Elastischer Rückstoß der Lunge beim Atmen bei erhöhtem Lungenvolumen

in einer kürzlich durchgeführten Studie zur induzierten Bronchokonstriktion von Pellegrino et al. (13), wenn die maximale Strömung auf die Steuergezeitenstromvolumenkurve auftrifft, die funktionelle Restkapazität (FRC) erhöht. Das Atemmuster blieb bis auf die Zunahme des Lungenvolumens im Wesentlichen konstant (13). Vor dem Anstieg der FRC führte die Bronchokonstriktion zu einem Anstieg der Elastanz ohne konsistente Wirkung auf den elastischen Rückstoß der Lunge bei Kontroll-FRC. Eine Bronchokonstriktion, die stark genug war, um einen Anstieg der FRC zu erzeugen, war mit einem weiteren Anstieg der Elastanz verbunden, aber der Lungenrückstoß bei der erhöhten FRC war systematisch geringer als vorhergesagt als die Elastanz bei der anfänglichen FRC. Dieses Phänomen trat sowohl bei Asthmatikern als auch bei normalen Probanden auf, die eine ausreichende Bronchokonstriktion erreichten, um ihre FRC zu erhöhen. Der verringerte elastische Rückstoß der Lunge verringerte die Zunahme der elastischen Atemarbeit, die durch die Hyperinflation erzeugt wurde. Es gab keine statistisch signifikante Änderung des elastischen Rückstoßes der Lunge aus statischen Deflationsdruck-Volumen (P-V) -Kurven aus der Gesamtlungenkapazität (DC). Der weniger als erwartete Anstieg des Lungenrückstoßes, der mit dem Anstieg des mittleren Lungenvolumens auftrat, könnte durch einen durch Bronchokonstriktormittel induzierten Atemwegsverschluss oder durch eine durch das erhöhte mittlere Lungenvolumen erzeugte Stressrelaxation verursacht worden sein. Freiwillige Erhöhungen der FRC sollten nicht zu einem Verschluss der Atemwege führen. Wenn freiwillige Erhöhungen des Lungenvolumens zu einer Verringerung des elastischen Rückstoßes der Lunge führten, würde dies darauf hindeuten, dass die Stressrelaxation dafür verantwortlich war. Daher untersuchten wir die Auswirkungen des freiwilligen Anstiegs von FRC und des mittleren Lungenvolumens auf den Lungenrückstoß.

Acht normale Männer im Alter von 29 bis 39 Jahren wurden in einem druckkorrigierten, integrierten Durchfluss-Volumen-Verdrängungs-Plethysmographen untersucht. Anthropometrische Daten sind in Tabelle 1 dargestellt. Der Frequenzgang dieses Plethysmographen ist bis zu 10 Hz ausreichend. Volumenmessungen wurden erhalten, indem die Druckdifferenz über ein Widerstandselement in der Wand des Plethysmographen mit einem Validyne-Druckaufnehmer MP45 (± 2 cmH2O) gemessen wurde. Dieses Signal wurde dann integriert und für die Phasenverzögerung wegen der pneumatischen Kapazität des Plethysmographen korrigiert, um Volumen zu erhalten. Die Eigenschaften dieser Art von Plethysmographen sind an anderer Stelle beschrieben (11, 14). Der Atemfluss wurde mit einem Fleisch-Pneumotachographen Nr. 3 gemessen, der an einen Validyne-Druckaufnehmer MP45 (± 2 cmH2O) angeschlossen war. Der transpulmonale Druck (Ptp) wurde mit einem 10 cm langen dünnen Latexballon gemessen, der im unteren Drittel der Speiseröhre, 38-45 cm vom Nasenloch entfernt, positioniert und mit einem Statham 131-Druckaufnehmer (± 5 psi) verbunden war. Der Ballon wurde mit ∼1 ml Luft gefüllt. Ptp wurde als Differenz zwischen Mund- und Speiseröhrendruck geschätzt. Die Platzierung des Ballons wurde als korrekt angesehen, wenn die Ptp konstant blieb, während die Probanden sanfte Atemanstrengungen gegen eine kleine Öffnung unternahmen. Orale Druckänderungen bestätigten die Atembemühungen. Fluss-, Volumen- und Ptp-Signale wurden auf einem Streifendiagrammrekorder (HP-7758A) aufgezeichnet und mit einem Computer (DEC11 / 73) bei einer Abtastrate von 50 Hz für die nachfolgende Analyse digital gesammelt.

