Lung elastisk rekyl under andning vid ökad lungvolym

i en nyligen genomförd studie av inducerad bronkokonstriktion av Pellegrino et al. (13), när det maximala flödet påverkade styrvattenflödesvolymkurvan ökade funktionell restkapacitet (FRC). Andningsmönstret förblev väsentligen konstant förutom ökningen av lungvolymen (13). Före ökningen av FRC gav bronkokonstriktion en ökning av elastan utan konsekvent effekt på lungelastisk rekyl vid kontroll FRC. Bronkokonstriktion allvarlig nog för att producera en ökning av FRC var associerad med en ytterligare ökning av elastan, men lungrekylen vid den förhöjda FRC var systematiskt mindre än förutsagd än elastan vid den initiala FRC. Detta fenomen inträffade hos både astmatiska patienter och normala personer som uppnådde tillräcklig bronkokonstriktion för att öka deras FRC. Den minskade lungelastiska rekylen minskade ökningen av elastiskt andningsarbete som producerades av hyperinflationen. Det fanns ingen statistiskt signifikant förändring i lungelastisk rekyl från statiska deflationstryck-volym (P-V) kurvor från total lungkapacitet (TLC). Den mindre än förväntad ökning av lungrekylen som inträffade med ökningen av genomsnittlig lungvolym kunde ha orsakats av luftvägsstängning inducerad av bronkokonstriktormedel eller genom stressavslappning producerad av den ökade genomsnittliga lungvolymen. Frivilliga ökningar av FRC bör inte ge luftvägsstängning. Om frivilliga ökningar i lungvolymen gav en minskning av lungelastisk rekyl, skulle det föreslå att stressavslappning var ansvarig. Därför studerade vi effekterna på lungrekyl av frivilliga ökningar av FRC och genomsnittlig lungvolym.

åtta normala män, ålder 29-39 år, studerades i en tryckkorrigerad, integrerad flödesvolymförskjutningspletysmograf. Antropometriska data visas i Tabell1. Frekvensresponsen för denna pletysmograf är tillräcklig upp till 10 Hz. Volymmätningar erhölls genom mätning av tryckskillnaden över ett motståndselement beläget i pletysmografens vägg med en Mp45 Validyne-tryckgivare (2 cmH2O i 2 cmH2O). Denna signal integrerades sedan och korrigerades för fasfördröjningen på grund av pletysmografens pneumatiska kapacitans för att erhålla volym. Egenskaperna hos denna typ av pletysmograf beskrivs någon annanstans (11, 14). Andningsflödet mättes med en nr 3 Fleisch pneumotachograph ansluten till en Mp45 Validyne-tryckgivare (2 cmH2O-2 cmH2O). Transpulmonalt tryck (Ptp) mättes med en 10 cm lång tunn latexballong placerad i den nedre en tredjedel av matstrupen, 38-45 cm från näsborre och ansluten till en Statham 131 tryckgivare (5 psi i 5 cm). Ballongen fylldes med 1 ml luft i 1 ml. Ptp uppskattades som skillnaden mellan mun och esophageal tryck. Placering av ballongen ansågs korrekt om Ptp förblev konstant medan försökspersonerna gjorde försiktiga andningsinsatser mot en liten öppning. Orala tryckförändringar bekräftade andningsinsatser. Signaler om flöde, volym och Ptp registrerades på en bandkartainspelare (HP-7758A) och samlades digitalt med en dator (DEC11/73) med en samplingsfrekvens på 50 Hz för efterföljande analys.

protokoll.

