Can the single-breath helium dilution method predict lung volumes as measured by whole-body plethysmography?

OBJECTIVE: To compare TLC and RV values obtained by the single-breath helium dilution (SBHD) method with those obtained by whole-body plethysmography (WBP) in patients with normal lung function, patients with obstructive lung disease (OLD), and patients with restrictive lung disease (RLD), varying in severity, and to devise equations to estimate the SBHD results.
METHODS: This was a retrospective cross-sectional study involving 169 individuals, of whom 93 and 49 presented with OLD and RLD, respectively, the remaining 27 having normal lung function. All patients underwent spirometry and lung volume measurement by both methods.
RESULTS: TLC and RV were higher by WBP than by SBHD. The discrepancy between the methods was more pronounced in the OLD group, correlating with the severity of airflow obstruction. In the OLD group, the correlation coefficient of the comparison between the two methods was 0.57 and 0.56 for TLC and RV, respectively (p < 0.001 for both). We used regression equations, adjusted for the groups studied, in order to predict the WBP values of TLC and RV, using the corresponding SBHD values. It was possible to create regression equations to predict differences in TLC and RV between the two methods only for the OLD group. The TLC and RV equations were, respectively, ∆TLCWBP-SBHD in L = 5.264 - 0.060 × FEV1/FVC (r2 = 0.33; adjusted r2 = 0.32) and ∆RVWBP-SBHD in L = 4.862 - 0.055 × FEV1/FVC (r2 = 0.31; adjusted r2 = 0.30).
CONCLUSIONS: The correction of TLC and RV results obtained by SBHD can improve the accuracy of this method for assessing lung volumes in patients with OLD. However, additional studies are needed in order to validate these equations.

Introduction

Lung volume measurements are useful for characterizing the severity of respiratory diseases, evaluating the results of interventions, and determining prognosis.(,) Patients with restrictive lung disease (RLD) can present with reduced TLC, whereas those with chronic obstructive lung disease (OLD) can present with increased TLC (usually as a result of increased RV).() Various methods can be used in order to determine lung volumes, including whole-body plethysmography (WBP), gas dilution methods, and radiological techniques.(-) Currently, WBP and the multiple-breath helium dilution method are used in pulmonary function laboratories in order to measure TLC and RV. Any of the abovementioned methods can be used provided that the equipment and maneuvers are in accordance with the recommended technical standards.(,) However, WBP is considered the gold standard by some researchers.()

The single-breath helium dilution (SBHD) method is a simpler, cheaper, and more widely available alternative method for evaluating alveolar volume with equipment that is less complex than a plethysmograph, having the operational advantage of being performed in conjunction with DLCO determination. However, because the SBHD method depends on the air that is mobilized during a single respiratory maneuver, it can underestimate lung volumes when compared with WBP in patients with a markedly uneven distribution of ventilation. (,) Although determination of alveolar volume by the SBHD method for measuring DLCO is used worldwide, the value of this technique in determining lung volumes in patients with OLD or RLD has yet to be established.

In view of the abovementioned considerations, the objective of the present study was to compare lung volumes as measured by the SBHD method with lung volumes as measured by WBP in individuals with normal lung function, as well as in patients with OLD or RLD of varying degrees of severity. In addition, we sought to develop equations to estimate TLC and RV as measured by WBP (TLCWBP and RVWBP, respectively) on the basis of TLC and RV as measured by the SBHD method (TLCSBHD and RVSBHD, respectively) and adjusted for the degree of airflow obstruction.

Methods

This was a retrospective cross-sectional study involving 142 consecutive patients who underwent spirometry, static lung volume measurements by WBP, and single-breath pulmonary diffusing capacity measurements in the pulmonary physiology laboratory of a referral hospital. We selected patients with OLD caused by COPD and patients in whom spirometry results were suggestive of RLD. We excluded patients whose spirometry results showed mixed obstructive and restrictive lung disease, indeterminate lung disease, or OLD of causes other than COPD. The control group (n = 27) comprised 8 patients (6 of whom were smokers) who had normal spirometry results and who had undergone WBP and pulmonary diffusing capacity measurements in routine care, as well as 19 volunteers who were recruited from the community, who were nonsmokers, who had no respiratory complaints or diseases, who had normal chest X-rays, and who had undergone the three tests in the same period in order to determine whether the reference standards used in the laboratory were appropriate. The ethical and methodological aspects of the study project were approved by the local research ethics committee.

We collected data regarding age (years), gender, weight (kg), height (cm), body mass index (kg/m2), and smoking history (pack-years). All pulmonary function tests were performed with a MasterScreen Body spirometer (Jäeger, Würzburg, Germany) and were in accordance with the technical recommendations in the Brazilian Thoracic Association guidelines for pulmonary function testing.() Patients underwent spirometry, WBP, and DLCO testing always in the same sequence and at the same time of day. All tests were performed before and after the administration of 400 µg of albuterol. We calculated TLCSBHD by summing the alveolar volume as measured by DLCO testing and the anatomical dead space. We calculated RVSBHD by subtracting FVC from TLCSBHD. The gases and plethysmograph were calibrated daily before test initiation. The reference values for spirometry, lung volumes, and DLCO were those described elsewhere.(-)

In order to confirm the diagnosis of COPD by spirometry, we used an FEV1/FVC ratio after bronchodilator use ≤ 0.70.() The severity of airflow obstruction was determined on the basis of FEV1, as recommended by the American Thoracic Society.() Mild to moderate OLD was defined as an FEV1 ≥ 50% of the predicted value; severe OLD was defined as an FEV1 of 35-49% of the predicted value; and very severe OLD was defined as an FEV1 < 35% of the predicted value. Only 5 patients presented with mild OLD. Therefore, they were evaluated in conjunction with those who presented with moderate OLD.

