Εξαναγκασμένες ταλαντώσεις στην εφαρμοσμένη φυσιολογία της αναπνοής Θεωρητική βάση

Transcript

1 Ανασκόπηση Εξαναγκασμένες ταλαντώσεις στην εφαρμοσμένη φυσιολογία της αναπνοής Θεωρητική βάση Ανδρέας Σ. Λάππας 1, Άννα Τζώρτζη 1,2, Παναγιώτης Κ. Μπεχράκης 1,2,3,4 1 Κέντρο Έρευνας Καπνίσματος και Καρκίνου του Πνεύμονα, Ελληνική Αντικαρκινική Εταιρία 2 Ιατρικό Κέντρο Αθηνών 3 Harvard University, School of Public Health 4 Ίδρυμα Ιατροβιολογικών Ερευνών Ακαδημίας Αθηνών Λέξεις-κλειδιά: - Ταλαντωσιμετρία, - Αντίσταση, - Άεργος αντίσταση, - Μηχανική του αναπνευστικού συστήματος Περiληψη. Η παρούσα εργασία, αποτελεί μια ανασκόπηση της βιβλιογραφίας που εξετάζει τις θεωρητικές αρχές που πλαισιώνουν τις δύο ευρύτερα χρησιμοποιούμενες τεχνικές εφαρμογής εξαναγκασμένων ταλαντώσεων στο αναπνευστικό σύστημα. Οι τεχνικές αυτές, γνωστές στη διεθνή βιβλιογραφία με τους όρους Forced Oscillation Technique (FOT) και Impulse Oscillometry (IOS), περιγράφονται στην ελληνική ιατρική ορολογία από τον όρο ταλαντωσιμετρία, ο οποίος είναι κοινός και για τις δύο, παρά τις σημαντικές διαφορές τους. Ωστόσο, η θεωρητική βάση των εφαρμογών των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων είναι κοινή και, ως εκ τούτου, στην παρούσα ανασκόπηση επιχειρείται μια ενιαία θεωρητική προσέγγιση, η οποία ταυτόχρονα, αναδεικνύει τις διαφορές των δύο τεχνικών. Η επίδραση των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων στο αναπνευστικό σύστημα εξετάζεται σαν φαινόμενο κίνησης, εκπεφρασμένης ως μεταβολή πίεσης, όγκου, ροής και επιτάχυνσης, υπό το πρίσμα της κλασσικής μαθηματικής θεώρησης της κίνησης ενός γραμμικού συστήματος κάτω από την επίδραση μιας διεγέρτριας δύναμης, που ωθεί το σύστημα σε εξαναγκασμένη ταλάντωση. Επίσης, επιχειρείται η μελέτη της φυσιολογίας της εμπέδησης του αναπνευστικού συστήματος, ως μέγεθος που εκφράζει τις σχέσεις πίεσης, όγκου, ροής, επιτάχυνσης, ελαστικότητας, αντιστάσεων και αδράνειας του συστήματος. Τέλος, εξετάζονται οι βασικές, πρακτικές αρχές σωστής περάτωσης της εξέτασης, αλλά και οι επιδημιολογικές παράμετροι που διαμορφώνουν το πλαίσιο αξιολόγησης των αποτελεσμάτων της ταλαντωσιμετρίας, όπως αυτές αποτυπώνονται από αντίστοιχες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν σε υγιείς πληθυσμούς ενηλίκων. Πνεύμων 2013, 26(4): Αλληλογραφία: Ανδρέας Λάππας, Tελειόφοιτος Ιατρικής Σχολής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, Λ. Μεσογείων 46, T.K , Αθήνα, Τηλ.: , , , andreaslappaswork@gmail.com ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η περιοδικότητα του φαινομένου της αναπνοής, είναι αναπόσπαστο κομμάτι της μηχανικής του αναπνευστικού συστήματος, καθώς συνδέεται με όλα τα θεμελιώδη μεγέθη που καθορίζουν το επίπεδο λειτουργικότητας της αναπνευστικής αντλίας. Μια από τις πλέον ευρηματικές θεωρήσεις που

2 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος αναδεικνύουν την επίδραση της αναπνευστικής συχνότητας στη διαμόρφωση του κυψελιδικού αερισμού, είναι η γραμμική θεώρηση της σχέσης όγκου-χρόνου, η οποία διατυπώθηκε από τον J. Milic-Emili 1. Σύμφωνα με τη θεώρηση αυτή, η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα στο αρτηριακό αίμα, συναρτάται με τις φυσιολογικές παραμέτρους όγκου και χρόνου της ήρεμης αναπνοής, με βάση την εξίσωση: (Κ V'CO 2) P ACO 2 = (V * T/T i) (T i/t TOT) (I-V D/V T) Επίσης, νεότερες προσεγγίσεις 2-5, αλλά και προηγούμενη δική μας εργασία 6, στην οποία διατυπώθηκε μια βελτιωμένη αρμονική διανυσματική θεώρηση της μηχανικής της αυτόματης αναπνοής, καταδεικνύουν ότι η διακύμανση της αναπνευστικής συχνότητας μεταβάλλει σημαντικά τις ενεργειακές απαιτήσεις της αναπνοής. Στοιχεία των μεταβολών αυτών, αποτυπώνονται από τις παραμέτρους της ταλαντωσιμετρίας (FOT, IOS), η οποία αποτελεί το πλέον ολοκληρωμένο, τεχνικά, προϊόν της έρευνας περί των εφαρμογών των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων στην κλινική πράξη. Η ταλαντωσιμετρία, αποτυπώνει την επίδραση της συχνότητας στη μηχανική του αναπνευστικού συστήματος και έτσι, προσθέτει μια νέα συνιστώσα στη μελέτη της αναπνευστικής λειτουργίας. Ιδιαίτερο δε πλεονέκτημα της μεθόδου, είναι η μελέτη και η αξιολόγηση της ήρεμης αναπνοής και άρα της καθημερινής αναπνευστικής δραστηριότητας του εξεταζόμενου. Με βάση τα παραπάνω, η παρουσίαση μιας ανασκόπησης της θεωρητικής βάσης της ταλαντωσιμετρίας, κρίνεται σκόπιμη, καθώς αρκετές μελέτες δείχνουν ότι η γνώση των θεωρητικών αρχών που πλαισιώνουν τις εφαρμογές των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, έχει εισάγει σημαντικές, νέες παραμέτρους στη φυσιολογία της αναπνοής. Η χρήση των παραμέτρων αυτών στην κλινική πράξη, έχει αξιολογηθεί σε ικανοποιητικό βαθμό, ώστε να οδηγήσει στην εξαγωγή παγιωμένων συμπερασμάτων, ενδεικτικών της λειτουργίας σχεδόν του συνόλου των δομών που απαρτίζουν το αναπνευστικό σύστημα. 1. Η ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΙΜΕΤΡΙΑΣ 1.1. Η πρώτη εφαρμογή της ταλαντωσιμετρίας και οι βασικές αρχές της Η πρώτη εφαρμογή της ταλαντωσιμετρίας έγινε από * V T=Αναπνεόμενος όγκος, T TOT=Περίοδος αναπνευστικού κύκλου, Ti=χρόνος εισπνοής, T E=χρόνος εκπνοής, f=αναπνευστική συχνότητα, P ACO 2 = μερική πίεση του CO 2 στον κυψελιδικό χώρο, V CO 2= Συνολική παραγωγή CO 2 από τους ιστούς, K=σταθερά μονάδων, V D=Νεκρός χώρος. τους Du Bois et al 7, το 1956 και συνίστατο στην εφαρμογή ημιτονοειδών κυμάτων πίεσης συγκεκριμένης συχνότητας [f= (2 18)Hz], στην επιφάνεια του σώματος εξεταζόμενου που βρίσκονταν εντός κλωβού (body box). Ο εξεταζόμενος κρατούσε χαλαρούς τους αναπνευστικούς του μυς, ώστε το αναπνευστικό του σύστημα να ισορροπήσει στη θέση της λειτουργικής υπολειπόμενης χωρητικότητας (FRC). Η πειραματική διάταξη, απεικονίζεται στο σχήμα της εικόνας 1. Τα κύματα πίεσης, παράγονταν από την παλινδρομική κίνηση ενός εμβόλου, ενώ οι μεταβολές πίεσης γύρω από τον θώρακα του εξεταζόμενου οδηγούσαν σε κλίση πίεσης (transthoracic pressure) μεταξύ του ανοίγματος των αεραγωγών (στοματική κοιλότητα) και του χώρου γύρω από το θώρακα. Το αποτέλεσμα, ήταν μια παθητική μίμηση της φυσιολογικής αναπνευστικής λειτουργίας και η παραγωγή ροής. Ο εννοιολογικός πυρήνας της διάταξης αυτής, είναι η εφαρμογή αρμονικών εξαναγκασμένων ταλαντώσεων στο σύνολο των ανατομικών δομών που απαρτίζουν το αναπνευστικό σύστημα, με σκοπό την καταγραφή των μεταβολών του συνόλου των μηχανικών συνιστωσών της πίεσης και της ροής που περιγράφονται από την εξίσωση κίνησής του αναπνευστικού συστήματος (P =E rsv+r rs V +I rsv ** 8-10 ), σε συχνότητες πολύ μεγαλύτερες από αυτές της ήρεμης αναπνοής. Από τον λόγο της πίεσης (transthoracic pressure), που καταγράφονταν στο σημείο της εικόνας 1 που συμβολίζεται με το γράμμα Ρ, προς τη ροή την οποία κατέγραφε Εικόνα 1. Διακρίνεται κλωβός εντός του οποίου βρίσκεται ο εξεταζόμενος σε ύπτια θέση. Διακρίνονται επίσης, το έμβολο που εκτελεί παλινδρομική κίνηση κάθετα στον επιμήκη άξονα του σώματος του εξεταζόμενου, ο καταγραφέας των μεταβολών της πίεσης (P) και ο καταγραφέας των μεταβολών της ροής με τον πνευμοταχογράφο (V ), στο άνοιγμα των αεραγωγών (στοματική κοιλότητα). Παρατηρείται ότι η καταγραφή της πίεσης γίνεται σε διαφορετικό σημείο από την καταγραφή της ροής. (Αναδημοσίευση κατόπιν αδείας από τους DuBois et al 7 ). ** P= ελάχιστη δυνατή πίεση, απαραίτητη για την κίνηση του αναπνευστικού συστήματος, V=όγκος, V = ροή, V = επιτάχυνση, Εrs= ελαστικότητα, Rrs=αντιστάσεις, Ιrs= συντελεστής αδράνειας του αναπνευστικού συστήματος.

3 310 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 το ροόμετρο της εικόνας 1, τοποθετημένο στη στοματική κοιλότητα, υπολογίζονταν η συνολική εμπέδηση του αναπνευστικού συστήματος (transfer impedance), σε ένα εύρος συχνοτήτων (2 18)Hz. Η διάταξη αυτή, στη συνέχεια αντικαταστάθηκε από τη διάταξη που απεικονίζεται στην εικόνα 2. Τα ημιτονοειδή κύματα πίεσης εφαρμόζονταν στο άνοιγμα των αεραγωγών, όπου καταγράφονταν και η ροή, ενώ η κλίση πίεσης που δημιουργούνταν, ήταν πια η διαναπνευστική (transrespiratory) πίεση (P rs) (εικόνα 2). Η εμπέδηση, υπολογίζονταν από τον λόγο της P rs προς τη ροή και ονομάστηκε εμπέδηση εισόδου (input impedance), γιατί οι καταγραφές των σημάτων της ροής και της πίεσης γίνονταν αμφότερες στο άνοιγμα των αεραγωγών. Από τότε μέχρι σήμερα, εφαρμόζονται στην πλειονότητα των τεχνικών της ταλαντωσιμετρίας, διατάξεις βασισμένες στο δεύτερο σχήμα (εικόνα 2) και καταγράφονται τιμές εμπέδησης εισόδου. Εικόνα 2. Διακρίνεται το έμβολο που εκτελεί παλινδρομική κίνηση κάθετα στον οβελιαίο άξονα της κεφαλής του εξεταζόμενου, καθώς και οι καταγραφείς μεταβολών πίεσης (P) και ροής (V ). Παρατηρείται ότι οι καταγραφές των σημάτων της πίεσης και της ροής, γίνονται αμφότερες στο άνοιγμα των αεραγωγών(στοματική κοιλότητα). (Αναδημοσίευση κατόπιν αδείας από τους DuBois et al 7 ) Οι χαρακτήρες της πίεσης και της ροής και ο ορισμός της πολυσυχνωτικής εμπέδησης Στην εικόνα 3, φαίνεται η γραφική παράσταση της μεταβολής της P rs ως προς το χρόνο. Η P rs μεταβάλλεται αρμονικά και η μεταβολή της μπορεί να αποτυπωθεί μαθηματικά από ημιτονοειδείς όρους. Έτσι, μπορούμε να ορίσουμε μια περίοδο (Τ) και μία συχνότητα μεταβολής της πίεσης (f=1/τ), καθώς και ένα πλάτος της πίεσης (P max), δηλαδή τη μέγιστη απόλυτη τιμή της. Η μαθηματική έκφραση μιας τέτοιας μεταβολής, είναι: P rs(t)=p max ημ(ωt) (εξίσωση 1), όπου ω η γωνιακή συχνότητα μεταβολής, με ω=2πf και f, η συχνότητα των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων. Ο παράγοντας ωt, ονομάζεται φάση της μεταβολής της πίεσης. Εικόνα 3. Διακρίνεται η γραφική παράσταση της μεταβολής της P rs ως προς το χρόνο, η οποία έχει χαρακτηριστικά ημιτονοειδούς καμπύλης. P max=πλάτος (μέγιστη τιμή της πίεσης), Τ= περίοδος της μεταβολής, για την οποία ισχύει Τ=1/f, όπου f, η συχνότητα μεταβολής της πίεσης. Η P rs μπορεί να αναλυθεί σε συνιστώσες, με την εφαρμογή της εξίσωσης κίνησης του αναπνευστικού συστήματος 7-10 : P rs = P E+P R+P I = E rsv+r rs V +I rsv * και άρα (εξίσωση 2) P E= E rsv, P R=R rsv και P I=I rsv Από το συνδυασμό των εξισώσεων 1 και 2, προκύπτει: P rs(t)=p max ημ(ωt)= E rsv(t)+ R rsv (t)+ I rsv (t)* (εξίσωση 3). Η λύση αυτής της διαφορικής εξίσωσης ως προς το χρόνο (t), είναι 11 : V(t) = - V maxσυν(ωt) (εξίσωση 4) V (t)=v max ημ(ωt) (εξίσωση 5) V (t)=v max συν(ωt) (εξίσωση 6) όπου οι παράγοντες με το χαρακτήρα max, αντιπροσωπεύουν τα πλάτη (μέγιστες απόλυτες τιμές) των αντίστοιχων μεγεθών. Ο συνδυασμός των εξισώσεων 3,4,5 και 6, δίδει τις συναρτήσεις χρόνου της κάθε συνιστώσας της πίεσης, ως εξής: P E= -E rsv maxσυν(ωt) P R=R rsv max ημ(ωt) P I=I rsv maxσυν(ωt) Με βάση τις παραπάνω εξισώσεις, μπορεί να επιχειρηθεί μια διανυσματική παράσταση των συνιστωσών της πίεσης. Θεωρούμε κάθε συνιστώσα ως διάνυσμα, με μέτρο το πλάτος της και κατεύθυνση που υπαγορεύεται από τη σχέση των φάσεων των συνιστωσών. Τοποθετούμε * P rs.= διαναπνευστική πίεση, V=όγκος, V = ροή, V = επιτάχυνση, Εrs=ελαστικότητα, Rrs=αντιστάσεις, Ιrs=συντελεστής αδράνειας του αναπνευστικού συστήματος, P E=πίεση ελαστικής επαναφοράς, P R=πίεση των αντιστάσεων, P I=πίεση των δυνάμεων αδράνειας του αναπνευστικού συστήματος. t

