Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

Kombination von volumetrischen Capnographie und barometrischen Plethysmographie der Lunge-Struktur-Funktions-Beziehung zu messen

doi: 10.3791/58238 Published: January 8, 2019

Summary

Hier beschreiben wir zwei Maßnahmen der Lungenfunktion – barometrischen Plethysmographie, wodurch die Messung von Lungenvolumen, und volumetrische Kapnografie, ein Werkzeug zur Messung der anatomischen Totraum und Atemwege Einheitlichkeit. Diese Techniken können unabhängig voneinander verwendet oder kombiniert, um die Atemwege Funktion bei verschiedenen Lungenvolumen zu beurteilen.

Abstract

Instrumenten zur Messung der Lunge und Atemwege Volumen sind entscheidend für pulmonale Forscher interessieren Bewertung der Auswirkungen der Krankheit oder Roman Therapien auf die Lunge. Barometrische Plethysmographie ist eine klassische Technik, das Lungenvolumen mit einer langen Geschichte der klinischen Anwendung zu bewerten. Volumetrische Kapnografie nutzt das Profil der ausgeatmete Kohlendioxid bestimmen die Lautstärke der leitenden Atemwege oder dead space, und enthält ein Verzeichnis der Atemwege Homogenität. Diese Techniken können unabhängig voneinander oder in Kombination verwendet werden, um die Abhängigkeit der Atemwege Volumen und Homogenität Lungenvolumen zu bewerten. Dieses Dokument enthält detaillierte technische Anleitungen, diese Techniken zu replizieren und unsere repräsentativen Daten zeigt, dass die Atemwege Volumen und Homogenität, Lungenvolumen stark korreliert sind. Wir bieten auch ein Makro für die Analyse von Capnographic Daten, die geändert oder verschiedene experimentelle Designs angepasst werden können. Der Vorteil dieser Maßnahmen ist, dass ihre Vorteile und Grenzen werden durch jahrzehntelange experimentellen Daten unterstützt, und sie wiederholt im selben Fach ohne teure bildgebende Geräte oder technisch fortgeschrittene Analysealgorithmen hergestellt werden können. Diese Methoden können besonders nützlich für die Ermittler Störungen interessiert sein, die die funktionellen Restkapazität der Lunge und Atemwege Lautstärke zu ändern.

Introduction

Gas Auswaschung Techniken wurden jahrzehntelang zur wichtige Informationen über die Struktur und die Einheitlichkeit der Atemwege Baum. Die Lunge ist klassisch beschrieben als zwei Fächer – eine leitende Zone, die aus der anatomischen Totraum besteht und die respiratorische Zone, wo der Gasaustausch in den Alveolen auftritt. Die Durchführung von Atemwege werden als "dead Space" bezeichnet, weil sie nicht den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid beteiligt sind. In der einzigen Atemzug Gas Washout-Methode kann die Konzentration Profil eines ausgeatmeten Gases, das Volumen der anatomischen Totraum zu ermitteln und Informationen über die Einheitlichkeit der Lüftung abzuleiten verwendet werden. Einige Methoden beruhen auf die Atmung von Inertgasen, diese Maßnahmen zu machen (N2, Argon, er, SF6, etc.). Die Verwendung von Schutzgas ist etablierter, unterstützt durch wissenschaftliche Konsens Aussagen1, und es gibt verfügbare kommerzielle Ausrüstung mit benutzerfreundlichen Interfaces. Jedoch kann das ausgeatmete Kohlendioxid (CO2)-Profil verwendet werden, um ähnliche Informationen abzuleiten. Das Profil der CO2 als Funktion der ausgeatmeten Volumen oder volumetrische Kapnografie Bewertung bedarf keiner die Teilnehmer spezielle Gasgemische atmen und ermöglicht die Ermittler weitere Informationen flexibel über Stoffwechsel und Gas sammeln tauschen Sie mit minimaler Anpassung an die Technik.

Während einer kontrollierten Ausatmung kann die Konzentration von CO2 gegen das Gesamtvolumen der ausgeatmeten geplottet werden. Zu Beginn einer Ausatmung ist der Totraum mit atmosphärischen Gas gefüllt. Dies spiegelt sich in Phase I der ausgeatmete CO2 wo Profil gibt es eine nicht nachweisbare Menge an CO2 (Abbildung 1, oben). Phase II markiert den Übergang zum alveolären Gas, wo Gasaustausch auftritt und CO2 ist reichlich vorhanden. Die in der Mitte der Phase II ist das Volumen der anatomischen Totraum (VD). Phase III enthält alveolären Gas. Weil Airways mit unterschiedlichen Durchmessern unterschiedlich schnell leer, informiert die Steigung (S) der Phase III über Airways Einheitlichkeit. Ein steiler Hang der Phase III schlägt eine weniger einheitliches Atemwege Baum proximal zu den terminalen Bronchiolen oder Konvektion-abhängige Inhomogenität2. In dem Fall, wo eine Störung der Kurs, der CO-2 -Produktion und Vergleiche zwischen Individuen ändern kann, kann die Steigung durch die Fläche unter der Kurve für Unterschiede im Stoffwechsel (NS oder normalisierte Hang) normalisieren unterteilt werden. Volumetrische Kapnografie zuvor verwendet wurde, um die Volumenänderungen Airways bewerten und Einheitlichkeit im folgenden Luft Schadstoff Exposition3,4,5,6.

