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방법 논문

단일 호흡 방법을 사용한 인간의 운동 중 이중 테스트 가스 폐 확산 용량 측정

2.1K 조회수

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DOI:

10.3791/65871

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2024년 2월 2일

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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

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 운동 중 일산화탄소(DL,CO) 및 산화질소(DL,NO)로의 확산 능력을 단일 호흡으로 결합하여 측정한 폐포-모세혈관 예비력을 평가하는 방법을 제시합니다. 운동 중 기술 사용에 대한 가정과 권장 사항은 이 기사의 기초를 형성합니다.

초록

일산화탄소(DL,CO)와 산화질소(DL,NO)의 확산 용량을 결합한 단일 호흡 측정은 건강한 인구와 환자 집단 모두에서 폐 폐포-모세혈관 예비량을 측정하는 데 유용한 기술입니다. 측정은 참가자가 폐 모세혈관을 모집하고 팽창시키는 능력에 대한 추정치를 제공합니다. 이 방법은 최근 가벼운 강도에서 중간 강도의 운동 중에 건강한 지원자에서 높은 테스트-재테스트 신뢰성을 나타내는 것으로 보고되었습니다. 참고로 이 기술은 최대 12번의 반복 조작을 허용하며 5초의 비교적 짧은 호흡 참기 시간으로 한 번의 호흡만 필요합니다. 최대 작업량의 최대 60%까지 증가하는 강도에서 휴식에서 운동으로 DL,NO 및 DL, CO 의 점진적인 변화를 보여주는 대표 데이터가 제공됩니다. 확산 능력의 측정과 폐포-모세혈관 예비력의 평가는 건강한 인구뿐만 아니라 만성 폐 질환이 있는 환자군에서도 운동에 반응하는 폐의 능력을 평가하는 데 유용한 도구입니다.

서론

운동은 휴식 상태에 비해 에너지 요구량을 상당히 증가시킵니다. 심장과 폐는 심박출량과 환기를 증가시켜 폐포-모세혈관 침대의 확장, 주로 폐모세혈관의 모집과 팽창을 일으킨다1. 이것은 충분한 폐 가스 교환을 보장하며, 이는 폐 확산 능력(DL)2,3,4의 증가로 측정할 수 있습니다. 운동 중DL을 측정하려는 첫 번째 시도는 100년 이상 거슬러 올라갑니다 5,6,7. 휴식 상태에서DL을 증가시키는 능력은 종종 폐포-모세관 예비력(alveolar-capillary reserve) 8,9이라고 합니다.

실험적으로, 폐포-모세혈관 예비량에 대한 폐포-모세관 막 확산 능력(DM) 및 폐 모세혈관 혈액량(VC)의 상대적 기여도는 흡기 산소() 방법의figure-introduction-1 고전적인 다중 분획(10)을 포함한 다양한 방법으로 평가할 수 있습니다. 이러한 맥락에서 유용할 수 있는 대체기술은 일산화탄소(CO) 및 산화질소(NO)(DL,CO/NO)를 동시에 측정하는 이중 테스트 가스 방법입니다11. 이 기술은 1980 년대에 개발되었으며, 헤모글로빈 (Hb)에 대한 NO의 반응 속도가 CO의 반응 속도보다 실질적으로 더 크다는 사실을 이용하여 CO의 폐 확산이 NO보다 VC에 더 많이 의존합니다. 따라서 CO 확산에 대한 저항의 주요 부위 (~ 75 %)는 적혈구 내에 위치하며, NO 확산에 대한 주요 저항(~60%)은 폐포-모세혈관막과 폐 혈장12에 있습니다. 따라서 DL, CO 및DL,NO의 동시 측정은 DL12에 대한 DM 및 VC의 상대적 기여도를 평가할 수 있도록 하며, 여기서 운동 중에 관찰된DL,NO의 변화는 주로 폐포-모세혈관 막의 확장을 반영합니다. 운동 중 측정값을 얻을 때 이 방법의 또 다른 장점은 표준화된 10초 숨 참기로 여러 번 반복되는 기동이 서로 다른 산소 수준에서 수행되는 클래식 figure-introduction-2 기술에 비해 상대적으로 짧은 숨 참기 시간(~5초)과 더 적은 기동을 포함한다는 것입니다. 최근에는 호흡 참기 시간이 짧고 각 강도에서 더 적은 기동으로 적용되었지만figure-introduction-3,13. 그럼에도 불구하고, figure-introduction-4 세션당 총 6개의 D, L,CO 기동만을 허용하는 반면, 최대 12개의 반복적인 D, L,CO/NO 기동은 결과 추정치(14)에 측정 가능한 영향 없이 수행될 수 있다. 이는 긴 숨참기와 여러 번의 조작 모두 매우 높은 강도에서 또는 호흡 곤란을 경험하는 환자 집단에서 수행하기 어려울 수 있기 때문에 운동 중 측정값을 얻을 때 중요한 고려 사항입니다.

