Определение скорости потока и легочных объемов используют для дифференцировки обструктивных и рестриктивных пульмональных нарушений, определения тяжести заболевания и оценки эффективности лечения.
Обследования включают спирометрию для измерения инспираторного и экспираторного воздушного потока и объема легких, а иногда и исследование петли поток-объем для определения специфических обструктивных и рестриктивных нарушений У пациентов с обструктивными нарушениями спирометрию повторяют после введения ингаляционных бронходилататоров короткого действия для оценки обратимости и 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 учитывать расу и этническую принадлежность при интерпретации результатов тестов функции легких, остается спорным. Все больше данных свидетельствует о том, что раса и этническая принадлежность не точно объясняют наблюдаемые различия в измеренной функции легких, а скорее отражают влияние социальных и экологических факторов, что дополнительно способствует неравенству в здравоохранении. Исследования показали, что использование эталонных уравнений, основанных на расовой и этнической принадлежности, вероятно, недооценивает тяжесть легочного заболевания (и, следовательно, приводит к недолечиванию) у лиц, не принадлежащих к белой расе (1, 2). Американское торакальное общество (ATS) рекомендовало заменить ранее использовавшиеся эталонные уравнения с учетом этнических и расовых различий (3) на эталонные уравнения, не учитывающие расовые различия, например, полученные из уравнения усреднения рабочей группы Европейского респираторного общества по стандартизации легочных функциональных тестов (Global Lung Function Initiative [GLI]) (4, 5). Рабочая группа Европейского респираторного общества (ERS) 2022 года и ATS признали, что использование эталонных наборов, не учитывающих расовую принадлежность, может привести к изменениям в квалификации при специфическом лечении (например, хирургии, трансплантации легких), что подчеркивает необходимость проведения текущих исследований, чтобы понять потенциальное влияние на принятие клинических решений и результаты лечения пациентов (6).
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 потока на вдохе и объема вдоха пациент делает максимальный выдох, а затем – интенсивный вдох. Пиковый объем вдоха — это максимальное количество воздуха, вдыхаемого за один глубокий вдох, а поток инспирации — это объем воздушного потока, вдыхаемого за секунду.
При оценке потока и объема выдоха пациенты вдыхают как можно глубже, плотно обхватывают губами мундштук и выдыхают как можно сильнее и полно в аппарат, который регистрирует объем выдыхаемого воздуха (форсированная жизненная емкость легких [ФЖЕЛ] ) и объем выдоха за первую секунду (объем форсированного выдоха за 1 секунду [ОФВ1] — см. рисунок Нормальная спирограмма).
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 показатель ОФВ1 делает необратимое обструктивное заболевание легких маловероятным. При нормальной ФЖЕЛ рестриктивное заболевание маловероятно. Снижение соотношения ОФВ1/ФЖЕЛ указывает на обструкцию. Повторное измерение ОФВ1 и ФЖЕЛ с бронходилататорами короткого действия у пациентов с признаками обструкции при первичном тестировании полезно для дифференциации пациентов с обратимым бронхоспазмом, как это происходит при астме, от пациентов с фиксированной обструкцией при ХОБЛ.
У некоторых лиц имеются факторы риска развития ХОБЛ (например, курение сигарет, перенесенные инфекции, профессиональная деятельность, загрязнение воздуха), но при проверке функции легких признаки явной обструкции у них отсутствуют. Считается, что у этих людей имеется пре-ХОБЛ (7). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы охарактеризовать эту категорию населения, но показатели спирометрии в динамике с течением времени могут помочь выявить пациентов, у которых может развиться ХОБЛ.
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. Астму можно контролировать, сравнивая ПСВ с наилучшим для данного конкретного пациента показателем.
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. Зная показатель ФОЕЛ, можно разделить легочный объем на подобъемы, которые можно измерить спирометрически или подсчитать (см. рисунок Нормальные объемы легких). В норме ФОЕЛ составляет около 40% от ОЕЛ.
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 использует закон Бойля (P1V1 = P2V2, где P — давление, а V — объем) для измерения объема газа, находящегося внутри грудной клетке. Бодиплетизмография более точна, 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.
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).
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.
Общие справочные материалы
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. Опубликовано 1 октября 2022 г. 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. Опубликовано 13 июля 2022 г. 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
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).
