Le misurazioni della velocità di flusso d'aria e dei volumi polmonari possono essere utilizzate per differenziare le patologie ostruttive da quelle restrittive, per determinare il livello di gravità della malattia e per valutare la risposta alla terapia.
I test comprendono la spirometria per misurare il flusso d'aria inspiratorio ed espiratorio e i volumi polmonari e talvolta il test flusso-volume per definire specifiche anomalie ostruttive e restrittive. Nei pazienti con anomalie ostruttive, la spirometria viene ripetuta dopo la somministrazione di broncodilatatori a breve durata d'azione per valutare la reversibilità e la risposta al trattamento.
Le misurazioni vengono tipicamente riportate come flussi e volumi assoluti e come percentuali dei valori previsti, utilizzando dati derivati da un grosso campione di persone che si presume abbiano una normale funzionalità respiratoria. Le variabili utilizzate per predire i valori normali comprendono l'età, il sesso e l'altezza.
Manca un accordo tra le diverse società professionali riguardo all'uso di aggiustamenti basati sull'etnia nei test di funzionalità respiratoria. Gli studi hanno dimostrato che l'uso di equazioni di riferimento basate sulla razza e sull'etnia probabilmente sottostimano la gravità della malattia polmonare (e quindi si traducono in trattamento insufficiente) negli individui non bianchi (1, 2). Pertanto, l'American Thoracic Society (ATS) ha raccomandato di sostituire le equazioni di riferimento specifiche per etnia o razza utilizzate in precedenza (3) con quelle derivate da equazioni di riferimento neutre per razza; come quelle derivate dall'equazione media della Global Lung Function Initiative (GLI) (4, 5). Tuttavia, lo standard tecnico del 2022 dell'European Respiratory Society (ERS)/ATS ha riconosciuto che l'uso di set di riferimento neutri rispetto all'etnia può comportare variazioni nell'idoneità a trattamenti specifici (p. es., chirurgia, trapianto polmonare) (6). Prove limitate hanno dimostrato che l'uso di equazioni neutre rispetto all'etnia ha aumentato l'accuratezza delle diagnosi di patologia polmonare nei pazienti neri (7).
Flusso d'aria
Le misure quantitative del flusso inspiratorio ed espiratorio vengono ottenute con la spirometria forzata. Si utilizzano delle clip nasali per occludere le narici.
Nelle valutazioni del flusso inspiratorio e del volume, il paziente espira nella maniera più completa possibile, quindi inspira forzatamente. Il volume inspiratorio è la quantità massima di aria inalata in un respiro profondo, e il flusso inspiratorio è il volume inspirato al secondo.
Nelle valutazioni del flusso espiratorio e del volume, i pazienti inspirano il più profondamente possibile, serrano le labbra attorno a un boccaglio ed espirano il più completamente e vigorosamente possibile in un apparecchio che registra il volume espirato (capacità vitale forzata [CVF]) e il volume espirato nel primo secondo (il volume espiratorio forzato in 1 secondo [FEV1], vedi figura ).
Queste manovre forniscono diverse misure:
CVF (capacità vitale forzata): massima quantità di aria che il paziente può espirare forzatamente dopo un'inspirazione massimale
FEV1: volume espirato nel primo secondo
Picco di flusso espiratorio: massima velocità del flusso d'aria quando il paziente espira
Il FEV1 è il parametro di flusso più riproducibile ed è particolarmente utile nella diagnosi e nel monitoraggio dei pazienti affetti da patologie polmonari ostruttive (p. es., asma, broncopneumopatia cronica ostruttiva).
Sia il FEV1 che la CVF aiutano a differenziare i disturbi polmonari ostruttivi da quelli restrittivi. Il riscontro di un FEV1 normale rende improbabile la diagnosi di malattia polmonare ostruttiva irreversibile (ossia, fissa). Una CVF normale rende improbabile una malattia restrittiva. Un rapporto FEV1/CVF ridotto (volume espiratorio forzato in 1 secondo/capacità vitale forzata) indica un'ostruzione. Ripetere la misurazione del FEV1 (volume espiratorio forzato in 1 secondo) e della CVF (capacità vitale forzata) con un broncodilatatore a breve durata d'azione nei pazienti con evidenza di ostruzione al test iniziale è utile per differenziare i pazienti con broncospasmo reversibile (come avviene nell'asma) da quelli con ostruzione fissa nella broncopneumopatia cronica ostruttiva.
