Спирометрия. Физиологические основы тестирования функции лёгких.

Функциональное исследование лёгких является важной частью клинической медицины и выполняет ряд задач: диагностика заболевания лёгких и оценка его тяжести; оценка эффективности терапии различных легочных расстройств (например, реакции больных бронхиальной астмой на бронходилататоры); представление о течении болезни из результатов последовательных тестов; обучение больных приемам правильного дыхания и убеждение их в необходимости ведения здорового образа жизни (например, убедить курильщика прекратить курение, показав ему результаты теста, свидетельствующие о нарушении функции легких).

В данной главе рассмотрены физиологические основы и методы тестирования функции лёгких. Выделены тесты, используемые для оценки различий между наиболее распространенными лёгочными расстройствами. Другие, менее употребимые тесты рассмотрены для иллюстрации некоторых физиологических принципов. Наконец, представлено несколько клинических случаев, показывающих, как с помощью функциональных тестов могут быть решены диагностические проблемы.

Основы тестирования функции лёгких

Дыхательная система приспосабливает обмен газов к широкому спектру разнообразных обстоятельств - от состояния покоя до тяжелой физической нагрузки. В условиях последней, когда требуется повышение потребления О2 и выделения СО2, необходима большая эффективность газообмена и вентиляции.

Структура лёгких обеспечивает максимальную эффективность вентиляции. Функционально дыхательная система может быть разделена на три компонента: (1) воздухоносные пути (ВП), (2) лёгочная паренхима и (3) грудная клетка, выполняющая функцию мехов.

ВП представлены полуригидными трахеей и долевыми бронхами и более податливыми мелкими бронхиолами, простирающимися до периферии лёгких. Тип воздушного потока варьирует от турбулентного в центральных ВП до ламинарного в мелких. Мелкие дыхательные пути могут быть сдавлены во время форсированного выдоха. В результате, экспираторный воздушный поток ограничивается как в норме, так и при патологии лёгких. Это имеет важное значение для функционального исследования легких, поскольку анализ экспираторной части вентиляции позволяет выявить большинство лёгочных расстройств.

Второй функциональный компонент - эластическая паренхима лёгких - ведет себя подобно резиновому баллону. Для его наполнения требуется энергия; при прекращении энергетических затрат, поддерживающих баллон в расправленном состоянии, он спадается. Нарушения, делающие легкие жесткими (например, легочный фиброз), препятствуют их полному спадению, в то время как нарушения эластичности легких (например, при эмфиземе) уменьшают силу, с которой они опорожняются.
Третий функциональный компонент - "грудные мехи" - состоит из грудной клетки, межреберных мышц и диафрагмы. Поскольку сами легкие не способны инициировать дыхание, грудная клетка и дыхательная мускулатура должны создавать силы, необходимые для вентиляции. Дыхательные мышцы активны при вдохе; мышцы выдоха обычно работают только при определенных патологических состояниях и при физической нагрузке. Деформация грудной клетки и болезни дыхательных мышц могут влиять на функцию дыхательной "помпы", приводя к дыхательной недостаточности.

Изменения любого из этих трех функциональных компонентов могут стать причиной одышки и измеримых отклонений функции лёгких. Функциональное исследование лёгких используется для оценки состояния каждого из этих трех компонентов.

Основные группы клинически важных тестов лёгочной функции включают спирометрию, тесты на силу дыхательных мышц, измерение лёгочных объемов и диффузионной способности лёгких.

Спирометрия

Спирометрия - наиболее важный способ оценки лёгочной функции. При проведении спирометрии пациент вдыхает и выдыхает с максимальной силой. Измеряются объемная скорость воздушного потока и изменения объема дыхательной системы. Наиболее клинически значимые сведения дает анализ экспираторного маневра (выдоха).

Спирограф с водяным затвором

В течение десятилетий применялись спирографы простой системы, измерявшие объем легких с использованием закрытого контура (рис. 4-1). Пациент в положении сидя дышит в камеру, которая представляет собой подвижный цилиндр, погруженный в емкость с водой. Изменения объёма лёгких регистрируются как по изменению объёма цилиндра, соединенного с откалиброванным вращающимся барабаном. В примере, представленном на рис. 4-1, вдох регистрируется отклонением записи на барабане кверху, а выдох - книзу.

Основным показателем спирометрии является жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ, VC), представляющая собой максимальный объём воздуха, который можно вдохнуть (инспираторная VC) или выдохнуть (экспираторная VC). Чтобы измерить VC, пациент делает сначала вдох до предельного объёма лёгких, а затем возможно полный выдох.

Некоторое количество воздуха остается в лёгких даже после максимального экспираторного маневра. Этот объём называют остаточным объёмом (ОО, RV). Сумма жизненной ёмкости и остаточного объёма даёт общую ёмкость лёгких (ОЕЛ, TLC). Остаточный объём нельзя определить с помощью одной спирометрии; это требует дополнительных измерений объёма лёгких.

Рис. 4-1. Обычный водяной спирометр. Наполненный воздухом цилиндр, погруженный в сосуд с водой, соединен с вращающимся барабаном, на котором записываются показания спирометра. Барабан вращается с определенной скоростью, бумага на барабане калибрована, что позволяет измерять изменения объема легких и скорость потока воздуха

Объемная скорость воздушного потока является главным фактором, определяющим вентиляторную способность лёгких. Объёмную скорость потока можно определить по экспираторному маневру жизненной ёмкости лёгких, если учесть затраченное на него время. При использовании спирографа, подобного тому, что изображен на рис. 4-1, это время определяется на основании скорости вращения цилиндра. С помощью данных вертикальной оси, представляющих объём (VC), и данных горизонтальной оси, показывающих отсчёт времени, рассчитывается объёмная скорость воздушного потока (объём/время).
Типичная спирограмма, полученная таким способом, показана на рис. 4-2. Объём лёгких на вершине спирограммы - TLC. По мере того, как пациент выдыхает, регистрируется кривая, которая постепенно уплощается при приближении к концу выдоха, т. е. к уровню остаточного объёма лёгких. Из спирограммы экспираторного маневра выводят несколько ключевых величин.

