Difuzní kapacita a její měření

Tato kapitola se nejvíce vztahuje k oddílu F7(iv) z osnov CICM Primary Syllabus 2017, který očekává, že uchazeči o zkoušku budou schopni „definovat difuzní kapacitu a její měření“. V minulých písemných pracích CICM se tato otázka objevila nejméně jednou, a to jako neočekávaný prvek odpovědi na otázku č. 20 z první písemné práce z roku 2012, která se prezentovala jako „vyjmenujte fyziologické faktory ovlivňující difuzi kyslíku přes alveolární membránu“. Upřímný (i když zdlouhavý) pokus prozkoumat tyto faktory a neuspět v této otázce jejím doslovným výkladem lze vidět v kapitole o difuzi plynů přes alveolární membránu. Zde se místo toho zaměříme konkrétně na difuzní kapacitu a na to, jak ji lze určit.

Shrnutí:

Je obtížné doporučit nějaký jednotlivý článek týkající se této problematiky, protože většina z nich se zaměřuje na jeden konkrétní aspekt a zdá se, že žádný z nich nenabízí stručný široký přehled, jaký si může přát časově zaneprázdněný uchazeč o zkoušku. Rozumným zdrojem je Hsia (2001). který se poněkud přiklání na stranu změny DLCO vyvolané cvičením, a Ayers et al (1975), který je solidní (i když zastaralou) diskusí o různých způsobech, jak může být DLCO patologicky sníženo. Stejně jako u všech věcí týkajících se testování plicních funkcí je vynikajícím zdrojem informací PFTBlog, zejména pokud jde o metody testování DLCO.

Definice difuzní kapacity

Ačkoli to nebylo v otázce výslovně požadováno, nepsaným očekáváním zkoušejících v otázce č. 20 z první písemné práce z roku 2012 bylo, že zkoušení budou definovat difuzní kapacitu v průběhu výčtu faktorů, které ovlivňují difuzi dýchacích plynů. Z vlastního komentáře vysokoškolských zkoušejících vyplývá, že definice tohoto pojmu zní:

„Difuzní kapacita je definována jako objem plynu, který difunduje membránou každou minutu při rozdílu parciálních tlaků 1 mmHg.“

Nunn ji definuje trochu jinak:

“ sklon plynu difundovat v důsledku daného tlakového gradientu“

Difuzní kapacita = čistá rychlost přenosu plynu / parciální tlakový gradient

Tato vlastnost se obvykle označuje jako DL nebo DL a obvykle se měří v objemu plynu za jednotku tlaku a jednotku času; například jednotky SI jsou mmol/min/kPa a tradiční jednotky jsou ml/min/mmHg. Tento parametr v podstatě popisuje snadnost, s jakou se plyny mohou dostat do alveolární kapilární krve, a je tedy praktickou destilací všech faktorů, které ovlivňují difuzi dýchacích plynů, do jednoho číselného vyjádření.

Pro kyslík je rovnice následující:

DLO2 = příjem kyslíku / gradient PO2

Příjem kyslíku je svým způsobem měřitelný, protože je to rozdíl mezi smíšeným žilním a arteriálním obsahem kyslíku. Gradient PO2 je zde však rozdíl mezi alveolárním PO2 a PO2 v plicních kapilárách, z nichž ten druhý v podstatě nelze nikdy přímo změřit. Za různých předpokladů lze odhadnout, jaký by měl být kapilární PO2, a provést několik výpočtů z obálky. Z nějakého podivného důvodu se zdá, že jediným zdrojem, který tuto hodnotu skutečně uvádí, je Gehr et al (1981), což je kapitola knihy o srovnávací fyziologii dýchání savců. Tam lze vedle gazely Thompsonovy a mangusty trpasličí najít hodnotu pro člověka, která je uváděna jako 2,47 ml/mbar/sec. Autoritativnější (ale stále nereferencovanou) hodnotu uváděnou konvenčním zápisem lze nalézt v učebnici ER Weibela z roku 1984, který uvádí 20-30 ml/min/mmHg.

Difuzní kapacita oxidu uhličitého je ještě obtížněji dohledatelná. Nunn’s neuvádí odkazy nebo dokonce přesná měření, ale spíše přináší větu o tom, že je 20,5krát větší než difuzní kapacita kyslíku. Údaje o králících od Hellera et al (1998) uvádějí DLCO2 14,0 ml/mmHg/min.

Jak bude ukázáno níže, tyto hodnoty – naměřené u klidových jedinců – nepředstavují skutečné maximum difuzní kapacity plic. To lze odhalit pouze při namáhavém cvičení, kdy se dodávka krve do kapilár výrazně zvýší.

