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Article de méthode

Mesure de la capacité de diffusion pulmonaire du gaz à double test pendant l’exercice chez l’homme à l’aide de la méthode de la respiration unique

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DOI :

10.3791/65871

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2 février 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

Dans cet article

Résumé

Ce protocole présente une méthode d’évaluation de la réserve alvéolaire et capillaire pulmonaire mesurée par mesure combinée de la capacité de diffusion en monoxyde de carbone (DL, CO) et en monoxyde nitrique (DL, NO) pendant l’exercice. Les hypothèses et les recommandations pour l’utilisation de la technique pendant l’exercice constituent la base de cet article.

Résumé

La mesure combinée de la capacité de diffusion du monoxyde de carbone (D L,CO) et de l’oxyde nitrique (DL,NO) est une technique utile pour mesurer la réserve alvéolaire et capillaire pulmonaire chez les populations saines et les patients. La mesure fournit une estimation de la capacité du participant à recruter et à distendre les capillaires pulmonaires. Il a récemment été rapporté que la méthode présentait une grande fiabilité test-retest chez des volontaires sains lors d’exercices d’intensité légère à modérée. Il convient de noter que cette technique permet jusqu’à 12 manœuvres répétées et ne nécessite qu’une seule respiration avec un temps d’apnée relativement court de 5 s. Des données représentatives sont fournies montrant les changements progressifs de DL, NO et DL, CO du repos à l’exercice à des intensités croissantes allant jusqu’à 60 % de la charge de travail maximale. La mesure de la capacité de diffusion et l’évaluation de la réserve alvéolaire-capillaire sont un outil utile pour évaluer la capacité du poumon à répondre à l’exercice à la fois dans la population en bonne santé et dans les populations de patients tels que ceux atteints de maladies pulmonaires chroniques.

Introduction

L’exercice entraîne une augmentation considérable de la demande d’énergie par rapport à l’état de repos. Le cœur et les poumons réagissent en augmentant le débit cardiaque et la ventilation, ce qui entraîne une expansion du lit alvéolaire-capillaire, principalement le recrutement et la distension des capillaires pulmonaires1. Cela garantit un échange gazeux pulmonaire suffisant, qui peut être mesuré par une augmentation de la capacité de diffusion pulmonaire (D L)2,3,4. Les premières tentatives de mesure deD L pendant l’exercice remontent à plus d’un siècle 5,6,7. La capacité d’augmenter DL à partir de l’état de repos est souvent appelée réserve alvéolaire-capillaire 8,9.

Expérimentalement, les contributions relatives de la capacité de diffusion de la membrane alvéolaire-capillaire (DM) et du volume sanguin capillaire pulmonaire (VC) à la réserve alvéolaire-capillaire peuvent être évaluées par différentes méthodes, y compris la méthode classique des fractions multiples d’oxygène inspiré (figure-introduction-1)10. Une autre technique qui peut être utile dans ce contexte est la méthode des gaz à double essai, dans laquelle le DL en monoxyde de carbone (CO) et l’oxyde nitrique (NO) (DL,CO/NO) sont mesurés simultanément11. Cette technique a été développée dans les années 1980 et tire parti du fait que la vitesse de réaction du NO avec l’hémoglobine (Hb) est considérablement supérieure à celle du CO, de sorte que la diffusion pulmonaire du CO dépend davantage duV C que du NO. Par conséquent, le principal site de résistance (~75 %) à la diffusion du CO est situé dans le globule rouge, tandis que la principale résistance (~60%) à la diffusion du NO se situe au niveau de la membrane alvéolaire-capillaire et du plasma pulmonaire12. La mesure simultanée de DL,CO et DL,NO permet donc d’évaluer les contributions relatives de DM et VC à DL12, où la variation de DL,NO observée pendant l’exercice reflète donc largement l’expansion de la membrane alvéolaire-capillaire. Un avantage supplémentaire de cette méthode lors de l’obtention de mesures pendant l’exercice est qu’elle implique un temps d’apnée relativement court (~5 s) et moins de manœuvres par rapport à la technique classique figure-introduction-2 , où plusieurs manœuvres répétées avec une apnée standardisée de 10 s sont effectuées à différents niveaux d’oxygène. Bien qu’il figure-introduction-3 ait récemment été appliqué avec un temps d’apnée plus court et moins de manœuvres à chaque intensité13. Néanmoins, figure-introduction-4 ne permet qu’un total de six manœuvres DL, CO par session, alors que jusqu’à 12 manœuvres DL, CO / NO répétées peuvent être effectuées sans aucun effet mesurable sur les estimations résultantes14. Ce sont des considérations importantes lors de l’obtention de mesures pendant l’exercice, car une longue apnée et des manœuvres multiples peuvent être difficiles à effectuer à des intensités très élevées ou chez des patients souffrant de dyspnée.

