Pulmonary Function
Tests
Department of Respiratory medicine
Zhongshan Hospital Fudan University
Zhu Lei
The Indication for PFTs
Dyspnea, chronic cough
Suspectable bronchus, lung, heart, or vertebrae
diseases
Descending motor ability
Judgment of airway hyperresponsiveness
The Indication for PFTs
The evaluation of therapeutic efficacy
in bronchial danrespiratory diseases
(No therapy without check!)
The investigation of community
medicine and epidemiology
The evaluation of risk of surgery and
anaesthesia
The research of occupational disease
Some Important Name
• 肺功能测定
– Pulmonry function test －PFT
• 肺功能参数
– Pulmonry function parameters －PFPs
• 静态肺功能参数
– Static lung parameters
• 动态肺功能参数
– Dynamic lung parameters
• 动脉血气
– Artery blood gases－ABGs
The Content of Pulmonary
Function Testing
• lung volume
• Ventilation Function
• Gas Exchange Funtion
– Gas distrubusion
– Gas diffusion
– Ventilation perfusion ratio
– Lung shunt
• Dynamic mechanism
• Arterial blood gases analysis
Lung Capacity
Basal Lung Volume
• tidal volume(VT)
–VT×RR＝VE
• Inspiratory Reserve Volume(IRV)
• Expiratory Reserve Volume(ERV)
• Residal Volume(RV)
Basal Lung Capacity
• Inspiratory Capacity(IC)
• Vital Capacity(VC)
• Functional Residual Capacity(FRC)
• Total Lung Capacity(TLC)
Normal Pulmonary Function
• Capacity
– directly measured lung capacity
– indirectly measured lung capacity (the
parameters including RV)
• Ventilation function
– forced expiratory volume and forced
expiratory volume in certain second
– maximal voluntary ventilation
– flow-volume curve
• direct measurement
• CO diffusion
• indirect measurement
The measurement of directly measured
lung capacity and ventilation
•
•
•
•
肺活量和静息通气功能
流速容量环
时间肺活量检查
每分钟最大通气量检查
Slow Spirometry
Flow-Volume Loop
Forced Spirometry
MVV
Spirometer
1846
J. Hutchinson
“VC”
1950
Tiffeneau
“V (t), FVC, FEV1”
1956
Du Bois
“Raw, Zosc”
residual volume determinating apparatus
diffusion capacity test apparatus
Flowmeter
Pneumotachygraph
Lilly Type Flow Transducer
Static lung parameter
VC
IRV
VT
ERV
Pulmonary Ventilation Function
• Expiratory Minute Ventilation(VE)
• Alveolar Ventilation(VA)
• Maximal Ventilatory Volume(MVV)
• Forced Vital Capacity(FVC)
• Flow-Volume Curve(Loop)
Alveolar Ventilation
• Gas volume from exhalerespiratory