Měření difuzní kapacity

Je zřejmé, že plyn, který vás zajímá nejvíce, je kyslík, a tak by dávalo jakýsi logický smysl měřit tento plyn přímo, ale ve skutečnosti existuje několik praktických překážek. Nebo alespoň existovaly, když se otázka měření difuzní kapacity objevila poprvé. V zásadě platí, že k měření DLO2 byste museli být schopni přesně změřit jak příjem kyslíku, tak gradient parciálního tlaku. Pro gradient byste museli vypočítat alveolární kyslík (což se snadno provede) a pak změřit arteriální kyslík (jako náhražku plicního endkapilárního kyslíku). Pak je třeba „změřit napětí O2 a CO2 v arteriální krvi technikou mikrotonometru, kterou vyvinul Riley – technikou, která vyžaduje značnou praxi a zručnost“, napsal v roce 1957 Dacie, jemuž nebyly Clarkovy elektrody snímající kyslík k dispozici. To se nezdá být velkou překážkou pro současného intenzivistu, který má v každém okamžiku připraveny litry pacientovy krve (žilní i arteriální) k odběru a přesné přístroje k měření obsahu plynů v ní. Historicky to však byl velký problém a stále přetrvává určitá neochota odebírat arteriální vzorky u ambulantní skupiny pacientů. Člověku by rychle vyschla doporučení poté, co by si lidé uvědomili, co se jim chystáte udělat.

Takže použití oxidu uhelnatého bylo historicky mnohem populárnější. Marie a August Kroghovi s ním poprvé přišli v roce 1915:

„Dále se předpokládá, že když se nechá malý podíl CO proniknout do krve, plyn se prakticky okamžitě spojí s hemoglobinem a tlak CO v krvi lze považovat za nulový. Když je tedy směs CO se vzduchem uzavřena v plicích po určitou dobu a je stanoven pokles procenta CO, lze vypočítat difúzi přes alveolární stěnu.“

Zkrátka, dá se pacientovi vdechnout určitá nesmrtící a známá dávka oxidu uhelnatého. Pacient tento nádech zadrží na deset sekund a poté jej vydechne. Protože oxid uhelnatý nemá kam jinam jít než do erytrocytů, musí jakýkoli rozdíl mezi vdechnutým a vydechnutým množstvím CO difundovat přes bariéru krev-plyn a navázat se na hemoglobin. V rovnici tedy platí:

DLCO = Příjem oxidu uhelnatého / Gradient oxidu uhelnatého

Příjem oxidu uhelnatého je „chybějící“ rozdíl vdechnutého a vydechnutého CO a gradient se předpokládá mezi alveolárním parciálním tlakem CO (který je znám, protože jste ho uvedli) a arteriálním parciálním tlakem CO (který je 0 mmHg, protože víme, že všechen skončí vázán na hemoglobin). Měření DLCO lze tedy provádět neinvazivně.

Existují tři hlavní metody měření DLCO: metoda jednoho nádechu, metoda ustáleného stavu a metoda opakovaného dýchání. Metoda jednoho nádechu je slavně popsána ve vynikajícím prohlášení o standardech ERS/ATS (Cotes et al, 1993), z něhož si autor volně „vypůjčil“ některé vysvětlující obrázky. Technika opětovného dýchání je podrobně zkoumána zde a metoda ustáleného dechu zde. Od uchazečů o zkoušku CICM se neočekává (ani nemůže očekávat) hluboká znalost této problematiky, a proto zde postačí následující shrnutí:

Metoda měření DLCO jedním dechem

• Před každým měřením by měla v ideálním případě předcházet určitá doba dýchání vzduchu z místnosti
• Nejprve pacient maximálně vydechne (až do RV)
• Poté pacient vdechne směs plynů o koncentraci 0,5 %.3% oxidu uhelnatého a 10% helia
  (helium je určeno pro měření alveolárního objemu)
• Jedná se o nádech vitální kapacity (tj. do TLC) a měří se jeho objem
• Pacient drží tento dech po dobu deseti sekund
  • Toto zadržení dechu má zajistit rovnoměrnou distribuci oxidu uhelnatého do všech plicních jednotek bez ohledu na jejich časovou konstantu
  • Důležité je vyhnout se v tomto okamžiku Valsalvově dýchání, protože může ovlivnit nitrohrudní objem krve a falešně snížit DLCO.
• Poté pacient vydechne.
  • Prvních 0,75 litru se zcela ignoruje, protože se považuje za plyn z mrtvého prostoru, který není reprezentativní pro zbytek.
• Poté se odebere vzorek plynu
  • Celkový alveolární objem lze změřit z výdechové koncentrace helia (jedná se o klasickou aplikaci techniky měření zředěného značkovacího plynu pro měření objemu plic)
  • Příjem oxidu uhelnatého lze určit z rozdílu výdechové koncentrace helia a výdechové koncentrace helia. mezi měřením parciálního tlaku ve vdechu a ve výdechu
  • Parciální tlakový gradient pro oxid uhelnatý lze určit z měření parciálního tlaku ve výdechu

