Оптоелектронна плетизмография – нов хибриден метод във функционалната белодробна диагностика

Белодробните  функционални показатели обикновено се измерват с помощта на спирометър. Въпреки че този подход е широко използван, той е непрактичен от гледна точка на продължителното проследяване на функционалните показатели. Освен това ограничава мобилността на пациента и добавя допълнително мъртво пространство към системата. Мундщукът и щипката за нос оказват своето влияние и в известна степен смущават нормалния модел на дишане и неговия неврогенен контрол. Функционалното изследване на дишането, в класическия си вид, не може да бъде прилагано при малки деца (изисква активно участие), несъдействащи болни или по време на сън, фонация и механична вентилация. От друга страна, осъществяването на контакт с апаратурата носи, макар и минимален, риск от инфекция.

Тези проблеми подтикват изследователите да търсят начин за измерване на вентилаторните показатели по индиректен начин чрез запис на движенията на гръдната стена (кинематичен анализ). Така се стига до идеята за създаването на неинвазивна система за изучаване на механиката на дишане, която няма контакт с пациента и по никакъв начин не повлиява дишането му.

Оптоелектронна плетизмография (ОЕП) е нова, изключително точна, неинвазивна методика за изследване на вентилаторните възможности на белия дроб. С помощта на компютърно генерирана, триизмерна (3D) реконструкция на движенията на гръдната стена, вентилаторните параметри могат да се измерват в реално време. ОЕП е методика без конкуренция при несъдействащи пациенти и движещи се субекти. За разлика от традиционните системи, използващи плетиз­мографски техники, ОЕП системите не се влияят от колебания във влажността и температурата и могат да се използват продължително време.

В резултат на няколко проучвания, проведени при различни условия¹, беше доказано, че новият метод е в състояние да измери бързо и точно абсолютни белодробни обеми, както и техните съставни части по време на дишане.

Оптоелектронната плетизмография е и много изгодна (като се пренебрегне високата начална цена) технология, защото няма пряка връзка с пациента (мундщук или маска) и не се нуждае от консумативи.

Оптоелектронна плетизмография

Идеята за изчисляване на белодробни обеми чрез кинематичен анализ е сравнително нова. В миналото е имало и опити за измерване на движенията на гръдния кош чрез трансдюсери, използващи линеен диференциал², живачни уреди за измерване на напрежението³, магнитометри^4,5 и респираторно индуктивна плетиз­мография – RIP⁶. Последните две методики се оказват най-„жизнеспособни”. И докато респираторните магнитометри измерват предно задния или латералните диаметри на гръдната клетка, то с респираторно индуктивната плетизмография се отчитат промените в размерите на торакса и коремната стена. И двата подхода могат да се използват за изчисляване на белодробни обеми с допускането, че гръдният кош и коремната стена имат по една степен на свобода^7,8. Такова едно допускане изисква експериментално получаване на калибрационни коефициенти по време на маньоври, изпълнени от всеки индивидуален пациент и задължително съчетани със спирометрично изследване. Това, естествено, силно снижава възможностите за клинично приложение на тези методики. Освен това постигането на адекватна калибрация би се затруднило от пациенти, които не могат (или не искат) да съдействат. Следователно с тези методики не може да бъде направен адекватен триизмерен анализ (3D) на обемните вариации на гръдната стена. Тези проблеми подтикват изследователите да търсят начин за индиректно измерване на вентилаторните параметри чрез запис на ключови точки от гръдната стена, които отразяват промяната в интраторакалния газов обем. В края на ХХ век Ferrigno & Pedotti⁹ конструират прототип на система за анализ на движенията чрез запис на отклоненията на маркери, прикрепени към различни части на тялото и подготвят „почвата” за създаването на оптоелектронната плетиз­мография. ОЕП е иновативна технология за изследване на дихателната система, резултат от разработките на инж. Андреа Аливерти и група учени от Техническия Университет в Милано (Politecnico di Milano) в тясно сътрудничество с медицински и научни центрове в Европа и Америка.

