Połączenie kapnografii wolumetrycznej i pletyzmografii barometrycznej w celu pomiaru zależności między strukturą a funkcją płuc
8 stycznia 2019
Tutaj opisujemy dwie miary funkcji płuc - pletyzmografię barometryczną, która pozwala na pomiar objętości płuc, oraz kapnografię wolumetryczną, narzędzie do pomiaru anatomicznej martwej przestrzeni i jednorodności dróg oddechowych. Techniki te mogą być stosowane niezależnie lub w połączeniu do oceny funkcji dróg oddechowych przy różnych objętościach płuc.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu fizjologii płuc, w szczególności dotyczące tego, w jaki sposób zależność między strukturą a funkcją w płucach przyczynia się do patologii choroby. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na wielokrotne wykonywanie pomiarów w obrębie tego samego obiektu, bez drogiego sprzętu do obrazowania lub zaawansowanych technicznie algorytmów analizy. Implikacje pomiaru zależności między strukturą a funkcją płuc rozszerzają się w kierunku zrozumienia rozwoju chorób płuc przy użyciu klasycznych, dobrze ugruntowanych narzędzi fizjologicznych do oceny nowych interwencji.
Chociaż metoda ta zapewnia wgląd w fizjologię płuc człowieka, można ją również zastosować do zwierzęcych modeli chorób płuc. Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie mogą mieć trudności z prawidłowym trenowaniem uczestników, aby postępowali zgodnie z nakreślonymi manewrami. Często konieczne jest kilka prób z pierwszym uczestnikiem.
Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ manewr kapnograficzny może być trudny do nauczenia, a przepływ i objętość manewru muszą być dokładnie kontrolowane. Procedury z udziałem ludzi zostały zatwierdzone przez Institutional Review Board Uniwersytetu Iowa. Przed rozpoczęciem kalibracji należy użyć standardowego barometru do pomiaru temperatury, ciśnienia atmosferycznego i wilgotności względnej, a następnie wprowadzić te wartości do oprogramowania pletyzmografu jako współczynniki korekcyjne.
Aby skalibrować czujnik przepływu, użyj skalibrowanej trzylitrowej strzykawki o zmiennym natężeniu przepływu i użyj 50-mililitrowej pompy do kalibracji ciśnienia w pudełku. Bezpośrednio przed pomiarem pletyzmograficznym poproś uczestnika, aby wszedł do pletyzmografu całego ciała i zamknął drzwi. Po 30 do 60 sekundach równoważenia termicznego poinstruuj uczestnika, aby położył usta na ustniku, założył klipsy na nos i położył dłonie na policzkach.
Poinstruuj uczestnika, aby oddychał normalnie, umożliwiając uzyskanie co najmniej czterech oddechów oddechowych i ustalenie funkcjonalnej pojemności resztkowej. Pod koniec normalnego wydechu zamknij migawkę i naucz uczestnika lekko dyszeć z prędkością od 0,5 do jednego oddechu na sekundę przez trzy do czterech sekund. Oceń związek między ciśnieniem w ustach a ciśnieniem w pletyzmografie, aby upewnić się, że jest to seria nakładających się na siebie, prostych linii, bez dryfu termicznego, a następnie otwórz migawkę i pozwól uczestnikowi wziąć normalny oddech.
Następnie przeszkol uczestnika, aby wydychał powietrze do pozostałej objętości. Następnie następuje maksymalny manewr wdechowy do całkowitej pojemności płuc. Przed przybyciem uczestnika zaadresuj i zmodyfikuj zmienne w tabeli, jeśli to konieczne.
Aby skalibrować analizator gazów, podłącz rurkę suszącą do komory mieszania i przepłucz worek gazem obojętnym z szybkością co najmniej 10 litrów na minutę, uważając, aby nie zwiększać ciśnienia w układzie. Gdy wyświetlane stężenia wypartego dwutlenku węgla i tlenu ustabilizują się, wyreguluj pokrętła zerowania, aż oba wskażą zero. Następnie powtórz płukanie 6% dwutlenkiem węgla i powietrzem w pomieszczeniu zawierającym 20,93% tlenu jako gazami kalibracyjnymi, dopasowując stężenie gazów kalibracyjnych za pomocą pokrętła zakresowego, gdy stężenie gazów się ustabilizuje.
Następnie ponownie sprawdź stężenie gazu obojętnego i gazu kalibracyjnego i wyreguluj pokrętła zera i zakresu, aż oba osiągną dokładność plus lub minus 0.1%Aby skalibrować podgrzany pneumotach, pozwól pneumotach nagrzać się do 37 stopni Celsjusza przez co najmniej 20 minut i otwórz menu Kanał przepływu w oprogramowaniu systemowym. Wybierz Spirometr i kliknij Zero, aby wyzerować pneumotach. Następnie wybierz przycisk OK. Użyj adaptera głowicy przepływowej, aby podłączyć trzylitrową strzykawkę do pneumotach i podświetlić oddech kalibracyjny.
