Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Ciências da Saúde Departamento de Fisioterapia Programa de Pós-Graduação em Fisioterapia

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1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Ciências da Saúde Departamento de Fisioterapia Programa de Pós-Graduação em Fisioterapia ANTONIO JOSÉ SARMENTO DA NÓBREGA NOVAS METODOLOGIAS DE AVALIAÇÃO E INTERVENÇÃO EM PACIENTES COM ESCLEROSE LATERAL AMIOTRÓFICA Orientadora: Dra. Vanessa Regiane Resqueti Fregonezi Coorientador: Dr. Guilherme Augusto de Freitas Fregonezi 1

2 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Ciências da Saúde Departamento de Fisioterapia Programa de Pós-Graduação em Fisioterapia NOVAS METODOLOGIAS DE AVALIAÇÃO E INTERVENÇÃO EM PACIENTES COM ESCLEROSE LATERAL AMIOTRÓFICA Tese apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Fisioterapia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito para obtenção do título de Doutor em Fisioterapia. Área de concentração: Avaliação e Intervenção em Fisioterapia. Área de pesquisa: Avaliação e intervenção nos Sistemas Cardiovascular e Respiratório Orientadora: Profᵃ. Dra. Vanessa Regiane Resqueti Fregonezi Natal,

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4 AGRADECIMENTOS Bem, muitas pessoas pensam que sempre foi fácil ou sempre foi sorte, mas a batalha até chegar aqui não foi nada assim. Dias cansativos e muitas noites sem dormir valeram a pena para conseguir defender o Doutorado em 2 anos cravados. Aliás, um ano e meio destes 2 anos pareceram até 4, durante o período de Doutorado sanduíche na Itália (valeu CAPES e CNPq!!!), longe de todos que gosto e acompanharam minha jornada até aqui. Gostaria de agradecer ao Superior que esteve presente durante esta caminhada longa e, com certeza, todas as noites em minhas orações. Aos meus pais Maria do Socorro Sarmento da Nóbrega e Francisco Gil Marques da Nóbrega que sempre me incentivaram e impulsionaram a ir além e não me deixaram na mão em nenhum momento, apesar da grande saudade diária que me circunda todo dia quando acordo ou vou dormir. Tenham certeza que levarei todos seus ensinamentos comigo. A Ana Karoline, apesar da distância, também cheguei aqui por você, nega! Aos meus avós paternos e maternos que levaram os filhos do sítio para a cidade para tentar dar mais qualidade de vida. Cheguei aqui por causa de vocês também! A todos meus tios, em especial aqueles que estão próximos e que sabem a quantidade de aperreio que as vezes passo, mas sempre tem uma cervejinha no final de semana para esfriar a cabeça. Dedico também a todos colegas e família do jiu-jitsu que me acolheram no período que estava em Milão, em especial ao Alberto e ao Prof. Nicola, aos meus colegas de infância lá do interior da Paraíba que me acolhem toda vez que vou ver meus pais e também a Maradona, Vitão, Albano e Etinho que quase vivem lá em casa e acabo desabafando muitas vezes. Tamo junto bando de caba! Aos professores Vanessa e Guilherme que me deram a oportunidade desde o início do mestrado e confiaram na minha pessoa para trabalhar com a coisa que mais gosto de fazer hoje em dia: Ciência! No começo pareceu ser difícil, mas com o incentivo de vocês e um pouquinho de curiosidade a mais eu cheguei aqui. E como sempre disse a vocês: não parou por aqui ; tem muita coisa ainda para fazer ; bora desengavetar tudo! A toda a turma do TBMLab em Milão, em especial o professor Andrea Aliverti. Sou seu fã de carteirinha, caba! Foi com você que eu aprendi o que é realmente ser um professor. Obrigado por todos seus ensinamentos, pela preocupação (pelas cervejas no logo após finalizar sua aula) e pela sua grandíssima humildade! Valeu mesmo, cappellino! A todo pessoal do Lab06 da UFRN. Ninguém faz pesquisa sozinho e sem a ajuda de vocês também não chegaria aqui. Em especial, dedico esta Tese a Maria Lira. Companheira, colega de trabalho e da vida. Muito obrigado pelos seus ensinamentos. Saiba que não chegaria aqui tão calmo e confidente sem você ali sempre do meu lado para realçar aquela confiança esquecida lá no fundo do peito! A Dr. Mário Emílio por confiar em mim como o Fisioterapeuta responsável pelos seus pacientes da neurologia. Por fim, dedico esta tese ao pessoal da equipe do Ambulatório Multidisciplinar de Doença do Neurônio Motor do Hospital Universitário Onofre Lopes e principalmente todos os pacientes que passaram o compõe e que passaram por mim durante os períodos de Mestrado e Doutorado. Vocês sim, foram os principais autores desta Tese. Muito obrigado de verdade! 4

