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, volumi assoluti e come percentuali del valore previsto, utilizzando dati derivati da un grosso campione di persone che si presumeva avessero una normale funzionalità respiratoria. Le variabili utilizzate per predire i valori normali comprendono l'età, il sesso, l'etnia e l'altezza.
È controverso se adattare per razza ed etnia l'interpretazione delle prove di funzionalità respiratoria. Vi sono prove crescenti che la razza e l'etnia non spiegano accuratamente le differenze osservate nella funzione polmonare misurata, ma piuttosto riflettono gli effetti di fattori sociali e ambientali, contribuendo ulteriormente alle disparità sanitarie. 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). L'American Thoracic Society (ATS) ha raccomandato di sostituire i riferimenti etnici e di razza o le equazioni di riferimento specifiche utilizzati in precedenza (3) con quelle derivate da equazioni di riferimento neutre per razza come quelle derivate dall'equazione media della Global Lung Function Initiative (4, 5). L'European Respiratory Society (ERS)/ATS 2022 ha riconosciuto che l'uso di riferimenti neutri per quanto riguarda la razza può indurre cambiamenti nelle indicazioni di trattamenti specifici (p. es., chirurgia, trapianto di polmone), il che evidenzia la necessità di una ricerca continua per capirne il potenziale impatto sul processo decisionale clinico e sui risultati dei pazienti (6).
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 violentemente. Il volume inspiratorio di picco 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, i pazienti inspirano il più profondamente e vigorosamente possibile, serrando le proprie labbra attorno a un boccaglio ed espirano il più completamente e fortemente possibile all'interno di un apparecchio che registra il volume espirato (capacità vitale forzata [CVF] e il volume espiratorio forzato in 1 secondo [FEV1], vedi figura Spirogramma normale).
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 espiratorio forzato in 1 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).
Il FEV1 e 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. Una CVF normale rende improbabile una malattia restrittiva. Un rapporto ridotto FEV1 (volume espiratorio forzato in 1 secondo)/CVF (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 come 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 hanno una pre- broncopneumopatia cronica ostruttiva (7). Ulteriori studi sono necessari per caratterizzare questa popolazione, ma seguire 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 in 1 sec; 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 può essere un indicatore di ostruzioni 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 monitorata confrontando il picco di flusso espiratorio con il miglior valore del paziente.
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)
I tentativi di ripetere il test presentano variazioni inferiori al 5% o ai 100 mL. 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 Volumi polmonari normali). 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. Il volume di azoto espirato raccolto corrisponde all'81% della capacità funzionale residua iniziale.
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
Contrariamente allo spirogramma, che mostra il flusso (in L) rispetto al tempo (in secondi), la curva flusso-volume mostra il flusso (in L/secondo) in relazione al volume polmonare (in L), dall'inspirazione massimale all'espirazione completa (volume residuo) e durante la massima espirazione a partire dall'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 Jul 15;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 Feb 3;24(1):41]. Respir Res 2022;23(1):271. Pubblicato il 1/10/2022. 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. Pubblicato il 13/07/2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021
7. 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).
Cambiamenti fisiologici caratteristici associati a disturbi polmonari
Metodo | 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 percentuale della CVF (FEV1/CVF). Il grado di riduzione del FEV1 comparato con i 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., contrazioni dei muscoli lisci, edema)
Riduzione del ritorno elastico (p. es., la distruzione parenchimale che si verifica nell'enfisema).
Con la velocità ridotta del flusso d'aria, i tempi espiratori sono più lunghi del normale e l'aria può rimanere intrappolata all'interno dei polmoni a causa dello svuotamento incompleto e dell'aumento dei 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 Gravità del danno polmonare) (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 la gravità del grado. Un z-score inferiore a -1,645 indica che il valore è inferiore al 5o percentile del previsto sulla base di controlli sani corrispondenti. 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 l'uso dell'FEV1 e/o di una CVF ≥ 10% come criterio di iperresponsività delle vie aeree.
Gravità del danno polmonare
Gravità | Z-score |
|---|---|
Lieve | Da -1,65 a -2,5 |
Moderato | Da -2,51 a -4,0 |
Grave | <-4,1 |
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. Pubblicato il 13/07/2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021 | |
Patologie restrittive
Disturbi restrittivi sono caratterizzati da una riduzione del volume polmonare, in particolare una CPT (capacità polmonare totale) inferiore al limite inferiore della norma (un punteggio z (z-score) inferiore a -1,65, corrispondente a meno del quinto percentile del predetto sulla base di controlli sani abbinati). 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. La riduzione della CPT (capacità polmonare totale) (capacità polmonare totale) determina la gravità della restrizione. La riduzione dei volumi polmonari provoca una riduzione delle velocità di flusso (FEV1 ridotto). Tuttavia, il flusso d'aria rispetto al volume polmonare risulta aumentato, per cui il FEV1/CVF è normale o aumentato.
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.
Riferimenti per gli 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. Pubblicato il 13/07/2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021
2. 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. Pubblicato il 1/05/2017. doi:10.1183/13993003.01526-2016
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
Broncoprovocazione
La broncoprovocazione viene utilizzata per diagnosticare condizioni come l'asma, in particolare quando la spirometria è normale, se c'è il sospetto di iperreattività delle vie aeree. I test possono essere effettuati mediante inalazione di metacolina, esercizio fisico, o iperventilazione volontaria eucapnica utilizzando aria a temperatura ambiente o fredda.
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 i pazienti, quando mostrano almeno una riduzione del FEV1 del 20% rispetto al valore di base (PD20), quando la dose di metacolina rilasciata inalata è < 25 mcg/mL, è considerata diagnostica di un aumento della reattività bronchiale, mentre una PD20 > 400 mcg/mL esclude la diagnosi. Valori di PD20 compresi tra 25 e 400 mcg sono inconcludenti (1).
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, dopo l'esercizio, comporta un FEV1 o una CVF ≥ 10-15% (2).
L'iperventilazione volontaria eucapnica può anche essere utilizzata per indurre e diagnosticare l'asma indotto dall'esercizio fisico. L'iperventilazione volontaria eucapnica comporta l'iperventilazione con una miscela di gas di 5% di diossido di carbonio e di 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 nel broncospasmo indotto varia nei diversi laboratori.
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.
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. Pubblicato il 1/05/2017. doi:10.1183/13993003.01526-2016
2. 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