Alcune persone hanno fattori di rischio per la broncopneumopatia cronica ostruttiva (p. es., fumo di sigaretta, infezione pregressa, esposizione professionale, esposizione all'inquinamento atmosferico) ma non dimostrano un'ostruzione chiara alle prove di funzionalità respiratoria. Queste persone sono dette affette da pre-broncopneumopatia cronica ostruttiva (8). Ulteriori studi sono necessari per caratterizzare questa popolazione, ma monitorare i valori della spirometria nel tempo può essere utile per identificare i pazienti che possono sviluppare una broncopneumopatia cronica ostruttiva.
Spirogramma normale
FEF25–75% = è il flusso espiratorio forzato durante l'espirazione del 25-75% della CVF; FEV1 = volume espiratorio forzato nel primo secondo della manovra di capacità vitale forzata; CVF = capacità vitale forzata (la massima quantità di aria espirata forzatamente dopo la massima inspirazione). |
Il flusso espiratorio forzato medio durante l'espirazione dal 25 al 75% della CVF (chiamato anche FEF25-75%) può essere un indicatore di ostruzioni lievi delle piccole vie aeree più sensibile rispetto al FEV1, ma la riproducibilità di questa variabile è scarsa.
Il picco di flusso espiratorio è il picco di flusso che si verifica durante l'espirazione. Questa variabile è utilizzata principalmente per il monitoraggio domiciliare dei pazienti asmatici e per determinare le variazioni diurne del flusso d'aria. L'asma può essere monitorato confrontando il picco di flusso espiratorio con il miglior valore personale dell'individuo.
L'interpretazione di queste misurazioni dipende dalla corretta esecuzione del test da parte del paziente, che spesso migliora se assistito e istruito durante la manovra vera e propria. Gli spirogrammi accettabili dimostrano:
Buona iniziazione al test (p. es., un inizio rapido ed energico di espirazione)
Niente tosse
Curve lisce
Assenza di una precoce interruzione dell'espirazione (p. es., tempo espiratorio minimo di 6 secondi senza variazioni di volume nell'ultimo secondo)
Durante l'esecuzione della spirometria occorre garantire standard di controllo della qualità (p. es., calibrazione delle apparecchiature, sforzo del paziente, formazione dell'operatore). Gli sforzi riproducibili devono generalmente concordare entro il 5% o 100 mL (ossia, la differenza tra le 2 misurazioni più alte di CVF o FEV1 deve essere inferiore o uguale al 5% del valore più alto o a 100 mL, a seconda di quale sia maggiore) con altri sforzi all'interno della stessa sessione spirometrica. I risultati che non soddisfano questi criteri minimi accettabili devono essere interpretati con cautela.
Volume polmonare
I volumi polmonari sono misurati determinando la capacità funzionale residua (CFR). La CFR è la quantità di aria residua nei polmoni dopo espirazione normale. La capacità polmonare totale è il volume di gas contenuto nei polmoni alla fine dell'inspirazione massimale. La conoscenza della capacità funzionale residua permette di dividere il polmone in sottovolumi che possono essere o misurati attraverso la spirometria o calcolati (vedi figura ). Normalmente la CFR rappresenta circa il 40% della capacità polmonare totale.
Volumi polmonari normali
VRE = volume di riserva espiratoria; CFR = capacità funzionale residua; CI = capacità inspiratoria; VRI = volume di riserva inspiratorio; VR = volume residuo; CPT = capacità polmonare totale; CV = capacità vitale; VT= volume corrente. CFR = VR + VRE; CI = VT + VRI; CV = VT+ VRI + VRE. |
La capacità funzionale residua viene misurata utilizzando tecniche di diluizione dei gas o un pletismografo (che è più accurato in quei pazienti che hanno limitazioni del flusso aereo e presenza di gas intrappolato).