Protokoll.

Die Probanden wurden angewiesen, während der gesamten Studie kontinuierlich durch das Mundstück zu atmen, um eine Steady-State-Wärmeübertragung zu erreichen und die thermische Drift während der Messungen zu minimieren. Die Probanden atmeten 3-5 Minuten lang ruhig ohne spezifische Anweisungen, außer um einen tiefen Atemzug zu vermeiden, während der Integrator eingestellt wurde, um die thermische Drift zu minimieren. Der Integrator wurde so eingestellt, dass die Reset-Taste die Lautstärke auf die Endstufe zurücksetzt, die vom Online-Computer als Nulllautstärke aufgezeichnet wurde. Die Verstärkung eines zeitbasierten Oszilloskops wurde so eingestellt, dass die Lautstärke während der normalen Gezeitenatmung zwischen der ersten und der zweiten von drei gleich beabstandeten Zeilen auf dem Display fiel. Zu Beginn der Datenerfassung wurde dieses Oszilloskop so platziert, dass die Probanden es sehen konnten, und sie wurden angewiesen, 1 Minute lang „zwischen den ersten beiden Zeilen zu atmen“ und dann eines von zwei experimentellen Manövern durchzuführen.1) Vt wurde konstant gehalten, aber FRC wurde erhöht, so dass das anfängliche endinspiratorische Volumen das neue FRC wurde und die Volumenauslenkung von den Zeilen 2-3 auf dem Oszilloskop war (Vt + 1-Muster; Abb.1A).2) Die Vt wurde verdoppelt, so dass die Vt-Auslenkung auf dem Oszilloskop eher von den Zeilen 1-3 als von 1-2 stammte (2Vt-Muster; Abb.1B). Die Reihenfolge der Manöver war zufällig und dauerte jeweils ∼1 min. Am Ende jedes auferlegten Atemmusters wurde der Atemweg mit dem Volumen verschlossen, das der Kontrolle entsprach Endinspiration, das war Endexspiration für das Vt + 1-Muster und Mid-Vt für das 2Vt-Muster. Das Thoraxgasvolumen wurde gemessen, und die Probanden führten eine maximale Inspiration für DC durch.

Datenanalyse.

Ptp, Flow und Volumen für jeden Atemzug wurden mit der Methode der kleinsten Quadrate analysiert. Der Beginn des inspiratorischen Flusses (Vi) wurde bestimmt, indem von einer bestimmten Inspiration zum ersten Flusspunkt > 0 zurückgesucht wurde. Der endexspiratorische Fluss wird als letzter Punkt < 0 in der exspiratorischen Phase des Atems genommen. Jeder Atemzug wurde mit einem Elastanzterm und einem separaten Lungenwiderstand für Inspiration (Rli) und Exspiration (Rle) untersucht (12). Nachdem die Nullflusspunkte bestimmt wurden, wird der Druck während des Ausatmens auf Null gedrückt, der exspiratorische Fluss (Ve) wird während des Einatmens auf Null gedrückt und die Daten werden an die folgende Gleichung angepasst

wobei P0 Ptp bei Nullvolumen ist, was Steuerende Inspiration ist; Edyn ist dynamische Elastanz; und V ist Volumen relativ zu Null. Der elastische Rückstoß der Lunge für jedes Volumen innerhalb des Gezeitenatmungsbereichs wurde berechnet, indem die Gleichung mit beiden auf Null gesetzten Strömen gelöst wurde. Die durch diese Berechnung gebildete Linie ist nicht von der Linie zu unterscheiden, die Punkte des Nullflusses verbindet, aber die Steigung weist eine viel geringere Variabilität von Atemzug zu Atemzug auf. Wir haben die Daten für jeden der vier Atemzüge vor und nach dem Ändern des Beatmungsmusters für jedes Subjekt angepasst.

