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2 VOLUMI POLMONARI STATICI VOLUME CORRENTE (tidal volume:tv): il volume di gas inspirato e successivamente espirato in ciascun atto respiratorio. VOLUME DI RISERVA INSPIRATORIA (IRV): il volume di gas che può essere ulteriormente inspirato al termine di una inspirazione corrente. VOLUME DI RISERVA ESPIRATORIA (ERV): il volume di gas che può essere ulteriormente espirato al termine di una espirazione corrente. VOLUME RESIDUO (RV): il volume di gas non mobilizzabile che resta nei polmoni al termine di un espirazione massimale. CAPACITA FUNZIONALE RESIDUA (FRC) è il volume di gas presente nei polmoni a fine espirazione durante un respiro tranquillo. CAPACITA POMONARE TOTALE (TLC) è tutta l aria contenuta nei polmoni al termine di una inspirazione massimale.

3 VT 11 VT

4 40% VC CFR=VOLUME DI RIPOSO RV stato di equilibrio dell apparato respiratorio in cui la parete toracica tende ad espandersi con una pressione uguale a quella con cui il polmone tende a collassare TLC

5 Capacità Funzionale Residua Volumi polmonaria fine espirazione corrente E deteminata dall equilibrio statico toraco-polmonare Rappresenta una riserva di O2 dell organismo Evita un andamento pulsatile di O2 e CO2 ematici Rende minima la resistenza vascolare polmonare Rende minimo il lavoro muscolare respiratorio a riposo

6 INSPIRAZIONE ESPIRAZIONE PaO2 PaCO2 100 mmhg mmhg 40 INSP EXP INSP EXP PaO2 100 mmhg PaCO2 40 mmhg

7 ERJ 2005, 26: VC LLN no yes FEV 1 /VC LLN no yes VC LLN yes no TLC LLN yes TLC LLN no no yes NORMAL RESTRICTION OBSTRUCTION MIXED DLCO LLN yes no DLCO LLN DLCO LLN yes no yes no NORMAL ILD - PV disorders CW, NM disorders ILD Pneumonitis Asthma CB Emphysema

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9 METODI DI MISURA DEI VOLUMI POLMONARI METODI CHIMICI Diluizione di un gas non residente (wash-in): elio circuito chiuso Diluizione di un gas residente (wash-out): azoto circuito aperto METODO FISICO: Pletismografia corporea

10 Documenti di riferimento

11 Fattori che influenzano la misura Pressione barometrica Umidità relativa Temperatura ambiente Volume dei gas

12 DILUIZIONE DEI GAS in due volumi comunicanti Il gas a peso molecolare più basso si diluisce più velocemente

13 He rebreating (spirometro a campana)

14 Tecnica della diluizione dell elio -in circuito chiuso- Se la quantità di una sostanza disciolta in un volume è nota e la sua concentrazione può essere misurata, il volume nel quale questa sostanza è disciolta può essere calcolato C 1 X V 1 = C 2 x (V 1 + V 2 ) Quindi V 2 = V 1 ( C 1 C 2 ) / C 2 (CO 2 viene assorbita dal sistema e O 2 viene aggiunto al sistema in misura corrispondente a quello consumato dal soggetto per mantenere il V del sistema costante). Michael G. Levitzky. Pulmonary Physiology. Third Ed; Chapter 2.

15 He rebreating Spirometro deve poter misurare un volume 7 litri il circuito fino alla bocca del paziente non deve superare i 4.5 litri deve avere una pompa in grado di mescolare i gas contenuti nello spirometro un assorbitore di CO2 un sistema di reintegro dell O2 un assorbitore di umidità sulla linea dell analizzatore di elio

16 Deve avere range di misura fra 0 e 10% circa He rebreating Analizzatore di He (conduttività termica) risoluzione 0.01 % di He nell intero range il 95% del tempo di risposta deve essere < 15 sec ogni variazione del 2% della concentrazione dell He. Deve essere stabile con uno spostamento massimo dal punto di lettura dello 0.02% in 10 min.

17 He rebreating Analizzatori di He Controllo accuratezza giornaliero 0% (aria ambiente) e 10% Controllo linearità semestrale su più punti