Объём форсированного выдоха за 1 секунду (OФB1, FEV1) представляет собой количество воздуха, выдохнутого за первую секунду. Принято выражать FEV1 в процентах к форсированной жизненной ёмкости лёгких (ФЖЕЛ, FVC).

Рис. 4-2. Спирометрические измерения, полученные в процессе форсированного выдоха от уровня TLC до RV (FVC)

Здоровые люди за первую секунду выдыхают по меньшей мере 70% FVC, пациенты с тяжелой обструктивной болезнью ВП - от 20 до 30%. Отношение FEV1/FVC% является крайне полезным и воспроизводимым параметром.

Другая важная спирометрическая величина - объемная скорость потока в средней части экспираторного маневра: форсированный экспираторный поток между 25% и 75% форсированной жизненной ёмкости лёгких (ФЭП25%-75%, FEF25%-75%). С помощью этой величины оценивается средняя объемная скорость воздушного потока между 25% и 75% выдыхаемого объёма.

Петля поток-объём

Простое механическое устройство наподобие водяного спирографа (рис. 4-1) было вытеснено электронными приборами, которые сделали возможным точное измерение инспираторного и экспираторного потоков. Эти приборы также позволяют проводить измерение объёмной скорости потока как функции объёма лёгких. Чтобы понять отношение между объёмной скоростью воздушного потока и объёмом лёгких, необходимо проанализировать петлю поток-объём (рис. 4-3).

После некоторого периода спокойного дыхания пациент делает максимальный вдох, в результате чего регистрируется кривая эллиптической формы (кривая АЕВ). Объём лёгких в точке максимального вдоха (точка В) есть TLC. Вслед за этим пациент делает форсированный выдох (FVC) (кривая ВСDА)

Максимальная экспираторная объёмная скорость потока представлена начальной частью кривой (точка С). Затем объёмная скорость потока убывает (точка D), и кривая возвращается к ее исходной позиции (точка А). Исходя из этого, петля поток-объём описывает отношение между объёмной скоростью воздушного потока и объёмом лёгких на протяжении вдоха и выдоха. Она содержит те же самые сведения, что и простая спирограмма. Однако с помощью этой петли можно легко получить допoлнитeльныe полезные сведения.

Очевидно, что характеристики воздушного потока во время форсированного вдоха и выдоха заметно отличаются друг от друга. Воздушный поток во время вдоха в определенной степени симметричен: наивысшая его скорость достигается приблизительно в средней точке кривой. Эта точка назывяется максимальной объемной скоростью вдоха при 50% жизненной ёмкости лёгких (МОС50%вд, MIF50%).

Рис. 4-3. Нормальная петля" соотношения объемной скорости потока и объёма в процессе максимальных вдоха и выдоха. Вдох начинается в точке А, выдох в точке В. Пиковый экспираторный поток (PEF), наблюдается в точке С. Максимальный экспираторный поток в середине жизненной ёмкости (Vmax50%) соответствует точке D, в то время как максимальный инспираторный поток (МIF50%) - точке E.

В противоположность этому, максимальная объёмная скорость экспираторного воздушного потока - пиковый экспираторный поток (ПОС, PEF) - наблюдается по ходу выдоха очень рано. Объёмная скорость потока линейно падает вплоть до окончания выдоха. Как указано при описании спирограммы, скорость воздушного потока между 25% и 75% форсированной жизненной ёмкости лёгких может быть установлена из кривой поток-объём. Удобнее, однако, рассматривать объёмную скорость воздушного потока середины форсированного выдоха (Vmax50%). Обычно MIF50% в 1,5 раза больше Vmax50%, поскольку увеличение сопротивления ВП во время выдоха ограничивает экспираторный поток. Хотя петля поток-объём содержит в основном ту же информацию, что и простая спирограмма, наглядность отношения между потоком и объёмом позволяет более глубоко проникнуть в функциональные характеристики как верхних, так и нижних ВП. Анализ петли поток-объём может быть полезен в диагностически трудных случаях, что будет подтверждено примерами.

Примеры клинического применения спирометрии

Спирометрия может быть использована для определения двух основных патофизиологических типов отклонения от нормы: обструктивного и рестриктивного (рис.4-4).

При обструктивных расстройствах ведущей патофизиологической аномалией является увеличенное сопротивление ВП. В простом случае (например, бронхиальная астма) легочная паренхима нормальна, но сужены ВП. Следовательно, FVC может быть сохранена, но воздушный поток снизится и FEV1/FVC% уменьшится.

Как видно из рис. 4-4Б, наклон спирограммы выдоха заметно снижен по сравнению с нормой и FEV1/FVC% уменьшено. FEF25%-75%, не показанный на рисунке, также снижен.
Рестриктивные расстройства характеризуются ограничением наполнения грудной клетки воздухом: лёгочная паренхима изменена таким образом, что лёгкие становятся жесткими и с трудом расправляются. Функция ВП обычно остается нормальной и, следовательно, скорость воздушного потока не претерпевает изменений. Хотя FVC и FEV1 снижаются, отношение FEV1/FVC% остается нормальным (рис. 4-4В).

Не показанная на рисунке величина FEF25%-75% уменьшена. При рестриктивных лёгочных расстройствах уменьшенный объём лёгких снижает эластическую отдачу. Поэтому величина FEF25%-75% может быть снижена и в отсутствии обструкции ВП.