4 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος τα διανύσματα σε ένα καρτεσιανό επίπεδο με κέντρο το σημείο (0,0), το οποίο θεωρούμε και αρχή τους. Τα διανύσματα στρέφονται με γωνιακή ταχύτητα ω=2πf (rad/ sec) γύρω από το σημείο (0,0). Η παραπάνω διάταξη, απεικονίζεται στην εικόνα 4. Στο σχήμα της εικόνας 4, έχουν επιλεγεί συμβατικά η θετική φορά περιστροφής, ως αυτή της περιστροφής των δεικτών του ρολογιού και αυθαίρετα η σχέση των πλατών P E και P I, ώστε P E< P I. Η γωνία φ, συμβολίζει τη διαφορά φάσης μεταξύ των μεταβολών της συνισταμένης της πίεσης (P rs) και της ροής (V ) και ορίζεται, ως ο βαθμός κατά τον οποίο η πίεση προηγείται της ροής 12. Με βάση τα παραπάνω, αποδεικνύεται ότι η ροή μεταβάλλεται αρμονικά, με την ίδια συχνότητα μεταβολής (f) και με διαφορά φάσεως ίση με φ, σε σχέση με την συνισταμένη της πίεσης. Η φ, είναι θετική, αφού όπως φαίνεται στην εικόνα 4, η μεταβολή της πίεσης, προηγείται της μεταβολής της ροής. Στο σημείο όμως αυτό, πρέπει να τονιστεί ότι το πρόσημο της φ δεν είναι μονοσήμαντο και καθορίζεται από τη σχέση των μέτρων των διανυσμάτων P E και P I και κατ επέκταση, τη σχέση των πλατών των P E και P I, γεγονός το οποίο θα αξιολογηθεί αμέσως παρακάτω. Για να γίνει κατανοητός ο ρόλος της σχέσης των P E και P I στη διαμόρφωση της φ, θα επιλέξουμε αυτή τη φορά την τιμή της P E μεγαλύτερη από αυτή της P I. Τώρα, η συνισταμένη της πίεσης (P rs), βρίσκεται στο τέταρτο τεταρτημόριο του σχήματος (εικόνα 5), με αποτέλεσμα η γωνία φ να καθίσταται αρνητική και η μεταβολή της συνολικής πίεσης να έπεται της μεταβολής της ροής (εικόνα 5). Για να γενικεύσουμε την παραπάνω θεώρηση, θα μελετήσουμε τη μεταβολή των προβολών των διανυσμάτων της συνολικής πίεσης (P rs) και της ροής (V ) στον άξονα των x. Η μεταβολή αυτή, εκφράζεται μαθηματικά από τις εξισώσεις: P rs(t)=p max ημ(ωt) (δηλαδή την εξίσωση 1) και V (t)=v max ημ(ωt+φ) (εξίσωση 7), όπου η φ, μπορεί να πάρει τόσο θετικές όσο και αρνητικές τιμές, ανάλογα με τη σχέση των πλατών P E και P I. Οι εξισώσεις1 και 7, αποτυπώνουν κάθε στιγμή, τη μεταβολή των P rs και V ως προς το χρόνο κατά τη διάρκεια των εξαναγκασμένων αρμονικών ταλαντώσεων και οι γραφικές τους παραστάσεις, απεικονίζονται στα σχήματα των εικόνων 6 και 7. Στην εικόνα 6, η μεταβολή της πίεσης προηγείται της μεταβολής της ροής και η διαφορά φάσεως είναι θετική, ενώ στην εικόνα 7, η μεταβολή της ροής προηγείται της μεταβολής της πίεσης και η διαφορά φάσεως είναι αρνητική. Η εμπέδηση (Z), αποτελεί τη συνισταμένη δύο παραμέ- Εικόνα 4. Διακρίνονται τα διανύσματα της ελαστικής πίεσης (P E), της πίεσης των αντιστάσεων (P R), της πίεσης της αδράνειας (P I), της συνισταμένης αυτών (P rs), της συνισταμένης των Ρ Ε και P I (Ρ Ι-Ρ Ε), καθώς επίσης και το διάνυσμα της ροής (V ). Τα διανύσματα περιστρέφονται με τη φορά των δεικτών του ρολογιού, με γωνιακή ταχύτητα ω=2πf, όπου f=συχνότητα περιστροφής. Παρατηρείται, ότι η γωνία φ των δύο διανυσμάτων P rs και V είναι θετική, δηλαδή ομόρροπη της φοράς της περιστροφής των διανυσμάτων γύρω από την αρχή των αξόνων. Εικόνα 5. Διακρίνονται τα διανύσματα της ελαστικής πίεσης (P E), της πίεσης των αντιστάσεων (P R), της πίεσης της αδράνειας (P I), της συνισταμένης αυτών (P rs), της συνισταμένης των Ρ Ε και P I (Ρ Ι-Ρ Ε), καθώς επίσης και το διάνυσμα της ροής (V ). Τα διανύσματα περιστρέφονται με τη φορά των δεικτών του ρολογιού, με γωνιακή ταχύτητα ω=2πf, όπου f=συχνότητα περιστροφής. Παρατηρείται, ότι η γωνία φ των δύο διανυσμάτων P rs και V είναι αρνητική, δηλαδή αντίρροπη της φοράς της περιστροφής των διανυσμάτων γύρω από την αρχή των αξόνων.

5 312 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 Εικόνα 6. Διακρίνονται οι μεταβολές των προβολών των διανυσμάτων της πίεσης (P rs) και της ροής (V ) ως προς το χρόνο, οι οποίες ταυτίζονται με τις μεταβολές της P rs και της ροής ως προς το χρόνο. Παρατηρείται, ότι η μεταβολή της πίεσης προηγείται της μεταβολής της ροής, γεγονός που αντικατοπτρίζεται από τη θετική γωνία φ, μεταξύ των δύο διανυσμάτων. Εικόνα 7. Διακρίνονται οι μεταβολές των προβολών των διανυσμάτων της πίεσης (P rs) και της ροής (V ) ως προς το χρόνο, οι οποίες ταυτίζονται με τις μεταβολές της P rs και της ροής ως προς το χρόνο. Παρατηρείται, ότι η μεταβολή της πίεσης έπεται της μεταβολής της ροής, γεγονός που αντικατοπτρίζεται από την αρνητική γωνία φ, μεταξύ των δύο διανυσμάτων. τρων: (i) της αντίστασης (R),της οποίας οι τιμές εκφράζουν τη σχέση μεταξύ των πλατών της πίεσης και της ροής, και (ii) της άεργου αντίστασης [reactance (Χ)], η οποία αποτελεί τη μαθηματική έκφραση του χρόνου που απαιτείται ώστε η μεταβολή της πίεσης να προκαλέσει μεταβολή ροής, δηλαδή τη διαφορά φάσεως, όπως αυτή ορίστηκε παραπάνω. Έτσι, οι τιμές της Χ, διαμορφώνονται από τη σχέση των φάσεων της πίεσης και της ροής. Η μαθηματική αυτή περιγραφή, αντικατοπτρίζει τη φυσιολογία της Χ. Η άεργος αντίσταση, αποτυπώνει τη δράση δυο συνιστωσών. Της ελαστικής συμπεριφοράς των ανατομικών δομών του αναπνευστικού συστήματος και της αδράνειας, τόσο t t της στήλης αέρα, όσο και των ιστικών (παρεγχυματικών και μη) στοιχείων του αναπνευστικού συστήματος. Η επίδραση των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων στο ελαστικό στοιχείο του αναπνευστικού συστήματος, προκαλεί πρώτα μεταβολή ροής, με αποτέλεσμα τη διαστολή του και, εν συνεχεία, αναπτύσσεται μεταβολή πίεσης 12, με τον χαρακτήρα της ελαστικής πίεσης επαναφοράς. Έτσι, η διαφορά φάσεως είναι αρνητική, αφού η μεταβολή της πίεσης έπεται της μεταβολής της ροής. Αντίθετα, για να υπερνικηθούν οι δυνάμεις αδράνειας, πρέπει πρώτα να δημιουργηθεί μεταβολή πίεσης, η οποία θα επιφέρει και μεταβολή ροής 6,12. Τότε, η διαφορά φάσεως είναι θετική, καθώς η μεταβολή της πίεσης προηγείται της μεταβολής της ροής. Επομένως, στην περίπτωση που η απάντηση του ελαστικού στοιχείου στις εξαναγκασμένες ταλαντώσεις κυριαρχεί, γεγονός που φυσιολογικά συμβαίνει σε χαμηλές συχνότητες ταλάντωσης 7,12,13, η μεταβολή της συνολικής πίεσης έπεται της μεταβολής της ροής, η διαφορά φάσης των μεταβολών τους είναι αρνητική και, ως εκ τούτου, οι τιμές της Χ είναι επίσης αρνητικές (εικόνες 5 και 7). Ακριβώς αντίθετη συμπεριφορά, επιδεικνύεται από ένα φυσιολογικό αναπνευστικό σύστημα σε ταλαντώσεις υψηλών συχνοτήτων, όπου οι δυνάμεις αδράνειας είναι σημαντικά μεγαλύτερες λόγω των πολύ υψηλών τιμών επιτάχυνσης 2,6 και απαιτείται η δημιουργία ικανού ποσού πίεσης για να τις υπερνικήσει και να παραχθεί ροή. Επομένως, η μεταβολή της πίεσης προηγείται της μεταβολής της ροής (εικόνες 4 και 6), η διαφορά φάσεως είναι θετική και, ως εκ τούτου, οι τιμές της Χ είναι επίσης θετικές. Με βάση τα παραπάνω, γίνεται αντιληπτό ότι σε ένα ιδανικό, φυσιολογικό αναπνευστικό σύστημα, οι τιμές των αντιστάσεων (R) δεν επηρεάζονται από τη συχνότητα ταλάντωσης, σε αντίθεση με τις τιμές της άεργου αντίστασης (X), οι οποίες εξαρτώνται από τη συχνότητα (f) των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, η οποία καθορίζει άμεσα το ω (εξίσωση 1), και έμμεσα τη φ (εξίσωση 7). Η εμπέδηση, ως συνισταμένη της R και της X, εξαρτάται από τη συχνότητα. Επομένως, διαφορετικές τιμές συχνότητας μεταβολής της πίεσης και της ροής, δίδουν διαφορετικές τιμές εμπέδησης. Εγκαθίσταται, έτσι, μια συναρτησιακή σχέση μεταξύ της εμπέδησης (Ζ) και της συχνότητας (f). Η εξίσωση που περιγράφει αυτή τη συνάρτηση είναι η εξής: Z(f)=P(f)/V (f), {0 f f max } 13 και άρα, Z(ω)=P(ω)/V (ω), {0 ω ω max }, όπου ω=2πf (εξίσωση 8) Η εξέλιξη της τεχνικής και η σύγχρονη μεθοδολογία της ταλαντωσιμετρίας Η εξάρτηση των μηχανικών ιδιοτήτων του αναπνευστικού συστήματος από τη συχνότητα, ήταν η αφορμή της

