LA ESPIROMETRÍA COMO HERRAMIENTA DE DIAGNÓSTICO N. Toledo, J. De la Peña, H. Yur, M. García y F. Rodríguez Instituto Central de Investigación Digital (ICID) y Hospital "Calixto García" Ing. M.Sc. Natividad Toledo Amador, Inv. Agregado del Instituto Central de Investigación Digital. Calle 202 No. 1702, Siboney, 11600 Habana, CUBA. Tel. (537) 219731, FAX (537) 336387 E-mail: [email protected]

RESUMEN Este trabajo trata los aspectos relacionados con la Espirometría, sus generalidades, aplicaciones e importancia como herramienta clínica utilizada ampliamente en la evaluación del estado funcional del sistema respiratorio. Se abordan asimismo los requerimientos de la American Thoracic Society (ATS) para el diseño de espirómetros y se tratan los aspectos relacionados con el desarrollo de un espirómetro computadorizado de flujo desarrollado por los autores y sus características técnicas, brindando una tabla de comparación con espirómetros Palabras claves: Espirometría, neumotacógrafo SPIROMETRY AS A DIAGNOSTIC TOOL ABSTRACT: This paper describes the main issues related to Spirometry, their generalities, applications and importance as a Clinical tool commonly utilized for the evaluation of the functional status of the Respiratory System. The design requirements for Spirometers as stated by the ATS are commented and the main issues concerning the development of the ESPIGRAF flow Spirometer are described. Technical characteristics and a comparison with state-of-the-art Spirometers are included.

Key words: Spirometry, pneumotachometer.

1. INTRODUCCIÓN La Espirometría se ha impuesto como una útil herramienta clínica aplicada ampliamente en la evaluación del estado funcional del sistema respiratorio. Las indicaciones de la Espirometría pueden ser de tipo diagnóstico; de monitoreo, para evaluar grados de incapacidad o de trastorno y también para propósitos de salud pública tales como estudios epidemiológicos y la obtención de valores normales o de referencia [1-2]. Los resultados de las pruebas espirométricas se utilizan para tomar decisiones en pacientes y pueden tener un efecto importante sobre el estilo y normas de vida así como en el futuro tratamiento de una persona [3]. El estudio de la función pulmonar permite evaluar las capacidades ventilatorias en el pulmón e identificar la presencia de trastornos ventilatorios tanto de tipo obstructivos como restrictivos o la presencia de ambos (mixtos) en un individuo, con lo cual se pueden lograr diagnósticos más fiables y precisos [4, 5]. Un espirómetro es un equipo o dispositivo que mide el volumen y flujo de aire que entra y sale de los pulmones durante la ventilación, permite obtener el trazado o registro volumen-tiempo y el de flujovolumen de la respiración [2]. El estudio de la función pulmonar basado en la Espirometría también es denominado Prueba Funcional Ventilatoria (PFV).

1.1 Generalidades de la Espirometría La Espirometría es la medición del volumen y flujo de aire que entra y sale de los pulmones durante el proceso ventilatorio (inspiración y espiración). Permite evaluar la capacidad de los pulmones para oxigenar eficientemente la sangre, lo cual ayuda a determinar la presencia de distintas enfermedades respiratorias, así como diferenciar entre las anomalías respiratorias su posible origen (pulmonar, cardíaco, neurológico u otro) [1, 2]. Para realizar el diagnóstico espirométrico es necesario disponer de valores de referencia, conocidos como valores predichos o normales, que se obtienen de evaluar fórmulas de regresión desarrolladas a partir de muestras de la población que se estudia. Estos datos se comparan con los resultados de la prueba espirométrica y de ahí surgen los criterios de normalidad para interpretar los resultados y emitir el diagnóstico [6].

21

La manipulación de la información resultante de la Espirometría requiere de un personal especializado, consume tiempo y está sujeta a errores sistemáticos y de interpretación. Por estas razones la mayoría de los espirómetros actuales incorporan programas para realizar el cálculo de los valores, realizar la interpretación y emitir el diagnóstico.

1.2 Importancia de la Espirometría

La prevalencia de enfermedades respiratorias en el mundo esta por encima del 10 % de la población mundial [7]. En Cuba, por ejemplo, el asma bronquial constituye un problema de salud con una prevalencia de 8,2 % de la población en todos los grupos etáreos [8], por lo que se ha propuesto aumentar el personal médico, que atiende al paciente asmático, con los conocimientos necesarios para utilizar de forma eficaz la valiosa información que brinda la Espirometría.

