Możliwość oceny czynności układu oddechowego jest ważnym elementem rozpoznania i monitorowania leczenia chorób tego układu u dzieci. Ponadto, u dzieci pomiary różnych parametrów czynnościowych oddychania pozwalają na bardziej szczegółowy wgląd w procesy wzrastania i rozwoju układu oddechowego, a także w jego anatomię, patologię i patofizjologię (1).

Prawidłowo przebiegający proces oddychania odbywa się dzięki wzajemnej, należycie skoordynowanej, czynności ośrodka oddechowego, mięśni oddechowych, dróg oddechowych i samych płuc. Na proces ten składają się trzy elementy:

1. wentylacja czyli wymiana powietrza w drogach oddechowych i pęcherzykach płucnych

2. dyfuzja czyli właściwa wymiana gazowa

3. perfuzja czyli obmywanie pęcherzyków płucnych przez krew oddającą dwutlenek węgla i pobierającą tlen

Badania czynnościowe układu oddechowego w przeważającej swej części dotyczą wentylacji, a tylko nieliczne pozostałych elementów oddychania czyli perfuzji czy dyfuzji.

Badania te są nieinwazyjne, tanie i na równi z obrazowymi, należą do podstawowego zestawu badań wykonywanych u wszystkich osób zgłaszających się do pulmonologa lub do pediatry, jeżeli dolegliwości sugerują problem pulmonologiczny. Objawy, których wystąpienie winno skłaniać pediatrę do skierowania dziecka na badania czynnościowe układu oddechowego (BCUO) zamieszczono w tabeli 1.

BCUO są wykonywane najczęściej u dzieci z chorobami układu oddechowego zarówno w procesie diagnostycznym, ale również w przypadku chorób przewlekłych, w celu monitorowania przebiegu choroby i oceny skuteczności leczenia. Należy jednak podkreślić, że istnieje szereg przewlekłych chorób pozapłucnych, w toku których następuje stopniowe upośledzenie czynności wentylacyjnej na skutek rozwijającej się bądź obturacji dróg oddechowych lub też postępującego procesu włóknienia miąższu płucnego prowadzącego do zaburzeń restrykcyjnych. W tabeli 2 wymieniono choroby, w toku których należy wykonać BCUO.

Przeciwwskazania do BCUO są bardzo nieliczne i obejmują:

1. ból w klatce piersiowej lub w jamie brzusznej

2. brak możliwości współpracy ze strony badanego

3. odma opłucnowa

4. rozpoznany tętniak

5. ograniczenie ruchomości klatki piersiowej

6. uporczywy kaszel

Wśród bardzo ogólnej kategorii BCUO należy wyróżnić badania wykonywane najczęściej i rutynowo – czyli badanie spirometryczne z różnymi modyfikacjami (jak próby rozkurczowe lub prowokacyjne) od badań o charakterze bardziej specjalistycznym, jak badanie pletyzmograficzne i wreszcie badania wykonywane jedynie w niektórych ośrodkach, z bardzo określonych wskazań, jak badanie podatności płuc czy zdolności dyfuzyjnej płuc.

Jest badaniem pozwalającym na ocenę sprawności wentylacyjnej i polega na pomiarze objętości i pojemności płuc oraz wielkości przepływu powietrza w drogach oddechowych. Rycina 1 ilustruje statyczną krzywą spirometryczną, czyli uzyskaną podczas spokojnego oddychania. Obejmuje ona następujących objętości i pojemności:

TV (tidal volume) – objętość oddechowa – objętość powietrza wdychanego (lub wydychanego) podczas spokojnego pojedynczego oddechu,

IRV (inspiratory reserve volume) – wdechowa objętość zapasowa – największa objętość powietrza, która może być wdychana do płuc po zakończeniu spokojnego wdechu,

ERV (expiratory reserve volume) – wydechowa objętość zapasowa – największa objętość powietrza, która może być wydmuchana z płuc po zakończeniu spokojnego wydechu,

