Определение скорости потока и легочных объемов используют для дифференцировки обструктивных и рестриктивных пульмональных нарушений, определения тяжести заболевания и оценки эффективности лечения. Показатели обычно представлены в виде абсолютных скорости и объема и в виде процентной доли от должной величины; при этом используются данные, полученные при обследовании больших популяций, предположительно имеющих нормальную функцию легких. Для опреледения должных величин используются такие факторы, как возраст, пол, этническая принадлежность и рост.
Вопрос о том, следует ли корректировать данные по этнической принадлежности, является спорным. Например, в коренных группах населения, состоящих преимущественно из взрослых американцев и европейцев у многих небелых этнических групп (например, чернокожих, латиноамериканцев, азиатов) наблюдались более низкие объемы легких, чем у белых. Тем не менее, при объяснении этих различий, некоторые факторы окружающей среды и другие негенетические факторы считаются не менее или более важными, чем генетические различия. Исследования показали, что нескорректированные значения потока и объема более предсказуемы для пациентов, чем значения, скорректированные по этническому признаку, что позволяет предположить, что эти корректировки могут привести к недооценке (и, следовательно, к недостаточному лечению) истинного снижения легочной функции у небелых людей.
Скорость потока
Количественное измерение скорости потока на вдохе и на выдохе проводится с помощью форсированной спирометрии. Для выключения носа из акта дыхания используются специальные зажимы.
При оценке скорости выдоха пациент делает максимально глубокий вдох, обхватывает губами насадку и выдыхает воздух максимально сильно в аппарат, который фиксирует выдыхаемый объем (форсированная жизненная емкость легких [ФЖЕЛ] и объем форсированного выдоха за первую секунду [ОФВ1, FEV1]—см. рисунок Нормальная спирограмма). Современные приборы измеряют только скорость потока и интегрируют время для определения объема выдыхаемого воздуха.
При оценке скорости потока на вдохе и объема вдоха пациент делает максимальный выдох, а затем – интенсивный вдох.
Эти процедуры включают в себя несколько измерений:
ФЖЕЛ: Максимальное количество воздуха, которое пациент может выдохнуть после максимального вдоха
ОФВ1: Объем воздуха, выдохнутого в течение первой секунды
Пиковую скорость выдоха (ПСВ): максимальная скорость воздушного потока при выдохе
ОФВ1 (FEV1) является наиболее воспроизводимым параметром и применяется для диагностики и контроля эффективности лечения у пациентов с обструктивными заболеваниями легких (например, бронхиальная астма, ХОБЛ [хроническая обструктивная болезнь легких]).
ОФВ1 и ФЖЕЛ помогают дифференцировать обструктивные и рестриктивные легочные заболевания. Нормальный ОФВ1 свидетельствует о низкой вероятности необратимого обструктивного легочного заболевания, тогда как нормальный уровень ФЖЕЛ свидетельствует о низкой вероятности рестриктивной болезни.
Нормальная спирограмма
МОС FEF25–75% = максимальная объемная скорость выдоха 25–75% от ФЖЕЛ; ОФВ1FEV1 = объем форсированного выдоха за первую секунду при измерении форсированной жизненной емкости легких; ФЖЕЛ = форсированная жизненная емкость легких (максимальное количество воздуха, выдыхаемое при форсированном выдохе после максимального вдоха). |
Средняя cкорость форсированного выдоха, определяемая в динамике при выдыхании от 25 до 75% ФЖЕЛ, может являться более чувствительным маркером легкого снижения поступления воздуха в легкие, чем ОФВ1, но воспроизводимость у этой переменной низкая.
Максимальная скорость выдоха (ПСВ) - это максимальный поток воздуха при выдохе. Этот показатель используется прежде всего для мониторинга пациентов с астмой в домашних условиях, а также для определения суточных колебаний ПСВ.