For the diagnosis of RLD, we used the following criteria: an FEV1/FVC ratio after bronchodilator use > 0.80; reduced VC (an FVC < 80% of the predicted value); and reduced TLC (a TLC < 80% of the predicted value). For data analysis, we used the median in order to divide the patients with RLD into two groups according to the severity of the disease (a TLC > 72% of the predicted value indicating less severe disease and a TLC < 72% of the predicted value indicating more severe disease).

Statistical analysis was performed with the Statistical Analysis System software, version 9.1 (SAS Institute, Cary, NC, USA). The collected data were expressed as mean, SE, and 95% CI. For the evaluation of variables with one observation, one-way ANOVA was performed to determine the differences among the groups. Whenever Levene's test revealed heterogeneity of variance, Welch's ANOVA was performed. For complementation of results, Tukey's test was performed. The possible influence of the covariates gender, age, weight, height, body mass index, and smoking history was tested by analysis of covariance. For the evaluation of variables for each lung function method, mixed-model ANOVA was performed. For complementation of significant effects in relation to the method and group, the Tukey-Kramer test was performed (p < 0.05). The goodness of fit of the model was tested by analysis of residuals and determination of normality by the Kolmogorov-Smirnov test (p > 0.01), the Anderson-Darling test, and the Cramér-von Mises test (p > 0.005). In both models, we obtained partial or residual Pearson correlations, eliminating the effect of factors in order to determine the association between variables.

Bland-Altman plots() were used in order to determine the differences in TLC and RV between the two methods. The limits of agreement were calculated as ± 1.96 SDs of the differences. We developed prediction equations to estimate the differences in TLC and RV between the two methods by means of stepwise multiple linear regression, variables with a value of p < 0.10 being included in the models. For all analyses, we used the values obtained after bronchodilator use.

Results

In the present study, 169 individuals underwent spirometry and lung volume measurements by WBP and the SBHD method in an open system. Of the 169 individuals, 27 had normal spirometry results, 93 had OLD, and 49 had RLD. The patients with OLD were stratified as follows: patients with mild to moderate OLD (29 patients); patients with severe OLD (29 patients); and patients with very severe OLD (35 patients). The patients with RLD were stratified as follows: patients with less severe disease (25 patients); and patients with more severe disease (24 patients).

Anthropometric data, duration of smoking, smoking history, and pulmonary function test results, stratified by lung function status, are presented in Table 1.

Table 1

Anthropometric characteristics, smoking history, and functional parameters in 169 individuals stratified by lung function status.

Figure 1 shows mean TLC and RV (in absolute values and in percentage of predicted). In all groups, TLCWBP and RVWBP values were higher than TLCSBHD and RVSBHD values (p < 0.01), the discrepancy between the two methods being most pronounced in the OLD group and the difference increasing progressively as the severity of airflow obstruction increased. A comparison between the RV/TLC ratio obtained by WBP and the RV/TLC ratio obtained by the SBHD method provided further evidence of the discrepancy between the two methods. In the individuals with normal lung function, those ratios were 0.36 and 0.29, respectively. In the group of patients with mild to moderate OLD, those ratios were 0.53 and 0.38, respectively; in the group of patients with severe OLD, those ratios were 0.60 and 0.43, respectively; and in the group of patients with very severe OLD, those ratios were 0.66 and 0.47, respectively. In the group of patients with less severe RLD, those ratios were 0.44 and 0.32, respectively, and in the group of patients with more severe RLD, those ratios were 0.45 and 0.39, respectively.

Figure 1

Comparison of TLC and RV values as measured by whole-body plethysmography (WBP) with TLC and RV values as measured by the single-breath helium dilution (SBHD) method (in absolute values and in percentage of predicted) in different groups of patients, stratified by lung function status. In all groups, the TLC and RV values obtained by WBP were higher than those obtained by the SBHD method (p < 0.01). OLD: obstructive lung disease; mild/mod: mild/moderate; and RLD: restrictive lung disease. Capital letters represent comparisons of values obtained by WBP, whereas lower-case letters represent comparisons of values obtained by the SBHD method. Matching letters indicate absence of statistically significant differences. Two-way ANOVA (methods and groups); p < 0.05.

Table 2 shows the differences in TLC and RV between WBP and the SBHD method (in absolute values and in percentage of predicted) in the groups studied. In the groups of patients with RLD and normal spirometry results, the difference in TLC between the two methods ranged from 0.61 L to 0.80 L (from 10.8% of the predicted value to 13.1% of the predicted value; p > 0.05). In addition, the difference in RV between the two methods ranged from 0.52 L to 0.75 L (from 30.8% of the predicted value to 43.4% of the predicted value; p > 0.05). In the groups of patients with mild to moderate OLD and severe OLD, the difference in TLC between the two methods ranged from 1.58 L to 2.00 L (from 30.5% of the predicted value to 38.2% of the predicted value; p > 0.05), and the difference in RV between the two methods ranged from 1.46 L to 2.03 L (from 80.7% of the predicted value to 99.4% of the predicted value; p > 0.05). The group of patients with very severe OLD differed from all of the other groups analyzed, showing the largest differences between the two methods regarding TLC (3.09 L; 50.4% of the predicted value) and RV (2.89 L; 139.5% of the predicted value).

Table 2

Differences between TLC and RV values as measured by whole-body plethysmography and TLC and RV values as measured by the single-breath helium dilution method in 169 individuals stratified by lung function status.