Принципи на оптоелектронната плетизмография

Оптоелектронната плетизмография се основава на анализ на траекториите на цяла матрица от светлоотразителни маркери по време на акта на дишане. Те са прикрепени върху торакоабдоминалната и дорзалната повърхност на тялото с помощта на хипоалергенна адхезивна лента (Фиг. 1). Отклоненията на тези маркери по трите оси в пространството се проследяват с шест инфрачервени видеокамери, оборудвани с проблясващи светодиоди (flashing LED’s).

Фиг. 1. Видове светлоотразителни маркери, използвани за създаване на геометричен модел на гръдната стена.

Системите за оптоелектронна плетизмография измерват промените във формата на гръдната стена по време на дишане чрез моделиране на торако-абдоминалната повърхност с голям брой точки (89 при пълната матрица), характеризиращи определени анатомични области от костния торакс и горната част на корема. Автоматичният анализатор за движение използва пасивни маркери, състоящи се от светлоотразителна повърхност, монтирана върху пластмасови хемисфери (5-10 mm в диаметър). След това специални камери (solid state CCDs), работещи на различни семплиращи честоти (до 120 кадъра в сек.) и синхронизирани с проблясващи светодиоди, записват движението на маркерите. Специализиран софтуер изчислява с голяма точност 3D координатите на всеки един маркер (Фиг. 2). Не е необходима специална калибрация, с изключение на тази при инсталация на системата. По този начин се осигурява продължителен мониторинг на всички вентилаторни параметри (дихателен обем, дихателна честота, време на инспирация и експирация и т.н.) и се проследяват енд-експираторните и енд-инспираторни обеми системно за всеки дихателен цикъл.

Фиг. 2. Система за оптоелектронна плетизмография на BTS Bioengineering (http://www.btsbioengineering.com)

След като бъдат получени 3D координатите на точките, съответстващи на ключовите позиции на гръдната стена, се изчисляват обемите на затворените пространства, получени от свързването на точките. Разработен е специален геометричен модел, който да е в състояние да опише повърхността на цялата гръдна стена и нейните компоненти. По този начин е възможно да се получат както сумарните вариации в обема на торакса, така и вариациите на отделните му компоненти. Моделът, който Aliverti et al.¹⁰ създават, се състои от три различни компонента: горна ребрена част (RCp – частта, която покрива белите дробове), долна ребрена част (RCa – частта, коята прилежи към диафрагмата) и абдоминална част (AB) (Фиг. 3).

Фиг. 3. Трикомпонентен геометричен модел на гръдната стена, създаден от Aliverti et al.10 за описване на движенията на гръдната стена.

Този модел се е оказал приложим за изучаването на кинематиката на гръдната стена в болшинството от случаите, дори и по време на физическо натоварване. Взет е под внимание и фактът, че горната и долната ребрена част (RCp и RCa, съответно) са подложени на различни налягания по време на вдишване¹¹, както и че диафрагмата действа директно само на RСa. Останалите инспираторни мускули действат предимно на RCp.

Приема се, че границата между RCp и RСa преминава през равнината, маркирана от ксифоидния израстък, границата между Rca и АВ е на нивото на най-ниското ребро дорзално. Тоталният обем на гръдната стена е сумата от Vrc,p, Vrc,a, и Vab.

ОЕП може да бъде извършвана по различни протоколи, в зависимост от условията, състоянието на пациента и целите на изследването. Когато пациентите съдействат и могат да заемат седяща или изправена позиция, се използва пълната матрица от 89 маркера, наредени от incisura jugularis на стернума до линията, свързваща двете cristae iliacae. При хора с ограничена подвижност, лежащи по гръб или корем¹⁰, маркерите могат да се нареждат само по видимата част на торакса, като се приема, че другата част е фиксирана към леглото. Aliverti et al провеждат серия от изследвания върху кинематиката на гръдната стена при здрави хора¹² и болни на интензивна терапия¹³. Валидизирането на методиката си те извършват, като сравняват промените в белодробните обеми, получени чрез спирометрия, и тоталните белодробни обеми, изчислени чрез ОЕП по време на различни маньоври.

Клинично приложение

Оптоелектронната плетизмография е метод, който може да се използва за разрешаване на научни и практически задачи в различни области на медицината.

Във физиология ОЕП се използва за изучаване на механизмите на действие на респираторната мускулатура и дихателния контрол¹⁴. Също така има обнадеждаващи данни за количественото определяне на обемите на гръдната стена, деформацията на гръдната клетка и изместване на кръвта от торакса по време на физическо натоварване у здрави хора при нормални условия и в условия на изкуствено наложено експираторно лимитиране¹².