Le présent article fournit un protocole détaillé, comprenant des considérations théoriques et des recommandations pratiques sur la mesure du DL,CO/NO pendant l’exercice et son utilisation comme indice de la réserve alvéolaire-capillaire. Cette méthode est facilement applicable dans le cadre expérimental et permet d’évaluer comment la limitation de la diffusion dans les poumons peut affecter l’absorption d’oxygène dans différentes populations.

Théorie et principes de mesure
La méthode DL,CO/NO implique une seule respiration d’un mélange gazeux en supposant que les gaz se répartissent uniformément dans l’espace alvéolaire ventilé après inhalation. Le mélange gazeux est constitué de plusieurs gaz, dont un gaz traceur inerte. La dilution du gaz traceur dans l’espace alvéolaire ventilé, en fonction de sa fraction dans l’air expiratoire en fin de course, peut être utilisée pour calculer le volume alvéolaire (VA)15. Le mélange gazeux comprend également le CO et le NO, qui sont tous deux dilués dans l’espace alvéolaire ventilé et diffusent à travers la membrane alvéolaire-capillaire. Sur la base de leurs fractions alvéolaires, leurs taux individuels de disparition (k), également appelés constante diffusante, de l’espace alvéolaire peuvent être calculés. Par convention, le DL d’un gaz d’essai mesuré au cours d’une manœuvre à respiration unique est calculé par l’équation16 suivante :

figure-introduction-5

où FA0 est la fraction alvéolaire du gaz d’essai (CO ou NO) au début de l’apnée de la manœuvre individuelle deD L , tandis que FA est la fraction alvéolaire du gaz d’essai à la fin de l’apnée et tBH est le temps d’apnée. DL est mécaniquement équivalent à la conductance du gaz d’essai à travers la membrane alvéolaire-capillaire, à travers le plasma et l’intérieur des globules rouges jusqu’à l’hémoglobine. Elle dépend donc à la fois de la conductance de DM et de la conductance dite spécifique du sang capillaire pulmonaire (θ), cette dernière dépendant à la fois de la conductance du gaz test dans le sang et de sa vitesse de réaction avec l’hémoglobine10. Étant donné que l’inverse de la conductance est la résistance, la résistance totale au transfert d’un gaz d’essai dépend des résistances suivantes de la série10 :

figure-introduction-6

Ces composantes peuvent être distinguées en mesurant simultanément le DL en CO et le NO, car ils ont des valeurs θ différentes, et leurs valeurs respectives deD L dépendent donc différemment de VC. La diffusion pulmonaire du CO dépend plus fortement duV C que du NO, le principal site de résistance (~75 %) à la diffusion du CO étant situé dans les globules rouges12. En revanche, la principale résistance (~60%) à la diffusion du NO se situe au niveau de la membrane alvéolaire-capillaire et du plasma pulmonaire, car la vitesse de réaction du NO avec l’hémoglobine est nettement supérieure à celle du CO. Par conséquent, en mesurant simultanément le DL,CO et le DL,NO, les changements de DM et de VC affecteront nettement le premier, tandis que ce dernier dépendra beaucoup moins de VC, permettant ainsi une évaluation intégrative des facteurs qui déterminent DL.

La déclaration des mesures DL, CO/NO peut être effectuée à l’aide de différentes unités. Ainsi, l’European Respiratory Society (ERS) utilise mmol/min/kPa, tandis que l’American Thoracic Society (ATS) utilise mL/min/mmHg. Le facteur de conversion entre les unités est de 2,987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg.

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Protocole

Le comité d’éthique scientifique de la région de la capitale du Danemark a déjà approuvé la mesure du DL,CO/NO au repos, pendant l’exercice et en position couchée chez des volontaires sains et des patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) dans notre établissement (protocoles H-20052659, H-21021723 et H-21060230).