The correlations between FEV1/FVC and the differences in TLC and RV values between the two methods in the individuals with normal spirometry results, in the patients with OLD, and in the patients with RLD are shown in Figure 2 (panels A, B, and C, respectively). The best correlations were observed in the group of patients with OLD (r = −0.47 for ΔTLCWBP-SBHD in % of predicted and r = −0.54 for ΔRVWBP-SBHD in % of predicted). When the individuals with normal spirometry results and the patients with OLD were analyzed as a whole, the correlation between FEV1 in % of predicted and ΔTLCWBP-SBHD in % of predicted increased to r = −0.61 (p < 0.0001), as did the correlation between FEV1 in % of predicted and ΔRVWBP-SBHD in % of predicted (r = −0.640; p < 0.0001).

Figure 2

Correlations of the difference between TLC as measured by whole-body plethysmography (WBP) and TLC as measured by the single-breath helium dilution (SBHD) method (left column), as well as of the difference between RV as measured by WBP and RV as measured by the SBHD method (right column), with the FEV1/FVC ratio in % in individuals with normal lung function (A), in patients with obstructive lung disease (B), and in patients with restrictive lung disease (C).

The association between TLCWBP and TLCSBHD was assessed by Pearson's correlation test. For the sample as a whole (n = 169), there was a moderate positive correlation between TLCWBP and TLCSBHD (r = 0.71; p < 0.001), as well as between RVWBP and RVSBHD (r = 0.62; p < 0.0001). In the group of individuals with normal spirometry results and in that of patients with RLD, the coefficients of correlation between TLCWBP and TLCSBHD and between RVWBP and RVSBHD were, respectively, 0.92 and 0.51 (p < 0.001), whereas in the group of patients with OLD, those correlation coefficients were, respectively, 0.55 and 0.36 (p < 0.001).

We used Bland-Altman plots in order to compare TLCWBP with TLCSBHD and RVWBP with RVSBHD. The data are shown separately for each group, by lung function status, in Figure 3. The group of patients with RLD showed the smallest difference between the two methods for both variables; the largest differences were observed in the patients with OLD and higher lung volumes.

Figure 3

Bland-Altman plots of the difference between TLC as measured by whole-body plethysmography (WBP) and TLC as measured by the single-breath helium dilution (SBHD) method (left column), as well as of the difference between RV as measured by WBP and RV as measured by the SBHD method (right column), in function of the mean of the TLC values (in L) obtained by the two methods (left column) and of the mean of the RV values (in L) obtained by the two methods (right column) in individuals with normal lung function (A), in patients with obstructive lung disease (B), and in patients with restrictive lung disease (C). The solid line represents the mean, and the dashed lines represent the SD (± 1.96).

For the sample as a whole (n = 169), the difference in TLC values between the two methods was associated with the FEV1/FVC ratio (r = −0.75; p < 0.001), FEV1 (r = −0.51; p < 0.001), and DLCO (r = −0.39; p < 0.001). Likewise, the difference in RV values between the two methods correlated with the FEV1/FVC ratio (r = −0.75; p < 0.0001), FEV1 (r = −0.53; p < 0.0001), and DLCO (r = −0.41; p < 0.0001). There was no significant correlation between the difference in lung volumes and FVC (p > 0.05). For the 93 patients with OLD, the coefficient of correlation between TLCWBP and TLCSBHD was 0.57 (p < 0.001) and the coefficient of correlation between RVWBP and RVSBHD was 0.56 (p < 0.001). In the patients with OLD, we used a regression equation in order to predict TLCWBP and RVWBP on the basis of TLCSBHD and RVSBHD. The FEV1/FVC ratio (%), FEV1 (L), and DLCO (mL . min-1 . mmHg-1) were included in the models. In the univariate analysis for ΔTLCWBP-SBHD, the adjusted coefficients for FEV1/FVC, FEV1, and DLCO were, respectively, r2 = 0.32, r2 = 0.14, and r2 = 0.07, whereas for ΔRVWBP-SBHD, the adjusted coefficients for the same variables were, respectively, r2 = 0.30, r2 = 0.14, and r2 = 0.07. In the multivariate analysis, FEV1 and DLCO lost significance and were excluded from the models. The regression equation to predict the difference in TLC between the two methods in the patients with OLD was as follows:

y = 5.264 − 0.060x

where y = ΔTLCWBP-SBHD in L and x = FEV1/FVC in % (r2 = 0.33; adjusted r2 = 0.32).

The regression equation to predict the difference in RV between the two methods was as follows:

Y = 4.862 − 0.055x

where Y = ΔRVWBP-SBHD in L and x = FEV1/FVC in % (r2 = 0.31; adjusted r2 = 0.30).

We were unable to develop equations for individuals with normal lung function and those with RLD.

Discussion

Our results showed the following: 1) TLCWBP and RVWBP values were higher than TLCSBHD and RVSBHD values, regardless of the lung function status; 2) the magnitude of the difference in lung volumes between the two methods was associated with the FEV1/FVC ratio, progressively increasing with the degree of airflow obstruction; 3) lung volumes as measured by WBP can be estimated on the basis of the values obtained by the SBHD method provided that the values are corrected for the severity of airflow obstruction.

Our study showed that, in the individuals with normal lung function and in those with RLD, the SBHD method underestimated lung volumes when compared with WBP. Comparable values between the two techniques() or a difference of 0.21 L in TLC in individuals with normal spirometry results have previously been described. () In another study, when compared with the multiple-breath helium dilution method, WBP overestimated TLC by 0.47 L or 7.2% in normal individuals.()