VC (vital capacity) – pojemność życiowa – największa zmiana pojemności płuc mierzona pomiędzy maksymalnym wydechem a maksymalnym wdechem (VC = TV + IRV + ERV)

IC (inspiratory capacity) – pojemność wdechowa – największa objętość powietrza, która może być wciągnięta do płuc po zakończeniu spokojnego wydechu (IC = TV + IRV)

Dalsza część badania spirometrycznego polega na wykonywaniu maksymalnie głębokiego wdechu i następującego po nim maksymalnie natężonego głębokiego wydechu. Ta część badania spirometrycznego bywa określana jako spirometria dynamiczna, której schemat przedstawiono na rycinie 2.

Wykres natężonego (forsownego) wydechu może być przedstawiony graficznie dwojako: albo wobec podstawy czasu – jako zależność objętość-czas (rycina 2a); oznacza się wówczas wielkość FVC (natężona pojemność życiowa) i FEV₁ (natężona pojemność wydechowa pierwszosekundowa), albo jako zależność przepływu od objętości (krzywa przepływ-objętość) (rycina 2b). W przypadku takiego przedstawienia natężonego wydechu uzyskuje się wartość PEF (szczytowy przepływ wydechowy) i wartości MEF₇₅, MEF₅₀ i MEF₂₅ (maksymalne przepływy wydechowe odpowiednio w punktach 75%, 50% i 25% FVC).

Uzyskane podczas badania wartości VC, FVC i FEV₁, odnosi się wzajemnie do siebie, jak FEV₁ wobec VC lub FVC (wskaźnik Tiffeneau – FEV₁%VC lub pseudo-Tiffeneau – FEV₁%FVC). W warunkach fizjologicznych u dzieci i młodzieży do 18 roku życia wskaźniki te powinny wynosić co najmniej 75%. Wartości niższe upoważniają do rozpoznania zaburzeń wentylacji o cechach obturacji. Ponadto zmierzone wartości porównuje się z wartościami należnymi opracowywanymi w zdrowej populacji. Wartość VC (lub FVC) powinna wynosić przynajmniej 80% wartości należnej i jeżeli jest niższa może sugerować istnienie zaburzeń wentylacji o typie restrykcyjnym.

Upośledzenie drożności oskrzeli powoduje utrudnienie wydychania powietrza i ten mechanizm "wentylowy” prowadzi do zalegania powietrza w płucach i do ich rozdęcia (2).

W stanach bardziej zaawansowanego dynamicznego rozdęcia płuc dochodzi do obniżenia pojemności życiowej (VC lub FVC), co w tych przypadkach nie oznacza zaburzeń typu restrykcyjnego. Dlatego też w myśl wytycznych Polskiego Towarzystwa Chorób Płuc (3) i Europejskiego Towarzystwa Oddechowego – ERS (4) samo badanie spirometryczne umożliwia rozpoznanie obturacyjnych zaburzeń wentylacji, nie pozwala jednak na rozpoznanie zaburzeń restrykcyjnych. Różnicowaniu mechanizmów zmniejszenia objętości płuc, a także wczesnemu wykrywaniu zalegania powietrza w płucach służy pletyzmografia całego ciała. Jest to metoda badania przydatna również do wykrywania obturacji dróg oddechowych i mechanizmów jej powstawania (5).

Jest badaniem nieinwazyjnym wymagającym jednak pewnej współpracy i zrozumienia ze strony badanego. Badanie umożliwia pomiar oporu dróg oddechowych (Raw) i pojemności gazu zawartego w klatce piersiowej (TGV) inaczej zwanej czynnościową pojemnością zalegającą (FRC). Badanie odbywa się w szczelnej kabinie, w której osoba badana oddycha spokojnie przez ustnik do aparatu (ryc. 3).

Rejestrowane są wówczas wielkość przepływu powietrza przez drogi oddechowe (V´) i zmiany ciśnienia w kabinie odpowiadające ruchom oddechowym klatki piersiowej i brzucha (P_B) (ryc. 4 – wykres A).