bronchiole and alveoli
–Ventilation efficacy
• anatomical dead space
• alveolar dead space
• physiological dead space(VD)
VA－calculation
• VD
VT
PACO2－PECO2
PACO2－PICO2
· PACO2= PaCO2，PICO2=0
• VD
VT
PaCO2 －PECO2
PaCO2
• VA=VT(1－VD/VT)×RR
The clinical importance of VA
•
VA： effective ventilation
• consequence of VA
• PaO2↓ PaCO2↑
•influencing factor
•VE ↓
•alteration of respiraion pattern
Forced Spirometry
Volume(L)
TLC
FEV1
a b
FVC
MMEF = bc / ab
c
RV
0
1
2
3
4
5
Time(s)
Dynamic lung parameter
• FVC
• FEV1
– 绝对值占预计值的比例，反应减退的程度
• FEV1/FVC
– 反映阻塞的存在
– COPD与阻塞的区别
Dynamic lung parameter
Combination
Flow Volume - Spirometry
1s
FEV 1
MVV
• Measurement time 12s or 15s
• MVV＝measured value＊5(or 4)
Operating Requirements
Environmental Calibration
• Measurement of
Environmental
Parameters
• BTPS autocorrection
Volume Calibration
Automatic volume (flow) calibration
Manual volume calibration
Gas calibration
•
•
•
•
•
•
CO
原理：电化学法
范围：0 - 0.4 %
分辨率：0.0002 %
精度： 0.003%
稳定性：< 0.0006%
He
• 原理：惠斯通电桥热导式
• 范围：0 - 10 %
• 分辨率：0.005 %
• 精度： 0.05%
• 稳定性：< 0.02%
Prerequisites for best function measurements to
obtain reliable and reproducible parameters
subjects :
- sitting position- static lung parameters
- erect position - dynamic lung parameters
- maximal motivation
operator :
-routine in operating the equipment
-detailed and comprehensible instruction of the
patient before measurement
-reliable and motivating instruction of the patient during
the measurement
影响肺功能的相关因素
• 身高、体重、年龄、种族
• 生长，老年改变
– 取预计值的80％
– FEV1/FVC和RV/TLC例外
•
•
•
•
体位
昼夜变化：早晨FEV1下降0.2升
妊娠：TLC /(-)；RV、FRC、VC(-)
其它：环境因素、吸烟
间接测定肺功能指标的测定方法
残气量
间接测量的参数
功能残气量
肺总量
测量方法
弥散
密封式氦稀释法－ 重复呼吸法
－ 一口气法
氮稀释法－密闭式重复描记法
体容积描记法
Single Breath Method
•Lung Volume by SB with Helium
•DLCO by
SB
Diffusion physiology
3 Steps of a diffusion
1. Distribution
2. Diffusion
3. Perfusion
Diffusion physiology
DLCO = Inspired gas volume/mmHg/min
diffuded gas amount
＝
PACO×breath hold time
Diffusion SB
TA
DV
SV
V IN
c 1996
Diffusion by RB
弥散功能的影响因素
•
•
•
•
•
体表面积
年龄
体位
运动
肺容量
•
•
•
•
屏气时间
吸氧浓度
吸烟
血红蛋白
气体弥散的决定因素
• 呼吸膜两侧气体分压差:
* 正常的通气功能
* 正常的气体分布
* 时间常数
• 气体溶解度
* 气相：CO2<O2
* 液相：CO2>O2
正常肺 CO2弥散率/O2 弥散率=20.6/1
• 气体分布
• 弥散面积、距离
• 血流量
Abnormal Pulmonary Function
Obstructive disease
.
obstructive ventilation disorder
Normal
Mild
