IOS Impuls-OScillometri

Transkript

1 IOS Impuls-OScillometri Per Gustafsson, öl, docent, Skaraborgs Sjukhus, Skövde, Sverige Speaker

2 IOS en typ av FOT Forced Oscillation Technique DuBois AB, Brody AW, Lewis DH, Burgess BF. Oscillation mechanics of lungs and chest in man. J Appl Physiol 1956; 8:

3 IOS vs. spirometri Lätt att genomföra för patienten Även hos små barn, gamla, individer med nedsatt fysisk och kognitiv förmåga Unik information (VCD, vocal cord dysfunction) Mycket känsligare än spirometri avseende astma och perifer luftvägsobstruktion Påverkar inte tonus i bronkialmuskulaturen

4 IOS vs. spirometri Lätt att genomföra för patienten Även hos små barn, gamla, individer med nedsatt fysisk och kognitiv förmåga Unik information (VCD, vocal cord dysfunction) Mycket känsligare än spirometri avseende astma och perifer luftvägsobstruktion Påverkar inte tonus i bronkialmuskulaturen Nackdelar med IOS Svår att genomföra optimalt för otränad operatör Artefakter svårbedömda för det otränade ögat Kan ej skilja på obstruktion och restriktivitet Ovant att tänka i frekvensplanet Svårbegriplig matematik bakom Viktigt komplement till spirometri! Värdet större än n vårt v initalmotstånd nd!!

5 0 Många användningsområden, exempelvis Diagnostik av obstruktion i de små luftvägarna vid astma Diagnos av Vocal cord dysfunction (VCD) Utvärdering av bronkialprovokationer Nivådiagnostik vid obstruktion i de små luftvägarna, tillsammans med inertgasutsköljning Höga andningshinder

6 Vad är IOS? IOS är en typ av FOT (Forced Oscillation Technique) En metod att mäta det respiratoriska systemets mekaniska egenskaper under normal andning genom att överlagra andningsflödet med ljudvågor IOS mäter det respiratoriska systemets Impedans (Z, totala motståndet mot det pålagt ljud, dvs tryckvågor) dess komponenter Resistans (R) och Reaktans (X) och dess delkomponenter Kapacitans (C) och Inertans (I)

7 Vad är IOS? IOS är en typ av FOT (Forced Oscillation Technique) En patientvänlig metod att snabbt och enkelt mäta centralt och perifert luftvägsmotstånd samt nedsatt compliance i perifera luftvägar och lungparenkym Viktigt komplement till spirometri

8

9 Eko-resistans (X, reaktans) R, resistans

10 Resistans Eko-resistans (reaktans) Blå = resistans Blå = volym Röd = resistans Röd = flöde

11 Oscillationsmekanik (IOS) Oscillationsmekanik (IOS)

12 Oscillationsmekanik (IOS) Oscillationsmekanik (IOS) Patienten sittande Benen ej korslagda Huvudet lätt bakåtböjt Näsklämma Biter runt munstycket Läpparna sluter tätt Tungan under munstycket Kindstöd! Lugn normal andning Minst 3 mätningar om > 20s

13 Exempel 16-årig pojke astma som utför IOS och spirometri före och efter provokation med kall torr luft

14

15 Impulsoscillometri (IOS) R5Hz Högtalare R20Hz R5-R20Hz Perifer resistans

16 16 yr old boy asthma before cold air challenge FEV L

17 Frequency dependence of resistance, FDR: R5-R20 = yr old boy asthma before cold air challenge AX= 0.06 elastansen (styvheten) i de små luftvägarna

18 16 yr old boy asthma 5 min after cold air challenge FEV L (- 28%)

19 FDR: R5-R20 = yr old boy asthma 5 min after cold air challenge AX= 1.86

20 16 yr old boy asthma 5 min after bronchodilation FEV L Baseline (4.53 L)

21 FDR: R5-R20 = yr old boy asthma 5 min after bronchodilation AX= 0.13

22 FOT standards

23 IOS för påvisande av VCD / funktionell laryngeal obstruktion

24 Volym R at 5Hz R5 Hz pred = 0.39 (0.06) Frisk flicka 16 år, 171 cm

25 15 yr old athletic girl with clinical VCD

26 15 yrs female: Clinical VCD

27 Resistance = yrs female: Clinical VCD

28 Normal subject: Relaxed breathing (a), voluntary vocal cord adduction during inspiration (b), voluntary vocal cord adduction during expiration (c). a b a c a

