CC BY
299
Функциональные методы исследования
Измерение сопротивления дыхательных путей при бодиплетизмографии
А.В. Черняк
Измерение сопротивления дыхательных путей при бодиплетизмографии является важным дополнением к спирометрии, позволяющим более объективно оценить механику дыхания и причины нарушения вентиляционной способности легких. В статье приведены данные о количественных параметрах и качественном анализе формы петли специфического сопротивления, актуальных для клинической практики.
Ключевые слова: бодиплетизмография, сопротивление дыхательных путей, количественные параметры, форма петли.
Сопротивление дыхательных путей играет важную роль при оценке механики дыхания (области физиологии, которая рассматривает механические силы, обеспечивающие перемещение воздуха в альвеолы и обратно - легочную вентиляцию), поскольку сопротивление воздушному потоку при вдохе и выдохе определяет уровень вентиляции и ее паттерн. Измерение сопротивления дыхательных путей позволяет получить диагностическую информацию в дополнение к той, которую обеспечивает спирометрия - наиболее часто используемый функциональный метод диагностики нарушений вентиляционной способности легких.
Главным компонентом сопротивления дыхательных путей (англ.: airway resistance - R, или Raw) является фрикционное сопротивление, оказываемое стенками трахеобронхиального дерева [1].
Сопротивление дыхательных путей определяют следующие факторы: их длина, объем легких, тонус гладкой мускулатуры и физические свойства газов, проходящих по дыхательным путям. Следует помнить, что сопротивление дыхательных путей распределено неравномерно в трахео-бронхиальном дереве: у взрослого человека при дыхании через рот на глотку и гортань приходится примерно 25% общего сопротивления, на долю центральных дыхательных путей (трахеи, долевых и сегментарных бронхов) - примерно
Александр Владимирович Черняк - канд. мед. наук, зав. лабораторией функциональных и ультразвуковых методов исследования ФГБУ "НИИ пульмонологии" ФМБА России, Москва.
Контактная информация: [email protected]
80% остающегося сопротивления, на долю периферических дыхательных путей - остальные 20% [1].
Общее сопротивление дыхательных путей можно рассчитать, разделив разность давлений в ротовой полости (Ррот) и альвеолах (РА) (движущее давление) на объемную скорость воздушного потока (V):
R =
РА - Р
А рот
V '
(1)
Объемную скорость потока и ротовое давление (Ррот) измерить довольно легко, тогда как альвеолярное давление (РА), напротив, нельзя измерить прямым методом. Однако его можно рассчитать, исходя из значений плеврального давления (Рр1).
При одновременной регистрации с помощью пневмотахографа изменений объема легких (V) и скорости воздушного потока (V), а также изменений Рр1 (соответствуют изменению давления в пищеводе, измеряемому с помощью баллонного катетера) можно измерить общее сопротивление дыхательных путей и его распределение в тра-хеобронхиальном дереве. Однако этот метод является инвазивным, технически сложным и не получил широкого распространения.
Были разработаны неинвазивные методы, позволяющие измерить сопротивление, которые используются в повседневной клинической практике: бодиплетизмография, измерение бронхиального сопротивления с помощью прерывания воздушного потока, импульсная осцил-лометрия. Но "золотым стандартом" в клинической практике остается метод общей бодиплетиз-мографии [2].
Практическая пульмонология | 2016 | № 4
http://atm-press.ru
32
Общая бодиплетизмография: принцип метода
Общая бодиплетизмография обычно состоит из трех стандартных процедур измерения, порядок которых определяется целью диагностического обследования. В первую очередь регистрируют петли специфического сопротивления дыхательных путей (эИ^), затем измеряют объем внутригрудного воздуха - внутригрудной объем (ВГО, англ.: VTG или ITGV) и заканчивают обследование измерением легочных объемов при спокойной или форсированной спирометрии. Фазы измерения могут быть пропущены или повторены в зависимости от получаемой информации и/или способности пациента правильно выполнить маневр.