försökspersonerna instruerades att andas genom munstycket kontinuerligt under hela studien för att hjälpa till att uppnå en steady-state värmeöverföring och för att minimera termisk drift under mätningar. Ämnen andades tyst i 3-5 minuter utan specifika instruktioner, förutom att undvika att ta ett djupt andetag medan integratorn justerades för att minimera termisk drift. Integratorn justerades så att återställningsknappen skulle returnera volymen för att styra end inspiration, som spelades in som nollvolym av on-line-datorn. Förstärkningen av ett tidsbaserat oscilloskop justerades så att volymen under normal tidvattenandning föll mellan den första och den andra av tre lika åtskilda linjer på displayen. I början av datainsamlingen placerades detta oscilloskop så att försökspersoner kunde se det, och de instruerades att ”andas mellan de två första linjerna” i 1 min och sedan utföra en av två experimentella manövrer.1) Vt hölls konstant, men FRC ökades så att den initiala slutinspiratoriska volymen blev den nya FRC och volymutflykten var frånlinjer 2-3 på oscilloskopet (VT+1 mönster; Fig.1A).2) Vt fördubblades så att VT-utflykten på oscilloskopet var från linjerna 1-3 snarare än1–2(2VT-mönster; Fig.1B). Sekvensen av manövrerna var slumpmässig,och var och en varade i 1 min. I slutet av varje pålagt andningsmönster ockluderades luftvägen vid volymen motsvarande kontrolländinspiration, vilket var slututgång för Vt+1-mönstret och mitt-Vt för 2VT-mönstret. Thoracic gasvolym mättes, och försökspersonerna utförde en maximal inspiration till TLC.

dataanalys.

Ptp, flöde och volym för varje andetag analyserades med minsta kvadratmetoden. Starten av inspiratoriskt flöde (Vi) bestämdes genom att söka tillbaka från en bestämd inspiration till den första flödespunkten >0. End-expiratoriskt flöde tas som den sista punkten <0 i andningsfasens utandningsfas. Varje andetag undersöktes med en elastansperiod och en separat lungresistens för inspiration (Rli) och utgång (Rle) (12). Efter att nollflödespunkterna har bestämts tvingas theVi till noll under utgången, expiratoriskt flöde (Ve) tvingas till noll under inspiration och data är anpassade till följande ekvation

där P0 är Ptp vid nollvolym, vilket är kontrolländinspiration; Edyn är dynamisk elastance; och V är volym relativt noll. Lungelastisk rekyl för vilken volym som helst inom tidvattenandningsområdet beräknades genom att lösa ekvationen med båda flödena inställda på noll. Linjen som bildas av denna beräkning är oskiljbar från linjens anslutningspunkter för nollflöde, men lutningen har mycket mindre andning-till-andning-variation. Vi monterade data för var och en av de fyra andetagen före och efter byte av ventilationsmönster för varje ämne.

statistik.

P0, Rli, Rle och Edyn för andetag före och efter andningsmönstret för varje patient ändrades analyserades genom upprepade åtgärder ANOVA vid vart och ett av andningsmönstren. TLC i slutet av de två andningsmönstren jämfördes med pairedt-test.

resultat

det fanns inga skillnader i TLC mätt efter de två manövrerna eller P0, Rli, Rle och Edyn före förändringen i andningsmönstret. Figur 1 illustrerar både förändringen i andningsmönster och förändringar i Ptp för ett representativt ämne när FRC ökades. Förändringarna i lungvolymen var inte associerade med proportionella förändringar i Ptp. Denna effekt inträffade inom de första andetagen. Motsvarande transpulmonala P-V-slingor och passformen för den dynamiska lungelastansen för representationsandningar av samma ämne visas i Fig. 2A. För VT + 1-mönstret reducerades den beräknade elastiska komponenten i den dynamiska slingan efter ökningen av FRC i förhållande till extrapoleringen av kontrollandningen. Effekten av att fördubbla Vt i samma ämne visas i Fig. 2B. för 2VT-mönstret fördubblades tryckets amplitud, och det var i huvudsak ingen förändring i tryck vid nollvolym i detta ämne. Det fanns inga skillnader i Rli och Rle mellan något av andningsmönstren. Elastiska rekyl och Edyn för varje ämne visas i Tabell 2. VT + 1-mönstret var associerat med en 10.6% minskning i genomsnittlig elastisk rekyl vid den gemensamma volymen, kontrolländinspiration (P < 0,001). 2VT-mönstret var associerat med en mindre genomsnittlig minskning av elastisk rekyl vid samma volym och var inte statistiskt signifikant (P < 0,27). Det fanns små men statistiskt signifikanta ökningar av elastan med både VT + 1 och 2VT mönster.

