Capacitatea de difuzie și măsurarea acesteia

Acest capitol este cel mai relevant pentru secțiunea F7(iv) din Syllabus 2017 CICM Primary Syllabus, care se așteaptă ca candidații la examen să fie capabili să „definească capacitatea de difuzie și măsurarea acesteia”. Acest aspect a apărut cel puțin o dată în lucrările anterioare ale CICM, ca un element neașteptat al răspunsului la întrebarea 20 din prima probă din 2012, care se prezenta ca fiind „enumerați factorii fiziologici care afectează difuzia oxigenului prin membrana alveolară”. O încercare serioasă (deși cu bătaie lungă) de a explora acești factori și de a eșua la această întrebare interpretând-o literal poate fi văzută în capitolul privind difuzia gazelor prin membrana alveolară. Aici, în schimb, ne vom concentra în mod specific pe capacitatea de difuzie și pe modul în care aceasta poate fi determinată.

În rezumat:

Este dificil de recomandat un singur articol referitor la acest aspect, deoarece cele mai multe dintre ele se concentrează asupra unui aspect specific și niciunul nu pare să ofere o scurtă prezentare generală de genul celui pe care și l-ar putea dori un candidat la examen cu puțin timp. O sursă rezonabilă este Hsia (2001). care înclină oarecum de partea modificării induse de exercițiu a DLCO, și Ayers et al (1975), care este o discuție solidă (deși datată) a diferitelor moduri în care DLCO poate fi diminuată în mod patologic. Ca și în cazul tuturor lucrurilor legate de testarea funcției pulmonare, excelentul PFTBlog este o resursă excelentă, în special în ceea ce privește metodele de testare a DLCO.

Definiția capacității de difuzie

Deși nu a fost cerută explicit în întrebare, o așteptare nescrisă a examinatorilor la întrebarea 20 din prima lucrare din 2012 a fost ca cursanții să definească capacitatea de difuzie în cursul enumerării factorilor care afectează difuzia gazelor respiratorii. Din comentariul examinatorilor colegiului, definiția pentru acest concept este:

„Capacitatea de difuzie este definită ca fiind volumul de gaz care va difuza prin membrană în fiecare minut pentru o diferență de presiune parțială de 1mmHg.”

Nunn’s o definește puțin diferit:

” propensiunea unui gaz de a difuza ca urmare a unui gradient de presiune dat”

Capacitatea de difuzie = Rata netă de transfer de gaz / Gradientul de presiune parțială

Această proprietate este denumită de obicei DL sau DL, și este măsurată de obicei în volum de gaz, pe unitate de presiune, pe unitate de timp; de exemplu, unitățile SI sunt mmol/min/kPa, iar unitățile tradiționale sunt ml/min/mmHg. În esență, acest parametru descrie ușurința cu care gazele se pot găsi transportate în sângele capilar alveolar și, prin urmare, este o distilare la îndemână a tuturor factorilor care influențează difuzia gazelor respiratorii într-o singură reprezentare numerică.

Pentru oxigen, ecuația este:

DLO2 = absorbția de oxigen / gradientul PO2

Absorbția de oxigen este oarecum măsurabilă, deoarece este diferența dintre conținutul de oxigen venos mixt și cel arterial. Cu toate acestea, gradientul PO2 aici este diferența dintre PO2 alveolară și PO2 capilară pulmonară, dintre care cea din urmă este practic imposibil de măsurat vreodată în mod direct. Cu diferite presupuneri, se poate ghici care ar trebui să fie PO2 capilară și se pot efectua câteva calcule de tip „back-of-the-envelope”. Dintr-un motiv ciudat, singura sursă care enumeră efectiv această valoare pare să fie Gehr et al. (1981), care este un capitol de carte despre fiziologia respiratorie comparată a mamiferelor. Acolo, alături de gazela lui Thompson și mangusta pitică, se poate găsi valoarea pentru om, care este raportată la 2,47 ml/mbar/sec. O valoare mai autorizată (dar încă nereferențiată), raportată prin notație convențională, poate fi găsită în manualul lui ER Weibel din 1984, care dă 20-30 ml/min/mmHg.

