Благовещенск, Амурская область, Россия
Благовещенск, Амурская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
Описана технология комплексной диагностики холодовой гиперреактивности дыхательных путей и кондиционирующей способности лёгких у больных с хроническими болезнями органов дыхания
холодовая гиперреактивность дыхательных путей, кондиционирующая способность лёгких, хронические заболевания органов дыхания
УДК: 616.2-002.2:612.225:616.2-001.19]616-073.788/.96
ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА КОМБИНИРОВАННОЙ ДИАГНОСТИКИ ХОЛОДОВОЙ ГИПЕРРЕАКТИВНОСТИ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ И КОНДИЦИОНИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ
© 2018. Ю.М. Перельман, д-р мед. наук., Н.В. Ульянычев, канд. физ.-мат. наук, А.Г. Приходько, д-р мед. наук
Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыхания, Благовещенск, РФ; ООО «Иотон», Благовещенск, РФ
Описана технология комплексной диагностики холодовой гиперреактивности дыхательных путей и кондиционирующей способности лёгких у больных с хроническими болезнями органов дыхания.
Ключевые слова: холодовая гиперреактивность дыхательных путей, кондиционирующая способность лёгких, хронические заболевания органов дыхания.
THE PRACTICE OF APPLICATION OF HARDWARE AND SOFTWARE COMBINED DIAGNOSIS OF COLD HYPERRESPONSIVENESS OF AIRWAYS AND CONDITIONING LUNG FUNCTION
J.M. Perelman, D Sci.; N.V. Yluanychev, PhD; A.G. Prikhodko, D Sci.
Far-Eastern Scientific Center of Physiology and Pathology of Respiration, LLC “Ioton”, Blagoveshchensk
The technology of complex diagnostics of cold hyperresponsiveness of airways and conditioning capacity of lungs in patients with chronic respiratory diseases is described.
Key words: cold hyperresponsiveness of airways, conditioning capacity of lungs, chronic respiratory diseases.
Гиперреактивность дыхательных путей – один из важнейших патогенетических механизмов многих хронических заболеваний органов дыхания. Её скрининг-диагностика лежит в основе раннего распознавания бронхиальной астмы. Выявление изменённой реактивности дыхательных путей у больных хроническими обструктивными болезнями лёгких вносит существенную коррекцию в тактику лечения этих заболеваний.
Нами доказана роль нарушений кондиционирующей функции лёгких в патогенезе хронических обструктивных заболеваний лёгких, их вклад в формирование холодовой гиперреактивности дыхательных путей [2, 3]. Холодный воздух в клиническом эксперименте способен модулировать реакцию, встречающуюся в повседневной жизни людей. Диагностический тест с использованием ингаляции холодного воздуха отличается физиологичностью проводимого исследования по сравнению с фармакологическими пробами, относительной безопасностью, не связан с проблемами дозировки, распределения и задержки веществ в дыхательных путях. Ингаляция холодного воздуха позволяет значительно увеличить термическую нагрузку на респираторную систему, тем самым выявить снижение резервов кондиционирования воздуха в дыхательных путях с одновременной диагностикой холодовой гиперреактивности бронхов.
В основе метода изокапнической гипервентиляции холодным воздухом (ИГХВ) лежит рефлекторное сокращение гладкой мускулатуры дыхательных путей под влиянием раздражения холодовых рецепторов. Для усиления охлаждающего эффекта поступающего воздуха дыхание во время проведения пробы осуществляется в форсированном режиме. Поскольку интенсивность эфферентного ответа пропорциональна степени охлаждения поверхности дыхательных путей, для адекватной количественной оценки наличия и степени бронхиальной гиперреактивности имеет значение точное дозирование температуры вдыхаемого воздуха и минутного объёма вентиляции. Во избежание влияния бронхоконстрикторного эффекта гипокапнии, развивающейся во время произвольной гипервентиляции, во вдыхаемой смеси поддерживается постоянная концентрация углекислого газа.