본 논문은 운동 중DL,CO/NO 의 측정 및 폐포-모세관 예비력의 지표로 사용에 대한 이론적 고려 사항 및 실용적인 권장 사항을 포함한 자세한 프로토콜을 제공합니다. 이 방법은 실험 환경에서 쉽게 적용할 수 있으며 폐의 확산 제한이 다른 집단의 산소 섭취에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 평가할 수 있습니다.

이론 및 측정 원리
DL,CO/NO 방법은 흡입 후 가스가 환기된 폐포 공간에 균등하게 분포한다는 가정 하에 가스 혼합물을 한 번 호흡하는 것을 포함합니다. 가스 혼합물은 불활성 추적 가스를 포함한 여러 가스로 구성됩니다. 호기말 공기의 분율을 기준으로 환기된 폐포 공간에서 추적 가스의 희석은 폐포 부피(VA)15를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 가스 혼합물에는 테스트 가스 CO 및 NO도 포함되며, 둘 다 환기된 폐포 공간에서 희석되어 폐포-모세관 막을 가로질러 확산됩니다. 폐포 분획을 기반으로 폐포 공간에서 확산 상수라고도 하는 개별 소실률(k)을 계산할 수 있습니다. 관례에 따라, 단일 호흡 기동 중에 측정된 테스트 기체에 대한DL은 다음 수학식16에 의해 도출됩니다.

figure-introduction-5

여기서 FA0은개별 DL 기동의 숨참기 시작 시 테스트 기체의 폐포 분율(CO 또는 NO)이고,FA는 숨참기 종료 시 테스트 기체의 폐포 분율이며, tBH는 숨참기 시간입니다. DL은 폐포-모세혈관 막을 가로질러 혈장과 적혈구 내부를 통해 헤모글로빈에 이르는 테스트 가스의 전도도와 기계적으로 동일합니다. 따라서 DM의 전도도와 소위 폐 모세혈관 혈액(θ)의 특정 전도도에 의존하며, 후자는 혈액 내 테스트 가스의 전도도와 헤모글로빈과의 반응 속도(10)에 모두 의존합니다. 컨덕턴스의 역수가 저항이라는 점을 감안할 때 테스트 가스의 전달에 대한 총 저항은 시리즈10의 다음 저항에 따라 달라집니다.

figure-introduction-6

이들 성분은 DL을 CO 및 NO로 동시에 측정함으로써 구별될 수 있는데, 이는 이들이 서로 다른 θ-값을 가지기 때문이며, 따라서 각각의 DL 값은 VC에 따라 다르게 의존하기 때문이다. CO의 폐 확산은 NO보다 VC에 더 크게 의존하며, CO 확산에 대한 저항의 주요 부위(~75%)는 적혈구 내에 위치한다(12). 대조적으로, NO 확산에 대한 주요 저항(~60%)은 폐포-모세관 막과 폐 혈장에 있는데, 이는 헤모글로빈과 NO의 반응 속도가 CO의 반응 속도보다 실질적으로 더 크기 때문입니다. 따라서 DL, CO 및 DL, NO를 동시에 측정함으로써 DM 및 VC 모두의 변화는 전자에 현저하게 영향을 미칩니다. 후자는VC에 훨씬 덜 의존하므로DL을 결정하는 요인에 대한 통합적 평가가 가능합니다.

