Summary
ここでは、肺機能-気圧脈、肺気量と体積カプノグラフィ解剖デッド スペースと航空の均一性を測定するためのツールの測定を可能にする 2 つの対策について述べる。これらの技術は単独で使用または異なる肺気量で航空機能を評価するために結合します。
Abstract
肺と気道のボリュームを測定するためのツールは、肺研究者肺疾患または新規薬剤の影響を評価するために重要です。気圧の脈は臨床使用の長い歴史を持つ肺気量を評価するための古典的な手法です。体積カプノグラフィを利用して導電性の気道のボリュームを決定したり、デッド スペース、呼気の二酸化炭素のプロファイルと航空の均質性のインデックスを提供します。これらテクニックは航空ボリュームと均質性の肺気量依存性を評価する単独、または組み合わせて使用することがあります。このペーパーは、これらの技術を複製する詳細な技術的な手順を提供し、気道ボリュームと均質性高い肺気量に相関が当社の代表的なデータを示します。我々 はまた、変更または異なる実験的デザインに合うように適応することができます capnographic データの解析マクロを提供します。これらの措置の利点は、利点、および制限事項は、実験データの数十年でサポートされて、高価な機材や技術的に高度な解析アルゴリズムなし同じテーマで繰り返し行うことができます。これらのメソッドは、捜査官の摂動両方機能残存肺と気道のボリュームの容量を変更するに興味がある場合に特に便利かもしれません。
Introduction
ガス ウォッシュ アウト技術は、均一性の気道の構造に関する重要な情報を提供するために何十年も使用されています。肺は、古典的な解剖デッド スペースで構成される導電性ゾーンと、ガス交換は、肺胞呼吸ゾーン-2 つのコンパートメントを持つものとして説明します。導電性の気道は、酸素と二酸化炭素の交換には参加しませんので、「デッド スペース」として名づけられます。1 回呼吸ガス ウォッシュ アウト法、解剖学的死腔量を決定し、換気の均一性についての情報を取得して呼気ガスの濃度プロファイルを使用できます。これらの対策をする不活性ガスの呼吸に依存していくつかの方法 (N2アルゴン、彼は、 SF6等)。不活性ガスの使用は確立された科学的なコンセンサス ステートメント1, でサポートされている、フレンドリーなユーザー インターフェイスで利用可能な業務用機器があります。ただし、二酸化炭素 (CO2) 呼気のプロファイルを使用して、同様の情報を派生できます。特殊ガスの混合物を呼吸する参加者を必要としない呼気のボリューム、または体積カプノグラフィの関数として CO2のプロファイルを評価し、柔軟に代謝とガスに関する追加情報を収集するために使用できます。技法を最小限の調整と交換します。
制御の呼気中の CO2濃度は呼気量に対してプロットできます。呼気の初めには、デッド スペースは、大気中のガスでいっぱいです。これが反映されて呼気 CO2のプロファイルのどこの段階では、CO2の検出不可能な量 (図 1上)。フェーズ II は、ここでガス交換が行われる、CO2は豊富な肺胞のガスへの移行をマークします。フェーズ II の中間点での解剖学的死腔 (VD) ボリューム ボリュームです。フェーズ III には、肺胞のガスが含まれています。異なる直径を持つ航空は、異なる速度で空に第 III 相の傾き (S) は航空の均一性についてを説明します。第 III 相の急斜面を示唆少ない制服気道終末細気管支または対流に依存不均質性2に近位。摂動が個人間で比較して CO2の生産の率を変更可能性がある場合、代謝 (NS または正規化された斜面) の違いを正規化する曲線下面積で斜面を分けることができます。体積カプノグラフィは航空量の変化を評価する以前使用されており、次の均一性大気汚染物質暴露3,4,5,6。
肺のガス輸送は、対流と拡散によって支配されます。一呼吸ウォッシュ アウト対策、空気の流れに大きく依存し、移流拡散境界で VDの測定値が発生します。呼気の前の吸入流量を変更すると、その境界7の場所。カプノグラフィは作戦の直前に肺のボリュームに依存も。大量の肺膨張 VD8の値が大きい, 気道です。1 つのソリューションは、一貫して同じ肺容積-通常機能残気量 (FRC) の測定をすることです。代替手段として、記載されているここで、VDと肺気量との関係を取得するためにカップル体積カプノグラフィ気圧脈とすることです。参加者は、肺の容積を変えながら一定流量で演習を実行します。これはまだ派生する FRC で作られるクラシック capnographic 対策のため、肺気量とデッド スペース容積と肺気量と均質性の間の関係をにより。確かに、脈とカプノグラフィを結合の付加価値は、航空ツリーの伸展性と肺の構造と機能の関係についての仮説をテストすることから来ています。これは肺コンプライアンス対航空力学とエラスタンスの健康と病気の人口9,10,11 の肺機能に及ぼす影響を定量化することを目指して研究者のための貴重なツールがあります。.さらに、体積 capnographic 測定が実行されている絶対的な肺容積により、肥満など、肺のインフレ状態を変えることができる条件の効果を特徴付ける捜査官会計肺移植、または箱壁のストラップのような介入。体積カプノグラフィは、集中治療の設定12,13臨床的有用性を最終的にがあります。
