Techniki wymywania gazem są używane od dziesięcioleci do dostarczania ważnych informacji o strukturze i jednorodności drzewa dróg oddechowych. Płuco jest klasycznie opisywane jako posiadające dwa przedziały – strefę przewodzącą, która składa się z anatomicznej martwej przestrzeni i strefy oddechowej, w której zachodzi wymiana gazowa w pęcherzykach płucnych. Przewodzące drogi oddechowe są określane jako "martwa przestrzeń", ponieważ nie uczestniczą w wymianie tlenu i dwutlenku węgla. W metodzie wymywania gazem z pojedynczym oddechem profil stężenia wydychanego gazu może być wykorzystany do określenia objętości anatomicznej martwej przestrzeni i uzyskania informacji o równomierności wentylacji. Niektóre metody polegają na oddychaniu gazami obojętnymi w celu wykonania tych pomiarów (N2, argon, He, SF6 itp.). Stosowanie gazu obojętnego jest dobrze ugruntowane, poparte naukowymi oświadczeniami konsensusu1, a dostępne są komercyjne urządzenia z przyjaznymi dla użytkownika interfejsami. Jednak profil wydychanego dwutlenku węgla (CO2 ) może być wykorzystany do uzyskania podobnych informacji. Ocena profilu CO2 w funkcji objętości wydychanej wody, czyli kapnografii wolumetrycznej, nie wymaga od uczestnika oddychania specjalnymi mieszaninami gazów i pozwala badaczowi na elastyczne gromadzenie dodatkowych informacji na temat metabolizmu i wymiany gazowej przy minimalnym dostosowaniu do techniki.
Podczas kontrolowanego wydechu, stężenie CO2 może być wykreślone w stosunku do całkowitej objętości wydychanego powietrza. Na początku wydechu martwa przestrzeń jest wypełniona gazem atmosferycznym. Znajduje to odzwierciedlenie w fazie I profilu CO2 wydychanego powietrza, w której występuje niewykrywalna ilość CO2 (rysunek 1, u góry). Faza II oznacza przejście do gazu pęcherzykowego, w którym zachodzi wymiana gazowa i CO2 jest obfity. Objętość w punkcie środkowym fazy II to objętość anatomicznej martwej przestrzeni (VD). Faza III zawiera gaz pęcherzykowy. Ponieważ drogi oddechowe o różnych średnicach opróżniają się w różnym tempie, nachylenie (S) fazy III dostarcza informacji o jednorodności dróg oddechowych. Bardziej strome nachylenie fazy III sugeruje mniej jednolite drzewo dróg oddechowych proksymalnie do końcowych oskrzelików lub niejednorodność zależną od konwekcji2. W przypadku, gdy zaburzenie może zmienić szybkość produkcji CO2 i dokonać porównań między osobami, nachylenie można podzielić przez obszar pod krzywą, aby znormalizować różnice w metabolizmie (NS lub znormalizowane nachylenie). Kapnografia wolumetryczna była wcześniej wykorzystywana do oceny zmian objętości i jednorodności dróg oddechowych po ekspozycji na zanieczyszczenia powietrza3,4,5,6.
Transport gazu w płucach jest regulowany zarówno przez konwekcję, jak i dyfuzję. Pomiary wypłukiwania pojedynczym oddechem są w dużym stopniu zależne od przepływu powietrza, a zmierzona wartość VD występuje na granicy konwekcji i dyfuzji. Zmiana natężenia przepływu wydechu lub poprzedzającego go wdechu zmienia położenie tej granicy7. Kapnografia jest również w dużym stopniu zależna od objętości płuca bezpośrednio poprzedzającej manewr. Większe objętości płuc powodują rozciągnięcie dróg oddechowych, co skutkuje większymi wartościami VD8. Jednym z rozwiązań jest konsekwentne wykonywanie pomiaru przy tej samej objętości płuc – zwykle funkcjonalnej pojemności resztkowej (FRC). Alternatywą, opisaną tutaj, jest połączenie kapnografii wolumetrycznej z pletyzmografią barometryczną, w celu uzyskania związku między VD a objętością płuc. Następnie uczestnik wykonuje manewr przy stałych natężeniach przepływu, zmieniając objętość płuc. Pozwala to na wykonywanie klasycznych pomiarów kapnograficznych w FRC, ale także na wyprowadzenie zależności między objętością płuc a objętością przestrzeni martwej oraz między objętością płuc a jednorodnością. Rzeczywiście, wartość dodana sprzężenia kapnografii z pletyzmografią wynika z możliwości testowania hipotez dotyczących rozciągliwości drzewa dróg oddechowych i zależności struktura-funkcja płuc. Może to być cenne narzędzie dla badaczy dążących do ilościowego określenia wpływu mechaniki dróg oddechowych w porównaniu z podatnością płuc i elastancją na czynność płuc w populacjach zdrowych i chorych9,10,11. Co więcej, uwzględnienie bezwzględnej objętości płuc, przy której wykonywane są wolumetryczne pomiary kapnograficzne, pozwala badaczom scharakteryzować skutki warunków, które mogą zmienić stan napompowania płuc, takich jak otyłość, przeszczep płuc lub interwencje, takie jak opasanie ściany klatki piersiowej. Kapnografia wolumetryczna może ostatecznie mieć zastosowanie kliniczne w warunkach intensywnej terapii12,13.