO/NO）测量的时间线见图3。

  1. 将功率自行车放置在适当距离，使受试者能够通过吹嘴呼吸，同时无需改变骑行姿势。升高设备高度，确保受试者在自行车上保持正确的工作姿势进行测量（见图2）。
  2. 让受试者坐上功率自行车，并在其胸部佩戴 心率（HR）监测器。指导受试者按照步骤5.3中所述执行每一项操作。
  3. 指导受试者以次最大负荷骑行5分钟，作为测量前的热身。
  4. 将负荷增加至目标强度，同时通过按下F1 启动设备的自动重置功能（见步骤5.2）。自动重置过程持续140-210秒，足以确保受试者达到稳态。
  5. 当自动重置完成后，将吹嘴转向受试者，并在受试者继续以目标强度骑行的同时，执行如下所述的操作：
    1. 按照步骤5.4至5.5的流程进行。在每个负荷水平下评估可接受性和可重复性标准（表1），报告方式与静息状态下的测量相同（见步骤5.6和表2）。
  6. 完成操作后，取下吹嘴 并将负荷降低至15-40 W。进行2分钟的主动恢复，随后重复步骤6.4和6.5。2分钟的主动恢复期与140-210秒的自动重置时间共同提供了4-5分钟的充分洗脱期。

结果

该方案于2021年实施，截至撰写本文时，共完成了124次运动过程中的测量（其中健康志愿者51次，不同程度慢性阻塞性肺疾病患者73次）。各项操作动作、符合可接受性和可重复性标准的数据以及失败率均列于表3中。

计算方法
以下以健康组在最大功率（Wmax）20% 时进行的首次 DL,CO/NO 操作为例，提供相应的计算过程，作为下文所述的案例研究。根据表 4中提供的实测数值，进行如下计算：

通气公式 VA=FI,He/FA,He * (VI-DD,inst-VD,anat) 方程分析示意图。
数学计算、公式求解、体积计算方程，用于教学。
(BTPS)

其中，FI 为吸入分数，VI 为吸入容积，DD,inst 和 VD,anat 分别为仪器死腔和解剖死腔。

静态平衡方程；ΣF_A0,CO = F_I,CO · F_A,He/F_I,He，计算结果示意图。

化学动力学方程，\( k_{CO} \) 的计算，显示反应速率。

肺扩散容量的DLco方程，包含变量kCO、VA及压力，公式如图所示。

其中，FI 为吸入气体分数，PB 为大气压，PH2O 为饱和水蒸气压；且 气体体积换算公式；STPD条件下VA的压强与温度比方程；示意图。

化学过程计算公式；FA0,NO 方程；反应流速测定。

用于反应速率计算的化学动力学公式，显示 ln 方程和速率常数。

肺部气体交换，DL,NO 公式，说明弥散能力的计算方法。

运动期间获得的 DL,CO/NO 结果解读
主要关注的结局指标是 DL,NO，因为从静息状态到特定负荷下 DL,NO 的变化被认为可总体反映肺泡-毛细血管储备功能。在健康个体中，DL,NO 随运动强度增加呈线性升高，这归因于心输出量增加促进了肺毛细血管床的血流募集12。血流或压力的增加导致毛细血管募集，以及肺泡-毛细血管膜表面积的动员，从而使红细胞分布更加均匀，并改善组织与红细胞膜表面之间的对齐关系12。相比之下，DL,CO 在此背景下被视为次要指标，主要用于推断 VC 是否发生同步变化。在个体层面进行解读时，若两次测量之间的差异大于测量误差，则认为具有生理意义24，即 DL,NO 的差异大于 2.7 mmol/min/kPa，DL,CO 的差异大于 1.6 mmol/min/kPa。

案例研究
一名健康的25岁女性 材料科学研究所示意图中的热膨胀系数公式，符号为 α。O2最大值 2696 mL O2/分钟（47.3 mL O2/千克）进行了八次 DL,CO/NO 操作步骤，首先在坐姿直立静息状态下进行测量，随后在自行车功率计上运动时进行测量（W最大 = 208）时，强度逐渐增加至 W 的 60%最大 (Table 5所有操作均满足可接受性和可重复性标准。