Statistik.

P0, Rli, Rle und Edyn für Atemzüge vor und nach dem Ändern des Atemmusters jedes Probanden wurden durch wiederholte Messungen analysiert ANOVA bei jedem der Atemmuster. DC am Ende der beiden Atemmuster wurde durch Pairedttest verglichen.

ERGEBNISSE

Es gab keine Unterschiede in der DC, die nach den beiden Manövern oder P0, Rli, Rle und Edyn vor der Änderung des Atemmusters gemessen wurden. Abbildung 1A veranschaulicht sowohl die Änderung des Atemmusters als auch die Änderungen des Ptp für ein repräsentatives Subjekt, wenn die FRC erhöht wurde. Die Veränderungen des Lungenvolumens waren nicht mit proportionalen Veränderungen der Ptp verbunden. Dieser Effekt trat innerhalb der ersten Atemzüge auf. Entsprechende transpulmonale P-V-Schleifen und die Passform für die dynamische Lungenelastanz für die Atemzüge desselben Probanden sind in Fig. 2A. Für das Vt + 1-Muster wurde die berechnete elastische Komponente der dynamischen Schleife nach dem Anstieg von FRC relativ zur Extrapolation des Steueratems reduziert. Der Effekt der Verdoppelung von Vt bei demselben Subjekt ist in Abb. 2B. Für das 2Vt-Muster verdoppelte sich die Amplitude des Drucks, und es gab im Wesentlichen keine Druckänderung bei Nullvolumen in diesem Subjekt. Es gab keine Unterschiede in Rli und Rle zwischen den Atemmustern. Elastische Rückspulen und Edyn für jedes Subjekt sind in Tabelle 2 gezeigt. Das Vt + 1-Muster wurde mit einer 10 assoziiert.6% Abnahme des mittleren elastischen Rückstoßes am gemeinsamen Volumen, Kontrollende Inspiration (P < 0,001). Das 2Vt-Muster war mit einer geringeren mittleren Abnahme des elastischen Rückstoßes bei gleichem Volumen verbunden und statistisch nicht signifikant (P < 0,27). Es gab kleine, aber statistisch signifikante Erhöhungen der Elastanz sowohl mit Vt + 1- als auch mit 2Vt-Mustern.

DISKUSSION

Kommentare zur Methodik.

Die Trennung von Rli und Rle Bietet eine bessere Anpassung an die dynamische P-V-Beziehung als ein einzelner Widerstand. Rle ist größer als Rli, wie aus den Änderungen des transmuralen Drucks der intrathorakalen Atemwege und der glottischen Apertur zu erwarten wäre. Wenn ein einzelner Widerstand verwendet wird, wenn Rle und Rli sehr unterschiedlich sind, wird die Regressionsanalyse berücksichtigt, indem die berechnete elastische P-V-Beziehung von der Seite der Schleife mit dem höheren Widerstand weg verschoben wird. Daher sowohl Rli als auch Rle verwendenbietet eine bessere Schätzung des elastischen Drucks. Die elastische Komponente der dynamischen P-V-Schleife über den Gezeitenatmungsbereich wird durch Plotten geschätzt PlFRC + EV, wobei PlFRCis Ptp bei FRC. Diese Linie ist im Wesentlichen nicht von der geraden Linie zu unterscheiden, die die P-V-Beziehung zu Zeitpunkten des Nullflusses verbindet, weist jedoch eine geringere Variabilität von Atemzug zu Atemzug auf. Da der Nullfluss bei jedem Atemzug während des Kontroll- und Vt + 1-Musters nicht genau bei unserem mittleren Kontrollende-Inspirationsvolumen, dem Nullvolumen, auftrat, können wir mit dieser Methode den dynamischen elastischen Druck bei diesem Volumen mit reduzierter Variabilität abschätzen. Als wir jedoch den elastischen Rückstoß bei der Endinspiration während der Kontrollatmung und der Endexspiration während des Vt + 1-Musters berechneten, wurden praktisch identische Ergebnisse erhalten, da unsere Probanden das gewünschte Atemmuster recht gut erreichen konnten.

