Diffusionskapacitet och dess mätning

Detta kapitel är mest relevant för avsnitt F7(iv) i 2017 års kursplan för CICM Primary Syllabus, där man förväntar sig att examinanderna ska kunna ”definiera diffusionskapacitet och dess mätning”. Detta har dykt upp minst en gång i CICM:s tidigare prov, som ett oväntat inslag i svaret på fråga 20 i det första provet från 2012, som löd ”lista de fysiologiska faktorer som påverkar diffusionen av syre genom alveolarmembranet”. Ett seriöst (om än långdraget) försök att utforska dessa faktorer och misslyckas med frågan genom att tolka den bokstavligt kan ses i kapitlet om gasernas diffusion genom alveolarmembranet. Här kommer vi istället att fokusera specifikt på diffusionskapaciteten och hur den kan bestämmas.

I sammanfattning:

Det är svårt att rekommendera någon enskild artikel om detta, eftersom de flesta av dem fokuserar på en specifik aspekt och ingen tycks erbjuda en kort och bred översikt av det slag som en tidssvag tentamenskandidat kan önska sig. En rimlig källa är Hsia (2001). som lutar något åt sidan för träningsinducerad förändring av DLCO, och Ayers et al (1975), som är en gedigen (om än daterad) diskussion om de olika sätt på vilka DLCO kan vara patologiskt nedsatt. Som med allt som har med lungfunktionsmätning att göra är den utmärkta PFTBloggen en utmärkt resurs, särskilt när det gäller metoderna för att mäta DLCO.

Definition av diffusionsförmåga

Trots att det inte uttryckligen efterfrågades i frågan var en oskriven förväntan från examinatorerna i fråga 20 från det första provet 2012 att praktikanterna skulle definiera diffusionsförmåga under uppräkningen av faktorer som påverkar diffusionen av andningsgaser. Från de kollegiala examinatorernas egen kommentar är definitionen för detta begrepp:

”Diffusionskapaciteten definieras som den gasvolym som kommer att diffundera genom membranet varje minut för en partialtrycksskillnad på 1 mmHg.”

Nunn’s definierar det lite annorlunda:

” en gas’ benägenhet att diffundera som ett resultat av en given tryckgradient”

Diffusionsförmåga = Nettohastighet för gasöverföring / Partialtrycksgradient

Denna egenskap brukar kallas DL eller DL, och den mäts vanligen i gasvolym per tryckenhet per tidsenhet; SI-enheterna är t.ex. mmol/min/kPa, och de traditionella enheterna är ml/min/mmHg. I huvudsak beskriver denna parameter hur lätt det är för gaser att transporteras in i det alveolära kapillärblodet, och är därför en praktisk destillation av alla faktorer som påverkar diffusionen av andningsgaser i en numerisk representation.

För syre är ekvationen:

DLO2 = syreupptag / PO2-gradient

Syreupptaget är på sätt och vis mätbart, eftersom det är skillnaden mellan blandad venös och arteriell syrehalt. PO2-gradienten är dock här skillnaden mellan alveolär PO2 och lungkapillär PO2, varav den senare i princip är omöjlig att någonsin mäta direkt. Med olika antaganden kan man gissa sig fram till vad kapillär PO2 bör vara och göra några beräkningar. Av någon märklig anledning verkar den enda källa som faktiskt anger detta värde vara Gehr et al (1981), som är ett bokkapitel om däggdjurens komparativa andningsfysiologi. Där kan man, tillsammans med Thompsons gasell och dvärgmungo, hitta värdet för människor, som rapporteras som 2,47 ml/mbar/sek. Ett mer auktoritativt (men fortfarande orefererat) värde som rapporteras med konventionell notation finns i ER Weibels lärobok från 1984, som anger 20-30 ml/min/mmHg.

Koldioxidens diffusionsförmåga är ännu svårare att spåra. Nunn’s ger inga referenser eller ens exakta mått, utan levererar snarare en rad om att den är 20,5 gånger större än diffusionskapaciteten för syre. Kanindata från Heller et al (1998) rapporterar en DLCO2 på 14,0 ml/mmHg/min.

Som kommer att visas nedan representerar dessa värden – uppmätta hos vilande individer – inte det verkliga maximala värdet av lungans diffusionskapacitet. Detta kan endast avslöjas genom ansträngande träning, där leveransen av blod till kapillärerna ökar avsevärt.