6 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος εξέλιξης της μεθόδου, η οποία άρχισε να παίρνει τη σημερινή μορφή της από τους Michaelson et al 14, που το 1975, ανέπτυξαν μια γεννήτρια κατευθυνόμενη από ηλεκτρονικό υπολογιστή, όπως αυτή της διάταξης που απεικονίζεται στην εικόνα 2, η οποία παρήγε πολυσυχνωτικά κύματα πίεσης, εν είδη ψευδοτυχαίας κυματομορφής (Pseudorandom Noise Waveform). Τα σύνθετα αυτά κύματα, μπορούν να αναλυθούν σε κυματικές συνιστώσες (αρμονικές) με βάση την αρχή της επαλληλίας των κυμάτων, οι οποίες χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένη, μοναδική και χαρακτηριστική για κάθε συνιστώσα, συχνότητα. Τα κύματα, εφαρμόζονταν πάνω στην ήρεμη αναπνοή του εξεταζόμενου, αφού είχε αναπτυχθεί λογισμικό διαχωρισμού των συνιστωσών της ήρεμης αναπνοής από τις συνιστώσες της πίεσης και της ροής, που δημιουργούνταν ως απάντηση στις εξαναγκασμένες ταλαντώσεις. Η τεχνική αυτή ονομάστηκε Forced Oscillation Technique (FOT) και χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα σε αρκετά εργαστήρια ελέγχου της αναπνευστικής λειτουργίας. Η περαιτέρω εξέλιξη της τεχνικής, διαμόρφωσε τον πρόδρομο της πλέον σύγχρονης τεχνικής της ταλαντωσιμετρίας, η οποία πρωτοεμφανίστηκε το 1976 από τους Landser et al 15, που για πρώτη φορά εφάρμοσαν ώσεις πίεσης, με τη μορφή κυματικού παλμού, στην αναπνευστική οδό του εξεταζόμενου. Από το 1998 και μετά, η τεχνική της εφαρμογής των ώσεων πίεσης τελειοποιήθηκε και μπήκε στη βιομηχανική παραγωγή, φέροντας το όνομα Impulse oscillometry (IOS) 16. Η τεχνική της IOS, συνίσταται στην εφαρμογή αλλεπάλληλων, εναλλασσόμενης κατεύθυνσης ώσεων πίεσης, διάρκειας msec. Οι ώσεις συνίστανται σε μεταβολές πίεσης (θετικής και αρνητικής), οι οποίες δημιουργούνται από την παλινδρομική κίνηση της μεμβράνης που εμπεριέχεται στο μεγάφωνο (loudspeaker) της γεννήτριας των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων 12,13. Οι ώσεις πίεσης, διοχετεύονται στην αναπνευστική οδό του εξεταζόμενου καθώς εκείνος αναπνέει ήρεμα, και εξαναγκάζουν το σύνολο των ανατομικών δομών του αναπνευστικού συστήματος σε ταλαντωτική κίνηση. Οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις, ακολουθούνται από μεταβολές ροής και πίεσης, των οποίων οι χαρακτήρες καθορίζονται τόσο από τους χαρακτήρες των ώσεων πίεσης, όσο και από την ελαστικότητα, την αδράνεια και τις αντιστάσεις του αναπνευστικού συστήματος. Από τους χαρακτήρες της πίεσης και της ροής, υπολογίζεται η εμπέδηση του αναπνευστικού συστήματος, η οποία σαν έννοια, εμπεριέχει όλες τις μηχανικές ιδιότητες του συστήματος (ακολουθεί ανάλυση της φυσιολογίας της εμπέδησης). Στην εικόνα 8, φαίνονται οι μεταβολές πίεσης και ροής συναρτήσει του χρόνου, κατά τη διάρκεια της IOS. Oι μεταβολές αυτές δεν έχουν αρμονικό χαρακτήρα. Η γραφική παράσταση των χρονικών συναρτήσεων των μεγεθών, δίδει ένα σχήμα αρχικά τριγωνικό και στη συνέχεια, κάποιες κατά προσέγγιση αρμονικές καμπύλες ελαχίστου πλάτους σε σχέση με το πλάτος του τριγώνου. Μια καλή προσέγγιση της εξίσωσης μιας τέτοιας γραμμής, είναι η παρακάτω: Eικόνα 8. Διακρίνονται οι μεταβολές του αναπνεόμενου όγκου, της πίεσης και της ροής ως προς το χρόνο, όπως καταγράφονται στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή κατά τη διάρκεια της εξέτασης υγιούς ενήλικα εξεταζόμενου, με την τεχνική της IOS. Οι ωστικές συνιστώσες απεικονίζονται με μεγαλύτερη ευκρίνεια στην εικόνα 6.b, η οποία αποτελεί τμήμα της εικόνας 6.a σε μεγέθυνση και φέρουν τα ονόματα impulse pressure και impulse flow. Και στις δύο εικόνες η πράσινη καμπύλη αντιπροσωπεύει την πίεση, η κόκκινη καμπύλη τη ροή και η μπλε καμπύλη τον όγκο. Η περίοδος του αναπνευστικού κύκλου του εξεταζόμενου, οριοθετείται με τις κάθετες στον άξονα του χρόνου μαύρες γραμμές και αντιπροσωπεύεται στην εικόνα από το σύμβολο T rs.

7 314 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 f(t)=0.7 UnitTriangle [100/3 (t-1/50)] sin (20πt) UnitTriangle [200/3 (t /50)] sin [50/3π(t-0.04)] 18 (εξίσωση 9) Οι παράγοντες UnitTriangle, περιγράφουν μαθηματικά τριγωνικού σχήματος κυματομορφές και πολλαπλασιάζονται με ημιτονοειδείς όρους, ώστε να επιτευχθεί μια πιο ακριβής προσέγγιση των προϊόντων της γεννήτριας. Η εξίσωση 9, απέχει σημαντικά από τον μαθηματικό ορισμό των ωστικών διεγέρσεων του Dirac (Dirac impulses) οι οποίες χαρακτηρίζονται από απειροστή διάρκεια και άπειρο πλάτος. Κατά τη διάρκεια της IOS, σαφώς και δεν παράγονται τέτοιες ωστικές διεγέρσεις (impulses), όμως, μέσα στο πλαίσιο του μηχανικώς εφικτού, οι χαρακτήρες τους τις καθιστούν σχεδόν πραγματικές, μιας και παράγονται σε χρονικό διάστημα μόλις 30-40ms, ενώ ταυτόχρονα έχουν ικανό πλάτος για αξιόπιστους υπολογισμούς εμπέδησης 13,18. Εκείνο το χαρακτηριστικό της εξίσωσης 9 που επισημαίνει την ιδιαιτερότητα των ώσεων που παράγει η γεννήτρια της IOS, είναι οι αρμονικοί όροι που έπονται των «τριγωνικών». Με την προσθήκη αυτών των όρων, η εξίσωση τείνει να περιγράψει έναν κυματικό παλμό, παρά μια πραγματική ωστική διέγερση. Η μαθηματική περιγραφή του κυματικού παλμού, είναι πολύ κοντά στην πραγματική φύση της δραστηριότητας της γεννήτριας και των προϊόντων της. Η ιδιαιτερότητα ενός κυματικού παλμού, έγκειται στην απουσία της σαφούς εσωτερικής μορφολογίας του κύματος, η οποία αποτυπώνεται στην περιοδικότητα της κυματομορφής (πρόκειται δηλαδή για μια μικρής διάρκειας κυματική δραστηριότητα η οποία δεν ακολουθείται από ημιτονοειδή καμπύλη). Ο μαθηματικός ορισμός της εμπέδησης που υπολογίζεται από την IOS, είναι ο ίδιος που παρατέθηκε προηγουμένως στην εξίσωση 8. Πρόκειται δηλαδή και εδώ, για τιμές πολυσυχνωτικής εμπέδησης εισόδου. Ωστόσο, υπάρχει μια ποιοτική διαφορά στους δύο ορισμούς: η συνάρτηση 8, που προέρχεται από τη φασματική ανάλυση κάθε ώσης πίεσης και ροής της IOS είναι συνεχής στο πεδίο ορισμού της, ενώ η ίδια συνάρτηση που προέρχεται από τη φασματική ανάλυση κάθε κύματος πίεσης και ροής της FOT, δεν είναι συνεχής. Το γεγονός αυτό, εκπορεύεται από τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η φασματική ανάλυση των κυμάτων της πίεσης και της ροής. Ο πυρήνας του μαθηματικού συλλογισμού της ανάλυσης αυτής, είναι η μετατροπή των συναρτήσεων χρόνου που περιγράφουν κάθε κύμα πίεσης και ροής - P(t) και V (t), σε συναρτήσεις συχνότητας - P(f) και V (f). Η μετατροπή αυτή γίνεται με τη χρήση ενός αλγορίθμου, που ονομάζεται ταχεία μετατροπή Fourier (FFT) 19. Στην περίπτωση της FOT, κάθε πολυσυχνωτικό κύμα πίεσης και ροής, αναλύεται στις συνιστώσες του, με βάση τη σειρά Fourier μέσα στην FFT, με αποτέλεσμα οι συχνότητες που προκύπτουν, να είναι ακέραια πολλαπλάσια των θεμελιωδών συχνοτήτων του αρχικού περιοδικού κύματος που αναλύεται 19. Έτσι, οι συναρτήσεις P(f) και V (f), δεν είναι συνεχείς στο πεδίο ορισμού τους {0 f f max}, αν αυτό θεωρηθεί υποσύνολο του συνόλου των πραγματικών αριθμών. Επομένως, ούτε η συνάρτηση Z(f)=P(f)/V (f), {0 f f max} είναι συνεχής. Αντίθετα, στην περίπτωση της IOS, όπου οι ώσεις πίεσης και ροής ακολουθούν το πρότυπο του κυματικού παλμού, χρησιμοποιείται το ολοκλήρωμα Fourier στην FFT, με αποτέλεσμα, όλες οι παραπάνω συναρτήσεις να είναι συνεχείς στο πεδίο ορισμού τους και να καθίστανται πραγματικές συναρτήσεις πραγματικής μεταβλητής 19. Η κλινική σημασία της διαφοράς αυτής, παραμένει αμφιλεγόμενο ζήτημα. Είναι γεγονός ότι, τουλάχιστον θεωρητικά, το συνεχές φάσμα συχνοτήτων της IOS ίσως αποτελεί πλεονέκτημα για την ανάδειξη της υποκείμενης παθολογίας ενός αναπνευστικού συστήματος που παρουσιάζει περιοχές ανομοιογενείς ως προς τα χαρακτηριστικά της εμπέδησης 13. Από την άλλη, οι συγκεκριμένες συχνότητες της FOT, προσδίδουν στην τεχνική καλύτερη ποιότητα σήματος (καλύτερη σηματοθορυβική σχέση-snr*) 17, ενώ ταυτόχρονα, η μορφολογία των καμπυλών αντίστασηςσυχνότητας [R(f)] και άεργου αντίστασης-συχνότητας [Χ(f)], η οποία αποτελεί και το σημαντικότερο στοιχείο εκτίμησης της αναπνευστικής λειτουργίας μέχρι στιγμής, αποδεικνύεται πανομοιότυπη για τις δύο μεθόδους Η ΕΜΠΕΔΗΣΗ ΩΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ 2.1. Η έννοια της εμπέδησης Η χρήση ηλεκτρικών μοντέλων, ανάλογων μηχανικών ιδιοτήτων με αυτές του αναπνευστικού συστήματος, αποτελεί μια κλασσική μέθοδο μελέτης της μηχανικής της αναπνοής Ένα απλό μοντέλο ηλεκτρικού κυκλώματος, αποτελείται από τα εξής στοιχεία: έναν πυκνωτή (C), έναν αντιστάτη (R) κι ένα πηνίο (L) (απλό κύκλωμα RLC). Το κύκλωμα παίρνει ενέργεια από μια πηγή εναλλασσόμενης τάσης, με δεδομένη ηλεκτρεγερτική δύναμη (εικόνα 9). (i) Ο πυκνωτής, είναι μια συσκευή αποθήκευσης ηλεκτρικού φορτίου και κατ επέκταση, συσκευή αποθήκευσης ενέργειας με τη μορφή ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας. * SNR=Signal to Noise Ratio = σηματοθορυβική σχέση

