SE513980C2 - Sätt och anordning för bestämning av effektiv lungvolym - Google Patents

Description

niskt med mätning av partialtrycket hos koldioxiden i den utandade gasen och i artärblodet. En beskrivning av teknikens ståndpunkt och en historisk översikt över dessa metoder finns i R. Fletcher ”The single breath test for carbon dioxide” (1980), avhandling, Lunds Universitet, avdelningen för anes- tesi och klinisk fysiologi, Lund. Dessa metoder är emellertid ej tillfredsstäl- lande, emedan de bygger enbart på mätningar av koldioxidens partialtryck och därför lämnar effekterna av både ventilation och cirkulation i lungorna obeaktade. Metoder som bygger på beräkning av VDzVT-kvoten är därför ej tillräckligt specifika för att ge ledning för terapi.

Ett alternativt förfarande för uppskattning av effektiviteten i gasutbytespro- cessen är att bestämma den andel av lungvolymen som fullt ut deltar i gas- utbytesprocessen. Emedan koldioxid är löslig i lungvävnad, är den totala koldioxidvolymen i lungorna sammansatt av tre delar, nämligen gasvolymen i lungalveolerna, Vg, och de gasvolymer som är lösta i lungvävnaden, Vt, resp. i lungblodet, Vb. Den totala volymen benämns ekvivalent lungvolym för koldioxid, förkortat ELV, och kan bestämmas med användning av förfaran- den som bygger på återandning av koldioxid (A Dubois: J Applied Physiology 5, 1, 1992; M Winsborough et al: Clinical Science 58, 263, 1980).

Detta förfarande har visserligen inte samma begränsningar som det förfaran- de som tillämpar VD:VT-kvoten, men begreppet ekvivalent lungvolym ger in- te något känsligt mått på effektiviteten i gasutbytesprocessen. Detta beror på den gasblandning som oundvikligen äger rum i lungorna hos en person som andas ut och in. Blandningen tenderar att sudda ut distinktionen mellan ef- fektiva och ineffektiva lungpartier (M Petrini et al: J Appl. Phys. 53(4) 930 1982). Dessutom beror den uppkommande förvrängningen av information på andningsmönstrets karakteristik och/ eller betingelserna i återandnings- arrangemanget. Både systematiska och slumpmässiga mätfel införs på detta sätt.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller en lösning på dessa problem, varige- nom en känslig och specifik bestämning av den effektiva gasutbytesvolymen 513 980 3 i lungorna blir möjlig. Dessutom kan mätningen utföras snabbt och på en- kelt och icke-invasivt sätt.

Uppfinningen framgår av den härefter följande beskrivningen med hänvis- ning till de tillhörande ritningarna.

Fig. 1 är en schematisk bild av en patient som andas med hjälp av en venti- lator; Fig. 2a och 2b är diagram som åskådliggör sättet enligt uppfinningen och visar gasflöde och koncentration som funktion av tid för ett normalt andetag (fig. 2a) och ett andetag innefattande en andningsuppehållsperiod (fig. 2b); Fig. 3a, 3b, 3c och 3d är fyra diagram som visar användning av sättet enligt uppfinningen som ledning för terapi; Fig. 4 är ett diagram som visar hur lungvävnadsvolym kan bestämmas med användning av sättet enligt uppfinningen.