Характерные физиологические изменения при заболеваниях легких
Показатель | Обструктивные заболевания | Рестриктивные заболевания | Смешанная патология |
|---|---|---|---|
ОФВ1/ФЖЕЛ | Снижение | Норма или повышение | Снижение |
ОФВ1 | Снижение | Снижение, норма или повышение | Снижение |
ФЖЕЛ | Снижение или норма | Снижение | Снижение или норма |
ОЕЛ | Норма или повышение | Снижение | Снижение, норма или повышение |
Правый желудочек | Норма или повышение | Снижение | Снижение, норма или повышение |
ОФВFEV1 = объем форсированного выдоха за 1 секунда; ФЖЕЛ = форсированная жизненная емкость легких; ОО = остаточный объем; ОЕЛ = общая емкость 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. 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).
Наиболее распространенными примерами обструктивных заболеваний легких являются ХОБЛ, астма и бронхоэктатическая болезнь.
Европейское респираторное общество (ЕРО) и Американское торакальное общество (АТО) обновили свои руководства по интерпретации легочных функциональных тестов по степени тяжести обструктивного заболевания легких (см. таблицу Тяжесть поражения легких) (1). В этом руководстве рекомендуют выражать все измерения, включая спирометрию, объемы легких и диффузионную способность легких по монооксиду углерода (DLCO), в виде z-показателей, а не в процентах от прогнозируемых значений к степени тяжести. Z-показатель менее -1,645 указывает на то, что значение составляет менее 5-го процентиля от прогнозируемого на основе данных здоровых контрольных групп. При оценке ответа на бронходилататоры в руководствах в настоящее время рекомендуют использовать процентное изменение относительно прогнозируемого значения у конкретного пациента (вместо базового значения) и использовать улучшение ОФВ1 и/или ФЖЕЛ ≥ 10% в качестве критерия гиперреактивности дыхательных путей.
Степень тяжести поражения легких
Степень тяжести | Z-шкала |
|---|---|
Легкую | от −1,65 до −2,5 |
Умеренную | от −2,51 до −4,0 |
Тяжелую | < −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. Опубликовано 13 июля 2022 г. doi:10.1183/13993003.01499-2021 | |
Рестриктивные заболевания легких
Рестриктивные расстройства характеризуются уменьшением объема легких, в частности, ОЕЛ ниже нижнего предела нормы (z-показатель менее -1,65, что соответствует менее чем пятому процентилю от прогнозируемого на основе показателей здоровых отобранных лиц из контрольной группы). 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. Уменьшение объема легких вызывает уменьшение потока воздуха (снижение ОФВ1). 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.
Справочные материалы по типам патологий
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. Опубликовано 13 июля 2022 г. 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. Опубликовано 1 мая 2017 г. 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
Бронхопровокационный тест
Бронхопровокационная проба используется для диагностики таких заболеваний, как астма, особенно когда результаты спирометрии в норме, но есть подозрение на гиперреактивность дыхательных путей. Тестирование может быть проведено с использованием ингаляционного метахолина, физической нагрузки или эукапнической произвольной гипервентиляции (EVH-тест) с использованием воздуха при комнатной или низкой температуре.
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 бронхопровокационная проба с метахолином — синтетическим аналогом ацетилхолина, который является неспецифическим раздражающим агентом для бронхов. При проведении нагрузочного теста с метахолином спирометрические параметры измеряются на исходном уровне и после вдыхания возрастающих доз метахолина. Доза метахолина, вызывающая снижение ОФВ1 на 20%, называется PD20. В разных лабораториях используются различные критерии определения гиперреактивности дыхательных путей, но в целом снижение ОФВ1 как минимум на 20% по сравнению с исходными данными (ПД20) при концентрации вдыхаемого метахолина< 25 мкг свидетельствует о наличии повышенной реактивности бронхов, тогда как ПД20 > 400 мкг исключает этот диагноз. Значения PD20 в диапазоне между 25 и 400 мкг являются неинформативными (1).
Для выявления астмы, вызванной физической нагрузкой, можно использовать пробу с физической нагрузкой, однако 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 расчетного максимума. ОФВFEV1 и ФЖЕЛ измеряются до выполнения пробы, далее через 5, 15 и 30 минут после ее начала. Индуцированный нагрузкой бронхоспазм уменьшает ОФВFEV1 или ФЖЕЛ ≥ 10-15% по сравнению с первоначальными данными (2).
EVH-тест также может быть использован для диагностики астмы, вызванной физической нагрузкой. 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.
Гиперреактивность, вызванная холодом, может быть оценена с помощью аналогичного теста, в котором пациент гипервентилируется в течение 3–6 минут газовой смесью, охлажденной до температуры от -10° C до -20° C. Этот тест требует специализированного холодильного оборудования, которое может быть недоступно во многих тест-лабораториях.
Справочные материалы по бронхопровокационному тесту
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. Опубликовано 1 мая 2017 г. 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