一名68岁男性，患有中度慢性阻塞性肺疾病（FEV1= 预测值的56%）伴有 材料科学研究所示意图中的热膨胀系数公式，符号为 α。O2p弱 1852 mL O2/分钟（22.8 mL O₂）2/千克）执行了八次 DL,CO/NO 操作步骤，首先在坐姿直立静息状态下进行测量，随后在自行车功率计上进行运动时测量（W最大值 = 125 W）强度逐渐增加至 W 的 60%最大 (Table 6所有操作均符合可接受性和可重复性标准。

上述两种情况下各工作负载的报告结果如以下所示 图4。此外，DL,NO 和 DL,CO 作为……的函数 热膨胀系数方程，符号 α，材料科学研究示意图。O2 （根据呼出气体测量值计算）呈现在 图5在健康个体中，D呈近似线性增加L,NO 如预期所示，但在W的20%至40%区间出现一个平台期最大，而D值出现轻微的逐渐上升L,CO 在所有工作负荷下均会发生。这表明 DM 最初随未改变的 V 而增加C 运动开始时，反映肺血流重新分布，以招募先前未灌注的毛细血管，但同时伴随 V 的逐渐增加C 在较高负荷下，交替发生的毛细血管招募与扩张共同作用，以优化递增运动期间的肺气体交换。在慢性阻塞性肺疾病（COPD）情况下，DL-NO 在第一负荷阶段增加，随后进入平台期，并在后续负荷阶段保持相同水平，表明在20% W时已达到全部肺泡-毛细血管储备最大值总体而言，COPD 患者的肺毛细血管募集与扩张程度，即肺泡-毛细血管储备能力，低于健康个体。

运动生理学实验室设置，配备用于代谢测量的肺量计设备和气体分析装置。
图 1：研究设置概览。（A）运动过程中进行测量的研究设置。（B）通过连接采样管至标记为 CAL 的 MS-PFT 分析仪单元插件进行气体校准。（C）连接至 MS-PFT 分析仪单元的吸气袋。（D）盛放测试气体的容器。请点击此处查看该图的放大版本。

校准过程用户界面流程图，包含数据分析结果和软件界面元素。
图 2：程序操作指南。（A）在主页上选择 Calibration。（B）选择 Gas calibration。（C）选择 Volume calibration。（D）选择 New Patient。（E）选择 New patient 并填写所需信息。（F）选择 measurements，然后选择 NO diff Membrane。（G）按下 F1 开始自动复位。 请点击此处查看本图的放大版本。

运动强度与时间关系图；校准、DLCO/NO 操作、热身/休息阶段。
图 3：运动期间弥散能力测量的时间线。 使用 BioRender 创建。 请点击此处查看此图的放大版本。

一氧化氮弥散量和一氧化碳弥散量图，比较健康组与慢阻肺组的摄取变化分析。
图4： 肺弥散能力。健康个体与慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者在递增运动过程中，以最大做功量（Wmax）百分比表示的一氧化碳弥散能力（DL,CO）和一氧化氮弥散能力（DL,NO）的比较。 请点击此处查看该图的放大版本。

一氧化碳弥散能力与摄氧量关系图；健康者与慢性阻塞性肺疾病患者趋势；DL_NO 和 DL_CO 变量；数据分析。
图 5： 肺弥散能力。健康个体与慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者在递增运动过程中，肺部对一氧化碳（DL,CO）和一氧化氮（DL,NO）的弥散能力随氧摄取量（材料科学研究图示中的热膨胀系数公式，符号 α。O2）变化的比较。 请点击此处查看此图的放大版本。

可接受性标准
1.用力肺活量（FVC）或肺活量（VC）的 ≥ 90%
或用力肺活量（FVC）或肺活量（VC）的 ≥ 85%
且与其他可接受操作中最大肺泡容积（VA）相比，VA 差值在 200 ml 以内
或用力肺活量（FVC）或肺活量（VC）的 ≥ 85%
且与其他可接受操作中最大肺泡容积（VA）相比，VA 差值在 5% 以内
2.稳定的 4-8 秒屏气，无漏气或瓦尔萨尔瓦（Valsalva）/米勒（Müller）动作迹象
可重复性标准
两次可接受操作的测量值差异在以下范围内
< 5.8 mmol·min-1·kPa-1 （用于 DL,NO）
< 1 mmol·min-1·kPa-1（用于 DL,CO）