Gastransport in der Lunge wird durch Konvektion und Diffusion geregelt. Atemzug Auswaschung Maßnahmen sind stark abhängig von der Luftmenge und der gemessene Wert der VD tritt an der Konvektion-Diffusions-Grenze. Die Durchflussmenge der Ausatmung oder vorherigen Inhalation ändern die Position, dass Grenze7. Kapnografie ist auch stark abhängig von dem Volumen der Lunge unmittelbar vor dem Manöver. Größeren Lungenvolumen ausdehnen der Atemwege, was zu größeren Werten von VD8. Eine Lösung soll konsequent die Messung bei gleichen Lungenvolumen – in der Regel funktionellen Restkapazität (FRC) machen. Hier eine alternative, beschriebene ist, paar die volumetrische Kapnografie mit barometrischen Plethysmographie, um das Verhältnis zwischen VD und Lungenvolumen zu erhalten. Der Teilnehmer führt dann das Manöver zu konstanten Preisen, während das Lungenvolumen variieren. Dies ermöglicht noch für klassische Capnographic Maßnahmen bei FRC erfolgen, sondern auch für die Beziehung zwischen dem Lungenvolumen und Totraum Volumen und zwischen dem Lungenvolumen und Homogenität abgeleitet werden. In der Tat kommt der Mehrwert der Kupplung Kapnografie mit Plethysmographie von Hypothesen über die Dehnbarkeit des Baumes Airways und der Struktur-Funktions-Beziehung der Lunge zu testen. Dies ist möglicherweise ein wertvolles Werkzeug für die Ermittler mit dem Ziel, den Einfluss der Atemwege Mechanik versus Lungencompliance und Elastance auf Lungenfunktion in gesunden und Kranken Bevölkerung9,10,11 quantifizieren . Darüber hinaus entfallen die absoluten Lungenvolumen, an dem die volumetrische Capnographic Messungen durchgeführt, ermöglicht Ermittler, die Auswirkungen der Bedingungen zu charakterisieren, die die Inflation Status der Lunge, wie Übergewicht, ändern kann Lungenkrebs Transplantation oder Interventionen wie Brust Wand Umreifung. Volumetrische Kapnografie möglicherweise letztlich klinischen Nutzen in der Intensivpflege Einstellung12,13.

Protocol

Dieses Protokoll genehmigt wurde zuvor durch und folgt die Richtlinien der University of Iowa Institutional Review Board. Angezeigten Daten wurden im Rahmen eines Projekts von der Institutional Review Board an der University of Iowa genehmigt gesammelt. Teilnehmer gaben informierte Einwilligung und die Untersuchungen wurden durchgeführt in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki.

1. Ausrüstung

  1. Überprüfen Sie die Geräte-Tabelle um sicherzustellen, dass alle erforderlichen Geräte zur Verfügung steht. Überprüfen Sie die Konfiguration über die grafische Darstellung der Ausrüstung in Abbildung 2.

(2) Plethysmographie

Hinweis: Barometrische Plethysmographie ist ein gut beschriebenen klinischen Werkzeug und erfolgt über kommerzielle Ausrüstung nach den Aussagen der Konsens auf die Standardisierung der Lunge Volumen Messungen14,15. Bei Bedarf sind Lunge fließt und Volumen im Vergleich zu vorhergesagten Werte der NHANES-Datensatz und Goldman und Becklake16 , die in der Plethysmogramm-Software enthalten sind.