8 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος Εικόνα 9. Διακρίνεται η διάταξη ενός απλού κυκλώματος RLC, το οποίο διαρρέει ρεύμα, έντασης i. C=χωρητικότητα του πυκνωτή, R=αντίσταση, L=αυτεπαγωγή του πηνίου, Ε= ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής, i L= ρεύμα αυτεπαγωγής, που δημιουργείται από το πηνίο. Όταν ένας πυκνωτής συνδέεται με μια ηλεκτρεγερτική δύναμη, η μετακίνηση φορτίων που αυτή προκαλεί, φορτίζει τον πυκνωτή και άρα στην κατάσταση αυτή, ο πυκνωτής έχει αποθηκευμένη ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Αν απομακρύνουμε την ηλεκτρεγερτική δύναμη από το κύκλωμα, ο φορτισμένος πυκνωτής θα αρχίσει αυθόρμητα να αποφορτίζεται, μετατρέποντας την αποθηκευμένη ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που συγκέντρωσε κατά τη φόρτισή του, σε κίνηση φορτίου (ρεύμα). Η συμπεριφορά αυτή του πυκνωτή, παραπέμπει στη συμπεριφορά του αναπνευστικού συστήματος στις φάσεις της φυσιολογικής, ήρεμης εισπνοής και εκπνοής αντίστοιχα. Στην εισπνοή (ενεργητική διαδικασία) παράγεται ελαστικό έργο και συσσωρεύεται ελαστική ενέργεια, η οποία θα καταναλωθεί αυθόρμητα στην εκπνοή (παθητική διαδικασία, χωρίς επιπρόσθετη ενεργειακή συνεισφορά). H συσχέτιση αυτή διατυπώνεται μαθηματικά ως εξής: (α) Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια (U) που αποθηκεύει ο π υκνωτής κατά τη φόρτισή του, είναι: U = ½ Q 2 /C 26, όπου Q το φορτίο του πυκνωτή και C η χωρητικότητά του. (β) Το απαιτούμενο έργο (W) για κάθε αναπνοή, είναι: W = ½ V T2 /C rs 20, όπου V T ο αναπνεόμενος όγκος και C rs η συνολική διατασιμότητα του αναπνευστικού συστήματος. Από τη μαθηματική αυτή συσχέτιση, προκύπτει η εξής αντιστοίχηση των μεγεθών: το φορτίο (Q) του πυκνωτή στο ηλεκτρικό κύκλωμα, αντιστοιχεί στον όγκο (V) και η χωρητικότητα του πυκνωτή (C), στην ολική διατασιμότητα του αναπνευστικού συστήματος (C rs), δηλαδή στις ελαστικές ιδιότητες του συστήματος. (ii) Ο αντιστάτης, είναι μια συσκευή που εμποδίζει τη ροή φορτίου και μετατρέπει την ενέργεια που αυτό μεταφέρει σε θερμική. Έτσι, μπορεί να παραλληλιστεί το μέγεθος της αντίστασης του κυκλώματος με τη συνολική αντίσταση του αναπνευστικού συστήματος (R rs) και η ένταση του ρεύματος (i), με τη ροή (V ). (iii) Το πηνίο, έχει τη χαρακτηριστική και μοναδική ιδιότητα να ανθίσταται στις μεταβολές της έντασης του ρεύματος (i) μέσα σε ένα κύκλωμα, δημιουργώντας ηλεκτρεγερτική δύναμη αυτεπαγωγής (E L) με αντίθετο οπλισμό από αυτόν της ηλεκτρεγερτικής δύναμης της πηγής και ρεύμα (i L) αντίθετης φοράς από αυτό που διατρέχει τον κλάδο του. Αντιπροσωπεύει, δηλαδή, το στοιχείο της αδράνειας μέσα στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Λόγω αυτής του της ιδιότητας, η δράση του πηνίου, μπορεί να παραλληλιστεί με τις δυνάμεις αδράνειας του αναπνευστικού συστήματος (Ι rsv ), ως εξής: (i) για την ηλεκτρεγερτική δύναμη αυτεπαγωγής ισχύει: E L = - L (di/dt) 26 (ii) για τη διαμόρφωση των δυνάμεων αδράνειας του αναπνευστικού συστήματος, καταναλώνεται ένα ποσοστό της συνολικής πίεσης: P I = Ι rsv = Ι rs (dv /dt). Επομένως, το μέγεθος L (αυτεπαγωγή) αντιστοιχεί στον συντελεστή Ι rs και η ροή (V ), αντιστοιχεί στο ρεύμα που διατρέχει το κύκλωμα (i). Στην εικόνα 9, παρίσταται ένα απλό κύκλωμα RLC με τα παραπάνω δομικά στοιχεία. Στο κύκλωμα της εικόνας 9, η ενέργεια που παράγει η ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής, περιγράφεται από την εξίσωση E=E maxημ (ωt) και οδηγεί την κίνηση φορτίων (i): i=i maxημ(ωt+φ). Κατά τη διέλευση των φορτίων από τον πυκνωτή, τον αντιστάτη και το πηνίο, δαπανάται ένα μέρος της ενέργειας της ηλεκτρεγερτικής δύναμης της πηγής: E = V C + V R + V L =1/C x Q + Ri +Li * και άρα E = 1/C x Q + RQ +LQ * 26 (εξίσωση 10) H ομοιότητα της εξίσωσης 10 με την εξίσωση κίνησης του αναπνευστικού συστήματος (P =1/C rs x V+R rsv +I rsv ), επιτρέπει τη διαπίστωση ότι, μέσα από μια γραμμική θεώρηση με ένα βαθμό ελευθερίας, το αναπνευστικό σύστημα συμπεριφέρεται σαν το ηλεκτρικό κύκλωμα της εικόνας 9 7, Επομένως, οι συσχετισμοί των παραμέτρων που προαναφέρθηκαν, μπορούν να επεκταθούν και στον ορισμό της εμπέδησης του αναπνευστικού συστήματος, που θα προκύψει από την επίλυση του κυκλώματος αυτού. Η επίλυση του κυκλώματος, βασίζεται στη μετατροπή των εξισώσεων χρόνου της ηλεκτρεγερτικής δύναμης της * V C=τάση στους πόλους του πυκνωτή, V R=τάση που καταναλώνεται από τον αντιστάτη, V L=τάση που διαμορφώνεται από το πηνίο, Q=συνολικό κινούμενο φορτίο, Q =dq/dt=i=ένταση του συνολικού ρεύματος, Q =d 2 Q/dt 2 =i = επιτάχυνση της μεταβολής του φορτίου, C=χωρητικότητα του πυκνωτή, R=αντίσταση, L=αυτεπαγωγή του πηνίου

9 316 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 πηγής και της έντασης του ρεύματος, σε συναρτήσεις συχνότητας και δίδει την εξής μαθηματική έκφραση της ολικής εμπέδησης του κυκλώματος (εκπεφρασμένης σε καρτεσιανή μιγαδική μορφή): Ζ(ω)= Ε max(ω)/ i max(ω)= R +j(x L- X c)=r +j(ω L - 1/ω C) όπου ω=2πf 26 Ο παράγοντας Χ C, ονομάζεται χωρητική εμπέδηση του κυκλώματος και ο παράγοντας Χ L, επαγωγική εμπέδηση του κυκλώματος. O συντελεστής j, είναι ο συντελεστής του συνόλου των φανταστικών αριθμών, όπου j 2 = -1. Η ολική εμπέδηση του κυκλώματος RLC, εκφράζει το συνολικό εμπόδιο στην κίνηση των φορτίων μέσα στο κύκλωμα και εκτείνει την έννοια της αντίστασης και σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος, όπου η τάση (Ε) και η ένταση (i) δεν είναι σε φάση. Η ίδια ακριβώς λογική, συνιστά το μηχανισμό με τον οποίο εκτιμώνται οι παράμετροι της μηχανικής του αναπνευστικού συστήματος από την ταλαντωσιμετρία. Οι χρονικές συναρτήσεις της πίεσης και της ροής- P(t) και V (t), μετατρέπονται σε συναρτήσεις συχνότητας, με FFT. Οι δε συναρτήσεις συχνότητας που προκύπτουν είναι, ποιοτικά και ποσοτικά, απολύτως ανάλογες αυτών που προέκυψαν από την επίλυση του κυκλώματος RLC. Έτσι, η μαθηματική έκφραση της ολικής εμπέδηδης του αναπνευστικού συστήματος, είναι η εξής: Ζ(ω)= P max(ω)/ V max(ω) = R rs + jx rs = R rs + j(ωι rs 1/ωC rs) 7, με ω=2πf, {0 < f f max} (εξίσωση 11) Η δε ολική εμπέδηση του αναπνευστικού συστήματος, εκφράζει το συνολικό μηχανικό φορτίο-«εμπόδιο», που υπερνικείται κάθε στιγμή της αναπνευστικής κίνησης. Στο κύκλωμα της εικόνας 9, ο διεγέρτης των ταλαντώσεων είναι η πηγή, η οποία τροφοδοτεί το κύκλωμα συνεχώς με ενέργεια υπό τη μορφή εναλλασσόμενης τάσης, με αποτέλεσμα τη δημιουργία συνεχούς ροής φορτίου, δηλαδή ρεύματος, αναπληρώνοντας κάθε χρονική στιγμή τις απώλειες που δημιουργούν οι αντιστάσεις, η αυτεπαγωγή και η φόρτιση του πυκνωτή. Έτσι, κάθε χρονική στιγμή και για κάθε τιμή συνολικού φορτίου του κυκλώματος (Q), η ισορροπία των συνιστωσών του κυκλώματος, δίδεται από την εξίσωση: Ε= 1/C x Q + RQ +LQ. Κατά τη διάρκεια της ταλαντωσιμετρίας, το ρόλο του διεγέρτη κατέχει η εφαρμοζόμενη πίεση (P appl.), που παράγεται από τη γεννήτρια. Η εφαρμογή της P appl., γεννά τις ταλαντωτικές συνιστώσες της ροής και της πίεσης υπερνικώντας τις αντιστάσεις, τις ελαστικές δυνάμεις και την αδράνεια του αναπνευστικού συστήματος. Έτσι, κάθε χρονική στιγμή, η ισορροπία των συνιστωσών της κίνησης του αναπνευστικού συστήματος, περιγράφεται από την εξίσωση: P appl. =1/C rs x V+R rsv +I rsv Oι συνιστώσες της εμπέδησης Η εξίσωση 10, μπορεί να αναλυθεί στις παρακάτω εξισώσεις: Ζ rs = R rs + jx rs (εξίσωση 11) Ζ rs = R rs + j(ωι rs 1/ωC rs) με ω=2πf, { 0 < f f max } 7 (εξίσωση 12) (α) Η αντίσταση (R rs ) Η συνιστώσα της εμπέδησης που αφορά την αντίσταση (R rs), περιλαμβάνει 7,12,13, (i) τις αντιστάσεις των αεραγωγών (R aw), όπου R aw=( P alv -P ao) / V, (ii) την ιστικήπαρεγχυματική συνιστώσα των πνευμονικών αντιστάσεων (R tis), (iii) τις αντιστάσεις του θωρακικού τοιχώματος και του διαφράγματος (R cw). Η ταλαντωσιμετρία, μπορεί να εκτιμήσει και τις τρεις συνιστώσες της αντίστασης του αναπνευστικού συστήματος και εμφανίζει μεγάλη ευαισθησία στην αποτύπωση των μεταβολών τους. Δεν εμφανίζει όμως ανάλογη ειδικότητα για κάθε μια από αυτές τις συνιστώσες, παρά μόνο ως προς τη διάκριση μεταξύ κεντρικών και περιφερικών αεραγωγών. Οι τιμές των αντιστάσεων που καταγράφονται σε υψηλές συχνότητες (R rs στα 20 Hz), διαμορφώνονται κυρίως από τις αντιστάσεις των κεντρικών αεραγωγών, ενώ οι τιμές των αντιστάσεων που καταγράφονται σε χαμηλές συχνότητες (R rs στα 5Hz), διαμορφώνονται κυρίως από τις αντιστάσεις των περιφερικών αεραγωγών (ακολουθεί ερμηνεία του φαινομένου). H R rs υγιούς ενήλικα, παραμένει περίπου σταθερή σε όλο το εύρος συχνοτήτων που εφαρμόζονται στην συμβατική τεχνική της ταλαντωσιμετρίας (4 έως 35 Hz) (εικόνα 10). (β) Η άεργος αντίσταση (X rs ) Η άεργος αντίσταση (X rs ), εμπεριέχει 7,12,13,27-47 : (i) μία συνιστώσα που αντιπροσωπεύει την επίδραση των δυνάμεων αδράνειας του αναπνευστικού συστήματος (αρδανειακή συνιστώσα της άεργου αντίστασης), η οποία περιγράφεται από τον όρο ωι rs, της εξίσωσης 12. Στη διαμόρφωσή της, υπεισέρχονται κυρίως οι δυνάμεις αδράνειαςm (Ι rs) που διαμορφώνονται: (i) από την κίνηση της στήλης αέρα στους κεντρικούς αεραγωγούς και, (ii) από την κίνηση του συνόλου της ιστικής μάζας του αναπνευστικού συστήματος (παρεγχυματική και μη) 6,7,21,38. Η συνιστώσα αυτή, εκφράζει τη σχέση μεταξύ πίεσης και επιτάχυνσης και η κλινική της αξία της παραμένει ακόμη αδιευκρίνιστη 13,35. (ii) μία συνιστώσα που αντιπροσωπεύει τις ελαστικές ιδιότητες του αναπνευστικού συστήματος (χωρητική συνιστώσα της άεργου αντίστασης) και εκφράζει τη σχέση πίεσης όγκου. Η συνιστώσα αυτή, περιγράφεται από τον όρο 1/ωC rs της