DL,CO/NO 메트릭의 보고는 다른 단위를 사용하여 수행할 수 있습니다. 따라서 유럽 호흡기 학회(ERS)는 mmol/min/kPa를 사용하는 반면 미국 흉부 학회(ATS)는 mL/min/mmHg를 사용합니다. 단위 간의 변환 계수는 2.987mmol/min/kPa = mL/min/mmHg입니다.

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프로토콜

덴마크 수도권 과학 윤리 위원회(Scientific Ethical Committee for the Capital Region of Denmark)는 이전에 우리 기관의 건강한 지원자와 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 환자 모두에서 휴식 시, 운동 중 및 누운 자세에서DL,CO/NO 의 측정을 승인했습니다(프로토콜 H-20052659, H-21021723 및 H-21060230).

알림: 운동 중DL,CO/NO를 측정하기 전에 동적 폐활량 측정과 심폐 운동 검사(CPET)를 수행해야 합니다. 동적 폐활량 측정은 개별DL,CO/NO 조작의 품질 관리에 사용되는 반면, CPET는 운동 중DL,CO/NO를 측정해야 하는 작업량을 결정하는 데 사용됩니다. 특히 폐쇄성 폐 질환으로 인해 공기 흐름이 제한된 환자의 경우, 폐활량의 유효한 측정값을 얻기 위해 전신 혈류측정법으로 동적 폐활량 측정을 보완하는 것이 유리할 수 있습니다. CPET를 시작하기 전에 알려진 금기 사항을 배제하기 위한 의학적 건강 검진이 권장된다17. 중요한 것은 CPET는 이전의 격렬한 운동이 최대 48시간 동안DL에 영향을 미칠 수 있으므로 운동 중에 얻은DL,CO/NO 측정보다 최소 24시간 전에 수행해야 합니다18,19.

1. 동적 폐활량 측정

알림: 동적 폐활량 측정은 ERS 및 ATS20의 현재 임상 지침에 따라 수행해야 합니다.

  1. 무게(100g 단위)와 높이(1mm 단위)를 측정합니다.
  2. 참가자에게 똑바로 앉은 의자에 앉으라고 합니다.
  3. 다른 곳에서설명한 바와 같이, 강제 만료된 기동 동안 동적 폐활량 측정을 수행하여, 1초 내에 강제 만료된 체적(FEV1) 및 참가자의 강제 폐활량(FVC)을 식별한다.

2. 심폐운동 검사(CPET)

참고: CPET는 현재 임상 권장 사항21에 따라 수행해야 합니다.

  1. 참가자의 키에 따라 사이클 에르고미터를 조정하고 가슴에 심박수(HR) 모니터를 놓습니다.
  2. 참가자를 사이클 에르고미터에 올려 놓습니다. 참가자에게 대사 측정 시스템에 연결된 마스크를 착용하여 테스트 전반에 걸쳐 환기 및 폐 가스 교환을 측정합니다.
  3. 참가자에게 스스로 선택한 페이스≥분당 60회전(RPM))으로 사이클링을 시작하고 자가 보고된 활동 수준, 일일 체력 및 질병 상태(예: 5-15W)를 기반으로 준최대 작업량으로 150분의 워밍업 시간을 수행하도록 지시합니다.
  4. 참가자가 자발적 소진에 도달할 때까지 작업량을 분당 5-20W씩 늘립니다. 증분은 참가자의 현재 체력 수준을 기반으로 해야 하므로 증분 단계가 시작된 후 8-12분 후에 테스트가 종료될 것으로 예상됩니다.
  5. 참가자에게 다음 48시간 동안 다른 격렬한 운동을 피하도록 지시합니다.

3. 단일 호흡 확산 용량 장비의 교정

알림: 유량 센서와 가스 분석기를 교정하여 측정이 유효하고 신뢰할 수 있는지 확인해야 합니다. 정확한 절차는 제조업체 및 장치에 따라 다릅니다. 생물학적 방제를 포함한 교정 절차는 각 연구일에 완료되어야 하며, 주당 1일 미만의 연구가 실행되는 경우 추가 주간 교정을 수행해야 합니다. 실험 설정은 그림 1에 나와 있습니다.