  1. Durchführen Sie Kalibrierung von Plethysmogramm täglich und vor alle Experimente.
    1. Messen Sie die Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit mit Hilfe eines standard-Barometer vor der Kalibrierung und geben Sie diese Werte in die Plethysmogramm-Software als Korrekturfaktoren.
    2. Der Durchflusssensor mit einer kalibrierten 3 L-Spritze bei Variablen Flussraten zu kalibrieren. Kalibrieren Sie den Kasten-Druck mit einem präzisen 50 mL Pumpe. Box-Druckwandler sollten Monats- und neu kalibriert Bedarf pro des Herstellers überprüft werden.
  2. Unmittelbar vor der Messung den Teilnehmer in den ganzen Körper Plethysmogramm und schließen Sie die Tür. Machen Sie Messungen nach 30-60 s, ermöglicht eine thermische Gleichgewichtherstellung.
    1. Weisen Sie die Teilnehmer legen Sie ihren Mund auf das Mundstück, Nase Clips, und legen Sie ihre Hände auf ihren Wangen. Verhindert "schnaufen" der Wangen während des Manövers minimiert Volumenänderungen, die ergeben sich aus der Mund-Lautstärke ändern.
    2. Weisen Sie die Teilnehmer in der Regel atmen ermöglicht mindestens vier Gezeiten Atemzüge zu erworbenen und funktionellen Restkapazität (FRC) eingerichtet werden.
    3. Am Ende einer normalen Ausatmung (FRC) schließen Sie den Auslöser. Trainer die Teilnehmer zu Keuchen leicht um 0,5-1 Atemzüge/s für 3-4 s. beurteilen Sie die Beziehung zwischen dem Mund und Plethysmogramm Leistungsdruck sorgen dafür, dass es eine Reihe von sich überlappenden Linien ohne thermische Drift ist.
    4. Der Verschluss geöffnet und lassen die Teilnehmer um einen normalen Atemzug zu nehmen. Trainer der Teilnehmer auf Restvolumen (RV), gefolgt von einer maximalen inspiratorischen Manöver zum totalen Lungenkapazität ausatmen. Wiederholen Sie mindestens dreimal, FRC-Werte, die innerhalb von 5 % keine Einigung erzielt werden

(3) volumetrische Kapnografie

Hinweis: Schritte 3.1-3.4 sind vor der Ankunft der Versuchsperson durchgeführt.

