Рассеивающая способность

Мера переноса газа из легких в эритроциты

Диффузионная способность легких (DL ₎ (также известная как фактор переноса ) измеряет перенос газа из воздуха в легких к эритроцитам в кровеносных сосудах легких. Это часть комплексной серии тестов функции легких для определения общей способности легких транспортировать газ в кровь и из нее. DL _{, особенно DLCO ,} снижается при некоторых заболеваниях легких и сердца. Измерение _DLCO было стандартизировано в соответствии с меморандумом ^[1] целевой группы Европейского респираторного и Американского торакального обществ.

В физиологии дыхания диффузионная способность имеет долгую историю применения, представляя собой проводимость газа через альвеолярно-капиллярную мембрану, а также учитывает факторы, влияющие на поведение данного газа с гемоглобином. ^{[ необходима цитата ]}

Термин можно считать неправильным, поскольку он не отражает ни диффузию , ни емкость (поскольку она обычно измеряется при субмаксимальных условиях), ни емкость . Кроме того, транспорт газа ограничен диффузией только в экстремальных случаях, например, при поглощении кислорода при очень низком уровне окружающего кислорода или очень высоком легочном кровотоке. ^{[ необходима цитата ]}

Диффузионная способность не измеряет напрямую основную причину гипоксемии или низкого содержания кислорода в крови, а именно несоответствие вентиляции и перфузии : ^[2]

• Не вся легочная артериальная кровь поступает в области легкого, где может происходить газообмен (анатомические или физиологические шунты), и эта плохо оксигенированная кровь воссоединяется с хорошо оксигенированной кровью из здорового легкого в легочной вене. Вместе эта смесь содержит меньше кислорода, чем кровь из одного здорового легкого, и поэтому является гипоксемичной.
• Аналогично, не весь вдыхаемый воздух поступает в области легких, где может происходить газообмен ( анатомические и физиологические мертвые пространства ), и поэтому тратится впустую.

Тестирование

Тест на диффузионную способность при однократном вдохе является наиболее распространенным способом определения . ^[1] Тест проводится, когда испытуемый выдыхает весь воздух, который он может, оставляя только остаточный объем газа в легких. Затем человек быстро и полностью вдыхает тестовую газовую смесь, достигая общей емкости легких как можно ближе. Эта тестовая газовая смесь содержит небольшое количество окиси углерода (обычно 0,3%) и индикаторный газ , который свободно распределяется по всему альвеолярному пространству, но который не пересекает альвеолярно-капиллярную мембрану. Гелий и метан являются двумя такими газами. Тестовый газ удерживается в легких в течение примерно 10 секунд, в течение которых CO (но не индикаторный газ) непрерывно перемещается из альвеол в кровь. Затем испытуемый выдыхает. ${\displaystyle D_{L}}$

Анатомия дыхательных путей означает, что вдыхаемый воздух должен пройти через рот, трахею, бронхи и бронхиолы ( анатомическое мертвое пространство ), прежде чем он попадет в альвеолы, где произойдет газообмен; при выдохе альвеолярный газ должен вернуться по тому же пути, и поэтому выдыхаемый образец будет чисто альвеолярным только после того, как будет выдохнуто от 500 до 1000 мл газа. ^{[ необходима цитата ]} Хотя алгебраически возможно аппроксимировать эффекты анатомии ( метод трех уравнений ^[3] ), болезненные состояния вносят значительную неопределенность в этот подход. Вместо этого первые 500–1000 мл выдыхаемого газа игнорируются, а следующая порция, содержащая газ, который был в альвеолах, анализируется. ^[1] Анализируя концентрации оксида углерода и инертного газа во вдыхаемом газе и в выдыхаемом газе, можно рассчитать в соответствии с уравнением 2 . Во-первых, скорость поглощения CO легкими рассчитывается по формуле: ${\displaystyle (D_{L_{CO}})}$

Аппаратура для измерения функции легких отслеживает изменение концентрации CO, произошедшее во время задержки дыхания, а также регистрирует время . ${\displaystyle \Delta {[CO]}}$ ${\displaystyle \Delta {t}}$

Объем альвеол определяется степенью разбавления индикаторного газа при вдыхании его в легкие. ${\displaystyle V_{A}}$

Сходным образом,

где

${\displaystyle F_{A_{CO_{O}}}}$— начальная альвеолярная фракционная концентрация CO, рассчитанная путем разбавления индикаторного газа.