Le tecniche di diluizione dei gas comprendono:
Lavaggio (washout) dell'azoto
Equilibrazione dell'elio
Nel lavaggio (washout) dell'azoto, il paziente espira fino alla CFR e quindi respira da uno spirometro che contiene ossigeno al 100%. Il test termina quando la concentrazione di azoto espirata raggiunge lo zero. Poiché la concentrazione di azoto nei polmoni è nota al basale e viene misurato il volume di azoto raccolto, è possibile calcolare il volume polmonare totale.
Con l'equilibrazione dell'elio, il paziente espira fino alla CFR e poi viene connesso a un sistema chiuso che contiene volumi conosciuti di elio e ossigeno. Si misura la concentrazione di elio fino a quando il valore espirato coincide con quello inspirato, il che indica il raggiungimento dell'equilibrio con il volume dei gas nei polmoni, che può essere stimato dalla variazione della concentrazione di elio verificatasi.
Entrambe queste tecniche possono sottovalutare la capacità funzionale residua perché misurano solo il volume polmonare che comunica con le vie aeree. Nei pazienti con gravi limitazioni al flusso d'aria, un notevole volume di gas intrappolato può comunicare molto poco o per niente.
La pletismografia corporea utilizza la legge di Boyle (P1V1 = P2V2, dove P è la pressione e V è il volume) per misurare il volume di gas comprimibile all'interno del torace. La pletismografia corporea è più accurata delle tecniche di diluizione dei gas. Seduto in una cabina a tenuta d'aria, il paziente prova a inspirare, partendo dalla capacità funzionale residua, attraverso un boccaglio chiuso. Quando la gabbia toracica si espande, la pressione all'interno della cabina ermetica aumenta. Conoscendo il volume della cabina prima dell'inspirazione e la pressione al suo interno prima e dopo lo sforzo inspiratorio è possibile calcolare la variazione del volume del box, che è pari alla variazione del volume polmonare.
Curva flusso-volume
A differenza dello spirogramma, che mostra una curva volume-tempo (ossia, il flusso [in L] nel tempo [in secondi]), la curva flusso-volume mostra il flusso (in L/secondo) in funzione del volume polmonare (in L) durante l'inspirazione massimale a partire da un'espirazione completa (volume residuo) e durante l'espirazione massima a partire da un'inspirazione completa (capacità polmonare totale). Il vantaggio principale della curva flusso-volume è che essa è in grado di mostrare se il flusso d'aria è appropriato per un particolare volume polmonare. Per esempio, il flusso d'aria è normalmente più lento a volumi polmonari bassi perché il ritorno elastico è minore a volumi polmonari più bassi. I pazienti affetti da fibrosi polmonare hanno bassi volumi polmonari, e il loro flusso d'aria appare ridotto, se misurato indipendentemente. Tuttavia, quando il flusso d'aria è presentato come una funzione del volume polmonare, risulta evidente che il flusso è in realtà più elevato del normale come risultato dell'aumentato ritorno elastico caratteristico dei polmoni fibrotici.
La curva flusso-volume richiede la misura dei volumi polmonari assoluti. Sfortunatamente, molti laboratori costruiscono il grafico del flusso d'aria rispetto alla CVF (capacità vitale forzata); la curva flusso-CVF non ha un tratto inspiratorio e perciò non fornisce molte informazioni.