Комплекс комбинированной диагностики холодовой гиперреактивности дыхательных путей и кондиционирующей функции лёгких (рис. 1) включает в себя 150-литровый мешок с воздухом (4), содержащим 5% углекислого газа, установку для охлаждения вдыхаемого воздуха (1), разветвитель воздушного потока, клапаны вдоха-выдоха (2), датчики для измерения температуры вдыхаемого (выдыхаемого) воздуха (5;6), пневмотахографическую трубку (3), аналого-цифровой преобразователь, компьютер [1,3,5].
Рис. 1. Устройство для комбинированной диагностики холодовой гиперреактивности
дыхательных путей и респираторного теплообмена.
Источником холодного воздуха служит модифицированный кондиционер LG W05LC, снабжённый системами для термо- и спирометрии. Вся система измерений крепится к устройству охлаждения вдыхаемого воздуха через клапан вдоха и первый канал Y-образного разветвителя (2). Центральный канал разветвителя служит для подсоединения пациента с помощью съёмного загубника. Ко второму каналу разветвителя через клапан выдоха подсоединена пневмотахографическая трубка для измерения скорости потока воздуха (3). Контроль над температурой вентилируемого воздуха осуществляется в реальном времени с помощью двух малоинерционных термисторов, встроенных в каналы вдоха-выдоха Y-образного разветвителя и расположенных непосредственно у рта испытуемого (5). Подключение пневмотахографической трубки обеспечивает непрерывное измерение параметров вентиляции (минутного объёма дыхания, частоты дыхания, дыхательного объёма). Аналоговые сигналы оцифровываются на АЦП, затем поступают и обрабатываются в компьютере. Конечный протокол представляет собой средние величины полученных данных [6,7]. Основной технический результат, который обеспечивается моделью, состоит в одновременной регистрации температурных и объёмно-временных характеристик вдыхаемого-выдыхаемого пациентом предварительно охлаждённого воздуха (рис. 2).
Принцип работы устройства заключается в генерации потока холодного воздуха и одновременной регистрации температуры вдыхаемого/выдыхаемого воздуха и скорости потока. Перед началом тестирования в 150-литровом пластиковом мешке приготавливается воздушная смесь с повышенной концентрацией СО2 (5%). Воздух, обогащённый СО2, поступает из мешка в теплообменник, где происходит его охлаждение, частичное высушивание за счёт осаждения влаги на стенках кондиционера.
Проба изокапнической гипервентиляции холодным воздухом проводится путём ингаляции испытуемым в течение 3 минут охлаждённой до -20ºС воздушной смеси, содержащей 5% СО2. Дыхательная нагрузка для каждого обследуемого пациента задаётся индивидуально и соответствует 60% должной максимальной вентиляции легких. Цель – получение максимальной бронхоконстрикторной реакции при минимальном усилии со стороны обследуемого. Для достижения цели испытуемый поддерживает глубину и частоту дыхания стабильными на протяжении всего исследования. Частота дыхания (ЧД) задаётся при помощи метронома, глубина (дыхательный объем) – по амплитуде спирограммы на экране монитора компьютера. Обследуемый располагается таким образом, чтобы самостоятельно визуально контролировать уровень достигнутой вентиляции (рис 2). Вентиляционная функция лёгких оценивается до и после холодовой провокации при спирометрическом исследовании.
Рис. 2. Регистрация МВЛ, ДО, ЧД, Т°вд., Т°выд. в процессе гипервентиляции холодным воздухом.
Реакцию дыхательных путей на охлаждение определяют по изменению показателей кривой "поток-объем" форсированного выдоха. Холодовая гиперреактивность дыхательных путей диагностируется при условии падения объёма форсированного выдоха за 1 сек (ОФВ1) после проведения пробы ИГХВ более чем на 10% от исходного уровня.
Нарушение кондиционирующей функции лёгких диагностируется путём сопоставления фактически измеренных значений температуры выдыхаемого воздуха (Т°выд) в любой момент после начала ИГХВ с должными значениями, совокупность которых является нижней границей доверительного интервала для здоровых людей со специально разработанной для этой цели номограммой (рис. 3). На номограмме область нарушений кондиционирования расположена ниже линии, отражающей эту границу.