In the OLD patients in the present study, the difference between the lung volumes obtained by WBP and those obtained by the SBHD method increased or decreased proportionally to the increase in airflow obstruction and air trapping. Various studies have compared lung volumes as measured by different methods in patients with OLD. Garfield et al.() compared TLC as measured by plethysmography with TLC as measured by chest HRCT in patients with COPD and found a difference of 1.12 L (17.3%) between the two. Similarly, O'Donnell et al.() showed that, in patients with COPD, WBP systematically overestimates lung volumes in comparison with the multiple-breath helium dilution method and CT, and that the discrepancy is most pronounced in individuals with FEV1 < 30% of the predicted value. In contrast, in 815 males with mild airflow obstruction, the SBHD method underestimated TLCWBP by 0.75 L.() A difference of up to 1.08 L has been reported between TLCWBP and TLC as measured by the multiple-breath helium dilution method.(,,,) Major discrepancies (of up to 2.25 L) have been observed between TLCSBHD and TLC as measured by the multiple-breath helium dilution method in the presence of OLD.(,)

The different results across studies might be related to the cause of OLD, the varying degrees of airflow obstruction, and, in particular, the methods used in order to measure lung volumes. In addition to measuring the ventilated volume, plethysmography measures areas of air trapping. Conversely, the helium dilution technique measures only the air that is ventilated. In patients with airflow obstruction, there are variations in time constants of the respiratory system and in the distribution of ventilation, and there is early collapse of the airways during exhalation, which impairs lung emptying and causes air trapping. These physiological abnormalities help to explain the difference between the values obtained by WBP and those obtained by the SBHD method or the multiple-breath helium dilution method in individuals with OLD.(,)

The two helium dilution methods differ in terms of lung volume measurements. The SBHD method is a fast and simple technique in which only one ventilatory maneuver is used (in order to determine DLCO).() In addition, the SBHD method requires less effort from patients during pulmonary function testing.(,,) In contrast, the multiple-breath helium dilution method requires a longer test time, allowing a more even distribution of the inhaled gas so that it is in equilibrium with the alveolar air.(,) A comparison between the two techniques showed that they provide comparable results in individuals without airflow obstruction but show differences of up to 34% in patients with more severe obstruction.(,,)

One of the statistical resources that we used in order to compare the findings of WBP with those of the SBHD method was the linear correlation test. The test showed a correlation of 0.92 in the individuals with normal spirometry results or RLD and of 0.55 in the patients with OLD. A correlation of 0.98 between TLCWBP and TLCSBHD in 32 normal individuals and of 0.70 between TLCWBP and TLCSBHD in patients with OLD had previously been reported.() However, in our study, Bland-Altman plots() were used for analysis of the lung volumes as measured by the two methods and showed that, despite a strong correlation between the two in the individuals with normal spirometry results, there was discordance between the two methods in that group of patients. The concordance between the two methods for determining lung volumes was better in the group of patients with RLD, as evidenced by a narrower 95% CI and a higher concentration of data around the mean. In contrast, in the group of patients with OLD, the difference between the two methods was more pronounced, especially in the patients with high lung volumes. The limitations of using linear correlation in order to evaluate the performance of two methods for measuring the same variable have previously been described, as have the advantages of using Bland-Altman plots in such cases.()

The linear regression equations that allow us to estimate TLCWBP and RVWBP values on the basis of TLCSBHD and RVSBHD values adjusted for the degree of airflow obstruction constitute an important contribution of our study. These equations can be used in patient care in situations in which only spirometry and pulmonary diffusing capacity testing are available. Although equations for TLC adjusted for the degree of airflow obstruction have previously been described,() the gold standard used was the multiple-breath helium dilution technique rather than WBP. Considering the coefficients of determination for the regression equations developed in our study, we emphasize that most of the difference between the two methods remains unexplained.

One limitation of our study is its retrospective nature. The number of patients with mild OLD in the present study was very small, reflecting the profile of patients treated at a referral university hospital. Likewise, the number of patients with severe RLD was small, which limited the stratification of RLD patients. In addition, RVSBHD was obtained by subtracting FVC from TLCSBHD; the use of FVC instead of slow VC possibly contributed to the lower accuracy of the method, especially in the patients with OLD. Furthermore, the prediction equations should be validated in other patient populations in order to increase the external validity of the study.

In conclusion, our study demonstrated that TLCWBP and RVWBP values were higher than TLCSBHD and RVSBHD values in normal individuals and in patients with RLD or OLD. The discrepancy between the two methods for measuring lung volumes was most pronounced in the group of patients with OLD caused by COPD, the magnitude of the difference being directly associated with the degree of airflow obstruction. The linear regression equations described in the present study allow us to adjust TLCSBHD and RVSBHD values for airflow, predicting the lung volumes as measured by WBP. Therefore, the relatively simple, faster, and more widely available SBHD method, used in order to determine pulmonary diffusing capacity, has potential for expanded use. However, additional studies are needed in order to validate the equations before they can be used in clinical practice.

Introdução

A mensuração dos volumes pulmonares é útil para caracterizar a gravidade de doenças respiratórias, avaliar resultados de intervenções e determinar prognósticos.(,) A CPT pode estar reduzida nas doenças pulmonares restritivas ou estar aumentada, geralmente à custa do aumento do VR, nos processos obstrutivos crônicos.() Diversos métodos podem ser utilizados para determinar os volumes pulmonares, como a pletismografia de corpo inteiro (PCI), a diluição de gases e as técnicas radiológicas.(-) Atualmente, tanto a PCI como o método de diluição de hélio por respirações múltiplas são usados em laboratórios de função pulmonar para medir a CPT e o VR. Qualquer um desses métodos pode ser utilizado, desde que tanto os equipamentos como as manobras obedeçam aos padrões técnicos recomendados,(,) embora a PCI seja considerada o padrão ouro por alguns pesquisadores.()

Uma alternativa mais simples, disponível e barata para avaliar o volume alveolar, que utiliza equipamentos menos complexos em comparação ao pletismógrafo e tem a vantagem operacional de estar acoplada à determinação da DLCO é a técnica de diluição de hélio por respiração única. Entretanto, esse método, por estar na dependência do ar que é mobilizado durante uma única manobra ventilatória, pode subestimar os valores dos volumes pulmonares em comparação com os da PCI em pacientes com acentuada falta de uniformidade na distribuição da ventilação.(,) Embora a determinação do volume alveolar através do método de diluição de hélio por respiração única para mensurar a DLCO seja mundialmente utilizada, o valor dessa técnica na determinação dos volumes pulmonares nos distúrbios ventilatórios obstrutivos (DVO) ou restritivos (DVR) não está estabelecido.