diskussion

kommentarer till metoden.

separering av Rli och Rleger en bättre passform för det dynamiska P-V-förhållandet än ett enda motstånd. Rle är större än Rli, vilket kan förväntas från förändringarna av intrathoracic luftvägs transmuraltryck och glottisk bländare. Om ett enda motstånd används när Rle och Rli är ganska olika, kommer regressionsanalysen att rymma genom att flytta det beräknade elastiska P-V-förhållandet bort från sidan av slingan med det högre motståndet. Därför använder både Rli och Rleger en bättre uppskattning av det elastiska trycket. Den elastiska komponenten i den dynamiska P-V-slingan över tidvattenandningsområdet uppskattas genom att plotta PlFRC + EV, där PlFRCis Ptp vid FRC. Denna linje är väsentligen oskiljbar från den raka linjen som förbinder P-V-förhållandet vid ögonblick av nollflöde men har mindre andning-till-andning-variation. Eftersom nollflöde på varje andetag under kontrollen och VT+1-mönstret inte exakt inträffade vid vår genomsnittliga kontrolländinspiratoriska volym, nollvolym, tillåter denna metod oss att uppskatta det dynamiska elastiska trycket vid den volymen med minskad variation. Men när vi beräknade elastisk rekyl vid slutinspiration under kontrollandning och slututgång under VT+1-mönstret erhölls praktiskt taget identiska resultat eftersom våra ämnen var ganska skickliga för att uppnå det begärda andningsmönstret.

eftersom p-V-förhållandet i lungan inte är linjärt är elastan en approximation av P-V-förhållandet. Om p-V-förhållandet var en enda exponent, skulle elastan vara en linjär funktion av den genomsnittliga lungvolymen. Således förväntas ökningen av elastan med både VT + 1 och 2VT-mönstren. Användning av ett linjärt förhållande underskattar något lungrekylen vid båda ytterligheterna av volymen och bör inte systematiskt förspänna vår jämförelse mellan kontroll-och Vt+1-data. Linjär analys skulle överskatta det elastiska trycket vid mitten av Vt av ett exponentiellt P-V-förhållande och skulle tendera att underskatta eventuell reduktionsrecoil vid nollvolym när Vt fördubblades.

effekter av ökad Vt.

fördubbling av Vt gav samma slutinspiratoriska lungvolym men en lägre medelvolym än ökade FRC (tabell 3). Minskningen i rekyl vid kontrolländinspiration var mindre och mer variabel och uppnådde inte statistisk signifikans. Ökningen i elastan var också mindre men var fortfarande signifikant. Som noterats ovan tenderar linjär analys av en exponentiell P-V-kurva att överskatta lungrekylen vid mitten av Vt. Eftersom nollvolym är slutinspiration under kontrollförhållanden och är mid-Vt under ökad Vt, finns det en systematisk förspänning som skulle underskatta en minskning av elastisk rekyl associerad med detta andningsmönster.

det har uppskattats under en tid att minskningar av FRC orsakade av bröstband ökade lungrekylen (1, 3, 16). Denna ökning av rekyl är funktionellt signifikant och är förknippad med en ökning av maximal Ve vid konstant volym (16). Övervägande av bevis tyder på att det inte beror på atelektas men kan bero på förändringar i lungytans spänning (9, 15). Förändringar i lungytspänning är en av de potentiella mekanismerna för stressanpassning som skulle ge en ökning av lungrekylen när lungvolymen reduceras under dess vanliga värde och en minskning av lungrekylen när Genomsnittlig lungvolym ökas.