Capacitatea de difuzie a dioxidului de carbon este și mai greu de urmărit. Nunn’s nu dă referințe și nici măcar măsurători exacte, ci mai degrabă livrează o replică despre faptul că este de 20,5 ori mai mare decât capacitatea de difuzie a oxigenului. Datele despre iepuri de la Heller et al (1998) raportează o DLCO2 de 14,0 ml/mmHg/min.

După cum se va demonstra mai jos, aceste valori – măsurate la indivizi în repaus – nu reprezintă adevăratul maxim al capacității de difuzie a plămânilor. Aceasta poate fi pusă în evidență doar prin exerciții fizice intense, în care livrarea de sânge către capilar crește semnificativ.

Măsurarea capacității de difuzie

Evident, gazul care vă interesează cel mai mult este oxigenul și, prin urmare, ar avea un fel de sens logic să se măsoare direct acest gaz, dar, în realitate, există mai multe bariere practice. Sau, cel puțin, existau bariere atunci când a apărut pentru prima dată problema măsurării capacității de difuzie. Practic, pentru a măsura DLO2, ar trebui să puteți măsura cu exactitate atât absorbția de oxigen, cât și gradientul de presiune parțială. Pentru gradient, ar trebui să se calculeze oxigenul alveolar (lucru ușor de realizat), iar apoi să se măsoare oxigenul arterial (ca un surogat al oxigenului capilar final pulmonar). Apoi, „tensiunea de O2 și CO2 din sângele arterial trebuie măsurată prin tehnica microtonometrului dezvoltată de Riley – o tehnică care necesită o practică și o dexteritate considerabile”, scria Dacie în 1957, pentru care nu existau electrozi Clark care să detecteze oxigenul. Acest lucru nu pare a fi un obstacol prea mare pentru intensivistul din zilele noastre care, în orice moment, are la dispoziție litri de sânge al pacientului său (atât venos, cât și arterial) gata de prelevare, precum și instrumente precise pentru a măsura conținutul de gaze al acestuia. Cu toate acestea, din punct de vedere istoric, aceasta a fost o problemă majoră, iar în continuare există o oarecare reticență în ceea ce privește prelevarea de probe arteriale din grupul de pacienți ambulatoriali. Recomandările cuiva s-ar epuiza rapid după ce oamenii își dau seama ce intenționați să le faceți.

De aceea, utilizarea monoxidului de carbon a fost, din punct de vedere istoric, mult mai populară. Marie și August Krogh au avut o primă idee în 1915:

„Se presupune în continuare că atunci când o mică proporție de CO este lăsată să treacă în sânge, gazul se va combina practic instantaneu cu hemoglobina și presiunea CO în sânge poate fi considerată ca fiind 0. Prin urmare, atunci când un amestec de CO cu aer este închis în plămâni timp de un anumit interval de timp și se determină scăderea procentului de CO, se poate calcula difuzia prin peretele alveolar.”

În concluzie, se administrează unui pacient o anumită doză de monoxid de carbon, neletală și cunoscută, pentru a o inhala. Pacientul reține acea respirație timp de zece secunde și apoi o expiră. Întrucât monoxidul de carbon nu are unde să se ducă decât în eritrocite, orice diferență între cantitatea de CO inhalată și cea expirată trebuie să fi difuzat prin bariera hemato-gazică și să se lege de hemoglobină. Astfel, în ecuație:

DLCO = Absorbția de monoxid de carbon / Gradientul de monoxid de carbon

absorbția de monoxid de carbon este diferența „lipsă” de CO inhalat și expirat, iar gradientul este presupus a fi între presiunea parțială alveolară a CO (care este cunoscută, pentru că ați dat-o) și presiunea parțială arterială a CO (care este 0 mmHg, pentru că știm că toată cantitatea de CO sfârșește prin a fi legată de hemoglobină). Astfel, măsurarea DLCO poate fi efectuată în mod neinvaziv.

