Andrew Huszczuk Ph.D Επιστηµονικός σύµβουλος της VACUMED Η ΠΛΑΝΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΓΚΥΡΟΤΗΤΑΣ DOUGLAS BAG Ποιος είναι ο χρυσός κανόνας της ανικανότητας; Ο λόγος αυτού του άρθρου είναι η παραπληροφόρηση που δέχονται οι υποψήφιοι αγοραστές συστηµάτων µεταβολικής µέτρησης. Αυτά τα συστήµατα είναι γνωστά ως συστήµατα MC, CPX, εργοσπιρόµετρα και επίσης ως συστήµατα θερµιδοµετρίας. Για ευκολία στην συνέχεια του άρθρου θα αναφερόµαστε σε αυτά ως MC. Φαίνεται ότι κάποιοι κατασκευαστές συστηµάτων MC βασίζουν την ανωτερότητα των συσκευών τους λέγοντας ότι αυτά είναι βαθµονοµηµένα ή ελεγµένα µέσω της χρήσης της µεθόδου Douglas bag. Για τον έλεγχο της απόδοσης των συσκευών µετρήσεων θα πρέπει να πραγµατοποιηθεί µία διαδικασία βαθµονόµησης εφαρµόζοντας µία γνωστή σταθερά και κατόπιν ελέγχοντας την σωστή µέτρηση. Ενώ µία φυσική παράµετρος µέτρησης (π.χ. µάζα, θερµοκρασία, πίεση κτλ.) συνδέεται µε µία σχετικά απλή διαδικασία βαθµονόµησης, πιο πολύπλοκα συστήµατα τα οποία χρησιµοποιούν πολυπαραγοντική µέτρηση χρειάζονται βαθµονόµηση δύο επιπέδων. Αρχικά, όλα τα όργανα µέτρησης θα πρέπει να βαθµονοµηθούν ξεχωριστά εφαρµόζοντας ειδικές σταθερές για κάθε όργανο (π.χ. µίγµατα αερίων γνωστής περιεκτικότητας) και κατόπιν συντονίζοντάς τα προκειµένου να πετύχουµε τις συγκεκριµένες ενδείξεις. Αυτές οι ενδείξεις κατόπιν χρησιµοποιούνται για την ρύθµιση της βαθµονόµησης του λογισµικού. Το δεύτερο στάδιο της βαθµονόµησης γίνεται για να επιβεβαιώσει την τελική απόδοση του συστήµατος µέτρησης ως σύνολο. Αυτό προϋποθέτει την
αναπαραγωγή γνωστών ποσοτικών και ποιοτικών χαρακτηριστικών των µετρούµενων παραµέτρων (για παράδειγµα την εξοµοίωση µιγµάτων αερίων εκπνοής), τα οποία προκειµένου να γίνουν σταθερές θα πρέπει να προετοιµασθούν µε µεγάλη ακρίβεια και να παραδοθούν στο σύστηµα µέσω µιας βαθµονόµησης µε ένα δυναµικό πρότυπο το οποίο εξοµοιώνει τις «πραγµατικές συνθήκες». Τα περισσότερα από αυτά τα πολύπλοκα συστήµατα µέτρησης ταξινοµούνται ως ροόµετρα µάζας. Σε ιατρικές εφαρµογές τα ροόµετρα µάζας χρησιµοποιούνται για να µετρήσουν το επίπεδο του µεταβολισµού κατά την ηρεµία και κατά την διάρκεια άσκησης σταδιακής έντασης. Ονοµάζονται MC (metabolic cart), και µετρούν την πρόσληψη οξυγόνου (VO 2 ) και την αποβολή διοξειδίου του άνθρακα (VCO 2 ) από το σώµα σε λίτρα ανά λεπτό STPD. Αυτές οι δύο παράµετροι συνήθως συµπληρώνονται από τον ανά λεπτό αερισµό των πνευµόνων (VE) και την καρδιακή συχνότητα (HR) σε λίτρα ανά λεπτό και κτύπους αντίστοιχα. Από τις παραπάνω τέσσερις παραµέτρους προκύπτουν και κάποιες άλλες οι οποίες βοηθούν την διάγνωση στους τοµείς της καρδιο-αγγειακής ιατρικής, της αθλητιατρικής και φυσιολογίας, των