18 He rebreating Tecnica di misura Occorre seguire gli specifici dettagli di utilizzo dei vari apparecchi, ma in linea di massima si segue questo schema: Si introduce nello spirometro una certa quantità di He (di solito 600 ml. ) ed una certa quantità di O2 fino ad arrivare alla concentrazione di He prevista (7-10%) Si apre il circuito strumento-paziente alla fine di una espirazione a volume corrente Si ricorda al paziente di respirare tranquillamente Si introduce regolarmente O2 per compensare quello consumato nella respirazione e la CO2 che invece viene assorbita e non rientra nel circuito Si controlla la concentrazione dell elio. L equilibrio si considera completo quando non varia più di 0.02% per 30 sec. ( In alcuni sistemi è prevista l esecuzione di una o due manovre di inspirio ed espirio, non necessariamente complete per permettere un più veloce e completa diluizione anche nei distretti polmonari più ostruiti) A questo punto si chiude il circuito strumento-paziente e si termina l esame; se previsto dall apparecchiatura si esegue una misura della ERV o della CVL per il calcolo di Volume Residuo (RV) e TLC

19 0 % wash-in alveolare [He end-tidal] Concentrazione limite all equilibrio wash-out spirometro

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21 METODO A CIRCUITO CHIUSO (DILUIZIONE DELL ELIO) CRITERI DI ACCETTABILITA : -ASSENZA DI LEAKS (tracciato basale pre-test piatto) -ATTI RESPIRATORI REGOLARI (graduale abbassamento livello end-tidal) -AGGIUNTA DI O2 APPROPRIATA ( ml/min) -VARIABILITA < 0,02% ULTIMI 30 DEL TEST (continuare fino a max 10 ) -VARIABILITA < 10% MULTIPLE MISURAZIONI FRC

22 Wash-out dell Azoto La tecnica è basata sulla eliminazione dell N2 contenuto nei polmoni mediante una respirazione prolungata di O2 al 100%. La concentrazione iniziale dell N2 alveolare e quella alla fine del test sono usate per calcolare il volume polmonare all inizio del test.

23 Wash-out dell Azoto

24 Wash-out dell Azoto Per la misura della FRC a circuito aperto può venire usato il metodo diretto con analizzatori di N 2 a spettroscopia Il campione di gas attraversava una camera di ionizzazione, sotto vuoto, che permette la conversione di un fascio di luce emesso dalla sostanza da analizzare in un segnale elettrico La camera di misura è tenuta sotto vuoto da una pompa e la calibrazione viene eseguita su due punti: lo 0% è ottenuto con ossigeno puro al 100%, il punto più alto viene tarato in aria ambiente (intorno al 78,08%).

25 Wash-out dell Azoto analizzatori di N2 L analizzatore deve essere lineare in tutto il range (0-80%) con una in accuratezza < 0.2% e una risoluzione < 0.01%. Il tempo di risposta < 60 ms per variazioni del 10%. Se si utilizza una valvola a spillo per creare il vuoto in un analizzatore di N2 spettroscopico, occorre controllarla e pulirla di frequente.

26 Wash-out dell Azoto Recentemente si preferisce valutare la concentrazione di N 2 nell aria alveolare non più direttamente, ma sfruttando la Legge di Dalton la pressione totale di una miscela di gas è data dalla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti così PB = PH 2 O + PO 2 + PCO 2 + PN 2

27 Wash-out dell Azoto Misurando O 2 e CO 2 con analizzatori rapidi e di dimensioni più contenute si può risalire al valore di N 2. L accuratezza, la deriva, e la linearità di questi analizzatori devono dare un risultato indiretto che abbia caratteristiche paragonabili ad una misura diretta dell N 2.

28 Wash-out dell Azoto In apparecchi più recenti che permettono un analisi in flusso continuo di gas (con un intervallo di campionamento di 15 ms ) l apparecchio viene tarato su 3 punti: 16%, 21% (aria ambiente) e 26%. Siccome la misura è influenzata dalla velocità di transito dei gas nell analizzare, sono visualizzate anche il transito e i tempi di risposta degli analizzatori

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30 Wash-out dell Azoto I sistemi di misura dei volumi respiratori a circuito aperto collegati a questi apparecchi (pneumotacografo, turbina, ecc.) dovrebbero rispettare la standardizzazione prevista per la spirometria, ma è richiesto un range di flusso di 0-6 l/sec-1. Vanno anche considerati i problemi legati alla diversa densità e viscosità dei gas. L accuratezza della misura di flusso e di volume deve essere controllata giornalmente

31 Wash-out dell Azoto La valvola che collega il paziente al contenitore di O 2, deve avere uno spazio morto <100ml per gli adulti, mentre per i bambini piccoli 2 ml/kg. L O 2 può essere erogato da un pallone od a una fonte collegata ad una valvola a domanda: questa deve avere una resistenza alla inspirazione molto bassa, <1KPa (10 cm H 2 O), soprattutto per i pazienti con patologie neuromuscolari.

