Assessment of regional lung ventilation by electrical impedance tomography in a patient with unilateral bronchial stenosis and a history of tuberculosis.

Bronchial stenosis can impair regional lung ventilation by causing abnormal, asymmetric airflow limitation. Electrical impedance tomography (EIT) is an imaging technique that allows the assessment of regional lung ventilation and therefore complements the functional assessment of the lungs. We report the case of a patient with left unilateral bronchial stenosis and a history of tuberculosis, in whom regional lung ventilation was assessed by EIT. The EIT results were compared with those obtained by ventilation/perfusion radionuclide imaging. The patient was using nasal continuous positive airway pressure (CPAP) for the treatment of obstructive sleep apnea syndrome. Therefore, we studied the effects of postural changes and of the use of nasal CPAP. The EIT revealed heterogeneous distribution of regional lung ventilation, the ventilation being higher in the right lung, and this distribution was influenced by postural changes and CPAP use. The EIT assessment of regional lung ventilation produced results similar to those obtained with the radionuclide imaging technique and had the advantage of providing a dynamic evaluation without radiation exposure.

Introduction

Tuberculosis remains a serious public health problem worldwide and can lead to various sequelae in the respiratory tract, one of which is bronchial stenosis.(-) Bronchial stenosis can lead to dyspnea due to airflow obstruction, with the aggravating factor that it is often characterized by asymmetric, proximal airway lesions. The left main bronchus is particularly susceptible to this complication.(,)

Pulmonary function tests evaluate lung function as a whole, but tell nothing about regional changes in ventilation. These changes are usually evaluated using radioisotope scintigraphy, which is costly and not widely available in Brazil.

Electrical impedance tomography (EIT) is a technique that allows safe, real-time, dynamic image reconstruction of axial slices of the lung, making it possible to assess regional lung ventilation.() This tool is particularly promising in cases of asymmetric lung disease, such as unilateral bronchial stenosis.

We report the case of a female patient with stenosis of the left main bronchus and obstructive sleep apnea syndrome (OSAS), who was being treated with nasal continuous positive airway pressure (CPAP) and in whom regional lung ventilation was assessed by EIT. We highlight the effects of postural changes and of the use of CPAP on regional lung ventilation.

Case report

A 53-year-old female nonsmoker who had been treated for tuberculosis at the age of 20 presented with a three-year history of progressive dyspnea. Pulmonary auscultation revealed rhonchi and wheezing in the left hemithorax.

Spirometry showed the following: FVC, 2.56 L (88%); FEV1, 1.81 L (77%); FEV1/FVC, 0.71 (88%); and FEF25-75%, 1.15 L/s (50%). These results are consistent with mild obstructive lung disease. No significant bronchodilator response was observed.

Digital reconstruction of CT scans of the chest showed narrowing of the left main bronchus, beginning at its origin and reaching 4.8 cm along its length, with a width of 0.5 cm (Figure 1A-D). Forced exhalation increased the degree of bronchial stenosis, resulting in almost complete collapse and causing air trapping in the left lung. Ventilation/perfusion radionuclide imaging (Figure 1E and 1F) showed that the blood flow and ventilation were directed to the right lung (68%). Bronchoscopy confirmed the chest CT finding of left bronchial stenosis.

Figure 1

Coronal reconstruction of multidetector chest CT scans acquired during inhalation (A) and exhalation (B), endobronchial reconstruction of a multidetector chest CT scan (C), and volumetric reconstruction of a multidetector chest CT scan acquired at end-exhalation showing air trapping in the left lung (D); as well as radionuclide lung perfusion (E) and lung ventilation (F) images. The arrows show the site of the bronchial stenosis.

We used an EIT device with 32 electrodes (DX 1800, Dixtal Biomédica, Manaus, Brazil)(,) to assess regional lung ventilation, as well as the effects of different postures-supine position (SP), right lateral decubitus position (RLDP), and left lateral decubitus position (LLDP)-and of CPAP use (10 cmH2O). In all situations, the patient lay for 10 min with the head elevated 30°, and the measurements under the different conditions were taken 5 min apart.

Figure 2 shows functional maps of the distribution of regional lung ventilation in the three postures during spontaneous breathing and during the use of nasal CPAP, all of which were constructed on the basis of EIT.

Figure 2

Functional map of the distribution of regional lung ventilation as assessed by electrical impedance tomography in the supine position (SP), in the right lateral decubitus position (RLDP), and in the left lateral decubitus position (LLDP). The three first images were obtained during spontaneous breathing. The three last images were obtained during the use of continuous positive airway pressure (CPAP; 10 cmH2O). The percentages represent the distribution of tidal volume to each lung. At the bottom of each figure, there is the plethysmographic curve showing the variation in electrical impedance.