I fig. 1 andas en patient P spontant eller med hjälp av en Ventilator V genom en inandningsledning I och en utandningsledning E. En vanlig snabb ko1dí~ oxidanalysator A (exempelvis Capnomac AGM- 103, Datex Instrumentarium Inc. Finland) är insatt mellan patienten och den punkt Y där inandnings- och utandningsledningarna möts. En flödesmätare F, som kan vara en del av ventilatorn (exempelvis Servo Ventilator 90OB), är insatt i utandningsled- ningen för att kontinuerligt registrera utandningsflödet från patienten. En databehandlingsenhet D tar emot signalen från analysatorn A och flödesmä- taren F och beräknar den under varje andetag utandade koldioxidmängden, TVCO2 [ml]. Detta sker genom tidsintegration av signalen från analysatorn A och flödessignalen från flödesmätaren F. Typiska grafer som visar flödet av andningsgas under ett enstaka normalt andetag och ett andetag innefattan- de en andningsuppehållsperiod visas i fig. 2a resp. 2b. 513 980 4 Förutom värdet på TVCOQ bestämmer enheten D även det ändtidala C02- koncentrationsvärdet, Pa [%], dvs. koldioxidens partialtryck mått vid utand- ningens slutpunkt. Detta värde utgör en indikation på koldioxidkoncentra- tionen så nära blod-gasbarriären som är möjligt med användning av icke- invasiva medel.

Ett konkret exempel belyser det föreslagna nya sättet.

Patienten andas regelbundet med en andetagsfrekvens på 15 andetag per minut. Varaktigheten av varje andetag är sålunda Ti = 4 sekunder.

Därefter får patienten hålla andan under en kort tid Th efter slutet av inand- ningsfasen i ett observerat andetag, varvid Tb är exempelvis 3 sekunder. Om patienten andas med hjälp av ventilatorn V, ökas vid ett andetag den pä ven- tilatorn inställda paustiden mellan inandning och utandning (typiskt 0,25 x T1 sekunder) med Tb sekunder (vilket i detta exempel innebär från l sekund till 4 sekunder), så att den önskade andningsuppehållsperioden realiseras och andetagets varaktighet förlängs till T; = 7 sekunder. Om pati- enten spontanandas kan andningsuppehållsperioden realiseras helt enkelt genom att patienten håller andan under behövliga tiden. Efter denna ensta- ka andningsuppehållsmanöver återupptas det normala andningsmönstret.

Fig. 2a visar typiska andningsflödesmönster vid normal andning. Fig. 2b visar motsvarande förhållanden vid det andetag som innefattar andnings- uppehållsperioden.

Följande typiska värden erhålls från enheten D: 12 ml; Pen = 5,0% 14 ml; Pm = 5,5% Il Normalt andetag: TVCO21 Andetag med uppehåll: TVCO22 513 980 5 Vid andning i fortfarighet, dvs. när den koldioxid som lämnar lungblodet är lika med den utandade koldioxiden, är det kontinuerliga koldioxidinflödet från lungblodet till lungoma sålunda TV0021 : Ti = l2:4 = 3 ml C02/ s.

Den utandade koldioxid som lämnar lungorna efter andningsuppehållsperio- den motsvarar emellertid ett kontinuerligt utflöde från lungoma på. TVCO22: T; = 14:7 = 2 ml COz/s.

Emedan inflödet är större än utflödet, ansamlas koldioxid i lungorna vid blod/ gas-barriären under andningsuppehållsperioden. Detta bekräftas ge- nom ökningen av det ändtidala COg-värdet Pet från 5,0% till 5,5%. Den effek- tiva lungvolym som motsvarar denna ökning av det ändtidala COg-värdet kan kallas EVG och beräknas som EVG = 100 x Tg X (TVCO21:T1 - TVCO21:T2) : (Pag - Pen) (1) Om Va; och V32 insätts istället för TVCO21:T1 resp. TVCO21:T2 som beteck- ningar för den genomsnittliga volymströmmen av koldioxid under varaktig- heten T; resp. Tg hos de båda andetagen, kan ekvation (1) skrivas om som EvG=1xT2x (va1-va2);(1>.,t2-Pet1) (17 EVG = 1400 ml i exemplet ovan.

EVG sådan den definieras av ekvationen (l) eller (1') ovan uttrycker EVG som en storhet som är proportionell mot kvoten mellan skillnaden i koldioxi- dens volymströmmar och skillnaden i de ändtidala koldioxidkoncentrationer- na. Det ger en känslig indikation på den effektiva lungvolymen, emedan praktiskt taget ingen gasblandning sker under andningsuppehållet.