1.3 Parámetros espirométricos Los resultados de la Espirometría practicada a un sujeto se expresan a través de parámetros espirométricos, que son valores numéricos correspondientes con el flujo y volumen derivados del espirograma, que registra la función ventilatoria del sujeto sometido a estudio durante una maniobra dirigida por un especialista [2]. Los parámetros espirométricos fundamentales son:

• • • • • •

Capacidad Vital (CV), Capacidad Vital Forzada (CVF), Volumen Espiratorio Forzado en 1 segundo (VEF1), Flujo Espiratorio Forzado medio durante la mitad central de la Capacidad Vital Forzada (FEF25-75), Indice de Tiffenau (VEF1%), que es la relación entre VEF1 y la CVF y

Figura 1.

Representación de los parámetros VEF y FEF25-75

segundo

0

Volumen, [L]

El uso de las P.F.V. como elemento objetivo para la valoración cuantitativa del estado real de la ventilación pulmonar, constituye ya una necesidad en la evaluación del paciente asmático, así como para otras patologías en la que la función pulmonar puede afectarse.

1

VEF

2

1

VEF

3

2

VEF

3

CVF

Tiempo, [s]

Figura 2. Representación de los parámetros CVF y VEF

Se utilizan también con fines de diagnóstico el Volumen residual (VR), la Capacidad Inspiratoria (CI) y el Flujo espiratorio forzado en relación con alguna porción de la curva del espirograma, así como otros parámetros inspiratorios [1, 2, 8]. En las figuras 1 y 2 se puede apreciar la representación de los parámetros.

1.4 Aplicaciones prácticas de la Espirometría Los espirómetros actuales se basan en las técnicas de la computación electrónica y son ampliamente utilizados como medio de diagnóstico en la mayoría de los hospitales modernos [9]. Las tecnologías modernas hacen posible el uso de este equipamiento en consultas de clínicas privadas, fuera de hospitales, así como en las oficinas personales de especialistas en función pulmonar [2].

Flujo Pico Espiratorio Forzado (PEF).

22

En Cuba, la Espirometría se extiende a policlínicas, sanatorios y centros de trabajo que, por las características de su especialización, así lo requieran, donde por lo general no existen especialistas en función pulmonar por lo que deja de ser un medio de diagnóstico exclusivo de instituciones hospitalarias [8]. Como principales criterios de diagnóstico en Espirometría se presentan a continuación los de normalidad, la obtención de predichos, la interpretación y el diagnóstico. •

Algunos autores han señalado que cada país y sobre todo, aquellos con gran extensión territorial y diferentes condiciones sociales y geográficas, debe elaborar sus propias fórmulas de regresión, lo cual permite evaluar con mayor precisión el resultado de la función pulmonar y realizar una mejor valoración del paciente [1, 2]. •

Se conocen tres formas para definir el límite inferior de lo normal: [8]

Criterio de normalidad a)

Para determinar y ofrecer un diagnóstico espirométrico, deben evaluarse y compararse: [1, 2] a)

los parámetros espirométricos obtenidos como resultado de la P.F.V. y b) los parámetros espirométricos predichos o normales, calculados en base a un estudio de una muestra poblacional "supuestamente sana", mediante ecuaciones de regresión. Para determinar si una prueba espirométrica es normal, se procede a dividir el valor del parámetro obtenido entre un cierto valor predicho y el valor resultante se expresa en porciento. El resultado de la comparación es un valor porcentual para cada parámetro espirométrico y si el valor está por debajo del límite inferior que se ha adoptado como normal se considera patológico mientras que si no lo está se considera normal [1, 2]. •

Límite inferior de la normalidad

Obtención de predichos

Existen en la literatura médica innumerables propuestas de ecuaciones de regresión, según los diferentes autores y países, para predecir los valores normales y son variados los criterios que adopta cada laboratorio para definir cuál tabla de valores normales o fórmulas de regresión se van a adoptar. En general estas ecuaciones de regresión se basan en la edad, talla y sexo de cada persona, pues la función pulmonar difiere fundamentalmente basándose en estas tres variables, aunque se pueden considerar también como variables la raza y las condiciones de salud poblacional, tanto la pasada como la presente [3, 6].

el porciento del predicho,

b) las proporciones de la capacidad vital forzada (CVF) y el volumen espiratorio forzado (VEF) en el primer segundo y c) el cálculo del 5to percentil. En Cuba, para seleccionar el límite inferior de la normalidad, se calcula el 5to percentil, tomando como base una distribución gaussiana y el error estimado estándar como aceptable, obteniéndose un valor variable para las diferentes gamas de edades y no asumiendo un valor idéntico para los mismos [8]. •

Interpretación de la P.F.V.

