Газета «Новости медицины и фармации» 6 (404) 2012

По мере развития научных направлений расширяются взаимоотношения с сопредельными концепциями, связи с существующими знаниями. Выдающимся примером такого взаимоотношения по праву служит история изучения респираторной вентиляции. Еще полтора столетия назад физиологическое понимание этой функции было совсем не развито, а диагностика такого рода нарушений ограничивалась ремесленническим суждением. Казалось, что будущее этого направления должно заключаться только в техническом усовершенствовании. Неудивительно поэтому, что инструментальному изучению функции внешнего дыхания (ФВД) противопоставлялась тогда считавшаяся более важной в научном и практическом отношении деятельность врача-терапевта (А.А. Дубинский).

Таковы были официальные нормы. Однако по мере развития пульмонологии, которая становилась Пульмонологией, независимо внедрялась в общую врачебную науку и вступала с ней в более тесную практическую связь, она достигла в конце концов своего выдающегося современного значения. Причины такой трансформации становятся понятны теперь, так как этому способствовали разработка и внедрение спирометрического метода, благодаря которому деятельность пульмонолога (терапевта) стала более углубленной и диагностически целесообразной, чем это было в доспирометрическую эпоху. То есть с внедрением спирометрии в медицинскую практику появилась возможность понять ФВД в норме и патологии. Данное исследование стало ведущим в медицине, так как решает ряд клинических задач: диагностику, в том числе раннюю, заболеваний легких (1); оценку эффективности терапии бронхолегочной патологии (2); уточняет характер течения, степень тяжести, прогноз и трудовую экспертизу в зависимости от результатов последовательных респираторных тестов (3); убеждает больных в необходимости ведения здорового образа жизни (например, демонстрация взаимосвязи курения, одышки и необратимости бронхиальной обструкции) (4) [1].

В связи с этим не вызывает никакого сомнения, что диагностика бронхолегочной патологии была неразрывно связана с поиском спирометрических критериев, то есть параметров, с помощью которых устанавливается истинность болезни. Вполне естественно и то, что в ходе зарождения спирометрии рождались и отцветали научные и практические иллюзии. Но в итоге, благодаря развитию смежных наук (физики, химии, математики, биологии и др.), появилось понятие спирометрии (лат. spiro — дуть, дышать — 1681 г. и греч. metron — мера, мера длины — 14-й век) как критерия диагностической истины, то есть метода, измеряющего динамику легочных объемов и емкостей. Использующиеся для этих измерений устройства назвали спирометрами, но когда они стали фиксировать результаты исследования на носителях информации, то спирометр приобрел название спирографа, а процесс регистрации —  спирографии (1852, лат., греч. jзagh —  письмо, запись). В свою очередь, регистрация показателей ФВД и их отношений в виде графика или диаграммы названа спирограммой. Многое в терминологии зависит от того, в чем видеть характерную особенность метода. Поэтому спирометрию называют по-разному: исследование ФВД, пневмотахометрия, спирография, компьютерная спирометрия и др. Все это разные обозначения, в общем-то, одного метода исследования, который оценивает объемы легких и скорость прохождения воздуха по дыхательным путям [2].

Безусловно, это история, но история, которая отнюдь не всегда витала в эмпиреях, зато иногда ей удавалось «пить из реки по имени Факт». Поэтому среди сонма противоборствующих научно-практических событий центральным «портретом» оставалась ФВД и метод, позволяющий ее исследовать, то есть спирометрия, история которой, как и всякая история, должна прежде всего рассказать, что и как произошло.

Понимая образовательную значимость документов минувших столетий по спирометрии, автор не мог обойти вниманием то, что самая ранняя и известная ее концепция восходит к временам Римской империи. Между 129–200 гг. н.э. Galen (Клавдий Гален, греческий врач и философ) первый проводил достаточно кропотливые эксперименты по изучению вентиляционных возможностей легких у человека. Он изучал вдох и выдох у мальчиков, которые надували какой-либо пузырь, и таким образом обнаруживал, что объем газа был неизменен. Гален не проводил никаких измерений объема легких и выдыхаемого воздуха. В итоге ничего особенного нельзя было извлечь из этих наблюдений.