W menu Flow Channel (Kanał przepływu) wybierz Spirometer Flow (Przepływ spirometru) i Calibrate (Kalibruj), a następnie wprowadź trzy litry. Kliknij przycisk OK. Za pomocą strzykawki wstrzyknąć trzy litry powietrza z pomieszczenia do pneumotach o różnym natężeniu przepływu. Różnica z trzech litrów powinna być mniejsza niż 5%Gdy system jest gotowy, przeszkol uczestnika, aby wykonał pojedynczy manewr składający się z dwóch par oddechów: oddechu coachingowego i oddechu do analizy.
Bo mamy inspirację i wygaśnięcie, z inspiracją. Podczas manewru poinstruuj uczestnika, aby postępował zgodnie z przewodnikiem przepływu na monitorze komputera. Rozważ dodanie rezystora w jednej linii z ustnikiem, aby ułatwić kontrolowanie przepływu wydychanego powietrza.
Aby zmierzyć funkcjonalną pojemność resztkową, poinstruuj uczestnika, aby usiadł prosto z obiema stopami na podłodze, założył klipsy na nos i położył usta na ustniku. Poinstruuj uczestnika, aby wykonał co najmniej jedną minutę oddychania oddechowego w celu zmierzenia funkcji metabolicznej i umożliwienia uczestnikowi zapoznania się z ustnikiem. Zatrzymaj zbieranie danych po jednej minucie.
Przed rozpoczęciem manewru uczestnicy powinni zmieniać objętość oddechową, wykonując normalne, mniejsze lub większe niż normalne oddechy oddechowe, aby upewnić się, że kapnogramy zostaną uzyskane przy różnych objętościach płuc. Przeszkol uczestnika, aby przeszedł do wykonywania manewru kapnogramu, gdy tylko na ekranie pojawią się ślady przepływu, i wznowił zbieranie danych w losowym momencie cyklu oddechowego uczestnika, aby umożliwić uzyskanie pomiarów przy różnych objętościach płuc. Na koniec trenuj, aby wykonać westchnienie na koniec każdego manewru, aby mięśnie oddechowe były całkowicie rozluźnione, aby umożliwić określenie funkcjonalnej pojemności oddechowej.
Najważniejszym krokiem jest prawidłowy pomiar i wykonanie manewru wykonanego za pomocą kapnografii wolumetrycznej. Następnie przerwij zbieranie danych i poproś uczestnika, aby powtórzył manewry kapnogramu jeszcze co najmniej sześć do ośmiu razy, aby uzyskać od 12 do 16 par oddechów do analizy. W tym miejscu pokazany jest reprezentatywny pojedynczy kapnogram użyty w analizie oraz surowe dane dla całej sekwencji manewru.
W surowych danych kapnogram i śledzenie przepływu nie zostały wyrównane w celu uwzględnienia opóźnienia czasowego. W tych reprezentatywnych przypadkach martwa przestrzeń i nachylenie były istotnie skorelowane z objętością płuc, co sugeruje, że martwa przestrzeń i jednorodność dróg oddechowych zwiększają się wraz ze wzrostem objętości płuc. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że jest ona w dużym stopniu zależna od natężenia wydychanego powietrza przez uczestnika i opóźnienia między analizatorem a spirometrem.
Dokładność tych wartości powinna być dokładnie sprawdzona. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie pulmonologii do zbadania zależności między strukturą a objętością płuc w różnych populacjach pacjentów, a także może zostać włączona do standardowej opieki przyłóżkowej w chorobach układu oddechowego.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule omówiono dwa pomiary funkcji płuc: pletyzmografię barometryczną do wyznaczania objętości płuc oraz kapnografię wolumetryczną do oceny anatomicznej przestrzeni martwej. Metody te można stosować osobno lub łącznie w celu oceny funkcji dróg oddechowych przy różnych objętościach płuc.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Fizjologia płuc
- Ocena funkcji oddechowych
- Patologia chorób płuc
Wstęp
- Zrozumienie zależności między strukturą a funkcją płuc jest kluczowe dla badań nad chorobami.
- Techniki te umożliwiają powtarzalne pomiary bez konieczności stosowania kosztownego obrazowania.
- Zdobyta wiedza może pomóc w opracowaniu metod leczenia chorób płuc.
- Zastosowanie obejmuje zarówno modele ludzkie, jak i zwierzęce.
Cel badania
- Ocena funkcji płuc z wykorzystaniem uznanych narzędzi fizjologicznych.
- Zrozumienie znaczenia zależności między strukturą a funkcją płuc.
- Umożliwienie oceny nowych interwencji w leczeniu chorób płuc.
Zastosowane metody
- Pletyzmografia baryczna do pomiaru objętości płuc.
- Kapnografia wolumetryczna do oceny jednorodności dróg oddechowych.
- Powtarzane pomiary u tego samego badanego.
- Instruowanie uczestników w zakresie specyficznych manewrów w celu zapewnienia dokładności.
Główne wyniki
- Obie techniki dostarczają cennych informacji na temat funkcji płuc.
- Mogą być one skutecznie wykorzystywane do badania mechanizmów chorób płuc.
- W celu zapewnienia dokładności wyników uczestników konieczne może być przeprowadzenie prób próbnych.
- Wyniki mogą stanowić podstawę dla przyszłych badań i zastosowań klinicznych.