Severe
Impertant Concept
• Airway Obstrucion
• Airflow Obstructin
• Airflow Limitation
Airflow Obstruction of perapheral airway
FEV1
FVC
VC >FVC
RV、FRC、
FRC/TLC
Middle- perapheral airway Obstruction
FEV1
FVC 0
RV、FRC、
FRC/TLC
Fixed Obstruction of Large Airway
Flow
FEV1
Volume
VC、RV、FRC
、FRC/TLC－
intrathoracic nonfixed obstruction of large airway
Flow
Vlume
Extrathoracic Nonfixed Obstruction of Large Airway
Flow
Volume
Restrictive Ventilation Disorder
Restrictive Ventilation Disorder
FEV1 0
FVC
FVC =VC
RV、FRC
FRC/TLC
Grade of Pulmonary Funcion
VC (FVC)
FEV1
MVV
mild
79-60
79-60
79-60
middle
59-40
59-40
59-40
severe
<40
<40
<40
Small Airway Dysfunction
•FVC、FEV1、FEV1/FVC: Normal
•FEF25~75%(MMEF)、FEF50%(V50)、
FEF25(V25) :
two of three <lower limit of normal(LLN)
Dynamic Lung Compliance at Certain Respiratory
Rrequency (CdynRR)
Normal Small Airway Function
Small Airway Dysfunction
通气功能障碍基本判断标准
• 阻塞性通气功能障碍
FEV1/FVC比值<95%正常预计值可信限
• 限制性通气功能障碍
FVC<95%正常预计值可信限
• 小气道病变
FVC、FEV1、FEV1/FVC三者在正常范围
FEF25~75%、FEF50%、FEF25三者中有二个低于
95%正常预计值可信限
激发试验
药物激发试验
运动激发试验
冷激发试验
The PFP change of COPD
High risk factors
• Small airway disease
Mild obstructive
• Obstructive ventilation
• Normal pulmonary volume
• Normal DLco
Mild to middle obstructive
•
•
•
•
Obstructive ventilation
Normal pulmonary volume
Decreased DLco
Deep and slow breath
Middle obstructive
• Obstructive ventilation
• Lung volume
– Normal VC
– Increased RV FRC RV/TLC FRC/TLC
• Decreased DLco
• Deep and slow breath
Middle to severe obstructive
• Obstructive ventilation
• Lung volume
– Decreased VC
– Increased RV FRC RV/TLC FRC/TLC
• Decreased DLco
• Deep and slow breath
• Increased VE
Severe obstructive
• Obstructive ventilation
• Lung volume
– Decreased VC
– Increased RV FRC RV/TLC FRC/TLC(>67%)
• Decreased DLco
• Shallow and quick breath
• Respiratory failure
– Increased PaCO2
Arterial Blood Gases Analysis
Arterial Oxygen Partial Pressure(PaO2)
P total =PN2+PO2+PCO2+•••
氧分压为氧气所占的部分压力，即溶解状态的氧
所占的压力
平原
正常值95～100mmHg（年轻人）
高原
大气压 PaO2
PAO2与VA 、每分钟氧耗量及FiO2有关
PaO2
PaO2与PiO2 、通气功能、换气功能及机体氧耗
量有关
 空气、肺泡、动脉血和混合静脉血氧和CO2分压的比较（mmHg)
PO2
PCO2
空气
150
0.3
肺泡
104
40
动脉血
100
40
混合静脉血
40
46
Arterial Partial Pressure of CO2(PaCO2)
CO2分压是血液中溶解状态的CO2所占的压力
CO2排出途径
体内产生的CO2 经静脉血 右心 肺血管 肺泡
经呼气
排出体外
 VCO2恒定时，PACO2与VA成反比