Через пять столетий (1681 г.) Giovanni A. Borelli (1608–1679) пытался измерить объем вдыхаемого воздуха при одном вдохе. Он брал цилиндрические трубки, частично заполненные водой, и всасывал из них воду. По количеству всасываемой воды он высчитывал объем легочного воздуха. Эта техника оказалась важной для получения параметров легочных объемов. Более того, он впервые в период эксперимента зажимал ноздри, а также рассматривал возможность создания дыхательного ап­парата для подводных исследований. G.A. Borelli изучал под микроскопом состав крови. Ему принадлежат труды по биомеханике, «О причинах лихорадки», «О движении животных» (1680), «De vi percussionis (1667)» и другие.

В дальнейшем J. Jurine (1718 г.) вдувал воздух в различные емкости и измерял в них объем воздуха по закону Архимеда (закон статики жидкости и газов). Он подсчитал, что при обычном дыхании за единицу времени вдыхается 650 мл воздуха, а при максимальном выдохе — 3610 мл.

В 1727 г. St. Hales подтвердил результаты J. Jurin, говорящие о 3610 мл объема воздуха при максимальном выдохе. Методика измерения, которой он пользовался, неизвестна.

Daniel Bernoulli (1700–1782), выдающийся голландский и швейцарский физик и математик, занимался приложением математики к механике, особенно к механике жидкости. Ему удалось описать метод измерения объема выдыхаемого воздуха в 1749 году.

Физик Е. Goodwyn в 1788 году ртом вливал воду в полую емкость, которая была установлена на весах. В результате он заявил, что жизненная емкость легких (ЖЕЛ) может достигать 4460 мл. E. Goodwyn впервые стал пользоваться поправкой на температуру окружающего воздуха, но он не надевал клип на нос во время дыхательного теста.

Конец 18-го века. 1793 год. Врач и педагог Djon Abemethy пытался определить, как много кислорода в экспираторном воздухе. Он понимал, что в выдыхаемом из легких воздухе кислорода должно быть меньше, чем во вдыхаемом, так как организм для своего функционирования должен использовать кислород. Он собирал выдыхаемый воздух в ртутной колбе. Abemethy измерил жизненную емкость легких, которая составила 3150 мл.

В 1796 году R. Menzies погружал человека в бочку с водой до самого подбородка, причем он герметизировал погруженное тело на уровне шеи и края бочки (прототип бодиплетизмографа). Таким образом он измерял увеличение и падение уровня в цилиндре, установленном возле подбородка и соединенном со ртом. Таким методом он пытался определить периодические (дыхательные) объемы.

William Hasledine Pepys (1775–1856) разрабатывал аппараты, способные насыщать воду кислородом (1798), создавал ртутные контакты в электрических аппаратах, а также изобрел внутреннее покрытие indiarubber резиновых трубок, предназначенных для транспортировки газов. Он также изобрел ртутный газометр. W.H. Pepys внес значительный вклад в продвижение химических и физических наук в первой половине 19-го века. К тому же он последовательно изучал дыхание, выполненное на аппарате, разработанном большей частью им самим (эвдиометр). Эти эксперименты повторяли исследования Лавуазье и Сегена, но имели свои особенности, цитируемые до сих пор. Одной из главных задач исследований У.Х. Пеписа было доказательство того, что содержание углекислоты в определенном объеме выдыхаемого воздуха почти в точности равно содержанию кислорода во вдыхаемом воздухе. То есть Пепис исследовал дыхательные (периодические) объемы. В 1799 году W.H. Pepys пытался найти периодический (дыхательный) объем с  помощью двух ртутных и одного водного газометра. По его подсчетам, дыхательный объем соответствовал 270 мл.

Химик Humphry Davy (1778–1829) работал в «Пневматическом институте» (Англия), основанном Томасом Беддо (Beddoes Thomas, 1760–1808). Доктор Т. Беддо считается основоположником ингаляционного пути введения лекарств и респираторной медицины. Основанный им институт — первый в мире научно-исследовательский и лечебный центр, где изучались физиология и патология дыхания.

Ко времени приезда Дэйви в институт там уже широко проводились испытания по ингаляции кислорода, водорода, азота и некоторых недавно открытых углеводородов. Дэйви провел эксперимент, заключающийся во вдыхании трех-четырех кварт закиси азота из приготовленного непроницаемого шелкового мешка. В дальнейшем Дэйви подробно описал свои галлюцинации во время этого сеанса, но тогда открытие Дэйви анестезиологических свойств закиси азота осталось в тени.

