Diffuusiokapasiteetti ja sen mittaaminen

Tämä luku on merkityksellisin vuoden 2017 CICM:n ensisijaisen oppimäärän jakson F7(iv) kannalta, jossa edellytetään, että kokelaat osaavat ”määritellä diffuusiokapasiteetin ja sen mittaamisen”. Tämä on tullut esiin ainakin kerran CICM:n aiemmissa kokeissa, sillä se oli odottamaton osa vastausta vuoden 2012 ensimmäisen kokeen kysymykseen 20, joka kuului seuraavasti: ”Luettele fysiologiset tekijät, jotka vaikuttavat hapen diffuusioon alveolikalvon läpi”. Vakava (vaikkakin pitkäveteinen) yritys tutkia näitä tekijöitä ja epäonnistua kysymyksessä tulkitsemalla sitä kirjaimellisesti voidaan nähdä luvussa, joka koskee kaasujen diffuusiota alveolikalvon läpi. Tässä sen sijaan keskitytään erityisesti diffuusiokapasiteettiin ja siihen, miten se voidaan määrittää.

Yhteenvetona:

On vaikea suositella yksittäistä artikkelia tämän suhteen, koska useimmat niistä keskittyvät yhteen tiettyyn näkökohtaan, eikä yksikään niistä näytä tarjoavan sellaista lyhyttä ja laajaa yleiskatsausta, jota ajallisesti vähävarainen tenttikokelas saattaa toivoa. Kohtuullinen lähde on Hsia (2001), joka on hieman liikunnan aiheuttaman DLCO:n muutoksen kannalla, ja Ayers et al (1975), joka on vankka (vaikkakin vanhentunut) keskustelu erilaisista tavoista, joilla DLCO voi patologisesti laskea. Kuten kaikissa keuhkojen toimintakokeisiin liittyvissä asioissa, erinomainen PFTBlog on erinomainen lähde erityisesti DLCO:n testausmenetelmien osalta.

Diffuusiokapasiteetin määrittely

Vaikka sitä ei nimenomaisesti kysytty kysymyksessä, tutkinnon vastaanottajien kirjoittamattomana odotuksena vuoden 2012 ensimmäisen paperin kysymyksessä 20 oli, että koulutettavat määrittelisivät diffuusiokapasiteetin luetellessaan hengityskaasujen diffuusioon vaikuttavia tekijöitä. Ylioppilastutkinnon vastaanottajien omasta kommentista käy ilmi, että määritelmä tälle käsitteelle on:

”Diffuusiokapasiteetti määritellään kaasun tilavuudeksi, joka diffundoituu kalvon läpi minuutissa 1 mmHg:n osapaine-eron vallitessa.”

Nunn’s määrittelee sen hieman eri tavalla:

” kaasun taipumus diffundoitua tietyn painegradientin seurauksena”

Diffuusiokapasiteetti = Kaasun nettosiirtonopeus / osapainegradientti

Tästä ominaisuudesta käytetään yleensä nimitystä DL tai DL, ja se mitataan tyypillisesti kaasun tilavuutena yksikköpaineyksikköä kohti aikayksikköä kohti; esimerkiksi SI-yksiköt ovat mmol/min/kPa ja perinteiset yksiköt millilitraa minuutissa milligrammaa/min/millimetriin millimetriin. Pohjimmiltaan tämä parametri kuvaa helppoutta, jolla kaasut pääsevät kulkeutumaan alveolaariseen kapillaariveriin, ja se on siten kätevä tislaus kaikista hengityskaasujen diffuusioon vaikuttavista tekijöistä yhdeksi numeeriseksi esitykseksi.

Hapen osalta yhtälö on:

DLO2 = hapenottokyky / PO2-gradientti

Hapenottokyky on tavallaan mitattavissa, sillä se on sekalaskimoiden ja valtimoiden happipitoisuuden erotus. PO2-gradientti on tässä kuitenkin alveolaarisen PO2:n ja keuhkokapillaarisen PO2:n välinen ero, josta jälkimmäistä on periaatteessa mahdotonta koskaan mitata suoraan. Erilaisilla oletuksilla voidaan arvailla, mikä kapillaarisen PO2:n pitäisi olla, ja tehdä joitakin back-of-the-envelope-laskelmia. Jostain kumman syystä ainoa lähde, jossa tämä arvo todella mainitaan, näyttää olevan Gehr et al (1981), joka on nisäkkäiden vertailevaa hengitysfysiologiaa käsittelevä kirjan luku. Sieltä löytyy Thompsonin gasellin ja kääpiömangustin ohella ihmiselle annettu arvo, joka on 2,47 ml/mbar/sek. Arvovaltaisempi (mutta edelleen viitteitä vailla oleva) arvo, joka ilmoitetaan tavanomaisella merkintätavalla, löytyy ER Weibelin oppikirjasta vuodelta 1984, jossa ilmoitetaan 20-30 ml/min/mmHg.

Hiilidioksidin diffuusiokapasiteettia on vielä vaikeampi jäljittää. Nunn’s ei anna viitteitä tai edes tarkkoja mittauksia, vaan toimittaa rivin siitä, että se on 20,5 kertaa suurempi kuin hapen diffuusiokapasiteetti. Hellerin ja muiden (1998) julkaisemissa kanien tiedoissa DLCO2 on 14,0 ml/mmHg/min.

Kuten jäljempänä osoitetaan, nämä arvot – mitattuna lepotilassa olevilta yksilöiltä – eivät edusta keuhkojen diffuusiokapasiteetin todellista maksimia. Tämä voidaan paljastaa vain rasittavassa liikunnassa, jossa veren syöttö kapillaariin lisääntyy merkittävästi.

Diffuusiokapasiteetin mittaaminen

On selvää, että kaasu, josta olet eniten kiinnostunut, on happi, joten olisi jonkinlaista loogista mitata tämä kaasu suoraan, mutta todellisuudessa on useita käytännön esteitä. Tai ainakin oli, kun diffuusiokapasiteetin mittaaminen tuli ensimmäisen kerran esille. Periaatteessa DLO2:n mittaamiseksi pitäisi pystyä mittaamaan tarkasti sekä hapenottokyky että osapainegradientti. Gradienttia varten olisi laskettava alveolaarinen happi (mikä on helppo tehdä) ja sen jälkeen mitattava valtimohappi (keuhkojen loppukapillaarisen hapen korvikkeena). Sitten ”valtimoveren O2- ja CO2-jännitys on mitattava Rileyn kehittämällä mikrotonometritekniikalla – tekniikka, joka vaatii huomattavaa harjoittelua ja näppäryyttä”, kirjoitti Dacie vuonna 1957, jolla ei ollut käytettävissään happea tunnistavia Clark-elektrodeja. Tämä ei vaikuta kovinkaan suurelta esteeltä nykypäivän tehohoitajalle, jolla on milloin tahansa litrattain potilaansa verta (sekä laskimo- että valtimoverta) valmiina näytteenottoa varten sekä tarkat välineet sen kaasupitoisuuden mittaamiseksi. Historiallisesti se on kuitenkin ollut suuri ongelma, ja ambulatoristen avohoitopotilaiden valtimoverinäytteenottoon suhtaudutaan edelleen hieman vastahakoisesti. Lähetteet loppuisivat nopeasti, kun ihmiset tajuaisivat, mitä heille aiotaan tehdä.

Hiilimonoksidin käyttö on siis ollut historiallisesti paljon suositumpaa. Marie ja August Krogh olivat keksineet sen ensimmäisen kerran vuonna 1915:

”Edelleen oletetaan, että kun pieni osa CO:sta päästetään vereen, kaasu yhdistyy käytännöllisesti katsoen välittömästi hemoglobiiniin ja CO-paine veressä voidaan ottaa arvoksi 0. Kun siis CO:n ja ilman seos suljetaan keuhkoihin tietyksi ajaksi ja määritetään CO-prosentin lasku, voidaan laskea diffuusio alveolien seinämän läpi.”

Lyhyesti sanottuna potilaalle annetaan hengitettäväksi jokin ei-tappava ja tunnettu annos hiilimonoksidia. Potilas pitää tuota hengitystä kymmenen sekuntia ja hengittää sen sitten ulos. Koska hiilimonoksidilla ei ole muuta paikkaa minne mennä kuin erytrosyytteihin, sisään- ja uloshengitetyn hiilimonoksidimäärän välisen eron on täytynyt diffundoitua verikaasuesteen läpi ja sitoutua hemoglobiiniin. Näin ollen yhtälössä:

DLCO = Hiilimonoksidin saanti / hiilimonoksidigradientti

Hiilimonoksidin saanti on sisään- ja uloshengitetyn CO:n ”puuttuva” erotus, ja gradientin oletetaan olevan CO:n alveolaarisen osapartiopaineen (joka tiedetään, koska annoit sen) ja CO:n arteriaalisen osapartiopaineen välissä (joka on 0 millimetrihengasgrammaa (mmHg), koska tiedämme, että kaikki hiilimonoksidi sitoutuu hemoglobiiniin). Näin ollen DLCO:n mittaus voidaan suorittaa noninvasiivisesti.

DLCO:n mittaukseen on kolme päämenetelmää: kertahengitysmenetelmä, tasapainotilamenetelmä ja uudelleenhengitysmenetelmä. Kertahengitysmenetelmä on kuvattu yksityiskohtaisesti erinomaisessa ERS/ATS-standardeja koskevassa lausunnossa (Cotes et al., 1993), josta kirjoittaja on vapaasti ”lainannut” joitakin selittäviä kuvia. Uudelleenhengitysmenetelmää tarkastellaan yksityiskohtaisesti tässä ja tasaista menetelmää tässä. CICM-tutkintoa suorittavilta kokelailta ei odoteta (eikä voida mitenkään odottaa) syvällistä tietämystä tästä aiheesta, joten tässä yhteydessä riittää, että se tiivistetään seuraavasti:

Kertahengitysmenetelmä DLCO:n mittaamiseksi

• Potilaan tulisi mieluiten hengittää huoneilmaa jonkin aikaa ennen mittausta
• Ensin potilas hengittää maksimaalisesti ulos (RV:hen asti)
• Potilas hengittää sen jälkeen kaasuseosta 0.3 % hiilimonoksidia ja 10 % heliumia
  (helium on alveolitilavuuden mittausta varten)
• Tämä on vitaalikapasiteettihengitys (ts. TLC:hen asti), ja sen tilavuus mitataan
• Potilas pidättää tätä hengitystä kymmenen sekuntia
  • Tämän hengityksen pidättämisen tarkoituksena on varmistaa hiilimonoksidin tasainen jakautuminen kaikkiin keuhkoyksiköihin niiden aikavakioista riippumatta
  • On tärkeää välttää Valsalva-hengitystä tässä vaiheessa, koska se voi vaikuttaa rintakehänsisäiseen veritilavuuteen ja laskea virheellisesti DLCO-arvoa.
• Potilas hengittää sitten ulos.
  • Ensimmäiset 0,75 litraa jätetään kokonaan huomioimatta, koska tätä pidetään kuolleena tilakaasuna, joka ei edusta loppuosaa.
• Tämän jälkeen otetaan kaasunäyte
  • Alveolien kokonaistilavuus voidaan mitata uloshengityksen heliumkonsentraatiosta (tämä on klassinen sovellus merkkiainekaasun laimennusmittaustekniikasta keuhkotilavuuksien mittaamiseksi)
  • Hiilimonoksidin imeytyminen voidaan määrittää erotuksesta. sisään- ja uloshengityksen osapaineen mittausten erotuksesta
  • Hiilimonoksidin osapaineen gradientti voidaan määrittää uloshengityksen osapaineen mittauksesta

Takaisintalteenottomenetelmä DLCO

• Tämä on käytännössä sama kuin kertahengityksen menetelmä, paitsi että hengitystä ei pidätetä.
• Potilas laitetaan hengittämään nopeasti (suositeltu hengitystaajuus on 30) samalla kun hän hengittää säiliöstä, jossa on tunnettu määrä ja tilavuus kaasua, joka sisältää 0,3 % hiilimonoksidia ja 10 % heliumia
• Pussissa olevan kaasun määrä säädetään yleensä siten, että se on suunnilleen sama kuin tutkittavan vuorokausitilavuus, ts. se tyhjenee kokonaan sisäänhengityksen aikana
• Tällaisen nopean hengityksen jälkeen kaasusta otetaan näyte
• Alveolitilavuuden ja hiilimonoksidin imeytymisen laskeminen voidaan tällöin suorittaa täsmälleen samalla tavalla kuin kertahengityksen yhteydessä
• Jostain syystä tätä tekniikkaa ei käytännössä tunneta kliinisessä käytännössä, ja sitä näytetään käytettävän lähinnä tilanteissa, joissa DLCo on mitattava ilman, että tutkittavan hengitystoiminta keskeytyy merkittävästi, esim. kun he polkevat hulluna kuntopyörällä.

Steady state -menetelmä DLCO:n mittaamiseksi

• Henkilö laitetaan hengittämään kontrolloitua kaasuseosta, joka sisältää 0,3 % hiilimonoksidia.
• Henkilön uloshengityskaasu kerätään pussiin
• Hengitysjakson jälkeen (joka on riittävän pitkä, jotta vakaan tilan saavuttaminen on mahdollista) uloshengityskaasu analysoidaan
• Hiilimonoksidin saanti ja uloshengityskaasun tilavuus ovat tiedossa, joten hiilimonoksidin saanti on helppo laskea.
• Hiilimonoksidin alveolaarinen pitoisuus voidaan laskea alveolikaasuyhtälön muunnetun muodon avulla
• Tämä tekniikka näyttää olevan käytännössä tuntematon kliinisessä rutiinikäytännössä; Sen suurimpana etuna on se, että se ei riipu lainkaan potilaan osallistumisesta, joten se soveltuu käytettäväksi yhteistyöhaluttomissa tai rauhoitetuissa koehenkilöissä

Tekijät, jotka vaikuttavat diffuusiokapasiteettiin

Yhtälö, joka kuvaa tätä parametria, on varsin yksinkertainen, ja siihen vaikuttavat tekijät voidaan jakaa kaasun ominaisuuksiin ja hengityselinten ominaisuuksiin. Kaasu, jolla on suurempi diffuusiokapasiteetti, pystyy kulkemaan verikaasuesteen läpi helpommin kuin kaasu, jolla on pienempi diffuusiokapasiteetti, millä tahansa painegradientilla. Vastaavasti hengityselinten ominaisuudet voivat muuttua tavalla, joka voi lisätä tai vähentää diffuusiokapasiteettia saman kaasun osalta samalla osapainegradientilla. Hengityselimistön ominaisuuksista kolme päätekijää voi muuttua: joko pinta-ala muuttuu, kalvon paksuus muuttuu tai kaasun imeytyminen punasoluihin muuttuu jollakin tavalla. Tenttiin valmistautumista varten voidaan laatia mieleenpainuva pistemäinen luettelo näiden tekijöiden kuvaamiseksi. Näin ollen:

• Kaasun ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät
  • Kaikilla kaasun diffuusiokertoimeen vaikuttavilla tekijöillä on merkitystä, mm:
    • Kaasun tiheys
    • Molekyylien koko
    • Väliaineen lämpötila
• Kaasunvaihtopinta-alaan vaikuttavat tekijät
  • Aika (iän kasvaessa käytettävissä oleva kokonaispinta-ala pienenee muista tekijöistä riippumatta)
  • Kappaleen koko: Pituus vaikuttaa keuhkojen kokoon
  • Keuhkojen tilavuus
    • Mitä suurempi keuhkojen tilavuus, sitä suurempi diffuusiokapasiteetti, i.e. jos verrataan yksilöitä keskenään, on käytettävä mittaria, joka on indeksoitu alveolitilavuuteen (esim. diffuusiokapasiteetti litraa alveolitilavuutta kohti)
    • Kaikki, mikä vaikuttaa keuhkojen tilavuuteen, on siis mahdollinen virhelähde, esim. keuhkosairaudet, ryhti, lihavuus, raskaus jne.
  • Tekijät, jotka muuttavat ventilaatio-perfuusio-ominaisuuksia:
    • Shuntti: diffuusiota ei tapahdu
    • Kuollut tila: diffuusiota ei tapahdu
    • V/Q hajonta: tehotonta epätäydellistä diffuusiota tapahtuu
• Kalvo-ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä
  • Tässä on pohjimmiltaan kyse tautitiloista, jotka lisäävät veri-kaasuesteen paksuutta, joita ovat:
    • Pulmonaalinen ödeema
    • Interstitiaalinen keuhkosairaus, esim. keuhkofibroosi
  • Tarkkaan ottaen tähän pitäisi sisällyttää väliaineen (ts. sytosolin, tyvikalvon ja kapillaariplasman) viskositeetti. Käytännössä nämä ovat kuitenkin stabiileja elementtejä, jotka voidaan jättää huomiotta.
• Tekijät, jotka vaikuttavat erytrosyyttien imeytymiseen
  • Haemoglobiinin affiniteetti happea kohtaan
  • Haemoglobiinipitoisuus
• Sydämen tuotos (sikäli kuin se vaikuttaa kapillaariseen läpimenoaikaan

Jos tarpeeksi tarkkaan tarkastellaan, voi havaita, että tämä luettelo on käytännöllisesti katsoen identtinen niiden tekijöiden luettelon kanssa, jotka vaikuttavat kaasujen diffuusioon alveolikalvon läpi, lukuun ottamatta osapainegradienttia (joka on sisällytetty diffuusiokapasiteetin määritelmään) ja mittausvirheeseen liittyviä eri tekijöitä.