Dýchací metoda DLCO

• Tato metoda je prakticky stejná jako metoda jednoho dechu, s tím rozdílem, že nedochází k zadržování dechu.
• Pacient je nucen rychle dýchat (doporučená dechová frekvence je 30) a přitom dýchat ze zásobníku se známým množstvím a objemem plynu, který obsahuje 0,3 % oxidu uhelnatého a 10 % helia
• Množství plynu ve vaku se obvykle upravuje tak, aby bylo přibližně stejné jako dechový objem vyšetřovaného, tj. že se během vdechu zcela vyprázdní
• Po uplynutí doby takového rychlého dýchání se odebere vzorek plynu
• Výpočet alveolárního objemu a příjmu oxidu uhelnatého lze pak provést naprosto stejným způsobem jako u jednorázového nádechu
• Z nějakého důvodu je tato technika v klinické praxi prakticky neznámá a zřejmě se používá hlavně ve scénářích, kdy je třeba změřit DLCo bez výrazného přerušení dechového vzorce subjektu, např. když zběsile šlape do pedálů na cvičebním kole.

Metoda měření DLCO v ustáleném stavu

• Posuzovaný subjekt je nucen dýchat kontrolovanou směs plynů, která obsahuje 0,3 % oxidu uhelnatého.
• Jejich vydechovaný plyn se shromažďuje ve vaku
• Po určité době dýchání (dostatečně dlouhé na to, aby se vytvořil ustálený stav) se vydechovaný plyn analyzuje
• Je známa dodávka oxidu uhelnatého a objem vydechovaného plynu, a tak lze snadno vypočítat příjem oxidu uhelnatého.
• Alveolární koncentraci oxidu uhelnatého lze vypočítat z modifikované formy rovnice alveolárního plynu
• Zdá se, že tato technika je v běžné klinické praxi prakticky neznámá; její hlavní výhodou je naprostá absence závislosti na jakékoliv míře účasti pacienta, což ji činí vhodnou pro použití u nespolupracujících nebo sedovaných osob

Faktory, které ovlivňují difuzní kapacitu

Rovnice, která popisuje tento parametr, je poměrně jednoduchá a faktory, které ji ovlivňují, lze rozdělit na vlastnosti plynu a vlastnosti dýchacího systému. Plyn s vyšší difuzní kapacitou bude schopen překonat bariéru krev-plyn snadněji než plyn s nižší difuzní kapacitou, a to při jakémkoli daném tlakovém gradientu. Podobně se mohou měnit vlastnosti dýchacího systému způsobem, který může zvýšit nebo snížit difuzní kapacitu pro stejný plyn a při stejném gradientu parciálního tlaku. Z vlastností dýchacího systému se mohou změnit tři hlavní faktory: buď se změní povrch, nebo tloušťka membrány, nebo se nějakým způsobem změní vychytávání plynu červenými krvinkami. Pro účely přípravy na zkoušku lze vytvořit zapamatovatelný bodový seznam, který tyto faktory popíše. Tedy:

• Faktory, které ovlivňují vlastnosti plynu
  • Všechny faktory, které ovlivňují difuzní koeficient plynu, budou hrát roli, včetně:
    • Hustota plynu
    • Velikost molekul
    • Teplota prostředí
• Faktory, které ovlivňují výměnný povrch plynu
  • Věk (s rostoucím věkem klesá celkový dostupný povrch bez ohledu na ostatní faktory)
  • Velikost tělesa: výška ovlivňuje velikost plic
  • Objem plic
    • Čím větší je objem plic, tím větší je difuzní kapacita, tj.e. pokud porovnáváme mezi jednotlivci, měli bychom použít metriku, která je indexována na alveolární objem (např. difuzní kapacita na litr alveolárního objemu)
    • Všechno, co ovlivňuje objem plic, je tedy potenciálním zdrojem chyby, např. plicní onemocnění, držení těla, obezita, těhotenství atd.
  • Faktory, které mění ventilačně-perfuzní charakteristiky:
    • Šunt: nedochází k difúzi
    • Mrtvý prostor: nedochází k difúzi
    • V/Q rozptyl:
• Faktory, které ovlivňují membránové charakteristiky
  • Jedná se v podstatě o chorobné stavy, které zvyšují tloušťku krevně-plynové bariéry, mezi které patří:
    • Plicní edém
    • Intersticiální onemocnění plic, např. plicní fibróza
  • Přesně řečeno, je třeba sem zahrnout viskozitu prostředí (tj. cytosolu, bazální membrány a kapilární plazmy). Prakticky se však jedná o stabilní prvky, které lze ignorovat.
• Faktory, které ovlivňují příjem erytrocyty
  • Afinita hemoglobinu ke kyslíku
  • Koncentrace hemoglobinu
  • .
  • Srdeční výdej (pokud ovlivňuje dobu kapilárního tranzitu
• Zdroje chyb
  • Ztráty oxidu uhelnatého na extravaskulární alveolární hemoglobin, např. v souvislosti s alveolárním krvácením v důsledku Goodpastureova syndromu
  • Přítomnost „domácího“ oxidu uhelnatého v důsledku kouření nebo rozsáhlého rozkladu hemoglobinu (např. intravaskulární hemolýza), který by mohl omezit příjem CO
  • Konkurence mezi CO a kyslíkem (pokud pacient dříve dýchal např. 100% FiO2)
  • Koncentrace hemoglobinu, pokud je nízká, může falešně snížit měření DLCO, i když výkonnost alveolárního/kapilárního komplexu zůstává zcela zdravá