10 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος Εικόνα 10. Διακρίνεται η καμπύλη αντίστασης-συχνότητας [R rs(f)], υγιούς, μη καπνιστή εξεταζόμενου ηλικίας 23 ετών, όπως καταγράφεται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή του μηχανήματος της CareFusion(Master screen IOS), που χρησιμοποιείται στο Κέντρο Έρευνας Καπνίσματος και Καρκίνου του Πνεύμονα της Ελληνικής Αντικαρκινικής Εταιρίας. Παρατηρείται ότι η καμπύλη είναι σχεδόν ευθύγραμμη στο φάσμα 5-35 Hz. εξίσωσης Ο παράγοντας C rs, αναφέρεται στη συνολική διατασιμότητα του αναπνευστικού συστήματος, η οποία εμπεριέχει: τη διατασιμότητα της στοματικής κοιλότητας, του στοματοφάρυγγα, του λάρυγγα, των ανώτερων και περιφερικών αεραγωγών, την πνευμονική διατασιμότητα και τη διατασιμότητα του θωρακικού τοιχώματος και του διαφράγματος 7,38. Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι η παραπάνω προσέγγιση, η οποία απορρέει από τη θεώρηση του αναπνευστικού συστήματος ως ένα γραμμικό σύστημα, με ιδιότητες ανάλογες με εκείνες ενός απλού κυκλώματος RLC, είναι υπεραπλουστευμένη. Μια ακριβέστερη έκφραση της σχέσης της χωρητικής συνιστώσας της Χ rs με τη διατασιμότητα, περιγράφεται από τον όρο 1/ωC rs,dyn 38, όπου η C rs,dyn, είναι η συνολική δυναμική διατασιμότητα του αναπνευστικού συστήματος, αποτελούμενη από τις δυναμικές συνιστώσες που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο 38. Ωστόσο, σε μια πιο αυστηρή θεώρηση, η έννοια της χωρητικής συνιστώσας της X rs, δεν είναι ταυτόσημη με αυτή της διατασιμότητας, αλλά εκφράζει το ποσοστό του ολικού αναπνευστικού έργου, που δύναται να καταναλωθεί για παραγωγή ελαστικού έργου και συσσώρευση ελαστικής ενέργειας 13,38. Σε κάθε περίπτωση, προς αποφυγή της ταύτισης της συνιστώσας αυτής με τη διατασιμότητα, στη σύγχρονη βιβλιογραφία, η εξίσωση 12 ανευρίσκεται ελαφρώς τροποποιημένη σε σχέση με την αρχική έκφρασή της από τους Du Bois et al 7, που παρατίθεται παραπάνω. Η νέα μορφή της εξίσωσης είναι: Ζ rs = R rs + j(ωιn 1/ωCa) με ω=2πf, {0 < f f max} 13,16 (εξίσωση 13) όπου οι όροι Ca (χωρητικότητα-capacitance) και In (inertance), εκφράζουν δυνατότητα συσσώρευσης ενέργειας 38. Κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής εισπνοής, το έργο των ελαστικών δυνάμεων είναι αρνητικό, και αντικατοπτρίζει τη συσσώρευση ελαστικής ενέργειας 6. Αντίθετα, κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής, ήρεμης εκπνοής (παθητική διαδικασία, χωρίς επιπρόσθετη ενεργειακή συνεισφορά), το έργο των ελαστικών δυνάμεων είναι θετικό, και μεσολαβεί την απόδοση της συσσωρευμένης ελαστικής ενέργειας στο αναπνευστικό σύστημα, γεγονός το οποίο επαναφέρει το σύστημα στη θέση ισορροπίας του (FRC), υπερνικώντας αντιστάσεις και δυνάμεις αδράνειας. Η Ca, εκφράζει την παραπάνω αλληλουχία διακίνησης της ελαστικής ενέργειας στο αναπνευστικό σύστημα. Oι δυνάμεις αδράνειας, συνεισφέρουν επίσης ενεργειακά κατά τη διάρκεια του αναπνευστικού κύκλου, γεγονός που έχει επισημανθεί και σε δική μας εργασία 6, όπου καταδεικνύεται ότι, σε ένα «ιδανικό» αναπνευστικό σύστημα, οι δυνάμεις αδράνειας είναι συντηρητικές, όπως και οι δυνάμεις ελαστικής επαναφοράς. Η πίεση που διαμορφώνεται από τις δυνάμεις αδράνειας (P I), αντιτίθεται στην κίνηση του αναπνευστικού συστήματος στην αρχή της εισπνοής ή της εκπνοής και μέχρι το μέσο αυτών (οπότε και μηδενίζεται), με αποτέλεσμα το έργο των δυνάμεων αυτών να είναι αρνητικό. Αντίθετα, στο δεύτερο μισό και μέχρι το τέλος της εισπνοής ή της εκπνοής, η P I τείνει να διατηρήσει την κίνηση του αναπνευστικού συστήματος, με αποτέλεσμα το έργο των δυνάμεων αδράνειας να είναι θετικό και να μεσολαβεί την απόδοση ενέργειας στο σύστημα. Η In, εκφράζει τη διακίνηση της ενέργειας που διαμεσολαβείται από τις δυνάμεις αδράνειας στο αναπνευστικό σύστημα. Στο σημείο αυτό, για να δοθεί μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της συμπεριφοράς του αναπνευστικού συστήματος κάτω από συνθήκες μεταβαλλόμενης συχνότητας, πρέπει να οριστεί η έννοια της συχνότητας συντονισμού (f res). Σε κάθε σύστημα εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, η συχνότητα ταλάντωσης είναι αυτή που επιβάλλει ο διεγέρτης. Ωστόσο, αν ο διεγέρτης κάποια στιγμή απομακρυνθεί, το σύστημα θα συνεχίσει να ταλαντώνεται με την εγγενή του συχνότητα, η οποία καθορίζεται από τις μηχανικές ιδιότητες των δομών που το απαρτίζουν, μέχρι οι δυνάμεις απόσβεσης να επιφέρουν παύση της

11 318 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 ταλάντωσης. Η εγγενής αυτή συχνότητα, είναι ιδιότητα ενός ταλαντούμενου συστήματος και δεν επηρεάζεται από εξωγενείς παράγοντες, όπως η συχνότητα του διεγέρτη 11. Η f res, είναι εκείνη η συχνότητα του διεγέρτη, η οποία είναι ίση (ή σχεδόν ίση, σε ένα σύστημα με αποσβέσεις) με την εγγενή συχνότητα ταλάντωσης του συστήματος. Τόσο στο κύκλωμα RLC, όσο και στην ταλαντωσιμετρία, όταν η συχνότητα της ηλεκτρεγερτικής δύναμης και των ώσεων πίεσης αντίστοιχα, είναι η f res, ισχύει 7,13,20 : ω 0Ιn = 1/ ω 0Ca με ω 0 = 2πf res. Επομένως, η f res, είναι η συχνότητα του κύματος ή της ώσης πίεσης, κατά την οποία η αδρανειακή συνιστώσα, είναι ίση ποσοτικά με την χωρητική συνιστώσα, η τιμή της X rs είναι μηδενική (X rs=0) και η διαφορά φάσης μεταξύ πίεσης και ροής είναι επίσης μηδενική (φ=0). Όπως έχει ήδη αναφερθεί, σε συχνότητες μικρότερες της f res, η χωρητική συνιστώσα είναι εκείνη που επικρατεί, ενώ η αδρανειακή συνιστώσα, επικρατεί σε συχνότητες μεγαλύτερες της f res. Κατ αντιστοιχία, οι χαμηλών συχνοτήτων X rs αντιπροσωπεύουν την περιφέρεια του αναπνευστικού συστήματος, όπου η ικανότητα συσσώρευσης ελαστικής ενέργειας είναι μεγαλύτερη, καθώς και τους μικρούς, περιφερικούς αεραγωγούς, στους οποίους η ροή είναι μικρή, περισσότερο γραμμική, με αποτέλεσμα μικρές τιμές επιτάχυνσης και, εξαρτάται πολύ από τον υποστηρικτικό ελαστικό ιστό. Οι υψηλών συχνοτήτων X rs, εκφράζουν τη συμπεριφορά των μεγάλων, ανώτερων αεραγωγών, για τους αντίθετους λόγους. Ωστόσο, υπάρχει και μια, τεχνικής φύσης, ερμηνεία της ειδικότητας των παραμέτρων της αντίστασης (R rs) και της άεργου αντίστασης (X rs), που προαναφέρθηκε. Έχει εκτιμηθεί, ότι τα κύματα πίεσης χαμηλών συχνοτήτων (f <20Hz) διαδίδονται σε μεγαλύτερο βάθος μέσα στις γενεές των αεραγωγών και φτάνουν σε πιο περιφερικά τμήματα του βρογχικού δένδρου, ενώ η διάδοση των κυμάτων πίεσης υψηλών συχνοτήτων (f>20hz), παρεμποδίζεται στους μέσου μεγέθους αεραγωγούς και τα κύματα δε φτάνουν ποτέ στην περιφέρεια 13,16. Η ανατομική εντόπιση της κατανομής των συχνοτήτων και το ακριβές σημείο φραγμού των κυμάτων υψηλών συχνοτήτων, δεν έχουν αποσαφηνιστεί. Θεωρείται ότι το σημείο αυτό βρίσκεται κάπου μεταξύ της πέμπτης και της δωδέκατης γενεάς των αεραγωγών 16, με βάση το μοντέλο του Weibel. Στην εικόνα 11, φαίνεται η καμπύλη άεργου αντίστασης-συχνότητας [X rs(f)], υγιούς εξεταζόμενου. Το εμβαδό της επιφάνειας που αφορίζεται από τους δύο άξονες συντεταγμένων και την καμπύλη X rs (f), από την ελάχιστη τιμή της (δηλαδή το σημείο τομής της καμπύλης με τον άξονα y), μέχρι την τιμή της στη συχνότητα συντονισμού (δηλαδή το σημείο τομής της καμπύλης με τον άξονα Εικόνα 11. Διακρίνεται η καμπύλη άεργου αντίστασης-συχνότητας [Χ rs(f)], υγιούς, μη καπνιστή εξεταζόμενου ηλικίας 23 ετών, όπως καταγράφεται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή του μηχανήματος της CareFusion(Master screen IOS), που χρησιμοποιείται στο Κέντρο Έρευνας Καπνίσματος και Καρκίνου του Πνεύμονα της Ελληνικής Αντικαρκινικής Εταιρίας. Η χρωματισμένη περιοχή κάτω από την καμπύλη, που οριοθετείται από τις τιμές Χ rs(5) και Χ rs(f res)=0, ονομάζεται περιοχή της άεργου αντίστασης(reactance area-ax). Ποσοτικά, η ΑΧ αντιστοιχεί στο εμβαδό της χρωματισμένης περιοχής. x), καλείται περιοχή της άεργου αντίστασης (reactance area-ax). Δηλαδή είναι 12,13 : f res ΑΧ = X rs df 5 H AX, αποτελεί έναν ποσοτικό δείκτη της συνολικής Χ rs του αναπνευστικού συστήματος, σε όλες τις συχνότητες μεταξύ των 5Hz και της συχνότητας συντονισμού. Η ΑΧ, είναι ένα σημαντικό μέγεθος, καθώς αξιολογεί τρεις παραμέτρους: (i) τη συνολική Χ rs του αναπνευστικού συστήματος σε συχνότητες μικρότερες της f res, (ii) τη συχνότητα συντονισμού (f res) και (iii) την καμπυλότητα της συνάρτησης X rs (f). Έχει επίσης διατυπωθεί, ότι η ΑΧ αποτελεί δείκτη του σημείου σύγκλισης των αεραγωγών (airway closure) 30, καθώς, λόγω της σύγκλεισης, εμποδίζεται η διάδοση των κυμάτων πίεσης περιφερικότερα στο βρογχικό δένδρο, γεγονός που αποτυπώνεται από την αύξηση της τιμής της ΑΧ. Στην εικόνα 12, φαίνονται, συνολικά, οι γραφικές παραστάσεις των συναρτήσεων συχνότητας της αντίστασης [R rs(f)] και της άεργου αντίστασης [X rs(f)], υγιούς εξεταζόμενου.