Zmiany ciśnienia w kabinie powodowane ruchami oddechowymi odpowiadają zmianom ciśnienia w pęcherzykach płucnych (P_alv). Zatem podczas oddychania w kabinie pletyzmografu mierzony jest przepływ powietrza przez drogi oddechowe i pośrednio ciśnienie pęcherzykowe, na podstawie tych wartości obliczany jest opór dróg oddechowych:

Raw = P_alv [kPa]/V´ [Lxs^-1]

Następnie, podczas krótkotrwałego zamknięcia przepływomierza na końcu spokojnego wydechu, kiedy mimo to wykonywane są ruchy oddechowe, powstaje kolejno kompresja i dekompresja gazu wewnątrz klatki piersiowej z jednoczesnymi zmianami ciśnienia w kabinie, rejestrowane jest zmieniające się ciśnienie w jamie ustnej (P_m) wobec zmian ciśnienia w kabinie (P_B) (ryc. 4 – wykres B).

Na podstawie zmierzonych wartości P_m, które odpowiadają ciśnieniu gazu w klatce piersiowej i wartościom ciśnienia w kabinie (P_B), wykorzystując prawo Boyle´a-Mariotta, obliczana jest wielkość całej pojemności klatki piersiowej na poziomie spokojnego wydechu, czyli także niewentylowanych części płuc oraz przestrzeni gazu zawartego w żołądku – pojemność tę określa się jako TGV (thoracic gas volume – pojemność gazu zawartego w klatce piersiowej lub FRC – functional residual volume – czynnościowej pojemności zalegającej) (ryc. 1).

Zmierzenie TGV pozwala następnie obliczyć wielkość całkowitej pojemności płuc (TLC) i na tej podstawie, gdy wartość ta jest obniżona, można rozpoznawać restrykcyjne zaburzenie wentylacji. Tak więc pletyzmografia jest badaniem, które jednocześnie pozwala na wnikliwe określenie mechanizmów obturacji drzewa oskrzelowego i daje możliwość jednoznacznego potwierdzenia lub wykluczenia restrykcyjnego zaburzenia wentylacji.

Istnienie naturalnej zmienności obturacji dróg oddechowych świadczącej o zwiększonej wrażliwości na bodźce zewnętrzne powodujące ostre napady skurczu oskrzeli, może być rozpoznawana za pomocą powtarzanych BCUO. Nadreaktywność oskrzeli, lub bardziej ogólnie, dróg oddechowych, oznacza nadmierną reakcję i wzmożoną wrażliwość na bodziec skurczowy (6). Powoduje to, że wykres zależności reakcji od dawki bodźca skurczowego, jest bardziej stromy (nadmierna reakcja) i przesunięty w lewo (wzmożona wrażliwość) (ryc. 5).

Nadreaktywność oskrzeli towarzyszy ostrym i przewlekłym chorobom układu oddechowego przebiegającym w postaci stanu zapalnego, a więc przede wszystkim astmie, przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc (POChP), zakażeniom dróg oddechowych (wirusowym i bakteryjnym), mukowiscydozie, sarkoidoza (7, 8). Celem potwierdzenia istnienia nadreaktywności oskrzeli należy wykonać nieswoistą próbę prowokacji oskrzelowej.

Wskazaniem do jej wykonania są:

– kliniczne objawy astmy bez uchwytnych dowodów zmienności obturacji (9, 10)

– ocena skuteczności leczenia

– diagnostyka kaszlu

Wykonywanie prób prowokacji oskrzelowych jest ograniczone przeciwwskazaniami bezwzględnymi i względnymi (11) (tab. 3).