  1. Bevor Sie fortfahren, Adresse der Variablen in der Tabelle 1 und bei Bedarf zu ändern. Es ist wichtig, dass diese Variablen in der Entwurfsphase Studie angepasst und für die Dauer der Studie dann konstant gehalten.
    1. Bevor Sie beginnen ein neues experimentelles Protokoll, achten Sie darauf, um die zeitliche Verzögerung zwischen der Gasanalysator, die CO2 -Konzentration misst, und der Pneumotachograph, der Fluss misst genau zu messen. Dies ermöglicht die CO2 und Flow Signale ausgerichtet werden.
    2. Die zeitliche Verzögerung experimentell mit einem Strom von 5 % CO2zu messen. Legen Sie die Gasleitung auf einen Absperrhahn, gefolgt von dem Mundstück.
    3. Öffnen Sie den Absperrhahn, Einführung in das Gas mit einer Rate von 10 L/min bestimmen die mittlere Zeit Verzögerung zwischen der Reaktion des Pneumotachograph und Gas Analyzer über 10 Studien und geben Sie in das Makro.
    4. Die Zeitkonstante für die Verzögerung durch die Aufrechterhaltung der Analyzer-Sampling-Rate zu erhalten. Die Zeitverzögerung ist stark abhängig von der Sampling-Rate des Analysegeräts und es ist wichtig, dass dies durch das Experiment und zwischen den Teilnehmern konstant.
  2. Definieren Sie drei "Kanäle" für die Sammlung von Durchfluss, ausgeatmete CO2 (%) und Volumen. Flow und ausgeatmete CO2 (%) sind analoge Eingänge und Volumen ist das Integral des Flusses.
    1. Bestätigen Sie, dass Strom und CO2 (%) direkt aus der Pneumotachograph und Gas Analyzer gemessen werden und Volumen als das Integral der Strömung berechnet wird. Abbildung 3 zeigt, dass diese in die Kanäle 1, 2 und 6 gesammelt werden.
  3. Kalibrieren der Gasanalysator vor jeder Benutzung. Enthalten Sie O2 Sensor, wenn dies gemessen werden soll.
    1. Den Analyzer mit einem inerten Gas auf Null. 100 % Kalibrierung Grade (< 0,01 % Verunreinigung) N2 oder er kann verwendet werden, obwohl Helium bevorzugt wird, weil Stickstoff mit Spuren von Sauerstoff kontaminiert sein kann. Legen Sie das Trocknen Rohr in eine Tasche oder eine Verbindung zu einer Mischkammer. Spülen Sie den Beutel oder die Kammer mit Inertgas mit einer Rate von mindestens 10 L/min, was, die darauf geachtet werden sollte, nicht, das System unter Druck zu setzen, da dies die Kalibrierung auswirken kann.
    2. Flut der Tasche oder Kammer mit Inertgas, O2 und CO zu verdrängen2. Sobald die angezeigte Konzentration von CO2 und O2 stabilisieren, stellen Sie die Null Regler, bis sie beide Null gelesen.
    3. Als Kalibriergase mit 6 % CO2 und Raum Luft (20,93 % O2) wiederholen. Wenn die Konzentration der das gewünschte Gas stabilisiert hat, passen Sie die Spannen-Regler, um die Konzentration des Gases Kalibrierung entsprechen.
    4. Überprüfen Sie das Inertgas und Kalibriergase und passen Sie die Null und überspannen Sie, bis beide genaue ±0.1 sind %.
  4. Kalibrieren Sie den beheizten Pneumotachograph gemäß den Anweisungen des Herstellers.
    1. Kurz, lassen Sie die Pneumotachograph auf 37 ° C für mindestens 20 Minuten vor Beginn der Studie erwärmen.
    2. Wählen Sie im Dropdown-Menü des Strömungskanals (Kanal 1), wählen Sie den Menüpunkt Spirometer , und klicken Sie auf null der Pneumotachograph auf Null. Durch die Auswahl Okayzu beenden.
    3. Schließen Sie eine 3L-Spritze direkt an die Pneumotachograph mit einer Kopf-Flow-Adapter an. Markieren Sie die Kalibrierung Atem. Wählen Sie erneut die Drop-Down-Menü des Strömungskanals. Spirometer Fluss auswählen | Kalibrieren, 3 L geben, und wählen Sie Okay"\.
    4. Überprüfen Sie die Kalibrierung durch Einspritzen von 3L in der Pneumotachograph zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten (0-4 L/s, 4-8 L/s und 8 bis 12 L/s). Der Unterschied von 3 L betragen weniger als 5 %.
  5. Das Manöver, sicherzustellen, dass zwei sequentielle Atemzüge gesammelt werden und, dass sie die gleiche Durchflussmenge sind zu sammeln.
    1. Trainer zu eine einzige Manöver, bestehend aus zwei paar Atemzüge – coaching durchatmen und ein Hauch für die Analyse durchführen. Dies ist in Abbildung 1 (unten) grafisch dargestellt.
    2. Während des Manövers Trainer die Teilnehmer um die Strömungsführung auf dem Computermonitor zu folgen. Der Prüfer kann das Thema coachen, durch die Angabe "jetzt atmen" oder "Jetzt ausatmen".
    3. Führen Sie das Manöver, damit gibt es zwei Paare dieser Atemzüge in einem einzigen Manöver. Die ersten Ausatmung des Manövers ist 3 s und die zweite ist 5 S. betrachten, indem ein Widerstand in einer Linie mit dem Mundstück um ausgeatmeten fließen leichter kontrollierbar zu machen. Ein Widerstand mit 5 cm H2O/L/s des Widerstands ist allgemein gut verträglich.
      Hinweis: Es ist wichtig, dass wenn ein Widerstand verwendet wird, es während der gesamten Studie und für jeden Teilnehmer verwendet wird, da es Mund und Atemwege Druck, erhöht die Atemwege Durchmesser ändern können. Es ist auch wichtig, dass die Teilnehmer nicht "ihre Wangen zu pusten" da dies der Totraum erhöht.
  6. Messprotokoll
    1. Weisen Sie den Teilnehmer direkt mit beiden Füßen auf dem Boden sitzen, Nase Clips auf ihre Nase und ihren Mund auf das Mundstück.
    2. Trainer der Teilnehmer mindestens eine Minute der Gezeiten abschließen atmen. Dies ist für die Maßnahmen der metabolischen Funktion und ermöglicht die Teilnehmer, sich mit dem Mundstück vertraut zu machen. Stoppen Sie nach einer Minute Datenerhebung.
    3. Als nächstes Trainer die Teilnehmer um ihre Tidalvolumen, wobei entweder normal, kleiner oder größer als normale Gezeiten Atemzüge zu variieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Capnograms bei verschiedenen Lungenvolumen erreicht werden
    4. Trainer der Teilnehmer, die sie Übergang sollten zu eine Capnogram Manöver durchführen, sobald sie die Fluss-Ablaufverfolgung erscheinen auf ihrem Bildschirm sehen.
    5. Fortsetzen der Datensammlung an einer beliebigen Stelle in der Teilnehmer Atmungszyklus. Dies ermöglicht Messungen zu verschiedenen Lungenvolumen erfolgen.
    6. Zu guter Letzt Trainer zu einen Seufzer am Ende jedes Manöver, völlig entspannen die Muskeln der Atmung führen. Dies ermöglicht eine FRC bestimmt werden.
    7. Datenerhebung zu stoppen. Wiederholen Sie Schritte 3.6.3-3.6.5 bis mindestens 6-8 Manöver (12 -16 paar Atemzüge für Analyse) abgeschlossen sind.