32 il volume di azoto espirato cono ogni singolo respiro è determinato dall area sotto la curva e sommato ad ogni altro respiro

33 Tracciato normale

34 Tracciato ostruttivo

35 Apertura segmenti isolati

36 Non riproducibile- perdite

37 Problemi alle valvole monodirezionali mancato zero

38 Indice di clearance come indicatore della distribuzione della ventilazione

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41 Controlli di qualità con siringa

42 Pletismografia corporea Dal Greco πλετηυσµοσ (estensione)

43 Pletismografia corporea Cabina ( box ) con volume da a L in grado di rilevare differenze di volume di 0.5 ml che consente la misura : volume gassoso comprimibile intratoracico (itgv) resistenza al flusso delle vie aeree (Raw) curve flusso/volume massimali (o parziali) (F/Vth)

44 Pletismografia corporea Legge di Boyle-Mariotte P x V = P1 x V1 a temperatura costante in un sistema chiuso (per una quantità fissa di gas) P x V = costante

45 MISURA DELLA CAPACITA RESIDUA FUNZIONALE : METODO DELLA PLETISMOGRAFIA CORPOREA Legge di Boyle : P x V = ( P ± Δ P ) x ( V ± ΔV ) PxV = PxV ± VxΔP ± PxΔV ± ΔPxΔV V x ΔP = ΔV ( P ± ΔP ) V = (P ± ΔP) ΔV ΔP V = (PB 47) ΔPpleth ΔPmouth x K V = TGV = FRC P = Palv endexp = Patm-47 = PB -47 ΔP = ΔPalv ΔPmouth ΔV = ΔV TGV ΔP pleth = ΔV pleth

46 Pletismografia corporea P x V = (P + P) x (V - V) se P è la pressione alveolare a fine espirazione (P,alv) P barometrica (P,bar) se V è il volume gassoso intratoracico (TGV) a fine espirazione e se P = variazione della pressione alveolare ( P,alv) P,mouth e se V = variazione del volume toracico ( V,th) V,box or P,box P x V = (P x V) - (P x V) + ( P x V) - ( P x V) 0 = (P x V)-(P x V)+( P x V)-( P x V)-(P x V) 0 = - (P x V) + ( P x V) - ( P x V) P x V = P x V P x ( V/ P) = V itgv = P,bar x V,box (or P,box)/ P,mouth itgv - Vd,app - Vt,occ = FRC,pleth

47 Pletismografia corporea Pletismografo a volume costante (viene misurata la variazione di pressione nel box : P,box) Pletismografo a pressione costante (viene misurata la variazione di volume nel box : V,box) direttamente tramite spirometro indirettamente tramite pneumotacografo

48 Tipi di Pletismografo Vbox costante Pbox costante Pbox costante

49 Volume constant Body Box 1. Flusso con lo pneumotacografo 2. Pressione alla bocca (±20 cmh20) con risposta in frequenza piatta sino a 8Hz 3. Pressione nel Box (±0.2 cmh20) (idem) Quando il paziente inspira la pressione alla bocca diminuisce e la pressione box aumenta Quando il paziente espira la pressione alla bocca aumenta e la pressione box diminuisce I pazienti modificano la pressione a partire da soli 50 ml proprio come avviene durante la calibrazione

50 Pressure constant Body Box pneumotach. Quando il paziente inspira la pressione alla bocca diminuisce e il volume nel box diminuisce Quando il paziente espira la pressione alla bocca aumenta e il volume nel box aumenta spirometro

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52 Pletismografia corporea Per la corretta determinazione del itgv occorre rispettare il principio di Pascal. In presenza di ostruzione delle vie aeree, P,alv possono non essere esattamente riflesse da P,mouth a shutter chiuso con il rischio di una sovrastima del itgv. Questo fenomeno risulta essere frequenzadipendente e un panting rallentato appare ristabilire l accuratezza della tecnica.* * Rodenstein et al. JAP 1983

53 determinazione della FRC 1. LINKED (senza disconnettere il paziente): Determinazione di ERV immediatamente dopo la determinazione della FRC, quindi far eseguire manovre di IVC lente LINKED RV = FRC ERV (media delle ERV collegate a FRC accettabili) TLC = RV + IVC (maggiore IVC accettabile) 2. MANOVRE SEPARATE (in caso di ostruzione o dispnea severe): Esecuzione di IC dopo FRC, poi esecuzione di VC (IVC a seguito di ERV; EVC dopo esecuzione di IC) FRC = media delle FRC accettabili per il calcolo di TLC TLC = media dei 3 maggiori valori ottenuti sommando FRC accettabili + IC collegate

54 Pletismografia (TGV) Consigli Criteri di esecuzione Piccoli atti respiratori (~ ml) Manovre costanti e gentili (0.5-1 manovre/sec) Frequenza < 60 bpm (40 è ottimale) Rilassamento tra le manovre Fornire continuo feedback sull esecuzione

