Long elastische terugslag tijdens de ademhaling bij verhoogd longvolume

in een recente studie van geïnduceerde bronchoconstrictie door Pellegrino et al. (13), toen de maximale stroom op de regelgetijde flow-volume curve werd beïnvloed, nam de functionele restcapaciteit (FRC) toe. Het ademhalingspatroon bleef vrijwel constant, behalve de toename van het longvolume (13). Vóór de toename van FRC veroorzaakte bronchoconstrictie een toename van de elasticiteit zonder consistent effect op de elastische terugslag van de longen bij controle FRC. Bronchoconstrictie die ernstig genoeg was om een toename van FRC te veroorzaken, ging gepaard met een verdere toename van de elasticiteit, maar de terugslag van de longen bij de verhoogde FRC was systematisch minder dan voorspeld dan de elasticiteit bij de initiële FRC. Dit fenomeen deed zich voor bij zowel astmatische patiënten als bij normale proefpersonen die voldoende bronchoconstrictie bereikten om hun FRC te verhogen. De verminderde elastische terugslag van de longen verminderde de toename van elastisch werk van ademhaling die door de hyperinflatie wordt geproduceerd. Er was geen statistisch significante verandering in de elastische terugslag van de longen door statische deflatiedruk-volume (P-V) curven van de totale longcapaciteit (TLC). De minder dan verwachte toename van de terugslag van de longen die optrad bij de toename van het gemiddelde longvolume kan veroorzaakt zijn door luchtwegsluiting veroorzaakt door bronchoconstrictoren of door ontspanning van stress veroorzaakt door het verhoogde gemiddelde longvolume. Vrijwillige verhogingen van FRC mogen niet leiden tot sluiting van de luchtwegen. Als een vrijwillige toename van het longvolume tot een vermindering van de elastische terugslag van de longen zou leiden, zou dit erop wijzen dat ontspanning van de stress verantwoordelijk was. Daarom bestudeerden we de effecten op de terugslag van de longen van vrijwillige verhogingen van FRC en het gemiddelde longvolume.

acht normale mannen, 29-39 jaar oud, werden bestudeerd in een drukgecorrigeerde, geïntegreerde flow-volume displacement plethysmograph. Antropometrische gegevens worden weergegeven in Tabel 1. De frequentierespons van deze plethysmograaf is voldoende tot 10 Hz. Volumemetingen werden verkregen door het drukverschil over een weerstandselement in de wand van de plethysmograaf te meten met een MP45 Validyne-druktransducer (±2 cmH2O). Dit signaal werd vervolgens geïntegreerd en gecorrigeerd voor de fasevertraging vanwege de pneumatische capaciteit van de plethysmograaf om volume te verkrijgen. De kenmerken van dit type plethysmografie worden elders beschreven (11, 14). De luchtstroom werd gemeten door middel van een Fleisch pneumotachograaf Nr. 3, aangesloten op een MP45 validyne druktransducer (±2 cmH2O). De transpulmonale druk (Ptp) werd gemeten door een 10 cm lange dunne latexballon in het onderste derde deel van de slokdarm, 38-45 cm van het neusgat, en verbonden met een Statham 131 drukopnemer (±5 psi). De ballon was gevuld met ∼1 ml lucht. Ptp werd geschat als het verschil tussen mond-en slokdarmdruk. Plaatsing van de ballon werd als correct beschouwd als Ptp constant bleef terwijl proefpersonen zachte ademhalingsinspanningen deden tegen een kleine opening. Orale druk verandert bevestigde ademhalingspogingen. Signalen van flow, volume en Ptp werden opgenomen op een strip-chart recorder (HP-7758A) en digitaal verzameld met een computer (DEC11/73) met een samplesnelheid van 50 Hz voor verdere analyse.

Protocol.