Однако особый вклад H. Davy в развитие физиологии и патологии дыхания заключался в том, что он в 1800 году измерял с помощью газометра собственную жизненную емкость легких и периодический объем, которые составили 3110 и 210 мл соответственно. Остаточный объем ему удалось вычислить методом разведения водорода; заключительный результат достиг ~ 600 мл. Таким образом, эксперименты с газометром позволили сэру Хемфри Дэйви сделать расчеты по потреблению кислорода и утилизации углекислого газа, что косвенно, но точно оценивало собственно дыхание.

Изучение природы газов, во многом индуцированное сторонниками пневматологии, позволило открыть физические законы зависимости объема газов от атмосферного давления и температуры. Влияние давления на объем газа было установлено Р. Бойлем в 1660 и  Э. Мариоттом в 1667 г. Гораздо позднее А. Вольта (1792) и Ж.Л. Гей-Люссак (1802) установили влияние температуры. Эти законы вместе с законом Гей-Люссака об объемных отношениях при соединении газов и составили основу пневматологии.

Пристли (Pristli), развивая идеи Гельмонта, стал экспериментально изучать действие открываемых им газов на животных и человеке. И естественно, в первую очередь был испытан эффект вдыхания им же открытого кислорода. Так развивалась «пневматическая» (респираторная) медицина.

В 1813 году Е. Kentish использовал простой Pulmometer для изучения вентиляционного объема при различных заболеваниях человека. Pulmometer представлял собой перевернутый стеклянный колпак, стоящий в воде. На его вершине было отверстие для дыхания с вмонтированным контролирующим краном. Объем воздуха измерялся в единицах (целых числах).

Спирометр (Pulmometer), похожий на спирометр Kentish, в 1831 году описал C.T. Thrackrah, но воздух в этой конструкции поступал в стеклянную банку с отверстием снизу. В то же время исследователь все еще не делал поправки на давление. Тем не менее спирометру приписывалось измерение не только дыхательного объема, но и мощности дыхательных мышц на выдохе.

Для 1844 года характерно то, что A.B. Maddock публикует в журнале Lancet письмо в редакцию по поводу своего спирометра, который он нашел крайне необходимым и полезным для определения мощности легких при различных обстоятельствах и условиях. «Принцип данной машины впервые был предложен покойным Abemethy,  но Maddock не упомянул T. Thrackrah или Е. Kentish».

В 1845 году спирометр используется Karl fon Vierordt, который опубликовал книгу «Physiologie dе Athmens mit besonderer Rьcksicht fuf die Auscheidung der Kohlensдure». Даже если основной исследовательский интерес Vierordts был сконцентрирован на определении состава выдыхаемого газа (воздуха), он дал очень точное определение объемных параметров. Для своих экспериментов он использовал экспиратор. Vierordt были описаны некоторые параметры, которые используются и сегодня в современной спирометрии — like f.ex. (объем форсированного выдоха), residual volume (функциональный остаточный объем) и vital capacity (жизненная емкость легких).

Результаты исследований на собственно разработанном водном спирометре хирург John Hutchison опубликовал в 1846 году. Он изобрел градуированный колокол, перевернутый в воду, в котором было отверстие для выдыхания воздуха. Хатчинсон исследовал жизненно важные параметры дыхания у более чем 4000 человек. Он классифицировал обследуемых на лиц из «бедноты», «первого гвардейского гренадерского батальона», «кулачных бойцов и борцов», «гигантов и гномов», «девушек», «джентльменов», «больных и умерших». Он показал линейную (прямую) зависимость жизненной емкости легких от роста и обратную связь между ЖЕЛ и возрастом. Также Хатчисон доказал, что ЖЕЛ обследуемых им групп людей не связан с весом ни на какой заданной высоте. Хатчинсон начал свои спирографические исследования в 1844 году. Это он предложил термин ЖЕЛ и считал, что этот показатель отражает долголетие. Поэтому он пропагандировал его как мощный прогностический фактор при заболеваниях сердечно-сосудистой системы. Хатчисон считал, что его спирометр должен быть использован в компаниях, страхующих жизнь людей [3].

