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Artículo de método

Medición de la capacidad de difusión pulmonar de gas de prueba dual durante el ejercicio en humanos utilizando el método de respiración única

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DOI:

10.3791/65871

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2 de febrero de 2024

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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

En este artículo

Resumen

Este protocolo presenta un método para evaluar la reserva alveolar-capilar pulmonar medida mediante la medición combinada de una sola respiración de la capacidad de difusión de monóxido de carbono (DL,CO) y óxido nítrico (DL,NO) durante el ejercicio. Los supuestos y recomendaciones para el uso de la técnica durante el ejercicio constituyen la base de este artículo.

Resumen

La medición combinada de la capacidad de difusión del monóxido de carbono (D, L, CO) y el óxido nítrico (D,L, NO) es una técnica útil para medir la reserva alveolar-capilar pulmonar tanto en poblaciones sanas como en pacientes. La medición proporciona una estimación de la capacidad del participante para reclutar y distender los capilares pulmonares. Recientemente se ha informado que el método exhibe una alta confiabilidad test-retest en voluntarios sanos durante el ejercicio de intensidad ligera a moderada. Cabe destacar que esta técnica permite hasta 12 maniobras repetidas y solo requiere una sola respiración con un tiempo de apnea relativamente corto de 5 s. Se proporcionan datos representativos que muestran los cambios graduales en DL,NO y DL,CO desde el reposo hasta el ejercicio a intensidades crecientes de hasta el 60% de la carga de trabajo máxima. La medición de la capacidad de difusión y la evaluación de la reserva alveolar-capilar es una herramienta útil para evaluar la capacidad del pulmón para responder al ejercicio tanto en la población sana como en poblaciones de pacientes como aquellos con enfermedad pulmonar crónica.

Introducción

El ejercicio conduce a un aumento considerable de la demanda de energía en comparación con el estado de reposo. El corazón y los pulmones responden aumentando el gasto cardíaco y la ventilación, lo que resulta en una expansión del lecho alveolar-capilar, principalmente el reclutamiento y distensión de los capilares pulmonares1. Esto asegura un suficiente intercambio gaseoso pulmonar, que puede medirse por un aumento de la capacidad de difusión pulmonar (DL)2,3,4. Los primeros intentos de medir la DL durante el ejercicio se remontan a hace más de un siglo 5,6,7. La capacidad de aumentar la DL desde el estado de reposo a menudo se denomina reserva alveolar-capilar 8,9.

Experimentalmente, las contribuciones relativas de la capacidad de difusión de la membrana alveolar-capilar(DM) y el volumen sanguíneo capilar pulmonar (VC) a la reserva alveolar-capilar pueden evaluarse mediante diferentes métodos, incluido el método clásico de fracciones múltiples de oxígeno inspirado (figure-introduction-1)10. Una técnica alternativa que puede ser útil en este contexto es el método de doble prueba de gases, en el que se miden simultáneamente el DL al monóxido de carbono (CO) y el óxido nítrico (NO) (DL,CO/NO) 11. Esta técnica fue desarrollada en la década de 1980, y aprovecha el hecho de que la velocidad de reacción del NO con la hemoglobina (Hb) es sustancialmente mayor que la del CO, de modo que la difusión pulmonar del CO depende más del VC que del NO. Por lo tanto, el principal sitio de resistencia (~75%) a la difusión del CO se encuentra dentro de los glóbulos rojos, mientras que la principal resistencia (~60%) a la difusión del NO se encuentra en la membrana alveolar-capilar y en el plasma pulmonar12. Por lo tanto, la medición concurrente de DL,CO y DL,NO permite evaluar las contribuciones relativas de DM y VC a DL12, donde el cambio en DL,NO observado durante el ejercicio refleja en gran medida la expansión de la membrana alveolar-capilar. Una ventaja adicional de este método a la hora de obtener mediciones durante el ejercicio es que implica un tiempo de apnea relativamente corto (~5 s) y menos maniobras en comparación con la técnica clásica figure-introduction-2 , en la que se realizan múltiples maniobras repetidas con una apnea estandarizada de 10 s a diferentes niveles de oxígeno. Aunque figure-introduction-3 recientemente se ha aplicado con un menor tiempo de apnea y menos maniobras en cada intensidad13. Sin embargo, figure-introduction-4 solo permite un total de seis maniobras DL,CO por sesión, mientras que se pueden realizar hasta 12 maniobras DL (CO/NO repetidas) sin ningún efecto medible en las estimaciones resultantes14. Estas son consideraciones importantes a la hora de obtener mediciones durante el ejercicio, ya que tanto una apnea larga como múltiples maniobras pueden ser difíciles de realizar a intensidades muy altas o en poblaciones de pacientes que experimentan disnea.