(4) Datenanalyse

  1. Exportieren von Daten. Um das Makro zu durchlaufen, muss jedes paar Atemzüge als eine einzelne Textdatei exportiert werden, die dann in das Makro importiert wird. Screenshots dieses Prozesses sind ergänzende Abbildung 1zu entnehmen.
    1. Markieren Sie jedes paar Atemzüge, dabei darauf achten, einen Teil der Ausatmung zu markieren, bevor das Manöver beginnt.
    2. Wählen Sie im Dateimenü exportierenund nennen Sie das Thema Manöver.
    3. Verwenden Sie das Dropdown-Menü unter Dateityp und speichern Sie es als eine Datendatei. Wählen Sie anschließend Speichern.
    4. Dies fordert ein Export als Textfeld angezeigt werden. Deaktivieren Sie auf der rechten Seite Block Header Spalten, Uhrzeit, Datum, Kommentare, und Ereignis-Marker.
    5. Wählen Sie auf der linken Seite Aktuelle Auswahl und Ausgang NaN für Werte. Wählen Sie herunterskalieren durch und geben Sie 10 im Feld.
    6. Wählen Sie den Strömungskanal und der CO2 (%) Kanal exportiert werden, und klicken Sie auf OKay. Erwägen Sie, Duplikate dieser exportierten Dateien als Backup vor Beginn der Analysis.
  2. Durchzuführen Sie die Makro-Analyse. Die schrittweise kommentierte Screenshots von für die Analyse von exportierten Manöver mit der Makro- und im Vergleich zu Lungenvolumen sind ergänzende Abbildung 2 gegeben und als Leitfaden verwendet werden.
    1. Öffnen Sie das Makro, gehen Sie auf Datei und wählen Sie OStift.
    2. Wählen Sie die gespeicherten Daten-Datei mit der Erweiterung .txt gespeichert.
    3. Textimport-Assistent wird angezeigt. Wählen Sie in der oberen linken Ecke Delimited aus , und klicken Sie auf weiter. Wählen Sie für Schritt 2 die Registerkarte unter Trennzeichen , und klicken Sie auf weiter. Wählen Sie Allgemeine unter Spalte Datenformat für Schritt 3 und klicken Sie auf fertig.
    4. Um das Makro auszuführen, wählen Sie Ansicht, Makro, Makro Ansicht, und Lauf in Folge. Wählen Sie Ja , wenn gibt es eine Sicherungskopie der Daten.
    5. Ermöglichen das auszuführende Makro (ca. 90 s) und erzeugen eine Arbeitsmappe mit vier Blättern. Von Relevanz für diese Messungen Blatt 2 enthält die numerischen Daten und Tabelle 3 enthält ein Grundstück von der Capnogram.
    6. Zurück zu den Daten und bestimmen Sie die Lautstärke für FRC. Diese ist gekennzeichnet als die Lautstärke am Ende der Seufzer auf die fließen = 0 L/s.
    7. Bestimmen Sie die Lautstärke an der zweiten Ausatmung in jedem paar Atemzüge begonnen wurde. Durch Subtraktion dieser aus dem FRC-Volumen, kann ab Volumen oberhalb oder unterhalb FRC für jeden Atemzug ermittelt werden.

Representative Results

Repräsentative Plethysmographie Ergebnisse sind in Abbildung 4angegeben. Diese Teilnehmer verpflichtet vier Versuche um drei FRC-Werte mit sammeln < 5 % Variabilität von der mean.%Ref spiegelt die Prozent des vorhergesagten Werts für jede Variable basierend auf Bevölkerung Regressionsgleichungen, die Konto-Geschlecht, Alter, Rasse, berücksichtigen Höhe und Gewicht

Abbildung 1 (oben) zeigt, dass eine repräsentative einzelne Capnogram verwendet in der Analyse und Abbildung 1 (unten) zeigt die Rohdaten der gesamten Sequenz des Manövers. In Abbildung 1 (unten) sind die Capnogram und Fluss Rückverfolgung nicht Konto für die zeitliche Verzögerung ausgerichtet. Daten aus eine Abfolge von Atemzüge durch das Makro ausgeführt werden am Ende des ergänzenden Abbildung2gezeigt. Diese Person hatte einen Totraum 0,266 L, eine Steigung von 0.523 % CO2/l und einem normalisierten Abhang des 0,0826 L-1. Qualitativ hochwertige Informationen über die Manöver werden auch gegeben, in den Spalten F, G, I, J und K. Spalte F gibt die durchschnittliche ausgeatmeten Durchfluss mit der Standardabweichung in Spalte G. Ausgeatmeten Tidalvolumen ist in Spalte J und R-Quadrat-Wert für die Steigung ist in Spalte K.

Dead Space und Neigung als eine Funktion des Lungenvolumens geplottet werden in Abbildung 5gegeben. In der linken Panels, dead Space und Steigung sind geplottete versus Lungenvolumen relativ FRC, wo FRC = 0 L. In die richtigen Platten sind Lungenvolumen und Hang geplottete im Vergleich zu absoluten Lungenvolumen. In beiden Fällen, dead Space und Steigung sind signifikant korreliert, Lungenvolumen (p < 0,05 für alle vier Regressionsanalysen). Dies deutet darauf hin, dass dead Space und Atemwege Homogenität als Lunge Mengensteigerungen erhöhen, ist wenig bekannt über diese Beziehung in Populationen mit Lungenerkrankungen oder bronchienerweiternde Therapie. Die Ermittler können diese Daten verwenden, um den numerischen Wert der dead Space und Steigung an bestimmten Lungenvolumen (FRC, Restvolumen, 50 % der totalen Lungenkapazität usw.) beschreiben3.