 PaCO2的正常值、临床意义
Arterial Saturation of Hb with O2(SaO2)
SaO2= HbO2/(HbO2+Hb)×100％
Normal value 95～98％
Oxygen Dissociation Curve
SaO2
PaO2
Oxygen Dissociation Curve
Influencing Factor
PaCO2
pH
temperature
2,3-DPG
right shift
left shift
↑
↓
↑
↑
↓
↑
↓
↓
Arterial Content of O2 (CaO2)
 CaO2指每100ml血液中所携带氧的ml数
 包括
物理溶解的氧
与Hb结合的氧
 CaO2=0.003×PaO2+1.34 × SaO2 × Hb
 氧的溶解系数是指100ml血液中每1mmHg氧分压有
0.00315ml物理溶解状态的氧
 氧的溶解系数为0.00315
CaO2
▲在SaO2为95％，Hb为15.5g％状态下
◆正常人动脉血红蛋白结合氧量为
1.34(ml/g) ×95％×15.5g％=19.7ml/100ml
◇血氧含量为19.7ml/100ml+0.3ml/100ml
=20ml/100ml
CaO2
◆在正常大气压下呼吸空气时物理溶解氧量(0.3ml)
明显低于血红蛋白结合氧量(19.7ml)
◇物理溶解氧量与PO2成正比
1个大气压下 物理溶解氧量约0.3ml/100ml血
3个大气压下 物理溶解氧量约6ml/100ml血
(可满足机体对氧需求)
Total Plasma CO2 content(T-CO2)
H2CO3
CO32－
carbamido-CO2
HCO3－
Dissolved CO2
0.0017
0.03
0.17
24
1.20
Carbon Dioxide Dissociation Curve
CO2 content
PCO2
Actual Bicarbonate(AB)
AB－在实际PCO2及血氧饱和度情况下，
血浆所含的HCO3－含量
受呼吸、代谢因素的双重影响
 正常值
22～27mmol/L
平均 24mmol/L
Standard Bicarbonate(SB)
SB－血液在37℃、Hb充分氧合及PCO2
40mmHg条件下，血浆的HCO3－含量
去除呼吸因素影响，能反映代谢性酸碱平
衡情况
正常值
22～27mmol/L
平均 24mmol/L
pH
pH值是血液酸碱度的指标
+
pH＝－lg[H ]
正常值
7.35~7.45
pH变化的临床意义
Buffer Base(BB)
BB——是血液中具有缓冲能力的负离子的总和
• 正常值
45～55mmol/L(平均50mmol/L)
全血缓冲碱的组成
血浆HCO3－
红细胞HCO3－
氧合和还原血红蛋白
血浆蛋白
有机、无机碳酸盐
–SBB－与SB含义相似
35％
18％
35％
7％
5％
Buffer Excess(BE)
ABE、SBE(BE)与AB、SB，及BB、SBB含义相似
BE 37℃、Hb充分氧合、PCO240mmHg，将1
升全血的pH滴定到7.40所需的酸或碱量
BE＝SBB－BB
正常值：±2～3mmol/L
能反映血液缓冲碱的变化，指导临床补酸或碱量
酸碱平衡调节的机制
血液的缓冲系统
细胞内外离子交换
肺脏、肾脏的调节
缓冲能力最差的是脑脊液
不同类型酸中毒的代偿特点及对机体的影响
急性－细胞内代偿为主，强大且迅速，对机体损伤小。
呼吸性
脑脊液缺乏代偿，脑血管扩张，精神－神经症状明显。
慢性－血液和细胞内的代偿同样显著。
脑脊液代偿完全，症状不明显。
酸中毒
排泄障碍－血液 H+浓度首先升高，血液首先发挥代偿作用。
对细胞内和脑脊液影响较小。
代谢性
代谢障碍－细胞内 H+浓度首先升高，但细胞内代谢受损，
缓冲作用不能有效发挥。
+
－细胞损伤，H 进入细胞外液，血液代偿为主。
－原发病和并发症表现突出。
呼吸性
细胞内代偿为主，神经－肌肉症状明显。
脑脊液缺乏代偿，精神－神经症状明显。
碱中毒
总体缓冲能力非常弱。
代谢性
酸性物质丢失多或电解质紊乱，细胞外代偿为主。
对脑脊液和细胞内影响小，症状相对较轻。
图 8－3 不同类型碱中毒的代偿特点及对机体的影响
表 8－4
急性单纯性酸碱紊乱指标的变化
类型
pH
PaCO2
HCO3-
BB
BE
呼酸
降低
升高
略升高
正常
0
呼碱
升高
降低
略降低
正常
0
代酸
降低
正常
降低
降低
－
代碱
升高
正常
升高
升高
＋
表 8－5
慢性代偿性酸碱紊乱指标的变化
类型
pH
PaCO2
HCO3-
BB
BE
呼酸
降低或正常低限
升高
升高
升高
＋
呼碱
升高或正常高限
降低
降低
下降
－
代酸
降低或正常低限
降低
降低
降低
－
代碱
升高或正常高限
升高
升高
升高
＋
酸碱紊乱
• 急性呼酸
– PaCO2>45mmHg，pH<7.35；HCO3->SB，SB正常；
BE正常； hypoxemia 。
• 慢性呼酸
– PaCO2>45mmHg；pH正常(一般<7.4)，或稍低于
7.35；HCO3->SB>正常，BE为正值；存在低氧血症。
• 呼酸并发代碱
– PaCO2>45mmHg；pH>7.45，或接近7.45；SB>正
常，BE为正值；存在低氧血症，常有低钾血症或低
氯血症。
谢
谢
！