Przygotowanie badanego do próby prowokacyjnej obejmuje odstawienie doustnych lub wziewnych lekow rozszerzających oskrzela:

β₂-mimetyki, ipratropium, teofilina 12 godzin przed badaniem

leki antyhistaminowe 4 dni przed badaniem

kromony i glikokortykosteroidy nie wymagają odstawienia

Na co najmniej 2 godziny przed badaniem nie należy palić tytoniu. Należy również pamiętać, że wprawdzie odstawienie kromonów ani sterydów wziewnych przed próbą prowokacyjną nie jest konieczne, to jednak leki te poprzez długotrwały mechanizm przeciwzapalny mogą wywierać wpływ na wynik próby (12, 13).

Z uwagi na ryzyko wystąpienia masywnego skurczu oskrzeli podczas próby prowokacyjnej, należy zachowywać podczas jej wykonywania podstawowe środki ostrożności (11):

– próba powinna być wykonywana w obecności doświadczonego lekarza przez odpowiednio wyszkolony personel

– w pracowni badań czynnościowych, gdzie wykonuje się próby dostępny jest tlen i szybko działające b₂-mimetyki

– badany wie, że należy przerwać próbę w razie wystąpienia niepokojących objawów

– badany może opuści pracownię po zakończeniu próby, gdy FEV₁ osiągnie wartość, co najmniej 90% wartości wyjściowej (sprzed próby)

Nieswoiste próby prowokacyjne wykonuje się przy zastosowaniu rożnorodnych wziewnych środków kurczących:

– roztwory histaminy lub metacholiny (działają bezpośrednio na receptory mięśni gładkich oskrzeli) (11),

– nieizotoniczne roztwory soli, woda destylowana, zimne i suche powietrze, wysiłek fizyczny (działają pośrednio na mięśnie gładkie oskrzeli), w obrębie błony śluzowej oskrzeli następuje uwolnienie mediatorów odpowiedzialnych za skurcz oskrzeli (14),

Reakcję skurczową oskrzeli w toku próby prowokacyjnej można mierzyć przy pomocy różnych parametrów, z których każdy ma swoją wartość graniczną (11):

– Δ FEV₁ – 20% wartości wyjściowej

– Δ PEF, MEF – 25% wartości wyjściowej

– Δ Raw + 100% wartości wyjściowej

Próba prowokacji oskrzelowej obejmuje początkowy pomiar spirometryczny, następnym etapem jest inhalacja rozpuszczalnika – najczęściej zbuforowanego roztworu soli kuchennej i kolejny pomiar wybranego parametru (np. FEV₁) w 30 i 90 sekund po zakończeniu inhalacji. Po 5 minutowej przerwie następują inhalacje wzrastających dawek (stężeń) wybranego czynnika i po każdej inhalacji pomiar wybranego parametru. Zakończenie próby następuje wówczas, gdy zmiana wskaźnika jest większa lub co najmniej równa wartościom granicznym lub, gdy zostanie zainhalowana najwyższa dawka wybranego czynnika, która u osób zdrowych nie powoduje reakcji. Wielkość reakcji oskrzeli w toku próby prowokacyjnej oblicza się jako procent zmiany wybranego parametru wobec wartości wyjściowej lub wobec najniższej wartości po rozpuszczalniku. Jest zatem ona tym większa, im wyższy jest procent zmiany badanego parametru.

W przypadku stwierdzenia w badaniu spirometrycznym istnienia obturacji oskrzeli często wykonuje się próbę odwracalności skurczu (rozkurczową) przy zastosowaniu wziewnego krótko działającego b₂-mimetyku. Postępuje się zatem analogicznie jak w toku prób prowokacyjnych, z tym jednak, że zamiast stosowania bodźców skurczowych, stosuje się środek rozszerzający oskrzela. Praktycznie więc, po wykonaniu wstępnego badania spirometrycznego podaje się w inhalacji salbutamol (400 mg) lub fenoterol (200 mg) i po 15 minutach wykonuje się powtórne badanie spirometryczne. Próbę uznaje się za dodatnią, gdy przyrost FEV₁ wynosi co najmniej 12% w stosunku do wartości należnej i jednocześnie co najmniej 200 mL (3).