Figure 1
Abbildung 1: Probe Capnogram (oben), mit ausgeatmete CO2 (%) als eine Funktion des ausgeatmeten Volumens geplottet. I, II und III zeigen die drei Phasen der Capnogram. Die gestrichelte Linie gibt das Volumen des Totraums und die durchgezogene Linie stellt die Steigung der alveolären Plateau (Phase III). Die Steigung kann durch die Fläche unter der Capnogram aufgeteilt werden (grau schattiert, mit der Bezeichnung A) um die normalisierten Neigung zu erzielen. Die vier Atem-Sequenz zeigt die Bodenplatte, gefolgt von einem Seufzer Atem zu funktionellen Restkapazität bestimmen. Jedes paar Atemzüge wird als einzelne Manöver analysiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Geräte-Setup für Capnographic Messungen. Wie in dieser Abbildung sind die Pneumotachograph und Gas Analyzer für Capnographic Messungen erforderlich. Die linken Monitor und Rückverfolgung dienen der Teilnehmer als Leitfaden den Strömungsverlauf zu generieren, während Daten vom Prüfer auf dem rechten Monitor beobachtet werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3. Einstellungen für den Erwerb von volumetrischen Capnogram Kanal. Strömung im Kanal 1 gesammelt, CO2 -Konzentration (%) wird im Kanal 2 gesammelt und das Tidalvolumen errechnet sich im Kanal 3. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4. Repräsentative Plethysmogramm Daten aus einem gesunden, männlichen Fach. Besonders relevant für das Protokoll berichtet, hier sind die totale Lungenkapazität (TLC), Restvolumen (RV) und funktionellen Restkapazität (FRC). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5. Raum und alveoläre Hang geplottet tot als Funktion der absoluten Lungenvolumen (richtigen Platten) sowie die Lautstärke im Verhältnis zu den funktionellen Restkapazität (Volumen-FRC, links). Beachten Sie die Abhängigkeit der Atemwege Volumen und Lunge Heterogenität von Lungenvolumen. Lungenvolumen kann als eine Funktion des FRC oder absolutem Volumen, abhängig von den experimentellen Design ausgedrückt werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6. Faktoren, die Auswirkungen auf die Genauigkeit der Daten. Daten sind als Mittelwert ± 95 %-Konfidenzintervall gegeben. Beziehung zwischen der CO2 -Sampling-Rate und die zeitliche Verzögerung zwischen dem Gas Analyzer und Pneumotachograph (oben). Die zeitliche Verzögerung sollte genau bestimmt werden, vor Beginn des Experiments. Messen acht insgesamt Manöver ermöglicht die Messung des Totraums an einem einzigen Lungenvolumen mit < 5 % Variabilität (unten). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Hier ist ein Protokoll zur Messung von VD und Airways Homogenität (Neigung) zur Verfügung gestellt. Diese Messungen erfolgen bei FRC oder als Funktion des Lungenvolumens. FRC vor Beginn des Experiments und messen, nachdem eine Störung ermöglicht VD und Neigung in Abhängigkeit von Lungenvolumen gezeichnet werden und kann nützliche Informationen über das Verhältnis von Struktur und Funktion der Lunge, die nicht von vorliegt Kapnografie bei FRC allein.

Airways Volumen und hoch aufgelöste Strukturierung erhalten Sie vom berechneten computertomographischen Bildgebung17,18, aber dies erfordert Strahlenbelastung und Know-how in der Bildverarbeitung. Mit volumetrischen Kapnografie können Messwiederholungen erfolgen ohne Risiko des Teilnehmers zu erhöhen. Es erfordert auch keine teure Ausrüstung oder erweiterte Bearbeitungsmöglichkeiten. Volumetrische Kapnografie ist eine ideale Methode für Experimente mit mehreren Zeitpunkten und mehreren Lungenvolumen und stationäre Populationen, deren Strahlenbelastung minimiert werden sollte.

Im Hinblick auf die barometrischen Plethysmographie sollte darauf geachtet werden, um die Messung nach Konsens Aussagen durchzuführen. Wenn es wichtig Teilnehmer Werte vorhergesagten Bevölkerung Werten vergleichen, Gewicht sollte mit einer Skala gemessen werden und Höhe mit einem Stadiometer überprüft werden. Wie im Protokoll erwähnt, ist die wichtigste Komponente vor Beginn volumetrische Kapnografie Messung die zeitliche Verzögerung zwischen der Pneumotachograph und der Gas-Analyzer. Die Zeitverzögerung ist stark abhängig von der Analysator Sampling-Rate (Abbildung 5, oben) und kleine Veränderungen in der Abtastrate können große Einflüsse auf die Messwerte haben. Der Analysator Volumenstrom sollte zu Beginn und während das Experiment überprüft werden. Kalibrierung der Analyzer und Pneumotachograph sind auch kritisch und sollte darauf geachtet werden, um ihre Richtigkeit vor Beginn ein Experiment.