Si el resultado de una prueba espirométrica no arroja un valor normal, se diagnostica que el paciente sufre de un trastorno ventilatorio y se considera patológica [2, 8]. Existen dos patrones básicos de anormalidades espirométricas: [2, 8]. a) el obstructivo y b) el restrictivo. Los ejemplos típicos de los patrones obstructivo y restrictivo son interpretados y reconocidos de forma fácil. En un espirograma se puede demostrar un predominio obstructivo o restrictivo y es posible, además, valorar la adecuada cooperación del paciente y, por tanto, la validez de la maniobra realizada. En ocasiones, en la práctica clínica, se presenta un patrón mixto con presencia de ambas anormalidades espirométricas [2, 8].

23

•

Programas de diagnóstico espirométrico

Los programas de diagnóstico espirométrico son utilizados mundialmente en Clínica desde 1955, donde por primera vez se automatizó la salida de un registro de volumen con una computadora. Un espirómetro con salida automatizada y diagnóstico incorporado, fue diseñado por Stead y Wells de Minneapolis [8], dando lugar al más popular de los espirómetros en muchos años: el de sello de agua Stead-Wells, el cual ha pasado a la historia, como el “patrón de oro” [1, 9]. En los primeros tiempos hubo cierto rechazo para acoplar equipos de cómputo a los espirómetros, ya que se entendía que era una técnica muy costosa. En la actualidad no se concibe un espirómetro si no tiene una salida automatizada de sus registros y en su mayoría cuentan con programas de diagnóstico [1]. Los programas de diagnóstico se han perfeccionado, siendo de gran ayuda a los especialistas, y se suministran programas independientes a los cuales se les introducen valores espirométricos hallados en cualquier espirómetro.

1.5 Tipos de espirómetros Los espirómetros, de acuerdo a la variable primaria que miden, se clasifican en: [8, 9] a)

Espirómetros de volumen, que miden el volumen (V) y obtienen el flujo (F) por diferenciación, entre los que se encuentran los de "sello de agua", de "fuelle" y de "sello móvil", b) Espirómetros de flujo, que miden el flujo y obtienen el volumen por integración, entre los que se encuentran los basados en neumotacógrafos (tipo Fleisch, de pantalla, de orificio, de alambre caliente, de turbina, etc.). Las relaciones volumen-flujo y flujovolumen están dadas por las expresiones (1):

A partir de información técnica publicada [10], se realizó un estudio de fabricantes que producen espirómetros en el mundo, como resultado de lo cual; se arribó a conclusiones definitorias de la tendencia actual de desarrollo de los mismos, de la técnica electrónica utilizada y cuáles son los más difundidos. Como resultado del estudio se arribó a las siguientes conclusiones: Ø De un total de 104 espirómetros analizados, disponibles en el mercado, 75 corresponden a los que miden el flujo como señal primaria para un 72,2 % y 29 a los que miden el volumen como señal primaria para un 27,8 %, por lo que hay prevalencia actual de desarrollo de los espirómetros de flujo, por su precisión, exactitud y portabilidad.

1.6 Requerimientos Generales para el diseño de Espirómetros Para obtener resultados exactos en Espirometría, se requiere entre otros aspectos de espirómetros precisos y exactos, para lo cual la American Thoracic Society (ATS) y la American Association of Respiratory Care (AARC) [1, 3], han establecido normas y recomendaciones para el diseño de espirómetros, las cuales son aplicables tanto a los utilizados con fines clínicos como con propósito de estudios epidemiológicos. Algunas de las recomendaciones se refieren a:

•

•

La resolución (mínimo flujo y volumen detectable) y la linealidad que requiere el sistema completo, que comienza con el dispositivo de entrada de flujo o volumen (tabla I) y termina en el registrador o elemento de visualización de las gráficas del espirograma, las cuales tienen recomendaciones especiales (tabla II). La gama de valores usuales para el flujo y el volumen, así como el tiempo de realización de las maniobras espirométricas (tabla I).

t=5

V= ∫Fdt t=1

•

F=

dV (1) dt

Espirómetros existentes en el mercado mundial

24

Tabla I Recomendaciones mínimas para las mediciones de flujo y volumen, según la ATS TIPO DE PRUEBA

GAMA /PRECISIÓN

GAMA DE FLUJO (L/S)

CV FVC FEV 1 FEF 25-75

Desde 0,5 hasta 8 L con precisión de 0,050 L

De 0 a 14 L/s

Desde 0 hasta 12 L/s con una precisión de 0,2 L/s

De 0 a 14 L/s

Tabla II Recomendaciones para la visualización o reproducción del espirograma Tipo de gráfica

Eje de volumen Volumen/Tiempo 5mm-1 L

Eje de flujo -

Flujo/Volumen

Razón de 2:1 2L/s flujo=1L volumen

Razón de 1:2 1L volumen=2L/s flujo

Eje de tiempo 10mm=1 s -

2. MATERIALES Y MÉTODO El objetivo propuesto en este trabajo fue desarrollar un espirómetro que estuviera soportado sobre una microcomputadora IBM o compatible, que cumpliera con la tendencia de desarrollo de estos equipos en el Mundo, por lo que se decidió realizar un Espirómetro de flujo, que tuviera como elemento de medición un neumotacógrafo de pantalla. Un aspecto esencial en el desarrollo de un equipo de este tipo es la selección adecuada de sus componentes y la factibilidad de desarrollo del bloque de Espirometría. Definido un concepto básico de diseño desde el punto de vista del hardware, es posible representar un diagrama en bloques del espirómetro, tal como se muestra en la Fig. 3. ESPIGRAF es un espirómetro computadorizado de flujo, que utiliza neumotacógrafo de tipo Lilly (pantalla), que va situado en un mango que será sostenido por el paciente. En el interior del mango se encuentra el módulo del sensor que permite

adquirir las variaciones de presión en el interior del neumotacógrafo y convertirlas a una señal analógica que es suministrada a un módulo de conversión y calentamiento, el cual las convierte a señales digitales que serán enviadas mediante un puerto de transmisión serie a una microcomputadora Pentium o superior, para el procesamiento y almacenamiento de la información y la visualización del espirograma del paciente. Como requerimientos básicos de la Sociedad Torácica Americana (STA) [1, 8], para los espirómetros de flujo se tienen: Ø deben convertir la señal analógica en digital, con conversores de 12 bit de precisión, Ø garantizar exactitud de 0,2 L/s en las mediciones de flujo, Ø garantizar exactitud de 0,050 L en las mediciones de volumen y Ø los sensores de presión diferencial deben ser lineales y con compensación de temperatura, en la gama de ±196,133 Pa. En el diagrama en bloques (Fig. 3) se pueden detallar los bloques funcionales de ESPIGRAF que incluye las siguientes partes componentes: Ø Microcomputadora Pentium o superior, Ø Módulo de conversión y calentamiento,

Figura 3 Diagrama en bloques de ESPIGRAF

2.1 Características técnicas de ESPIGRAF •

Principio de medición: Medición de flujo ventilatorio como magnitud primaria con un neumotacógrafo de pantalla (Lilly)

25

•

•

Interfaz con la microcomputadora: El módulo de conversión-calentamiento se conecta mediante interfaz de transmisión serie RS 232 a la computadora Soporte del neumotacógrafo: Mango de fácil maniobrabilidad para el paciente, con sensor incorporado.