Те же самые функциональные отклонения, свойственные обструктивным и рестриктивным расстройствам, описываются экспираторной частью петли поток-объём (рис. 4-5). У пациентов с рестриктивными болезнями петля поток-объём выглядит как уменьшенный вариант нормальной. Спирограмма в её экспираторной части имеет нормальную форму. Все величины, включая объёмную скорость воздушного потока, снижены, поскольку снижен и объём лёгких. Напротив, при болезнях обструкции ВП форма петли поток-объём заметно изменена: экспираторной её части свойственны пониженная пиковая объёмная скорость потока и заметно искаженный контур, объемная скорость воздушного потока снижена на протяжении всего выдоха.

Тесты на силу дыхательных мышц
Иногда нервно-мышечные расстройства выглядят как заболевания с поражением паренхимы лёгких, приводящие к ограничению расширения грудной клетки. Снижение силы дыхательных мышц может вызывать сходные отклонения в результатах лёгочных функциональных тестов.

Рис. 4-4. Типичные спирограммы. (А) Здоровый человек. (B) Больной обструктивной болезнью ВП. (C) Больной рестриктивной болеяныо лёгких. FEV1/FVC% понижено при обструкции и сохранено при рестрикции.

Если собственно лёгкие здоровы, то основной патофизиологической проблемой становится энергетическая несостоятельность, при которой вдох ослаблен, VC понижена, а результаты функциональных тестов похожи на те, что получают при заболеваниях с рестриктивными поражениями паренхимы лёгких. Нечто подобное можно наблюдать при недостаточном содействии в выполнении теста со стороны пациента или слабой мотивации. С практической точки зрения проблема заключается в том, чтобы установить, чем обусловлена рестрикция действительно рестриктивными изменениями лёгких, поражением нервно-мышечной системы или недостаточными усилиями пациента.

Рис. 4-5. Типичные петли экспираторной объёмной скорости потока-объёма у здорового человека и больных с обструктивной и рестриктивной патологией лёгких. При обструкции объём лёгких увеличен и кривая сдвинута влево. Объёмные скорости потока выдоха уменьшены при всех объёмах лёгких. При рестрикции объём лёгких снижен и кривая сдвинута вправо. Хотя пиковая объёмная скорость потока уменьшена, объёмные скорости экспираторного потока увеличены по сравнению с объёмными скоростями потока у здорового человека при том же объёме лёгких.

Для уточнения ситуации может быть измерена сила сокращения мышц вдоха и выдоха. Пациенту предлагают сделать максимальное усилие вдоха или выдоха на вход манометра, который регистрирует создаваемое изометрически результирующее давление.

Силы, развиваемые дыхательными мышцами, тесно связаны с объёмом лёгких. Максимальное давление вдоха (MIP) достигается при наименьшем лёгочном объёме (RV), когда отношение длина-напряжение в диафрагме оптимизировано. И наоборот, максимальное давление выдоха (МЕР) достигается при TLC. Пациенты с нервно-мышечными заболеваниями часто не способны достичь максимальных величин давления, что предполагает рестриктивную патологию лёгких. Те же пациенты, которые оказывают слабое содействие при проведении теста, часто добиваются этих величин легко. Так можно различить небрежное отношение к участию в функциональном тестировании и слабость нервно-мышечной природы. Важно понимать, что максимальные величины инспираторного и экспираторного давления представляют собой специфические тесты функции дыхательных мышц, и они, по большей части, не отражают собственно патологию лёгких.

Полезным тестом функции дыхательной системы в целом, включая мышечную силу, является максимальная произвольная вентиляция (MVV). Выполняя этот маневр, пациент в течение 12 с дышит так часто и глубоко, как только может. Величина вентиляции (MVV) измеряется и выражается в литрах за 1 мин. Эмпирически было установлено, что MVV в 35-40 раз больше FEV1.

Измерение лёгочных объёмов

До сих пор спирометрия выделялась как главное средство диагностики и количественной оценки самых различных лёгочных расстройств. У некоторых пациентов, однако, прямое измерение легочных объемов может помочь в диагностической оценке изменений, первоначально выявленных с помощью спирометрии. Например, рестриктивные болезни легких уменьшают VC. Однако VC может уменьшиться в результате обструкции ВП. В связи с этим возникает важный клинический вопрос: заключается ли проблема в чисто обструктивных нарушениях или они сочетаются с рестриктивными?

В качестве примера приведем результаты обследования пациента, злоупотребляющего курением, и с подозрением на профессиональную патологию легких. Обструкция ВП чаще всего связана с курением, а многие профессиональные заболевания легких вызывают поражение по рестриктивному типу. При наличии обструкции выявление сниженной VC не позволяет разграничить типы изменений в легких (обструктивные и рестриктивные). В этом случае для облегчения интерпретации данных спирометрии полезно измерение объемов легких.

Определения:
Несколько величин легочных объемов стали стандартными в функционально-диагностическом тестировании (рис. 4-6). Объем воздуха в легких пациента, находящегося в состоянии покоя, в положении, когда закончен обычный выдох, а голосовая щель открыта, называется функциональной остаточной емкостью (ФОЕЛ, FRC). Во время спокойного дыхания инспираторный объем называется дыхательным объемом (ДО, VT). Общая емкость легких (ОЕЛ, TLC) - это объем воздуха в легких после максимального вдоха, начавшегося с уровня FRC. Разница в объеме между FRC и TLC - емкость вдоха (ЕВ, IC). Объем воздуха, покинувший легкие после завершения максимального выдоха, начатого от уровня TLC, есть жизненная емкость легких (экспираторная ЖЕЛ, VC). Объем воздуха, оставшийся в легких после завершения максимального выдоха, начатого от уровня TLC, называется остаточным объемом (ОО, RV). Разница между FRC и RV является резервным объемом выдоха (РОвыд, ERV). Все легочные объемы могут быть рассчитаны, исходя из результатов измерения VC и FRC. FRC можно измерить с помощью одного из двух способов: разведения гелия или плетизмографии тела.

Метод разведения гелия
Метод разведения гелия (рис. 4-7) основан на простом принципе сохранения масс.