Интерпретация этих значений зависит от усилий пациента, поэтому важно научить пациента правильно дышать во время исследования. Спирограммы приемлемого качества демонстрируют
Хорошее начало теста (например, быстрое и сильное начало выдоха)
Отсутствие кашля
Плавные кривые
Отсутствие раннего завершения выдоха (например, минимальное время выдоха 6 с без изменения объема за последнюю секунду)
Повторные попытки должны отличаться от остальных не более, чем на 5% или 100 мл. Результаты, не соответствующие этим минимальным критериям, следует интерпретировать с осторожностью.
Легочные объемы
Легочные объемы измеряют с помощью определения функциональной остаточной емкости легких (ФОЕЛ). ФОЕЛ – это количество воздуха, оставшегося в легких после спокойного выдоха. Общая емкость легких (ОЕЛ) представляет собой объем газа, находящийся в легких после максимально глубокого вдоха.
Нормальные легочные объемы
РОвыд = резервный объем выдоха; ФОЕЛ = функциональная остаточная емкость легких; ЕВ = емкость вдоха; РОвд = резервный объем вдоха; ОО = остаточный объем; ОЕЛ = общая емкость легких; ЖЕЛ = жизненная емкость легких; ДОVT= дыхательный объем. ФОЕЛ = ОО + РОвыд; ЕВ = ДОVT + РОвд; ЖЕЛ = ДОVT+ РОвд + РОвыд. |
ФОЕЛ измеряется с помощью методов разведения газа или плетизмографии (более точный метод у пациентов с признаками ограничения скорости воздушного потока и задержки воздуха).
Методы разведения газа включают:
Вымывание азота
Выравнивание концентрации гелия
При вымывании азота пациент выдыхает до ФОЕЛ, а затем дышит через спирометр, содержащий 100%-ый кислород. Исследование заканчивается, когда в выдыхаемом воздухе концентрация азота становится равной нулю. Собранный объем азота равен 81% от первоначальной ФОЕЛ.
При выравнивании концентрации гелия, пациент выдыхает до ФОЕ, а затем начинает дышать с помощью закрытой системы, которая содержит определенные объемы гелия и кислорода. Концентрация гелия измеряется до момента достижения единых значений как на вдохе, так и на выдохе, что указывает на его уравновешивание с объемом воздуха в легких; в дальнейшем количество воздуха в легких оценивается по изменению концентрации гелия.
Оба метода занижают ФОЕЛ, поскольку они измеряют только объем легких, который проходит через дыхательные пути. У некоторых больных с тяжелой обструкцией дыхательных путей существенное количество воздуха может не попадать в дыхательные пути, задерживаясь в легких.
Бодиплетизмография основана на законе Бойля и позволяет измерить объем сжимаемого газа в грудной клетки, и считается более точные результаты, чем метод разведения газов. Находясь в воздухонепроницаемом корпусе, пациент пробует вдохнуть через закрытый наконечник с ФОЕЛ. Поскольку грудная стенка расширяется, давление в герметичном корпусе повышается. Зная объем и давление внутри корпуса до и после выполнения вдоха, можно вычислить изменение объема корпуса, который должен быть равен изменению объема легких.
Зная показатель ФОЕЛ, можно разделить легочные объемы на подобъемы, которые можно измерить спирометрически или подсчитать (см. рисунок Нормальные объемы легких). В норме ФОЕЛ составляет около 40% от ОЕЛ.
Петля поток–объем
В отличие от спирограммы, которая отображает поток воздуха (в литрах) относительно времени (в секунды), петля поток–объем показывает поток воздуха (в л/секунду) относительно объема легких (в литрах) во время максимального вдоха после полного выдоха (остаточный объем [ОО]) и во время максимального выдоха после полного вдоха (ОЕЛ). Основное преимущество петли поток–объем состоит в том, что она может показать, соответствуют ли потоки конкретному объему легких. К примеру, поток воздуха, как правило, медленнее при низких объемах легких, так как эластическая тяга легких ниже при более низких объемах легких. У пациентов, страдающих фиброзом легких, их объем уменьшен и поток кажется замедленным, если его измерять отдельно. Однако при измерении потока с учетом объема легких становится очевидно, что параметры потока становятся больше (это связано с увеличением эластичной тяги фиброзированной легочной ткани).