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Protocol
このプロトコルは、以前によって承認されているし、アイオワ州制度検討委員会の大学によって設定のガイドラインに従います。表示されるデータは、アイオワの大学制度検討委員会によって承認されたプロジェクトの一環として収集されました。参加者は、インフォームド コンセントを与えたし、ヘルシンキ宣言に基づき、研究を行った。
1. 機器
- 必要なすべての機器が使用可能なことを確認する機器表を確認してください。図 2に装置のグラフィック描写を使用して構成を再確認してください。
2. 脈波
注: 気圧の脈は、よく説明臨床ツール肺容積の測定14,15の標準化に合意文によると業務用機器を使用して実行されます。必要に応じて、肺流れとボリュームは NHANES データ セットとゴールドマン ・ サックスと Becklake16プレチスモ グラフ ソフトウェアに含まれているから、予測値と比較されます。
- 毎日脈波変化のそして実験前にキャリブレーションを実行します。
- 温度・気圧・湿度校正前に標準気圧計を使用して測定し、補正係数としてプレチスモ グラフ ソフトウェアにこれらの値を入力します。
- 可変流量の校正 3 L シリンジを使用してフロー センサーをキャリブレーションします。正確な 50 mL のポンプを使用してボックスの圧力を調整します。毎月、再調整が必要に応じて、製造元の推奨ボックス圧力トランスデューサーをチェック必要があります。
- 直前の測定では、全身プレチスモ グラフで参加者を配置し、ドアを閉じます。熱平衡では、30-60 秒後に測定を行います。
- マウスピースに口を配置し、鼻クリップを置く彼らの頬に手を置く参加者に指示します。「一吹き」頬の操縦中に防止する口ボリュームの変更に起因する量の変化を最小限に抑えます。
- 確立する残留容量 (FRC) を取得し、機能する少なくとも 4 つの潮呼吸をできるように、普通に呼吸するように参加者に指示します。
- 通常呼気 (FRC) の終わりに、シャッターを閉じます。パンツに参加者をコーチ軽く 0.5 1 3 4 米の呼吸/s 評価口圧力と温度ドリフトなし重複、ストレート ラインのシリーズがあることを確認するため脈圧の関係。
- シャッターを開き、通常息をする参加者を許可します。全肺気量に最大吸気作戦に続く残留量 (RV) に息をするように参加者をコーチします。5% 以内に同意する FRC 値が得られるまで、少なくとも 3 回を繰り返す
3. 体積カプノグラフィ
注: 手順 3.1-3.4 は、研究課題の到着の前に実行されます。
- 前に、表 1の変数に対処し、必要に応じて変更します。これらの変数を研究設計段階で調整するか、研究の期間一定保持しが重要です。
- 新しい実験的プロトコルを開始、する前に CO2濃度を測定するガス分析計と流量を測定する pneumotach 間の遅延時間を正確に測定する注意してください。これにより、配置する CO2とフロー信号。
- 5% CO2のストリームでは, 遅延時間を測定します。バルブ、マウスピースの順にガス管線を接続します。
- 活栓を開いて、以上 10 試験 pneumotach ・ ガス分析装置の応答間の遅延 10 L/分を決定する平均時間の割合でガスを導入し、マクロに入る。
- アナライザーのサンプリング レートを維持することによって一定の遅延時間を維持します。遅延時間はガス分析計のサンプリング レートに依存と実験を通して、参加者間一定している残るこのことが重要です。
- フロー、呼気 CO2 (%)、およびボリュームのコレクションの 3 つの「チャンネル」を定義します。アナログ入力フローと呼気 CO2 (%) が、ボリューム、フローの積分。
- 流れと CO2 (%) を pneumotach ・ ガス分析装置から直接測定してボリュームが流れの積分として計算されることを確認します。図 3は、これらがチャンネル 1, 2, 6 で収集されていることを示します。
- 使う前にガス分析計を校正します。この場合測定する O2センサーが含まれます。
- 不活性ガスでアナライザーはゼロします。100% 校正グレード (< 0.01% の汚染物質) N2または彼が使用する、微量酸素と窒素が汚染されるため、ヘリウムが最寄り。袋に乾燥管を置くか、混合室に接続します。バッグや、少なくとも調整に影響を与えることができます、システムを加圧するように注意する必要が 10 L/分の速度で不活性ガス室をフラッシュします。
- バッグや O2と CO を転置する不活性ガスと商工会議所の洪水2.CO2 O2の表示濃度を安定させるため、一度は、ゼロを読むまでゼロのノブを調整します。