Pokud se podíváme dostatečně pozorně, lze zjistit, že tento seznam je prakticky totožný se seznamem faktorů, které ovlivňují difuzi plynů přes alveolární membránu, s významnou výjimkou fo parciálního tlakového gradientu (který je zahrnut do definice difuzní kapacity) a různých faktorů souvisejících s chybou měření.

Změna difuzní kapacity při cvičení

Někteří by mohli říci, že diskuse o jakékoli klidové difuzní kapacitě je nesprávné označení, protože se týká nezatíženého systému, který má ve skutečnosti mnohem vyšší difuzní kapacitu. Při intenzivním cvičení se totiž DLO2 zvyšuje z 20-30 ml/min/mmHg na hodnotu blížící se 100-120 ml/min/mmHg, což je „skutečná“ kapacita pro difuzi. Tento nárůst je způsoben tím, že se výrazně zvyšuje rychlost příjmu kyslíku v rovnici (DLO2 = příjem kyslíku / gradient PO2). Není třeba velké představivosti, abychom si vysvětlili, proč tomu tak může být. Uvažujte: minutový objem se zvyšuje nejen kvůli zvýšené dechové frekvenci, ale také kvůli zvýšení dechového objemu. Se zvětšeným objemem plic se zvětšuje celková alveolární plocha pro výměnu plynů. Navíc se zvyšuje srdeční výdej. Tím se zvyšuje přísun krve do plicních kapilár. Tím se mění rozložení V/Q, protože se rekrutuje více kapilár v oblastech plic, které byly dříve buď „skutečným“ mrtvým prostorem, nebo měly V/Q mnohem větší než 1,0. Shrneme-li to do přijatelné podoby:

Při cvičení se mění oba hlavní prvky ovlivňující difuzní kapacitu:

• Příjem kyslíku v plicních kapilárách se zvyšuje, protože:
  • Zvětšuje se povrchová plocha (větší dechové objemy)
  • Zvyšuje se průtok krve plicnicí (zvýšený srdeční výdej)
  • Zlepšuje se shoda V/Q (oblasti s vysokou ventilací dostávají větší průtok krve a neaktivní kapilární ložiska se rekrutují)
• Zvyšuje se parciální tlakový gradient v plicních kapilárách, protože:
  • Zvyšuje se poměr extrakce kyslíku, čímž se snižuje PO2 smíšené žíly
  • Zvýšená minutová ventilace snižuje alveolární PCO2 (tím se zvyšuje alveolární PO2, všechny ostatní věci zůstávají stejné)
  • Zvýšený přísun hemoglobinu na absorpční povrch působí jako zásobárna kyslíku a udržuje nízký kapilární parciální tlak

Jak velké zvýšení DLO2 bychom měli očekávat? Kolegiální odpověď na otázku č. 20 z prvního článku z roku 2012 to řeší záhadnou poznámkou: „…alveolární ventilace se zvyšuje a dochází k lepšímu sladění ventilace a perfuze se zvyšuje od 21 ml/min/mmHg do 65 ml/min/mmHg“.
Předpokládá se, že hodnoty uvedené v druhé polovině tohoto obiter dictum se týkají změn DLCO a jsou odvozeny odněkud renomovaného, ale kdo ví, odkud to je. Obecně se dá očekávat, že pocházejí z nějaké učebnice, a učebnicové hodnoty obvykle pocházejí ze studií provedených v 60. letech 20. století. Bez znalosti konkrétního středověkého zdroje, který měli zkoušející na mysli, je hledání věcných recenzovaných odkazů v podstatě stejné jako házení šipek do literatury. Při krátkém hledání se například objeví studie Turina et al (1963), jejíž zdraví dobrovolníci získali klidové hodnoty DLCO v rozmezí 18 až 22 a hodnoty při cvičení v rozmezí 55 až 64 ml/min/mmHg. To se zdá být přibližně správné a v každém případě si nelze představit vesmír, kde by rozhodujícím faktorem pro výsledek zkoušky bylo mít nebo nemít přesná čísla.