T能够 1：可接受性与重复性标准。 缩写：DL,CO：一氧化碳肺弥散量，DL,NO：一氧化氮肺弥散量，FVC：用力肺活量，VA：肺泡容积；VC：肺活量。

可接受操作次数满足重复性标准操作建议
≥2是报告两次可接受且可重复操作的平均 DL,NO 和平均 DL,CO
≥2否报告 DL,NO 最高的单次可接受操作的数值
1是报告该次可接受操作的数值
1否报告该次可接受操作的数值
0是报告所有不可重复操作的平均 DL,NO 和平均 DL,CO
0否测量失败

T能够 2：数据报告。 缩写：DL,CO：一氧化碳肺弥散量，DL,NO肺一氧化氮弥散量

组别测量次数 (n)每次测量的操作次数（中位数 [IQR]）符合可接受性标准，n (%)符合可重复性标准，n (%)测量失败，n (%)
健康组512 (2-2)50 (98)51 (100)0 (0)
轻度 COPD243 (2-3)22 (92)22 (92)0 (0)
中度 COPD392 (2-3)26 (67)32 (82)3 (8)
重度 COPD102 (2-3)1 (10)4 (40)6 (60)
全部1242 (2-3)99 (80)109 (88)9 (7)

T能够 3：完成的 DL,CO/NO 2021年7月至2023年12月期间本机构在运动过程中的测量数据 缩写：COPD，慢性阻塞性肺疾病。

分数
FI,CO0.238
FI,NO48.75 x 10-6
FI,He0.08
FA,CO0.12
FA,NO6.18 x 10-6
FA,He0.0603
容积 (BTPS)
VI (L)4.13
VD,anat (L)0.132
VD,inst (L)0.220
tBH (sec)5.65

T能够 4：测定吸入气中的测试气体与惰性示踪气体分数（FI）和肺泡（FA单次呼吸动作期间的空气 缩写：VI：潮气量；VD, 解剖学： 解剖死腔；VD,inst： 仪器死腔；tBH：屏气时间。

直立0.20.40.6
静息Wmax的Wmax的Wmax的
负荷（瓦特）04080125
操作12121212
DL,NO （mmol/min/kPa）35.034.737.038.937.438.442.243.4
DL,CO （mmol/min/kPa）8.07.88.48.49.29.19.89.9
屏气时间（秒）5.85.65.75.85.85.75.75.5
VI（L）4.14.14.14.14.04.03.84.0
VA（L）4.94.85.05.05.15.15.25.3

T能够 5：来自健康个体的数据。 缩写：DL,NO：一氧化氮肺弥散量，DL,CO：一氧化碳肺弥散量，VI潮气量，VA肺泡容积。

直立0.20.40.6
休息的 W最大的 W最大的 W最大值
负荷（瓦特）0255075
操作12121212
DL,NO (mmol/min/kPa)17.921.623.3524.3524.924.221.823.6
DL,CO (mmol/min/kPa)4.75.35.05.25.14.93.34.1
屏气时间（s）6.66.16.15.85.85.85.86.0
VI (L)4.34.44.24.34.14.03.83.9
VA (L)6.76.66.76.76.76.76.76.8

表6：一名慢性阻塞性肺疾病患者的检测数据。 缩写：DL,NO：一氧化氮肺弥散量，DL,CO：一氧化碳肺弥散量，VI：吸入气量，VA：肺泡容积。

讨论

该方案采用双测试气体单次呼吸法，在运动过程中标准化地测量DL,CO/NO。由于所获得的DL,CO/NO指标会因肺毛细血管的募集和扩张而升高，该方法可提供肺泡-毛细血管储备功能的生理学意义明确的评估指标。

实验方案中的关键步骤
该方法要求受试者先呼气至残气量（residual volume, RV），然后吸气至肺总量（total lung capacity, TLC），在此水平进行5秒的屏气，随后再呼气至残气量。这一步骤至关重要，因为在运动过程中，尤其是高强度运动时，完成该操作可能较为困难。随着运动强度的增加，通气量（VI）可能下降；若其降至低于肺活量的85%，则该操作被视为不可接受（见表1）。因此，测试操作人员必须注意观察受试者是否充分吸气，并在每次操作后立即确认屏气时间是否达到4至8秒的充分时长12。此外，在某些情况下，可能难以达到可重复性的标准；此时应报告一氧化氮弥散量（DL,NO）最高的那次操作的数据，我们建议在呈现数据时明确说明此类情况发生的次数。在某些情况下，可能完全无法在运动过程中获得可接受或可重复的测量结果，例如在研究严重呼吸困难的患者时，他们可能无法完成足够的屏气时间，或存在运动过程中动态过度充气并伴随吸气量下降的情况。在这种情况下，采用仰卧位测得的DL,CO/NO可能更为合适，因为仰卧位同样可引起肺毛细血管的募集和扩张，尽管其程度不如亚极量运动时显著24,25。