- 校正用ガスとして 6% CO2と部屋の空気 (20.93% O2) を繰り返します。所望のガスの濃度を安定化させる、校正用ガスの濃度に合わせてスパンのノブを調整します。
- 校正用ガス ・不活性ガスの再確認しゼロを調整し、両方は精度 ± 0.1% までに 。
- 製造元の指示に従って温水 pneumotach を調整します。
- 簡単に言えば、研究する前に、少なくとも 20 分の 37 ° C に温めて pneumotach を許可します。
- 流れチャネル (チャネル 1) のドロップ ダウン メニューを選択、肺活量メニュー オプションを選択し、pneumotach をゼロにゼロをクリックします。大丈夫を選択して終了します。
- 3 L のシリンジに pneumotach フロー ヘッド アダプターを使用して直接接続します。校正息を強調表示します。また、流路のドロップ ダウン メニューを選択します。肺活量の流れを選択 |調整、3 L に入力し、大丈夫"\。
- 流量の変化で pneumotach に 3 L を注入して校正をチェック (0-4 L/秒、4-8 L/s、および 8-12 L/s)。3 L との違いは、5% 未満にする必要があります。
- 演習は、2 つの連続した呼吸が収集され、同じ流量で出来ていますを確保するを収集します。
- -コーチングの息と分析のための息の呼吸の 2 つのペアから成る単一の作戦を実行する対象のコーチ。これは図 1 (下) にグラフィカルに表示されます。
- 機動中にコンピューターのモニター上の流れガイドに従うこと参加者をコーチします。調査官は、「今を吸い込む」または「今を息を吐く」を示すことによって主題をコーチします。
- 演習を実行できるように、演習の 1 つのこれらの呼吸の 2 つのペアがあります。演習の最初の呼気である 3 s と 2 番目は、呼気の流れを制御しやすく作るためにマウスピースを使用行の抵抗を追加する 5 s. の検討。5 cm H2O/L/s の抵抗の抵抗は一般的によく容認です。
注: 場合抵抗を使用すると、それを使うことすべての参加者、研究を通して気道の直径を変更することができます口の中と気道の圧力が高くなるので重要です。また、参加者いない「パフ」彼らの頬デッド スペースを増加させることが重要です。
- 測定のプロトコル
- 床に両足でまっすぐ座って、彼らの鼻に鼻クリップを置く、マウスピースに口を配置するように参加者に指示します。
- コーチ干潟の 1 分以上を完了する参加者は呼吸。これは代謝機能の対策のため、参加者は、マウスピースを習熟することができます。1 分後に、データ収集を停止します。
- 次に、通常、小さい - または通常潮呼吸よりも大きいを取って、自分の一回換気量を変更する参加者をコーチします。これにより、capnograms が異なる肺気量で得られること
- 彼らは、画面に表示されるフローのトレースを見るとすぐカプノグラム作戦を実行に移行すべき参加者のコーチ。
- 参加者の呼吸サイクルのランダムな時点でデータ収集を再開します。異なる肺気量での測定が可能になります。
- 最後に、完全に呼吸の筋肉をリラックスさせる、各演習の最後にため息を実行するコーチ。FRC 決定する可能になります。
- データの収集を停止します。少なくとも 6-8 演習 (呼吸分析のための 12 -16 ペア) が完了するまでは、手順 3.6.3-3.6.5 を繰り返します。
4. データ解析
- データをエクスポートしています。マクロを実行するには、呼吸の各ペアは、マクロにインポートし、1 つのテキスト ファイルとしてエクスポートする必要があります。補足図 1では、このプロセスのスクリーン ショットを与えます。
- 演習を開始する前に、呼気の部分を強調し世話をすること、呼吸の各ペアをハイライト表示します。
- [ファイル] メニューで、エクスポートを選択し、主題の作戦の名前します。
- [種類として保存ドロップ ダウン メニューを使用して、データ ファイルとしてそれを保存します。その後、保存を選択します。
- これは、エクスポートとしてテキストボックスを表示するを求められます。右側のブロック ヘッダー列、時間、日付、コメント、およびイベント ・ マーカをオフにします。
- 左側で、現在の選択範囲と出力値の NaNを選択します。ダウン サンプルを選択し、ボックスに10を入力します。
- 流路とCO2 (%) を選択します。チャネルをエクスポートし Oケイをクリックします。分析を開始する前にバックアップとしてこれらのエクスポート ファイルの複製を作ることを検討してください。
- マクロ分析を実行します。マクロと肺気量と比較するとエクスポートされた演習を分析するためのステップバイ ステップの注釈付きスクリーン ショット補足図 2で与えられているし、ガイドとして使用することがあります。
- マクロを開くと、ファイルに移動し、Oペンを選択します。
- .Txt 拡張子で保存、保存したデータ ファイルを選択します。