Рис. 4-6. Виды объемов легких, определяемые по спирограмме

Инертный газ гелий, заключенный в дыхательном контуре известного объема, разводится дополнительным объемом неизвестной величины - объемом легких в положении FRC. После периода дыхания, необходимого для выравнивания газового состава в системе в целом, новая сниженная концентрация гелия отражает общий объем легких и дыхательного контура, в котором этот газ распределился. Поскольку объем последнего известен, объем легких может быть рассчитан.
Как изображено на рис. 4-7, испытуемый дышит в контуре, который включает водяной спирометр и поглотитель СО2. К системе присоединено устройство, снабжающее ее кислородом. Непрерывное удаление СО2 поглотителем и пополнение кислорода из внешнего источника позволяют пациенту дышать в контуре продолжительное время (рис. 4-7А). Перед началом исследования система наполняется газовой смесью с известной концентрацией гелия. Во время процедуры гелий разводится по всей системе "легкие-спирометр". После установления равновесия новая концентрация гелия представляет собой меру нового объема, в котором распределился газ.

Итак, объем контура спирометра (Vg) известен, начальная (He1) и конечная концентрации гелия после возвратного дыхания в системе (Не2) измеряются. Общее количество гелия, присутствующее первоначально (произведение начальной концентрации гелия и начального объема контура спирометра, равно общему количеству гелия после его равномерного разведения по всей системе "легкие-спирометр" (произведение конечной концентрации гелия и конечного объема системы, включающего начальный объем спирометра плюс FRC).

Vs x He1 = (Vs+FRC) x He2, [4-1]
Решая уравнение [4-1] относительно FRC, получаем следующее выражение:
FRC=Vs x (He1-He2)/He2 [4-2]

Величина FRC, рассчитанная таким путем, в действительности включает небольшой объем мертвого пространства спирометра, который должен быть вычтен для получения истинной FRC пациента.
Хотя метод разведения гелия прост, его точность зависит от полноты смешивания газа в легких. У здоровых людей полное смешивание занимает всего лишь несколько минут. Однако у пациентов с плохо вентилируемыми участками легких, например при обструктивной легочной патологии, уравновешивание концентрации гелия наступает намного позднее. Таким образом, у пациентов с неравномерной вентиляцией определение легочных объемов методом разведения гелия может дать неточные результаты, а процедура измерения занимает продолжительное время.

Плетизмография тела:
Плетизмография тела является более быстрым и надежным методом измерения объема легких, чем метод разведения гелия, однако он требует более сложного технического оснащения. Принцип плетизмографии тела базируется на законе Бойля, который описывает постоянство отношения между давлением (Р) и объемом (V) газа при постоянной температуре:
P1V1 = P2V2 [4-3]
где Р1 - начальное давление газа, V1 - начальный объем газа, Р2 - давление после изменения объема газа, V2 - объем после изменения давления газа.
Человек, сидящий в герметической кабине плетизмографа, дышит через загубник, соединенный с открытым в атмосферу шлангом (рис. 4-8).


Рис. 4-7. Метод измерения FRC с помощью разведения гелия в замкнутой системе. (А) Система перед подсоединением испытуемого. (Б) Система после подсоединения испытуемого и достижения равновесия. Начальная концентрация гелия в системе (Не1) сравнивается с конечной концентрацией после возвратного дыхания (Не2). Если объем спирометра (Vs) и его мертвое пространство (Vd) известны, FRC может быть рассчитано как
FRC = Vs x (He1-He2)/He2 - Vd
(Но: Gnppi M. A., Metzger L. F., Krupinski A. V., Fishman A. P. Pulmonary function testing. In:
Fishman A. P., ed. Pulmonary Diseases and Disorders. 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1988: 2474.)

Открытие и закрытие шланга управляется электронным устройством. Человек от уровня FRC делает попытки вдохов и выдохов при закрытом шланге. Газ, содержащийся в легких, попеременно сжимается (на "выдохе") и разрежается (на "вдохе"). Изменения давления в ротовой полости (как эквивалент альвеолярного давления) и внутригрудного объема газа (как отражение колебаний давления в герметической кабине) постоянно регистрируются.

Внутригрудной объем газа (VTG) как эквивалент FRC измеряется согласно закону Бойля:
P1 xVTG = (Pl + DPA)x(VTG+DV), [4-4]

где: P1 - начальное давление в ротовой полости при FRC (т. е. атмосферное или барометрическое давление), DРА - изменение давления в ротовой полости во время маневра "дыхания" при перекрытом шланге, DV - изменение объема легких во время маневра "дыхания" при перекрытом шланге.
Решая уравнение [4-4] относительно VTG, получаем:
VTG = DV/DPA x (Pl + DPA). [4-5]
Поскольку DРА ничтожно по сравнению с P1, уравнение [4-5] может быть представлено в следующем виде:
VTG = DV/DPA x Pl [4-6]
VTG выражается в литрах. P1 - барометрическое давление - измеряется прямым методом. Член уравнения [4-6] DV/DPA представляет собой наклон линии, проведенной через петлю объем-давление (рис. 4-8).

Рис. 4-8. Метод измерения внутригрудного объема газа (VTG) с помощью плетизмографии тела. Когда заслонка (S) закрыта при положении грудной клетки FRC, испытуемый делает усилия вдоха и выдоха. По мере того как объем легких увеличивается с декомпрессией внутригрудного газа в процессе вдоха, давление в кабине (Pb) увеличивается; противоположное происходит в процессе выдоха. Отношение между давлением во рту (РA) и изменением объема легких (DV) или давлением в кабине изображается на якране. VTG; рассчитывается как:
VTG = DV/DPA x P1
где Р1 - исходное давление в ротовой полости при FRC (т. е. атмоссрсрное или барометрическое давление). Подробности в тексте

Эта петля строится в координатах: альвеолярное давление (РА)-давление в кабине (Pb) (от "box" - кабина). Однако последний член уравнения прямо связан с изменением объема легких внутри кабины, так как она калибрована таким образом, что известные изменения объема соответствуют постоянно измеряемым изменениям давления. Отсюда делается практический вывод о том, что член DV может быть заменен на DРb.