Considerando os aspectos acima, o objetivo do presente estudo foi comparar a medida dos volumes pulmonares obtidos através do método de diluição de hélio em respiração única com os valores mensurados através de PCI em indivíduos com função pulmonar normal, em portadores de DVO e em portadores de DVR com diferentes níveis de gravidade. Adicionalmente, pretendeu-se, com os resultados obtidos, elaborar equações para estimar a CPT e o VR com base na técnica da diluição de hélio por respiração única e sua correção em função do grau de obstrução ao fluxo aéreo.

Métodos

O presente estudo transversal retrospectivo incluiu 142 pacientes sequenciais que realizaram espirometria, medidas de volumes pulmonares estáticos por PCI e medidas de difusão pulmonar pelo método da respiração única no laboratório de fisiologia pulmonar de um hospital de referência. Foram selecionados pacientes com DVO por DPOC e pacientes com espirometria sugestiva de DVR. Foram excluídos pacientes cuja espirometria apresentou distúrbio ventilatório misto ou indeterminado ou ainda DVO por outras causas que não DPOC. O grupo controle (n = 27) foi constituído por 8 pacientes (6 desses tabagistas) com espirometria normal e que haviam realizado PCI e difusão pulmonar na rotina assistencial e por 19 voluntários recrutados da comunidade, não tabagistas, sem queixas ou doenças respiratórias, com radiografia de tórax normal e que haviam realizado os três exames no mesmo período para testar a adequação dos padrões de referência utilizados no laboratório. O projeto foi aprovado pelo comitê de ética em pesquisa da instituição quanto aos seus aspectos éticos e metodológicos.

De cada paciente foram coletados dados referentes à idade (anos), sexo, peso (kg), estatura (cm), índice de massa corpórea (kg/m2) e carga tabágica (anos-maço). Todos os exames funcionais pulmonares foram realizados com o equipamento MasterScreen Body (Jäeger, Würzburg, Alemanha) de acordo com as recomendações técnicas preconizadas nas diretrizes de função pulmonar da Sociedade Brasileira de Pneumologia e Tisiologia.() Os pacientes realizaram espirometria, PCI e DLCO, sempre na mesma sequência e no mesmo turno do dia. Todos os testes foram realizados antes e depois da administração de 400 µg de salbutamol. A CPTHe foi obtida através da soma do volume alveolar medido no exame de difusão e do espaço morto anatômico. O VRHe foi obtido pela subtração da CVF da CPTHe. A calibração dos gases e da cabine pletismográfica foi realizada diariamente, antes do início dos exames. Os padrões de normalidade utilizados para a espirometria, para os volumes pulmonares e para a DLCO foram os descritos previamente.(-)

Para confirmar o diagnóstico de DPOC pela espirometria foi utilizada a relação VEF1/CVF após uso de broncodilatador ≤ 0,70.() A classificação da gravidade da obstrução ao fluxo aéreo foi realizada pelo VEF1, conforme recomendação da American Thoracic Society.() Foi considerado DVO leve a moderado valores de VEF1 ≥ 50% do previsto; DVO grave, valores de VEF1 entre 35% e 49% do previsto; e DVO muito grave, valores de VEF1 < 35% do previsto. Como somente 5 pacientes apresentavam DVO leve, os mesmos foram estudados em conjunto com os pacientes com DVO moderado.

Para o diagnóstico de DVR, foram utilizados os seguintes critérios: relação VEF1/CVF após o uso de broncodilatador > 0,80, redução da CV (CVF < 80% do previsto) e redução da CPT (CPT < 80% do previsto). Para a análise dos dados, utilizou-se a mediana para separar os pacientes em dois grupos de acordo com a gravidade da restrição (CPT > 72% do previsto, restrição menos grave; CPT < 72% do previsto, restrição mais grave).

A análise estatística foi realizada com o pacote estatístico Statistical Analysis System, versão 9.1 (SAS Institute, Cary, NC, EUA). Os dados coletados foram expressos em média, erro-padrão e IC95%. Para a avaliação das variáveis com uma observação, procedeu-se a one-way ANOVA verificando-se a diferença entre grupos. Quando verificada heterogeneidade de variâncias pelo teste de Levene, procedeu-se a ANOVA de Welch. Procedeu-se a complementação de resultados pelo teste de Tukey. Para verificar possíveis influências das covariáveis sexo, idade, peso, estatura, índice de massa corpórea e carga tabágica, considerou-se o modelo de análise de covariância. Para a avaliação das variáveis para cada tipo de método de função pulmonar, procedeu-se a ANOVA de modelos mistos. As complementações de efeitos significativos em relação a tipo de método e grupo foram realizadas utilizando-se o teste de Tukey-Kramer (p < 0,05). O estudo de adequação do modelo foi realizado através da análise dos resíduos e da verificação de normalidade através dos testes de Kolmogorov-Smirnov (p > 0,01), Anderson-Darling e Cramér-von Mises (p > 0,005). Em ambos os modelos, foram obtidas correlações parciais ou residuais de Pearson, eliminando-se o efeito dos fatores para verificar a associação entre as variáveis.

O método gráfico de Bland e Altman() foi utilizado para comparar diferenças na CPT e no VR. Os limites de concordância foram calculados como ± 1,96 dp das diferenças. Equações de predição para estimar a diferença na CPT e no VR entre os métodos foram elaboradas através da análise de regressão linear múltipla (stepwise), sendo as variáveis com valor de p < 0,10 consideradas nos modelos. Para todas as análises, foram utilizados os valores obtidos após o uso de broncodilatador.