EVG är också mycket specifik för den funktionella delen av de lungor som skall undersökas, emedan den ej innefattar bidrag från lungpartier som ven- 513 980 6 tileras men ej genomströmmas av blod, dvs. partier där ingen koldioxid fri- görs och där följaktligen inget bidrag lämnas till ökningen av den ändtidala koldioxidnivån Pet. Partier som har mycket liten eller ingen ventilation bidrar ej heller, emedan jämvikt mellan koldioxidens partialtryck i blodet och i gas- fasen har nåtts i dessa partier, varför ingen koldioxid passerar genom blod/ gas-barriären.

EVG är sålunda ett speciñkt och känsligt mått på den funktionella del av lungorna där gasutbytet är effektivt.

Det bör noteras att ekvation (1) och (1') inbegriper tidsfaktorn T; för att ge en storhet EVG vars dimension är volym (milliliter). Om så önskas kan Tz ute- lärnnas eller ersättas med någon annan proportionalitetsfaktor, som kan va- ra tidbaserad eller dimensionslös. För praktiska ändamål ligger användbar- heten av EVG i ändringar av EVG-värden (AEVG) snarare än i verkliga nu- meriska EVG-värden.

Användbarheten av föreliggande uppfinning kan belysas med hänvisning till det väl etablerade kliniska förfarande, där lungorna utsätts för ett positivt slututandningstryck, PEEP, vanligen uttryckt i cmHzO. Detta kan göras med hjälp av vilken som helst modern ventilator, exempelvis genom tillslutning av utandningsledningen E innan utandningen avslutats, så att luft innestängs i lungorna och lungorna förblir något överutspända vid slutet av utandningen.

De muskelkrafter som strävar att återställa den ursprungliga lungvolymen kommer därvid att åstadkomma det önskade PEEP-trycket i lungorna. Lung- ornas compliance (styvhet) C definieras i detta fall av kvoten C = dvzPEEP (ml /cmH2O), där dV är den i lungorna inneslutna volymen (ml).

Hos en person som spontanandas kan samma PEEP-effekt åstadkommas ge- nom att ett lämpligt motstånd mot utandningsilöde införs i utandningsled- ningen E.

För en patient som är ansluten till en ventilator, kan C beräknas som Énïif C = VT : (Pp - PEEP) (2) där Pp (paustryck) är trycket i lungoma omedelbart före utandningens bör- jan. Alla parametrar i ekvation (2) kan lätt fås från en modem respirator (se flg. 1). Ändamålet med PEEP-terapi är att öppna kollaberade lungsegment, så att gasvolyrner kan ställas till förfogande för att gå in i desamma och däri- genom öka den effektiva volymen för gasutbyte. Att åstadkomma ett tryck i lungorna kan emellertid också ha negativa effekter. Den mest uppenbara av dessa är att trycket gör det svårare för hjärtat att pumpa blod genom lungor- na. Lungblodflödet kan därigenom minska genom påläggning av PEEP, sår- skilt hos patienter med försämrat cirkulationstillstånd. Ett minskat blodflöde kan då vara lika skadligt för det totala gasutbytet som en liten effektiv lung- volym. Utvärdering av PEEP-terapi har därför hög prioritet vid behandling av en svårt sjuk patient.

Fig. 3 visar flera fall där det nya sättet och den nya anordningen kommit till postoperativ användning på ventilerade patienter. Ändringar i EVG jämförs i samtliga fall med den förväntade mekaniska expansionen dV av lungorna vid ökning av PEEP från 0 till 6 cmHzO.