Wir haben auch die Genauigkeit der Messung an einem einzigen Lungenvolumen bei 3 Teilnehmern bestimmt. Abbildung 5 (unten) zeigt, dass es zum Abschluss vier Manövern (8 total Atemzüge) in einem einzigen Lungenvolumen, Totraum zu messen, so dass die Variation ist erforderlich < 5 %. Die Ermittler sollten darauf achten, um eine ausreichende Anzahl von Messungen zu machen, wenn Daten an einen bestimmten Lungenvolumen wichtig ist. In einer Untergruppe von 36 Manövern in zweifacher Ausfertigung von zwei Ermittler analysiert wurde Intra-Investigator Analyse Variabilität weniger als 0,5 %.

Diese Methoden erfordern auch ein Techniker oder Ermittler, der geschickt im coaching des Teilnehmers um die ventilatorischen Manöver zu machen ist. Eine Einschränkung in der Lungenfunktion Studien kann der Teilnehmer-Fähigkeit, die Manöver durchführen. Teilnehmer, die klinische Lungenfunktion durchführen können sind jedoch in der Regel in der Lage, die Capnographic-Manöver durchzuführen. Das Studium so konzipiert ist, dass Kapnografie Plethysmographie und Spirometrie folgt, können Teilnehmer, die nicht in der Lage, eine trainierte spirometrische oder plethysmographische Manöver durchführen sind ausgeschlossen. In 60 früheren Studien wurde ein Teilnehmer, der klinischen Spirometrie durchgeführt ausgeschlossen, weil sie nicht die Capnographic Atemmuster folgen konnte. Derzeit gibt es keinen Konsens Leitlinien akzeptable Capnographic Messkriterien. Innerfachlichen Variabilität ist jedoch 8±1 % des Durchflusses Ziel in unseren 10 jüngsten Teilnehmern. Intrasubject (zwischen Manöver) Variabilität beträgt 4±2 %.

Fragen in Bezug auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sind das Ergebnis von Fehlern in der zeitlichen Verzögerung oder die Analyzer und Pneumotachograph Kalibrierung. Vor jedem Experiment kümmern Sie für die Kalibrierung des Analyzer mit einer Reihe von bekannten Gase und generieren eine Mehrpunkt-Standardkurve um den Analyzer Genauigkeit zu bestätigen.

Über die hier bereitgestellten Informationen hinaus enthält das Makro zwei zusätzliche Berechnungen, die von Interesse sein könnten. Wenn das Manöver bei FRC vorgenommen werden, stellt die FRC-Spalte eine Schätzung der FRC basiert auf der Methode der Verkehrsökonomie19. Berechnung des peripheren Bronchien Kreuz Querschnittsfläche basiert auf der Methode von Scherer, Et Al. beschrieben 20. schließlich auf Wunsch Ende Gezeiten-CO2 und durchschnittliche abgelaufene CO2 -Konzentration lässt sich der physiologische Totraum für den Vergleich mit den anatomischen Totraum21,22berechnen.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde durch die Abteilungen für Gesundheit und menschliche Physiologie und innere Medizin an der University of Iowa finanziert. Diese Arbeit wurde auch von Altgold Fellowship (Bates) und Grant IRG-15-176-40 von der American Cancer Society, verwaltet durch die Holden umfassende Cancer Center an der Universität von Iowa (Bates) unterstützt.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Computer with dual monitor Dell Instruments
PowerLab 8/35* AD Instruments PL3508
LabChart Data Acquisition Software* AD Instruments Version 8
Gemini Respiratory Gas Analyzer* (upgraded option) CWE, Inc GEMINI 14-10000 *indicates that part is available in the Exercise Physiology package from AD Instruments
Heated Pneumotach with Heater Controller* (upgraded option) Hans Rudolph, Inc MLT3813H-V
3L Calibration Syringe Vitalograph 36020
Nose Clip* VacuMed Snuffer 1008
Pulse Transducer* AD Instruments TN1012/ST
Barometer Fischer Scientific 15-078-198
Flanged Mouthpiece* AD Instruments MLA1026
Nafion drying tube with three-way stopcock* AD Instruments MLA0343
Desiccant cartridge (optional for humid environments)* AD Instruments MLA6024
Resistor Hans Rudolph, Inc 7100 R5
Flow head adapters* AD Instruments MLA1081
Modified Tubing Adapter (optional) AD Instruments SP0145
Two way non-rebreather valve (optional)* AD Instruments SP0146
Plethysmograph Vyaire V62J
High Purity Helium Gas Praxair He 4.8
6% CO2 and 16% O2 Calibration Gas Praxair Custom
Microsoft Excel Microsoft Office 365