${\displaystyle V_{B}}$это барометрическое давление

Другие методы, которые в настоящее время не так широко используются, могут измерять диффузионную способность. К ним относятся диффузионная способность в устойчивом состоянии, которая выполняется во время обычного приливного дыхания, или метод возвратного дыхания, который требует возвратного дыхания из резервуара газовых смесей.

Расчет

Диффузионная способность кислорода — это коэффициент пропорциональности, связывающий скорость поглощения кислорода легкими с градиентом кислорода между капиллярной кровью и альвеолами (согласно законам диффузии Фика ). В физиологии дыхания удобно выражать транспорт молекул газа как изменение объема, поскольку (т. е. в газе объем пропорционален числу молекул в нем). Кроме того, концентрация кислорода ( парциальное давление ) в легочной артерии считается репрезентативной для капиллярной крови. Таким образом, может быть рассчитана как скорость поглощения кислорода легкими, деленная на градиент кислорода между альвеолами («A») и легочной артерией («a»). ${\displaystyle (D_{L_{O_{2}}})}$ ${\displaystyle {V_{O_{2}}}\propto {n_{O_{2}}}}$ ${\displaystyle (D_{L_{O_{2}}})}$ ${\displaystyle ({\dot {V}}_{O_{2}})}$

(Вместо , скажите «V dot». Это обозначение Исаака Ньютона для первой производной (или скорости), и оно обычно используется в физиологии дыхания для этой цели.) ${\displaystyle {\dot {V}}}$

${\displaystyle {\dot {V}}_{O_{2}}}$скорость поглощения кислорода легкими (мл/мин).

${\displaystyle P_{A_{O_{2}}}}$парциальное давление кислорода в альвеолах.

${\displaystyle P_{a_{O_{2}}}}$парциальное давление кислорода в легочной артерии.

${\displaystyle P_{v_{O_{2}}}}$— это парциальное давление кислорода в системных венах (где его можно измерить).

Таким образом, чем выше диффузионная способность , тем больше газа будет перенесено в легкие за единицу времени для заданного градиента парциального давления (или концентрации) газа. Поскольку можно узнать концентрацию альвеолярного кислорода и скорость поглощения кислорода, но не концентрацию кислорода в легочной артерии, в качестве полезного приближения в клинических условиях обычно используется венозная концентрация кислорода. ${\displaystyle D_{L}}$

Отбор проб концентрации кислорода в легочной артерии является высокоинвазивной процедурой, но, к счастью, вместо этого можно использовать другой похожий газ, который устраняет эту необходимость ( DLCO ). Окись углерода (CO) прочно и быстро связывается с гемоглобином в крови, поэтому парциальное давление CO в капиллярах пренебрежимо мало, и второй член в знаменателе можно игнорировать. По этой причине CO обычно является тестовым газом, используемым для измерения диффузионной способности, и уравнение упрощается до: ${\displaystyle D_{L}}$

Интерпретация

В целом, здоровый человек имеет значение от 75% до 125% от среднего. ^[4] Однако люди различаются в зависимости от возраста, пола, роста и множества других параметров. По этой причине были опубликованы референтные значения, основанные на популяциях здоровых людей ^{[5] [6] [7],} а также измерениях, проведенных на высоте, ^[8] для детей ^[9] и некоторых определенных групп населения. ^{[10] [11] [12]} ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Уровень CO в крови не может быть незначительным

У заядлых курильщиков уровень CO в крови достаточно велик, чтобы повлиять на измерение , и требуется корректировка расчета, если COHb превышает 2% от общего числа. ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Два компонента ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Хотя имеет большое практическое значение, будучи общей мерой переноса газа, интерпретация этого измерения осложняется тем фактом, что оно не измеряет какую-либо одну часть многоэтапного процесса. Поэтому в качестве концептуальной помощи в интерпретации результатов этого теста время, необходимое для переноса CO из воздуха в кровь, можно разделить на две части. Сначала CO пересекает альвеолярно-капиллярную мембрану (представленную как ), а затем CO соединяется с гемоглобином в капиллярных эритроцитах со скоростью, умноженной на объем присутствующей капиллярной крови ( ). ^[13] Поскольку этапы являются последовательными, проводимости складываются как сумма обратных величин: ${\displaystyle (D_{L})}$ ${\displaystyle D_{M}}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle V_{c}}$