Плетизмография тела обеспечивает очень быстрое измерение объема легких и может быть применена многократно за короткое время. Некоторые пациенты однако не переносят пребывание в кабине из-за боязни замкнутого пространства (клаустрофобия). Кроме того, препятствием для использования этого метода могут быть недостатки сложения (например, крайние степени ожирения).

Типичные данные тестов при патологически измененной функции легких:
Существуют несколько типичных паттернов отклонений от нормы результатов тестов легочной функции, основанных на измерении объемной скорости воздушного потока и объема легких (табл. 4-1).
При рестриктивном паттерне главным патофизиологическим механизмом является ограниченное расправление легких, что проявляется снижением легочных объемов и уменьшением движущей силы экспираторного потока. Однако ВП и их сопротивление остаются в норме. Спирометрия выявляет уменьшение FVC и FEV1, но сохранение FEV1/FVC%. Из-за снижения объема легких абсолютная объемная скорость воздушного потока также снижена, на что указывает низкая величина FEV1/FVC%. Объемы легких, включая FRC, уменьшены, что дает картину "сморщенного легкого".

Обструктивный паттерн характеризуется снижением объемной скорости воздушного потока. FEV1/FVC% и FEF25%-75% снижены. FVC обычно в норме или снижена в зависимости от влияния патологического процесса на другие легочные объемы. В случае умеренной обструкции, как при бронхиальной астме средней тяжести, FVC может быть сохранена, хотя спирометрические данные указывают на обструкцию ВП (FEV1/FVC% снижено). При более выраженной обструкции, свойственной тяжелой эмфиземе, захват воздуха и значительная утрата эластической отдачи легких вызывают рост RV и FRC. Следовательно, FVC уменьшена. FRC может быть увеличена, a TLC нормальна или увеличена. Отношение RV к TLC превосходит нормальное значение 0.3.

Таблица 4-1. Типичные паттерны отклонений при функциональном тестировании легких

Показатель Рестриктивные нарушения Обструктивные нарушения
Умеренные Выраженные
FVC ЇЇ Норма Ї
FEV1 ЇЇ Ї ЇЇ
FEV1/FVC% Норма Ї ЇЇ
FEF25%-75% ЇЇ Ї ЇЇ
FRC Ї Норма Ї
RV Ї Норма Ї
TLC Ї Норма Ї

При обструктивном паттерне полезно выяснить, поддается ли обструкция действию бронходилататоров. Повышение объемной скорости воздушного потока после ингаляции аэрозоля ?-агониста адренорецепторов может означать, что обструкция, по крайней мере частично, вызвана бронхоспазмом. Обструкция дыхательных путей рассматривается как обратимая или "бронходилататор-реактивная", если FEV1 улучшается хотя бы на 15% после ингаляции бронходилататора.

Для выявления изменений функции легких с помощью провокационной пробы также применяется спирометрия. Например, некоторые пациенты с подозрением на бронхиальную астму имеют нормальные данные спирометрии. В диагностических целях полезно установить, вызывается ли у таких пациентов бронхоспазм фармакологически. При метахолиновом провокационном тестировании парасимпатомиметический препарат, метахолин, ингалируется в последовательно возрастающих дозах. Для оценки эффекта этого вещества на экспираторный поток после ингаляции каждой дозы выполняется спирометрическое исследование. У пациентов с бронхиальной астмой бронхоспазм развивается при относительно низкой кумулятивной дозе метахолина.

Выявление обструкции верхних дыхательных путей:
Как уже отмечалось, петля поток-объем дает дополнительную к данным спирометрии информацию. Анализируя форму петли, можно выявить обструкцию верхних дыхательных путей. В этой связи необходимо выделить два важных физиологических принципа.

Первый принцип состоит в том, что дыхание через "фиксированную обструкцию" (т. е. обструкцию, геометрия которой остается постоянной в обеих фазах дыхания) ограничивает воздушный поток как на вдохе, так и на выдохе. При выполнении здоровым человеком теста по определению жизненной емкости легких через узкие ригидные трубки, контуры петли поток-объем изменяются (рис. 4-9). Если фиксированная обструкция встречается в центральных ВП, петля поток-объем обнаруживает снижение объемной скорости потока как на вдохе, так и на выдохе.

Второй физиологический принцип заключается в том, что динамические факторы оказывают различное воздействие на внутригрудные и внегрудные ВП (рис. 4-10). Внутригрудные ВП во время вдоха поддерживаются открытыми отрицательным плевральным давлением. Во время форсированного выдоха положительное плевральное давление, окружающее ВП, создает компрессию и уменьшает их диаметр. Следовательно, сопротивление ВП повышается только во время выдоха.

Рис. 4-9. Петли поток-объем, полученные при нормальных ВП и ВП с фиксированной обструкцией. По мере нарастания степени фиксированной обструкции BП скорости инспираторного и экспираторного потока прогрессивно падают

Рис. 4-10. Переменная обструкция верхних дыхательных путей. (А) Переменная внегрудпая обструкция. Форсированный выдох увеличивает внутритрахеальное давление (Ptr) выше атмосферного (Patm); диаметр ВП близок к нормальному. Во время вдоха Рtг меньше Patm; инспираторный поток снижается. (Б) Переменная внутригрудная обструкция. Форсированный выдох увеличивает инутриплевральное давление (Рр1), которое повышает Ptr, внутригрудные ВП суживаются и развивается их обструкция на выдохе. Во время вдоха Ptr превышает Рр1 и сужение ВП уменьшается