При болни с респираторни заболявания (ХОББ, бронхиална астма) приложението на ОЕП има голяма перспектива поради уникалните й възможности за  динамично проследяване на абсолютните белодробни обеми по време на физическо натоварване и за оценка на динамичната хиперинфлация, без да е необходимо извършването на специален маньовър, като инспираторния витален капацитет, например. Възможно е приложението на ОЕП за установяване ефекта от различни фармакологични агенти, като бронходилататори в отделните части на белия дроб¹⁵. Gorini et al.¹⁶ изследват ефекта на бронхокострикцията за формиране на хиперинфлация у астматици и отражението й върху механиката на дишането и деформацията на гръдния кош.

При оценката на критично болни пациенти, подложени на механична вентилация, ОЕП може да помогне за по-точното изучаване на промените в механиката на дишане и взаимовръзката между белите дробове и гръдния кош¹³. Особено интересни са тези връзки при болни с остър респираторен дистрес синдром (ARDS). Интересно е приложението на ОЕП за проследяване на болните във фазата на “отбиване” на пациенти от механична вентилация и оценка на адекватността на механиката на дишане¹⁷. Друго приложение би било при прогностична оценката на пациенти по отношение на способността им да поддържат спонтанна или асистирана вентилация.

Уникална е способността на ОЕП при изследване на болни с ограничения или в неподвижно състояние. При пациенти с хемипарези може да се измерва симетрията в движенията на лявата и дясна част на гръдния кош. Това е дало основание на някои екипи да изследват разликите между здравата и паретична страна при пациенти след остри мозъчно-съдови инциденти¹⁸. Има данни за приложението на ОЕП системи и за изучаване на пациенти с увреждане на гръбначния мозък и тетраплегия¹⁹. Това е първото съобщение за ползата от това изследване за оптимизиране на механичната вентилация, стимулацията на n. phrenicus и функционалната електростимулация на абдоминалните мускули при тези пациенти.

Потенциал за комбиниране с други функционални методики

Освен че може да се използва за точно и неинвазивно измерване на дихателния обем, минутната вентилация, дихателната честота, инспираторните и експираторни времена, средните инспираторни и експираторни потоци и промените в енд-експираторните обеми, ОЕП може да бъде комбинирана и с други методики. Едновременното отчитане и на езофагеално и стомашно налягане може да даде информация за динамиката на респираторните мускули, както и за техния енергетичен статус. Уточняването на отношенията обем-налягане на пулмоналната ребрена част и коремната стена показа, че секторните промени в обема са резултат от еластицитета на съответния компонент и налягането, генерирано от мускулните групи, непосредствено прилежащи към него^20,21. В едно от изследванията си Aliverti et .²² демонстрират, че ОЕП може да се използва и за изучаване на механичните свойства на дихателната система. Като се комбинира с метода на форсираните осцилации, точно измерване обема на гръдната стена и налягането в дихателните пътища, се получават данни за общия импеданс на дихателната система, както и за импеданса в различните торакални и коремни отдели.

Фиг. 4. Комбиниране на дозирано физическо натоварване с ОЕП

В едно проучване на Aliverti et al.¹² се комбинират ОЕП и дозирано физическо натоварване с изследване на газовата обмяна за изследване на механизмите на действие на респираторните мускули и техния контрол (Фиг. 4). Диафрагмата действа предимно като генерира поток, докато междуребрените мускули създават налягането, необходимо за изместване на RCp и увеличаване на енд-инспираторния обем. Абдоминалните мускули осигуряват налягането за изместване на корема и намаляват енд-експираторния обем, докато постепенната им релаксация по време на вдишване допринася за намаляване на деформацията на гръдната клетка и снижава Pdi. Aliverti et al. ¹⁴ и Iandeli et al.²³ провеждат експерименти върху здрави лица, при които е лимитиран експираторния поток чрез специална клапа. Целта е да бъдат възпроизведени три от най-важните патофизиологични механизма при ХОББ – ограничението във функционалния капацитет, тежко изразената диспнея и задръжката на СО₂.