Любое изменение в альтерах ${\displaystyle V_{c}}$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Объем крови в капиллярах легких, , значительно изменяется во время обычных занятий, таких как физические упражнения . Простое вдыхание приносит немного дополнительной крови в легкие из-за отрицательного внутригрудного давления, необходимого для вдоха. В крайнем случае, вдох против закрытой голосовой щели, маневр Мюллера , втягивает кровь в грудь. Обратное также верно, так как выдох увеличивает давление внутри грудной клетки и, таким образом, имеет тенденцию выталкивать кровь; маневр Вальсальвы - это выдох против закрытых дыхательных путей, который может выталкивать кровь из легких. Таким образом, сильное дыхание во время упражнений будет приносить дополнительную кровь в легкие во время вдоха и выталкивать кровь во время выдоха. Но во время упражнений (или, что реже, когда есть структурный дефект в сердце, который позволяет крови шунтироваться из высокого давления, системного кровообращения в низкое давление, легочное кровообращение) также увеличивается кровоток по всему телу, и легкие адаптируются, привлекая дополнительные капилляры для переноса увеличенного выброса сердца, еще больше увеличивая количество крови в легких. Это будет казаться усиливающимся, когда субъект не находится в состоянии покоя, особенно во время вдоха. ${\displaystyle V_{c}}$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

При заболевании кровоизлияние в легкие увеличит количество молекул гемоглобина, контактирующих с воздухом, и поэтому измеряемое значение увеличится. В этом случае окись углерода, используемая в тесте, будет связываться с гемоглобином, который попал в легкие с кровью. Это не отражает увеличение диффузионной способности легких переносить кислород в системный кровоток. ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Наконец, увеличивается при ожирении и когда субъект ложится, оба эти фактора увеличивают приток крови в легкие за счет сжатия и силы тяжести и, таким образом, оба увеличивают . ${\displaystyle V_{c}}$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Причины, по которым различаются ${\displaystyle \theta }$

Скорость поглощения CO в кровь , зависит от концентрации гемоглобина в этой крови, сокращенно Hb в CBC ( полный анализ крови ). Больше гемоглобина присутствует при полицитемии , и поэтому он повышен. При анемии верно обратное. В средах с высоким уровнем CO во вдыхаемом воздухе (например, курение ), часть гемоглобина крови становится неэффективной из-за его тесной связи с CO, и поэтому аналогична анемии. Рекомендуется корректировать, когда уровень CO в крови высокий. ^[1] ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Объем крови в легких также уменьшается, когда кровоток прерывается тромбами ( легочная эмболия ) или уменьшается из-за деформаций костей грудной клетки, например, сколиоза и кифоза .

Изменение концентрации кислорода в окружающей среде также изменяет . На большой высоте вдыхаемый кислород низок и больше гемоглобина крови свободно связывает CO; таким образом увеличивается и кажется увеличенным. Наоборот, дополнительный кислород увеличивает насыщение Hb, уменьшая и . ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

Заболевания легких, которые уменьшают и ${\displaystyle D_{M}}$ ${\displaystyle \theta *V_{c}}$

Заболевания, которые изменяют легочную ткань, уменьшают как и в различной степени, и, таким образом, уменьшают . ${\displaystyle D_{M}}$ ${\displaystyle \theta *V_{c}}$ ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

1. Потеря легочной паренхимы при таких заболеваниях, как эмфизема .
2. Заболевания, которые приводят к образованию рубцов на легких ( интерстициальное заболевание легких ), такие как идиопатический легочный фиброз или саркоидоз.
3. Отек легочной ткани ( отек легких ) вследствие сердечной недостаточности или острой воспалительной реакции на аллергены ( острый интерстициальный пневмонит ).
4. Заболевания кровеносных сосудов легких, как воспалительные ( легочный васкулит ), так и гипертрофические ( легочная гипертензия ).