REMARQUE : Avant de mesurer le DL, CO/NO pendant l’exercice, une spirométrie dynamique et un test d’effort cardiopulmonaire (CPET) doivent être effectués. La spirométrie dynamique est utilisée pour le contrôle de la qualité des manœuvres individuelles DL, CO / NO, tandis que le CPET est utilisé pour déterminer la charge de travail à laquelle DL, CO / NO doit être mesuré pendant l’exercice. Chez les patients présentant une limitation du débit d’air, notamment en raison d’une maladie pulmonaire obstructive, il peut être avantageux de compléter la spirométrie dynamique par une pléthysmographie du corps entier pour obtenir une mesure valide de la capacité vitale. Un bilan médical pour exclure toute contre-indication connue avant de commencer la CPET est recommandé17. Il est important de noter que le CPET doit être effectué au moins 48 heures avant la mesure du DL, CO/NO obtenue pendant l’exercice, car un exercice vigoureux antérieur peut affecter le DL jusqu’à au moins 24 h18,19.

1. Spirométrie dynamique

REMARQUE : La spirométrie dynamique doit être effectuée conformément aux directives cliniques actuelles de l’ERS et de l’ATS20.

  1. Mesurez le poids (à 100 g près) et la taille (à 1 mm près).
  2. Demandez au participant de s’asseoir sur une chaise droite.
  3. Effectuer une spirométrie dynamique lors d’une manœuvre périmée forcée pour identifier le volume périmé forcé en 1 s (VEMS1) et la capacité vitale forcée (CVF) du participant, comme décrit ailleurs20.

2. Test d’effort cardiopulmonaire (CPET)

REMARQUE : La TEPC doit être effectuée conformément aux recommandations cliniques actuelles21.

  1. Ajustez le vélo ergomètre en fonction de la taille du participant et placez un moniteur de fréquence cardiaque (FC) sur la poitrine.
  2. Placez le participant sur le vélo ergomètre. Équiper le participant d’un masque relié à un système de mesure métabolique, pour mesurer la ventilation et les échanges gazeux pulmonaires tout au long du test.
  3. Demandez au participant de commencer à pédaler à un rythme choisi ≥60 tours par minute (RPM) et d’effectuer une période d’échauffement de 5 minutes à une charge de travail sous-maximale en fonction du niveau d’activité autodéclaré, de la condition physique quotidienne et de l’état de santé (par exemple, 15-150 W).
  4. Augmentez la charge de travail de 5 à 20 W toutes les minutes jusqu’à ce que le participant atteigne l’épuisement volontaire. Les incréments doivent être basés sur le niveau de forme physique actuel du participant, de sorte que le test devrait se terminer 8 à 12 minutes après le début de la phase progressive.
  5. Demandez au participant d’éviter tout autre exercice vigoureux pendant les 48 prochaines heures.

3. Étalonnage de l’équipement de capacité de diffusion d’une seule respiration

REMARQUE : Il est nécessaire d’étalonner les capteurs de débit et les analyseurs de gaz pour s’assurer que les mesures sont à la fois valides et fiables. La procédure exacte est spécifique au fabricant et à l’appareil. La procédure d’étalonnage, y compris la lutte biologique, doit être effectuée chaque jour d’étude, et si moins d’un jour d’étude est effectué par semaine, des étalonnages hebdomadaires supplémentaires doivent être effectués. Le dispositif expérimental est illustré à la figure 1.

  1. Ouvrez le logiciel sur l’ordinateur et une période de préchauffage automatique de 50 minutes sera lancée pour assurer une température suffisante du pneumotache.
  2. Assurez-vous que les récipients contenant les gaz d’essai sont ouverts (voir Figure 1D).
  3. Effectuez un étalonnage du gaz en connectant d’abord la conduite d’échantillonnage du pneumotachymètre au plug-in de l’unité d’analyse MS-PFT appelé CAL (voir Figure 1B).
  4. Lancez l’étalonnage du gaz en sélectionnant Étalonnage sur la page d’accueil (voir Figure 2A) et choisissez Étalonnage du gaz. Démarrez l’étalonnage en appuyant sur Start ou F1 (voir Figure 2B).
  5. Fixez la conduite d’échantillonnage au pneumotachymètre lorsque l’étalonnage du gaz est effectué et accepté.
  6. Effectuez un étalonnage du volume à l’aide d’une seringue valide de 3 L. Lancez l’étalonnage du volume en sélectionnant Étalonnage sur la page d’accueil (voir Figure 2A) et choisissez Étalonnage du volume. Démarrez l’étalonnage en appuyant sur F1 et suivez les instructions fournies par le logiciel (voir Figure 2C).
  7. Assurez-vous que le sac inspiratoire est connecté à l’unité d’analyse MS-PFT (voir Figure 1C).
  8. Complétez la procédure d’étalonnage en effectuant une mesure de contrôle biologique au repos en position assise. Cela doit être effectué par un non-fumeur en bonne santé pour assurer la fiabilité de la méthode. Si la variation d’une semaine à l’autre du sujet en DL, CO ou DL,NO varie de plus de 1,6 et 6,5 mmol/min/kPa (5 et 20 mL/min/mmHg), respectivement, la variation peut être due à une erreur de la machine et doit être étudiée plus en détail12, 22.