Отрицательное давление внутри экстраторакальных ВП является причиной их сужения на вдохе. Во время выдоха вышеуказанное давление становится положительным, увеличивая диаметр ВП. В норме широкие ВП ведут себя как полуригидные трубки и подвержены только умеренной компрессии. Однако если ВП становятся суженными и пластичными, их сопротивление во время дыхания может заметно колебаться.
Функциональные типы обструкции верхних дыхательных путей
Исходя из вышеописанных физиологических принципов, можно выделить три функциональных типа обструкции верхних ВП на основе анализа петли поток-объем:
(1) фиксированная обструкция, (2) переменная внутригрудная обструкция и (3) переменная внегрудная обструкция (рис. 4-11).
Как при фиксированной, так и при переменной внутригрудной обструкции спирометрия выявляет уменьшение FEV1/FVC% и FEF25%-75%, указывая на ограничение экспираторного потока. Однако формы кривых поток-объем при этих двух видах нарушений заметно отличаются.
Фиксированная обструкция
При фиксированной обструкции (рис. 4-11 А), такой как стеноз трахеи вследствие трахеостомии, кривая уплощена или лишена верхушки, а легко обнаруживаемый в норме пик потока отсутствует.
Рис. 4-11. Петля поток-объем при фиксированной и переменной обструкции верхних BII. (А) Фиксированная обструкция. (Б) Переменная внутригрудная обструкция. (В) Переменная внегрудная обструкция

Контур экспираторного потока совпадает с инспираторным; скорости середины потока как вдоха, так и выдоха приблизительно равны. Это противоположно обычному отношению, где объемная скорость потока на вдохе приблизительно в 1,5 раза выше таковой на выдохе.

Переменная внутригрудная обструкция:
При переменной внутригрудной обструкции (рис. 4-11 Б), вызванной опухолью трахеи выше бифуркации, компрессия ВП избирательно усиливается во время выдоха. Экспираторный поток снижается, и петля поток-объем уплощается. Во время вдоха объемная скорость потока и форма петли остаются в норме.

Переменная внегрудная обструкция:
Переменные внегрудные обструкции, возникающие при параличе или опухоли голосовой связки, вызывают избирательное ограничение объемной скорости потока воздуха во время вдоха (рис. 4-11 В). Наличие такой обструкции можно легко предположить, когда меняются отношения между объемными скоростями потока середины вдоха и выдоха: первая из них заметно снижается по сравнению со второй, что свидетельствует об ослаблении инспираторного потока.

Дополнительные клинически или физиологически значимые тесты:
По сравнению с описанными ранее тестами представленные ниже применяются в клинической практике не так широко. Вместе с тем они иллюстрируют важные патофизиологические процессы.
Измерение сопротивления воздухоносных путей и удельной проводимости
Сопротивление воздухоносных путей (Raw) зависит от объема легких. По мере увеличения объема легочная паренхима передает растягивающее действие на внутрилегочные ВП, увеличивая их диаметр и снижая сопротивление. Отношение между Raw и обратной величиной, проводимостью ВП (Gaw), иллюстрируется рис. 4-12.

ингаляции Рис. 4-12. Изменения сопротивления и проводимости ВП в зависимости от объема легких. (А) Сопротивление ВП (Raw) у здорового человека и больного бронхиальной астмой до и после бронходилататора. (Б) Проводимость ВП (Gaw) у здорового человека и больного бронхиальной астмой до и после ингаляции бронходилататора. Gaw находится в прямой зависимости от объема легких;
наклон представляет удельную проводимость ВП (SGaw). При бронхиальной астме Raw снижается, а Gaw и SCaw повышаются под действием бронходилататоров

Изменения Raw, связанные с колебаниями объема легких, могут быть точно установлены при плетизмографии тела (рис. 4-13).

Сидя в кабине, человек дышит через открытый шланг, соединенный с расходомерным устройством - пневмотахографом. Этот маневр отражается на экране плетизмографа в виде замкнутой петли, представляющей отношение между потоком (V) и давлением в кабине (Pb), т.е. V/Pb. Затем шланг перекрывается (человек продолжает выполнять маневр вдох-выдох), что вызывает образование петли альвеолярное давление-давление в кабине (РA/Рb).

Если измерение делается при нескольких различных объемах легких, это позволяет вывести отношение между сопротивлением ВП и объемом легких.

Растяжимость легких:
Иногда измерение растяжимости легких оказывается полезным для уточнения клиники заболевания. Для наполнения легких воздухом необходимо к их поверхности приложить давление. Наполнение легких, в свою очередь, создает давление эластической отдачи, которое обеспечивает их спадение. Величина давления, содействующего спадению легких, зависит от объема их наполнения (рис. 4-14).

Изолированное легкое расправляется под воздействием давления, прикладываемого к стенкам альвеол, т. е. разницы между альвеолярным давлением и окружающим плевральным. Альвеолярное давление при любом объеме легких может быть измерено посредством плетизмографии тела.

Рис. 4-13. Метод плетизмографии тела для измерения Raw. Отношение между давлением в ротовой полости, эквивалентным альвеолярному давлению (РA), и давлением в камере (РЬ) определяется, когда заслонка (S) закрыта. Отношение между потоком (V) и РЬ определяется, когда заслонка открыта.

Рис. 4-14. Статическая растяжимость легких. Во время спадения легких от уровня TLC (левая сторона рисунка) шаг уменьшения объема легких (DV) соотносится с уменьшением транспульмо-нального давления, измеренного с помощью внутрипишеводмого баллона. Функция давление-объем криволинейная, а растяжимость в любой точке этой кривой есть DV/DP

Плевральное давление измеряется прямым способом с помощью катетера, помещенного в плевральную полость, либо косвенным - измерением внутрипищеводного давления, которое обеспечивает относительно неинвазивную, но вполне надежную оценку плеврального давления.
Отношение давление-объем в нормальных легких имеет криволинейный характер. В средней части кривая жизненной емкости более крутая, но по мере приближения к предельной наполненности легких наблюдаются прогрессивно увеличивающиеся величины давления. Легочный фиброз (рестриктивное заболевание) характеризуется жесткостью легких и плоской кривой давление-объем. Относительно небольшие изменения объема связаны с выраженными изменениями давления (рис. 4-15). Эмфизема (обструктивная патология), при которой снижается эластичность легких, напротив, характеризуется крутым наклоном кривой давление-объем. Значительные изменения объема сопровождаются малыми изменениями давления наполнения легких.