  1. 컴퓨터에서 소프트웨어 프로그램을 열면 공압의 충분한 온도를 보장하기 위해 50분의 자동 예열 시간이 시작됩니다.
  2. 테스트 가스가 담긴 용기가 열려 있는지 확인하십시오( 그림 1D 참조).
  3. 먼저 s를 연결하여 가스 교정을 수행합니다.amp공기의 링 라인을 CAL이라고 하는 MS-PFT 분석기 장치 플러그인에 연결합니다( 그림 1B 참조).
  4. 홈 페이지에서 Calibration(보정 )을 선택하여 가스 보정을 시작하고( 그림 2A 참조) Gas Calibration(가스 보정)을 선택합니다. 시작 또는 F1 을 눌러 보정을 시작합니다( 그림 2B 참조).
  5. s를 부착amp가스 교정이 충족되고 수락되면 pneumotach 라인.
  6. 유효한 3L 주사기를 사용하여 부피 보정을 수행합니다. 홈 페이지(그림 2A 참조)에서 Calibration(보정)을 선택하고 Volume calibration(볼륨 보정)을 선택하여 볼륨 보정을 시작합니다. F1을 눌러 보정을 시작하고 소프트웨어에서 제공하는 지침을 따릅니다(그림 2C 참조).
  7. 흡기 백이 MS-PFT 분석기 장치에 연결되어 있는지 확인합니다( 그림 1C 참조).
  8. 앉은 자세에서 생물학적 제어 측정을 수행하여 보정 절차를 완료합니다. 이것은 방법의 신뢰성을 보장하기 위해 건강한 비흡연자가 수행해야 합니다. 주어진 피험자의 주별 변동이 D, L, CO 또는 DL, NO 에서 각각 1.6 및 6.5mmol/min/kPa(5 및 20mL/min/mmHg) 이상 변하는 경우, 변동은 기계 오류로 인한 것일 수 있으므로 추가로 조사해야 합니다12, 22.

4. 참가자 준비

  1. DL,CO/NO가 측정될 선택한 강도(최대 작업 부하의 %(Wmax))에 대한 이전 CPET 결과에서 원하는 작업량을 계산합니다.
  2. 참가자가 CPET를 수행한 후 최소 48시간 후에 참가자에게 실험실로 돌아가 운동 중DL,CO/NO 측정값을 얻도록 요청합니다.
  3. 환자의 모세혈관 혈액(mmol/L에서 가장 가까운 0.1mmol/L)에서 키(cm에서 가장 가까운 mm), 체중(kg 단위에서 가장 가까운 100g) 및 Hb를 측정합니다.
  4. 프로그램의 홈 페이지에서 환자 > 새 환자 ( 그림 2A 참조)를 선택하고 참가자의 신분증, 성, 이름, 생년월일, 성별, 키 및 체중과 같은 필수 데이터를 입력합니다. OK 또는 F1 을 선택하여 계속합니다( 그림 2D 참조).

5. DL, 직립 휴식 중CO / NO 측정

참고:DL,CO/NO 측정은 ERS 태스크 포스12의 현재 임상 권장 사항에 따라 수행됩니다.