方法的改进与故障排除
在进行运动期间的任何测量之前，必须首先进行静息状态下的测量，因为在力竭性高强度运动后，DL,CO 可能会降低，并持续长达 6–20 小时18,19,26。此外，记录心率（HR）和/或其他代谢负荷指标至关重要，以确保在不同受试者中获得的测量值均处于稳态，并且在相似的代谢工作负荷下进行。

该方法在检测 D 的微小变化时可能不够灵敏L,NO 或 DL,CO，因为在同一检测时段内，不同次测试之间的变异性据报告可高达7%，具体取决于所采用的指标12因此，选择一个足以引起超过测量误差的增量的运动强度非常重要，同时还需考虑到受试者必须能够在该强度下至少完成两次可接受的操作。在既往使用双测试气体法的研究中，已采用从轻度到中等强度的各种运动强度。大多数研究采用与通气阈值百分比（% ventilatory threshold）相关的相对强度24, 27，年龄预测最大心率的百分比 %28，或达到最大氧储备的百分之多少29，而仅有一项研究在80 W的固定负荷下应用了绝对强度30在各项研究中，这些负荷对应的相对强度范围为 W 的 20% 至 86%最大24, 27, 29为便于在不同研究之间比较测量结果，建议采用相对强度，即以最大耗氧量（W）的百分比（%）表示最大值，最大心率的百分比（HR最大) 或 % 材料科学研究所示意图中的热膨胀系数方程，符号为 α。O2最大 或 热膨胀系数方程，符号 α，材料科学研究示意图。O2峰值），并同时报告 W最大 以及获取测量值时的工作负荷。

该方法相对于现有/替代方法的意义
对于 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。，DM 和 VC 可通过 DL,CO/NO12,31 在数学上推导得出；尽管应谨慎使用（参见下文“方法的局限性”），但该方法确实允许更直接地从机制上评估肺毛细血管募集（通过 DM 评估）导致的肺泡-毛细血管表面积扩张，以及扩张（VC 的增加超过 DM 的增加）如何共同影响运动相关的肺气体交换变化。然而，据我们所知，单次呼吸 DL,CO/NO 方法仅在直立体位静息状态下经过与 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 的对比验证11。这两种方法在既往多项研究中均已被用于运动状态，并在健康青年人群中显示出相似的 DM 和 VC 生理变化3,24。然而，两种方法允许执行的操作次数不同：静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 最多允许六次操作，而 DL,CO/NO 在同一实验阶段最多可进行 12 次操作12。这是因为尽管两种方法中 CO 浓度相同（约 0.30），但 DL,CO/NO 的屏气时间较短（5 秒 vs. 10 秒），导致血液中 CO 累积较少，从而减少了 CO 的反向压力14。此外，最多可进行 22 次 DL,CO/NO 操作而不影响 DL,NO，因为内源性呼出 NO 水平介于 11 至 66 ppb 之间，比 ppm 量级的 NO 测量值低约 1000 倍14。因此，由于 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 使用 10 秒的 DL,CO 测量，且在每个 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 条件下至少需要两次操作以评估可重复性，对应于每次运动强度下至少四次操作；若进行双终点测量，则在运动过程中可能难以实现。因此，以往基于 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 的方法在每个 呼吸生理分析中代表吸入氧分数的 FiO2 符号。 条件下仅使用单次操作，导致每次运动强度下最少进行三次操作32，其显著缺点是无法评估这些操作在多大程度上真正具备可重复性。相比之下，DL,CO/NO 方法在每个运动强度下只需两次满足可重复性标准且被判定为可接受的测量即可。然而，已有研究表明，即使在缩短 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 屏气时间的情况下，静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 在运动过程中仍能提供与 DL,CO/NO 相当的可重复性。因此，在中等强度运动中，我们先前发现当屏气时间约为 6 秒时，DL,CO/NO 各项指标的日间变异系数（CV）为 2% 至 6%24，而使用 静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub> 方程。 在相似屏气时间下报告的 DL,CO、VC 和 DM 的 CV 略高，分别为 7%、8% 和 15%32。