Модель легких в виде резинового баллона, является удачной конструкцией для иллюстрации этих положений. При рестриктивной патологии легкие становятся более жесткими, менее растяжимыми и с трудом расправляются. Хотя жесткий баллон труднее надуть, после наполнения в нем создается высокое давление. При эмфиземе легкие, теряя эластичность, становятся чрезмерно растяжимыми и во время наполнения ведут себя скорее подобно целлофановому мешку, нежели резиновому баллону (целлофановый мешок легко надуть, однако спадается он плохо).

Тесты при заболеваниях мелких воэдухоносных путей:
Первоначально тесты на обнаружение обструкции мелких ВП (диаметром менее 2 мм) были очень популярны, поскольку существовала гипотеза о том, что обструктивная болезнь легких обратима, если обструкция ограничивается мелкими ВП. Однако найти сколько-нибудь убедительную корреляцию между результатами этих тестов и клинической картиной обструктивной болезни легких не удалось, и эти тесты не получили в дальнейшем широкого распространения. Тем не менее, два таких теста иллюстрируют некоторые физиологические принципы, касающиеся воздушного потока: (1) кривая поток-объем при дыхании гелиево-кислородной смесью и (2) измерение объема закрытия.
Кривая поток-объем при дыхании гелиево-кислородной смесью
Информация о состоянии мелких ВП, получаемая при анализе "гелиево-кислородной" кривой поток-объем, более полная, чем при анализе "воздушной" кривой.

Рис. 4-15. Кривые давление-объем у здорового человека и больных эмфиземой или рестриктивной болезнью легких. Кривая давление-объем при эмфиземе более крутая (увеличенная растяжимость), а максимальное давление пластической отдачи при TLC понижено. Кривая давление-объем при рестриктивном поражении легких (например, при легочном фиброзе) более пологая (уменьшенная растяжимость), а максимальное давление эластической отдачи при TLC увеличено

Это обусловлено тем, что плотность инертного газа гелия ниже плотности воздуха. При вдыхании гелиево-кислородной смеси происходит снижение турбулентности потока в крупных центральных ВП и увеличение объемных скоростей потока там, где турбулентность сохраняется. Поскольку сопротивление дыхательных путей выше в системе с турбулентными потоками (гл. 2), то снижение турбулентности приводит к уменьшению сопротивления. В отличие от крупных, в мелких ВП воздушный поток остается ламинарным. Ламинарный поток от плотности газа не зависит. Поэтому дыхание газом с более низкой плотностью оказывает на поток и, следовательно, сопротивление мелких дыхательных путей незначительное влияние.

Испытуемый дышит комнатным воздухом, и в этих условиях регистрируется петля поток-объем. Затем он начинает дышать гелиево-кислородной смесью, после чего записывается вторая петля поток-объем. В результате снижения турбулентности и сопротивления петля поток-объем у здоровых людей отражает увеличение объемной скорости экспираторного потока, измеренной на уровне 50% экспираторной жизненной емкости легких - DVmax50% (рис. 4-16). Однако у больных с обструкцией мелких ВП, где воздушный поток изначально ламинарен, дыхание гелиево-кислородной смесью не увеличивает объемную скорость потока. Следовательно, Vmax50% заметно меньше выражено у пациентов, обструктивная болезнь легких которых вызвана поражением мелких ВП (рис. 4-16Б).

Объем закрытия
Другим тестом функции мелких ВП, который раскрывает целый ряд физиологических закономерностей, является измерение объема закрытия.
Меньшие по диаметру периферические ВП во время выдоха подвергаются компрессии, становясь постепенно все более узкими по мере того, как объем легких приближается к остаточному. Это приводит к снижению скорости потока при малых объемах легких и к закрытию мелких воздухоносных путей. При патологических изменениях мелких ВП этот эффект усиливается. В итоге мелкие ВП сужаются и закрываются в более ранние фазы выдоха. Измерение объема закрытия выполняется путем определения объема легких, при котором поток в мелких ВП прекращается.

А Б

Рис. 4-16. Кривые поток-объем при дыхании гелиево-кислородной смесью. (А) Здоровый человек. (Б) Пациент с поражением мелких BП. Vmax50% увеличена у здорового человека в большей степени, чем у больного с поражением мелких ВП.

Клинические примеры
Ниже приведены типичные случаи, подтверждающие необходимость проведения функционального исследования легких для решения клинических проблем.
Случай 1
Мужчина в возрасте 55 лет жалуется на одышку в течение года. Он много курит, постоянно кашляет, отхаркивая каждое утро белую мокроту объемом в несколько столовых ложек. По словам больного, у него здоровое сердце, но он подозревает у себя эмфизему. При аускультации выявляется диффузное ослабление дыхания. Рентгенограмма грудной клетки выявляет вздутие легких, но в остальном она без патологических изменений. Результаты спирометрии показаны в таблице 4-2. Они получены до и после ингаляции бронходилататора.
Таблица 4-2. СЛУЧАЙ 1: ТЕСТЫ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ
Тест функции легких До бронходилататора После бронходилататора
Фактическая величина % должной величины Фактическая величина Изменение в %
FVC (л) 4.0 103 4.2 5
FEV1 (л) 2.4 80 2.9 20
FEV1/FVC % 60 68
FEF25%-75% (л/с) 2.0 51 2.4 20
FIF25%-75% (л/с) 4.0 68 4.4 10
MW (л/мин) 110 79 115 5

Исходная спирометрия выявляет умеренную обструкцию ВП, на что указывает пониженное отношение FEV1/FVC% (60%). FVC не изменена. Следовательно, у больного обструктивная болезнь легких. В ее основе может быть какой-либо обратимый процесс, например бронхиальная астма, либо необратимый, такой как эмфизема. Нельзя исключить эндобронхиальное повреждение, например внутригрудную опухоль. Для дифференциальной диагностики была применена ингаляция бронходилататора. Повторная спирометрия выявила выраженную обратимость обструкции ВП, на что указывает увеличение FEV1, на 20%. Это служит надежным признаком наличия у больного бронхоастматического компонента. Обратимость обструкции, по данным спирометрии, свидетельствует о благоприятном прогнозе и позволяет предположить, что эффект бронхорасширяющей терапии будет положительным.