12 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος Εικόνα 12. Διακρίνονται ταυτόχρονα, οι καμπύλες, αντίστασης-συχνότητας[r rs(f)] και άεργου αντίστασης- συχνότητας[x rs(f)], υγιούς, μη καπνιστή εξεταζόμενου ηλικίας 23 ετών, όπως καταγράφονται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή του μηχανήματος της CareFusion(Master screen IOS), που χρησιμοποιείται στο Κέντρο Έρευνας Καπνίσματος και Καρκίνου του Πνεύμονα της Ελληνικής Αντικαρκινικής Εταιρίας. Συμπερασματικά, οι παράμετροι της μηχανικής του αναπνευστικού συστήματος που μπορούν να συνεκτιμηθούν με την ταλαντωσιμετρία, είναι οι παρακάτω: (i) R c και R p, που αντιστοιχούν στις κεντρικές και περιφερικές αντιστάσεις του αναπνευστικού συστήματος αντίστοιχα και συμπεριλαμβάνουν: τις αντιστάσεις των ανώτερων και των περιφερικών αεραγωγών, του θωρακικού τοιχώματος, του διαφράγματος και της ιστικής μάζα του πνεύμονα 32, (ii) C extrathoracic: διατασιμότητα των εξωθωρακικών αεραγωγών, (iii) C bronchial: διατασιμότητα του τραχειοβρογχικού δένδρου, (iv) C lung: πνευμονική διατασιμότητα, (v) C cw: διατασιμότητα του θωρακικού τοιχώματος και του διαφράγματος, (vi) I rs: αδράνεια της στήλης αέρα και της ιστικής μάζας του αναπνευστικού συστήματος (παρεγχυματικής και μη). Οι παράγοντες R central και R peripheral, αποτυπώνονται στις τιμές της ωμικής συνιστώσας (R rs), ενώ οι παράγοντες C extrathoracic, C lung, C cw, C bronchial και I rs, στις τιμές της άεργης συνιστώσας (X rs). Οι παράγοντες C extrathoracic, C lung, C cw και C bronchial διαμορφώνουν τις τιμές της χωρητικής συνιστώσας της Χ rs (capacitance), ενώ ο παράγων I rs, τις τιμές της αδρανειακής συνιστώσας της Χ rs (inertance). Στο σημείο αυτό, κρίνεται απαραίτητο να τονιστεί ότι δεν είναι εφικτή η καταγραφή τιμών κάθε μιας εκ των παραπάνω συνιστωσών, αλλά οι τιμές τους, συνδιαμορφώνουν τις τιμές των παραμέτρων της εμπέδησης. Στην εικόνα 13, αποδίδεται σχηματικά ένα εξελιγμένο μοντέλο ηλεκτρικού κυκλώματος που έχει προταθεί από τον Mead J. 21, ώστε να περιγράψει όλες τις παραπάνω παραμέτρους της μηχανικής του αναπνευστικού συστήματος. Το συγκεκριμένο μοντέλο, περιλαμβάνεται αυτούσιο στο λογισμικό της IOS, ώστε να βελτιωθεί η ειδικότητα της μεθόδου ως προς την κάθε συνιστώσα της εμπέδησης. Με τη χρήση του μοντέλου του Mead, το λογισμικό της IOS μπορεί να παρέχει ποιοτικά δεδο-

13 320 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 Εικόνα 13. Διακρίνεται μια σύνθετη διάταξη αντιστάσεων, πυκνωτών και πηνίων, η οποία αντιπροσωπεύει το κύκλωμα που έχει προταθεί ως ηλεκτρικό ανάλογο του αναπνευστικού συστήματος από τον J.Mead. (i) R c και R p, που αντιστοιχούν στις κεντρικές και περιφερικές αντιστάσεις του αναπνευστικού συστήματος αντίστοιχα και συμπεριλαμβάνουν: τις αντιστάσεις των ανώτερων και των περιφερικών αεραγωγών, του θωρακικού τοιχώματος, του διαφράγματος και της ιστικής μάζα του πνεύμονα (32), (ii) C extrathoracic: διατασιμότητα των εξωθωρακικών αεραγωγών, (iii) C bronchial: διατασιμότητα του βρογχικού δένδρου, (iv) C lung: πνευμονική διατασιμότητα, (v) C cw: διατασιμότητα του θωρακικού τοιχώματος, (vi) I rs: αδράνεια της στήλης αέρα και της ιστικής μάζας του αναπνευστικού συστήματος (παρεγχυματικής και μη). μένα, για όλες τις παραπάνω παραμέτρους αντίστασης, διατασιμότητας και αδράνειας, τα οποία δίδονται υπό τη μορφή γραφήματος (Εικόνα 14). Ωστόσο, ακόμη και το εξελιγμένο αυτό μοντέλο, αποτελεί απλουστευμένη και μονοδιάστατη προσέγγιση της αναπνευστικής λειτουργίας και, ως εκ τούτου, αναμένονται παρεκκλίσεις από τις πραγματικές τιμές των παραμέτρων που προαναφέρθηκαν και, ιδιαίτερα, από τις πραγματικές τιμές διατασιμότητας, ελαστικότητας και αδράνειας. 3. ΔΙΑΤΑΞΗ, ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΠΕΡΑΤΩΣΗΣ ΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ Εικόνα 14. Διακρίνεται γράφημα, το οποίο εξάγεται έπειτα από επεξεργασία των ποσοτικών δεδομένων αντίστασης και άεργου αντίστασης, σε συνδυασμό με τη χρήση του μοντέλου του Mead. Τα δεδομένα διατασιμότητας, ελαστικότητας, αντιστάσεων και αδράνειας του γραφήματος είναι ποιοτικά. C m= διατασιμότητα εξωθωρακικών αεραγωγών, R z= αντιστάσεις ανώτερων αεραγωγών, L z= αδράνεια της κίνησης της στήλης αέρα στους ανώτερους αεραγωγούς, R p= αντιστάσεις περιφερικών αεραγωγών, Ε rs=1/c rs = συνολική ελαστικότητα του αναπνευστικού συστήματος. Οι διατάξεις της FOT και της IOS, δεν διαφέρουν ουσιαστικά. Και στις δύο περιπτώσεις, υπάρχει η γεννήτρια των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, μια ελεύθερη έξοδος προς τον ατμοσφαιρικό αέρα για την επίτευξη της αναπνοής του εξεταζόμενου (στην οποία προσαρτάται συνήθως ένας αντιστάτης), ένας πνευμοταχογράφος, στον οποίο προσαρτώνται συσκευές (transducers) για την καταγραφή των σημάτων πίεσης και ροής και, ένα επιστόμιο, το οποίο προσαρτάται στην απόληξη της όλης διάταξης. Στην εικόνα 15, διακρίνεται μια σχηματική παράσταση των βασικών δομών που συνθέτουν την κεφαλή της IOS. Κατά τη διάρκεια της εξέτασης, η γεννήτρια παράγει κύματα ή

14 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος Εικόνα 15. Διακρίνονται τα βασικά συστατικά μέρη της κεφαλής της IOS: η γεννήτρια των ώσεων πίεσης (περιλαμβάνει ένα μεγάφωνο, του οποίου η μεμβράνη επιταχύνει όγκο περίπου 40mL σε χρόνο μικρότερο των 40msec.) και ένα στοιχείο διασυνδετικής προσαρμογής σχήματος Υ, το οποίο είναι προσαρτημένο στη γεννήτρια. Το στοιχείο αυτό έχει μια ελεύθερη έξοδο προς τον ατμοσφαιρικό αέρα για την επίτευξη της ήρεμης αναπνοής του εξεταζόμενου, η οποία συνδέεται με έναν αντιστάτη(r), αντίστασης μικρότερης των 0.1 kpa/(l/s). Στην απόληξη της διασυνδετικής προσαρμογής, είναι προσαρτημένος ένας πνευμοταχογράφος τύπου Lilly, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με έναν μετατροπέα πίεσης και ένα μετατροπέα ροής. Στην απόληξη του πνευμοταχογράφου, προσαρμόζεται το επιστόμιο. Απεικονίζονται ακόμη, με πράσινη γραμμή, η ροή που παράγεται από την αναπνευστική δραστηριότητα του εξεταζόμενου και αποτελεί την πρώτη παράγωγο του αναπνεόμενου όγκου ως προς το χρόνο, ενώ με κόκκινη γραμμή, η «ωστική» συνιστώσα της ροής, που παράγεται από την επίδραση των ώσεων πίεσης. (Τροποποιημένο, από τους Smith et al 13. Αναδημοσίευση κατόπιν αδείας από την Ευρωπαϊκή Εταιρία Θώρακος (ERS) European Respiratory Society Monograph 2005; Eur Respir Mon 31 (Lung Function Testing) ; DOI: / x ). ώσεις πίεσης, τις οποίες διοχετεύει μέσω της διάταξης της εικόνας 15 στην αναπνευστική οδό του εξεταζόμενου. O πνευμοταχογράφος και οι μετατροπείς ροής και πίεσης, λαμβάνουν σύνθετα σήματα πίεσης και ροής, τα οποία προκύπτουν τόσο από την αναπνευστική δραστηριότητα του εξεταζόμενου όσο και από τη δραστηριότητα της γεννήτριας (Εικόνα 15). Τα σήματα αυτά στη συνέχεια διαχωρίζονται, αναλύονται και ψηφιοποιούνται, από έναν μεταλλάκτη αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, ενώ ταυτόχρονα διέρχονται από μια διαδικασία προτύπωσης και διαλογής, η οποία εξασφαλίζει την αξιοπιστία των μετρήσεων. Σε ό,τι αφορά την IOS, o αριθμός και η χρονική διάρκεια των προτύπων, καθορίζεται από τον ρυθμό παραγωγής των ώσεων πίεσης, ο οποίος έχει καθιερωθεί να είναι 3 έως 5 ώσεις ανά δευτερόλεπτο, με αποτέλεσμα την καταγραφή 3-5 φασμάτων εμπέδησης ανά δευτερόλεπτο 13. Για τη βελτιστοποίηση της αξιοπιστίας των μετρήσεων, υπάρχουν δημοσιευμένες συστάσεις 39, οι οποίες διαμορφώνουν το πλαίσιο των απαιτήσεων ως προς τα τεχνικά χαρακτηριστικά της διάταξης (apparatus), τη μεθοδολογία και την καταγραφή των αποτελεσμάτων. Παρά το γεγονός ότι οι συστάσεις αυτές αναφέρονται στην τεχνική της FOT, εφαρμόζονται και στην τεχνική της IOS 13,48. Στους πίνακες 1 και 2, συνοψίζονται οι επικρατούσες συστάσεις για την εξαγωγή αξιόπιστων αποτελεσμάτων και με τις δύο τεχνικές. Συστηματικά σφάλματα (i) Tο σφάλμα των ανώτερων αεραγωγών (upper airway artifact) Λόγω της ταλαντωτικής κίνησης της στοματικής κοιλότητας και, κυρίως, των εξωθωρακικών αεραγωγών 49, παράγεται ένα ποσό ροής το οποίο συμπεριλαμβάνεται στο συνολικό σήμα της ροής (V ) και εκφράζει τη συμπεριφορά των δομών αυτών ως παράλληλη εμπέδηση (Z uaw )-shunt, στην πραγματική ολική εμπέδηση του αναπνευστικού συστήματος (Z rs) 49-53, με αποτέλεσμα την εγκατάσταση ενός συστηματικού σφάλματος στις μετρήσεις της ροής (V ). Το σφάλμα αυτό, οδηγεί στην υποεκτίμηση της συνολικής εμπέδησης (Z), καθώς ο παρονομαστής του κλάσματος Z(f)=P(f)/V (f), παίρνει συστηματικά μεγαλύτερες τιμές. Η επίδραση του σφάλματος είναι ελάχιστη στη διαμόρφωση της εμπέδησης χαμηλών συχνοτήτων, αλλά σημαντική στις τιμές εμπέδησης υψηλών συχνοτήτων 39. Το γεγονός αυτό, αποτυπώνεται στις μετρήσεις: (i) της αντίστασης (R rs), ως παρέκκλιση από τη φυσιολογικά περίπου σταθερή τιμή της καθ όλο το εύρος των συχνοτήτων και εγκατάσταση μιας αρνητικής κλίσης της καμπύλης R rs(f) και εξάρτηση της αντίστασης από τη συχνότητα (fdr) 16 (ii) της άεργου αντίστασης (X rs), προκαλώντας αύξηση της συχνότητας συντονισμού και μετατόπιση της καμπύλης X rs(f) προς αρνητικότερες τιμές 16. Τα στοιχεία αυτά, αποτελούν χα-