Исследование проводят следующим образом: человек сидит внутри измерительного устройства - бодиплетизмографа и дышит через пневмо-тахограф. Бодиплетизмографы бывают нескольких типов, но наибольшее распространение получили приборы постоянного объема, в которых объем легких измеряют по изменению давления в камере [2]. Во время исследования дверь камеры бодиплетизмографа должна быть герметично закрыта, а температура внутри и снаружи - постоянна (рис. 1). Герметичность камеры является условной: имеется небольшое отверстие, которое обеспечивает контролируемую утечку воздуха (в современных бодиплетизмографах значение механической постоянной времени <10 с). Такая утечка воздуха сводит к минимуму не связанные с респираторными маневрами медленно происходящие изменения давления, которые вызваны повышением температуры (температурным дрейфом) вследствие нахождения внутри камеры человека, который дышит и выполняет маневры.
Во время исследования с помощью пневмо-тахографа регистрируется вдыхаемый и выдыхаемый пациентом поток воздуха, а датчики давления фиксируют изменения давления в камере (Р ) и в ротовой полости (Р ). Фундамен-
4 кам' 4 рот' п
тальным принципом работы бодиплетизмографа постоянного объема является то, что изменения Р. могут быть получены из изменения Р . За-
А рот
крытие заслонки, расположенной вблизи ротового загубника, приводит к кратковременному перекрытию дыхательных путей. Во время такого перекрытия пациент делает дыхательные усилия, в это время изменение РА (ЛРА) оценивается путем регистрации изменения ротового давления (ЛРрот). Изменения РА можно измерить по ЛР , только если частота дыхания не очень вы-
рот
сокая (менее 60 в 1 мин) [3]. В противном случае у больных с выраженными обструктивными на-
Рис. 1. Общая бодиплетизмография. Р , V -
' ^ ^ кам' кам
давление и объем в камере соответственно.
рушениями существуют достоверные различия между изменениями пищеводного давления и Р [4, 5].
рот
Строится график изменения Ррот (РА) в зависимости от соответствующего ему изменения давления в бодиплетизмографе во время дыхательных усилий против закрытой заслонки, что позволяет измерить ВГО в момент перекрытия дыхательных путей. После открытия заслонки это же соотношение между альвеолярным давлением и давлением в плетизмографе, измеренное во время дыхательных усилий при перекрытии дыхательных путей, распространяется на динамические процессы при свободном дыхании для измерения И^, поскольку воздушный поток связан с РА [2].
Определение специфического сопротивления дыхательных путей
На первом этапе бодиплетизмографии до перекрытия дыхательных путей регистрируют кривые изменения потока в ротовой полости (ось Y) и изменения объема легких (ось Х). Поскольку общее количество воздуха в системе бодиплетиз-мограф-легкие является постоянным, то изменение объема легких вызывает соответствующие изменения давления воздуха в плетизмографе в процессе компрессии и декомпрессии внутри-грудного воздуха при дыхании. Это изменение давления в плетизмографе измеряют и преобразовывают в изменения объема (не включают в себя изменения объема легких, связанные с потоком воздуха в легкие и обратно), которые откладывают по оси Х (рис. 2).
Первоначально исследование проводили при частом поверхностном дыхании [6], в современных приборах программное обеспечение позво-
Изменения объема, мл
Рис. 2. Запись петли специфического сопротивления дыхательных путей (sRaw) у взрослого мужчины с бронхиальной обструкцией легкой степени: наклон петли между двумя точками максимального изменения объема на вдохе и выдохе используют для вычисления общего sRaw (sRaw ). Поток воздуха в ротовой полости на вдохе положительный, на выдохе - отрицательный. Изменения объема: на вдохе значения положительные, на выдохе - отрицательные.
ляет устранить влияние изменения температуры и влажности, так что даже при спокойном дыхании кривые петли sRaw тесно соприкасаются друг с другом (см. рис. 2).
Следует подчеркнуть, что используемый угол наклона петли sRaw не является непосредственно сопротивлением дыхательных путей (Raw), как часто предполагают. Для расчета Raw необходимо измерить также ВГО, поскольку Raw рассчитывают по формуле
R = sR /ВГО. (2)
aw aw
Таким образом, на форму петли sRaw влияют как R , так и ВГО: увеличение R и/или ВГО
aw aw
приводит к увеличению наклона петли по часовой стрелке (петля становится более пологой).