55 Pletismografia (TGV) Consigli Fase Porta Aperta Spiegare completamente la procedura Dimostrare la manovra Mani sulle guance e sotto il mento e gomiti giù Pratica col paziente Fase Porta Chiusa Pratica mentre si aspetta la stabilità termica Circa 30 secondi (non più richiesta con i nuovi pletismografi)

56 Pletismografia (TGV) Consigli Usare una mano sola diminuisce il problema e il disagio del paz.

57 Pletismografia (TGV) Consigli

58 Pletismografia (TGV) Consigli

59 Pletismografia (TGV) Consigli Loop non chiusi suggeriscono perdite di pressione bocca/box Tracce completamente orizzontali suggeriscono nessun segnale di pressione alla bocca Tracce completamente verticali suggeriscono nessun segnale di pressione nel box

60 Esecuzione Paziente Criteri di Accettabilità TGV Media di 3-5 manovre accettabili I valori di TGV dovrebbero avere una riproducibilità entro il 5% Livello fine-espirazione precedente stabile

61 Pletismografia (TGV) controllo e correzione

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63 Differenza Tgv-FRC

64 Cfr plet controllo qualità in vivo

65 Confronto tac- elio- pletismografo

66 RISULTATI TLC (L) Soggetto Sottogruppo TC Pleth He 1 M Normali M N M N M N Media DS M Ostruiti F O F O M O Media DS M Ristretti M R M R Media DS

67 CAPACITA POLMONARE TOTALE 9,00 CONTROLLI-normali 8,00 7,00 TLC (L) 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 TC Pleth He

68 Bland-Altman (RV) 0.40 RV He - Rv Pleth (L) SD x -2 SD RV He + RV Pleth/2 (L)

69 CAPACITA POLMONARE TOTALE 9,00 OSTRUITI TLC (L) 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 * TC Pleth He TLC TC VS TLC He : P < 0.03

70 CAPACITA POLMONARE TOTALE 5,00 RISTRETTI 4,50 4,00 TLC (L) 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 TC Pleth He

71

72 Differenze statiche: bolle enfisematose

73 B R maschio Età = 70 aa Altezza = 172 cm Peso = 58 Kg

74 PLETISMOGRAFIA-DILUIZIONALE RV = 5.59 L TLC = 8.20 L RV = 2.86 L TLC = 5.45 L

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76 Diagnosi di difetto ventilatorio misto (?)

77 Basale V G maschio Età: 70 aa Altezza: 163 cm Peso: 81 Kg

78 basale oss. (L) % pred. RV Elio 2,22 91 RV Plet 3, TLC Elio 4,40 74 TLC Plet 5,36 90

79 Basale S G maschio Età: 80 aa Altezza: 170 cm Peso: 100 Kg

80 basale oss. (L) % pred. RV Elio 1,96 71 RV Plet 3,7 134 TLC Elio 4,43 68 TLC Plet 6,24 96

81 FRC con Diluizione = 2 L FRC con Pletismografica = 2L

82 Vie aeree occluse FRC con Diluizione = 1 L FRC con Pletismografica = 2L

83 Asma bronchiale

84 n = 16 * p < 0.01; ** p < vs Pleth p < vs baseline Tantucci C et al. J of Asthma 2011, 48:33-40

85 Challenge with Methacholine in Asthma and HHe3 NMR Control (FEV1 = 118 % pred.) After MCh (-38 % bas.) (FEV1 = 73 % pred.) After Salbutamol (FEV1 = 136 % pred.) Images taken at 1 Lt. above FRC Samee et al. JACI, 111:

86 Baseline Post B2 10 days 30 days basale FEV1 = 1.53 FEV1 = 2.09 FEV1 = 2.95 FEV1 = 3.36 male; age:68 yr, heigth:172 cm, weigth:72 Kg 1 yr FEV1 = 3.48

87 Chronic asthma (R.E.) Volume (L) FEV1= 1.79 L FEV1= 2.06 L FEV1= 2.28 L FRC Pleth FRC He FEV1 1.5 FEV1= 1.16 L FEV1= 1.55 L FEV1= 1.62 L FEV1= 0.89 L 0 Bas post B2 1 anno 2 aa 3 aa 4 aa 5 aa

88 2 mm 4 mm 10 mm R U male age: 75 yr heigth: 164 cm weigth: 55 Kg 13 mm 15 mm BPCO

89 BPCO Volume (L) TLC Pleth TLC He FRC Pleth FRC He FEV Bas post B2 2mm 4mm 10mm 13mm 15mm

90 Visto tutto ciò è sbagliato pensare che la valutazione funzionale respiratoria nel paziente con sospetto di difetto ostruttivo- bpco -enfisema per essere veramente completa, debba comprendere sia la cfr pletismografica che quella con diluizione?

91 grazie

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