29 Pojke 16 år, inspir stridor efter smärtsam muskelbristning i bröstkorgen vid badmintonspel

30 Pojke 16 år, inspir stridor efter smärtsam muskelbristning i bröstkorgen vid badmintonspel

31 Pojke 16 år, inspir stridor efter smärtsam muskelbristning i bröstkorgen vid badmintonspel. Efter diazepam i.v.

32 Pojke 16 år, inspir stridor efter smärtsam muskelbristning i bröstkorgen vid badmintonspel. Efter andningsträning.

33 Pojke 16 år, inspir stridor efter smärtsam muskelbristning i bröstkorgen vid badmintonspel. Efter andningsträning.

34 Kvinna 30 år. 10 års anamnes på oförmåga gå i trappor pga exspiratorisk stridorös andning

35 Kvinna 30 år. 10 års anamnes på oförmåga gå i trappor pga exspiratorisk stridorös andning

36 L for larynx!

37 Referens-värden IOS / FOT för barn Ålder och kroppslängd påverkar resistans och reaktans Större spridning i lägre åldrar (R = konstant x radius 4!) Många publikationer se bilagorna på USB-stickan

38 Ny programvara (SentrySuite) ersätter JLAB, enklare genomföra och tolka IOS

39 Andra kommersielt tillgängliga FOT-apparater FOT recording in a six-year old girl using the hand-held Tremoflo device. FOT recording in a seven-year old girl using the Resmon Pro apparatus.

40 Sammanfattning IOS är en patienvänlig mätmetod Ger viktig kompletterande och delvis unik information utöver spirometri Görs vid normal andning Små barn, äldre och funktionsnedsatta kan undersökas Användaren kan behöva tid för att lära sig tolka resultaten

41 Multiple Breath inert gas Washout (MBW) Inertgasutsköljning Per Gustafsson, överläkare,, docent Skaraborgs Sjukhus, Skövde

42 Overview MBW - why, what for and so what? What is an MBW test? Technical aspects: equipment & inert gases How to perform MBW Indices reported Aspects on In vitro validation Infant applications Summary

43 Summary MBW is a feasible test in all age groups Provides unique information on airway function, particularly the small airways Commercial equipment is available International standards / guidelines have been published Modern normative N 2 MBW values are available Sn III parameters offer mechanistic insight and potential for monitoring airway remodelling

44 Inflammation and structural abnormalities of the peripheral airways occurs early in the course of many chronic airway diseases Early diagnosis is particularly important in progressive conditions such as CF (cystic fibrosis) Intra-pulmonary airway obstruction is non-uniformly distributed! Weibel E.R. 1984

45 The peripheral (small) airways are a silent zone for spirometry Urgent need for sensitive and patient friendly methods that can be utilized in all age groups for - early diagnosis of airway disease - improved management - more efficient assessment of new therapies

46 Hyperpolariserat He 3 för att bedöma ventilationsfördelning och acinus struktur Professor Jim Wild, Sheffield, UK, visar hur 3 He-imaging går till

47 Ventilation distribution heterogeneity in asthma some, but weak relationship to FEV 1

48

49 Definition of small airways Conducting Peripheral, small airways <2mm mm 0.5 mm airways Intra-acinar airways

50 Inert gas washout tests measure ventilation distribution efficiency Single-breath N 2 concentration following 100% O 2 inspiration Pathological Normal

51 Inert gas washout tests measure ventilation distribution efficiency, giving indices reflecting Single-breath N 2 concentration following 100% O 2 inspiration - global ventilation inhomogeneity Pathological - inhomogeneity among lung units Normal - inhomogeneity close to or within the gas exchange zone

52 Two types of inert gas washout tests Multiple breath washout (MBW) Unrestricted tidal breathing Ideal for infants, toddlers and pre-school children Single breath washout (SBW) VC SBW or FRC + V T SBW Require co-operation > school age children Single-breath N 2 concentration following 100% O 2 inspiration Pathological Normal

53 What is a multiple breath inert gas washout (MBW) test? An open circuit (minimal rebreathing) test in which the clearance e rate of an inert marker gas is measured It requires a flow meter, a gas analyzer, a gas administration system, s a computer and an inert marker gas Inert gas properties: non-toxic, not participate in gas exchange, low solubility in blood and other tissues Resident (N 2, Ar) or non-resident (SF 6, He, CH 4 )

54 A generic MBW system Supply of Wash-in and Wash-out gas Data acquisition system and analysis software Flow meter Pneumotachograph / USFM Fast responding inert gas analyzer Mask or mouthpiece - Respiratory Mass spectrometers: SF 6, He - Photoacoustic analyzer: SF 6 (CH 4 ) Patient - Ultrasound detector (Molar mass): SF 6, He, N 2 - N 2 analyzer (emissions spectrophotometer) - Indirect N 2 method (via O 2 and CO 2 sensors)

55 Multiple Breath Washout (MBW) using an exogenous inert gas (e g SF 6 ) Inert Gas Supply Wash-in Phase SF 6 concentration Flow meter Gas analyzer Time

56 Multiple Breath Washout (MBW) using an exogenous inert gas (e g SF 6 ) Inert Gas Supply Wash-out Phase SF 6 concentration Disconnection during expiration Flow Analyzer Gas analyzer Time