Измерение sRaw при бодиплетизмографии не требует больших усилий от пациента, так как современное оборудование позволяет проводить исследование при обычном спокойном дыхании. Необходимо зарегистрировать по крайней мере 5-10 петель sRaw во время одного исследования. Оптимальное качество записи достигается, когда петли sRaw являются равномерными и воспроизводимыми, линии петли почти полностью прилежат друг к другу, правда, у пациентов с выраженной обструкцией на выдохе кривые не совпадают, между ними появляется пространство (рис. 3).
Количественные параметры, рассчитываемые по петле sR
r aw
Форма петли sR зависит от изменения ско-
aw
рости потока на вдохе и выдохе, поэтому для
Рис. 3. Петля специфического бронхиального сопротивления у больного с выраженными обструктив-ными нарушениями легочной вентиляции: а - общее специфическое сопротивление: sR = 2,47 кПа с ф = 0,68 кПа с/л); б - эффективное специфическое сопротивление: sR = 1,95 кПа с ^^ = 0,54 кПа с/л); в - специфическое сопротивление между потоками 0,5 л/с: sRaw = 0,91 кПа с = 0,25 кПа с/л).
выбора "репрезентативного" значения всего дыхательного цикла разные ученые предлагают анализировать различные участки петли sRaw. Наиболее часто используют следующие количественные параметры:
• общее специфическое сопротивление (sRaw ). Определяется прямой линией между двумя точками максимального изменения объема на вдохе и выдохе (см. рис. 3а) [7]. Отличительной чертой sRaw t является его чувствительность к обструкции периферических дыхательных путей. Потенциальным недостатком sRaw явля-
tot
ется высокая вариабельность между тестами;
• эффективное специфическое сопротивление (sRaw ) (см. рис. 3б). Отличительной чертой sRaw является то, что этот показатель служит интегральной оценкой дыхательных путей в течение всего дыхательного цикла. Математический подход для получения величины sRaw основан на отношении петли объем-изменение объема (работа дыхания, связанная с сопротивлением воздушному потоку) и петли поток-объем [8, 9]. Эффективное специфическое сопротивление отражает проходимость центральных дыхательных путей в большей степени, чем sRawtot;
tot
• специфическое сопротивление между потоками 0,5 л/с (sRaw ) (см. рис. 3в). Первоначально измеряли угол наклона петли sRaw при фиксированном потоке, равном 1 л/с, впоследствии диапазон потока ограничили относительно линейной частью петли sRaw между инспираторным и экспираторным потоками, равными 0,5 л/с, а показатель обозначили как sRaw [6, 10, 11]. Потенциальным преимуществом sRaw является то, что сопротивление измеряют при стандартизированном потоке. У здоровых лиц, а особенно у пациентов с обструкцией дыхательных путей сопротивление зависит от скорости потока, так что при таком подходе межиндивидуальная вариабельность при измерении значительно меньше. Параметр sRaw отражает прежде всего проходимость крупных проксимальных дыхательных путей и демонстрирует невысокую чувствительность к нарушению проходимости периферических дыхательных путей.
Важным параметром является величина, обратная сопротивлению дыхательных путей, -проводимость дыхательных путей. Специфическую проводимость дыхательных путей (sGaw) определяют по формуле
sG = 1/sR .
aw aw
(3)
При вычислении sGaw необходимо уточнять способ измерения специфического сопротивления (эИ ). Взаимосвязь между объемом легких и
проводимостью является линейной, а sGaw - проводимость дыхательных путей, нормированная по объему.
Расчет сопротивления дыхательных путей и проводимости
Для вычисления сопротивления дыхательных путей - показателя, который обычно используют в клинической практике, необходимо измерить ВГО и эИ^ (формула 2). Измерение ВГО проводят сразу после регистрации петель эИ^. Этот этап является более сложным: пациенту необходимо делать респираторные усилия при перекрытии дыхательных путей, что особенно затруднительно для больного с выраженной обструкцией. Следует помнить, что некорректное измерение ВГО влечет за собой ошибку в определении И и G .