  1. Home(홈)에서 Measurement(측정) > NO Membrane difising(멤브레인 확산 없음 )을 선택합니다( 그림 2E 참조).
  2. 소프트웨어의 자동 재설정을 시작하여 모든 테스트 가스에 대한 가스 분석기를 영점 조정하고 연결된 흡기 백에서 테스트 가스의 혼합을 시작합니다. F1 을 눌러 자동 재설정을 시작합니다( 그림 2F 참조).
    1. 자동 재설정에는 140-210초가 걸립니다. 소프트웨어에서 제공하는 지침을 준수하여 측정을 시작할 때를 인식하십시오. 소프트웨어가 Connect patient(환자 연결)를 지시할 때 즉시 측정을 시작하는 것이 중요합니다.
  3. 참가자를 노즈 클립이 있는 직립 의자에 앉힙니다. 참가자에게 아래 설명된 대로 기동을 수행하는 방법을 지시합니다.
    1. 참가자에게 노즈 클립을 사용하고 기포에 연결된 마우스피스를 통해 정상적인 조수 호흡을 시작하도록 요청합니다. 측정을 위한 폐쇄 시스템을 보장하려면 참가자의 입술이 마우스피스 주위에 닫혀 있는지 확인하십시오.
    2. 세 번의 정상적인 호흡 후 참가자에게 잔량(RV)에 도달하기 위해 빠른 최대 호기를 수행하도록 지시합니다.
    3. RV에 도달하면 즉시 참가자에게 < 4초의 흡기 시간을 목표로 총 폐활량(TLC)에 대한 빠른 최대 영감을 수행하도록 지시합니다. 최대 흡입 중에 밸브가 열려 참가자가 흡입 직전에 흡기 백에 알려진 농도의 NO(800ppm NO/N2)와 혼합된 가스 혼합물을 흡입할 수 있습니다.
    4. 참가자에게 TLC에서 5(4-8)초의 숨참기를 수행하도록 요청합니다. 인스피레이션 동안, 인스피릿 용적(VI) ≥4-8초의 호흡 참기 시간을 갖는 FVC(또는 혈량측정법 기반 폐활량)의 90%가 목표이다23(표 1).
    5. 숨을 참은 후 참가자에게 중단 없이 강력하고 꾸준한 최대 호기를 수행하도록 지시합니다.
    6. 최대 만료 후 참가자에게 마우스피스와 노즈 클립을 놓도록 요청합니다. 그러면 소프트웨어가 명령 없이 DL, NO 및 DL, CO 를 계산합니다.
  4. 참가자가 RV 및 TLC에 도달할 수 있도록 기동 전반에 걸쳐 구두 격려를 사용하십시오. 표 1에 따라 기동의 수용 가능성을 평가합니다.
  5. 최소 4분의 세척 기간 후 두 번의 기동이 허용 기준(표 1)을 충족할 때까지 또는 동일한 세션에서 총 12번의 기동(아래 참조)이 수행될 때까지 기동을 다시 수행합니다.
  6. DL, NO 및 DL, CO 는 표 2에 요약된 기준에 따라 보고됩니다. 또한 보고된 대로 숨 참기 시간, 흡기 볼륨 및 폐포 볼륨을 권장합니다. 또한 허용 가능한 기동 및 반복 가능한 기동의 수를 보고해야 하며, 허용 가능성 또는 반복성 기준을 충족하지 않는 기동에 기반한 결과는 신중하게 해석해야 합니다.

6. 운동 중 DL, CO / NO 측정

알림: 운동 중 DL, CO/NO 측정 타임라인은 그림 3에 나와 있습니다.

  1. 사이클 에르고미터를 참가자가 사이클링 위치를 변경할 필요 없이 마우스피스를 통해 숨을 쉴 수 있는 거리에 놓습니다. 자전거의 올바른 작업 위치에서 측정을 수행할 수 있도록 장비 높이를 높입니다( 그림 2 참조).
  2. 참가자를 사이클 에르고미터에 놓고 HR 모니터를 가슴에 놓습니다. 참가자에게 5.3단계에 설명된 대로 각 기동을 수행하도록 지시합니다.
  3. 참가자에게 측정 전 워밍업으로 최대 작업 부하에서 5분 동안 사이클링을 시작하도록 지시합니다.
  4. F1을 눌러 장치의 자동 재설정을 시작하는 동시에 작업 부하를 목표 강도로 늘립니다(5.2 단계 참조). 자동 재설정에는 140-210초가 소요되며 이는 참가자가 정상 상태에 도달했는지 확인하기에 충분합니다.
  5. 자동 재설정이 완료되면 마우스피스를 참가자에게 돌리고 참가자가 목표 강도로 계속 사이클링하는 동안 아래 설명된 대로 조작을 수행합니다.
    1. 5.4-5.5단계의 단계를 따릅니다. 각 워크로드에서 수용성 및 반복성 기준(표 1)을 평가하고 휴식 중 측정에 대해 보고합니다(5.6단계 및 표 2 참조).
  6. 기동이 완료되면 마우스피스를 제거하고 작업량을 15-40W로 줄입니다. 2분 동안 활성 복구 단계를 수행한 후 6.4단계와 6.5단계를 반복합니다. 2분의 활성 복구와 자동 재설정 중 140-210초는 4-5분의 충분한 세척 기간을 제공합니다.