El presente trabajo proporciona un protocolo detallado, que incluye consideraciones teóricas y recomendaciones prácticas sobre la medición de DL,CO/NO durante el ejercicio y su uso como índice de la reserva alveolar-capilar. Este método es fácilmente aplicable en el entorno experimental y permite evaluar cómo la limitación de la difusión en los pulmones puede afectar a la absorción de oxígeno en diferentes poblaciones.

Teoría y principios de medición
El método DL,CO/NO implica una sola inhalación de una mezcla de gases con la suposición de que los gases se distribuyen uniformemente en el espacio alveolar ventilado después de la inhalación. La mezcla de gases consta de varios gases, incluido un gas trazador inerte. La dilución del gas trazador en el espacio alveolar ventilado, basada en su fracción en el aire al final de la espiración, puede utilizarse para calcular el volumen alveolar (VA)15. La mezcla de gases también incluye el gas de prueba CO y NO, los cuales se diluyen en el espacio alveolar ventilado y se difunden a través de la membrana alveolar-capilar. A partir de sus fracciones alveolares, se pueden calcular sus tasas individuales de desaparición (k), también denominada constante de difusión, del espacio alveolar. Por convención, la DL para un gas de prueba medido durante una maniobra de una sola respiración se obtiene de la siguiente ecuación16:

figure-introduction-5

donde FA0 es la fracción alveolar del gas de prueba (CO o NO) al inicio de la apnea de la maniobra individual de DL , mientras que FA es la fracción alveolar del gas de prueba al final de la apnea, y tBH es el tiempo de apnea. DL es mecánicamente equivalente a la conductancia del gas de prueba a través de la membrana alveolar-capilar, a través del plasma y el interior de los glóbulos rojos hasta la hemoglobina. Por lo tanto, depende tanto de la conductancia de DM como de la llamada conductancia específica de la sangre capilar pulmonar (θ), de la cual esta última depende tanto de la conductancia del gas de prueba en sangre como de su velocidad de reacción con la hemoglobina10. Dado que el recíproco de la conductancia es la resistencia, la resistencia total a la transferencia de un gas de prueba depende de las siguientes resistencias de la serie10:

figure-introduction-6

Estos componentes pueden distinguirse midiendo simultáneamente el DL a CO y NO, porque estos tienen diferentes valores θ y, por lo tanto, sus respectivos valores DL dependen de manera diferente de VC. La difusión pulmonar del CO depende más del VC que del NO, y el principal sitio de resistencia (~75%) a la difusión del CO se encuentra dentro de los glóbulos rojos12. Por el contrario, la principal resistencia (~60%) a la difusión del NO se encuentra en la membrana alveolar-capilar y en el plasma pulmonar, porque la velocidad de reacción del NO con la hemoglobina es sustancialmente mayor que la del CO. Por lo tanto, al medir simultáneamente DL,CO y DL,NO, los cambios tanto en DM como en VC afectarán marcadamente al primero, mientras que este último dependerá mucho menos de VC, lo que permitirá una evaluación integradora de los factores que determinan DL.

El informe de las métricas DL,CO/NO se puede realizar utilizando diferentes unidades. Por lo tanto, la Sociedad Respiratoria Europea (ERS) utiliza mmol/min/kPa, mientras que la Sociedad Torácica Americana (ATS) utiliza mL/min/mmHg. El factor de conversión entre las unidades es de 2,987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg.

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Protocolo

El Comité de Ética Científica de la Región Capital de Dinamarca ha aprobado previamente la medición de DL,CO/NO en reposo, durante el ejercicio y en decúbito supino tanto en voluntarios sanos como en pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) de nuestra institución (protocolos H-20052659, H-21021723 y H-21060230).