Петли поток-объем
(А) Норма. Инспираторная кривая петли является симметричной и выпуклой. Экспираторная кривая линейна. Часто измеряют скорости в середине кривой вдоха и выдоха. Максимальная скорость вдоха при 50% форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) (МСВд 50% ФЖЕЛ) больше максимальной скорости выдоха при 50% ФЖЕЛ (МСВ 50% ФЖЕЛ), поскольку на выдохе наблюдается динамическая компрессия дыхательных путей. (В) Обструктивные заболевания (например, эмфизема легких, бронхиальная астма). Хотя все скорости уменьшены, преобладает удлинение выдоха и МСВ < МСВд. Пиковая скорость выдоха иногда используется для оценки степени обструкции дыхательных путей, но показатель зависит от усилий пациента. (С) Рестриктивные заболевания(например, интерстициальные заболевания легких, кифосколиоз). Петля сужена из-за уменьшения объемов легких, но форма такая же, как при нормальных объемах. Скорости выше нормы в сопоставимых объемах легких, поскольку увеличение эластической тяга легких приводит к открытию дыхательных путей. (D) Фиксированная обструкция верхних дыхательных путей (стеноз трахеи, зоб). Вершина и основание петель сглажены, конфигурация напоминает прямоугольник. Фиксированная обструкция одинаково ограничивает скорости на вдохе и выдохе, МСВ = МСВд. (E) Преходящая экстраторакальная обструкция (односторонний паралич голосовых связок, дисфункция голосовых связок). Когда одна голосовая связка парализована, она двигается пассивно по градиенту давления на уровне голосовой щели. При форсированном вдохе она втягивается внутрь, приводя к появлению плато. Во время форсированного выдоха она пассивно отходит в сторону и не влияет на скорость выдоха. Поэтому МПВд 50% ФЖЕЛ < МСВ 50% ФЖЕЛ. (F) Преходящая интраторакальная обструкция (трахеомаляция). Во время форсированного вдоха отрицательное давление в плевральной полости обеспечивает открытое состояние трахеи. При форсированном выдохе потеря структурной поддержки приводит к сужению трахеи и появлению плато. Выдох продолжается короткое время, после чего развивается компрессия дыхательных путей. ФЖЕЛ = форсированная жизненная емкость легких; МОСВ = максимальная объемная скорость выдоха; MIF = максимальный инспираторный поток; PEF = пиковый инспираторный поток; ООЛ = остаточный объем легких; ОЕЛ = общая емкость легких. |
Исследование петли объем–поток требует измерения абсолютных объемов легких. К сожалению, многие лаборатории соотносят поток и ФЖЕЛ; петля поток–ФЖЕЛ не имеет кривой вдоха и поэтому недостаточно информативна.
Характеристика нарушений
Наиболее распространенные респираторные заболевания могут быть классифицированы как обструктивные или рестриктивные на основе потока воздуха и объема легких (см. таблицу Характерные физиологические изменения, ассоциированные с заболеваниями легких).
Обструктивные заболевания легких
Обструктивные заболевания легких характеризуются уменьшением потока воздуха, в частности ОФВFEV1 и ОФВFEV1, выраженную в процентах от ФЖЕЛ (ОФВОФВFEV1/ФЖЕЛ). Степень снижения ОФВ1 по сравнению с прогнозируемыми значениями определяет степень обструктивного дефекта (см. таблицу Тяжесть обструктивных и рестриктивных заболеваний легких). Обструктивные нарушения возникают вследствие:
Повышения резистентности к потоку воздуха со стороны просвета дыхательных путей (например, при наличии опухоли, секрета, утолщения слизистой оболочки)
Структурных изменений в стенке дыхательных путей (например, сокращение гладкой мускулатуры, отека)
Снижения эластической тяги (например, деструкция паренхимы, которая встречается при эмфиземе)
При снижении скорости потока время выдоха удлиняется по сравнению с нормой, и воздух может задерживаться в легких вследствие неполного удаления и увеличенных легочных объемов (например, ОЕЛ, ОО).