µεταβολικών και διατροφικών διαταραχών, της γηριατρικής, της αποκατάστασης, της εργασιακής ιατρικής, την αξιολόγηση της φυσικής κατάστασης κτλ Η σύγχρονη τεχνολογία Όλα τα συστήµατα µεταβολικής µέτρησης που πωλούνται σήµερα, χρειάζονται µία αρχική βαθµονόµηση των αναπνευστικών (συνήθως των εκπνευστικών) ροόµετρων και βαθµονόµηση δύο σηµείων των αναλυτών O 2 και CO 2. Τα αναπνευστικά ροόµετρα βαθµονοµούνται συνήθως µε µία µεγάλη (συνήθως των 3 λίτρων) χειροκίνητη σύριγγα που µετακινεί ένα γνωστό όγκο αέρα µέσα από αυτήν χρησιµοποιώντας αργές, µεσαίας ταχύτητας και γρήγορες κινήσεις. Από την στιγµή που στις εφαρµογές µεταβολικών µετρήσεων το ελάχιστο δυναµικό εύρος ροής το οποίο αναµένεται να ανιχνευθεί από τα ροόµετρα είναι 0.25 έως 3 L/sec (δωδεκαπλάσιο) και σε αθλητικές εφαρµογές το ανώτερο εύρος ροής θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 5 L/sec (εικοσαπλάσιο), οι χειροκίνητες εισαγωγές αέρα µε την σύριγγα είναι ανεπαρκής να διασφαλίσουν ακρίβεια καλύτερη από ένα ±5% λόγω των παρακάτω λόγων: 1. Όλα τα υπάρχοντα ροόµετρα είναι καταρχάς µη-γραµµικά. Παρότι ο βαθµός µη-γραµµικότητας διαφοροποιείται ανάλογα µε την φυσική αρχή της λειτουργίας, είναι όλα εφοδιασµένα µε συσκευές αποκατάστασης της
γραµµικότητας (linearizer) που χρησιµοποιούν µικροεπεξεργαστές ή λογισµικό ελέγχου πινάκων. Οποιαδήποτε απόκλιση µιας λειτουργίας που τροφοδοτεί το linearizer θα προκαλέσει σηµαντική παραµόρφωση της υποτιθέµενα γραµµικής λειτουργίας. Μόνο τα ροόµετρα στροβίλου είναι ασφαλή σε τέτοιες αποκλίσεις. 2. Το µεγαλύτερο ποσοστό ροόµετρων είναι ευαίσθητο στις ιδιότητες των φυσικών αερίων όπως η ειδική βαρύτητα, το ιξώδες και η θερµική ικανότητα, κάτι το οποίο σηµαίνει ότι η σύσταση των αερίων επιδρά σηµαντικά στην απόδοσή τους. Εποµένως, η λειτουργία της µεταφοράς του σήµατος εξόδου σε συσχέτιση µε την ροή οποιουδήποτε ροόµετρου που επιτυγχάνεται µε αέρα θα τροποποιηθεί όταν γίνει αλλαγή στην σύσταση του αερίου σε αυτή ενός αναπνέοντος ατόµου. Εποµένως, για ποιο λόγο να γίνει βαθµονόµηση µε αέρα εάν κατά τη διάρκεια του πραγµατικού τεστ θα ανιχνευθεί η ροή διαφορετικών τύπων αερίων; 3. Η χρήση δι-οδικών αναπνευστικών βαλβίδων αποτελεί επιπλέον µειονέκτηµα σε εφαρµογές όπως τα παραδοσιακά συστήµατα θαλάµου µίξης ή συλλογής εκπνεόµενων αερίων µε αερόσακους για περαιτέρω ανάλυση. Όλες οι αναπνευστικές βαλβίδες έχουν διαρροή στους χαµηλούς ανά λεπτό αερισµούς (VE) που εµφανίζονται κατά την ηρεµία, ενώ οι κακοσυντηρηµένες µεµβράνες των βαλβίδων ή η λάθος τοποθέτησή τους µπορεί να αυξήσουν αυτές τις διαρροές σε µία έως 10-15% απώλεια στους αναπνεόµενους όγκους, και εποµένως σε µη αποδεκτή υποεκτίµηση των µεταβολικών