V ± п aw aw
Интерпретация результатов измерения Р
г aw
При интерпретации результатов оценивают, как и при спирометрии, не только количественные значения, но и форму петли эИ^.
Количественные значения соотносят с должными значениями. Относительно небольшое число исследований посвящено выработке должных значений И у взрослых. Было установлено, что в отличие от детей у взрослых возраст не оказывает существенного влияния на величину [12, 13]. В качестве верхней границы нормы для мужчин и женщин было выбрано значение, равное 0,30 кПа/л/с [14]. У детей по мере роста и увеличения размера легких снижается. Должные значения для детей были разработаны М. Zapletal al. [15].
Помимо определения количественных значений важную роль играет анализ формы петли эИ^. Форма петли дает больше информации о нарушении физиологии дыхания, чем просто сравнение количественных значений с порогом нормы. В норме петли эИ^ характеризуются расположением, близким к вертикальному, они узкие, их линии практически полностью соприкасаются, т.е. отсутствует гистерезис, или "открытость" петли, когда линии петли не соприкасаются (рис. 4, петля 1). Тем не менее даже у здоровых лиц при скорости воздушного потока, значительно превышающей 0,5 л/с, обычно наблюдается небольшая нелинейность петли эИ^: едва заметное ее уплощение в конце верхней правой части (середина вдоха) и в конце нижней левой части (середина выдоха) [9]. Форма петли подобна таковой при фиксированной обструкции верхних дыхательных путей (см. рис. 4, петля 4), но изменения линейности выражены в значительно меньшей степени.
Изменения объема, мл
Рис. 4. Петли специфического сопротивления: 1 - в норме, при отсутствии бронхиальной обструкции, 2 -при легкой обструкции, 3 - при выраженной обструкции, 4 - при фиксированной обструкции верхних дыхательных путей. Положительный поток соответствует фазе вдоха, отрицательный - фазе выдоха.
При обструкции крупных дыхательных путей, которая не является следствием изолированного стеноза и не сопровождается выраженной обструкцией периферических дыхательных путей, сопротивление дыхательных путей увеличивается. Следствием этого является изменение наклона петли эИ к оси Х, петля становится
aw 7
более пологой. Петли эИ имеют незначитель-
aw
ный гистерезис, либо он отсутствует. Такие петли могут наблюдаться у больных бронхиальной астмой, имеющих обструктивные нарушения легкой степени (см. рис. 4, петля 2). При обструкции периферических дыхательных путей на петлях эИ возможно наличие изогнутостей,
aw '
пересечений. Петли становятся достаточно открытыми, особенно на выдохе, с появлением характерных "булавовидных" расширений (см. рис. 4, петля 3). Расширения в области выдоха являются следствием того, что в середине выдоха происходит существенное изменение объема легких без соответствующего увеличения скорости экспираторного потока. Такое нарушение линейности петли может быть результатом ограничения экспираторного потока и/или динамической компрессии дыхательных путей. Хорошо известно, что при хронической обструкции ограничение экспираторного потока и динамическая компрессия дыхательных путей могут наблюдаться уже при спокойном дыхании, и это вносит свой вклад в характерное изменение формы петли эИ (см. рис. 4, петля 3). Обращает на
себя внимание и тот факт, что при равной скорости потока в начале и в конце выдоха изменение объема в начале выдоха существенно меньше, чем в конце. Появляется гистерезис, который указывает на нелинейную зависимость между изменением ВГО и потоком в ротовой полости и является следствием динамической компрессии дыхательных путей и наличия невентилируемо-го воздушного пространства (т.е. "воздушных ловушек") (см. рис. 4, петля 3) [12].