Aktywność mięśni oddechowych podczas cyklu oddechowego jest przetwarzana za pośrednictwem jamy opłucnowej na zmiany objętości, ciśnienia i przepływu w płucach oraz w drogach oddechowych (15). Dzięki włóknom sprężystym w miąższu płuc mają one stałą tendencję do zapadania się, czemu skutecznie przeciwdziała ściana klatki piersiowej mająca stałą tendencję do rozprężania się. Te przeciwstawnie działające siły powodują, iż fizjologicznie w jamie opłucnowej panuje ciśnienie niższe od atmosferycznego. Celem określenia właściwości mechanicznych płuc zależnych od ilości i jakości elementów sprężystych w nich zawartych mierzy się zależność zmiany objętości płuc (DV) w odpowiedzi na zmianę ciśnienia opłucnowego. Z uwagi na brak możliwości nieinwazyjnego bezpośredniego pomiaru ciśnienia w opłucnej, mierzy się ciśnienie w dolnej części przełyku, które podczas cyklu oddechowego przybiera wartości analogiczne do ciśnienia w opłucnej. Jest to zatem stosunek zmiany objętości płuc do powodującej ją zmiany ciśnienia w przełyku (16):

ΔV/ΔP = C (podatność płuc)

Przygotowanie do pomiaru podatności płuc polega więc na wprowadzeniu przez nos do przełyku cienkiego cewnika zakończonego lateksowym balonikiem wypełnionym 0,5 – 1,0 mL powietrza. Drugi koniec cewnika połączony jest z manometrem. Pomiar polega na rejestracji ciśnienia w przełyku podczas maksymalnie głębokiego wdechu, a następnie na jednoczesnej rejestracji zmian ciśnienia przełykowego podczas powolnego głębokiego wydechu i wdechu.

Im mniejsza zmiana objętości towarzyszy zmianie ciśnienia, tym mniejsza jest podatność płuc. Oznacza to, że płuca są mniej "rozciągliwe” i stan taki może oznaczać różnego pochodzenia włóknienie płuc. Sytuacja przeciwna, gdy płuca charakteryzują się podwyższoną podatnością, są wobec tego łatwo "rozciągliwe”, występuje w rozedmie wobec utraty części elementów sprężystych.

Sprawność wymiany gazowej w płucach zależy od prawidłowej wentylacji i od wielkości dyfuzji gazów przez błonę pęcherzykowo-włośniczkową. Dyfuzja odbywa się zgodnie z gradientem ciśnień parcjalnych, a jej wielkość zależy od czynników fizycznych, jak różnica ciśnień między krwią włośniczkową a powietrzem pęcherzykowym, rozpuszczalność gazów w osoczu i czas trwania procesu. Dyfuzja zależy również od czynników biologicznych, jak przepuszczalność błony pęcherzykowo-włośniczkowej, wielkość powierzchni wymiany, ilość hemoglobiny czy stan krążenia płucnego. Miarą sprawności tego procesu jest pojemność dyfuzyjna płuc, przez którą rozumie się stosunek objętości dyfundującego tlenu w jednostce czasu do gradientu jego prężności po obu stronach błony pęcherzykowo-włośniczkowej:

D_L = V/ΔP

gdzie: V – objętość gazu, a ΔP – różnica ciśnień gazu po obu stronach błony

Praktycznie trudne jest określenie gradientu prężności tlenu między gazem pęcherzykowym a krwią włośniczkową i dlatego do pomiaru pojemności dyfuzyjnej używa się tlenku węgla. Stężenie tlenku węgla stosowane do pomiaru pojemności dyfuzyjnej jest tak niskie, że ilość powstałej karboksyhemoglobiny jest nieistotna dla badanego z toksykologicznego punktu widzenia.

Zmniejszenie pojemności dyfuzyjnej płuc następuje w stanach, gdy zmniejsza się powierzchnia wymiany gazowej, jest to badanie czułe – wcześnie można stwierdzić zmiany, lecz nieswoiste – wiele chorób może powodować zmniejszenie dyfuzji (17).