需要指出的是，在 DL,CO/NO 检测中测得的 DL,CO 通常持续低于更常用的 10 秒屏气法所测得的 DL,CO12, 33。根据以往研究，这种差异并非源于屏气时间的不同，因为较短的屏气时间反而会提高 DL,CO34。相反，其可能源于多种其他因素，包括吸入气体的组成以及一氧化碳（CO）与一氧化氮（NO）在动力学上的差异33。首先，DL,CO/NO 使用氦气作为惰性示踪气体，而传统的 10 秒 DL,CO 检测则使用甲烷；由于这两种气体具有不同的物理特性，它们在肺部和组织中的分布与溶解度也有所不同。这可能导致使用氦气时测得的肺泡容积（VA）低于使用甲烷时的结果。最后，由于测试气体的反应性不同，NO 与 CO 在与血红蛋白结合时的动力学差异也可能产生影响。尽管尚属推测，DL,CO/NO 中存在的 NO 可能会影响 CO 与血红蛋白的结合过程33。

一氧化碳（CO）通过肺泡-毛细血管膜的扩散速率取决于其与血液中血红蛋白的结合能力。除了用于计算 θCO 外，根据具体研究背景，对 DL,CO 值进行血红蛋白校正可能是合适的35。这在临床环境中较为常见，但在健康个体中重要性较低，因为血红蛋白对其 DL,CO 的影响通常可忽略不计。此类校正也可用于评估运动期间的 DL,CO/NO，但在评估由静息至运动的特定变化时相关性较低，因为在这些情况下（急性）血红蛋白的变化影响较小。无论如何，校正应谨慎进行，因为这些方程的前提是假设 CO 的 DM 与 θ∙Vc 之间的比值为 0.735，而这一假设在运动过程中可能不成立。

方法的局限性
在健康个体中，运动期间 DL,NO 和 DL,CO 随强度增加而升高，反映了肺毛细血管的募集和扩张。对肺泡-毛细血管储备的直接评估可能仅能在次最大强度下实现，因为在最大强度时，尽管毛细血管募集和扩张可能最为显著，但该方法在实验或临床条件下均难以实际操作。因此，较为务实的选择是设定一个预定义的（绝对或相对）负荷，既能系统性地诱发肺毛细血管的募集和扩张，又对所有受试者均可行。在本方案中，运动强度基于 Wmax 的百分比，因其易于在其他研究中推广应用。传统上，运动负荷通常依据 材料科学研究图示中的热膨胀系数公式，符号 α。O2max 或 HRmax 的百分比来制定，但这要求所有受试者均达到其真实最大值。若未达到，则受试者可能在不同的相对强度下进行测量36，这在患有严重劳力性呼吸困难的人群（如慢性肺病或心脏病患者）中可能尤为成问题，并使生理学解释变得复杂。

需要注意的是，在单个 DL,CO/NO 操作过程中，测试气体可能无法分布到肺部通气相对较差的区域。对于无肺部疾病的个体，这仅构成轻微问题；但在存在显著通气不均（包括明显的气体陷闭）的情况下，由于测量结果仅反映肺部通气最佳区域的状况，受试者真实的 DL 可能被高估，而较短的屏气时间会加剧这一效应37。理论上，如果患有肺部疾病的受试者接受某种干预措施后通气不均程度减轻，可能会导致肺泡-毛细血管储备出现看似矛盾的降低。

在本报告所述的慢性阻塞性肺疾病（COPD）病例中，运动导致的 DL,CO 下降幅度超过了 DL,NO ，且在最高强度（60% Wmax）时尤为明显，对此必须谨慎解读，因为从生理学角度难以直接解释。我们在本机构迄今研究的73例COPD患者中，大多数均观察到类似模式，因此必须考虑方法学局限性本身可能带来的影响。除了上述通气不均可能对一氧化碳（CO）造成比一氧化氮（NO）更大的影响外，NO与血红蛋白的反应速度比CO快近300倍，且在组织和血浆中的扩散速度也比CO快约两倍，这些因素也可能发挥作用31。因此，尽管NO和CO通常均以弥散受限的方式进行气体交换，但当个别肺单位的血流灌注减少约100倍时，CO的摄取可能转变为灌注受限31，从而导致测得的 DL,CO 降低，而 DL,NO则不受影响。鉴于COPD常伴有肺泡破坏和毛细血管进行性丧失，导致全肺通气-灌注分布不均39，肺内灌注减少100倍的肺单位并不少见40，这些区域确实可能因红细胞通过时间显著缩短，从而在运动期间损害氧气和CO的摄取。另一个可能起作用的补充因素是，个别肺单位毛细血管网络内红细胞分布不均41，这可能对 DL,CO 造成比对 DL,NO 更显著的影响。