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결과

이 프로토콜은 2021년에 구현되었으며 작성 당시 운동 중 총 124회의 측정(즉, 건강한 지원자의 경우 51회, 다양한 중증도의 COPD 환자의 경우 73회)이 수행되었습니다. 조작, 충족된 수용성 및 반복성 기준, 실패율에 대한 데이터는 모두 표 3에 나와 있습니다.

계산
예를 들어, 단일 D,L, CO/NO 조작으로부터의 계산은 아래에 설명된 사례 연구로서 건강한 그룹에서 최대 W의20 %에서 첫 번째 조작의 데이터를 기반으로 여기에 제공됩니다. 표 4에 제공된 측정값을 기반으로 다음이 계산됩니다.

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토론

이 프로토콜은 이중 테스트 가스 단일 호흡 기술을 사용하여 운동 중 DL, CO/NO 측정에 대한 표준화된 접근 방식을 제공합니다. 얻어진 D, L, CO/NO-metrics는 폐 모세혈관 모집 및 팽창으로 인해 증가하기 때문에, 이 방법은 폐포-모세혈관 예비력의 생리학적으로 의미 있는 측정을 제공한다.

프로토콜의 중요한 단계
이 방법은 잔여 부피로 숨을 내쉬고 총 폐활량에 대한 영감을 필요로 하며, 5초의 숨 참기가 수행되고 RV로의 호기로 종료됩니다. 이것은 운동 중에, 특히 고강도로 운동하는 동안 수행하는 것이 복잡할 수 있기 때문에 중요한 단계입니다. 운동 강도가 증가하면VI가 감소할 수 있으며, 폐활량의 85% 미만으로 감소하면 기동이 허용되지 않습니다(표 1 참조). 따라서, 시험의 강사는 참가자가 충분히 숨을 들이...

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공개 사항

기사에 제시된 장비 및 소프트웨어는 무료가 아닙니다. 작성자 중 누구도 소프트웨어에 대한 라이선스를 제공하는 회사와 관련이 없습니다. 모든 저자는 재정적 이익 경쟁이 없음을 선언합니다.

감사의 글

이 연구는 스벤드 안데르센 재단(Svend Andersen Foundation)으로부터 재정 지원을 받았다. 신체 활동 연구 센터는 TrygFonden 보조금 ID 101390, ID 20045 및 ID 125132의 지원을 받습니다. JPH는 HelseFonden과 Copenhagen University Hospital, Rigshospitalet에서 자금을 지원받고 HLH는 Beckett Foundation에서 자금을 지원합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
헤모큐 Hb 201+ 헤모큐, 브롤&오슬래시; NSH&오슬래시; j, 덴마크Unkown헤모글로빈 측정용
Jaeger MasterScreen PFT pro (폐 기능 장비)CareFusion, Hö chberg, GermanyUnkownDLCO/NO
MouthpieceSpiroBac, Henrotech, Aartselaar, BelgiumUnkown측정을 위해 폐 기능 장비와 함께 사용됩니다. (데드 스페이스 56ml, 12L s&minus에서 흐름에 대한 저항; 1 0.9 cmH2O) 
노즈 클립IntraMedic, Gentofte, DenmarkJAE-892895
PhenumotachIntraMedic, Gentofte, DenmarkJAE-705048Lung Fuction Equipment
SentrySuite Software SolutionVyaire's Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg GermanyUnkown
Test gassesIntraMedic, Gentofte, DenmarkUnkown농도 : 0.28 % CO, 20.9 % O2, 69.52 % N2 및 9.3 % He

참고문헌

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