При фиксированной обструкции верхних дыхательных путей петли эИ^ имеют характерный S-образный вид (см. рис. 4, петля 4). Сужение просвета способствует тому, что увеличение движущего давления не приводит к дальнейшему увеличению потока после достижения определенного предела скорости. Это соответствует характерным изменениям кривой поток-объем при максимальном форсированном выдохе: после достижения предельного движущего давления для потока дальнейшее увеличение усилий (движущего давления) не приведет к какому-либо дальнейшему увеличению скорости потока. Такие петли можно наблюдать у больных со стенозом трахеи или при параличе голосовых связок (см. рис. 4, петля 4).
Таким образом, измерение сопротивления дыхательных путей при бодиплетизмографии является важным дополнением к спирометрии, измерению общей емкости легких и составляющих ее легочных объемов и емкостей, что позволяет
более объективно оценить механику дыхания и причины нарушения вентиляционной способности легких. При интерпретации результатов измерения сопротивления дыхательных путей для физиологической оценки ограничений механики дыхания необходимо анализировать форму петли специфического сопротивления в комбинации с количественными данными. При этом качественный анализ формы петли является даже более важным в диагностическом алгоритме, чем оценка сопротивления дыхательных путей с помощью только количественных показателей.
Список литературы
1. Гриппи М.А. Патофизиология легких. М.; СПб.: Бином; Невский диалект 1999; 344с.
2. Goldman M.D., Smith H.J., Ulmer W.T. Whole-body plethysmography. Eur Respir Mon 2005; 31: 15-43.
3. DuBois A.B., Botelho S.Y., Bedell G.N., Marshall R., Com-roe J.H. Jr. A rapid Plethysmographie method for measuring thoracic gas volume: a comparison with a nitrogen washout method for measuring functional residual capacity in normal subjects. J Clin Invest 1956; 35(3): 322-326.
4. Begin P., Peslin R. Influence of panting frequency on thoracic gas volume measurements in chronic obstructive pulmonary disease. Am Rev Respir Dis 1984; 130(1): 121-123.
5. Brown R., Slutsky A. Frequency dependence of plethysmo-graphic measurement of thoracic gas volume. J Appl Physiol Respir Exerc Physiol 1984; 57(6): 1865-1871.
6. DuBois A.B., Botelho S.Y., Comroe J.H. Jr. A new method for measuring airway resistance in man using a body plethysmo-graph: values in normal subjects and in patients with respiratory disease. J Clin Invest 1956; 35(3): 327-335.
7. Islam M., Ulmer W. Diagnostic value of "closing volume" in comparison to "airway resistance-lung volume plot". Respiration 1974; 31(6): 449-458.
8. Matthys H., Orth U. Comparative measurements of airway resistance. Respiration 1975; 32(2): 121-134.
9. Jaeger M., Otis A. Measurement of airway resistance with a volume displacement body plethysmograph. J Appl Physiol 1964; 19: 813-820.
10. Lord P.W., Edwards J.M. Variation in airways resistance when defined over different ranges of airflows. Thorax 1978; 33(3): 401-405.
11. Hantos Z., Galgoczy G., Daroczy B., Dombos K. Computation of the equivalent airway resistance: a comparison with routine evaluations of plethysmographic measurements. Respiration 1978; 36(2): 64-72.
12. Руководство по клинической физиологии дыхания. Под ред. Шика Л.Л., Канаева Н.Н. Л.: Медицина 1980; 375c.
13. Ulmer W.T., Nolte D., Lecheler J., Schaefer T. Die Lungenfunktion. Methodik und klinische Anwendung [Lung function. Methodology and clinical application]. Thieme 2001; 6: 86-95.
14. Quanjer P. Standardized lung function testing. Bull Eur Physiopath Respir 1983; 19(Suppl. 5): 33-38.
15. Zapletal M., Samanek T., Paul T. Lung function in children and adolescents. In: Herzog H., editor. Methods, reference values. Basel: S. Karger AG; 1987. p.1-220.
The Measurement of Airway Resistance Using Body Plethysmography
A.V. Chernyak
The measurement of airway resistance using body plethysmography serves an important addition to spirometry and provides more objective assessment of respiratory mechanics and impaired ventilator function. The article deals with quantitative parameters and qualitative analysis of specific resistance loops in clinical practice. Key words: body plethysmography, airway resistance, quantitative parameters, loop form.