de proefpersonen werden geïnstrueerd gedurende de gehele studie continu door het mondstuk te ademen om te helpen bij het bereiken van een steady-state warmteoverdracht en om thermische drift tijdens de metingen tot een minimum te beperken. Proefpersonen ademden rustig gedurende 3-5 minuten zonder specifieke instructies, behalve om een diepe ademhaling te vermijden terwijl de integrator werd aangepast om thermische drift te minimaliseren. De integrator werd zo aangepast dat de resetknop het volume zou retourneren om de eindinspiratie te regelen, die als nul volume werd opgenomen door de online computer. De winst van een op tijd gebaseerde oscilloscoop werd zo aangepast dat het volume tijdens de normale ademhaling tussen de eerste en de tweede van drie gelijke lijnen op het display viel. Aan het begin van de gegevensverzameling werd deze oscilloscoop geplaatst zodat proefpersonen het konden zien, en ze werden geïnstrueerd om “tussen de eerste twee lijnen te ademen” gedurende 1 minuut en vervolgens een van de twee experimentele manoeuvres uit te voeren.1) Vt werd constant gehouden, maar FRC werd verhoogd zodat het initiële eind-inspiratoire volume werd de nieuwe FRC en volume excursie was van lijnen 2-3 op de oscilloscoop (VT+1 patroon; Fig.1 bis).2) de VT werd verdubbeld zodat de excursie op de oscilloscoop van lijnen 1-3 in plaats van 1-2 was (2VT patroon; Fig.1 ter). De volgorde van de manoeuvres was willekeurig, en elk duurde ∼1 min. Aan het einde van elk opgelegd ademhalingspatroon werd de luchtweg afgesloten bij het volume dat overeenkomt met de eindinspiratie van de controle, wat einduitademing was voor het VT+1-patroon en mid-Vt voor het 2VT-patroon. Het thoracale gasvolume werd gemeten en de proefpersonen voerden een maximale inspiratie uit voor TLC.

Data-analyse.

Ptp, flow en volume voor elke ademhaling werden geanalyseerd met de kleinste-kwadratenmethode. Het begin van de inspiratoire stroming (Vi) werd bepaald door terug te zoeken van een bepaalde inspiratie naar het eerste stromingspunt >0. De einduitademingsstroom wordt genomen als laatste punt < 0 in de expiratoire fase van de adem. Elke ademhaling werd onderzocht met één elastantieterm en een afzonderlijke pulmonale weerstand voor inspiratie (Rli) en uitademing (rle) (12). Nadat de nulstroompunten zijn bepaald, wordt de vi gedwongen tot nul tijdens de uitademing, de expiratoire flow (Ve) wordt gedwongen tot nul tijdens de inspiratie, en de gegevens zijn geschikt voor de volgende vergelijking

waarbij P0 Ptp is bij nul volume, wat controle einde inspiratie is; Edyn is dynamische elastantie; en V is volume ten opzichte van nul. Long elastische terugslag voor elk volume binnen het getijdenademhaling bereik werd berekend door het oplossen van de vergelijking met beide stromen ingesteld op nul. De lijn gevormd door deze berekening is niet te onderscheiden van de lijn verbindingspunten van nul stroom, maar de helling heeft veel minder adem-tot-adem variabiliteit. We pasten de gegevens voor elk van de vier ademhalingen voor en na het veranderen van het beademingspatroon voor elk onderwerp.

statistieken.

P0, Rli, Rle en Edyn voor ademhalingen voor en na het ademhalingspatroon van elke proefpersoon werd gewijzigd, werden geanalyseerd met herhaalde metingen ANOVA bij elk van de ademhalingspatronen. TLC aan het einde van de twee ademhalingspatronen werd vergeleken door pairedt-test.

resultaten

er waren geen verschillen in TLC gemeten na de twee manoeuvres of P0, Rli, Rle en Edyn vóór de verandering in het ademhalingspatroon. Figuur 1aillusteert zowel de verandering in het ademhalingspatroon als de veranderingen in Ptp voor een representatieve proefpersoon wanneer FRC werd verhoogd. De veranderingen in longvolume werden niet geassocieerd met proportionele veranderingen in Ptp. Dit effect trad op binnen de eerste paar ademhalingen. Overeenkomstige transpulmonaire P-V-lussen en de pasvorm voor de dynamische pulmonale elastantie voor representatie-ademhalingen van dit zelfde onderwerp zijn weergegeven in Fig. 2 bis. Voor het VT + 1-patroon werd de berekende elastische component van de dynamische lus verminderd na de toename van FRC ten opzichte van de extrapolatie van de controleademhaling. Het effect van verdubbeling van Vt in hetzelfde onderwerp wordt weergegeven in Fig. 2B. voor het 2Vt-patroon verdubbelde de amplitude van de druk, en er was in wezen geen verandering in de druk bij nul volume in dit onderwerp. Er waren geen verschillen in Rli en Rle tussen de ademhalingspatronen. Elastische recoils en Edyn voor elk onderwerp zijn weergegeven in Tabel 2. Het VT + 1 patroon werd geassocieerd met een 10.6% afname van de gemiddelde elastische terugslag bij het gebruikelijke volume, controle einde inspiratie (P < 0,001). Het 2VT-patroon werd geassocieerd met een kleinere gemiddelde afname in elastische terugslag bij hetzelfde volume en was niet statistisch significant (p < 0,27). Er waren kleine maar statistisch significante verhogingen in elastantie met zowel VT+1 als 2Vt patronen.