παραµέτρων ηρεµίας καθιστώντας τα συστήµατα θαλάµου µίξης άχρηστα για έρευνες βασικού µεταβολισµού. Η χειροκίνητη χρήση των µεγάλων συριγγών βαθµονόµησης σχεδόν προλαµβάνουν την παραγωγή ροών χαµηλού εύρους ή των συχνών αναστροφών ροών οι οποίες αυξάνουν τις διαρροές. Παρεµφερή θέµατα µη-γραµµικότητας επηρεάζουν την απόδοση των αναλυτών αερίων. Οι διακυµάνσεις στην δειγµατοληψία ροών, την βαροµετρική πίεση, την θερµοκρασία του περιβάλλοντος και την υγρασία θα προκαλέσει αποκλίσεις οι οποίες όταν δεν ελεγχθούν µπορεί να ξεπεράσουν την ικανότητα των ενσωµατωµένων στους αναλυτές συσκευών αποκατάστασης της γραµµικότητας. Εποµένως, η βαθµονόµηση δύο σηµείων, συνήθως αέρας για χαµηλό CO 2 και υψηλό O 2 και πιστοποιηµένο στάνταρτ µίγµα αερίων για χαµηλό O 2 και υψηλό CO 2, για τους αναλυτές αερίων έχει περιορισµένη εγκυρότητα καθώς προσδιορίζει µόνο µία µέση τάση της συσχέτισης των σηµάτων εξόδου µε τις συγκεντρώσεις αερίων. Η πραγµατική σηµείο-ανά σηµείο συσχέτιση δεν ακολουθεί ακριβώς την
ευθεία γραµµή που ενώνει δύο αντίστοιχα σηµεία κάτι το οποίο µεγαλώνει το όλο εύρος µέτρησης για κάθε αέριο. Τέλος, ο λανθασµένος χειρισµός των παραµέτρων συµβάλλουν σηµαντικά και µερικές φορές καθοριστικά στην συνολική ακρίβεια καθώς επηρεάζουν τους παράγοντες διόρθωσης ανάµεσα στις φυσικές καταστάσεις (ATPS, BTPS, και STPD) ή στον τρόπο υπολογισµού της αξιολόγησης της µάζας ροής: Βαροµετρική πίεση Θερµοκρασία περιβάλλοντος και εκπνοής Σχετική υγρασία Καθυστερήσεις και ιδιότητες στα χρονικά διαστήµατα δειγµατοληψίας Επανα-αναπνεόµενος νεκρός χώρος Τοποθεσία θύρας δειγµατοληψίας υστυχώς, η µεγάλη αυτή λίστα των πιθανών και συνήθως αληθινών πηγών λαθών συνήθως αγνοείται καθώς πολύ λίγοι κατασκευαστές µεταβολικών συσκευών ασχολούνται µε αυτά τα θέµατα, ενώ οι σχετικές επιστηµονικές οργανώσεις δεν προτείνουν κάποιες οδηγίες ή συστάσεις για την τυποποίηση της διαδικασίας βαθµονόµησης. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα οι σύγχρονες συσκευές µεταβολικών µετρήσεων να λειτουργούν σπάνια εντός των αποδεκτών ορίων ακριβείας π.χ. ± 5% και συχνά ξεπερνά το ±10% χωρίς κανείς να το αναφέρει ή να διαµαρτύρεται για αυτό. Παραπλανητικές υποδείξεις Όταν σε κάποιους πωλητές τέτοιων συσκευών τους τεθεί το ερώτηµα της ακριβείας, µπορεί να υποστηρίξουν ότι τα συστήµατά τους έχουν ελεγχθεί µε την µέθοδο Douglas bag την οποία τολµούν να αποκαλούν ως τον «χρυσό κανόνα» της βαθµονόµησης. Επιπλέον, κάποιοι κατασκευαστές χρησιµοποιούν αυτή την φράση στην διαφηµιστική τους καµπάνια. Η χρήση της µεθόδου Douglas bag για τον έλεγχο της εγκυρότητας των συστηµάτων µεταβολικής µέτρησης θα πρέπει να αποκαλείται καλύτερα ως "Ο χρυσός κανόνας της ανικανότητας".