NOTA: Antes de medir DL, CO/NO durante el ejercicio, se debe realizar una espirometría dinámica y una prueba de esfuerzo cardiopulmonar (CPET). La espirometría dinámica se utiliza para el control de calidad de las maniobras individuales de DL,CO/NO, mientras que el CPET se utiliza para determinar la carga de trabajo a la que se debe medir DL,CO/NO durante el ejercicio. En pacientes con limitación del flujo aéreo, especialmente debido a una enfermedad pulmonar obstructiva, puede ser ventajoso complementar la espirometría dinámica con una pletismografía de cuerpo entero para obtener una medida válida de la capacidad vital. Se recomienda realizar un chequeo médico para descartar cualquier contraindicación conocida antes de iniciar la CPET17. Es importante destacar que el CPET debe realizarse al menos 48 h antes de la medición de DL,CO/NO obtenida durante el ejercicio, ya que el ejercicio vigoroso previo puede afectar a la DL hasta al menos 24 h18,19.

1. Espirometría dinámica

NOTA: La espirometría dinámica debe realizarse de acuerdo con las guías clínicas vigentes de la ERS y la ATS20.

  1. Mida el peso (con una precisión de 100 g) y la altura (con una precisión de 1 mm).
  2. Pida al participante que se siente en una silla vertical.
  3. Realizar una espirometría dinámica durante una maniobra espirada forzada para identificar el volumen espirado forzado en 1 s (VEF1) y la capacidad vital forzada (CVF) del participante, como se describe en otro lugar20.

2. Prueba de esfuerzo cardiopulmonar (CPET)

NOTA: La CPET debe realizarse de acuerdo con las recomendaciones clínicas actuales21.

  1. Ajuste la bicicleta ergómetro de acuerdo con la altura del participante y coloque un monitor de frecuencia cardíaca (FC) en el pecho.
  2. Coloque al participante en el cicloerómetro. Equipar al participante con una mascarilla conectada a un sistema de medición metabólica, para medir la ventilación y el intercambio de gases pulmonares a lo largo de la prueba.
  3. Indíquele al participante que comience a andar en bicicleta a un ritmo autoseleccionado ≥60 rondas por minuto (RPM) y realice un período de calentamiento de 5 minutos con una carga de trabajo submáxima basada en el nivel de actividad autoinformado, el estado físico diario y el estado de la enfermedad (p. ej., 15-150 W).
  4. Aumentar la carga de trabajo en 5-20 W cada minuto hasta que el participante alcance el agotamiento voluntario. Los incrementos deben basarse en el nivel de condición física actual del participante, de modo que se espera que la prueba finalice entre 8 y 12 minutos después del comienzo de la fase incremental.
  5. Instruya al participante para que evite otros ejercicios vigorosos durante las próximas 48 h.

3. Calibración de un solo equipo de capacidad de difusión de aliento

NOTA: Es necesario calibrar los sensores de flujo y los analizadores de gases para garantizar que las mediciones sean válidas y fiables. El procedimiento exacto depende del fabricante y del dispositivo. El procedimiento de calibración, incluido el control biológico, debe completarse en cada día de estudio, y si se ejecuta menos de un día de estudio por semana, se deben realizar calibraciones semanales adicionales. La configuración experimental se muestra en la Figura 1.

  1. Abra el programa de software en la computadora y se iniciará un período de calentamiento automático de 50 minutos para garantizar una temperatura suficiente del neumotacómetro.
  2. Asegúrese de que los recipientes con los gases de prueba estén abiertos (consulte la figura 1D).
  3. Realice una calibración de gas conectando primero la línea de muestreo desde el neumotacómetro al complemento de la unidad analizadora MS-PFT denominado CAL (consulte la Figura 1B).
  4. Inicie la calibración del gas seleccionando Calibración en la página de inicio (consulte la Figura 2A) y elija Calibración del gas. Inicie la calibración pulsando Inicio o F1 (consulte la Figura 2B).
  5. Conecte la línea de muestreo al neumotacómetro cuando se cumpla y acepte la calibración del gas.
  6. Realice una calibración de volumen con una jeringa válida de 3 L. Inicie la calibración del volumen seleccionando Calibración en la página de inicio (consulte la Figura 2A) y elija Calibración de volumen. Inicie la calibración presionando F1 y siga las instrucciones proporcionadas por el software (consulte la Figura 2C).
  7. Asegúrese de que la bolsa inspiratoria esté conectada a la unidad analizadora MS-PFT (consulte la Figura 1C).
  8. Complete el procedimiento de calibración realizando una medición de control biológico en reposo en posición sentada. Esto debe ser realizado por un no fumador sano para garantizar la fiabilidad del método. Si la variación semanal del sujeto en cuestión en DL,CO o DL,NO varía más de 1,6 y 6,5 mmol/min/kPa (5 y 20 mL/min/mmHg), respectivamente, la variación puede deberse a un error de la máquina y debe investigarse más a fondo12, 22.