可以通过 DL,CO/NO 符号，气体扩散系数方程，呼吸生理学研究。 测量来推导 DM 和 VC12，但由于其推导过程涉及多个假设和经验常数，会引入系统性误差，因此尚未被广泛应用31。例如，当前科学共识将扩散度比 α 认定为 1.97，代表一氧化氮（NO）与一氧化碳（CO）在组织中物理溶解度的比值42。一些研究对此数值提出了质疑，建议采用更高的 α 值以调和不同测量方法之间的差异。然而，这些观点因偏离物理扩散度比而导致 α 值不一致，因而大多未被采纳12。此外，θNO 通常被假定为具有有限值，但历史上因其与游离血红蛋白反应速率极快而被认为无限大。然而，近年来的深入讨论和研究对此假设提出了质疑，确立了 θNO 为有限值，目前最佳估计为 1.51 mLblood/min/kPa/mmolCO，该数值与理论预测以及大量体外（in vitro）和体内（in vivo）实验结果高度一致12。类似地，θCO 的计算方程基于在 pH 7.4 条件下获得的经验常数，摒弃了早期基于不够准确且非生理 pH 值测量所得的数值43。然而，在该方法可获得的不同指标中，DL,NO 所依赖的假设最少，且似乎能提供对肺泡-毛细血管储备最可重复的估计24，因此在肺泡-毛细血管储备的研究背景下，仍是主要的关注结局指标。

该方法在特定研究领域中的重要性及潜在应用
DL,CO/NO 的测定可全面反映运动状态下的肺气体交换情况。由于所需屏气时间更短，且在每个运动负荷下所需的呼吸操作更少，该方法在针对劳力性呼吸困难人群（如心力衰竭和慢性肺疾病患者）的临床研究中，可能比使用静态平衡概念；mF<sub>I,O<sub>2</sub></sub>方程。更易于实施。此外，DL,CO/NO 可特异性提供DL,NO ，后者可能在特定运动强度下最无偏倚地反映肺泡-毛细血管储备功能，因此在多种情况下可作为合适的结局评估指标。

披露

本文所介绍的设备和软件并非免费。所有作者均未与提供该软件许可的任何公司有关联。所有作者声明不存在竞争性经济利益。

致谢

本研究获得了Svend Andersen基金会的经费支持。哥本哈根大学医院Rigshospitalet的物理活动研究中心获得了TrygFonden基金会的资助，项目编号分别为101390、20045和125132。JPH由HelseFonden基金会和哥本哈根大学医院Rigshospitalet资助，HLH则由Beckett基金会资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
血红蛋白检测仪 HemoCue Hb 201+ HemoCue, Brønshøj, 丹麦未知用于血红蛋白测定
耶格 MasterScreen PFT pro（肺功能检测设备）CareFusion, Höchberg, 德国未知用于测定 DLCO/NO
口器SpiroBac, Henrotech, Aartselaar, 比利时未知与肺功能检测设备配合使用（死腔容积 56 ml，气流阻力在 12 L s−1 时为 0.9 cmH2O） 
鼻夹IntraMedic, Gentofte, 丹麦JAE-892895
pneumotach（流量传感器）IntraMedic, Gentofte, 丹麦JAE-705048与肺功能检测设备配合使用
SentrySuite 软件系统Vyaire Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg, 德国未知
测试气体IntraMedic, Gentofte, 丹麦未知浓度：0.28% CO, 20.9% O2, 69.52% N2 和 9.3% He