Заболевания легких, которые увеличиваются . ${\displaystyle D_{L_{CO}}}$

1. Альвеолярное кровотечение . Синдром Гудпасчера , ^[14] полицитемия , ^[15] внутрисердечные шунты слева направо , ^[16] из-за увеличения объема крови, подвергающейся воздействию вдыхаемого газа.
2. Астма из-за лучшей перфузии верхушек легких. Это вызвано повышением давления в легочной артерии и/или более отрицательным плевральным давлением, создаваемым во время вдоха из-за сужения бронхов. ^[17]

История

В каком-то смысле примечательно, что DL _CO сохранил такую ​​клиническую полезность. Этот метод был изобретен для разрешения одного из величайших споров легочной физиологии столетие назад, а именно вопроса о том, активно ли кислород и другие газы транспортируются в кровь и из нее легкими, или молекулы газа диффундируют пассивно. ^[18] Примечателен также тот факт, что обе стороны использовали этот метод для получения доказательств в пользу своих гипотез. Для начала Кристиан Бор изобрел метод, используя протокол, аналогичный диффузионной способности стационарного состояния для оксида углерода, и пришел к выводу, что кислород активно транспортируется в легкие. Его ученик Август Крог разработал метод диффузионной способности одного вдоха вместе со своей женой Мари и убедительно продемонстрировал, что газы диффундируют пассивно, ^{[19] [20] [21] [22] [23] [24] [25]} открытие, которое привело к демонстрации того, что капилляры в крови вовлекаются в работу по мере необходимости — идея, удостоенная Нобелевской премии. ^[26]