Mätning av diffusionskapacitet

Den gas som du är mest intresserad av är uppenbarligen syre, och därför skulle det vara någon slags logisk mening att mäta denna gas direkt, men i verkligheten finns det flera praktiska hinder. Eller åtminstone fanns det hinder när frågan om att mäta diffusionskapaciteten först kom upp. För att kunna mäta DLO2 måste man i princip kunna mäta både syreupptaget och gradienten för partialtrycket på ett exakt sätt. För gradienten måste man beräkna det alveolära syret (vilket är lätt att göra) och sedan mäta det arteriella syret (som ett surrogat för det pulmonella endkapillära syret). Sedan måste ”spänningen av O2 och CO2 i det arteriella blodet mätas med den mikrotonometerteknik som utvecklats av Riley – en teknik som kräver mycket övning och fingerfärdighet”, skrev Dacie 1957, för vilken syreavkännande Clark-elektroder inte var tillgängliga. Detta verkar inte vara något stort hinder för dagens intensivist som när som helst har liter av patientens blod (både venöst och arteriellt) redo för provtagning, liksom exakta instrument för att mäta gasinnehållet i blodet. Historiskt sett var det dock ett stort problem, och det finns fortfarande en viss motvilja mot att ta prover på arteriella blodprover i den ambulerande öppenvårdsgruppen. Ens hänvisningar skulle snabbt torka ut när folk inser vad man planerar att göra med dem.

Därmed har användningen av kolmonoxid historiskt sett varit mycket mer populär. Marie och August Krogh hade först kommit på detta år 1915:

”Man antar vidare att när en liten andel CO tillåts passera in i blodet kommer gasen praktiskt taget omedelbart att kombinera sig med hemoglobinet och CO-trycket i blodet kan antas vara 0. När därför en blandning av CO med luft innesluts i lungorna under en viss tid och man bestämmer minskningen av CO-procenten kan man beräkna spridningen genom alveolerväggen.”

Samt sett ger man en patient en viss icke-dödlig och känd dos av kolmonoxid att andas in. Patienten håller detta andetag i tio sekunder och andas sedan ut det. Eftersom kolmonoxid inte har någon annanstans att ta vägen än in i erytrocyter måste varje skillnad mellan den inandade och den utandade mängden koldioxid ha diffunderat över blodgasbarriären och blivit bunden till hemoglobin. I ekvationen:

DLCO = Kolmonoxidupptag / Kolmonoxidgradient

kolmonoxidupptaget är den ”saknade” skillnaden mellan inandnings- och utandnings-CO, och gradienten antas vara mellan det alveolära partialtrycket av CO (som är känt eftersom du angav det) och det arteriella partialtrycket av CO (som är 0 mmHg eftersom vi vet att allt slutar med att vara bundet till hemoglobin). Mätningen av DLCO kan således utföras icke-invasivt.

Det finns tre huvudmetoder för att mäta DLCO: metoden med ett enda andetag, metoden med jämnt tillstånd och metoden med återandning. Metoden med en enda inandning beskrivs i stor detalj i det utmärkta standardutlåtandet från ERS/ATS (Cotes et al., 1993), från vilket författaren fritt har ”lånat” några förklarande bilder. Återandningsmetoden beskrivs i detalj här och steady-state-metoden här. Det förväntas inte (kan inte förväntas) av kandidaterna till CICM-examen att de skall ha djupgående kunskaper i detta ämne, och därför räcker det med att sammanfatta det på följande sätt:

Metod för mätning av DLCO med en enda inandning

• En period med inandning av rumsluft bör helst föregå varje mätning
• Först andas patienten ut maximalt (ner till RV)
• Patienten andas sedan in en gasblandning av 0.3 % kolmonoxid och 10 % helium
  (heliumet är för mätning av alveolärvolymen)
• Detta är en andning med vital kapacitet (dvs. upp till TLC), och dess volym mäts
• Patienten håller detta andetag i tio sekunder
  • Detta andetag är avsett att säkerställa en jämn fördelning av kolmonoxid till alla lungenheter, oavsett deras tidskonstant
  • Det är viktigt att undvika Valsalva-ing vid detta tillfälle, eftersom det kan påverka den intrathorakala blodvolymen och felaktigt minska DLCO.
• Patienten andas sedan ut.
  • De första 0,75 litrarna ignoreras helt, eftersom detta anses vara gas från det döda utrymmet och inte är representativt för resten.
• Ett gasprov tas sedan
  • Den totala alveolära volymen kan mätas utifrån den expiratoriska heliumkoncentrationen (detta är en klassisk tillämpning av tekniken för mätning av utspädning av spårgas för att mäta lungvolymer)
  • Kolmonoxidupptag kan bestämmas utifrån skillnaden mellan mellan mätningen av partialtryck vid inandning och utandning
  • Den partiella tryckgradienten för kolmonoxid kan bestämmas från mätningen av partialtryck vid utandning