- テキスト インポート ウィザードボックスが表示されます。左上隅の区切り記号を選択し、[次へ] をクリックします。手順 2 で、[区切り文字 ] タブを選択し、次をクリックします。ステップ 3 では、一般的な[列のデータ形式を選択して完了をクリックします。
- マクロを実行すると、連続で実行表示マクロをマクロ ビューを選択します。データのバックアップ コピーがある場合は、はいを選択します。
- マクロの実行を許可する (約 90 秒) と 4 つのシートを持つブックを作成します。これらの測定の有効性のシート 2 に数値データが含まれているし、カプノグラムのプロットがグラフ 3 に含まれています。
- データに戻り、FRC のボリュームを決定します。これは流れるでため息の終わりにボリュームとして識別されます = 0 L/s。
- 呼吸の各ペアの 2 番目の呼気が開始されたボリュームを決定します。FRC ボリュームからこれを引くは、呼吸のたびに開始ボリューム FRC の上下を判定できます。
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Representative Results
代表的な脈の結果は、図 4で示されます。この参加者は、3 つの FRC 値を収集するために 4 つの試みを必要な <、mean.%Ref から 5% の変動を反映しているアカウントの性別・年齢・ レースにかかる人口回帰方程式に基づく各変数の値が予測値の %身長と体重
図 1(上) は、解析および図 1 (下) で使用される代表的な単一カプノグラム演習のシーケンス全体の生データが表示されますを示しています。図 1 (下) でカプノグラムとフローのトレースしない遅延時間のアカウントに配置されます。補足図 2の終わりにマクロを通して呼吸のシーケンスの実行から生成されるデータが表示されます。この個体は 0.266 L、0.523% CO2の斜面のデッド スペース/L と 0.0826 L-1の正規化された斜面。演習についての品質情報はまた列 F、G、I、J、および k. F 列と G 列の標準偏差の平均呼気流率を与える、します。列 J の呼気一回換気量を与え、勾配の R 2乗値は、列 k.
図 5には、デッド スペースと肺気量の関数としてプロットの斜面を与えられています。左のパネルでは、デッド スペースとスロープが FRC、相対的肺気量印刷対どこ FRC = 0 l.右のパネルでは、肺気量と斜面にプロットと絶対的な肺気量。両方のケースでデッド スペースとスロープは大幅肺気量に相関関係 (p < すべて 4 回帰分析の 0.05)。少しは人口肺疾患または気管支拡張薬療法のこの関係について知られているデッド スペースと航空の均質性肺容積が増加すると増加することが示唆されました。調査官もデッド スペースと特定の肺気量 (FRC、残気量など全肺気量の 50%) の斜面の数値値を記述するこれらのデータを使用します3。
図 1。サンプル カプノグラム (トップ), 呼気 CO2 (%) とは、呼気量の関数としてプロットされます。I、II、および III、カプノグラムの 3 つのフェーズを示します。点線は、デッド スペースの量を示して、実線は歯槽の高原 (第 III 相) の傾きを表します。斜面は、カプノグラムの下の領域に分けることができます (グレーの影、ラベル A) 正規化された斜面をもたらす。4 息シーケンスが機能残気量を決定するため息息続いて、下部のパネルに表示されます。呼吸の各ペアは、単一の操作として分析されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2。Capnographic 測定装置をセットアップします。Capnographic 測定に必要な pneumotach とガスのアナライザーは、この図に示します。左のモニターおよびトレースは、調査官によって右のモニターのデータを観測しながらフロー パターンを生成する際にガイドとして参加者によって使用されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3。チャンネル設定体積のカプノグラムの取得。チャネル 1 の流れを収集、CO2濃度 (%) をチャネル 2 で収集、チャンネル 3 で一回換気量を計算しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4。健康的な男性の主題から代表的な脈データ。特に、プロトコルに関連するここでは総肺活量 (TLC)、残気量 (RV) と機能残気量 (FRC) を報告しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5。デッド スペースや歯槽斜面プロット絶対肺容積 (右側パネル) の機能および機能残気量 (FRC ボリューム、左) を基準にしてボリュームとして。航空のボリュームと肺の不均質性の肺気量依存に注意してください。肺気量は、FRC または実験的なデザインによって、絶対的なボリュームの関数として表されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6。データの精度に影響を与える要因。として平均 ± 95% 信頼区間データが与えられます。CO2のサンプリング レートとガス分析計と pneumotach (上) 間の時間遅延の関係。遅延時間は、実験を開始する前に正確に決定する必要があります。単一肺ボリュームでデッド スペースの測定は、8 つの総演習を測定 < 5% 変動 (下)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