4. Préparation du participant

  1. Calculez la charge de travail souhaitée à partir des résultats précédents du CPET pour l’intensité choisie (% de la charge de travail maximale (Wmax)) à laquelle le DL, CO/NO sera mesuré.
  2. Au moins 48 h après que le participant ait effectué le CPET, demandez au participant de retourner au laboratoire pour obtenir la mesure DL, CO/NO pendant l’exercice.
  3. Mesurez la taille (en cm au mm près), le poids (en kg à 100 g près) et l’Hb du sang capillaire (en mmol/L à 0,1 mmol/L près) du patient.
  4. Sur la page d’accueil du programme, choisissez Patient > Nouveau patient (voir Figure 2A) et remplissez les données requises : Identification, Nom, Prénom, Date de naissance, Sexe, Taille et Poids du participant. Continuez en sélectionnant OK ou F1 (voir Figure 2D).

5. Mesure DL, CO / NO pendant le repos vertical

REMARQUE : Les mesures deD L, CO/NO sont effectuées conformément aux recommandations cliniques actuelles du groupe de travail12 de l’ERS.

  1. Sur la page d’accueil, choisissez Mesure > AUCUNE diffusion de membrane (voir Figure 2E).
  2. Lancez la réinitialisation automatique du logiciel, pour mettre à zéro l’analyseur de gaz pour tous les gaz d’essai et pour lancer le mélange des gaz d’essai dans le sac inspiratoire connecté. Lancez la réinitialisation automatique en appuyant sur F1 (voir Figure 2F).
    1. La réinitialisation automatique prend 140-210 s. Respectez les instructions fournies par le logiciel pour savoir quand lancer la mesure. Il est important de lancer la mesure immédiatement lorsque le logiciel demande de connecter le patient.
  3. Placez le participant sur une chaise verticale équipée d’un pince-nez. Expliquez au participant comment effectuer la manœuvre décrite ci-dessous.
    1. Demandez au participant d’utiliser le pince-nez et de commencer les respirations courantes normales par un embout buccal relié au pneumotache. Pour assurer un système fermé pour les mesures, assurez-vous que les lèvres du participant sont maintenues fermées autour de l’embout buccal.
    2. Après trois respirations normales, demandez au participant d’effectuer une expiration maximale rapide pour atteindre le volume résiduel (VD).
    3. Lorsque le RV est atteint, demandez immédiatement au participant d’effectuer une inspiration maximale rapide à la capacité pulmonaire totale (CCM), en ciblant un temps inspiratoire de < 4 s. Pendant l’inspiration maximale, une valve s’ouvre, permettant au participant d’inhaler le mélange gazeux mélangé à une concentration connue de NO (800 ppm NO/N2) dans un sac inspiratoire juste avant l’inhalation.
    4. Demandez au participant d’effectuer une apnée de 5 (4-8) s à TLC. Pendant l’inspiration, un volume inspiré (VI) ≥90 % de la CVF (ou capacité vitale basée sur la pléthysmographie) avec un temps d’apnée de 4 à 8 s est ciblé23 (Tableau 1).
    5. Après l’apnée, demandez au participant d’effectuer une expiration maximale forte et régulière sans interruption.
    6. Après l’expiration maximale, demandez au participant de lâcher l’embout buccal et le pince-nez. Le logiciel calculera alors DL, NO et DL, CO sans aucune commande.
  4. Utilisez des encouragements verbaux tout au long de la manœuvre pour vous assurer que le participant atteint le RV et le TLC. Évaluer l’acceptabilité de la manœuvre conformément au tableau 1.
  5. Effectuer à nouveau la manœuvre après une période de lavage d’au moins 4 minutes, et jusqu’à ce que deux manœuvres remplissent les critères d’acceptabilité (tableau 1) ou jusqu’à ce qu’un total de 12 manœuvres (voir ci-dessous) aient été effectuées au cours de la même séance.
  6. Le DL, NO et DL, CO sont déclarés selon les critères énoncés dans le tableau 2. Nous recommandons également que le temps d’apnée, le volume inspiré et le volume alvéolaire comme indiqué. De plus, le nombre de manœuvres acceptables et reproductibles doit être indiqué, et les constatations fondées sur les manœuvres qui ne répondent pas aux critères d’acceptabilité ou de répétabilité doivent être interprétées avec prudence.