参考文献

  1. Johnson Jr, R. L., Heigenhauser, G. J. F., Hsia, C. C., Jones, N. L., Wagner, P. D. Determinants of gas exchange and acid-base balance during exercise. Compr Physiol. , Suppl 29 515-584 (2011).
  2. Rampulla, C., Marconi, C., Beulcke, G., Amaducci, S. Correlations between lung-transfer factor, ventilation, and cardiac output during exercise. Respiration. 33 (6), 405-415 (1976).
  3. Tedjasaputra, V., Bouwsema, M. M., Stickland, M. K. Effect of aerobic fitness on capillary blood volume and diffusing membrane capacity responses to exercise. J Physiol. 594 (15), 4359-4370 (2016).
  4. Tamhane, R. M., Johnson, R. L., Hsia, C. C. W. Pulmonary membrane diffusing capacity and capillary blood volume measured during exercise from nitric oxide uptake. Chest. 120 (6), 1850-1856 (2001).
  5. Bohr, C. On the determination of gas diffusion through the lungs and its size during rest and work. Zentralblatt für Physiologie. 23 (12), 374-379 (1909).
  6. Krogh, A., Krogh, M. On the rate of diffusion of carbonic oxide into the lungs of man. Skandinavisches Archiv Für Physiologie. 23 (1), 236-247 (1910).
  7. Krogh, M. The diffusion of gases through the lungs of man. J Physiol. 49 (4), 271-300 (1915).
  8. Hsia, C. C., Herazo, L. F., Ramanathan, M., Johnson, R. L. Cardiopulmonary adaptations to pneumonectomy in dogs IV. Membrane diffusing capacity and capillary blood volume. J Appl Physiol. 77 (2), 998-1005 (1994).
  9. Behnia, M., Wheatley, C. M., Avolio, A., Johnson, B. D. Alveolar-capillary reserve during exercise in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 12, 3115-3122 (2017).
  10. Roughton, F. J., Forster, R. E. Relative importance of diffusion and chemical reaction rates in determining rate of exchange of gases in the human lung, with special reference to true diffusing capacity of pulmonary membrane and volume of blood in the lung capillaries. J Appl Physiol. 11 (2), 290-302 (1957).
  11. Borland, C., Higenbottam, T. A simultaneous single breath measurement of pulmonary diffusing capacity with nitric oxide and carbon monoxide. Eur Respir J. 2 (1), 56-63 (1989).
  12. Zavorsky, G. S., et al. Standardisation and application of the single-breath determination of nitric oxide uptake in the lung. Eur Respir J. 49 (2), 1600962(2017).
  13. Tedjasaputra, V., Van Diepen, S., Collins, S., Michaelchuk, W. M., Stickland, M. K. Assessment of pulmonary capillary blood volume, membrane diffusing capacity, and intrapulmonary arteriovenous anastomoses during exercise. J Vis Exp. (120), e54949(2017).
  14. Zavorsky, G. S. The rise in carboxyhemoglobin from repeated pulmonary diffusing capacity tests. Respir Physiol Neurobiol. 186 (1), 103-108 (2013).
  15. Graham, B. L., et al. ERS/ATS standards for single-breath carbon monoxide uptake in the lung. Eur Respir J. 49 (1), 1600016(2017).
  16. Hughes, J. M., Pride, N. B. Examination of the carbon monoxide diffusing capacity (DLCO) in relation to its KCO and VA components. Am J Respir Crit Care Med. 186 (2), 132-139 (2012).
  17. Balady, G. J., et al. Clinician's guide to cardiopulmonary exercise testing in adults: a scientific statement from the American heart association. Circulation. 122 (2), 191-225 (2010).
  18. Hanel, B., Clifford, P. S., Secher, N. H. Restricted postexercise pulmonary diffusion capacity does not impair maximal transport for O2. J Appl Physiol. 77 (5), 2408-2412 (1994).
  19. Sheel, A. W., Coutts, K. D., Potts, J. E., McKenzie, D. C. The time course of pulmonary diffusing capacity for carbon monoxide following short duration high intensity exercise. Respir Physiol. 111 (3), 271-281 (1998).
  20. Graham, B. L., et al. Standardization of spirometry 2019 update an official American Thoracic Society and European Respiratory Society technical statement. Am J Respir Crit Care Med. 200 (8), e70-e88 (2019).
  21. Glaab, T., Taube, C. Practical guide to cardiopulmonary exercise testing in adults. Respir Res. 23 (1), 9(2022).
  22. Munkholm, M., et al. Reference equations for pulmonary diffusing capacity of carbon monoxide and nitric oxide in adult Caucasians. Eur Respir J. 52 (1), 1500677(2018).