Există trei metode principale de măsurare a DLCO: metoda respirației unice, metoda stării de echilibru și metoda rebreathing. Metoda respirației unice este descrisă cu lux de amănunte glorioase de excelenta declarație de standarde ERS/ATS (Cotes et al, 1993), din care autorul a „împrumutat” cu generozitate câteva imagini explicative. Tehnica rebreathing este explorată în detaliu aici, iar metoda steady-state aici. De la candidații la examenul CICM nu se așteaptă (nu se poate) o cunoaștere în profunzime a acestui subiect, așa că aici va fi suficient să îl rezumăm după cum urmează:

Metoda de măsurare a DLCO printr-o singură respirație

• În mod ideal, o perioadă de timp de respirație a aerului din încăpere ar trebui să preceadă orice măsurare
• În primul rând, pacientul expiră la maximum (până la RV)
• Pacientul inhalează apoi un amestec de gaze de 0,5 %.3% monoxid de carbon și 10% heliu
  (heliul este pentru măsurarea volumului alveolar)
• Aceasta este o respirație de capacitate vitală (i.e. până la TLC), iar volumul acesteia este măsurat
• Pacientul reține această respirație timp de zece secunde
  • Această respirație este menită să asigure distribuția egală a monoxidului de carbon în toate unitățile pulmonare, indiferent de constanta de timp a acestora
  • Este important să se evite Valsalva-area în acest moment, deoarece poate afecta volumul sanguin intratoracic și poate scădea în mod fals DLCO.
• Pacientul expiră apoi.
  • Primii 0,75 litri sunt complet ignorați, deoarece aceștia sunt considerați a fi gaz din spațiul mort, nefiind reprezentativi pentru restul.
• Se prelevează apoi o probă de gaz
  • Volumul alveolar total poate fi măsurat din concentrația expiratorie de heliu (aceasta este o aplicație clasică a tehnicii de măsurare a diluției gazului trasor pentru măsurarea volumelor pulmonare)
  • Cabsorbția de monoxid de carbon poate fi determinată din diferența dintre măsurătorile de presiune parțială inhalată și expirată
  • Gradientul de presiune parțială pentru monoxidul de carbon poate fi determinat din măsurarea presiunii parțiale expirate

Metoda de reînsuflețire DLCO

• Aceasta este practic aceeași cu metoda respirației unice, cu excepția faptului că nu se reține respirația.
• Pacientul este pus să respire rapid (frecvența respiratorie recomandată este de 30) în timp ce respiră dintr-un rezervor cu o cantitate și un volum cunoscut de gaz, care conține 0,3% monoxid de carbon și 10% heliu
• Cantitatea de gaz din sac este de obicei ajustată astfel încât să fie aproximativ aceeași cu volumul curent al subiectului, adică acesta se golește complet în timpul inspirației
• După o perioadă de respirație atât de rapidă, se prelevează o probă de gaz
• Calculul volumului alveolar și al absorbției de monoxid de carbon poate fi apoi efectuat exact în același mod ca și în cazul respirației unice
• Dintr-un motiv oarecare, această tehnică este practic necunoscută în practica clinică și pare a fi folosită în principal în scenarii în care trebuie să se măsoare DLCo fără a se întrerupe în mod semnificativ schema respiratorie a subiectului, de ex. atunci când aceștia pedalează nebunește pe un ciclu de exerciții fizice.