4. Preparación del participante

  1. Calcule la carga de trabajo deseada a partir de los resultados anteriores del CPET para la intensidad elegida (% de la carga de trabajo máxima (Wmáx)) en la que se medirá el DL,CO/NO .
  2. Al menos 48 h después de que el participante haya realizado el CPET, pídale que regrese al laboratorio para obtener la medición de DL,CO/NO durante el ejercicio.
  3. Mida la altura (en cm hasta el mm más cercano), el peso (en kg hasta los 100 g más cercanos) y la Hb de la sangre capilar (en mmol/L hasta el 0,1 mmol/L más cercano) del paciente.
  4. En la página de inicio del programa, elija Paciente > Paciente nuevo (Ver Figura 2A) y complete los datos requeridos: Identificación, Apellido, Nombre, Fecha de nacimiento, Sexo, Altura y Peso del participante. Continúe seleccionando OK o F1 (consulte la Figura 2D).

5. Medición DL, CO/NO durante el reposo vertical

NOTA: Las mediciones de DL,CO/NO se realizan de acuerdo con las recomendaciones clínicas actuales del grupo de trabajo12 de la ERS.

  1. En la página de inicio, elija Measurement > NO Difusión de membranas (consulte la Figura 2E).
  2. Inicie el restablecimiento automático del software, ponga a cero el analizador de gases para todos los gases de prueba e inicie la mezcla de los gases de prueba en la bolsa inspiratoria conectada. Inicie el restablecimiento automático presionando F1 (consulte la Figura 2F).
    1. El restablecimiento automático tarda entre 140 y 210 s. Tenga en cuenta las instrucciones proporcionadas por el software para reconocer cuándo iniciar la medición. Es importante iniciar la medición inmediatamente cuando el software le indique que conecte al paciente.
  3. Coloque al participante en una silla vertical equipada con una pinza nasal. Instruya al participante sobre cómo realizar la maniobra como se describe a continuación.
    1. Pida al participante que use la pinza nasal y comience las respiraciones corrientes normales a través de una boquilla conectada al neumotaquio. Para garantizar un sistema cerrado para las mediciones, asegúrese de que los labios del participante se mantengan cerrados alrededor de la boquilla.
    2. Después de tres respiraciones normales, indique al participante que realice una espiración máxima rápida para alcanzar el volumen residual (VD).
    3. Cuando se alcance el VD, indique inmediatamente al participante que realice una inspiración máxima rápida a la capacidad pulmonar total (TLC), con el objetivo de un tiempo inspiratorio de < 4 s. Durante la inspiración máxima, se abre una válvula, lo que permite al participante inhalar la mezcla de gases mezclada con una concentración conocida de NO (800 ppm NO/N2) en una bolsa inspiratoria justo antes de la inhalación.
    4. Pida al participante que realice una apnea de 5 (4-8) s en TLC. Durante la inspiración, se busca un volumen inspirado (VI) ≥90% de la FVC (o capacidad vital basada en pletismografía) con un tiempo de apnea de 4-8 s23 (Tabla 1).
    5. Después de la apnea, indique al participante que realice una espiración máxima fuerte y constante sin interrupciones.
    6. Después de la espiración máxima, pida al participante que suelte la boquilla y la pinza nasal. A continuación, el software calculará DL,NO y DL,CO sin ningún comando.
  4. Use estímulo verbal a lo largo de la maniobra para asegurarse de que el participante alcance RV y TLC. Evalúe la aceptabilidad de la maniobra según la Tabla 1.
  5. Vuelva a realizar la maniobra después de al menos un período de lavado de 4 minutos, y hasta que dos maniobras cumplan los criterios de aceptabilidad (Tabla 1) o hasta que se hayan realizado un total de 12 maniobras (ver más abajo) en la misma sesión.
  6. El DL,NO y DL,CO se notifican de acuerdo con los criterios descritos en la Tabla 2. También recomendamos que el tiempo de apnea, el volumen inspirado y el volumen alveolar como se ha informado. Además, debe indicarse el número de maniobras aceptables y repetibles, y deben interpretarse con cautela los resultados basados en maniobras que no cumplen los criterios de aceptabilidad o repetibilidad.

6. Medición de DL, CO / NO durante el ejercicio

NOTA: En la Figura 3 se proporciona una línea de tiempo de las mediciones de DL,CO/NO durante el ejercicio.