Рис. 3. Номограмма для диагностики нарушений кондиционирующей функции легких по данным пробы ИГХВ. По оси абсцисс – время (в сек.), по оси ординат – температура выдыхаемого воздуха (в °С).
Дополнительными объективными критериями диагностики снижения резервов кондиционирования служат индекс кондиционирования и дискриминантное уравнение, которые позволяют всесторонне оценить теплообменную способность респираторного тракта и степень её участия в формировании нарушений бронхиальной проходимости у больных хроническими обструктивными заболеваниями лёгких.
-
- Индекс V/ΔТ°выд (где V - объем провентилированного воздуха, ΔТ°выд – разница температур выдыхаемого воздуха в начале и конце холодовой гипервентиляции) показывает, какое количество воздуха необходимо провентилировать через лёгкие в режиме ИГХВ для падения температуры выдыхаемого воздуха на 1°С и отражает резервы кондиционирующего аппарата. Нормальное значения индекса равно нижней границе доверительного интервала для среднего значения у здоровых лиц – 54,2 л/°С, его снижение свидетельствует о нарушении респираторного теплообмена.
- Дискриминантное уравнение позволяет уточнить механизм, лежащий в основе формирования холодовой гиперреактивности дыхательных путей.
D1 = 56,1´МОС50 (л/с) – 28,3´∆Т°выд,
где МОС50 – мгновенная объёмная скорость выдоха на уровне 50% ФЖЕЛ перед пробой ИГХВ, ∆Т°выд – разница максимальной и минимальной температур выдыхаемого воздуха.
Граничное значение дискриминантной функции (D1) составляет -16,12. D1 ≤-16,12 свидетельствует о формировании холодовой гиперреактивности дыхательных путей, в основе которой лежат нарушения респираторного теплообмена.
Для проверки эффективности метода изокапнической гипервентиляции холодным воздухом обследованы 44 здоровых и 366 впервые выявленных больных: 149 больных хроническим бронхитом (ХБ), 78 больных хронической обструктивной болезнью лёгких (ХОБЛ) 1 стадии и 95 больных бронхиальной астмой лёгкого течения.
Симптомы реакции на холод у обследованных пациентов были связаны с тремя основными факторами: уровнем температурного стимула, длительностью экспозиции и чувствительностью самого субъекта. По своему характеру их можно было отнести к кратковременным и долгосрочным. Кратковременные симптомы появлялись через некоторое время после контакта с холодом и ограничивались заложенностью и слизистыми выделениями из носа, чиханием, вследствие застойных явлений в синусовых пазухах и подслизистой, слезотечением и проходили сразу при смене режима температур. Такая реакция в большей степени была характерна для здоровых людей, лиц с патологией верхних дыхательных путей и простым хроническим бронхитом. Длительные по времени и более тяжёлые симптомы испытывали больные ХОБЛ и бронхиальной астмой, которые могли возникнуть мгновенно при первом контакте с холодным воздухом, либо через 10-15 мин после выполнения на холоде физической нагрузки (например: ходьбы, быстрых движений, бега, подъёме тяжестей и т.д.), проходили постепенно, вследствие привыкания, либо при смене местоположения и/или ингаляционного введения препаратов скорой помощи (β2-агонистов короткого действия).
У здоровых лиц не было выявлено связи между параметрами респираторного теплообмена во время холодовой гипервентиляции и последующими изменениями проходимости дыхательных путей. Развиваемая в результате холодовой провокации реакция бронхов в целом по группе была незначительной, величина максимального снижения ОФВ1 от исходного значения после провокации составила в среднем -4,35±1,2%. Частота выявления повышенной реакции к холоду у здоровых людей составила 23%.
Повышенная реакция на холодовое воздействие в группах больных встречалась существенно чаще, чем у здоровых лиц. Изменённая реактивность на холодный воздух присутствовала у 87% больных бронхиальной астмой и 57% больных ХНБ и ХОБЛ. Индекс V/ΔТ°выд, отражающий резерв кондиционирования, у больных ХНБ составил 49,6±5,93 л/°С, у больных ХОБЛ – 40,0±5,39 л/°С, что было ниже значения 54,2 л/°С, соответствующего нижней границе доверительного интервала средней величины у здоровых лиц.