Wnioski
- Barometryczna pletyzmografia i wolumetryczna kapnografia są skutecznymi narzędziami w badaniach płucnych.
- Umożliwiają one lepsze zrozumienie fizjologii i chorób płuc.
- Metody te wspierają ocenę interwencji w zakresie zdrowia płuc.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zrozumienie relacji między strukturą a funkcją płuc jest kluczowe dla oceny mechanizmów chorobowych i interwencji terapeutycznych w badaniach pulmonologicznych. Te uznane narzędzia fizjologiczne umożliwiają powtarzalne i cost-effective pomiary bez konieczności stosowania zaawansowanej obrazówki, co wspiera przedkliniczną walidację celów terapeutycznych oraz redukcję ryzyka mechanistycznego. Połączone zastosowanie pletyzmografii barometrycznej i kapnografii wolumetrycznej dostarcza ilościowych informacji na temat objętości i homogeniczności dróg oddechowych, co pozwala na podejmowanie decyzji go/no-go w rozwoju leków stosowanych w chorobach układu oddechowego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez pomiar objętości płuc i homogeniczności dróg oddechowych jako parametrów funkcjonalnych.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego dzięki powtarzalnym pomiarom wewnątrzobiektowym, które zmniejszają zmienność w ramach wczesnej oceny celu terapeutycznego.
- Wartość prognostyczna: Koreluje zmiany strukturalne (przestrzeń martwa, nachylenie) z objętością płuc w celu zwiększenia pewności co do zaangażowania celu i modulacji szlaków sygnałowych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszych badań przesiewowych poprzez ustalenie bazowej funkcji płuc i reaktywności dróg oddechowych.
- Wartość operacyjna: Dostarcza zestandaryzowane, ilościowe wyniki (przestrzeń martwa, nachylenie), które umożliwiają powtarzalność testów w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Skalowalność: Ułatwia ponowne wykorzystanie platformy dzięki prostym procedurom kalibracji i analizie opartej na makrach, którą można dostosować do różnych planów badań.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy etap odkryć z walidacją przedkliniczną poprzez pomiar relacji struktura-funkcja w ludzkich i zwierzęcych modelach chorób płuc.
- Postęp korygowany o ryzyko: Wspiera przedkliniczne decyzje o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez kwantyfikację wpływu interwencji na objętość płuc i jednorodność dróg oddechowych w zależności od dawki.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Zmniejsza niejednoznaczność w walidacji punktów uchwytu poprzez powiązanie zmian anatomicznych (homogeniczności dróg oddechowych) z funkcjonalną pojemnością płuc.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć, od wczesnej walidacji celu po ocenę przedkliniczną, umożliwiając iteracyjną ewaluację interwencji ukierunkowanych na płuca.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez kwantyfikację objętości płuc i homogeniczności dróg oddechowych jako biomarkerów mechanistycznych modulacji celu.
- Przesiew: Zapewnia gotowość analizy dzięki powtarzalnym manewrom kapnograficznym i pletyzmograficznym pomiarom objętości płuc w cyklach oddychania spokojnego.
- Analityka: Dostarcza ilościowych pomiarów zmiennych zależnych (przestrzeń martwa, nachylenie, objętość płuc), które umożliwiają statystyczne porównanie warunków i efektów interwencji.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną poprzez zastosowanie identycznych zasad pomiarowych w modelach zwierzęcych w celu oceny istotnych dla choroby zmian strukturalnych.
- Wykorzystanie przedsiębiorstwa: Funkcjonuje jako zasób wielokrotnego użytku dzięki standaryzowanym protokołom kalibracji i adaptowalnym makrom analitycznym, co ogranicza redundantny rozwój metod.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w walidacji celu poprzez bezpośredni pomiar zależności między strukturą a funkcją płuc.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja i powtarzalność dzięki stałym procedurom kalibracji (czujnik przepływu, analizator gazów, pneumotachograf) oraz instruowaniu uczestników w zakresie wykonywanych manewrów.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) dzięki ilościowemu określeniu wpływu interwencji na homogeniczność dróg oddechowych i objętość płuc, co zmniejsza ryzyko biologiczne na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja związków z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o zależne od dawki zmiany w przestrzeni martwej i nachyleniu względem objętości płuc.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu fizjologii płuc oraz umiejętności instruowania uczestników w celu prawidłowego wykonania manewrów.
- Zależność od skalibrowanej aparatury: pletyzmografu, analizatora gazów, podgrzewanego pneumotachografu oraz czujnika przepływu z regularną walidacją.
- Konieczność standaryzacji czasu trwania manewrów, wzorców oddychania i wyzwalaczy zbierania danych pomiędzy zespołami w celu zapewnienia powtarzalności.
- Konieczność uwzględnienia adaptacji w zależności od gatunku (modele ludzkie vs zwierzęce) ze względu na różnice w mechanice płuc i wzorcach oddychania.
- Ograniczenia wynikające z zależności od szybkości przepływu wydychanego powietrza oraz opóźnienia analizatora-spirometru, co wymaga precyzyjnego dopasowania i walidacji danych kapnograficznych.