ここでは、VD航空均質性 (斜面) の測定のためのプロトコルを提供しています。FRC、または肺気量の関数としてこれらの測定も可能です。摂動 VDと斜面に肺気量の関数としてプロットすることができから得られない肺の構造と機能の関係についての有用な情報を提供することがあります後、実験の開始前に FRC を測定FRC だけでカプノグラフィ。
航空ボリュームと高分解能構造計算された断層イメージング17,18, から取得できますが、これは放射線および画像処理の専門知識への露出を必要とします。体積カプノグラフィーと参加者へのリスクを増加させることがなく繰り返し測定を行うことができます。それも高価な機器や高度なデータ処理機能はありません。体積カプノグラフィは、複数時点の肺気量と入院患者集団の放射線被曝を最小限に抑える必要がありますの複数の実験のための理想的な方法です。
気圧脈に関して合意文によると測定を実行する注意をすべき。参加者値予測人口値とを比較することが重要だと、スケールで重量を測定する必要があり、スタジオのメーターと高さを確認必要があります。プロトコルに記載されている、初め体積カプノグラフィの前に測定する最も重要なコンポーネントは、pneumotach とガス分析装置間の遅延時間。遅延時間はアナライザーのサンプリング レートに依存 (図 5トップ) とサンプリング レートの小さな変化は、測定値に大きな影響を持つことができます。冒頭と実験を通して、アナライザーの流量をチェック必要があります。アナライザーと pneumotach の校正も重大、実験を開始する前にその正確性を確保するため注意が必要があります。
3 参加者の単一肺気量の測定精度も定めています。図 5(下) は、デッド スペースを計測し、変化が単一肺気量で 4 つの演習 (8 総呼吸) を完了する必要があるを示します < 5%。調査官は、特定の肺気量のデータを持っていることが重要な場合測定のための十分な数を作るように注意が必要があります。研究者 2 名による重複の分析 36 演習のサブセットの内調査分析の変動は 0.5% 未満だった
これらのメソッドには、技術者や換気の演習をする参加者のコーチングで熟練している調査官も必要です。肺機能研究の制限は、参加者の操作を実行できることをすることができます。ただし、臨床肺機能を実行することができます参加者は通常 capnographic の演習を実行することができます。カプノグラフィ次脈と肺活量はその研究を設計、指導例や指尖容積脈の演習を実行することは参加者が除外できます。60 前の研究で臨床スパイロメトリーを行う一人の参加者は、彼ら capnographic の呼吸パターンに従っていない可能性がありますので除かれました。許容 capnographic 測定基準を定義する合意ガイドラインがないです。しかし、被験者間変動は私たちの 10 の最も最近の参加者の対象流量の 8±1% であります。Intrasubject (作戦) の間の変動は 4±2% です。
データの精度と再現性に関連する問題は、遅延時間またはアナライザー pneumotach 校正のエラーの結果です。各実験の前に知られているガスのセットとアナライザーを調整し、アナライザーの正確さを確認する多点の標準的な曲線を生成する注意してください。
ここで提供される情報の範囲を超えては、マクロには興味のある 2 つの追加の計算が含まれています。演習は、FRC で作られています、FRC 列は19農場施設法に基づく FRC の見積もりを提供します。Scherer、らで説明したメソッドに基づいて末梢気管支断面積計算されます。20します。 最後に、必要な場合、最後の潮 CO2と期限切れの平均の CO2濃度使用できます解剖デッド スペース21,22と比較するための生理学的なデッド スペースを計算します。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は、健康部門と人間の生理、アイオワ大学で内科で賄われていた。この作品は古い金フェローシップ (ベイツ)、アイオワの大学 (ベイツ)、ホールデン ・包括的がんセンターを通じて管理されるアメリカの癌協会から付与 IRG-15-176-40 によって支えられたも
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 |
References
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