vi är inte medvetna om någon tidigare studie som rapporterar elastisk rekyl under frivilliga ökningar i genomsnittlig lungvolym. I en tidigare studie av statisk deflation p-v-kurvor från TLC efter försökspersoner andades i 45-60 s vid mycket höga genomsnittliga lungvolymer visade en av tre normala försökspersoner en minskning av det statiska lungrekyltrycket, men de andra två gjorde det inte (8). Flera studier har visat minskningar i TLC och ökningar i statisk deflation elastisk rekyl vid konstant lungvolym efter lindring av bronkokonstriktion med beta-agonist (4, 7). I dessa studier bestämdes emellertid TLC och luftvägsresistens genom kroppspletysmografi före demonstrationen att högfrekvent flämtning orsakar överskattningar av lungvolymen hos patienter med svår luftvägsobstruktion (2). Därför kan artefakt bidra till dessa resultat. Höga doser av beta-agonist orsakar emellertid minskningar i statisk lungelastisk rekyl vid deflation från TLC hos normala individer, förmodligen på grund av avslappning av kontraktil vävnad snarare än förändringar i ytaktivt medel (4, 10). Lungsträckning är associerad med en frisättning av ytaktivt medel i utskurna råtta och hundlungor uppblåsta proportionellt till graden av inflation, och stretch orsakar frisättning av ytaktivt medel från alveolära typ II-celler in vitro (5, 6). Den föreliggande studien ger starka bevis för att när den genomsnittliga lungvolymen ökas, finns det en snabb minskning av lungrekylen på grund av stressavslappning. Det ger inga bevis för huruvida detta beror på en frisättning av ytaktivt medel på den alveolära ytan, avslappning av kontraktila element eller en viskoplastisk deformation av andra parenkymala element.

hos en patient administrerade vi metakolin i en dos som var tillräcklig för att öka medelresistensen med 64%. Denna dos var inte tillräcklig för att orsaka flödesbegränsning i tidvattenandningsområdet eller för att öka FRC. De beräknade elastiska komponenterna i de dynamiska P-V-slingorna visas i Fig.3. I kontrollfallet var både VT+1 och 2VT-mönster associerade med en minskning av lungelastisk rekyl och en minimal ökning av elastan. Med bronkokonstriktion ökade lungrekylen vid FRC och lungelastans i förhållande till kontrollen. VT + 1-andningsmönstret var associerat med en större minskning av lungrekylen vid nollvolym än under den tidigare studien. Det fanns också en minskning av resistens med den ökade genomsnittliga lungvolymen på grund av bronkodilatoreffekten av ökad genomsnittlig lungvolym hos normala personer under bronkokonstriktion. Vi kan inte utesluta möjligheten att ökad elastan under bronkokonstriktion med ett normalt andningsmönster i den nuvarande eller tidigare studien (13) berodde på parallell inhomogenitet fram till och med luftvägsstängning. Till skillnad från situationen där FRC ökas på grund av luftvägskonstriktionen, kan de förändringar som uppstår med frivillig ökning av lungvolymen, både före och efter bronkokonstriktion, inte bero på luftvägsstängning. Uppgifterna i denna studie överensstämmer mest med stressanpassning som orsakar minskningen av rekyl.

astmatiska patienter med svår bronkokonstriktion ökar både elastan och blir dynamiskt hyperinflaterade. Om det dynamiska P-V-förhållandet följde banan för P – v-kurvan före ökningen av FRC, skulle det finnas en väsentlig ökning av det elastiska andningsarbetet, vilket kan bidra till andningsmuskeltrötthet och misslyckande. Förskjutningarna i P – v-kurvan eliminerar inte, men minskar väsentligt, detta ökade elastiska arbete.

fotnoter

• kostnaderna för offentliggörandet av denna artikel bekostades delvis genom betalning av sidavgifter. Artikeln måste därför härmed märkas ”annons” i enlighet med 18 U. S. C. 1734 endast för att ange detta faktum.