57 Gas supply MBW Washin phase 4% SF 6 Pneumotach Capillary to mass spectrometer

58 MBW Washout phase SF 6 Pneumotach SF 6 Capillary to mass spectrometer

59 MBW SF 6 washin / washout in a 3-year old girl watching a video Mouthpiece and nose clip Face mask

60 N 2 washout using 100% O 2 (Exhalyzer D, EcoMedics)

61 Gustafsson et al, J Appl Physiol, August 1, 2016

62 Multiple Breath N 2 Washout 100% O 2 Room or medical air Wash-out Phase N 2 concentration Switch into 100% O 2 during expiration Flow Analyzer Gas analyzer Time

63 Tidal N 2 multiple breath washout (MBW) from a 15-year girl with cystic fibrosis (CF). Volym (L) N 2 % N 2 % # 1 # 23 N 2 (%) 40 Vol Vol Tid (s)

64 LCI, ett mått på global ventilationsojämnhet Lung clearance index (LCI) Cumulative expired volume / FRC, i.e. the number of lung volume turnovers required to reduce end-tidal markers gas concentration to 1/40 th of starting value

65 Lung Clearance Index vs age in healthy controls and children with CF. ICH, London, LCI Closed = CF Open = Healthy Age [years]

66 LCI by N 2 MBW in a reference population of 510 subjects Paediatric and Adult Reference Equations for Nitrogen Multiple Breath Washout (N 2 MBW) Houltz BK & Gustafsson P, ERS 2011

67 Gustafsson P et al

68 New analytical approaches the Paiva Engel lung models MBW Sn III analysis S cond, S acin Paiva M, Engel LA. Gas mixing in the lung periphery. In: Chang HK, H Paiva M, editors. Respiratory physiology: an analytical approach. New York: Marcel Dekker; pp Crawford AB, Makowska M, Paiva M, Engel LA. Convection-and diffusion dependent dependent ventilation maldistribution in normal subject. J Appl Physiol 1985;59:

69

70

71

72

73 Sn III analysis: Typical Finger prints of different diseases S cond increased S cond normal Obliterative Bronchiolitis / COPD 3-43 CF Sn III [L -1 ] 1.00 S acin increased S cond increased Asthmatic child 0.50 S acin normal S acin increased Healthy control Breath Number

74 10-yr old boy with severe EIB, allergy to furred pets. SABA prn. FENO ppb S cond

75 49-year old woman with exercise dyspneam and 21 pack-years S acin

76 Respiration 2009;78(3):

77

78 Summary MBW is a feasible test in all age groups Provides unique information on airway function, particularly the small airways Commercial equipment is available International standards / guidelines have been published Modern normative N 2 MBW values are available Sn III parameters offer mechanistic insight and potential for monitoring airway remodelling

79 To incorporate into the clinic setting Affordable MBW devices Normative N 2 MBW values for pre-schoolers Demonstration of therapeutic benefit in different conditions Proper staff training required Adherence to quality control recommendations

80 Extra bilder

81 Realistic in vitro lung model Bacterial filter Inner tank Outer tank MBW System FRC Lung Breathing Singer F, Houltz B, Latzin P, Robinson PD, Gustafsson PM. A realistic validation study of a new nitrogen multiple-breath washout system. PLoS ONE 2012: 7(4): e Brunner JX et al. J Appl Physiol

82 Realistic in vitro lung model MBW System Bacterial filter FRC CV%t < 0.1% Inner tank Physiological conditions T = 36 (±1) C, RH = 98 FRC(±1)%, ±CO2 Outer tank Lung Breathing Singer F, Houltz B, Latzin P, Robinson PD, Gustafsson PM. A realistic validation study of a new nitrogen multiple-breath washout system. PLoS ONE 2012: 7(4): e Brunner JX et al. J Appl Physiol

83 Realistic in vitro lung model 83

84 Innocor Pneumotachometer (Hans Rudolph) AMIS 2000 Exhalyzer D 84

85 In-vitro comparison AMIS 2000 Innocor Exhalyzer D n (MBW) 126 (SF6/He) 63 (SF6) 126 (N2) Within 5% Model FRC* 98% 86% 98% CV % 0.6 ( ) 1.1 ( ) 1.0 (0-2.9) Error % 2.1 ( ) 2.3 ( ) 1.9 (0-6.5) *Frey U et al. Specifications for infant pulmonary function testing. Eur Respir J Florian Singer, et al 85

86 SF 6 washin / washout and N 2 washout / washin using Exhalyzer D Gustafsson et al, J Appl Physiol, August 1, 2016

87 Gustafsson et al, J Appl Physiol, August 1, 2016

88 Gustafsson et al, J Appl Physiol, August November 1, 2016