Полученные данные позволили предложить к использованию дискриминантное уравнение для дифференциальной диагностики ХОБЛ и бронхиальной астмы:
D2=3,48´∆ОФВ1,
где ∆ОФВ1 – максимальное падение ОФВ1 после ИГХВ вне зависимости от времени появления реакции. Вероятность различий выборок составила 99,97%. Вероятность ошибочной классификации 24,9%.
Граничное значение дискриминантной функции (D2) -55,4. При D2 меньше -55,4 диагностируют бронхиальную астму, при D2 больше -55,4 – формирование ХОБЛ.
Далее приведён опыт применения технологии при обследовании пациента с заболеванием органов дыхания и подозрением на холодовую гиперреактивность дыхательных путей.
Больная М., 34 лет. При поступлении предъявляла жалобы на кашель, с отхождением значительного количества слизисто-гнойной мокроты, затруднение дыхания, одышку при умеренной физической нагрузке. Анамнез заболевания в течение 12 лет, когда после внебольничной пневмонии появились вышеперечисленные симптомы. Обострение хронического бронхита 2 раза в год. Последние пять лет отмечает сухой кашель при вдыхании холодного воздуха на улице и затруднение дыхания при переходе в помещение. Не курит. Аллергологический анамнез не отягощен. Наследственности по бронхиальной астме нет. Поступила в клинику с целью верификации диагноза.
Больной выполнена спирометрия: ЖЕЛ – 105,7% долж. (3,95 л), ОФВ1 – 77,2% долж. (2,46 л), ОФВ1/ЖЕЛ – 75,4% долж. (62,3%), ПОСвыд – 81,2% долж. (5,78 л/с); МОС50 – 43,5% долж. (1,92 л/с); МОС75 – 48,7% долж. (0,98 л/с). Заключение: Умеренные нарушения вентиляционной функции лёгких по обструктивному типу.
С целью выявления холодовой гиперреактивности дыхательных путей рекомендована проба изокапнической гипервентиляции холодным воздухом. Прогнозируемый уровень вентиляционной нагрузки для данного пациента – 67,0 л; ДО – 1,67 л; ЧД – 40 в мин.
В процессе 3-минутной пробы ИГХВ выполненный уровень вентиляционной нагрузки – 62,4 л (93,1%); ∆Т° – 5,88°С; V/ΔТ°выд – 10,6 л/°С; D1 = -58,7. Фактические значения Т°выд, оцениваемые по номограмме, расположены ниже границ доверительного интервала для здоровых людей.
После бронхопровокации максимальное падение ОФВ1 зарегистрировано на 1 минуте – -14,0%, D2 = -48,7. Клинически реакция на кратковременную ингаляцию холодного воздуха проявлялась в виде дыхательного дискомфорта, затруднения дыхания, кашля, эпизод бронхоспазма купирован ингаляционным введением β2-агониста короткого действия (сальбутамола). Заключение: Проба положительная, синдром холодовой гиперреактивности дыхательных путей умеренно выраженный, нарушение респираторного теплообмена. Функциональные критерии формирования ХОБЛ.
Таким образом, метод изокапнической гипервентиляции холодным воздухом является эффективным способом выявления холодовой гиперреактивности дыхательных путей и нарушений респираторного теплообмена у пульмонологических больных. Предложенные диагностические критерии позволяют клиницистам не только улучшить качество проводимой диагностики, но и оценить тяжесть выявленных нарушений, а также проводить дифференциальную диагностику между ХОБЛ и бронхиальной астмой.
Разработанный аппаратно-программный комплекс и технология комбинированной диагностики гиперреактивности дыхательных путей могут быть использованы с целью мониторинга и своевременного выявления больных с хроническими обструктивными заболеваниями лёгких (бронхиальной астмой, ХОБЛ и т.д.), для осуществления мер первичной и вторичной профилактики, способствуя снижению фармако-экономических затрат на лечение больных. Разработка может найти применение для профессий с высоким уровнем риска заболевания болезнями органов дыхания, спортсменов, занимающихся зимними видами спорта, военных арктических подразделений Министерства обороны РФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Генератор холодного воздуха для проведения холодовых бронхопровокационных проб: Пат. РФ №93249 от 27.04.10 / Ульянычева В.Ф., Стертюков С.В., Перельман Ю.М., Приходько А.Г.; заявка №2009146435 от 14.12.2009.