  1. Coloque la cicloergómetro a una distancia que permita al participante respirar a través de la boquilla sin tener que cambiar la posición de ciclismo. Aumente la altura del equipo para que las mediciones se puedan realizar con una posición de trabajo correcta sobre la bicicleta (Ver Figura 2).
  2. Coloque al participante en la bicicleta ergómetro y coloque un monitor de frecuencia cardíaca en el pecho. Indique al participante que realice cada maniobra como se describe en el paso 5.3.
  3. Instruya al participante para que comience a pedalear durante 5 minutos con una carga de trabajo submáxima, como calentamiento antes de la medición.
  4. Aumente la carga de trabajo a la intensidad deseada y, al mismo tiempo, inicie el restablecimiento automático del dispositivo pulsando F1 (consulte el paso 5.2). El restablecimiento automático tarda entre 140 y 210 segundos, lo que es suficiente para garantizar que el participante haya alcanzado el estado estable.
  5. Cuando finalice el restablecimiento automático, gire la boquilla hacia el participante y realice una maniobra como se describe a continuación mientras el participante continúa pedaleando a la intensidad objetivo.
    1. Siga los pasos de los pasos 5.4 a 5.5. Evalúe los criterios de aceptabilidad y repetibilidad (Tabla 1) en cada carga de trabajo, e informe sobre las mediciones durante el descanso (consulte el paso 5.6 y la Tabla 2).
  6. Una vez finalizada la maniobra, retire la boquilla y disminuya la carga de trabajo a 15-40 W. Realice la fase de recuperación activa durante 2 minutos, después de lo cual repita los pasos 6.4 y 6.5. Los 2 minutos de recuperación activa y los 140-210 s durante el reinicio automático proporcionan un período de lavado suficiente de 4-5 minutos.

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Resultados

El protocolo se implementó en 2021 y, en el momento de escribir este artículo, se habían realizado un total de 124 mediciones durante el ejercicio (es decir, 51 en voluntarios sanos y 73 en pacientes con EPOC de diversa gravedad). Las maniobras, así como los datos sobre el cumplimiento de los criterios de aceptabilidad y repetibilidad, y la tasa de fallas, se proporcionan en la Tabla 3.

Cálculos
A modo de ejemplo, aquí se proporcionan cálcu...

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Discusión

El protocolo proporciona un enfoque estandarizado para la medición de DL,CO/NO durante el ejercicio utilizando la técnica de doble gas de prueba de una sola respiración. Dado que las métricas DL,CO/NO obtenidas aumentan debido al reclutamiento y la distensión capilar pulmonar, el método proporciona una medida fisiológicamente significativa de la reserva alveolar-capilar.

Pasos críticos en el protocolo
El método requiere una exhalación al volumen residu...

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Divulgaciones

El equipo y el software presentados en el artículo no son gratuitos. Ninguno de los autores está asociado con ninguna empresa que proporcione la licencia del software. Todos los autores declaran no tener intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

El estudio recibió apoyo financiero de la Fundación Svend Andersen. El Centro de Investigación de la Actividad Física cuenta con el apoyo de las subvenciones TrygFonden ID 101390, ID 20045 e ID 125132. JPH está financiado por HelseFonden y el Hospital Universitario de Copenhague, Rigshospitalet, mientras que HLH está financiado por la Fundación Beckett.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
HemoCue Hb 201+ HemoCue, Brø nshø j, DinamarcaUnkownPara mediciones de hemoglobina
Jaeger MasterScreen PFT pro (Equipo de función pulmonar)CareFusion, Hö chberg, AlemaniaDesconocidoPara mediciones de DLCO/NO
BoquillaSpiroBac, Henrotech, Aartselaar, BélgicaDesconocidoSe utiliza junto con el equipo de función pulmonar. (espacio muerto 56 ml, resistencia al flujo a 12 L s&menos; 1 0,9 cmH2O) 
Pinza nasalIntraMedic, Gentofte, DinamarcaJAE-892895
PhenumotachIntraMedic, Gentofte, DinamarcaJAE-705048Se utiliza junto con la solución de
software SentrySuiteLung Equipment Vyaire's Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg Alemania
Gases de pruebaIntraMedic, Gentofte, DinamarcaDesconocidoConcentraciones: 0,28% CO, 20,9% O2, 69,52% N2 y 9,3% He
de Desconocido

Referencias

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