•

Gama de las mediciones de flujo: De -14 L/s a +14 L/s, con resolución de 200 mL/s

•

Gama de las mediciones de volumen: De 0 a 10 L, con resolución de 50 mL

•

Software: Borland Delphi V4.0

3. RESULTADOS Se realizó el diseño de ESPIGRAF cumpliendo con las medidas de seguridad y protección para los pacientes y demás requisitos especiales establecidos en la Norma IEC 601 (International Electrotechnical Comission). Además de los parámetros y prestaciones fundamentales requeridas a los espirómetros se brinda la posibilidad de editar los diagnósticos que aparecen en la hoja de reporte de la PFV, seleccionar de forma automática o manual la mejor maniobra espirométrica realizada, por el especialista responsable del laboratorio, así como calcular todos los parámetros inspiratorios y espiratorios, se posibilita también la impresión del espirograma y el almacenamiento de toda la información resultante de la PFV en bases de datos. Con el desarrollo de este equipo se logró un Espirómetro moderno, con altas prestaciones, las cuales pueden ser de extraordinaria importancia para el fortalecimiento de los laboratorios de estudio de la función pulmonar.

4. DISCUSIÓN

ESPIGRAF está acorde con la tendencia mundial de utilizar un el neumotacógrafo, midiendo como señal primaria el flujo ventilatorio, lo que lo hace más preciso, portable y brinda facilidades para la calibración y esterilización.. Otro aspecto de interés que se puede observar es la gama de las mediciones de flujo y volumen respiratorio, así como la exactitud de estas mediciones que realizan los espirómetros. ESPIGRAF halla dentro de la tendencia mundial y cumple con los requerimientos planteados por la ATS al respecto (véase la tabla 1).. En lo relacionado con los parámetros espirométricos se puede analizar que ESPIGRAF calcula los exigidos por la ATS tanto espiratorios como inspiratorios, aspecto importante requerido para la obtención del diagnóstico y la interpretación espirométrica.

5. CONCLUSIONES Con el uso de este Espirómetro se permite unificar criterios de diagnóstico en la red asistencial, lo cual posibilita extender y generalizar la experiencia de especialistas en función pulmonar a Instituciones de Salud que no cuentan con estas especialidades. Este equipo médico permite además disminuir el tiempo invertido y los errores ocasionados en el análisis de los resultados espirométricos de cada paciente, en el momento de realizar el diagnóstico espirométrico. En el presente trabajo fueron expuestas las generalidades de la Espirometría para una mayor comprensión del lector, así como los principales criterios de diseño y de las prestaciones médicas las cuales están acordes con los requerimientos actuales establecidos para estos equipos.

REFERENCIAS [1]

El lector puede apreciar en la Tabla 3 la comparación de ESPIGRAF con análogos de diferentes firmas productoras de espirómetros, los cuales tienen en común que son basados en una computadora ("PC-based Spirometers").

26

American Thoracic Society (ATS). “Standardization of Spirometry 1994 update”, Medical Section of the American Lung Association. Am. Journal of Respir. Crit. Care Med. Vol. 152, 1995 pp. 1107-1136

[2]

Almirall J. y Begin P. “Interpretación automatizada de la Espirometría”, Folleto Programa de Diagnóstico, Unidad de Investigación Clínica, Complejo Hospitalario de la Sagamie, Chicoutimi, Quebec, Canadá. Copyright © J. Almirall, P. Begin, 1998.

[3]

AARC “Clinical Practice Guideline Spirometry”, 1996 Update. Reprinted from Journal of Respiratory Care 1996; 41 (7): 629 - 636.

[4]

Guyton, A. C. “Volúmenes y capacidades pulmonares”, Tratado de Fisiología Médica, Editorial Pueblo y Educación. Novena Edición 1997.

[5]

Kory, R,C., Rankin. J., Snider. G. L. and Tomasefski, J. F. “Clinical Spirometry. Recommendations of the section on pulmonary function testing”. Committee on pulmonary Physiology American College of Chest Physicians, Dis. Chest 1963. 43:214

[6]

American Thoracic Society (ATS). “Lung Function Testing: Selection of reference values and interpretative strategies”, Medical Section of the American Lung Association, Am. Rev. Respir. Dis., 1991, Vol. 144: pp. 1202-1218.

[7]

Journal International Hospital. Equipment & Solutions. Vol. 25 No. 7 Nov. 99 p. 8

[8]

Toledo N, “Espirómetro computadorizado de flujo NEUMOESPID-F”, Tesis de Maestría, La Habana, Julio 2000.

[9]

Pulmonary Function Equipment, Spirometers. J Medical Electronics Issue 168. Dec. 1998 pp. 84-88.

[10]

ECRI, “SPIROMETERS, DIAGNOSTIC”, Healthcare Product. Hpcs, Comparison System.. Dec 1995. p 1-53.

27