Rebreatheing-metoden DLCO

• Detta är praktiskt taget samma sak som metoden för en enda inandning, förutom att man inte håller andan.
• Patienten får andas snabbt (den rekommenderade andningsfrekvensen är 30) samtidigt som han eller hon andas från en behållare med en känd mängd och volym gas som innehåller 0,3 % kolmonoxid och 10 % helium
• Mängden gas i påsen justeras vanligen så att den är ungefär lika stor som försökspersonens tidalvolym, dvs. den töms helt under inspiration
• Efter en period av sådan snabb andning tas prov på gasen
• Beräkning av alveolärvolym och kolmonoxidupptag kan sedan utföras på exakt samma sätt som för en enda andning
• Av någon anledning är denna teknik praktiskt taget okänd i klinisk praxis, och tycks främst användas i scenarier där man behöver mäta DLCo utan att väsentligt avbryta försökspersonens andningsmönster, t.ex. när de trampar galet på en motionscykel.

Steady state-metod för att mäta DLCO

• Personens andas in en kontrollerad gasblandning som innehåller 0,3 % kolmonoxid.
• Den utandade gasen samlas upp i en påse
• Efter en period av andning (tillräckligt lång för att ett steady state ska kunna etableras) analyseras den utandade gasen
• Kolmonoxidtillförseln och volymen av den utandade gasen är känd, och det är därför lätt att beräkna kolmonoxidupptaget.
• Den alveolära koncentrationen av kolmonoxid kan beräknas med hjälp av en modifierad form av den alveolära gasekvationen
• Även denna teknik tycks vara praktiskt taget okänd i rutinmässig klinisk praxis; Dess stora fördel är att den inte är beroende av någon form av patientmedverkan, vilket gör den lämplig för användning hos icke samarbetsvilliga eller sederade försökspersoner

Faktorer som påverkar diffusionskapaciteten

Den ekvation som beskriver denna parameter är ganska enkel, och de faktorer som påverkar den kan delas in i gasegenskaper och egenskaper hos andningssystemet. En gas med högre diffusionsförmåga kommer att kunna ta sig igenom blodgasbarriären lättare än en gas med lägre diffusionsförmåga, vid en given tryckgradient. På samma sätt kan andningssystemets egenskaper förändras på ett sätt som kan öka eller minska diffusionskapaciteten för samma gas och vid samma partiella tryckgradient. Av andningssystemets egenskaper kan tre huvudfaktorer förändras: antingen förändras ytan eller membrantjockleken eller så förändras de röda blodkropparnas upptag av gasen på något sätt. Man kan skapa en minnesvärd lista i form av punkter för att beskriva dessa faktorer i syfte att förbereda sig för ett prov. Således:

• Faktorer som påverkar gasens egenskaper
  • Alla faktorer som påverkar gasens diffusionskoefficient kommer att spela en roll i detta, inklusive:
    • Gasens densitet
    • Molekylernas storlek
    • Mediets temperatur
• Faktorer som påverkar gasutbytesytan
  • Ålder (med stigande ålder minskar den totala tillgängliga ytan, oavsett de andra faktorerna)
  • Kroppens storlek: Storleken påverkar lungornas storlek
  • Lungvolym
    • Desto större lungvolym, desto större diffusionskapacitet, dvs.e. Om man jämför mellan individer bör man använda ett mått som är indexerat till alveolärvolymen (t.ex. diffusionskapacitet per liter alveolärvolym)
    • Allt som påverkar lungvolymen är därför en potentiell felkälla, t.ex. lungsjukdom, hållning, fetma, graviditet osv.
  • Faktorer som ändrar ventilations-perfusionsegenskaperna:
    • Shunt: ingen diffusion sker
    • Dead space: ingen diffusion sker
    • V/Q-spridning:
• Faktorer som påverkar membranegenskaperna
  • Detta är i princip de sjukdomstillstånd som ökar tjockleken på blod- och gasbarriären, vilket inkluderar:
    • Lungödem
    • Interstitiell lungsjukdom, t.ex. lungfibros
  • Strikt sett bör man här inkludera mediets viskositet (dvs. av cytosol, basalmembran och kapillärplasma). I praktiken är dessa dock stabila element som kan ignoreras.
• Faktorer som påverkar upptaget av erytrocyter
  • Hämoglobins affinitet för syre
  • Hämoglobinkoncentration
  • Cardiac output (i den mån den påverkar den kapillära transittiden
• Felkällor
  • Förlust av kolmonoxid till extravaskulärt alveolärt hemoglobin, t.ex. i samband med alveolär blödning på grund av Goodpasture-syndromet
  • Förekomst av ”inhemsk” kolmonoxid på grund av rökning eller omfattande nedbrytning av hemoglobin (t.ex. intravaskulär hemolys) som kan begränsa koldioxidupptaget
  • Konkurrens mellan koldioxid och syre (om patienten tidigare till exempel har andats 100 % FiO2)
  • Hemoglobinkoncentrationen kan, när den är låg, felaktigt minska DLCO-mätningen, även om prestandan i det alveolära/kapillära komplexet förblir helt frisk