Da die P-V-Beziehung der Lunge nicht linear ist, ist die Elastanz eine Annäherung an die P-V-Beziehung. Wenn die P-V-Beziehung ein einzelner Exponent wäre, wäre die Elastanz eine lineare Funktion des mittleren Lungenvolumens. Daher wird die Zunahme der Elastanz sowohl bei den Vt + 1- als auch bei den 2Vt-Mustern erwartet. Die Verwendung einer linearen Beziehung unterschätzt den Lungenrückstoß bei beiden Extremen des Volumens leicht und sollte unseren Vergleich zwischen den Kontroll- und Vt + 1-Daten nicht systematisch verzerren. Eine lineare Analyse würde den elastischen Druck in der Mitte von Vt einer exponentiellen P-V-Beziehung überschätzen und dazu neigen, jeden Reduktionsrückstoß bei Nullvolumen zu unterschätzen, wenn Vt verdoppelt wurde.

Auswirkungen einer erhöhten Vt.

Die Verdoppelung der Vt ergab das gleiche endinspiratorische Lungenvolumen, jedoch ein niedrigeres mittleres Volumen als die Erhöhung der FRC (Tabelle 3). Die Abnahme des Rückstoßes am Kontrollende Inspiration war kleiner und variabler und erreichte keine statistische Signifikanz. Die Zunahme der Elastanz war ebenfalls geringer, aber immer noch signifikant. Wie oben erwähnt, neigt die lineare Analyse einer exponentiellen P-V-Kurve dazu, den Lungenrückstoß in der Mitte von Vt zu überschätzen. Da das Nullvolumen die Endinspiration unter Kontrollbedingungen ist und während einer erhöhten Vt in der Mitte der Vt liegt, gibt es eine systematische Verzerrung, die eine Abnahme des elastischen Rückstoßes unterschätzen würde, die mit diesem Atemmuster verbunden ist.

Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass eine Verringerung der FRC durch Brustgurt den Lungenrückstoß erhöht (1, 3, 16). Diese Zunahme des Rückstoßes ist funktionell signifikant und geht mit einer Zunahme des maximalen Ve bei konstantem Volumen einher (16). Das Übergewicht der Beweise legt nahe, dass es nicht auf Atelektase zurückzuführen ist, sondern auf Veränderungen der Lungenoberflächenspannung (9, 15). Änderungen der Lungenoberflächenspannung sind einer der möglichen Mechanismen für die Stressanpassung, die zu einer Zunahme des Lungenrückstoßes führen würden, wenn das Lungenvolumen unter seinen üblichen Wert reduziert wird, und zu einer Verringerung des Lungenrückstoßes, wenn das mittlere Lungenvolumen erhöht wird.