Resultados

Foram estudados 169 indivíduos através de espirometria e mensuração de volumes pulmonares por PCI e pelo método de diluição de hélio por respiração única em sistema aberto; desses, 27 indivíduos apresentavam espirometria normal, 93 apresentavam DVO, e 49 apresentavam DVR. Os pacientes portadores de DVO foram estratificados da seguinte forma: portadores de doença leve a moderada, 29 pacientes; de doença grave, 29 pacientes; e de doença muito grave, 35 pacientes. Os pacientes com DVR foram estratificados da seguinte maneira: portadores de distúrbio menos grave, 25 pacientes; e de doença mais grave, 24 pacientes.

Os dados antropométricos, tempo de tabagismo, carga tabágica e resultados dos testes de função pulmonar, estratificados de acordo com o diagnóstico funcional, estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1

Características antropométricas, história tabágica e parâmetros funcionais de 169 indivíduos estratificados de acordo com o diagnóstico funcional pulmonar.

Na Figura 1, são mostradas as médias dos valores absolutos e em percentual do previsto da CPT e do VR. Em todos os grupos, os valores da CPT e do VR mensurados por PCI foram superiores aos medidos pelo método de diluição de hélio (p < 0,01), sendo a discrepância maior no grupo de pacientes com DVO, com aumento progressivo da diferença à medida que havia piora da obstrução ao fluxo aéreo. A discrepância entre os dois métodos também foi observada quando comparadas as relações VR/CPT obtidas por PCI e pelo método de diluição de hélio por respiração única. Esses valores foram de, respectivamente, 0,36 e 0,29, em indivíduos normais; 0,53 e 0,38, no grupo com DVO leve e moderado; 0,60 e 0,43, no grupo com DVO grave; 0,66 e 0,47, no grupo com DVO muito grave; 0,44 e 0,32, no grupo com DVR menos grave; e 0,45, e 0,39, no grupo com DVR mais grave.

Figura 1

Comparação das variáveis CPT e VR em valores absolutos e em percentual do previsto medidos pela pletismografia de corpo inteiro (PCI) e pelo método de diluição do hélio em respiração única nos diferentes grupos de pacientes, estratificados de acordo com o diagnóstico funcional pulmonar. Em todos os grupos, os valores obtidos pela PCI foram maiores que os valores obtidos pelo método do hélio (p < 0,01). DVO: distúrbio ventilatório obstrutivo; lev/mod: leve/moderado; e DVR: distúrbio ventilatório restritivo. Letras maiúsculas representam comparações entre os valores da PCI e letras minúsculas entre os do método do hélio. Letras iguais representam ausência de diferenças estatisticamente significativas. ANOVA com dois fatores (métodos e grupos); p< 0,05.

Na Tabela 2, são mostradas as diferenças entre a PCI e o método de diluição de hélio para a CPT e o VR em valores absolutos e em percentual do previsto nos grupos estudados. A diferença na CPT nos grupos de pacientes com DVR ou espirometria normal variou de 0,61 L a 0,80 L (10,8% do previsto a 13,1% do previsto; p > 0,05). O VR nos mesmos grupos variou de 0,52 L a 0,75 L (30,8% do previsto a 43,4% do previsto; p > 0,05). No grupo de pacientes com DVO leve/moderado e grave, a diferença na CPT entre os dois métodos variou de 1,58 L a 2,00 L (30,5% do previsto a 38,2% do previsto; p > 0,05), e a diferença no VR variou de 1,46 L a 2,03 L (80,7% do previsto a 99,4% do previsto; p > 0,05). O grupo portador de DVO muito grave diferiu de todos os outros grupos analisados, apresentando as maiores diferenças entre os dois métodos tanto para CPT (3,09 L; 50,4% do previsto) quanto para VR (2,89 L; 139,5% do previsto).

Tabela 2

Diferenças entre resultados obtidos por pletismografia de corpo inteiro e método de diluição do hélio por respiração única para as variáveis CPT e VR em 169 indivíduos estratificados de acordo com o diagnóstico funcional pulmonar.

As correlações entre VEF1/CVF e as diferenças nos valores de CPT e VR medidos pelos dois métodos nos pacientes com espirometria normal, com DVO e com DVR são mostradas na Figura 2 (painéis A, B e C, respectivamente). As melhores correlações foram observadas no grupo de pacientes com DVO (r = −0,47 para o ∆CPTPCI-He em % do previsto e r = -0,54 para o ∆VRPCI-He em % do previsto). Quando foram considerados os pacientes com espirometria normal e os pacientes com DVO num mesmo grupo, a correlação entre VEF1 em % do previsto e ∆CPTPCI-He em % do previsto aumentou para r = −0,61 (p < 0,0001) e, entre VEF1 em % do previsto e ∆VRPCI-He em % do previsto, a correlação também aumentou (r = −0,640; p < 0,0001).

Figura 2

Correlações entre as diferenças mensuradas por pletismografia de corpo inteiro e pelo método de diluição do hélio em respiração única das variáveis CPT (coluna da esquerda) e VR (coluna da direita) em função da relação VEF1/CVF em % nos grupos de indivíduos com padrão ventilatório normal (A), padrão ventilatório obstrutivo (B) e padrão ventilatório restritivo (C).