2. Перельман Ю.М., Приходько А.Г. Методика комбинированной диагностики нарушений кондиционирующей функции и холодовой гиперреактивности дыхательных путей // Бюл. физиол. и патол. дыхания. 2002. Вып. 12. С.22-28.
3. Программа имитационного моделирования системы дифференциальной диагностики бронхиальной астмы и хронической обструктивной болезни лёгких по результатам пробы изокапнической гипервентиляции холодным воздухом / Безруков Н.С., Еремин Е.Л., Колосов В.П., Перельман Ю.М., Приходько А.Г. – Св-во о рег. программы для ЭВМ №2007610081, зарег. 9 января 2007 г.
4. Приходько А.Г., Перельман Ю.М., Колосов В.П. Гиперреактивность дыхательных путей. Владивосток: Дальнаука, 2011. 204 с.
5. Комплекс комбинированной диагностики холодовой гиперреактивности дыхательных путей и кондиционирующей функции легких: Пат. №119988 на полезную модель от 10.09.2012/ Перельман Ю.М., Ульянычев Н.В., Приходько А.Г., Ульянычева В.Ф.; заявка №2012107151 от 27.02.201.
6. Термоспирометрия / Ульянычев Н.В., Алексеенко З.Н., Батюченко Г.Н., Перельман Ю.М., Приходько А.Г. – Св-во о рег. программы для ЭВМ №2013614322. – Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 29 апреля 2013 г.
7. Численное моделирование тепловлагообмена в дыхательных путях человека // Ульянычев Н.В., Ляшенко О.Л., Ульянычева В.Ф., Перельман Ю.М., Приходько А.Г., Колосов В.П. / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2015615791. – зарег. 25 мая 2015 г.
1. Генератор холодного воздуха для проведения холодовых бронхопровокационных проб: Пат. РФ №93249 от 27.04.10 / Ульянычева В.Ф., Стертюков С.В., Перельман Ю.М., Приходько А.Г.; заявка №2009146435 от 14.12.2009.
2. Перельман Ю.М., Приходько А.Г. Методика комбинированной диагностики нарушений кондиционирующей функции и холодовой гиперреактивности дыхательных путей // Бюл. физиол. и патол. дыхания. 2002. Вып. 12. С.22-28.
3. Программа имитационного моделирования системы дифференциальной диагностики бронхиальной астмы и хронической обструктивной болезни лёгких по результатам пробы изокапнической гипервентиляции холодным воздухом / Безруков Н.С., Еремин Е.Л., Колосов В.П., Перельман Ю.М., Приходько А.Г. – Св-во о рег. программы для ЭВМ №2007610081, зарег. 9 января 2007 г.
4. Приходько А.Г., Перельман Ю.М., Колосов В.П. Гиперреактивность дыхательных путей. Владивосток: Дальнаука, 2011. 204 с.
5. Комплекс комбинированной диагностики холодовой гиперреактивности дыхательных путей и кондиционирующей функции легких: Пат. №119988 на полезную модель от 10.09.2012/ Перельман Ю.М., Ульянычев Н.В., Приходько А.Г., Ульянычева В.Ф.; заявка №2012107151 от 27.02.201.
6. Термоспирометрия / Ульянычев Н.В., Алексеенко З.Н., Батюченко Г.Н., Перельман Ю.М., Приходько А.Г. – Св-во о рег. программы для ЭВМ №2013614322. – Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 29 апреля 2013 г.
7. Численное моделирование тепловлагообмена в дыхательных путях человека // Ульянычев Н.В., Ляшенко О.Л., Ульянычева В.Ф., Перельман Ю.М., Приходько А.Г., Колосов В.П. / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2015615791. – зарег. 25 мая 2015 г.