Wir sind uns keiner früheren Studie bewusst, die einen elastischen Rückstoß während eines freiwilligen Anstiegs des mittleren Lungenvolumens berichtet. In einer früheren Studie mit statischen Deflations-P-V-Kurven aus DC, nachdem Probanden 45-60 s bei sehr hohen mittleren Lungenvolumina geatmet hatten, zeigte einer von drei normalen Probanden eine Abnahme des statischen Lungenrückstoßdrucks, die anderen beiden jedoch nicht (8). Mehrere Studien haben eine Abnahme der DC und eine Zunahme der statischen Deflation gezeigt elastischer Rückstoß bei konstantem Lungenvolumen nach Linderung der Bronchokonstriktion mit Beta-Agonisten (4, 7). In diesen Studien wurden jedoch DC und Atemwegswiderstand durch Körperplethysmographie bestimmt, bevor nachgewiesen wurde, dass hochfrequentes Keuchen bei Patienten mit schwerer Atemwegsobstruktion das Lungenvolumen überschätzt (2). Daher kann Artefakt zu diesen Ergebnissen beitragen. Hohe Dosen von Beta-Agonisten verursachen jedoch bei normalen Personen eine Abnahme des statischen elastischen Rückstoßes der Lunge bei Deflation durch DC, vermutlich aufgrund einer Relaxation des kontraktilen Gewebes anstelle von Veränderungen des Tensids (4, 10). Lungendehnung ist mit einer Freisetzung von Tensid in exzidierten Ratten- und Hundelungen verbunden, die proportional zum Grad der Inflation aufgeblasen sind, und Dehnung verursacht Freisetzung von Tensid aus alveolären Typ-II-Zellen in vitro (5, 6). Die vorliegende Studie liefert starke Beweise dafür, dass, wenn das mittlere Lungenvolumen erhöht wird, gibt es eine rasche Abnahme des Lungenrückstoßes aufgrund von Stressrelaxation. Es gibt keine Hinweise darauf, ob dies auf eine Freisetzung von Tensid auf der Alveolaroberfläche, eine Relaxation kontraktiler Elemente oder eine viskoplastische Verformung anderer parenchymaler Elemente zurückzuführen ist.

Bei einem Probanden verabreichten wir Methacholin in einer Dosis, die ausreichte, um die mittlere Resistenz um 64% zu erhöhen. Diese Dosis reichte nicht aus, um eine Flussbegrenzung im Bereich der Tidalatmung zu verursachen oder die FRC zu erhöhen. Die berechneten elastischen Komponenten der dynamischen P-V-Schleifen sind in Abb.3. Im Kontrollfall waren sowohl Vt + 1- als auch 2Vt-Muster mit einer Abnahme des elastischen Rückstoßes der Lunge und einer minimalen Zunahme der Elastanz verbunden. Bei Bronchokonstriktion nahmen der Lungenrückstoß bei FRC und die Lungenelastanz im Vergleich zur Kontrolle zu. Das Vt + 1-Atemmuster war mit einer größeren Abnahme des Lungenrückstoßes bei Nullvolumen verbunden als in der vorherigen Studie. Es gab auch eine Abnahme des Widerstands mit dem erhöhten mittleren Lungenvolumen aufgrund der bronchodilatatorischen Wirkung eines erhöhten mittleren Lungenvolumens bei normalen Probanden während der Bronchokonstriktion. Wir können nicht ausschließen, dass eine erhöhte Elastanz während der Bronchokonstriktion mit einem normalen Atemmuster in der vorliegenden oder früheren Studie (13) war auf parallele Inhomogenität bis einschließlich zurückzuführen Atemwegsverschluss. Im Gegensatz zu der Situation, in der die FRC aufgrund der Atemwegsverengung erhöht ist, können die Veränderungen, die bei einer freiwilligen Zunahme des Lungenvolumens sowohl vor als auch nach einer Bronchokonstriktion auftreten, nicht auf einen Atemwegsverschluss zurückzuführen sein. Die Daten in dieser Studie stimmen am besten mit der Stressanpassung überein, die die Verringerung des Rückstoßes verursacht.

Asthmatiker mit schwerer Bronchokonstriktion erhöhen sowohl ihre Elastizität als auch werden dynamisch hyperinflatiert. Wenn die dynamische P-V-Beziehung der Flugbahn der P-V-Kurve vor dem Anstieg der FRC folgte, würde die elastische Atemarbeit erheblich zunehmen, was zur Ermüdung und zum Versagen der Atemmuskulatur beitragen könnte. Die Verschiebungen in der P-V-Kurve eliminieren diese erhöhte elastische Arbeit nicht, sondern reduzieren sie wesentlich.

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