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Robinson, P. D., et al. Consensus statement for inert gas washout measurement using multiple- and single- breath tests. European Respiratory Journal. 41, (3), 507-522 (2013).
  2. Verbanck, S., Paiva, M. Gas mixing in the airways and airspaces. Comprehensive Physiology. 1, (2), 809-834 (2011).
  3. Bates, M. L., et al. Pulmonary function responses to ozone in smokers with a limited smoking history. Toxicology and Applied Pharmacology. 278, (1), 85-90 (2014).
  4. Bates, M. L., Brenza, T. M., Ben-Jebria, A., Bascom, R., Ultman, J. S. Longitudinal distribution of ozone absorption in the lung: comparison of cigarette smokers and nonsmokers. Toxicology and Applied Pharmacology. 236, (3), 270-275 (2009).
  5. Reeser, W. H., et al. Uptake of ozone in human lungs and its relationship to local physiological response. Inhalation Toxicology. 17, (13), 699-707 (2005).
  6. Taylor, A. B., Lee, G. M., Nellore, K., Ben-Jebria, A., Ultman, J. S. Changes in the carbon dioxide expirogram in response to ozone exposure. Toxicology and Applied Pharmacology. 213, (1), 1-9 (2006).
  7. Baker, L. G., Ultman, J. S., Rhoades, R. A. Simultaneous gas flow and diffusion in a symmetric airway system: a mathematical model. Respiration Physiology. 21, (1), 119-138 (1974).
  8. Fowler, W. S. Lung Function Studies. II. The Respiratory Dead Space. American Journal of Physiology-Legacy Content. 154, (3), 405-416 (1948).
  9. Eberlein, M., et al. Supranormal Expiratory Airflow after Bilateral Lung Transplantation Is Associated with Improved Survival. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 183, (1), 79-87 (2011).
  10. Eberlein, M., Schmidt, G. A., Brower, R. G. Chest wall strapping. An old physiology experiment with new relevance to small airways diseases. Annals of the American Thoracic Society. 11, (8), 1258-1266 (2014).
  11. Taher, H., et al. Chest wall strapping increases expiratory airflow and detectable airway segments in computer tomographic scans of normal and obstructed lungs. Journal of Applied Physiology. (2017).
  12. Verscheure, S., Massion, P. B., Verschuren, F., Damas, P., Magder, S. Volumetric capnography: lessons from the past and current clinical applications. Critical Care. 20, (1), 184 (2016).
  13. Suarez-Sipmann, F., Bohm, S. H., Tusman, G. Volumetric capnography: the time has come. Current Opinion in Critical Care. 20, (3), 333-339 (2014).
  14. Wanger, J., et al. Standardisation of the measurement of lung volumes. European Respiratory Journal. 26, (3), 511-522 (2005).
  15. Culver, B. H., et al. Recommendations for a Standardized Pulmonary Function Report. An Official American Thoracic Society Technical Statement. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 196, (11), 1463-1472 (2017).
  16. Goldman, H. I., Becklake, M. R. Respiratory function tests; normal values at median altitudes and the prediction of normal results. Am Rev Tuberc. 79, (4), 457-467 (1959).
  17. Shim, S. S., et al. Lumen area change (Delta Lumen) between inspiratory and expiratory multidetector computed tomography as a measure of severe outcomes in asthmatic patients. J The Journal of Allergy and Clinical. (2018).
  18. Smith, B. M., et al. Human airway branch variation and chronic obstructive pulmonary disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115, (5), E974-E981 (2018).
  19. Farmery, A. D. Volumetric Capnography and Lung Growth in Children - a Simple-Model Validated. Anesthesiology. 83, (6), 1377-1379 (1995).
  20. Scherer, P. W., Neufeld, G. R., Aukburg, S. J., Hess, G. D. Measurement of Effective Peripheral Bronchial Cross-Section from Single-Breath Gas Washout. Journal of Biomechanical Engineering-Transactions of the Asme. 105, (3), 290-293 (1983).
  21. Sinha, P., Soni, N. Comparison of volumetric capnography and mixed expired gas methods to calculate physiological dead space in mechanically ventilated ICU patients. Intensive Care Medicine. 38, (10), 1712-1717 (2012).
  22. Bourgoin, P., et al. Assessment of Bohr and Enghoff Dead Space Equations in Mechanically Ventilated Children. Respiratory Care. 62, (4), 468-474 (2017).
Kombination von volumetrischen Capnographie und barometrischen Plethysmographie der Lunge-Struktur-Funktions-Beziehung zu messen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Seymour, M., Pritchard, E., Sajjad, H., Tomasson, E. P., Blodgett, C. M., Winnike, H., Paun, O. V., Eberlein, M., Bates, M. L. Combining Volumetric Capnography And Barometric Plethysmography To Measure The Lung Structure-function Relationship. J. Vis. Exp. (143), e58238, doi:10.3791/58238 (2019).More

Seymour, M., Pritchard, E., Sajjad, H., Tomasson, E. P., Blodgett, C. M., Winnike, H., Paun, O. V., Eberlein, M., Bates, M. L. Combining Volumetric Capnography And Barometric Plethysmography To Measure The Lung Structure-function Relationship. J. Vis. Exp. (143), e58238, doi:10.3791/58238 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter