Diffusing capacity and its measurement

Ten rozdział jest najbardziej istotny dla sekcji F7(iv) z 2017 CICM Primary Syllabus, która oczekuje od kandydatów na egzamin umiejętności „zdefiniowania zdolności dyfuzyjnej i jej pomiaru”. Pojawiło się to przynajmniej raz w poprzednich pracach CICM, jako nieoczekiwany element odpowiedzi na pytanie 20 z pierwszej pracy z 2012 roku, które przedstawiało się jako „wymień czynniki fizjologiczne wpływające na dyfuzję tlenu przez błonę pęcherzyków płucnych”. Szczerą (aczkolwiek rozwlekłą) próbę zgłębienia tych czynników i niezaliczenia tego pytania poprzez dosłowną interpretację można zobaczyć w rozdziale dotyczącym dyfuzji gazów przez błonę pęcherzykową. Tutaj, zamiast tego, skupimy się konkretnie na zdolności dyfuzyjnej i jak można ją określić.

Podsumowując:

Trudno jest polecić jakikolwiek pojedynczy artykuł dotyczący tego zagadnienia, ponieważ większość z nich koncentruje się na jednym konkretnym aspekcie i żaden nie wydaje się oferować krótkiego, szerokiego przeglądu, jakiego może chcieć kandydat na egzamin, któremu brakuje czasu. Rozsądnym źródłem jest Hsia (2001), który skłania się nieco ku stronie zmian DLCO wywołanych wysiłkiem fizycznym, oraz Ayers et al (1975), który jest solidnym (choć datowanym) omówieniem różnych sposobów, w jakie DLCO może być patologicznie obniżone. Jak w przypadku wszystkich rzeczy związanych z badaniem czynności płuc, doskonały PFTBlog jest doskonałym źródłem informacji, szczególnie w odniesieniu do metod badania DLCO.

Definicja pojemności dyfuzyjnej

Chociaż nie było to wyraźnie wymagane w pytaniu, niepisanym oczekiwaniem egzaminatorów w pytaniu 20 z pierwszego papieru z 2012 roku było to, że stażyści zdefiniują pojemność dyfuzyjną w trakcie wymieniania czynników, które wpływają na dyfuzję gazów oddechowych. Z komentarza samego kolegium egzaminatorów definicja dla tego pojęcia brzmi:

„Zdolność dyfuzyjną definiuje się jako objętość gazu, która będzie dyfundować przez błonę w ciągu każdej minuty dla różnicy ciśnień parcjalnych równej 1mmHg.”

Nunn’s definiuje to trochę inaczej:

” skłonność gazu do dyfuzji w wyniku danego gradientu ciśnienia”

Zdolność dyfuzyjna = Szybkość netto przenoszenia gazu / Gradient ciśnienia cząstkowego

Właściwość ta jest zwykle określana jako DL lub DL, i jest zwykle mierzona w objętości gazu, na jednostkę ciśnienia, na jednostkę czasu; na przykład jednostki SI to mmol/min/kPa, a tradycyjne jednostki to ml/min/mmHg. W istocie, parametr ten opisuje łatwość, z jaką gazy mogą być transportowane do krwi włośniczkowej pęcherzyków płucnych i dlatego jest poręczną destylacją wszystkich czynników, które wpływają na dyfuzję gazów oddechowych w jednej reprezentacji liczbowej.

Dla tlenu równanie jest następujące:

DLO2 = pobór tlenu / gradient PO2

Pobór tlenu jest w pewnym sensie mierzalny, ponieważ jest to różnica pomiędzy zawartością tlenu w mieszance żylnej i tętniczej. Jednak gradient PO2 jest tu różnicą między PO2 pęcherzyków płucnych a PO2 kapilary płucnej, z czego tego ostatniego w zasadzie nie da się nigdy zmierzyć bezpośrednio. Przyjmując różne założenia, można zgadywać, jakie powinno być PO2 kapilarne, i wykonać pewne obliczenia metodą back-of-the-envelope. Z jakiegoś dziwnego powodu, jedynym źródłem, które faktycznie podaje tę wartość jest Gehr et al (1981), które jest rozdziałem książki o porównawczej fizjologii oddechowej ssaków. Tam, obok gazeli Thompsona i mangusty karłowatej, można znaleźć wartość dla człowieka, która wynosi 2.47 ml/mbar/sek. Bardziej miarodajną (ale wciąż niepotwierdzoną) wartość podawaną w notacji konwencjonalnej można znaleźć w podręczniku ER Weibela z 1984 roku, który podaje 20-30ml/min/mmHg.

Sprawność dyfuzyjna dwutlenku węgla jest jeszcze trudniejsza do ustalenia. Nunn’s nie podaje referencji ani nawet dokładnych pomiarów, ale raczej dostarcza linijkę o tym, że jest ona 20,5 razy większa niż zdolność dyfuzyjna tlenu. Dane królików z Heller et al (1998) donoszą, że DLCO2 wynosi 14.0 ml/mmHg/min.

Jak zostanie wykazane poniżej, wartości te – mierzone u osób w stanie spoczynku – nie reprezentują prawdziwego maksimum zdolności dyfuzyjnej płuc. Może to być ujawnione tylko przez intensywne ćwiczenia, gdzie dostarczanie krwi do kapilary znacznie wzrasta.

Pomiar pojemności dyfuzyjnej

Oczywiście, gazem, którym jesteś najbardziej zainteresowany jest tlen, a więc miałoby to jakiś logiczny sens, aby zmierzyć ten gaz bezpośrednio, ale w rzeczywistości istnieje kilka praktycznych barier. Albo przynajmniej, były bariery, kiedy kwestia pomiaru zdolności dyfuzyjnej po raz pierwszy pojawił. Zasadniczo, aby zmierzyć DLO2, musiałbyś być w stanie dokładnie zmierzyć zarówno pobór tlenu, jak i gradient ciśnienia parcjalnego. Dla gradientu, trzeba by obliczyć tlen pęcherzykowy (łatwo to zrobić), a następnie zmierzyć tlen tętniczy (jako surogat płucnego tlenu endkapilarnego). Następnie, „napięcie O2 i CO2 w krwi tętniczej muszą być mierzone przez technikę mikrotonometru opracowanego przez Riley-technika, która wymaga znacznej praktyki i zręczności”, napisał Dacie w 1957 roku, do którego tlenu-czułe elektrody Clark nie były dostępne. Nie wydaje się to dużą przeszkodą dla współczesnego intensywisty, który w każdej chwili ma do dyspozycji litry krwi pacjenta (zarówno żylnej, jak i tętniczej) gotowej do pobrania, a także dokładne przyrządy do pomiaru zawartości gazów w niej zawartych. Jednak historycznie był to duży problem i nadal istnieje pewna niechęć do pobierania próbek tętniczych z grupy ambulatoryjnej. Skierowania szybko by wyschły, gdy ludzie zorientowaliby się, co zamierzasz im zrobić.

Tym samym, użycie tlenku węgla było historycznie dużo bardziej popularne. Marie i August Krogh po raz pierwszy wpadli na ten pomysł w 1915 roku:

„Zakłada się dalej, że gdy niewielka część CO zostanie wpuszczona do krwi, gaz ten połączy się praktycznie natychmiast z hemoglobiną i ciśnienie CO we krwi można przyjąć jako 0. Kiedy zatem mieszanina CO z powietrzem zostanie zamknięta w płucach w określonym czasie, a spadek procentowy CO zostanie określony, dyfuzja przez ścianę pęcherzyków płucnych może zostać obliczona.”

W skrócie, jeden daje pacjentowi jakąś nieśmiertelną i znaną dawkę tlenku węgla do wdychania. Pacjent wstrzymuje ten oddech na dziesięć sekund, a następnie go wydycha. Ponieważ tlenek węgla nie ma dokąd pójść, tylko do erytrocytów, jakakolwiek różnica między wdychaną a wydychaną ilością CO musi przeniknąć przez barierę krew-gaz i związać się z hemoglobiną. Tak więc, w równaniu:

DLCO = Carbon monxide uptake / Carbon monoxide gradient

pobór tlenku węgla to „brakująca” różnica wdychanego i wydychanego CO, a gradient zakłada się między ciśnieniem parcjalnym pęcherzykowym CO (które jest znane, bo je podałeś) a ciśnieniem parcjalnym tętniczym CO (które wynosi 0 mmHg, bo wiemy, że całość kończy się związaniem z hemoglobiną). W ten sposób pomiar DLCO może być przeprowadzony nieinwazyjnie.

Istnieją trzy główne metody pomiaru DLCO: metoda pojedynczego oddechu, metoda stanu ustalonego i metoda oddechu wstecznego. Metoda pojedynczego oddechu jest szczegółowo opisana w doskonałym opracowaniu standardów ERS/ATS (Cotes i wsp., 1993), z którego autor swobodnie „pożyczył” kilka objaśniających obrazów. Technika rebreathingu jest szczegółowo opisana tutaj, a metoda steady-state tutaj. Dogłębna wiedza na ten temat nie jest (nie może być) oczekiwana od kandydatów na egzamin CICM, dlatego w tym miejscu wystarczy ją podsumować w następujący sposób:

Metoda pomiaru DLCO metodą pojedynczego oddechu

• Okres czasu oddychania powietrzem w pomieszczeniu powinien idealnie poprzedzać jakikolwiek pomiar
• Najpierw pacjent wykonuje maksymalny wydech (w dół do RV)
• Potem pacjent wdycha mieszaninę gazów o stężeniu 0.3% tlenku węgla i 10% helu
  (hel służy do pomiaru objętości pęcherzyków płucnych)
• Jest to oddech pojemności życiowej (tj. do TLC), a jego objętość jest mierzona
• Pacjent wstrzymuje ten oddech na dziesięć sekund
  • To wstrzymanie oddechu ma zapewnić równą dystrybucję tlenku węgla do wszystkich jednostek płucnych, niezależnie od ich stałej czasowej
  • Ważne jest, aby w tym momencie unikać Valsalvy-ing, ponieważ może to wpłynąć na wewnątrzklatkową objętość krwi i fałszywie zmniejszyć DLCO.
• Pacjent następnie wykonuje wydech.
  • Pierwsze 0,75 litra jest całkowicie ignorowane, ponieważ uważa się, że jest to gaz z przestrzeni martwej, a nie reprezentatywny dla reszty.
• Pobiera się następnie próbkę gazu
  • Całkowitą objętość pęcherzyków płucnych można zmierzyć na podstawie stężenia wydechowego helu (jest to klasyczne zastosowanie techniki pomiaru rozcieńczenia gazu znacznikowego do pomiaru objętości płuc)
  • Pobór tlenku węgla można określić na podstawie różnicy między pomiarami ciśnienia parcjalnego wdychanego i wydychanego
  • Gradient ciśnienia parcjalnego dla tlenku węgla można określić z pomiaru ciśnienia parcjalnego wydychanego

Metoda ponownego oddychania DLCO

• To praktycznie to samo, co metoda pojedynczego oddechu, z wyjątkiem tego, że nie ma wstrzymywania oddechu.
• Pacjent jest zmuszany do szybkiego oddychania (zalecana częstość oddechów wynosi 30), jednocześnie oddychając ze zbiornika ze znaną ilością i objętością gazu, zawierającego 0,3% tlenku węgla i 10% helu
• Ilość gazu w worku jest zwykle regulowana tak, aby była w przybliżeniu taka sama jak objętość oddechowa badanego, tj. opróżnia się całkowicie podczas wdechu
• Po okresie takiego szybkiego oddychania, pobiera się próbki gazu
• Obliczanie objętości pęcherzyków płucnych i poboru tlenku węgla można następnie wykonać w dokładnie taki sam sposób, jak w przypadku pojedynczego oddechu
• Z jakiegoś powodu technika ta jest praktycznie nieznana w praktyce klinicznej i wydaje się być stosowana głównie w scenariuszach, w których trzeba zmierzyć DLCo bez znaczącego przerywania wzorca oddechowego osoby badanej, np. kiedy oni pedałują szaleńczo na rowerze treningowym.

Metoda pomiaru DLCO w stanie ustalonym

• Podmiot jest zmuszony do oddychania kontrolowaną mieszaniną gazów, która zawiera 0,3% tlenku węgla.
• Jego wydychany gaz jest zbierany do worka
• Po pewnym okresie oddychania (wystarczająco długim, aby ustalić stan ustalony) wydychany gaz jest analizowany
• Dostarczanie tlenku węgla i objętość wydychanego gazu są znane, a zatem łatwo jest obliczyć pobór tlenku węgla.
• Węcherzykowe stężenie tlenku węgla można obliczyć ze zmodyfikowanej formy równania gazów pęcherzykowych
• Ponownie, technika ta wydaje się być praktycznie nieznana w rutynowej praktyce klinicznej; jej główną zaletą jest całkowity brak zależności od jakiegokolwiek poziomu uczestnictwa pacjenta, co czyni ją odpowiednią do stosowania u osób niewspółpracujących lub poddanych sedacji