Metoda în stare staționară de măsurare a DLCO

• Subiectul este pus să respire un amestec de gaze controlat care conține 0,3% monoxid de carbon.
• Gazul expirat este colectat într-o pungă
• După o perioadă de respirație (suficient de lungă pentru a se stabili o stare de echilibru), gazul expirat este analizat
• Se cunoaște debitul de monoxid de carbon și volumul de gaz expirat, astfel încât este ușor de calculat absorbția de monoxid de carbon.
• Concentrația alveolară de monoxid de carbon poate fi calculată dintr-o formă modificată a ecuației gazului alveolar
• Încă o dată, această tehnică pare să fie practic necunoscută în practica clinică de rutină; avantajul său major este lipsa totală a dependenței de orice nivel de participare a pacientului, ceea ce o face potrivită pentru utilizarea la subiecții necooperanți sau sedați

Factori care influențează capacitatea de difuzie

Ecuația care descrie acest parametru este destul de simplă, iar factorii care o influențează pot fi împărțiți în proprietăți ale gazului și proprietăți ale sistemului respirator. Un gaz cu o capacitate de difuzie mai mare va fi capabil să negocieze bariera hemato-gazică mai ușor decât un gaz cu o capacitate de difuzie mai mică, la orice gradient de presiune dat. În mod similar, proprietățile sistemului respirator se pot modifica într-un mod care poate crește sau reduce capacitatea de difuzie, pentru același gaz și la același gradient de presiune parțială. Dintre proprietățile sistemului respirator, se pot modifica trei factori principali: fie se modifică suprafața, fie se modifică grosimea membranei, fie se modifică cumva absorbția gazului de către globulele roșii. Se poate genera o listă memorabilă sub formă de puncte pentru a descrie acești factori, în scopul pregătirii examenului. Astfel:

• Factorii care influențează proprietățile gazului
  • Toți factorii care influențează coeficientul de difuzie al gazului vor juca un rol în acest sens, inclusiv:
    • Densitatea gazului
    • Dimensiunea moleculelor
    • Temperatura mediului
• Factori care influențează suprafața de schimb de gaze
  • Vârsta (odată cu creșterea vârstei, suprafața totală disponibilă scade, indiferent de ceilalți factori)
  • Dimensiunea corpului: înălțimea influențează dimensiunea plămânilor
  • Volumul pulmonar
    • Cu cât volumul pulmonar este mai mare, cu atât capacitatea de difuzie este mai mare, adică.e. dacă se face o comparație între indivizi, ar trebui să se utilizeze o măsurătoare care este indexată la volumul alveolar (de exemplu, capacitatea de difuzie pe litru de volum alveolar)
    • Toate lucrurile care afectează volumul pulmonar sunt, prin urmare, o sursă potențială de eroare, de exemplu, bolile pulmonare, postura, obezitatea, sarcina, etc.
  • Factori care modifică caracteristicile ventilație-perfuzie:
    • Shunt: nu are loc difuzie
    • Spațiu mort: nu are loc difuzie
    • Dispersie V/Q: are loc o difuzie incompletă ineficientă
• Factorii care influențează caracteristicile membranei
  • Este vorba, în principiu, de stările de boală care cresc grosimea barierei hemato-gazice, care includ:
    • Edemul pulmonar
    • Boala pulmonară interstițială, de ex. fibroza pulmonară
  • Strict vorbind, ar trebui să se includă aici vâscozitatea mediului (adică a citosolului, a membranei bazale și a plasmei capilare). Cu toate acestea, practic, acestea sunt elemente stabile care pot fi ignorate.
• Factorii care influențează absorbția de către eritrocite
  • Afinitatea hemoglobinei pentru oxigen
  • Concentrația hemoglobinei

  .