A associação entre os valores da CPTPCI e CPTHe foi estudada através do teste de correlação de Pearson. Quando considerados todos os indivíduos na análise (n = 169), foi observada uma correlação moderada e positiva entre os valores de CPT (r = 0,71; p < 0,001) e VR (r = 0,62; p < 0,0001) obtidos pelos dois métodos. No grupo com espirometria normal e no de portadores de DVR, os coeficientes de correlação entre os valores de CPT e VR mensurados pelas duas técnicas foram, respectivamente, de 0,92 e 0,51 (p < 0,001), enquanto, nos portadores de DVO, esses foram de, respectivamente, 0,55 e 0,36 (p < 0,001).

Adicionalmente, utilizamos o método gráfico de Bland e Altman para comparar os valores da CPT e do VR mensurados através dos dois métodos. Os dados são mostrados separadamente por grupos, de acordo com o diagnóstico funcional, na Figura 3. O grupo de portadores de DVR apresentou a menor diferença entre os métodos para ambas as variáveis; as maiores diferenças foram observadas nos pacientes com DVO e volumes pulmonares maiores.

Figura 3

Disposições gráficas de Bland e Altman entre as diferenças mensuradas por pletismografia de corpo inteiro e pelo método de diluição do hélio em respiração única das variáveis CPT (coluna da esquerda) e VR (coluna da direita) em função da média dos valores da CPT (coluna da esquerda) e do VR (coluna da direita), em L, obtidas pelos dois métodos nos grupos de indivíduos com padrão ventilatório normal (A), padrão ventilatório obstrutivo (B) e padrão ventilatório restritivo (C). A linha contínua indica a média dos valores, e as linhas tracejadas indicam o desvio-padrão (± 1,96).

A diferença da CPT mensurada pelos dois métodos, quando considerada toda a amostra (n = 169), se associou com a relação VEF1/CVF (r = −0,75; p < 0,001), VEF1 (r = −0,51; p < 0,001) e DLCO (r = −0,39; p < 0,001). Do mesmo modo, a diferença do VR entre os dois métodos se correlacionou com a relação VEF1/CVF (r = −0,75; p < 0,0001), VEF1 (r = −0,53; p < 0,0001) e DLCO (r = −0,41; p < 0,0001). Não houve correlação significativa entre a diferença dos volumes pulmonares e a CVF (p > 0,05). O coeficiente de correlação entre os valores obtidos pelos dois métodos, quando considerados apenas os 93 pacientes com DVO, foi de 0,57 para a CPT (p < 0,001) e de 0,56 para o VR (p < 0,001). Para predizer a CPTPCI e o VRPCI a partir da CPTHe e do VRHe nos pacientes com DVO, foi utilizada uma equação de regressão. Foram incluídos nos modelos a relação VEF1/CVF (%), VEF1 (L) e DLCO (mL . min-1 . mmHg-1). Na análise univariada para ∆CPTPCI-He, os coeficientes ajustados para VEF1/CVF, VEF1 e DLCO foram de, respectivamente, r2 = 0,32, r2 = 0,14 e r2 = 0,07, enquanto os coeficientes ajustados para ∆VRPCI-He para as mesmas variáveis foram de, respectivamente, r2 = 0,30, r2 = 0,14 e r2 = 0,07. Na análise multivariada, VEF1 e DLCO perderam a significância e foram excluídos dos modelos. A equação de regressão para predizer a diferença da CPT entre os dois métodos nos pacientes com DVO foi a seguinte:

y = 5,264 − 0,060x

onde y = ∆CPTPCI-He em L e x = VEF1/CVF em % (r2 = 0,33; r2 ajustado = 0,32)

A equação de regressão para predizer a diferença do VR foi a seguinte:

Y = 4,862 − 0,055x

onde Y = ∆VRPCI-He em L e x = VEF1/CVF em % (r2 = 0,31; r2 ajustado = 0,30).

Não foi possível elaborar uma equação para indivíduos normais e para aqueles com DVR.

Discussão

Nossos resultados demonstraram o seguinte: 1) os valores CPTPCI e VRPCI foram maiores do que CPTHe e VRHe, independentemente do diagnóstico funcional pulmonar; 2) a magnitude da diferença dos volumes pulmonares obtidos pelos dois métodos se associou com a relação VEF1/CVF, aumentando progressivamente com o grau de obstrução ao fluxo aéreo; 3) os volumes pulmonares medidos por PCI podem ser estimados a partir dos valores obtidos pelo método de diluição do hélio por respiração única se realizada a correção para a obstrução ao fluxo aéreo.

Nosso estudo mostrou que o método da diluição do hélio por respiração única subestimou os volumes pulmonares em comparação com os da PCI em indivíduos normais ou com DVR. Valores comparáveis entre as duas técnicas() ou uma diferença na CPT de 0,21 L em indivíduos com espirometria normal foram descritos previamente. () Em outro estudo, a PCI superestimou o valor da CPT em relação ao método de diluição do hélio por respirações múltiplas em 0,47 L ou 7,2% em indivíduos normais.()

Nos pacientes com DVO, a diferença entre os volumes pulmonares determinados pelos dois métodos em nosso estudo variou proporcionalmente com o aumento da obstrução ao fluxo aéreo e do aprisionamento aéreo. Diversos estudos compararam os volumes pulmonares obtidos por diferentes técnicas em pacientes com DVO. Garfield et al.() compararam a CPT mensurada por pletismografia e por TCAR de tórax em portadores de DPOC e observaram uma diferença de 1,12 L (17,3%). De modo semelhante, O'Donnell et al.() demonstraram que, em indivíduos com DPOC, a PCI sistematicamente superestima os volumes pulmonares em relação ao método de diluição do hélio por respiração múltipla e à TC e que a discrepância é maior nos indivíduos com VEF1 < 30% do previsto. Já em 815 homens com obstrução leve ao fluxo aéreo, o método de diluição do hélio por respiração única subestimou a CPT determinada por PCI em 0,75 L.() Uma diferença de até 1,08 L na CPT foi descrita entre PCI e a técnica de diluição do hélio por respiração múltipla.(,,,) Discrepâncias maiores na CPT de até 2,25 L foram observadas entre os dois métodos de diluição do hélio na presença de DVO.(,)