Т.H. Wintrich в 1854 году модифицировал спирометр и сделал его более простым в использовании, чем спирометр Хатчинсона. Wintrich обследовал около 4000 человек на своем спирометре и обнаружил около 500 случаев патологии. В итоге он заключил, что 3 параметра определяют ЖЕЛ — рост обследуемого, вес и возраст, что показало схожесть этих данных с результатами Дж. Хатчисона.

В 1859 году E. Smith разработал портативный спирометр и попытался измерить газовый состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

В рекордно короткие сроки А. Salter в 1866 году добавил к спирометру кимограф, то есть прибор, графически регистрирующий физиологические процессы, как вариант более быстрой оценки полученных данных.

В 1868 году P. Bert удалось провести эксперименты на животных в закрытой плетизмографической системе. Он представил результаты своих исследований в Sociйtй de Biologie» под названием «Изменения легочного давления воздуха в течение двух периодов дыхания». Bert не делал спирометрических измерений, регистрирующих объемы легких, связанные с динамикой кровенаполнения, то есть плетизмографию в современном ее понимании, но можно считать, что он впервые провел плетизмографические измерения на людях.

Работа J. Gaad о спирометре (Pneumatograph) с возможностью графической записи была опубликована в 1879 году. В дополнение к известным спирометрическим параметрам данный аппарат позволял регистрировать изменения объема грудной клетки во время вдоха и выдоха. «Тот, кто занимается экспериментальными вопросами по механике дыхания, вскоре овладеет аппаратом, который способен записывать изменения объема грудной клетки». Gaad провел точное тестирование своего Pneumatograph на кроликах, прежде чем он сделал первые измерения параметров дыхания у человека. Кроме того, J. Gaad предложил новое название для своего Pneumatograph — Aeroplethysmograph.

В данном повествовании сохраняется историческая точность и последовательность, а также много таких деталей, которые внушают доверие. Более того, описанные исследования 19-го века подготовили научную и техническую почву для развития и создания спирометров/спирографов в современной медицине.

Так, T.G. Brodie в 1902 году был первым, кто разработал сухой спирометр с преобразователем воздушного потока (dry bellow wedge); его предшественником был Fleisch, спирометр которого использовался до последнего времени, то есть до внедрения автоматических спирографов.

Благодаря Tissot, 1904 год ознаменовался введением закрытой циркулирующей модели спирометра.

В 1929 году H.W. Knipping предлагает стандартную методику спироэргометрии. Вместе с C. Spek в 1883 г. он создал эргометр, который назвал ergostat, а в 1896 г. Е. Bouny провел исследования и использовал первый эргометр в виде велосипеда.

Эргоспирометрия имеет определенную важность в современных исследованиях, диагностике, терапии, реабилитации, культуре и спорте. Этот метод измерения функции легких во время физической активности совершил огромный прорыв в научном мире, так как позволил измерить потребление кислорода и расход энергии во время физических упражнений и, следовательно, получить гораздо больше информации о здоровье лиц, у которых проводят данный тест.

R.V. Christi не занимался спирографическими исследованиями, но в 1944 году он акцентирует внимание на роли эмфиземы легких в формировании бронхиальной обструкции и вводит понятие патологического мертвого пространства [4].

R. Tiffeneau также не разрабатывал спирографической аппаратуры, но в 1947 году он вводит в клиническую практику параметр (индекс Тиффно), регистрируемый спирографически — отношение объема форсированного выдоха за 1 секунду (ОФВ1) к ЖЕЛ и определил его информационное значение [5].

Хирург G. Gensler в 1951 году предложил концепцию временной ЖЕЛ, которая в конечном счете стала известна как ОФВ, измеренная во времени.

Как следствие, в течение многих лет были созданы спирометры довольно простой системы, то есть измеряющие объем легких с использованием закрытого контура, в котором дыхание осуществляется в замкнутом объеме. Изменение объема легких регистрируется по изменению объема цилиндра, соединенного с откалиброванным вращающимся барабаном. В спирометрах открытого типа (когда пациент дышит обычным воздухом помещения) используется пневмотахограф, представляющий собой трубку с искусственно моделируемым сопротивлением, соединенную с обеих сторон с манометром, регистрирующим давление.

Сопротивление в современных пневмотахографах создано по системе Флейша (в виде параллельных пластин) или по системе Лилли (в виде сетки). В отечественных пневмотахографах использовался датчик типа турбины.