15 322 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 Πίνακας 1. Συστάσεις για τη βελτιστοποίηση της αξιοπιστίας των μετρήσεων, που αφορούν τα τεχνικά χαρακτηριστικά της διάταξης, τη βαθμονόμηση και την ποιότητα του σήματος (13,39,48) Τεχνικά χαρακτηριστικά της διάταξης (apparatus) Εμπέδηση της όλης διάταξης Μέγιστη πίεση που μπορεί να αναπτυχθεί στο σύστημα Λόγος απόρριψης κοινού σήματος(cmrr) του μετατροπέα πίεσης(pressure transducer) <0.1 kpa/(l/s), σε συχνότητες f<5 Hz 0.5 kpa 60 db στη μέγιστη συχνότητα Γραμμικότητα του μετατροπέα πίεσης Μέχρι τουλάχιστον το 0.5 kpa (εντός του 2%) Γραμμικότητα του ροομέτρου Μέχρι τουλάχιστον το 1 L/s (εντός του 2%) Βαθμονόμηση(calibration)* Εμπέδηση αναφοράς για ενήλικο πληθυσμό (Z rs) ~1.5 kpa/(l/s) Μέγιστο επιτρεπόμενο σφάλμα μετά 10% ή 0.01 kpa/(l/s) την πρέπουσα βαθμονόμηση Χαρακτηριστικά και ποιότητα του σήματος(input signal) Διακόρυφο πλάτος πίεσης** kpa Εύρος εφαρμοζόμενων συχνοτήτων*** FOT: 4-30 Hz, στην περίπτωση εφαρμογής σύνθετων (πολυσυχνωτικών) κυμάτων Ελάχιστη δυνατή συχνότητα, σε περίπτωση εφαρμογής ημιτονοειδούς κύματος, συγκεκριμένης συχνότητας**** IOS: 5-35 Hz * Η τιμή της εμπέδησης αναφοράς, σε κάθε περίπτωση, πρέπει να είναι συγκρίσιμη με αυτή της μέγιστης εμπέδησης που αναμένεται στον υπό μελέτη πληθυσμό (η οποία καθορίζει και τη μέγιστη προβλεπόμενη τιμή για κάθε εξεταζόμενο), σε όλο το εύρος των εφαρμοζόμενων συχνοτήτων. ** Διακόρυφο πλάτος μεγέθους (πλάτος μεγέθους από κορυφή σε κορυφή, peak-to-peak amplitude), ορίζεται η διαφορά της μέγιστης θετικής τιμής του (+A) από τη μέγιστη αρνητική (-A), όταν αναφερόμαστε σε μέγεθος που μεταβάλλεται αρμονικά με το χρόνο [A - (-A)=2A]. Η παράμετρος αυτή, έχει ιδιαίτερη εφαρμογή στην περιγραφή ιδιοτήτων ηλεκτρικών σημάτων, όπου σχετίζεται με την ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να αποδώσει το σήμα. *** Στις περιπτώσεις όπου επιζητείται η διερεύνηση της κατανομής των τιμών των παραμέτρων της εμπέδησης στο φάσμα των συχνοτήτων(καμπύλες συχνότητας), απαιτείται η εφαρμογή σύνθετων κυμάτων εν είδη ψευδοτυχαίων κυματομορφών(pseudorandom Noise) ή κυματικών παλμών(ios). Ημιτονοειδή κύματα συγκεκριμένης συχνότητας, προτιμούνται σε περιπτώσεις διερεύνησης των τιμών των παραμέτρων της εμπέδησης μέσα στον αναπνευστικό κύκλο, συνεχούς παρακολούθησης(monitoring) της βατότητας των αεραγωγών, καθώς και αξιολόγησης μεταβολών του τόνου των αεραγωγών. **** Συνήθως, η συχνότητα που χρησιμοποιείται είναι τα 5Hz. Η ελάχιστη δυνατή συχνότητα των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων στην οποία μπορούν να ληφθούν αξιόπιστα αποτελέσματα, καθορίζεται από τη σχέση των πλατών των αρμονικών της ήρεμης αναπνοής του εξεταζόμενου με το πλάτος της εξαναγκασμένης ταλάντωσης στη συχνότητα που εφαρμόζεται. Οι αρμονικές της ήρεμης αναπνοής του εξεταζόμενου, ανταγωνίζονται τις εξαναγκασμένες ταλαντώσεις και το πλάτος τους φθίνει με την αύξηση της συχνότητας. Σε συχνότητες >20Hz, η επίδρασή τους είναι αμελητέα. ρακτηριστικά απόφραξης των περιφερικών αεραγωγών. Οι απλοί χειρισμοί που αναφέρονται στον πίνακα 2, θεωρείται ότι εξουδετερώνουν επαρκώς το φαινόμενο και αποδίδουν ασφαλή δεδομένα για κλινική χρήση 13,16,39,48. (ii) Σφάλματα οφειλόμενα στη θέση της γλώσσας και την προσθήκη αντιβακτηριδιακού φίλτρου: Η αύξηση του ανατομικού νεκρού χώρου κατά περίπου 60 ml 16, που επέρχεται με τη χρήση αντιβακτηριδιακού φίλτρου, αλλά και η απόφραξη του επιστομίου από τη γλώσσα, προσθέτουν μια επίκτητη εμπέδηση, σε σειρά με την Z rs, η οποία θα επιφέρει μια αύξηση της αντίστασης, σταθερή σε όλο το εύρος των συχνοτήτων, παρουσιάζοντας εικόνα απόφραξης κεντρικών αεραγωγών 16. Αντίθετα, η καμπύλη και οι τιμές της X rs σε συχνότητες κάτω από την συχνότητα συντονισμού, θα επηρεαστούν ελάχιστα. Αναμένεται μόνο μια ενδεχόμενη μικρή αύξηση στις υψηλότερες συχνότητες, τόσο των τιμών της X rs όσο και της κλίσης της X rs(f). Προς αποφυγή των παρεκκλίσεων που προαναφέρθηκαν, εάν η χρήση του φίλτρου είναι απαραίτητη, οι μετρήσεις πρέπει να διορθώνονται με βάση τις τιμές εμπέδησης του φίλτρου 39. (γ) Σφάλματα οφειλόμενα σε μηχανική επιβάρυνση του αναπνευστικού συστήματος κατά την εξέταση Στενές ζώνες και ρούχα, αυξάνουν τις περιφερικές

16 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος Πίνακας 2. Συστάσεις για τη μεθοδολογία της εξέτασης 13,39,48 Θέση του εξεταζόμενου Αναπνοή του εξεταζόμενου Διάρκεια καταγραφής της ήρεμης αναπνοής του εξεταζόμενου Αριθμός τεχνικά αποδεκτών μετρήσεων Παρουσίαση των αποτελεσμάτων Τοποθετείται ρινοπίεστρο και ο εξεταζόμενος βρίσκεται σε καθιστή θέση. Γίνεται προσπάθεια ευθυγράμμισης του κορμού με τη διάταξη, ώστε να βρίσκεται το σώμα σε φυσική ισορροπία, χωρίς επιπρόσθετες κινήσεις της κεφαλής και του κορμού κατά την εξέταση. Οι παρειές πρέπει να υποστηρίζονται από τις παλάμες του εξεταζόμενου* (ώστε να ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα των ανώτερων αεραγωγών), τα δόντια και τα χείλη να είναι σε στενή επαφή με το επιστόμιο και η γλώσσα κάτω από αυτό, ώστε να μην το αποφράσσει. Παραγγέλλεται απόλυτα ήρεμη αναπνοή, στο επίπεδο της FRC και του φυσιολογικού αναπνεόμενου όγκου, χωρίς οποιαδήποτε οδηγία για το βάθος και τη συχνότητα των αναπνοών. Η αναπνευστική δραστηριότητα του εξεταζόμενου ελέγχεται συνεχώς από το σήμα του όγκου και της ροής, ώστε οποιαδήποτε παρέκκλιση από την ήρεμη αναπνοή να γίνεται αντιληπτή και να διακόπτεται η εξέταση, χωρίς να αξιολογηθούν τα αποτελέσματά της. 30 sec. Μετά την εκτέλεση οποιασδήποτε δοκιμασίας που απαιτεί βίαιες αναπνευστικές κινήσεις, απαιτούνται τουλάχιστον 3 λεπτά ήρεμης αναπνοής, πριν την έναρξη της εξέτασης. Ωστόσο, προτείνεται η ταλαντωσιμετρία να διενεργείται πριν την εκτέλεση οποιασδήποτε άλλης εξέτασης η οποία απαιτεί βίαιες αναπνευστικές κινήσεις, λόγω της προκαλούμενης εξ αυτών μεταβολής του τόνου των λείων μυών των αεραγωγών. 3-5, μεταξύ των οποίων συστήνεται η απομάκρυνση του επιστομίου από τον εξεταζόμενο. Για την εκτίμηση της επαναληψιμότητας των μετρήσεων, ιδιαίτερα κατά την εκτέλεση δοκιμασιών εκτίμησης της βρογχικής υπεραντιδραστικότητας, συστήνεται η επανάληψη των βασικών(baseline) μετρήσεων, λεπτά, μετά την ολοκλήρωση της εξέτασης. Με τη μορφή μέσης τιμής ± τυπικής απόκλισης. Υπολογισμός της CV%, συνίσταται για την εκτίμηση της επαναληψιμότητας. Γραφήματα ποιοτικών δεδομένων(εικόνα 14), πρέπει πάντα να συνοδεύονται από αντίστοιχα δεδομένα(raw data). *Επί σοβαρής απόφραξης των περιφερικών αεραγωγών, συστήνεται οι παρειές να υποστηρίζονται από τον εξεταστή. αντιστάσεις (R p) 13,48 και πρέπει να αφαιρούνται από τον εξεταζόμενο. Επίσης, σε ασθενείς με σοβαρή απόφραξη των περιφερικών αεραγωγών, η υποστήριξη των παρειών επιφέρει σημαντική μηχανική επιβάρυνση στο θωρακικό τοίχωμα, λόγω της ανύψωσης των άνω άκρων, η οποία συνοδεύεται από αλλοίωση της φυσιολογικής κινηματικής της ήρεμης αναπνοής και αυξημένη μεταβλητότητα των παραμέτρων της εμπέδησης 48. Για το λόγο αυτό, συνιστάται η υποστήριξη των παρειών να γίνεται από τον εξεταστή, σε τέτοιους ασθενείς. 4. ΕΠΙΔΗΜΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΔΙΑΜΟΡΦΩΝΟΥΝ ΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΙΜΕΤΡΙΑΣ 4.1. Τιμές αναφοράς των παραμέτρων της ταλαντωσιμετρίας σε υγιείς ενήλικες Όλες οι μελέτες που πραγματοποιήθηκαν με σκοπό τη δημιουργία εξισώσεων πρόβλεψης για τον καθορισμό τιμών αναφοράς και προβλεπόμενων καμπυλών συχνότητας των παραμέτρων της εμπέδησης, διενεργήθηκαν με την τεχνική της FOT και χρησιμοποίησαν την τεχνική της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Στην κλασσική μελέτη των Làndsér et al 54, οι εξισώσεις πρόβλεψης δημιουργήθηκαν με την προσαρμογή μιας πολυωνυμικής συνάρτησης τετάρτου βαθμού στις καμπύλες R rs(f) και Χ rs (f), που καταγράφηκαν σε υγιή πληθυσμό ενηλίκων ανδρών. Έτσι, η ανεξάρτητη μεταβλητή της συνάρτησης αυτής ήταν η συχνότητα (f) και η εξαρτημένη μεταβλητή η αντίσταση (R rs) ή η άεργος αντίσταση (X rs): R rs (ή X rs) = a f 4 + b f 3 + c f 2 + d f + e, όπου οι a, b, c, d, e, είναι σταθερές και έχουν τη μορφή: κh+λw+μa. Oι παράμετροι Η,W,Α αντιπροσωπεύουν το ύψος, το βάρος και την ηλικία αντίστοιχα, ενώ οι συντελεστές κ, λ, μ είναι πραγματικοί αριθμοί (αρνητικοί, θετικοί ή μηδέν) και εκφράζουν την επίδραση των παραπάνω παραμέτρων (Η, W, Α) στην ισχύ της εξίσωσης πρόβλεψης. Σε όλες τις νεότερες μελέτες, χρησιμοποιείται αυτό το μαθηματικό μοντέλο, με τις ίδιες ή διαφορετικές δημογραφικές παραμέτρους, ενώ οι πραγματικές και οι προβλεπόμενες τιμές, καταγρά-