discussie

opmerkingen over de methodologie.

het scheiden van Rli en RLE biedt een betere pasvorm voor de dynamische P-V-relatie dan een enkele weerstand. Rle is groter dan Rli, zoals te verwachten is uit de veranderingen van de intrathoracale luchtwegtransmurale druk en glottisch diafragma. Als een enkele weerstand wordt gebruikt wanneer Rle en Rli zijn heel verschillend, de regressieanalyse zal geschikt door het verschuiven van de berekende elastische P-V relatie uit de buurt van de zijkant van de lus met de hogere weerstand. Daarom biedt het gebruik van zowel Rli als RLE een betere schatting van de elastische druk. De elastische component van de dynamische P-V-lus over het getijdenademhalingsbereik wordt geschat door plfrc + EV uit te zetten, waarbij PlFRCis Ptp bij FRC. Deze lijn is in wezen niet te onderscheiden van de rechte lijn die de P-V relatie verbindt op momenten van nul stroom, maar heeft minder adem-tot-adem variabiliteit. Omdat nul flow op elke ademhaling tijdens de controle en VT+1 patroon niet precies voorkwam bij onze gemiddelde controle einde-inspiratoire volume, nul volume, deze methodologie stelt ons in staat om de dynamische elastische druk op dat volume met verminderde variabiliteit te schatten. Echter, toen we berekenden elastische terugslag bij einde inspiratie tijdens controle ademhaling en einde uitademing tijdens het VT+1 patroon, vrijwel identieke resultaten werden verkregen omdat onze proefpersonen waren vrij bekwaam in het bereiken van het gevraagde ademhalingspatroon.

omdat de P-V relatie van de long niet lineair is, is elastantie een benadering van de P-V relatie. Als de P-V relatie een enkele exponent was, dan zou elastantie een lineaire functie zijn van het gemiddelde longvolume. De toename van de elasticiteit bij zowel de VT + 1-als de 2VT-patronen wordt dus verwacht. Het gebruik van een lineaire relatie onderschat de terugslag van de longen bij beide uitersten van het volume enigszins en mag onze vergelijking tussen de controle-en Vt+1-gegevens niet systematisch beïnvloeden. Lineaire analyse zou de elastische druk in het midden van Vt van een exponentiële P-V relatie overschatten en zou de neiging hebben om elke vermindering terugslag bij nul volume te onderschatten wanneer Vt werd verdubbeld.

effecten van verhoogde Vt.

verdubbeling van Vt produceerde hetzelfde eindinspiratoire longvolume, maar een lager gemiddeld volume dan toen de FRC toenam (Tabel 3). De afname van de terugslag bij controle en inspiratie was kleiner en meer variabel en bereikte geen statistische significantie. De toename van de elastantie was ook kleiner, maar was nog steeds aanzienlijk. Zoals hierboven vermeld, heeft een lineaire analyse van een exponentiële P-V-curve de neiging om de terugslag van de longen bij mid-Vt te overschatten. Omdat nul volume eindinspiratie is onder controleomstandigheden en Midden-Vt is tijdens verhoogde Vt, is er een systematische bias die een afname in elastische terugslag geassocieerd met dit ademhalingspatroon zou onderschatten.

het wordt al enige tijd gewaardeerd dat vermindering van FRC veroorzaakt door borstomsnoering de terugslag van de longen verhoogt (1, 3, 16). Deze toename van de terugslag is functioneel significant en gaat gepaard met een toename van de maximale Ve bij constant volume (16). De meerderheid van de gegevens suggereert dat het niet te wijten is aan atelectase, maar kan het gevolg zijn van veranderingen in de oppervlaktespanning van de longen (9, 15). Veranderingen in de oppervlaktespanning van de longen zijn een van de mogelijke mechanismen voor stressadaptatie die een toename van de terugslag van de longen zouden veroorzaken wanneer het longvolume onder de gebruikelijke waarde wordt verminderd en een afname van de terugslag van de longen wanneer het gemiddelde longvolume wordt verhoogd.