  23. Dressel, H., et al. Lung diffusing capacity for nitric oxide and carbon monoxide: dependence on breath-hold time. Chest. 133 (5), 1149-1154 (2008).
  24. Madsen, A. C., et al. Pulmonary diffusing capacity to nitric oxide and carbon monoxide during exercise and in the supine position: a test-retest reliability study. Exp Physiol. 108 (2), 307-317 (2023).
  25. Ross, B. A., et al. The supine position improves but does not normalize the blunted pulmonary capillary blood volume response to exercise in mild COPD. J Appl Physiol. 128 (4), 925-933 (2020).
  26. Zavorsky, G. S., Lands, L. C. Lung diffusion capacity for nitric oxide and carbon monoxide is impaired similarly following short-term graded exercise. Nitric Oxide. 12 (1), 31-38 (2005).
  27. Alves, M. M., Dressel, H., Radtke, T. Test-retest reliability of lung diffusing capacity for nitric oxide during light to moderate intensity cycling exercise. Respir Physiol Neurobiol. 304, 103940(2022).
  28. Jorgenson, C. C., Coffman, K. E., Johnson, B. D. Effects of intrathoracic pressure, inhalation time, and breath hold time on lung diffusing capacity. Respir Physiol Neurobiol. 258, 69-75 (2018).
  29. Zavorsky, G. S., Quiron, K. B., Massarelli, P. S., Lands, L. C. The relationship between single-breath diffusion capacity of the lung for nitric oxide and carbon monoxide during various exercise intensities. Chest. 125 (3), 1019-1027 (2004).
  30. Coffman, K. E., Boeker, M. G., Carlson, A. R., Johnson, B. D. Age-dependent effects of thoracic and capillary blood volume distribution on pulmonary artery pressure and lung diffusing capacity. Physiol Rep. 6 (17), e13834(2018).
  31. Borland, C. D. R., Hughes, J. M. B. Lung diffusing capacities (DL) for nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO): The evolving story. Compr Physiol. 11 (1), 1371(2021).
  32. Tedjasaputra, V., Van Diepen, S., Collins, S. É, Michaelchuk, W. M., Stickland, M. K. Assessment of pulmonary capillary blood volume, membrane diffusing capacity, and intrapulmonary arteriovenoua anastomoses during exercise. J. Vis. Exp. (120), e54949(2017).
  33. Thomas, A., et al. The single-breath diffusing capacity of CO and NO in healthy children of European descent. PLoS One. 12 (6), e0179097(2017).
  34. Blakemore, W. S., Forster, R. E., Morton, J. W., Ogilvie, C. M. A standardized breath holding technique for the clinical measurement of the diffusing capacity of the lung for carbon monoxide. J Clin Invest. 36 (1), 1-17 (1957).
  35. Cotes, J. E., et al. Iron-deficiency anaemia: its effect on transfer factor for the lung (diffusiong capacity) and ventilation and cardiac frequency during sub-maximal exercise. Clin Sci. 42 (3), 325-335 (1972).
  36. Mann, T., Lamberts, R. P., Lambert, M. I. Methods of prescribing relative exercise intensity: Physiological and practical considerations. Sports Med. 43 (7), 613-625 (2013).
  37. Forster, R. E. Exchange of gases between alveolar air and pulmonary capillary blood: pulmonary diffusing capacity. Physiol Rev. 37 (4), 391-452 (1957).
  38. Tedjasaputra, V., et al. Pulmonary capillary blood volume response to exercise is diminished in mild chronic obstructive pulmonary disease. Respir Med. 145, 57-65 (2018).
  39. Nymand, S. B., et al. Exercise adaptations in COPD: the pulmonary perspective. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 323 (6), L659-L666 (2022).
  40. Rodríguez-Roisin, R., et al. Ventilation-perfusion imbalance and chronic obstructive pulmonary disease staging severity. J Appl Physiol. 106 (6), 1902-1908 (2009).
  41. Hsia, C. C., Johnson, R. L. Jr, Shah, D. Red cell distribution and the recruitment of pulmonary diffusing capacity. J Appl Physiol. 86 (5), 1460-1467 (1999).
  42. Wilhelm, E., Battino, R., Wilcock, R. J. Low-pressure solubility of gases in liquid water. Chem Rev. 77 (2), 219-262 (1977).
  43. Forster, R. E. Diffusion of gases across the alveolar membrane. , American Physiological Society. Bethesda, MD, USA. (1987).

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