Смотрите также

• ДЛКО

Ссылки

1. Macintyre N, Crapo RO, Viegi G и др. (2005). «Стандартизация определения поглощения оксида углерода в легких при однократном вдохе». Eur Respir J . 26 (4): 720–35. doi : 10.1183/09031936.05.00034905 . PMID  16204605. S2CID  18177228.
2. Уэст, Дж. 2011. Физиология дыхания: Основы. 9e. ISBN 978-1-60913-640-6 
3. Graham BL, Mink JT, Cotton DJ (1981). «Повышенная точность и достоверность измерений диффузионной способности CO2 при однократном вдохе». J Appl Physiol . 51 (5): 1306–13. doi :10.1152/jappl.1981.51.5.1306. PMID  7298468.
4. LUNGFUNKTION - Практический сборник для семестра 6. Кафедра медицинских наук, клиническая физиология, академическая больница, Уппсала, Швеция. Получено в 2010 году.
5. Miller A, Thornton JC, Warshaw R, Anderson H, Teirstein AS, Selikoff IJ (1983). «Диффузионная способность одного вдоха в репрезентативной выборке населения Мичигана, крупного промышленного штата. Прогнозируемые значения, нижние границы нормы и частоты отклонений от нормы по истории курения». Am Rev Respir Dis . 127 (3): 270–7. doi :10.1164/arrd.1983.127.3.270 (неактивен 2024-09-12). PMID  6830050.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )
6. Knudson RJ, Kaltenborn WT, Knudson DE, Burrows B (1987). «Способность диффузии оксида углерода при однократном вдохе. Справочные уравнения, полученные на основе данных о здоровом некурящем населении и эффектах гематокрита». Am Rev Respir Dis . 135 (4): 805–11. doi :10.1164/arrd.1987.135.4.805. PMID  3565929.
7. Cotes JE, Chinn DJ, Quanjer PH, Roca J, Yernault JC (1993). «Стандартизация измерения коэффициента переноса (диффузионная способность)». Eur Respir J Suppl . 16 : 41–52. doi : 10.1183/09041950.041s1693 . PMID  8499053. S2CID  54555111.
8. Crapo RO, Morris AH, Gardner RM (1982). «Референтные значения для объема легочной ткани, диффузионной способности мембраны и объема легочной капиллярной крови». Bull Eur Physiopathol Respir . 18 (6): 893–9. PMID  6927541.
9. Koopman M, Zanen P, Kruitwagen CL, van der Ent CK, Arets HG (2011). «Референтные значения для тестирования функции легких у детей: набор данных Утрехта». Respir. Med . 105 (1): 15–23. doi : 10.1016/j.rmed.2010.07.020 . PMID  20889322.Ошибка в Respir. Мед. 2011 декабрь;105(12):1970-1.
10. Chin NK, Ng TP, Hui KP, Tan WC (июнь 1997 г.). «Популяционные стандарты легочной функции у некурящих взрослых в Сингапуре». Респирология . 2 (2): 143–9. doi :10.1111/j.1440-1843.1997.tb00070.x. PMID  9441128. S2CID  31037816.
11. Piirilä P, Seikkula T, Välimäki P (2007). «Различия между финскими и европейскими референтными значениями диффузионной способности легких». Int J Circumpolar Health . 66 (5): 449–57. doi : 10.3402/ijch.v66i5.18316 . PMID  18274210. S2CID  22302973.
12. Ip MS, Lam WK, Lai AY и др. (июль 2007 г.). «Гонконгское торакальное общество. Референтные значения диффузионной способности некурящих китайцев в Гонконге». Респирология . 12 (4): 599–606. doi :10.1111/j.1440-1843.2007.01084.x. PMID  17587430. S2CID  5897844.
13. Roughton FJ, Forster RE (1957). «Относительная важность скоростей диффузии и химических реакций в определении скорости обмена газов в легких человека, с особым акцентом на истинную диффузионную способность легочной мембраны и объем крови в капиллярах легких». J Appl Physiol . 11 (2): 290–302. doi :10.1152/jappl.1957.11.2.290. PMID  13475180.
14. Грининг, AP; Хьюз, JM (май 1981). «Серийные оценки диффузионной способности оксида углерода при внутрилегочном кровотечении». Clinical Science . 60 (5): 507–12. doi :10.1042/cs0600507. PMID  7249536.
15. Берджесс, Дж. Х.; Бишоп, Дж. М. (1963). «Легочная диффузионная способность и подразделения ITS при истинной полицитемии». Журнал клинических исследований . 42 (7): 997–1006. doi :10.1172/JCI104804. PMC 289367. PMID  14016987 . 
16. AUCHINCLOSS JH, Jr; GILBERT, R; EICH, RH (февраль 1959). «Легочная диффузионная способность при врожденных и ревматических заболеваниях сердца». Circulation . 19 (2): 232–41. doi : 10.1161/01.cir.19.2.232 . PMID  13629784. S2CID  27264342.
17. Collard, P; Njinou, B; Nejadnik, B; Keyeux, A; Frans, A (май 1994). «Способность диффузии оксида углерода при одиночном дыхании при стабильной астме». Chest . 105 (5): 1426–9. doi :10.1378/chest.105.5.1426. PMID  8181330.
18. Gjedde A (2010). «Диффузные идеи: о разногласиях Кристиана Бора и Августа Крога». Adv Physiol Educ . 34 (4): 174–185. doi :10.1152/advan.00092.2010. PMID  21098384. S2CID  31010852.
19. Крог А. 1910 О кислородном обмене крови. Skand Arch Physiol 23: 193–199
20. Крог А. 1910 О механизме газообмена в легких черепахи. Skand Arch Physiol 23: 200–216.
21. Крог А. 1910 О соединении гемоглобина со смесями кислорода и углекислоты. Skand Arch Physiol 23: 217–223.
22. Крог А. 1910 Некоторые эксперименты по проникновению кислорода и оксида углерода в воду. Skand Arch Physiol 23: 224–235
23. Крог А. 1910 О механизме газообмена в легких. Skand Arch Physiol 23: 248–278
24. Крог А., Крог М. 1910 О напряжении газов в артериальной крови. Skand Arch Physiol 23: 179–192.
25. Krogh A, Krogh M. 1910 Скорость диффузии в легкие человека. Skand Arch Physiol 23: 236–247
26. «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1920 года».

Дальнейшее чтение

• Мейсон Р.Дж., Броддус В.К., Мартин Т., Кинг Т.младший, Шрауфнагель Д., Мюррей Дж.Ф., Надель Дж.А. (2010) Учебник респираторной медицины. 5е. ISBN 978-1-4160-4710-0 . 
• Руппель, Г.Л. (2008) Руководство по исследованию функции легких. 9e. ISBN 978-0-323-05212-2 . 
• Уэст, Дж. (2011) Физиология дыхания: Основы. 9e. ISBN 978-1-60913-640-6 . 
• Уэст, Дж. (2012) Легочная патофизиология: Основы. 8e. ISBN 978-1-4511-0713-5 . 

Внешние ссылки

• Легочные+диффузионные+способности в рубриках медицинских предметов Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
• Энциклопедия MedlinePlus : 003854
• Рекомендации по клинической практике Американской ассоциации респираторной помощи
• Домашняя страница Американского физиологического общества
• Домашняя страница Американского торакального общества
• Домашняя страница Европейского респираторного общества