we zijn niet op de hoogte van eerdere studies die melding maakten van elastische terugslag tijdens vrijwillige toename van het gemiddelde longvolume. In een vorige studie van statische deflatie P-V curven van TLC na proefpersonen ademen gedurende 45-60 s bij zeer hoge gemiddelde longvolumes, een van de drie normale proefpersonen toonde een daling van de statische long terugslagdruk, maar de andere twee niet (8). Verschillende studies hebben een afname van de TLC en een toename van de statische deflatie elastische terugslag bij constant longvolume aangetoond na verlichting van bronchoconstrictie met bèta-agonist (4, 7). In deze studies werden TLC en luchtwegresistentie echter bepaald door lichaamssplethysmografie voordat werd aangetoond dat hoogfrequent hijgen bij patiënten met ernstige luchtwegobstructie een overschatting van het longvolume veroorzaakt (2). Daarom kan artefact bijdragen aan deze resultaten. Hoge doses bèta-agonist veroorzaken echter een afname van de statische elastische terugslag van de longen bij deflatie van TLC bij normale personen, vermoedelijk als gevolg van ontspanning van contractiel weefsel in plaats van veranderingen in oppervlakteactieve stoffen (4, 10). Long stretch wordt geassocieerd met een afgifte van oppervlakteactieve stof in uitgesneden rat en hond longen opgeblazen proportioneel aan de mate van inflatie, en stretch veroorzaakt afgifte van oppervlakteactieve stof uit alveolaire type II cellen in vitro (5, 6). De huidige studie levert sterk bewijs dat, wanneer het gemiddelde longvolume wordt verhoogd, er een snelle afname is in de terugslag van de longen als gevolg van stressontspanning. Het geeft geen bewijs of dit te wijten is aan het vrijkomen van oppervlakteactieve stoffen op het alveolaire oppervlak, ontspanning van contractiele elementen of een viscoplastische vervorming van andere parenchymale elementen.

bij één patiënt hebben we methacholine toegediend in een dosis die voldoende was om de gemiddelde resistentie met 64% te verhogen. Deze dosis was niet voldoende om een stroombeperking in het getijdenademhalingsbereik te veroorzaken of om de FRC te verhogen. De berekende elastische componenten van de dynamische P-V-lussen zijn weergegeven in Fig.3. In het controlegeval werden zowel Vt + 1 als 2Vt patronen geassocieerd met een afname van de elastische terugslag van de longen en een minimale toename van de elasticiteit. Bij bronchoconstrictie nam de terugslag van de longen bij FRC en de longelastantie toe ten opzichte van de controle. Het VT + 1-ademhalingspatroon werd geassocieerd met een grotere afname van de terugslag van de longen bij nul volume dan tijdens de vorige studie. Er was ook een afname van de resistentie met het toegenomen gemiddelde longvolume als gevolg van het bronchusverwijdende effect van het toegenomen gemiddelde longvolume bij normale proefpersonen tijdens bronchoconstrictie. We kunnen de mogelijkheid niet uitsluiten dat verhoogde elastantie tijdens bronchoconstrictie met een normaal ademhalingspatroon in het huidige of Vorige onderzoek (13) te wijten was aan parallelle inhomogeniteit tot en met luchtwegsluiting. In tegenstelling tot de situatie waarin FRC wordt verhoogd door de vernauwing van de luchtwegen, kunnen de veranderingen die optreden bij vrijwillige toename van het longvolume, zowel voor als na bronchoconstrictie, niet te wijten zijn aan luchtwegafsluiting. De gegevens in deze studie zijn het meest consistent met stressadaptatie waardoor de terugslag afneemt.

astmatische patiënten met ernstige bronchoconstrictie verhogen hun elasticiteit en worden dynamisch hyperinflated. Als de dynamische P-V-relatie het traject van de P-V-curve volgt vóór de toename van FRC, zou er een aanzienlijke toename zijn in het elastische werk van de ademhaling, wat zou kunnen bijdragen aan vermoeidheid en falen van de ademhalingsspieren. De verschuivingen in de P-V-kromme elimineren deze toegenomen elastische arbeid niet, maar verminderen deze aanzienlijk.

voetnoten

• de kosten van de publicatie van dit artikel werden gedeeltelijk gedragen door de betaling van paginakosten. Het artikel moet daarom worden gemarkeerd “advertentie” in overeenstemming met 18 U. S. C. §1734 uitsluitend om dit feit aan te geven.