  • Debitul cardiac (în măsura în care influențează timpul de tranzit capilar
• Surse de eroare
  • Pierderea monoxidului de carbon în hemoglobina alveolară extravasculară, de ex. în contextul hemoragiei alveolare datorate sindromului Goodpasture
  • Prezența monoxidului de carbon „de casă”, datorat fumatului sau descompunerii extinse a hemoglobinei (de ex. hemoliză intravasculară) care ar putea limita absorbția de CO
  • Competiție între CO și oxigen (dacă pacientul a respirat anterior 100% FiO2, de exemplu)
  • Concentrația de hemoglobină, atunci când este scăzută, poate scădea în mod fals măsurarea DLCO, chiar dacă performanța complexului alveolar/capilar rămâne complet sănătoasă

Dacă ne uităm suficient de atent, se poate detecta că această listă este practic identică cu lista factorilor care influențează difuzia gazelor prin membrana alveolară, cu excepția notabilă a gradientului de presiune parțială (care este încorporat în definiția capacității de difuzie) și a diverșilor factori legați de eroarea de măsurare.

Schimbarea capacității de difuzie odată cu exercițiul fizic

Cerce unii ar putea spune că discuția despre o eventuală capacitate de difuzie în repaus este un termen greșit, deoarece se referă la un sistem nesolicitat, care, de fapt, are o capacitate de difuzie mult mai mare. Într-adevăr, în cazul unui exercițiu viguros, DLO2 crește de la 20-30 ml/min/mmHg la ceva apropiat de 100-120 ml/min/mmHg, ceea ce reprezintă capacitatea „reală” de difuzie. Această creștere se datorează faptului că rata de absorbție a oxigenului din ecuație (DLO2 = absorbție de oxigen / gradient PO2) crește semnificativ. Nu este nevoie de prea multă imaginație pentru a explica de ce s-ar putea întâmpla acest lucru. Luați în considerare: volumul minutelor crește, nu numai din cauza ratei respiratorii crescute, ci și din cauza creșterii volumului curent. Odată cu creșterea volumului pulmonar, crește și suprafața totală de schimb de gaze alveolare. În plus, debitul cardiac este crescut. Odată cu aceasta, este crescută livrarea de sânge către capilarele pulmonare. Acest lucru modifică distribuția V/Q, deoarece mai multe capilare sunt recrutate în regiunile pulmonare care anterior erau fie spațiu mort „adevărat”, fie aveau un V/Q mult mai mare de 1,0. Pentru a rezuma acest lucru într-o formă palatabilă:

Cu exercițiul fizic, ambele elemente majore care afectează capacitatea de difuzie sunt modificate:

• Absorbția de oxigen în capilarele pulmonare crește deoarece:
  • Suprafața crește (volume tidale mai mari)
  • Fluxul sanguin pulmonar crește (creșterea debitului cardiac)
  • Corelarea V/Q se îmbunătățește (zonele cu ventilație ridicată primesc un flux sanguin mai mare, iar paturile capilare latente sunt recrutate)
• Gradientul de presiune parțială în capilarele pulmonare crește pentru că:

Cât de mult ar trebui să ne așteptăm la o creștere a DLO2? Răspunsul colegiului la întrebarea 20 din prima lucrare din 2012 abordează acest aspect într-o remarcă enigmatică: „…ventilația alveolară crește și există o mai bună potrivire a ventilației și perfuzia crește de la 21ml/min/mmHg până la 65ml/min/mmHg”.
Presumabil, valorile citate în a doua jumătate a acestui obiter dictum se referă la modificări ale DLCO și sunt derivate de undeva de încredere, dar cine știe unde. În general, ne așteptăm ca ele să provină dintr-un manual, iar valorile din manuale provin de obicei din studii efectuate în anii 1960. Fără a ști în mod specific ce sursă medievală au avut în vedere examinatorii, căutarea de referințe substanțiale revizuite de colegi este în esență același lucru cu a arunca săgeți în literatura de specialitate. De exemplu, o scurtă căutare scoate la iveală un studiu realizat de Turino et al. (1963), ai cărui voluntari sănătoși au obținut valori ale DLCO în repaus cuprinse între 18 și 22 și valori la efort cuprinse între 55 și 64 ml/min/mmHg. Acest lucru pare aproximativ corect și, în orice caz, nu se poate concepe un univers în care a avea sau a nu avea cifrele exacte de aici ar fi factorul decisiv pentru performanța la examen.