И в двете изследвания здравите лица са използвали интензивно експираторните си мускули в опит да увеличат експираторния поток. Те генерират високо налягане, което води до изместване на кръв от торакса и увеличаване на мъртвото пространство, намаляване на алвеоларната вентилация и задръжка на СО₂. Литературни данни и резултатите от тези две проучвания позволяват да се допусне, че подобни процеси протичат и при болните с ХОББ по време на физическо натоварване.

Алтернативи

Основният недостатък (ако може да се нарече така) на ОЕП системите е тяхната висока начална цена. Една добра идея, обаче, не заслужава да умре… Ето защо съвсем наскоро се появи и алтернатива на ОЕП. Системата, която е наречена  PneumaScan™,  записва движението на гръдната стена и изчислява промените на белодробните обеми във времето на базата на плетизмография със структурирана светлина  (structured light plethysmography – SLP). Тази технология се основава на прожектиране на мрежа с формата на решетка върху гръдната стена на пациента, който може да бъде в изправено, седнало или легнало положение. Две камери от различни ъгли записват промените в прожектирания върху гръдния кош на пациента  светлинен модел (Фиг. 5). В резултат на цифрова обработка се получава динамичен 3D модел на гръдния кош. Движенията на 3D модела се използват за количествено определяне на обеми, дебити и дихателни честоти, които се представят във вид, познат за клиницистите.

Фиг. 5. Плетизмография със структурирана светлина

Спектрален анализ на еквивалентите на спирометричните криви показа, че това е надежден начин, по който може точно да се класифицират дихателните заболявания. Корелацията на данните от SLP и конвенционален спирометър са много високи (r> 0.95) във всички положения на тялото. Прилагането на бърза трансформация на Фурие (FFT) върху всички данни също показва много висока корелация  (r> 0.98) ²⁴.

Предстои разширяването на софтуерната функционалност на системите за SLP, което ще им позволи да извършват респираторен мониторинг в реално време. Вероятно в бъдеще тези системи ще могат да се използват за проследяване на дихателния обем, дихателната честота и пулса при пациенти след операция или такива в интензивните отделения.

Основните предимства на SLP технологията са: нисък риск от инфекция, безвредност, без неудобство за пациента (няма контакт със системата, няма необходимост от залепване на светлоотразителни маркери), минимални оперативни разходи (броя на камерите е редуциран на две, няма консумативи).

Заключение

Оптоелктронната плетизмография осигурява директно измерване на обема на гръдната стена и неговите компоненти. Методиката работи без пациентска калибрация, изпълняването на определени маньоври или съдействие от страна на пациента. ОЕП методиката има и следните предимства:

Подходяща за продължителни измервания (няма дрифт).

Може да се проведе независимо от положението на субекта и условията.

Не ограничава мобилността на пациента.

Измерването на обема не се влияе от факторите на средата (температура, влажност и налягане).

Позволява точно измерване на отделните компоненти на гръдната стена, както и на лявата и дясната й половина.

Освен това ОЕП е неинвазивна и не изисква контакт на апарата с пациента. Оптоелектронната плетизмография има огромното предимство да отчита моделите на дишане при различни условия и състояния, като физическо натоварване, фонация, пеене, свирене на инструменти и др.