Случай 2
25-летняя женщина несколько месяцев находилась в больнице по поводу дыхательного дистресс-синдрома. После длительной эндотрахеальной интубации наступило полное выздоровление. Спустя три месяца после выписки ее стала беспокоить постепенно увеличивающаяся одышка. Осмотр не выявил каких-либо отклонений в состоянии органов дыхания. На рентгенограмме органов грудной клетки обнаружены лишь незначительные интерстициальные изменения легких. Результаты спирометрии представлены в таблице 4-3.

Спирометрия выявила нормальные величины FVC, но сниженные FEV1 и FEV1/FVC%. Однако самым важным наблюдением следует считать равенство величин объемных скоростей потока середин вдоха и выдоха. В норме инспираторный
Таблица 4-3. СЛУЧАЙ 2: ТЕСТЫ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ
Тест функции легких Фактическая величина % должной величины
FVC (л) 4.0 108
FEV1(л) 2.0 65
FEV1/FVC% 50
FEF25%-75% (л/с) 2.0 50
FIF25%-75% (л/с) 2.0 50
MW (л/мин) 50 41
поток по крайней мере на 50% больше, чем экспираторный. Эти данные говорят о том, что обструкция имеет место как на вдохе, так и на выдохе.
Петля поток-объем демонстрирует контур, подобный изображенному на рис. 4-11 А, заставляя предполагать наличие у больной обструкции верхних дыхательных путей. В данном случае обструкция стала результатом стеноза вследствие предшествующей эндотрахеальной интубации. Таким образом, рассмотрение инспираторной спирограммы может оказаться весьма ценным для распознавания причины обструктивной болезни ВП.

Случай 3:
50-летняя женщина, анамнез которой без особенностей, жаловалась на одышку неясной этиологии. Обстоятельное кардиологическое обследование не выявило патологии. Данные физикального осмотра и рентгенограммы грудной клетки в норме. Результаты спирометрии представлены в таблице 4-4.
Таблица 4-4. СЛУЧАЙ з: ТЕСТЫ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ
Тест функции легких Фа ктическая величина % должной величины
FVC (л) 2.0 64
FEV1 (л) 1.8 70
FEV1/FVC% 90
FEF25%-75% (л/с) 2.0 59
FIF25%-75% (л/с) 4.0 78
MW (л/мин) 90 93
MIP (см. вод. ст.) 32 88
МЕР (см. вод. ст.) 63 90
У больной снижена величина FVC, отношение FEV1/FVC % в норме, что указывает на рестриктивную болезнь легких или на нервно-мышечное расстройство. Однако нормальные величины MIP, МЕР и MVV свидетельствуют против последнего диагноза. Поскольку степень нарушений со стороны органов дыхания не соответствовала общей клинической картине, была проанализирована петля поток-объем (рис. 4-17). Как можно увидеть, пациентка не завершает маневр выдоха. Имеется резкое преждевременное прекращение выдоха; кривая не возвращается в исходную точку (по объему). Такие данные могут быть результатом либо неисправности оборудования, либо слабых усилий пациента.
В любом случае, без анализа петли поток-объем спирометрия может создавать ошибочное впечатление о наличии серьезного заболевания легких.

Рис. 4-17. Петля поток-объем, образованная при недостаточных усилиях пациента.

Случай 4
60-летний мужчина, портовый рабочий, обследовался для оценки трудоспособности. В анамнезе продолжительный контакт с асбестом, курение. Физикальное обследование выявило ослабленное дыхание и небольшое количество сухих рассеянных хрипов в обоих легких. Рентгенограмма грудной клетки показала вздутие легких и умеренное усиление интерстициального рисунка. Данные спирометрии, полученные до и после ингаляции бронходилататора, а также величины легочных объемов приведены в таблице 4-5.
Таблица 4-5. СЛУЧАЙ 4: ТЕСТЫ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ
Тест До бронходилататора После бронходилататора
Функции легких Фактическая величина % должной величины Фактическая величина изменение в%
FVC (л) 2.4 60 2.4 0
FEV1 (л) 1.4 44 1.5 7
FEV1/FVC% 58 63
FEF25%-75% (л/с) 1.3 33 1.2 0
FIF25%-75% (л/с) 4.0 67 4.0 0
MW (л/мин) 49 34 50 2
RV(n) 4.6 205
TLC (л) 7.0 112
FRC (л) 5.2 142

Исходная спирометрия показывает снижение FVC и умеренную степень необратимой обструкции ВП (нет реакции на ингаляцию бронходилататора). Эти наблюдения вполне соответствуют эмфиземе. Обструктивный паттерн, включающий сниженную FVC, также может быть обусловлен сочетанием обструктивной болезни ВП и рестриктивной болезни легких, вызванной контактом с асбестом. Важным тестом в определении преобладающего процесса является измерение легочных объемов.
У пациента значительно повышены RV, FRC и TLC. Следовательно, рестриктивная болезнь легких как причина сниженной FVC исключается. Повышенные величины объемов легких указывают на потерю легкими эластической отдачи и позволяют предположить, что главным патофизиологическим процессом является обструкция ВП как вторичное проявление эмфиземы.