Czynniki wpływające na pojemność dyfuzyjną

Równanie opisujące ten parametr jest dość proste, a czynniki wpływające na niego można podzielić na właściwości gazu i właściwości układu oddechowego. Gaz o większej zdolności dyfuzyjnej będzie w stanie łatwiej pokonać barierę krew-gaz niż gaz o mniejszej zdolności dyfuzyjnej, przy dowolnym gradiencie ciśnienia. Podobnie, właściwości układu oddechowego mogą zmienić się w sposób, który może zwiększyć lub zmniejszyć zdolność dyfuzyjną, dla tego samego gazu i przy tym samym gradiencie ciśnienia cząstkowego. Spośród właściwości układu oddechowego, trzy główne czynniki mogą ulec zmianie: albo zmienia się powierzchnia, albo zmienia się grubość błony, albo w jakiś sposób zmienia się wychwyt gazu przez czerwone krwinki. Dla celów przygotowania do egzaminu można wygenerować łatwą do zapamiętania listę punktową opisującą te czynniki. I tak:

• Czynniki wpływające na właściwości gazu
  • Wszystkie czynniki wpływające na współczynnik dyfuzji gazu będą odgrywały w tym jakąś rolę, w tym:
    • Gęstość gazu
    • Rozmiar cząsteczek
    • Temperatura ośrodka
• Czynniki wpływające na powierzchnię wymiany gazowej
  • Wiek (wraz ze wzrostem wieku zmniejsza się całkowita dostępna powierzchnia, niezależnie od innych czynników)
  • Wielkość ciała: wzrost wpływa na wielkość płuc
  • Objętość płuc
    • Większa objętość płuc, tym większa zdolność dyfuzyjna, tzn.e. jeśli ktoś porównuje poszczególne osoby, powinien użyć metryki, która jest indeksowana do objętości pęcherzyków płucnych (np. pojemność dyfuzyjna na litr objętości pęcherzyków płucnych)
    • Wszystko, co wpływa na objętość płuc jest zatem potencjalnym źródłem błędu, np. choroby płuc, postawa, otyłość, ciąża, itp.
  • Faktory, które zmieniają charakterystykę wentylacja-perfuzja:
    • Shunt: nie zachodzi dyfuzja
    • Przestrzeń martwa: nie zachodzi dyfuzja
    • Rozrzut V/Q: zachodzi nieefektywna niepełna dyfuzja
• Czynniki wpływające na charakterystykę błony
  • Są to zasadniczo stany chorobowe, które zwiększają grubość bariery krew-gaz, do których należą:
    • Obrzęk płuc
    • Śródmiąższowe choroby płuc, np. zwłóknienie płuc
  • Ściśle rzecz biorąc, należałoby tu uwzględnić lepkość ośrodka (tj. cytozolu, błony podstawnej i plazmy kapilar). Praktycznie są to jednak elementy stabilne, które można pominąć.
• Czynniki, które wpływają na wychwyt przez erytrocyty
  • Powinowactwo hemoglobiny do tlenu
  • Stężenie hemoglobiny

  .

  • Wydolność serca (w zakresie, w jakim wpływa na czas przepływu kapilarnego
• Źródła błędów
  • Strata tlenku węgla do pozanaczyniowej hemoglobiny pęcherzykowej, np. w kontekście krwawienia pęcherzykowego spowodowanego zespołem Goodpasture’a
  • Obecność „domorosłego” tlenku węgla, spowodowana paleniem tytoniu lub rozległym rozpadem hemoglobiny (np. hemoliza wewnątrznaczyniowa), co mogłoby ograniczyć wychwyt CO
  • Konkurencja między CO a tlenem (jeśli pacjent wcześniej oddychał np. 100% FiO2)
  • Stężenie hemoglobiny, gdy jest niskie, może fałszywie obniżyć pomiar DLCO, nawet jeśli czynność kompleksu pęcherzykowo-kapilarnego pozostaje całkowicie zdrowa

Jeśli przyjrzeć się wystarczająco uważnie, można zauważyć, że ta lista jest praktycznie identyczna z listą czynników, które wpływają na dyfuzję gazów przez błonę pęcherzykową, z godnym uwagi wyjątkiem fo gradientu ciśnienia parcjalnego (który jest włączony do definicji pojemności dyfuzyjnej) i różnych czynników związanych z błędem pomiaru.