17 324 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 φονται ξεχωριστά στα δύο φύλα, καθώς υπάρχει ισχυρά στατιστικά σημαντική διαφορά στις τιμές μεταξύ τους, η οποία πιθανότατα οφείλεται στη διαφορά των πνευμονικών όγκων. Στο σύνολο των μελετών 54-60, ισχυρότερος συντελεστής πρόβλεψης των μέσων τιμών R rs και X rs σε εύρος συχνοτήτων 4-30 Hz, αναδεικνύεται το ύψος, ενώ οι παράμετροι ηλικία και βάρος σώματος αυξάνουν συνολικά την ισχύ των εξισώσεων πρόβλεψης, αλλά στην επιμέρους θεώρησή τους, αποδεικνύονται σημαντικά ασθενέστεροι συντελεστές. Το πρότυπο κατανομής των τιμών των R rs και X rs στο φάσμα των συχνοτήτων, που περιγράφεται παραπάνω (Εικόνα 12), επιβεβαιώνεται από το σύνολο των μελετών 54-60, σε ένα εύρος συχνοτήτων 4-30 Hz. Οι μέσες τιμές R rs και X rs, εμφανίζουν ελάχιστες αποκλίσεις μεταξύ των παλαιότερων από τις παραπάνω μελέτες Οι τιμές αυτές, διαμορφώνονται ως εξής: (i) η μέση τιμή R rs υγιών ενηλίκων ανδρών, σε ένα εύρος συχνοτήτων 4-30 Hz, καταγράφεται ίση με kpa/(l/s), με τιμή τυπικής απόκλισης (SD), ( ) kpa/(l/s) 54-59, (ii) η μέση τιμή R rs υγιών ενηλίκων γυναικών, σε ένα εύρος συχνοτήτων 4-30 Hz, καταγράφεται ίση με kpa/(l/s), με τιμή τυπικής απόκλισης (SD), ( ) kpa/(l/s) Σε πρόσφατη όμως μελέτη των Brown et al 60, επίσης με την τεχνική της FOT, καταγράφονται σημαντικά μεγαλύτερες τιμές (Πίνακας 3). Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά αυτής της μελέτης αποτελούν, ο μεγάλος αριθμός των παρατηρήσεων, η καταγραφή των μέσων τιμών αντίστασης και άεργου αντίστασης στις επιμέρους συχνότητες και το μεγάλο ηλικιακό εύρος (18-92 έτη). Στη μελέτη αυτή 60, η αύξηση του ύψους συνδέθηκε με μείωση της R rs και αύξηση της X rs, ενώ η αύξηση του βάρους με τις αντίθετες μεταβολές. Στο σημείο αυτό, πρέπει να τονιστεί ότι δεν υπάρχουν, τουλάχιστον με βάση τη βιβλιογραφική ενημέρωση της παρούσας εργασίας, δεδομένα εξισώσεων πρόβλεψης για τις παραμέτρους της IOS. Στις ελάχιστες μελέτες που καταγράφονται δεδομένα της IOS σε υγιείς ενήλικες 61-64, οι καμπύλες R rs(f) και X rs(f) ακολουθούν το πρότυπο που αναφέρεται παραπάνω (Εικόνα 12) και τιμές R rs και X rs (Πίνακας 4), καταγράφονται πλησιέστερα στις τιμές που αναφέρονται από τους Brown et al 60. Σε μελέτη των Cim et al 61, χρησιμοποιήθηκε στατιστική ανάλυση για την εκτίμηση του βαθμού συμφωνίας των πραγματικών τιμών της R rs στα 20 Hz (Πίνακας 4) και των τιμών που προκύπτουν από την εφαρμογή των εξισώσεων των Pasker et al 55 στον υπό μελέτη υγιή πληθυσμό. Σχεδόν το 95% των τιμών ήταν εντός των ορίων της συμφωνίας, ωστόσο παρατηρήθηκε ότι οι εξισώσεις πρόβλεψης είχαν την τάση να υποεκτιμούν τις υψηλότερες τιμές της R rs στα 20 Hz. Κοινός παρονομαστής στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των προαναφερθεισών μελετών, είναι η έλλειψη καταγραφής των τιμών R rs και X rs στις επιμέρους συχνότητες, στις μελέτες με FOT 54-59, καθώς καταγράφονται μέσες τιμές σε εύρος συχνοτήτων και όχι σε καθορισμένες συχνότητες (εκτός της μελέτης των Brown et al 60 ) και ο μη διαχωρισμός των τιμών με βάση το φύλο, στις μελέτες με IOS. Το γεγονός αυτό, ίσως ερμηνεύει μερικώς το ότι στις τελευταίες 61-64, οι μέσες τιμές R rs και X rs καταγράφονται σημαντικά μεγαλύτερες σε όλο το εύρος των συχνοτήτων. Ωστόσο, πρέπει να συνεκτιμηθεί το γεγονός ότι, οι τιμές της R rs που καταγράφει η τεχνική της IOS είναι ελαφρά μεγαλύτερες από εκείνες που καταγράφει η τεχνική της FOT, όπως κατέδειξαν οι Hellinckx et al 17 σε μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε υγιή και πάσχοντα πληθυσμό (ασθματικοί, χρόνιοι αποφρακτικοί ασθενείς, ασθενείς με κυστική ίνωση κ.α.). Η διαφορά, εντείνεται στις χαμηλές Πίνακας 3. Μέσες τιμές R rs και Χ rs, όπως καταγράφηκαν σε υγιείς ενήλικες με την εφαρμογή της τεχνικής της FOT, από τη μελέτη των Brown et al 60. Άνδρες Γυναίκες N Ηλικιακό εύρος (y) f (Hz) R rs[kpa/(l/s)] Χ rs[kpa/(l/s)] N Ηλικιακό εύρος (y) (17) (2.83, 3.03) (2.83, 3.00) (2.64, 2.83) (-0.40, -0.34) 0.21 (0.17, 0.24) 1.18 (1.13, 1.24) F (Hz) R rs[kpa/(l/s)] Χ rs[kpa/(l/s)] (17) (3.49, 3.67) (3.35, 3.53) (3.22, 3.39) Τα δεδομένα παρουσιάζονται με τη μορφή: (i) X (SD), όπου X =μέση τιμή του αντίστοιχου μεγέθους και SD η τυπική απόκλιση (ii) X (min, max), όπου min η ελάχιστη και max η μέγιστη τιμή του συνόλου f= συχνότητα, N= μέγεθος δείγματος (Αναδημοσίευση κατόπιν αδείας από τους Brown et al 60 ) (-0.54, -0.49) 0.17 (0.14, 0.19) 1.29 (1.26, 1.33)

18 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος Πίνακας 4. Tιμές R rs και Χ rs, όπως καταγράφονται σε υγιείς ενήλικες με την εφαρμογή της τεχνικής της ΙΟS Μελέτη Ν Ηλικιακό εύρος (y) R rs5 [kpa/(l/s)] R rs20 [kpa/(l/s)] R rs5-r rs20 [kpa/(l/s)] X rs5 [kpa/(l/s)] AX (kpa/l) Williamson et al 64 * Kohlaufl et al 61 Crim et al 62 Μη καπνιστές υγιείς Μη καπνιστές υγιείς Μη καπνιστές υγιείς Καπνιστές υγιείς (2) 0.37 (0.34, 0.43) 0.37 (0.33, 0.41) 0.01 (-0.01, 0.43) (-0.14, -0.1) f res (Hz) 10.5 (6.9, 11.8) (8) 0.30 (0.10) 0.25 (0.09) (0.06) 10.8 (3.3) (9) 0.33 (0.10) 0.26 (0.07) 0.07 (0.05) (0.06) 0.38 (0.04) 12.4 (3.4) (9) 0.31 (0.10) 0.25 (0.07) 0.06 (0.05) (0.05) 0.34 (0.03) 12.1 (3.2) Kanda Μη καπνιστές (1.3) 0.27 (0.02) 0.25 (0.02) 0.02 (0.01) (0.01) 15.7 (1.2) et al 63 υγιείς *οι τιμές καταγράφονται με τη μορφή διάμεσης τιμής και διατεταρτημοριακού εύρους(interquartile range). Τα υπόλοιπα δεδομένα παρουσιάζονται με τη μορφή: X (SD), όπου X =μέση τιμή του αντίστοιχου μεγέθους και SD η τυπική απόκλιση. N= μέγεθος δείγματος, AX= reactance area, f res = συχνότητα συντονισμού. συχνότητες και, ιδιαίτερα, στις υψηλές τιμές αντίστασης χαμηλών συχνοτήτων, με μέση τιμή 0.14±0.09 kpa/(l/s) στα 5 και 6 Hz, ενώ σχεδόν εξαλείφεται στις υψηλές συχνότητες. Οι τιμές της X rs δεν εμφανίζουν σημαντικές διαφορές σε όλο το εύρος των συχνοτήτων. Οι συγγραφείς, κατέληξαν στο ότι η τεχνική της IOS υπερεκτιμά τις τιμές της αντίστασης χαμηλών συχνοτήτων. Χαρακτηριστικό σχεδόν όλων των παραπάνω μελετών 54-62,64, είναι ότι το εύρος των μέσων ηλικιών ήταν έτη, ενώ κοινό στοιχείο τους, είναι η ασθενής επίδραση της ηλικίας στον καθορισμό των τιμών αναφοράς. Ωστόσο, η γήρανση του αναπνευστικού συστήματος συνδέεται με μεταβολές της R rs, οι οποίες σχετίζονται με αντίστοιχες μεταβολές της καμπύλης ροής- όγκου. Οι μεταβολές και στις δύο περιπτώσεις, συνήθως αντανακλούν προοδευτική αύξηση των αντιστάσεων των περιφερικών αεραγωγών, γεγονός το οποίο εκφράζουν οι ήπια αυξημένες τιμές της R rs χαμηλών συχνοτήτων και η αύξηση της f res 65 και, συνολική ελάττωση των αντιστάσεων των αεραγωγών (R aw) 66-68, οφειλόμενη κυρίως στην ελάττωση της διατασιμότητας του αναπνευστικού συστήματος. Η τελευταία παρατήρηση, υπογραμμίζεται και στη μελέτη των Brown et al 60, όπου η μείωση της ηλικίας συνδέθηκε με μείωση των μέσων τιμών της X rs. Η επίδραση της ηλικίας στη διαμόρφωση των τιμών της R rs, διερευνήθηκε σε μελέτη των Guo et al 68, με την τεχνική της FOT. Παρατηρήθηκε ισχυρή εξάρτηση των προβλεπόμενων μέσων τιμών R rs και X rs υγιών μη καπνιστών με μέση ηλικία τα 81 έτη, από το ύψος και το φύλο, ενώ οι παράγοντες ηλικία και σωματικό βάρος ήταν κι εδώ ασθενέστεροι συντελεστές. Ωστόσο, τόσο οι προβλεπόμενες από τις εξισώσεις, όσο και οι καταγραφείσες μέσες τιμές R rs σε ένα εύρος συχνοτήτων 4-30 Hz, είχαν την τάση να είναι χαμηλότερες από αυτές που παρατηρήθηκαν στις προαναφερθείσες μελέτες και στα δύο φύλα (R rs,mean 4-30: 0.22 ±0.06 kpa (L/s) για τους άνδρες και 0.26±0.06 kpa (L/s) για τις γυναίκες). Το γεγονός, αποδόθηκε στην διάταση των αεραγωγών, λόγω της ελάττωσης της διατασιμότητας του αναπνευστικού συστήματος και της αύξησης της FRC που παρατηρείται κατά τη γήρανση. Υποδεικνύεται έτσι, ότι ο συγκεκριμένος παθοφυσιολογικός μηχανισμός επιδρά ισχυρότερα στη διαμόρφωση των τιμών της R rs σε αυτές τις ηλικίες και αντισταθμίζει την ήπια αύξηση των περιφερικών αντιστάσεων Το ίδιο συμπέρασμα, μπορεί να εξαχθεί και από την παρατήρηση των τιμών των αντιστάσεων του πίνακα 4, όπου διακρίνεται μια φθίνουσα πορεία των τιμών των R rs5 και R rs20, παράλληλα με την αύξηση της ηλικίας των εξεταζόμενων. Ταυτόχρονα όμως, διακρίνεται σαφής αύξηση των τιμών της f res, παράλληλη με την αύξηση της ηλικίας, γεγονός που σχετίζεται ισχυρά με την απόφραξη των μικρών αεραγωγών Η μεταβλητότητα των παραμέτρων της ταλαντωσιμετρίας σε υγιείς ενήλικες Στο σύνολο των προαναφερθεισών μελετών 54-65, η βραχυπρόθεσμη ημερήσια μεταβλητότητα των R rs και X rs, εκπεφρασμένη με το συντελεστή μεταβλητότητας (CV%), καταγράφεται από 5 έως 15%. Οι τιμές αυτές, είναι συγκρίσιμες με τιμές παραμέτρων της πληθυσμογραφίας (sg aw) 39 και, συχνά, μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες τι-

19 326 ΠΝΕΥΜΩΝ Τεύχος 4ο, Τόμος 26ος, Οκτώβριος - Δεκέμβριος 2013 μές, που εμφανίζουν οι παράμετροι της σπιρομέτρησης (FEV1). Κοινό χαρακτηριστικό όλων των μελετών, είναι ότι η μεταβλητότητα της X rs είναι αρκετά μεγαλύτερη από αυτή της R rs. Επίσης, έχει καταδειχτεί ότι η μεταβλητότητα των εισπνευστικών παραμέτρων R rs και X rs, καθ όλο το εύρος των συχνοτήτων, είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή των εκπνευστικών παραμέτρων και προτείνεται η χρήση των πρώτων για την εξαγωγή ασφαλέστερων κλινικών συμπερασμάτων 48. Ωστόσο, η μεταβλητότητα των εκπνευστικών παραμέτρων αποδεικνύεται ιδιαίτερα χρήσιμη στην πρώιμη διάγνωση του περιορισμού της εκπνευστικής ροής, αλλά και την εκτίμηση της πορείας ασθενών με απόφραξη περιφερικών αεραγωγών. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παρά τη φαινομενική δυσκολία που παρουσιάζουν, οι θεωρητικές αρχές που πλαισιώνουν την ταλαντωσιμετρία αποτελούν προϊόν μακροχρόνιας έρευνας σε πρωταρχικά πεδία της φυσιολογίας της αναπνοής. Στην παρούσα ανασκόπηση, επιχειρήθηκε μια αναλυτική προσέγγιση τόσο των αναγκών που οδήγησαν στην εξέλιξη της μεθόδου, όσο και των βασικών μαθηματικών αρχών που διέπουν, διαχρονικά, την όλη προσέγγιση της μηχανικής του αναπνευστικού συστήματος και βρίσκουν εφαρμογή στη μελέτη της ήρεμης αναπνοής, μέσω της ταλαντωσιμετρίας. Από την υπάρχουσα γνώση, υποδεικνύεται ότι οι παράμετροι της εμπέδησης, όπως εκτιμώνται από τις FOT και IOS, εκφράζουν διαφορετικές και ίσως λεπτότερες παραμέτρους της αναπνευστικής φυσιολογίας από τις κλασσικές μεθόδους ελέγχου της αναπνευστικής λειτουργίας, όπως η σπιρομέτρηση κι η πληθυσμογραφία. Το γεγονός αυτό, μπορεί πιθανότατα να αποδοθεί στην εγγενή ιδιότητα της τεχνικής να αξιολογεί την ήρεμη αναπνοή των ασθενών, η οποία δεν μπορεί να εκτιμηθεί πληρέστερα από καμία άλλη υπάρχουσα εφαρμοσμένη τεχνική λειτουργικού ελέγχου της αναπνοής. Δεδομένης δε της πρακτικής ευκολίας διενέργειας της εξέτασης, αλλά και των ανεπηρέαστων από τον κάματο του αναπνευστικού συστήματος αποτελεσμάτων της, η ταλαντωσιμετρία και οι εφαρμογές της αποτελούν ένα συνεχώς αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας αλλά και καθημερινής ιατρικής πρακτικής. Σε κάθε περίπτωση, οι σύγχρονες τάσεις που διαμορφώνει η έρευνα περί των εφαρμογών αξιολόγησης της ήρεμης αναπνοής, καθιστούν αναγκαία την κατανόηση των θεωρητικών αρχών που παρουσιάστηκαν στην παρούσα ανασκόπηση, καθώς υποδεικνύουν την ολοένα αυξανόμενη εφαρμογή τους στην κλινική πράξη. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ (Βλέπε αγγλικό Κείμενο)