6. Mesure DL, CO/NO pendant l’exercice

REMARQUE : Une chronologie des mesures deD L, CO/NO pendant l’exercice est fournie à la figure 3.

  1. Placez le vélo ergomètre à une distance qui permet au participant de respirer à travers l’embout buccal sans avoir à changer de position de cyclisme. Augmentez la hauteur de l’équipement afin que les mesures puissent être effectuées avec une position de travail correcte sur le vélo (voir figure 2).
  2. Placez le participant sur le vélo ergomètre et placez un moniteur de fréquence cardiaque sur la poitrine. Demandez au participant d’effectuer chaque manœuvre comme indiqué à l’étape 5.3.
  3. Demandez au participant de commencer à pédaler pendant 5 minutes à une charge de travail sous-maximale, comme échauffement avant la mesure.
  4. Augmentez la charge de travail à l’intensité cible tout en démarrant simultanément la réinitialisation automatique de l’appareil en appuyant sur F1 (voir étape 5.2). La réinitialisation automatique prend 140 à 210 s, ce qui est suffisant pour s’assurer que le participant a atteint l’état d’équilibre.
  5. Lorsque la réinitialisation automatique est terminée, tournez l’embout buccal vers le participant et effectuez une manœuvre comme décrit ci-dessous pendant que le participant continue à pédaler à l’intensité cible.
    1. Suivez les étapes des étapes 5.4 à 5.5. Évaluer les critères d’acceptabilité et de répétabilité (tableau 1) à chaque charge de travail et rendre compte des mesures au repos (voir l’étape 5.6 et le tableau 2).
  6. Une fois la manœuvre terminée, retirez l’embout buccal et réduisez la charge de travail à 15-40 W. Effectuez la phase de récupération active pendant 2 minutes, après quoi répétez les étapes 6.4 et 6.5. Les 2 min de récupération active et les 140-210 s pendant la réinitialisation automatique offrent une période de lavage suffisante de 4-5 min.

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Résultats

Le protocole a été mis en œuvre en 2021 et au moment de la rédaction de cet article, un total de 124 mesures pendant l’exercice (c’est-à-dire 51 chez des volontaires sains et 73 chez des patients atteints de BPCO de différentes gravités) avaient été effectuées. Les manœuvres, ainsi que les données sur les critères d’acceptabilité et de répétabilité remplis et le taux d’échec sont tous fournis dans le tableau 3.

Calculs
À titre d’exemple, le...

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Discussion

Le protocole fournit une approche normalisée pour la mesure du DL, CO/NO pendant l’exercice en utilisant la technique du gaz à double test à respiration unique. Étant donné que les mesures DL,CO/NO obtenues augmentent en raison du recrutement et de la distension capillaires pulmonaires, la méthode fournit une mesure physiologiquement significative de la réserve alvéolaire-capillaire.

Étapes critiques du protocole
La méthode nécessite une expiration au ...

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Déclarations de divulgation

L’équipement et les logiciels présentés dans l’article sont payants. Aucun des auteurs n’est associé à une société fournissant la licence du logiciel. Tous les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier concurrent.

Remerciements

L’étude a reçu le soutien financier de la Fondation Svend Andersen. Le Centre de recherche sur l’activité physique est soutenu par les subventions TrygFonden ID 101390, ID 20045 et ID 125132. JPH est financé par HelseFonden et l’hôpital universitaire de Copenhague, Rigshospitalet, tandis que HLH est financé par la Fondation Beckett.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
HemoCue Hb 201+  ;HemoCue, Brø ; nshø ; j, DanemarkInconnuPour les mesures de l’hémoglobine
Jaeger MasterScreen PFT pro (Lung Function Equipment)CareFusion, Hö ; chberg, AllemagneInconnuPour les mesures de DLCO/NO
Embout buccalSpiroBac, Henrotech, Aartselaar, BelgiqueInconnuUtilisé avec l’équipement de fonction pulmonaire. (espace mort 56 ml, résistance à l’écoulement à 12 L s&minus ; 1 0,9 cmH2O)  ;
Pince-nezIntraMedic, Gentofte, DanemarkJAE-892895
PhenumotachIntraMedic, Gentofte, DanemarkJAE-705048Utilisé avec l’équipement de fonction pulmonaire
Solution logicielle SentrySuiteVyaire’s Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg AllemagneUnkown
Gaz d’essaiIntraMedic, Gentofte, DanemarkUnkownConcentrations : 0,28 % CO, 20,9 % O2, 69,52 % N2 et 9,3 % He

Références

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