5 PREFÁCIO A presente tese intitulada Novas metodologias de avaliação e intervenção em pacientes com Esclerose Lateral Amiotrófica, foi elaborada de acordo com os preceitos do Programa de Pós-Graduação em Fisioterapia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, alinhadas às normas da Pró-Reitoria de Pós-Graduação desta Universidade, sob orientação da professora Dra. Vanessa Regiane Resqueti. Primeiramente é apresentada a introdução geral da tese onde são demonstrados o referencial teórico sobre a Esclerose Lateral Amiotrófica, funcionalidade, alterações mecânicas e suas complicações (com um maior foco na fraqueza muscular respiratória e pico de fluxo de tosse), função pulmonar, assim como a avaliação respiratória destas alterações através de equipamentos de elevada acurácia, como a pletismografia optoletrônica. Logo após, é apresentado uma fundamentação geral sobre os resultados encontrados que são discutidos nas sessões de artigos 1, 2 e 3. Nestes, todos os temas abordados na introdução são descritos e demonstrados de forma mais detalhada. O principal objetivo do artigo 1, intitulado Assessment of gas compression and lung volume during air stacking maneuver, foi estimar a quantidade de compressão de gás que ocorre durante a realização da manobra de air stacking em sujeitos saudáveis. Adicionalmente, os volumes pulmonares absolutos foram estimados de forma não invasiva a partir da aplicação do volume de compressão de gás na lei das transformações isotérmicas de Boyle-Mariotte. O segundo artigo, intitulado Thoracoabdominal asynchrony and paradoxical motion in amyotrophic lateral sclerosis subjects, teve as alterações mecânicas da caixa torácica em pacientes com Esclerose Lateral Amiotrófica e suas implicações para os volumes da parede torácica, padrão respiratório e pico de fluxo de tosse como foco principal. Assim, a assincronia toracoabdominal e a presença de movimento paradoxal entre os compartimentos da parede torácica foram quantificados através da pletismografia optoeletrônica durante duas situações (volume corrente e tosse) e comparados com sujeitos saudáveis pareados por idade de gênero. O último artigo, intitulado Multiparametric analysis of sniff nasal inspiratory pressure test in middle stage amyotrophic lateral sclerosis, que compôs essa tese objetivou pela primeira vez analisar de forma mais detalhada as taxas de relaxamento e propriedades de contração dos músculos inspiratórios obtidos durante a análise da curva de pressão do teste de SNIP (sniff nasal inspiratory pressure) a fim de buscar, de forma não invasiva, novos biomarcadores para fraqueza e fadiga muscular em sujeitos com Esclerose Lateral Amiotrófica. Após a apresentação dos três artigos científicos que compuseram a tese, estão expostos os seguintes tópicos: Discussão geral, principais limitações, conclusões e implicações clínicas deste trabalho. Logo após, um tópico contendo as produções científicas realizadas no período do doutorado dos quais participo da autoria, também é apresentado. Este tópico engloba também resumos apresentados em congressos com publicações em anais de congresso. Por último, encontram-se as referências usadas para elaboração da tese. 5

6 SUMÁRIO PREFÁCIO... 5 Lista de abreviações... 8 List of abbreviations... 9 Resumo Abstract Introdução geral Fraqueza muscular respiratória e alteração da mecânica da parede torácica Avaliação da força muscular respiratória Pletismografia Optoeletrônica Fundamentação para os artigos Objetivos Material e métodos Função pulmonar Força muscular respiratória Pletismografia optoeletrônica Pneumotacografia Air stacking Resultados Artigo 1. Assessment of gas compression and lung volume during air stacking maneuver Abstract Introduction Methods Measurements and apparatus Data analysis Statistical analysis Results Discussion Conclusion References Artigo 2. Thoracoabdominal asynchrony and paradoxical motion in amyotrophic lateral sclerosis subjects Abstract Introduction Methods Statistical analysis Results Discussion Conclusion References Appendix and supplementary material Artigo 3. Multiparametric analysis of sniff nasal inspiratory pressure test in middle stage amyotrophic lateral sclerosis Abstract Introduction Material and Methods