Riferimenti generali
1. Baugh AD, Shiboski S, Hansel NN, et al. Reconsidering the Utility of Race-Specific Lung Function Prediction Equations [published correction appears in Am J Respir Crit Care Med. 2022;206(2):230]. Am J Respir Crit Care Med. 2022;205(7):819-829. doi:10.1164/rccm.202105-1246OC
2. Ekström M, Mannino D. Research race-specific reference values and lung function impairment, breathlessness and prognosis: Analysis of NHANES 2007-2012 [published correction appears in Respir Res. 2023;24(1):41]. Respir Res. 2022;23(1):271. doi:10.1186/s12931-022-02194-4
3. Bhakta NR, Bime C, Kaminsky DA, et al. Race and Ethnicity in Pulmonary Function Test Interpretation: An Official American Thoracic Society Statement. Am J Respir Crit Care Med. 2023;207(8):978-995. doi:10.1164/rccm.202302-0310ST
4. Quanjer PH, Stanojevic S, Cole TJ, et al. Multi-ethnic reference values for spirometry for the 3-95-yr age range: the global lung function 2012 equations. Eur Respir J. 2012;40(6):1324-1343. doi:10.1183/09031936.00080312
5. Bowerman C, Bhakta NR, Brazzale D, et al. A Race-neutral Approach to the Interpretation of Lung Function Measurements. Am J Respir Crit Care Med. 2023;207(6):768-774. doi:10.1164/rccm.202205-0963OC
6. Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J. 2022;60(1):2101499. doi:10.1183/13993003.01499-2021
7. Vyas DA, Zhao S, Lai PS, et al. Lung Function Trajectory Using Race-Specific vs Race-Neutral Global Lung Function Initiative Coefficients. JAMA Netw Open. 2025;8(4):e257304. Published 2025 Apr 1. doi:10.1001/jamanetworkopen.2025.7304
8. Han MK, Agusti A, Celli BR, et al. From GOLD 0 to Pre-COPD. Am J Respir Crit Care Med. 2021;203(4):414-423. doi:10.1164/rccm.202008-3328PP
Quadri patologici
Sulla base delle velocità di flusso e dei volumi polmonari, è possibile classificare come ostruttive o restrittive la maggior parte delle patologie respiratorie (vedi tabella ).
Cambiamenti fisiologici caratteristici associati a disturbi polmonari
Misura | Disturbi ostruttivi | Disturbi restrittivi | Disturbi misti |
|---|---|---|---|
FEV1/CVF | Ridotto | Normale o aumentato | Ridotto |
FEV1 | Ridotto | Ridotto, normale o aumentato | Ridotto |
CVF (capacità vitale forzata) | Ridotta o normale | Ridotta | Ridotta o normale |
CPT (capacità polmonare totale) | Normale o aumentata | Ridotta | Ridotta, normale o aumentata |
VR (volume residuo) | Normale o aumentato | Ridotto | Ridotto, normale o aumentato |
FEV1= volume espiratorio forzato in 1 secondo; CVF = capacità vitale forzata; VR = volume residuo; CPT = capacità polmonare totale. | |||
Patologie ostruttive
Le patologie ostruttive sono caratterizzate dalla riduzione del flusso d'aria, in modo particolare del FEV1 e del FEV1 espresso come rapporto della CVF (FEV1/CVF). Il grado di riduzione del FEV1 effettivamente misurato rispetto ai valori previsti determina il grado del difetto ostruttivo. I difetti ostruttivi sono causati da:
Maggiore resistenza al flusso d'aria a causa di anomalie interne del lume delle vie aeree (p. es., neoplasie, secrezioni, ispessimento della mucosa)
Alterazioni della parete delle vie aeree (p. es., costrizione dei muscoli lisci, edema)
Riduzione del ritorno elastico (p. es., la distruzione parenchimale che si verifica nell'enfisema).
Con la riduzione del flusso d'aria, i tempi espiratori sono più lunghi del normale e l'aria può rimanere intrappolata nei polmoni a causa dello svuotamento incompleto, aumentando così i volumi polmonari (p. es., capacità polmonare totale, volume residuo).
Gli esempi più comuni di disturbi ostruttivi sono la broncopneumopatia cronica ostruttiva, l'asma e le bronchiectasie.
L'European Respiratory Society (ERS) e l'American Thoracic Society (ATS) hanno aggiornato le loro linee guida sull'interpretazione delle prove di funzionalità respiratoria valutando la gravità della malattia polmonare ostruttiva (vedi tabella ) (1). Queste linee guida raccomandano di esprimere tutte le misurazioni, tra cui la spirometria, i volumi polmonari e la capacità di diffusione dei polmoni per il monossido di carbonio (DLCO), sotto forma di z-score piuttosto che come percentuali dei valori previsti per valutare la gravità. Uno z-score inferiore a -1,645 indica che il valore è inferiore al 5o percentile del valore previsto sulla base di controlli sani corrispondenti (ossia, nella popolazione di riferimento).
Nel giudicare la risposta ai broncodilatatori, le linee guida raccomandano ora l'uso della variazione in percentuale rispetto al valore previsto di un individuo (invece del valore di base) e raccomandano di considerare un miglioramento del FEV1 e/o della CVF ≥ 10% come criterio di iperresponsività delle vie aeree.