Улучшение ОФВ1 и/или ФЖЕЛ на ≥ 12% и 200 мл после приема бронхолитика подтверждает диагноз бронхиальной астмы или гиперреактивности дыхательных путей. Тем не менее, у некоторых пациентов с бронхиальной астмой вне обострения функции легких и параметры спирометрии могут быть нормальными. Если подозрение на бронхиальную астму остается высоким, несмотря на нормальные результаты спирометрии, для выявления или исключения бронхоконстрикции назначается провокационная проба с метахолином – синтетическим аналогом ацетилхолина, который является неспецифическим раздражающим агентом для бронхов. Во время провокационной пробы с метахолином измеряют спирометрические параметры до и после ингаляции метахолина в возрастающей концентрации. Концентрация метахолина, вызывающая падение ОФВFEV1 на 20%, называется PC20. В разных лабораториях используются различные критерии гиперреактивности дыхательных путей, но в целом снижение FEV1 как минимум на 20% по сравнению с исходными данными ПКPC20 при концентрации вдыхаемого метахолина < 1 мг/мл свидетельствует о наличии повышенной реактивности бронхов, тогда какПКPC20 > 16 мг/мл исключает этот диагноз. (PC20) в диапазоне 1–16 мг/мл являются неинформативными.
Для выявления бронхоспазма также используют пробу с физической нагрузкой, но для определения общей гиперреактивности дыхательных путей этот метод является менее чувствительным, чем проба с метахолином. Пациент выполняет постоянный уровень нагрузки на тредмиле или велоэргометре в течение 6–8 минут в темпе, позволяющем увеличить частоту сердечных сокращений до 80% от расчетной максимальной частоты. ОФВFEV1 и ФЖЕЛ измеряются до выполнения пробы, далее через 5, 15 и 30 минут после ее начала. Индуцированный нагрузкой бронхоспазм уменьшает ОФВFEV1 или ФЖЕЛ ≥ 15% по сравнению с первоначальными данными.
Для диагностики бронхоспазма, вызванного физической нагрузкой, также может быть использована эукапническая произвольная гипервентиляция (EVH-тест). Эукапнический гипервентиляционный тест заключается в гипервентиляции смесью 5% диоксида углерода и 21% кислорода в течение 6 минут, с мощностью произвольной вентиляции 85% от максимальной. ОФВFEV1 измеряют через заданные промежутки времени после проведения испытания. Как и при выполнении других провокационных проб, степень снижения ОФВFEV1, которая является диагностической, варьирует в разных учреждениях.
Рестриктивные заболевания легких
Рестриктивные заболевания легких приводят к сокращению объема легких, в частности ОЕЛ < 80% от должного. Тем не менее, на ранних стадиях рестриктивного процесса ООЛ может быть нормальным (в результате сильного усилия на вдохе) и единственной аномалией может быть снижение ОО. Снижение ОЕЛ определяет тяжесть рестрикции (см. таблицу Тяжесть обструктивных и рестриктивных расстройств). Уменьшение объема легких вызывает уменьшение потока воздуха (снижение ОФВ1 — см. рисунок Петли поток-объем, В). Тем не менее, поток воздуха относительно определенного объема увеличивается, таким образом, соотношение ОФВFEV1/ФЖЕЛ нормально или увеличено.
Рестриктивные дефекты могут быть вызваны:
Уменьшением объема легких (лобэктомия)
Изменением структур, окружающих легкое (поражение плевры, кифоз, ожирение)
Слабостью дыхательных мышц (нервно-мышечные заболевания)
Патологией паренхимы легкого (легочный фиброз)
Особенностью, присущей всем, является уменьшение податливости легких и/или грудной стенки.
