21 LA ESPIROMETRÍA COMO HERRAMIENTA DE DIAGNÓSTICO

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).
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[2]
Almirall
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Diagnóstico, Unidad de Investigación
Clínica, Complejo Hospitalario de la
Sagamie,
Chicoutimi,
Quebec,
Canadá. Copyright © J. Almirall, P.
Begin, 1998.
[3]
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Spirometry”, 1996 Update. Reprinted
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1996; 41 (7): 629 - 636.
[4]
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capacidades pulmonares”, Tratado de
Fisiología Médica, Editorial Pueblo y
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testing”. Committee on pulmonary
Physiology American College of
Chest Physicians, Dis. Chest 1963.
43:214
[6]
American Thoracic Society (ATS).
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American Lung Association, Am.
Rev. Respir. Dis., 1991, Vol. 144:
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[7]
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Equipment & Solutions. Vol. 25 No.
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[8]
Toledo
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computadorizado
de
flujo
NEUMOESPID-F”,
Tesis
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[9]
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Issue 168. Dec. 1998 pp. 84-88.
[10]
ECRI,
“SPIROMETERS,
DIAGNOSTIC”, Healthcare Product.
Hpcs, Comparison System.. Dec
1995. p 1-53.
27