Литература

1. Aliverti A, Pedotti A. Opto-Electronic Plethysmography. Monaldi Arch Chest Dis 2003; 59: 12-16.
2. Konno K, Mead J. Measurement of the separate volume changes of rib cage and abdomen during breathing. J Appl Physiol 1967;22: 407-422.
3. Wade OL. Movements of the thoracic cage and diaphragm in respiration. J Physiol (Lond) 1954; 124: 193.
4. Mead J, Peterson N, Grimby G, Mead J. Pulmonary ventilation measured from body surface movements. Science 156: 1383-1384, 1967.
5. Levine S, Silage D, Henson D, Wang J, Krieg J, LaManca J, Levy S. Use of a triaxial magnetometer for respiratory measurements. J Appl Physiol 1991; 70: 2311-2321.
6. Milledge JS, Stott, FD Inductive plethysmography – a new respiratory transducer. J Physiol (Lond) 1977;  267: 4.
7. Chadha TS, Watson H, Birch S, et al. Validation of respiratory inductive plethysmography using different calibration procedures. Am Rev Respir Dis 1982; 125: 644.
8. Sackner MA, Watson H, Belsito AS, Feinerman D, Suarez M, Gonzalez G, Bizousky F, Krieger B. Calibration of respiratory inductance plethysmography during natural breathing. J Appl Physiol 1989; 66: 410-420.
9. Ferrigno G, Pedotti A. ELITE: a digital dedicated hardware system for movement analysis via real-time TV signal processing. IEEE Trans Biomed Eng 1985;  32: 943-950.
10. Aliverti A, Dellacà R, Pelosi P, Chiumello D, Gattinoni L, Pedotti A. Compartmental analysis of breathing in the supine and prone positions by Opto-Electronic Plethysmography. Ann Biomed Eng 2001; 29: 60-70.
11. Agostoni E, D’Angelo E. Statics of the chest wall. In: The Thorax, edited by C. Roussos and P.T. Macklem. New York: Dekker, 1988, p. 259-295.
12. Aliverti A, Cala SJ, Duranti R, Ferrigno G, Kenyon CM, Pedotti A, Scano G, Sliwinski P, Macklem PT, Yan S. Human Respiratory Muscle Actions and Control during Exercise. J Appl Physiol 1997; 83 (4): 1256-1269.
13. Aliverti A, Dellacà R, Pelosi P, Chiumello D, Pedotti A, Gattinoni L. Opto-electronic plethysmography in intensive care patients. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161: 1546-1552.
14. Aliverti A, Iandelli I, Duranti R, Cala S, Kayser B, Kelly S, Misuri G, Pedotti A, Scano G, Sliwinski P, Yan S, Macklem PT. Respiratory muscle dynamics and control during exercise with externally imposed expiratory flowlimitation. J Appl Physiol 2002; 92: 1953-1963.
15. Aliverti A, Dellacà R, Stevenson N, Pedotti A, Lo Mauro A, Calverley PMA. Effects of bronchodilators on subdivisions of lung and chest wall volume in COPD. Eur. Respir. J. 2002; 20, suppl. 38,13s.
16. Gorini M, Iandelli I, Misuri G, Bertoli F, Filippelli M, Mancini M, Duranti R, Gigliotti F, Scano G. Chest wall hyperinflation during acute bronchoconstriction in asthma. Am. J. Resp. Critic. Care Med. 1999; 160:808-816.
17. Dellacà RL, Aliverti A, Pelosi P, Carlesso E, Chiumello D, Pedotti A, Gattinoni L. Estimation of end-expiratory lung volume variations by optoelectronic plethysmography. Crit. Care Med. 2001; 29(9):1807-11.
18. Lanini B, Bianchi R, Romagnoli I, Coli C, Binazzi B, Gigliotti F, Pizzi A, Grippo A, Scano G. Chest wall kinematics in patients with hemiplegia. Am. J. Respir Critic. Care Med. 2003; 168(1):109-13.
19. Kandare F, Exner G, Jeraj J, Aliverti A, Dellacà RL, Stanic U, Pedotti A, Jaeger R. Breathing induced by abdominal muscle stimulation in individuals without spontaneous ventilation. Neuromodulation 2002; 5(3): 180-185.
20. Campbell EJM. The Respiratory Muscles and the Mechanics of Breathing. Chicago, IL: Year Book, 1958.
21. Rahn H, Otis AB, Chadwick LE, Fenn WO. The pressure-volume diagram of the thorax and lung. Am J Physiol 1946; 146: 161-178.
22. Aliverti A, Dellacà R, Pedotti A. Transfer impedance of the respiratory system by forced oscillation technique by optoelectronic plethysmography. Ann Biomed Eng  2001; 29: 71-82.
23. Iandelli I, Aliverti A, Kayser B, Dellacà R, Cala S, Duranti R, Kelly S, Scano G, Sliwinski P, Yan S, Macklem PT, Pedotti A. Determinants of exercise performance in normal men with externally imposed expiratory flowlimitation. J Appl Physiol 2002; 92: 1943-1952.
24. Ahmed S, Bridge P, Usher-Smith J, Wareham R, Cameron J, Lasenby J,  Iles R. Spectral analysis of regional respiratory flow signals using structured light plethysmography. Am J Respir Crit Care Med 2010;181:A2170.