Il FEV1 è il valore standard utilizzato per valutare la reversibilità dell'ostruzione dopo l'uso dei broncodilatatori. La FVC può talvolta essere inclusa per identificare i miglioramenti nell'intrappolamento aereo, in particolare nella BPCO.
Gravità del danno polmonare
Gravità* | Z-Score |
|---|---|
Lieve | Da -1,65 a -2,5 |
Moderato | Da -2,51 a -4,0 |
Grave | <-4,1 |
* Il calcolo dello z-score per la gravità della compromissione polmonare utilizza il numero di deviazioni standard dalla media predetta per classificare la disfunzione. I normali z-score sono > -1,65. | |
Data from Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J. 2022;60(1):2101499. doi:10.1183/13993003.01499-2021 | |
Patologie restrittive
I disturbi restrittivi sono caratterizzati da una riduzione del volume polmonare, in particolare da una CPT (capacità polmonare totale) inferiore al limite inferiore della norma (uno z-score inferiore a -1,65, corrispondente a meno del 5° percentile del valore previsto sulla base di controlli sani corrispondenti [ossia, nella popolazione di riferimento]). Tuttavia, nella malattia restrittiva precoce, la capacità polmonare totale può essere normale (come risultato di un forte sforzo inspiratorio) e l'unica anomalia potrebbe essere una riduzione del volume residuo. Il grado di riduzione della CPT (capacità polmonare totale) determina la gravità della restrizione. La riduzione dei volumi polmonari riduce il flusso d'aria (FEV1 ridotto). Tuttavia, il flusso d'aria rispetto al volume polmonare risulta aumentato, per cui il FEV1/CVF è normale o aumentato nelle malattie polmonari restrittive.
I difetti restrittivi sono determinati dalle seguenti cause:
Perdita di volume polmonare (p. es., lobectomia)
Anomalie delle strutture che circondano il polmone (p. es., patologie pleuriche, cifosi, obesità)
Debolezza dei muscoli inspiratori (p. es., disturbi neuromuscolari)
Anomalie del parenchima polmonare (p. es., fibrosi polmonare)
La caratteristica comune a tutti i casi è una riduzione della compliance dei polmoni, della parete toracica o di entrambi.
Riferimento relativo agli schemi di anomalie
1. Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J. 2022;60(1):2101499. doi:10.1183/13993003.01499-2021
Broncoprovocazione
Il test di broncoprovocazione è una procedura diagnostica utilizzata per valutare l'iperreattività delle vie aeree esponendo i pazienti ad agenti che inducono broncocostrizione. Viene utilizzata per diagnosticare condizioni come l'asma, in particolare quando la spirometria è normale, ma c'è ancora il sospetto di iperreattività delle vie aeree.
Il test può essere eseguito utilizzando metodi diretti o indiretti.
Metodi diretti comprendono:
Metacolina
Istamina (utilizzata raramente)
I metodi indiretti comprendono:
Esercizio
Iperventilazione volontaria eucapnica
Ipersensibilità indotta dal freddo
Mannitolo
Soluzione salina ipertonica
Metodi diretti
Alcuni pazienti affetti da asma possono avere una funzionalità respiratoria e parametri spirometrici normali tra una crisi e l'altra. Qualora il sospetto di asma rimanga elevato nonostante normali risultati della spirometria, è indicato il test di broncoprovocazione con la metacolina, analogo sintetico dell'acetilcolina che si comporta come un irritante bronchiale aspecifico, al fine di riconoscere o escludere la broncocostrizione. Nel test di provocazione alla metacolina, i parametri spirometrici vengono misurati in condizioni basali e dopo inalazione di dosi crescenti di metacolina. La dose di metacolina che causa un calo del 20% FEV1 è chiamata PD20. I laboratori hanno diverse definizioni dell'iperreattività delle vie aeree, ma, in generale, nei pazienti che mostrano una riduzione del FEV1 pari ad almeno il 20% rispetto al valore di base (PD20) quando la dose erogata di metacolina inalata è < 25 mcg, questo dato è considerato diagnostico di un aumento della reattività bronchiale, mentre una PD20 > 400 mcg esclude la diagnosi. Valori di PD20 compresi tra 25 e 400 mcg sono inconcludenti (1). I test di provocazione con istamina comportano l'inalazione di dosi crescenti di istamina, che agisce come stimolo diretto per indurre una broncocostrizione mediata dall'istamina; l'iperreattività bronchiale viene misurata in seguito (2).