Fig. 3a visar ett fall med lungor med normal compliance på ca 50 (ml/cmHzO) där EVG ökar med lungornas expansion vid ökning av PEEP från O till 6 cmHzO. Fig. 3b visar en styvare lunga där EVG förblir i det när- maste opåverkad av samma ökning av PEEP, vilket indikerar att påläggning av PEEP av denna storlek är utan eller av ringa fördel för patienten. Fig. 3c visar ett fall där det först föreligger en betydande minskning av EVG för PEEP = 3 cml-lzO och därefter en imponerande förbättring för PEEP = 6 cml-I2O. Slutligen visar ñg. 3d ett fall där PEEP = 3 cmHgO tydligt förbättrar den effektiva gasutbytesvolymen medan för PEEP = 6 cml-IQO de negativa effekterna av trycket kommer in och praktiskt taget eliminerar den vinst som fås med PEEP = 3 cmHgO. 513 980 8 Som framgår av dessa exempel kan man definiera en dimensionslös parame- ter, EG, för effektiviteten i gasutbytet, vilken kan förväntas vara <1 och nära l när PEEP-terapi fungerar som avsett. En terapeutisk intervention, dvs. en ändring av PEEP-nivån (APEEP) kan utvärderas genom ändringen i EVG (AEVG) genom beräkning av värdet på EG ur EG = (AEVG = vr) x (Pp-PEEP) ; APEEP (s) Alla parametrarna i ekvation (3) kan lätt mätas icke-invasivt i kliniskt sam- manhang.

Det är naturligtvis möjligt att bestämma EVG för olika andningsuppehålls- tider. Fig. 4 visar ett exempel där EVG har bestämts i enlighet med ekvation (1) eller (l') för andningsuppehållstider Tb på 3 sekunder och 6 sekunder.

Om man antar att dessa andningsuppehållstider âr så korta att det inte före- kommer någon betydande effekt på koldioxidelimineringen i fortfarighet, åt- minstone ej i de effektiva lungpartierna, kan ändringen av EVG som funktion av tiden betraktas som en linjär process. Den mängd koldioxid som lämnar lungblodet kan följaktligen betraktas som proportionell mot skillnaden mel- lan koldioxidens partialtryck i gasfasen och motsvarande tryck i blodet. Det är därför möjligt att linjärt extrapolera EVG tillbaka till Tb = 0 såsom är mar- kerat med den streckade linjen i fig. 4. Eftersom det är känt att det tar 3 till 5 sekunder för koldioxiden att nå jämvikt med lungvävnad och lungblod (R.

Hyde et al: ”Rate of Disappearance of Labeled Carbon Dioxide from the Lungs of Human Beings during Breath Holding ...”, the Journal of Clinical Investigation, Vol. 47, 1968, pp 1535-1552), kan det extrapolerade EVG- värdet för Tb = 0 tas som en representation av enbart gasfasen plus blodav- delningsdelarna (Vg + Vs) av EVG-värdet.

Lungvävnadsvolymen, Vi, kan sålunda beräknas ur EVG-värdet, EVGÖ, för Tb = 6 sekunder med användning av följande ekvation 513 980 T; = EVG6 - Vg - V1, (4) Av fig. 4 framgår att Vt = 700 ml i det visade exempelfallet. Eftersom lung- blodvolymen, Vb, normalt är endast ca 90 ml (R. Hyde et al: ”Rate of Dis- appearance of Labeled Carbon Dioxide from the Lungs of Human Beings during Breath Holding ...”, the Journal of Clinical Investigation, Vol. 47, 1968, pp 1535-1552), kan vidare ett ungefärligt värde på Vt erhållas med användning av ekvationen Vt = EVG6 - Vg - 90. I exempelfallet i fig. 4 är Vt följaktligen ungefär 610 ml.

Hos patienter som lider av vissa lungsjukdomar, såsom lungödem och emfy- sem, är lungvåvnadsvolymen allvarligt påverkad. Uppñnningen tillhandahål- ler därför en indikator som är användbar vid övervakning och/ eller bedöm- ning av terapi.