Video 1 (available online at http://www.jornaldepneumologia.com.br/detalhe_artigo_pre_visualizar.asp?id=2236) features a dynamic demonstration of regional lung ventilation in the three postures during spontaneous breathing and during CPAP use. During spontaneous breathing, it is possible to see that the ventilation was almost entirely directed to the right side, being represented by a light-blue color; a lighter shade of blue translates to higher ventilation in that area. During CPAP use, a portion of the ventilation was distributed to the left lung.

Discussion

In the present case, the relative distribution of regional lung ventilation, during spontaneous breathing, was always higher in the right lung, with values of 91%, 82%, and 58% for the SP, the RLDP, and the LLDP, respectively, which shows the effect of bronchial stenosis on the distribution of regional lung ventilation and the influence of postural changes (Figure 2). The images obtained by EIT are consistent with those obtained with the radionuclide imaging technique.

In healthy individuals breathing spontaneously and placed in the SP, regional lung ventilation is higher in the dependent regions than in the nondependent regions, a physiological phenomenon that has been well documented by studies using EIT. Studies using EIT in healthy volunteers have shown the marked influence of postural changes on the distribution of lung ventilation. Studies analyzing regional lung ventilation in healthy volunteers have shown it to be invariably higher toward the dependent lung in the lateral decubitus positions.(,)

During CPAP use (10 cmH2O), the differences in the regional distribution of ventilation increased. In the postures studied, the gravitational distribution of ventilation occurred mostly toward the dependent regions. In the SP, the use of CPAP caused a slight redistribution of regional ventilation to the left lung, predominantly to its dorsal portion. In contrast, the RLDP resulted in an increase in ventilation asymmetry, concentrating ventilation almost entirely in the right lung. In the LLDP, ventilation to the dependent lung increased from 42% to 48%, possibly because of mechanical bronchodilation of the left bronchus caused by CPAP use.()

The present case strengthens the interest in using EIT to assess regional lung ventilation, especially in cases of asymmetric airway lesions. In addition, when compared with radionuclide imaging, EIT has the advantage of being a high-temporal resolution method that dynamically evaluates the effects of postural changes and of CPAP use.

Introdução

A tuberculose persiste como um sério problema de saúde pública mundial, podendo causar diversas sequelas no trato respiratório, sendo uma delas a estenose brônquica.(-) Essa pode causar dispneia por obstrução ao fluxo aéreo, com o agravante de se caracterizar frequentemente por lesões assimétricas das vias aéreas proximais. O brônquio fonte esquerdo é particularmente suscetível a essa complicação.(,)

As provas de função pulmonar avaliam os pulmões de forma global, mas nada informam sobre as alterações regionais da ventilação. Essas costumam ser avaliadas por exames de cintilografia com radioisótopos, que têm alto custo e são pouco disponíveis em nosso meio.

A tomografia de impedância elétrica (TIE) é uma técnica que possibilita a reconstrução de imagens de um corte axial dos pulmões, em tempo real, de forma dinâmica e segura, permitindo a avaliação da ventilação pulmonar regional.() Trata-se de uma ferramenta particularmente promissora em casos de doença pulmonar assimétrica, como ocorre na estenose brônquica unilateral.

Apresentamos o caso de uma paciente com estenose do brônquio fonte esquerdo e síndrome da apneia obstrutiva do sono (SAOS), tratada com continuous positive airway pressure (CPAP, pressão positiva contínua nas vias aéreas) nasal, e a ventilação pulmonar regional foi avaliada por TIE, ressaltando os efeitos das variações de decúbitos e da aplicação de CPAP sobre a mesma.

Relato de caso

Paciente do sexo feminino, 53 anos, não tabagista, com história de tuberculose tratada aos 20 anos de idade, relatava dispneia progressiva há três anos. Na ausculta pulmonar, havia roncos e sibilos no hemitórax esquerdo.

Foi realizada espirometria que mostrou CVF, 2,56 L (88%); VEF1, 1,81 L (77%); VEF1/CVF, 0,71 (88%); e FEF25-75%:, 1,15 L/s (50%). Esses resultados são compatíveis com distúrbio ventilatório obstrutivo leve. Não houve variação significativa à prova broncodilatadora.

As reconstruções digitais de imagens de TC do tórax mostraram uma redução do calibre do brônquio fonte esquerdo, iniciando na sua origem e chegando a 4,8 cm na sua extensão, com 0,5 cm de largura (Figura 1A-D). A expiração forçada agravava a estenose brônquica, chegando a um colapso quase total e causando aprisionamento aéreo no pulmão esquerdo. A cintilografia de ventilação e perfusão (Figura 1E e 1F) mostrou o fluxo sanguíneo e a ventilação direcionados para o pulmão direito (68%). A broncoscopia confirmou a estenose brônquica à esquerda demonstrada na TC de tórax.