Metodi indiretti
Il test da sforzo può essere utilizzato per identificare l'asma indotta dallo sforzo ma è meno sensibile del test di provocazione con metacolina nell'individuare un'ipersensibilità generalizzata delle vie aeree. Il paziente viene sottoposto a un livello costante di lavoro sul tapis roulant o sul ciclo-ergometro per 6-8 minuti a un'intensità tale da determinare una frequenza cardiaca pari all'80% della frequenza massima prevista. Il FEV1 e la CVF (capacità vitale forzata) vengono misurati prima e dopo 5, 15 e 30 minuti di esercizio. Il broncospasmo indotto dallo sforzo riduce il FEV1 o la CVF del ≥ 10-15% dopo l'esercizio (3).
Anche l'iperventilazione volontaria eucapnica può essere utilizzata per diagnosticare l'asma indotta dall'esercizio fisico. L'iperventilazione volontaria eucapnica comporta l'iperventilazione con una miscela di gas al 5% di diossido di carbonio e al 21% di ossigeno all'85% della massima ventilazione volontaria per 6 min. Il FEV1 viene poi misurato a intervalli specifici dopo il test. Come per altri test di provocazione bronchiale, il calo di FEV1 che è diagnostico per il broncospasmo indotto varia nei diversi laboratori. L'iperventilazione volontaria eucapnica è raccomandata negli atleti che non presentano iperreattività bronchiale a riposo.
L'iperreattività indotta dal freddo può essere valutata con un test simile in cui il paziente iperventila per 3-6 minuti con una miscela di gas raffreddata tra -10 °C e -20 °C. Questo test richiede attrezzature di raffreddamento specifiche che potrebbero non essere disponibili in molti laboratori di analisi.
Il test di provocazione con mannitolo utilizza dosi incrementali di mannitolo in polvere secca pari a 5, 10, 20, 40, 2 × 40, 4 × 40, 4 × 40 e 4 × 40 mg (dose cumulativa totale di 635 mg), con un test di provocazione bronchiale positivo definito come la dose di provocazione che causa una diminuzione del FEV1 ≥ 15% rispetto al basale (4). In alternativa, anche una diminuzione del 10% del FEV1 tra 2 dosi consecutive di mannitolo può essere considerata positiva.
La soluzione fisiologica ipertonica è un altro test di provocazione indiretto in cui l'inalazione di una concentrazione specifica di soluzione fisiologica (di solito del 4,5%) induce uno stress osmotico sulle pareti delle vie aeree e un aumento della reattività bronchiale, con un test positivo che causa una diminuzione del FEV1 ≥ 15% rispetto al basale (4).
Riferimenti relativi alla broncoprovocazione
1. Coates AL, Wanger J, Cockcroft DW, et al. ERS technical standard on bronchial challenge testing: general considerations and performance of methacholine challenge tests. Eur Respir J. 2017;49(5):1601526. doi:10.1183/13993003.01526-2016
2. Steinbrugger B, Eber E, Modl M, Weinhandl E, Zach MS. A comparison of a single-step cold-dry air challenge and a routine histamine provocation for the assessment of bronchial responsiveness in children and adolescents. Chest. 1995;108(3):741-745. doi:10.1378/chest.108.3.741
3. Parsons JP, Hallstrand TS, Mastronarde JG, et al. An official American Thoracic Society clinical practice guideline: exercise-induced bronchoconstriction. Am J Respir Crit Care Med. 2013;187(9):1016-1027. doi:10.1164/rccm.201303-0437ST
4. Hallstrand TS, Leuppi JD, Joos G, et al. ERS technical standard on bronchial challenge testing: pathophysiology and methodology of indirect airway challenge testing. Eur Respir J. 2018;52(5):1801033. doi:10.1183/13993003.01033-2018