В последующем B.M. Wright и  C.B. McKerrow в 1959 году разработали и внедрили пикфлоуметр, который также является спирометром.

Плетизмографическое обследование  людей получило развитие в работах  A.B. DuBois и Woestijne van de K.P. (1969).

В 1974 году D. Campbell et al. представлены дешевые и легкие в использовании пикфлоуметры.

Итак, в результате многовековых экспериментальных разработок химиков,  физиков, биологов, врачей и технологов были предложены различные типы спирометров:
1. Плетизмограф, который графически определяет колебания объема различных органов тела в зависимости главным образом от степени их кровенаполнения. Что касается легких, то это один из типов спирометра, который дает более точные измерения компонентов легочных объемов по сравнению с другими традиционными спирометрами. Человек во время исследования заключен в небольшое пространство (кабину).
2. Пневмотахометр — это спирометр, измеряющий максимальный объем скорости (МОС) форсированного выдоха и вдоха. В данном приборе преобразователем потока служит трубка с диафрагмой (мелкая сетка), а измерительным устройством — механический индикатор, по отклонению стрелки которого судят о пиковом значении МОС.
3. Электронные спирометры были разработаны с целью поступления воздуха в трубку без необходимости тонкой сетки (диафрагмы) или движущихся частей. Эти модели измеряют скорость воздушного потока с использованием таких методов, как ультразвуковой преобразователь. Такого рода спирометры имеют более высокую точность за счет исключения побочных импульсов и ошибок, связанных с движущимися частями.
4. Спирометры с использованием одноразовых клапанных трубок, измеряющих расход воздушного потока, позволили улучшить гигиенические условия проведения дыхательных тестов.
5. Insentive spirometer, или пикфлоуметр, — это устройство, измеряющее способность человека максимально выдыхать. Пикфлоуметр — простой механический прибор, имеющий механический датчик (клапан). Пиковая скорость выдоха измеряется в диапазоне 60–800 л/мин.
6. Windmill-type spirometer. Эти аппараты используются специально для измерения ФЖЕЛ и имеют широкий диапазон измерения — от 1000 до 7000 мл. Это портативные и легкие модели по сравнению со стационарным типом. Такой спирометр должен быть расположен при использовании в горизонтальном положении из-за наличия вращающегося диска.
Для измерения пикового потребления кислорода во время стресс-теста был разработан ergospirometer, в частности Metamax 38 Cortex Biophysik [6]. D. Bassett et al. [7], экспериментируя, сравнивали технику Douglas с компьютеризированными системами. Вывод был однозначен: компьютеризированные системы спирографов дают более точную конфигурацию вдоха и выдоха, а времени на тестирование затрачивается значительно меньше. Некоторые другие спирометры, используемые в недалеком прошлом, сохранились в виде Fleish pneumotachygraphic спирометра [8], Vitalograph и Jaeger спирометров [9].

Хотя спирометрия является золотым стандартом при диагностике обструктивных бронхолегочных заболеваний, в действительности нет золотого стандарта для собственно спирометрической системы. Эти методы могут считаться точными, хотя возможны порой незначительные расхождения результатов. Данные различия не являются настолько распространенными, чтобы считать конкретные методы неточными. Похоже, что выбор спирометрической системы в большей степени зависит от того, что исследователи предпочитают, то есть какую задачу решают и в каком виде врачебной деятельности будет использоваться та или иная спирометрическая система, а не от скрупулезной точности того или иного спирометрического аппарата.

Таким образом, история развития спирометров показала, что данные аппараты представляют собой емкость переменного объема, к которой с помощью воздуховодов подключается исследуемый. При дыхании изменяется объем воздуха в легких и, соответственно, в емкости спирографа, что и записывается на графической ленте или автоматически. В результате спирометрия измеряет объемную скорость воздушного потока и изменения объема дыхательной системы, но наиболее клинически значимые сведения дает анализ экспираторного маневра (выдоха).

В заключение следует подчеркнуть, что история спирометрии представлена различными исследованиями, концепциями и техникой. С развитием точных наук спирометрия развивалась, превращаясь в сложное измерение легочных функций. Сегодня спиромет­рия является чрезвычайно точным методом измерения расхода энергии, основанным на простом уравнении:  V O2 = (объем O2 вдоха) — (объем O2 вы- доха) [14].