Μία βαθµονόµηση που χρησιµοποιεί τους αερόσακους συλλογής εκπνεόµενων αερίων δεν είναι και δεν δύναται να αποτελεί την επιτοµή της βαθµονόµησης για τους ακόλουθους λόγους: 1. Η έλλειψη µίας σταθεράς, το οποίο σηµαίνει ότι κάποιος δεν γνωρίζει ποιο θα είναι το αποτέλεσµα. 2. Χαµηλή ακρίβεια της µεθόδου Douglas bag η οποία προκύπτει από: ιαρροές στις αναπνευστικές βαλβίδες διπλής κατεύθυνσης Ανακριβής αξιολόγηση του συγκεντρωµένου όγκου αερίων ακόµα και µε την χρήση µεγάλων και καλοσυντηρηµένων σπιρόµετρων Συνθήκες επιρρεπείς στα λάθη που εµποδίζουν την σωστή µέτρηση της συγκέντρωσης των αερίων λόγω της διάχυσης αερίων και την διάλυση του CO 2 σε νερό που βρέχει τα εσωτερικά τοιχώµατα των σπιρόµετρων Tissot ή ψυχόµενους αερόσακους (υγροποίηση). Απόλυτη αδυναµία να πραγµατοποιηθεί βαθµονόµηση πριν από το τεστ. Αδυναµία πραγµατοποίησης απευθείας ελέγχου των προβληµάτων προκειµένου να εντοπιστεί η πηγή του σφάλµατος. Στην πράξη, ακόµα και όταν εκτελείται άψογα, η µέθοδος Douglas bag δίνει αποτελέσµατα µε ένα εύρος ακρίβειας ± 5%, κάτι το οποίο µπορεί να αξιολογηθεί µόνο ο εάν οι όγκοι των CO 2 και O 2 (έλλειµµα) είναι γνωστοί πριν την έναρξη της συλλογής τους από τους αερόσακους. είτε πως µπορείτε να πραγµατοποιήσετε το πείραµα: 1. Γεµίστε µία µεγάλη σύριγγα βαθµονόµησης (ας πούµε 3L) µε 100% CO 2 και µεταφέρετε τα περιεχόµενα σε ένα αερόσακο συλλογής αερίων. 2. Γεµίστε την σύριγγα µε 100% N 2 και µεταφέρετέ την στον ίδιο σάκο τέσσερις φορές (συνολικά 12 λίτρα N 2 ). 3. Γεµίστε τον σάκο µε ένα άγνωστο όγκο αέρα. 4. Τώρα, για να προσοµοιώσετε την συλλογή αερίων στον σάκο κατά την διάρκεια του πραγµατικού τεστ, πάρτε έναν άλλο άδειο σάκο και χρησιµοποιώντας µία αναπνευστική βαλβίδα διπλής κατεύθυνσης, µεταφέρετε τα περιεχόµενα του πρώτου σάκου στον δεύτερο για να
προσοµοιώσετε µε κινήσεις σύριγγας τον αναπνευστικό όγκο και την συχνότητα που παρατηρείται κατά πραγµατοποίηση ενός τεστ. 5. Πραγµατοποιήστε ανάλυση των αερίων στα περιεχόµενα του δεύτερου σάκου. 6. Μετρήστε τον όγκο των αερίων σε αυτόν τον σάκο. 7. Τώρα θυµηθείτε, ξεκινήσατε µε 3 λίτρα (ATPD) CO 2 και 3 + 12 λίτρα (ATPD) ενός αερίου χωρίς O 2 και το διαλύσατε µε αέρα δωµατίου γνωστής υγρασίας, θερµοκρασίας και βαροµετρικής πίεσης (ATPs). Θα περιµένατε το VCO 2 (χωρίς τελίτσα πάνω από το V, που σηµαίνει όγκος και όχι ανά λεπτό ροή) να είναι 3L (ATPD) και ο όγκος οξυγόνου να είναι 3.15L (ATPs), [(3 + 12) x 21% = 3.15L]. 8. Γράψτε τις τιµές του πειράµατός σας για τον όγκο και τις συγκεντρώσεις αερίων και υπολογίστε το VCO 2 και τα περιεχόµενα σε VO 2 9. Εάν είστε τυχεροί, τότε τα αποτελέσµατα δεν θα είναι και τόσο απογοητευτικά. Συµπέρασµα Τα συστήµατα µέτρησης µεταβολισµού ως ροόµετρα µάζας, δύναται να βαθµονοµηθούν µόνο µε µέσα παραγωγής καθορισµένων ποών µάζας τα οποία µπορούν να ρυθµιστούν κατά βούληση και να διοχετευτούν µε µία µορφή αναπνευστικής διαδικασίας. Οι υπάρχουσες λογισµικές διορθώσεις βασίζονται σε στιγµιαίες αναλύσεις και δεν είναι ικανές να αντιµετωπίσουν αποτελεσµατικά τις αναπόφευκτες παρεκκλίσεις. Τελικά περιµένουµε ότι η χρήση χειροκίνητων συριγγών και µιγµάτων αερίων βαθµονόµησης θα εκλείψει και θα αντικατασταθεί µε προηγµένο λογισµικό το οποίο θα αντισταθµίζει όλες τις υπάρχουσες µη-γραµµικότητες, µέσω ανάλυσης των αντιδράσεων στις εφαρµοζόµενες ροές µάζας, και θα πραγµατοποιεί κατάλληλες διορθώσεις σε όλα τα λειτουργικά εύρη κατά την διάρκεια των 3-5 λεπτών πριν την εκτέλεση του τεστ. Επιµέλεια µετάφραση ρ. Α. Θεοδώρου