Figura 1

TC com multidetectores de tórax com reconstrução coronal em inspiração (A), em expiração B), endobrônquica (C) e com reconstrução volumétrica ao final da expiração mostrando aprisionamento aéreo no pulmão esquerdo (D); e cintilografia pulmonar de perfusão (E) e ventilação (F). As setas mostram o sitio da estenose brônquica.

Empregou-se um aparelho de TIE de 32 eletrodos (DX 1800, Dixtal Biomédica, Manaus, Brasil)(,) para o estudo da ventilação pulmonar regional, assim como dos efeitos da adoção de diferentes decúbitos - decúbito dorsal (DD), decúbito lateral direito (DLD) e decúbito lateral esquerdo (DLE) - e da aplicação de CPAP de 10 cmH2O. Em todas as situações, a paciente permaneceu por 10 min deitada, com a cabeceira elevada a 30°, com um intervalo de 5 min entre as medidas nas diferentes condições.

A Figura 2 apresenta mapas funcionais da distribuição da ventilação pulmonar regional nos diferentes decúbitos, em respiração espontânea e com CPAP nasal, obtidos pela TIE.

Figura 2

Mapa funcional da distribuição da ventilação pulmonar regional através da tomografia de impedância elétrica nos decúbitos dorsal (DD), lateral direito (DLD) e lateral esquerdo (DLE). As três primeiras imagens foram obtidas em respiração espontânea. As três últimas, sob continuous positive airway pressure (CPAP, pressão positiva contínua nas vias aéreas) de 10 cmH2O. Os números representam a proporção da distribuição do volume corrente para cada pulmão. Na parte inferior de cada figura, a curva de pletismografia da variação da impedância elétrica.

O Vídeo 1 (disponível no site do Jornal Brasileiro de Pneumologia, http://www.jornaldepneumologia.com.br/detalhe_artigo_pre_visualizar.asp?id=2236) demonstra de forma dinâmica a ventilação regional nos vários decúbitos em respiração espontânea e com a aplicação de CPAP. Em respiração espontânea, é possível evidenciar que a ventilação foi direcionada quase totalmente para o lado direito, sendo visualizada através da coloração azul clara; quanto mais claro o tom de azul, maior a ventilação naquela área. Com a aplicação de CPAP, ocorreu uma distribuição de parte da ventilação para o pulmão esquerdo.

Discussão

No presente caso, em respiração espontânea, a distribuição relativa da ventilação pulmonar regional foi sempre maior no pulmão direito, com valores de 91%, 82% e 58% para DD, DLD e DLE, respectivamente, o que mostra o efeito da estenose brônquica sobre a distribuição da ventilação pulmonar regional e a influência da variação postural (Figura 2). As imagens obtidas com a TIE são compatíveis com aquelas da cintilografia de ventilação pulmonar.

Em indivíduos sadios em respiração espontânea e em DD, a ventilação pulmonar regional é maior nas zonas dependentes em relação às não dependentes, fenômeno fisiológico já bem documentado por estudos com TIE. Os estudos com TIE em voluntários sadios têm demonstrado a marcada influência da variação postural sobre a distribuição da ventilação pulmonar. Estudos que analisaram a ventilação pulmonar regional em voluntários sadios demonstraram que essa ventilação é invariavelmente maior para o pulmão dependente nos decúbitos laterais.(,)

Com a aplicação de CPAP de 10 cmH2O, as diferenças na distribuição regional da ventilação foram aumentadas. A distribuição gravitacional da ventilação se deu em maior grau para as zonas dependentes nos decúbitos estudados. No caso do DD, o uso de CPAP causou uma discreta redistribuição da ventilação regional para o pulmão esquerdo, predominantemente para sua porção dorsal. Em contrapartida, o DLD amplificou a assimetria da ventilação, concentrando quase totalmente a ventilação no pulmão direito. No DLE, a ventilação foi aumentada para o pulmão dependente de 42% para 48%, possivelmente por broncodilatação mecânica do brônquio esquerdo pela aplicação de CPAP.()

O presente caso reforça o interesse na utilização da TIE para a avaliação da ventilação pulmonar regional, especialmente na lesão assimétrica das vias aéreas. Além disso, a TIE tem a vantagem, em relação à cintilografia, de ser um exame de alta resolução temporal que avalia de forma dinâmica os efeitos das mudanças de decúbitos e da aplicação de CPAP.