Diffuusiokapasiteetin muutos rasituksen myötä

Jotkut saattavat sanoa, että keskustelu mistään levossa olevasta diffuusiokapasiteetista on harhaanjohtava, koska sillä viitataan rasittamattomaan systeemiin, jonka diffuusiokapasiteetti on itse asiassa paljon suurempi. Itse asiassa voimakkaassa liikunnassa DLO2 nousee 20-30 ml/min/mmHg:stä lähelle 100-120 ml/min/mmHg:tä, mikä on ”todellinen” diffuusiokapasiteetti. Tämä kasvu johtuu siitä, että yhtälössä (DLO2 = hapenottokyky / PO2-gradientti) hapenottokyky kasvaa merkittävästi. Ei vaadi suurta mielikuvituksen venytystä selittääkseen, miksi näin voi olla. Mieti: minuuttitilavuus kasvaa paitsi lisääntyneen hengitystaajuuden myös vuorokausitilavuuden kasvun vuoksi. Kun keuhkotilavuus kasvaa, alveolaarisen kaasunvaihdon kokonaispinta-ala kasvaa. Lisäksi sydämen minuuttitilavuus kasvaa. Sen myötä veren kulkeutuminen keuhkokapillaareihin lisääntyy. Tämä muuttaa V/Q-jakaumaa, koska enemmän kapillaareja rekrytoituu keuhkoalueille, jotka aiemmin olivat joko ”todellista” kuollutta tilaa tai joiden V/Q oli paljon suurempi kuin 1,0. Tiivistettynä tämä miellyttävään muotoon:

Liikunnan myötä molemmat tärkeimmät diffuusiokapasiteettiin vaikuttavat tekijät muuttuvat:

• Hapenottokyky keuhkokapillaareissa kasvaa, koska:
  • Pinta-ala kasvaa (suuremmat hengitystilavuudet)
  • Pulmonaalinen verenkierto kasvaa (lisääntynyt sydämen minuuttitilavuus)
  • V/Q-yhteensopivuus paranee (korkean ventilaation alueet saavat suuremman verenkierron ja lepotilassa olevat kapillaarivuodot rekrytoituvat)
• Partiaalipainegradientti pulmonaalisissa hiusverisuonissa lisääntyy, koska:
  • Hapen uuttosuhde kasvaa, jolloin sekalaskimon PO2 pienenee
  • Lisääntynyt minuuttiventilaatio pienentää alveolaarista PCO2:ta (jolloin alveolaarinen PO2 kasvaa, kaikki muut asiat pysyvät ennallaan)
  • Vahvistunut hemoglobiinin toimitus absorptiopinnalle toimii hapen nieluna ja ylläpitää matalaa kapillaarista osapaineita

Kuinka paljon DLO2:n nousua pitäisi odottaa? Kollegion vastaus vuoden 2012 ensimmäisen paperin kysymykseen 20 käsittelee tätä kryptisessä huomautuksessa: ”…alveolaarinen ventilaatio lisääntyy ja ventilaation ja perfuusion yhteensovittaminen paranee 21 ml/min/mmHg:sta aina 65 ml/min/mmHg:iin asti”.
Epäilemättä tämän obiter dictumin jälkimmäisessä puoliskossa siteeratut arvot viittaavat DLCO:n muutoksiin, ja ne on johdettu jostain hyvämaineisesta paikasta, mutta kuka tietää, missä se on. Yleensä oletetaan, että ne ovat peräisin oppikirjasta, ja oppikirja-arvot ovat yleensä peräisin 1960-luvulla tehdyistä tutkimuksista. Ilman tarkkaa tietoa siitä, mitä keskiaikaista lähdettä tutkijat pitivät mielessään, olennaisten vertaisarvioitujen viitteiden etsiminen on pohjimmiltaan sama kuin tikanheittoa kirjallisuuteen. Lyhyellä haulla löydetään esimerkiksi Turino ym. tutkimus (1963), jonka terveiden vapaaehtoisten DLCO-arvot lepotilassa vaihtelivat 18:sta 22:een ja liikunta-arvot 55:stä 64:ään ml/min/mmHg. Tämä vaikuttaa suunnilleen oikealta, eikä missään tapauksessa voida kuvitella maailmankaikkeutta, jossa täsmällisten lukujen olemassaolo tai puuttuminen olisi ratkaiseva tekijä tutkintosuorituksen kannalta.