Zmiana zdolności dyfuzyjnej z wysiłkiem fizycznym

Niektórzy mogą powiedzieć, że dyskusja o jakiejkolwiek spoczynkowej zdolności dyfuzyjnej jest błędnym określeniem, ponieważ odnosi się do nieobciążonego systemu, który w rzeczywistości ma znacznie większą zdolność do dyfuzji. Rzeczywiście, przy intensywnym wysiłku fizycznym DLO2 wzrasta z 20-30 ml/min/mmHg do wartości zbliżonej do 100-120 ml/min/mmHg, co jest „prawdziwą” zdolnością dyfuzyjną. Wzrost ten wynika z faktu, że współczynnik poboru tlenu w równaniu (DLO2 = pobór tlenu / gradient PO2) znacznie wzrasta. Nie trzeba wielkiej wyobraźni, aby wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje. Rozważmy: objętość minutowa wzrasta, nie tylko z powodu zwiększonej częstości oddechów, ale również z powodu wzrostu objętości oddechowej. Wraz ze wzrostem objętości płuc, zwiększa się całkowita powierzchnia wymiany gazowej w pęcherzykach płucnych. Ponadto zwiększa się rzut serca. W związku z tym zwiększa się dostarczanie krwi do kapilar płucnych. Zmienia to rozkład V/Q, ponieważ więcej kapilar jest rekrutowanych w regionach płuc, które wcześniej były albo „prawdziwą” martwą przestrzenią, albo miały V/Q znacznie większe niż 1,0. Podsumowując to w przystępnej formie:

Pod wpływem wysiłku fizycznego oba główne elementy wpływające na zdolność dyfuzyjną ulegają zmianie:

• Pobór tlenu we włośniczkach płucnych wzrasta, ponieważ:
  • Powierzchnia wzrasta (większa objętość oddechowa)
  • Płucny przepływ krwi wzrasta (zwiększony rzut serca)
  • Dopasowanie V/Q poprawia się (obszary o dużej wentylacji otrzymują większy przepływ krwi, a uśpione łożyska kapilarne są rekrutowane)
• Gradient ciśnienia parcjalnego we włośniczkach płucnych wzrasta, ponieważ:
  • Zwiększa się współczynnik ekstrakcji tlenu, zmniejszając PO2 mieszanego żylnego
  • Zwiększona wentylacja minutowa zmniejsza pęcherzykowe PCO2 (tym samym zwiększając pęcherzykowe PO2,
  • Zwiększone dostarczanie hemoglobiny do powierzchni chłonnej działa jak pochłaniacz tlenu i utrzymuje niskie ciśnienie parcjalne w kapilarach

Jakiego wzrostu DLO2 powinniśmy się spodziewać? Odpowiedź kolegium na pytanie 20 z pierwszej pracy z 2012 roku odnosi się do tego w kryptycznej uwadze, „…wentylacja pęcherzyków płucnych wzrasta i jest lepsze dopasowanie wentylacji i perfuzji wzrasta od 21ml/min/mmHg do 65ml/min/mmHg”.
Prawdopodobnie wartości przytoczone w drugiej połowie tego obiter dictum odnoszą się do zmian w DLCO i pochodzą z jakiegoś renomowanego źródła, ale kto wie, gdzie to jest. Jeden ogólnie spodziewa się, że pochodzą z podręcznika, a wartości podręcznikowe zwykle pochodzą z badań wykonanych w latach 60-tych. Nie wiedząc konkretnie, które średniowieczne źródło egzaminatorzy mieli na myśli, poszukiwanie merytorycznych, recenzowanych referencji jest w zasadzie tym samym, co rzucanie rzutkami w literaturę. Na przykład, krótkie wyszukiwanie pozwala znaleźć badania Turino i wsp. (1963), których zdrowi ochotnicy uzyskali spoczynkowe wartości DLCO w zakresie od 18 do 22, a wartości wysiłkowe w zakresie od 55 do 64 ml/min/mmHg. Wydaje się to w przybliżeniu poprawne, a w każdym razie nie można sobie wyobrazić wszechświata, w którym posiadanie lub nieposiadanie dokładnych liczb byłoby czynnikiem decydującym o wynikach egzaminu.