7 Statistical analysis Results Discussion Conclusion References Supplementary material Discussão geral Principais limitações Implicações clínicas, perspectivas futuras e conclusões Lista de publicações

8 Lista de abreviações P ao Variação de pressão das vias aéreas V ao Variação de volume pulmonar V CW Variação de volume da parede torácica ½RT Metade da curva de relaxamento AB Abdomen ALSFRS-R Amyotrofic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale-Revised cmh 2 O centímetro de água CTa Caixa torácica abdominal CTp Caixa torácica pulmonar CVF Capacidade vital forçada ELA Esclerose Lateral Amiotrófica MEP Pressão expiratória máxima MIP Pressão inspiratória máxima MRPD Taxa máxima de desenvolvimento de pressão MRR Taxa máxima de relaxamento NMI neurônio motor inferior NMS neurônio motor superior PFT Pico de fluxo de tosse PI porcentagem de tempo inspiratório POE Pletismografia optoeletrônica ROC Receiver Operating Characteristic SNIP Pressão inspiratória nasal ao fungar V comp Volume de compressão τ tau 8

9 List of abbreviations P ao Pressure variation at the airways opening V ao Pulmonary volume change V CW Chest wall volume change ½RT Half relaxation time AB Abdomen ALSFRS-R Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale-Revised cmh 2 O centimeter of water RCa Abdominal ribcage RCp Pulmonary ribcage FVC Forced vital capacity ALS Amyotrophic Lateral Sclerosis MEP Maximum expiratory pressure MIP Maximum inspiratory pressure MRPD Maximum rate of pressure development MRR Maximum relaxation rate LMN Lower motor neuron UMN Upper motor neuron PCF Peak cough flow IP Inspiratory paradox time OEP Optoelectronic plethysmography ROC Receiver Operating Characteristic SNIP Sniff nasal inspiratory pressure V comp Gas compression τ tau 9

10 Resumo Introdução: A avaliação e detecção precoce da fraqueza muscular respiratória resultante da esclerose lateral amiotrófica (ELA) têm ganhado mais interesse no campo da pesquisa nas últimas décadas. Com a progressão da doença, a diminuição da força muscular respiratória leva à redução do volume pulmonar e consequente insuficiência ventilatória, fazendo essencial o uso de técnicas de higiene brônquica e a detecção precoce de fraqueza muscular respiratória a fim de monitorar a progressão da doença e antecipar a introdução de intervenções. Objetivos: 1) Estimar a quantidade de compressão de gás (V comp ) durante a aplicação da técnica de air stacking em sujeitos saudáveis e verificar se as medidas simultâneas de variação de volume da caixa torácica (ΔV CW ) e as variações de volume pulmonar (ΔV ao ), combinado à variação de pressão das vias aéreas (ΔP ao ) durante a aplicação do air stacking, são capazes de fornecer dados confiáveis acerca dos volumes pulmonares absolutos; 2) Avaliar a assincronia toracoabdominal e a presença de movimento paradoxal em pacientes com ELA e suas relações com o V CW, padrão respiratório e pico de fluxo de tosse; 3) Analisar as taxas de relaxamento e as propriedades de contração dos músculos inspiratórios em pacientes com ELA e comparar com saudáveis pareados. Além disso, os pacientes com ELA foram divididos em três subgrupos a fim de determinar o melhor parâmetro relacionado a fraqueza muscular inspiratória. Materiais e Métodos: 1) Vinte sujeitos saudáveis foram estudados durante um protocolo que incluiu manobras de capacidade vital lenta e aplicação da técnica de air stacking. V comp foi calculado através da diferença entre a ΔV ao (mensurado através do pneumotacógrafo) e ΔV CW (através da pletismografia optoeletrônica) durante air stacking e a capacidade pulmonar total foi estimada pela aplicação de Lei de Boyle-Mariote; 2) O ângulo de fase (θ) entre a caixa torácica pulmonar (CTp), caixa torácica abdominal (CTa) e o abdome (AB), bem como a porcentagem de tempo inspiratório (IP) em que a CTa e AB se movem em direções opostas, foram quantificados em 12 pacientes com ELA durante respiração espontânea e tosse, usando dados de 12 sujeitos saudáveis pareados como controle; 3) As taxas de relaxamento e as propriedades de contração dos músculos inspiratórios foram extraídas a partir da curva de pressão inspiratória nasal (SNIP), realizada de forma não invasiva em 39 pacientes com ELA e comparada com 39 sujeitos saudáveis pareados. Resultados: 1) Durante air stacking, 0,140±0,050 L de gás foi comprimido com uma ΔP ao média de 21,78±6,18 cmh 2 O. Não foram encontradas diferenças significativas entre a capacidade pulmonar total estimada ( 0,03±3,0% de diferença, p=0,6020), capacidade residual funcional estimada ( 2,0±12,4% de diferença, p=0,5172), capacidade inspiratória mensurada (1,2±11,2% de diferença, p=0.7627) e valores preditos; 2) Durante a respiração espontânea, um maior θ da CTa e AB (p<0,05), IP RCa (p=0,001) e IP AB (p=0,02) foram encontrados nos pacientes com ELA assim como correlações entre o θ da CTp e AB com capacidade vital forçada (r= 0.773, p<0.01) e capacidade vital (r= 0.663, p<0.05), e entre o θ da CTa e CTp e o pico de fluxo de tosse (r= 0,601, p<0,05). Durante a tosse, correlações 10