Claims (12)

513 980 10 Patentkrav

1. Sätt för bestämning av en lungfunktionsparameter, EVG, angivande en levande patients effektiva Iungvolym, nämligen den lungvolym i vilken gasut- byte mellan inandningsluft och lungblod sker effektivt, vilket sätt omfattar momenten att för ett första andetag vid fortfarighetstillständsandning hos patienten bestämma den ändtidala koldioxidkoncentrationen Pm och den genomsnitt- liga volymströmmen Val av utandad koldioxid under andetagets varaktighet T1, för ett andra andetag innefattande en andningsuppehållsperiod be- stämma den ändtidala koldioxidkoncentrationen Pm och den genomsnittliga volymströmmen Vag av utandad koldioxid under andetagets varaktighet Ta, och bestämma EVG som en storhet proportionell mot kvoten mellan à ena sidan skillnaden mellan nämnda genomsnittliga volymströmmar Var och Va; av koldioxid och ä andra sidan skillnaden mellan nämnda ändtidala kol- dioxidkoncentrationer Paz och Pen.

2. Sätt enligt patentkrav 1, vid vilket andningsuppehållsperioden àtskiljer inandningen och utandningen i det andra andetaget.

3. Sätt enligt patentkrav 1, vid vilket andningsuppehållsperioden föregår inandningen i det andra andetaget.

4. Sätt enligt något av patentkrav 1-3, vid vilket varaktigheten av and- ningsuppehållsperioden är 1-15 sekunder.

5. S. Sätt enligt nägot av patentkrav 1-4, vid vilket momentet att bestämma EVG utförs med användning av ekvationen = X TZ X (val _ Va2) I (PeO _ Petl) 515 980 11 där Val, V32, Pc, 1, Pm ochTg är samma storheter som ovan.

6. Sätt enligt något av patentkrav 1-5, vid vilket patienten spontanandas.

7. Sätt enligt något av patentkrav 1-5, vid vilket patienten andas med hjälp av en ventilator.

8. Sätt enligt något av patentkrav 1-7 , vilket innefattar det ytterligare mo- mentet att bestämma ändringen av patientens EVG som en funktion av posi- tivt slututandningstryck, PEEP, i patientens lungor.

9. Anordning för bestämning av en lungfunktionsparameter, EVG, angi- vande en levande patients effektiva lungvolym, nämligen den lungvolym i vil- ken gasutbyte mellan inandningsluft och lungblod sker effektivt, vilken an- ordning innefattar medel för att för ett första andetag vid normal fortfarighetstillständs- andning hos patienten bestämma den ändtidala koldioxidkoncentrationen Pai och den genomsnittliga volymströmmen Vai av utandad koldioxid under andetagets varaktighet Ti, medel för att för ett andra andetag innefattande en andningsuppe- hållsperiod bestämma den ändtidala koldioxidkoncentrationen Pm och den genomsnittliga volymströmmen Va; av utandad koldioxid under andetagets varaktighet Tz, och medel för bestämning av EVG som en storhet proportionell mot kvoten mellan à ena sidan skillnaden mellan nämnda genomsnittliga volymström- mar Va; ochVag av koldioxid och å andra sidan skillnaden mellan nämnda ändtidala koldioxídkoncentrationer Pen och Pen.

10. lO. Anordning enligt patentkrav 9, innefattande medel för bestämning av EVG med användning av ekvationen EVG = 100 X T2 X (Vax - Vaz) 2 (Pea _ Pen) där Var, V82, Pm, Pen ochTz är samma storheter som ovan. 515 980 12

11. ll. Anordning enligt patentkrav 9 eller 10, innefattande medel för bestäm- ning av ändringen, AEVG, av patientens EVG som funktion av positivt slut- utandningstryck, PEEP, i patientens lungor.

12. Sätt för bestämning av lungvävnadsvolym, Vt, hos en levande patient, innefattande momenten att bestämma värdena på patientens EVG i enlighet med något av patent- krav 1-7 för två olika andningsuppehåll vilkas varaktighet är skild från noll, ur de sålunda bestämda EVG-värdena genom linjär extrapolering be- stämma ett värde på patientens EVG för andningsuppehåll vars varaktighet är noll, och bestämma patientens Vt ur det kända sambandet mellan Vt och nämn- da EVG-värde för andningsuppehåll med varaktigheten noll och EVG-värdet för ett andetag med en varaktighet skild från noll.