Om man tittar tillräckligt noga, kan man upptäcka att denna lista är praktiskt taget identisk med listan över faktorer som påverkar gasernas diffusion genom det alveolära membranet, med det anmärkningsvärda undantaget partialtrycksgradienten (som ingår i definitionen av diffusionskapaciteten) och de olika faktorer som är relaterade till mätfel.

Förändring av diffusionskapaciteten vid ansträngning

En del skulle kunna säga att diskussionen om någon vilande diffusionskapacitet är en felaktig benämning eftersom den hänvisar till ett obelastat system, som i själva verket har en mycket högre diffusionskapacitet. Vid kraftig träning ökar faktiskt DLO2 från 20-30 ml/min/mmHg till något som ligger nära 100-120 ml/min/mmHg, vilket är den ”verkliga” diffusionskapaciteten. Denna ökning beror på att syreupptagshastigheten i ekvationen (DLO2 = syreupptag / PO2-gradient) ökar avsevärt. Det krävs ingen större fantasi för att förklara varför detta kan vara så. Betänk: minutvolymen ökar, inte bara på grund av den ökade andningsfrekvensen utan också på grund av ökningen av tidalvolymen. Med ökad lungvolym ökar den totala alveolära gasutbytesytan. Dessutom ökar hjärtminutvolymen. Därmed ökar blodtillförseln till lungkapillärerna. Detta förändrar V/Q-fördelningen, eftersom fler kapillärer rekryteras i lungområden som tidigare antingen var ”verkligt” dödutrymme eller hade en V/Q mycket större än 1,0. För att sammanfatta detta i en smaklig form:

Med träning förändras båda de viktigaste delarna som påverkar diffusionskapaciteten:

• Syreupptaget i lungkapillärerna ökar eftersom:
  • Yttersubstansytan ökar (större tidalvolymer)
  • Pulmonalt blodflöde ökar (ökad hjärtminutvolym)
  • V/Q-matchningen förbättras (områden med hög ventilation får större blodflöde och vilande kapillärbäddar rekryteras)
• Partialtryckgradienten i lungkapillärerna ökar på grund av att:
  • Den ökar på grund av att:
    • Det ökar på grund av att den totala syretillförseln till lungkapillärerna ökar:
      • Oxygen extraction ratio ökar, vilket minskar PO2 i den blandade venösa
      • En ökad minutventilation minskar den alveolära PCO2 (vilket ökar den alveolära PO2, allt annat lika)
      • En ökad leverans av hemoglobin till absorptionsytan fungerar som en syrgassänka och upprätthåller ett lågt kapillärt partialtryck

    Hur mycket av en ökning av DLO2 bör vi förvänta oss? Kollegiets svar på fråga 20 i den första artikeln från 2012 tar upp detta i en kryptisk anmärkning: ”…alveolär ventilation ökar och det finns en bättre matchning av ventilation och perfusion ökar från 21 ml/min/mmHg upp till 65 ml/min/mmHg”.
    Men förmodligen avser de värden som citeras i den senare halvan av detta obiter dictum förändringar i DLCO, och härstammar från någonstans som är välrenommerat, men vem vet var det är. Man förväntar sig i allmänhet att de kommer från en lärobok, och läroboksvärden kommer vanligtvis från studier som utfördes på 1960-talet. Utan att specifikt veta vilken medeltida källa examinatorerna hade i åtanke är sökandet efter väsentliga referenser med expertgranskning i stort sett detsamma som att kasta pilar i litteraturen. En kort sökning ger till exempel en studie av Turino et al (1963), vars friska frivilliga fick DLCO-värden i vila som varierade mellan 18 och 22 och träningsvärden som varierade mellan 55 och 64 ml/min/mmHg. Detta verkar ungefär korrekt, och man kan i alla fall inte föreställa sig ett universum där det skulle vara avgörande för hur man klarar ett prov att ha eller inte ha de exakta siffrorna här.