As disparidades nos resultados dos diferentes estudos podem estar associadas com a causa do DVO, com os graus variados de obstrução ao fluxo aéreo e, principalmente, com os métodos usados para medir os volumes pulmonares. O método pletismográfico mede, além do volume ventilado, áreas pulmonares com aprisionamento de ar. De forma contrária, a técnica de diluição do hélio mensura apenas o ar que é ventilado. Nos pacientes com obstrução ao fluxo aéreo, há variações nas constantes de tempo e na distribuição da ventilação, e ocorre colapso precoce das vias aéreas na expiração, o que prejudica o esvaziamento pulmonar e causa aprisionamento aéreo. Essas anormalidades fisiológicas ajudam a explicar a diferença entre os valores obtidos pela PCI e pela técnica de diluição do hélio por respiração única ou múltipla em indivíduos com DVO.(,)

Os dois métodos de diluição do hélio apresentam diferenças entre si na estimativa dos volumes pulmonares. A técnica por respiração única é uma técnica simples e rápida, que utiliza apenas uma manobra ventilatória e que é utilizada para determinar a DLCO.() Adicionalmente, a técnica por respiração única requer menor esforço por parte do paciente durante a realização da prova de função pulmonar.(,,) Diferentemente, no método da diluição do hélio por respirações múltiplas, o tempo do teste é maior, permitindo uma distribuição mais adequada do gás inalado de forma que esse fique em equilíbrio com o ar alveolar.(,) A comparação entre as duas técnicas mostrou que as mesmas fornecem resultados comparáveis em indivíduos sem obstrução ao fluxo aéreo, mas apresentam discrepância de até 34% nos pacientes com maior grau de obstrução.(,,)

Um dos recursos estatísticos que usamos para comparar os achados da PCI e do método de diluição do hélio por respiração única foi o teste de correlação linear. Esse teste mostrou uma correlação de 0,92 nos indivíduos com espirometria normal ou com padrão restritivo e de 0,55 nos pacientes com padrão obstrutivo. Uma correlação de 0,98 entre a CPT obtida pelos dois métodos em 32 indivíduos normais e de 0,70 em pacientes com DVO havia sido relatada previamente.() Entretanto, em nosso estudo, a análise dos volumes obtidos pelas duas técnicas através do método gráfico de Bland e Altman() mostrou que, apesar da correlação forte entre as duas medidas nos indivíduos com espirometria normal, houve uma discordância entre os dois métodos nesse grupo de pacientes. A concordância entre as duas técnicas de determinação dos volumes pulmonares foi melhor no grupo de pacientes com DVR, se traduzindo por um IC95% mais estreito e uma maior concentração dos dados em torno da média. Contrariamente, no grupo de pacientes com DVO, a discrepância tornou-se mais acentuada, principalmente nos pacientes com grandes volumes pulmonares. As limitações da correlação linear para avaliar o desempenho de duas técnicas que mensuram a mesma variável foram descritas previamente, assim como as vantagens do uso do método gráfico de Bland e Altman nessa situação.()

Uma contribuição importante do nosso estudo são as equações de regressão linear que permitem estimar os valores de CPT e VR correspondentes ao método pletismográfico a partir dos valores obtidos pela técnica da diluição do hélio por respiração única corrigidos para o grau de obstrução ao fluxo aéreo. Essas equações podem ser utilizadas na prática assistencial em situações e locais nos quais somente a espirometria e a difusão pulmonar estejam disponíveis. Equações semelhantes para a CPT com correção para o grau de obstrução ao fluxo aéreo foram descritas anteriormente(); entretanto, o padrão ouro utilizado foi a técnica de diluição do hélio por respiração múltipla e não a PCI. Ressaltamos que, conforme os coeficientes de determinação das equações de regressão obtidas no nosso estudo, grande parte da diferença entre os métodos permanece inexplicada.

Uma das limitações de nosso estudo é o caráter retrospectivo do mesmo. A nossa casuística de pacientes com DVO leve foi muito pequena, refletindo o perfil de pacientes atendidos em um hospital universitário de referência. Do mesmo modo, não foi possível incluir um maior número de pacientes com DVR grave, o que limitou a estratificação dos pacientes com doença restritiva. Ainda, o VRHe foi obtido através da subtração CPTHe − CVF; o uso da CVF, ao invés da CV lenta, pode ter contribuído para uma maior falta de acurácia no método, especialmente nos pacientes com DVO. Adicionalmente, é necessário validar as equações de predição com outras populações de pacientes para aumentar a validade externa do estudo.

Em conclusão, nosso estudo demonstrou que o método pletismográfico apresentou valores maiores tanto para a CPT como para o VR em comparação com o método de diluição do hélio por respiração única em indivíduos normais e em pacientes com DVR e DVO. As maiores discrepâncias entre os dois métodos de determinação de volumes pulmonares foram observadas no grupo de pacientes com DVO por DPOC, estando a magnitude da diferença diretamente associada à obstrução do fluxo aéreo. As equações de regressão linear descritas no presente estudo permitem que os valores de CPT e VR, obtidos através da técnica de diluição do hélio por respiração única, sejam ajustados para o fluxo aéreo, predizendo os valores dos volumes pulmonares que seriam obtidos pela PCI. Desse modo, a técnica relativamente simples, mais rápida e mais disponível da diluição do hélio por respiração única, empregada no contexto da determinação da capacidade de difusão pulmonar, tem seu potencial de uso expandido. Entretanto, estudos adicionais são necessários para validar as equações antes que as mesmas sejam utilizadas na prática clínica.