11 entre o θ do AB e CTp e pico de fluxo de tosse (r= 0,590, p<0,05), pico de fluxo expiratório (r= 0,727, p<0,01) e V CW (r= 0,608, p<0,05); assim como entre o θ do CTa e AB e o pico de fluxo de tosse (r= 0,590, p=0,01) e pico de fluxo expiratório (r= 0,713, p=0,01) foram observados. Além disso, uma menor capacidade vital forçada (p<0.05) e maior velocidade de encurtamento tos músculos inspiratórios (p<0.05) foram encontrados no pacientes com movimento paradoxal da caixa torácica; 3) Quando comparado com sujeitos saudáveis, pacientes com ELA exibiram uma menor (p<0,0001) taxa máxima de relaxamento (MRR) e taxa máxima de desenvolvimento de pressão (MRPD), assim como um maior (p<0,0001) tempo de contração, tau (τ) e metade da curva de relaxamento (½RT). Os resultados da curva ROC mostraram que a ½RT (AUC 0,720, p=0,01), capacidade vital forçada (AUC 0,700, p=0,03), τ (AUC 0,824, p<0,0001) e MRPD (AUC 0,721, p=0,01) foram os parâmetros mais sensitivos em detectar uma queda de 3 pontos no subescore respiratório do questionário de capacidade funcional da ELA. Adicionalmente, a MRPD (AUC 0,781, p<0,001), τ (AUC 0,794, p=0,0001) e o pico de pressão gerado durante o teste de SNIP (AUC 0,769, p=0,002) foram os parâmetros capazes de detectar uma queda de 30% da capacidade vital forçada nos pacientes estudados. Conclusões: Durante a aplicação da técnica de air stacking ocorre uma significante compressão de gás e os volumes pulmonares absolutos podem ser estimados através das mensurações simultâneas de ΔV CW, ΔV ao e ΔP ao. Além disso, a identificação da alteração de parâmetros, como assincronia toracoabdominal e presença de movimento paradoxal entre os compartimentos da parede torácica, τ, MRPD, e ½RT, representam um sinal precoce de fraqueza muscular inspiratória em sujeitos com ELA. Palavras-chave: Assincronia toracoabdominal, capacidade vital forçada, esclerose lateral amiotrófica, músculos inspiratórios, volumes pulmonares absolutos. 11

12 Abstract Introduction: The assessment and early detection of respiratory muscle weakness resulting from amyotrophic lateral sclerosis (ALS) have gained more interest in the field of research in the recent decades. As the disease progresses, the decrease in respiratory muscle strength leads to a reduction in lung volume and consequent ventilatory insufficiency, making essential the use of bronchial hygiene techniques and the early detection of respiratory muscle weakness in order to monitor the progression of the disease as well as to anticipate the introduction of interventions. Objectives: 1) To estimate the amount of gas compression (V comp ) during the application of the air stacking technique in healthy subjects and to verify if the simultaneous measurements of chest wall volume changes (ΔV CW ) and changes in lung volume (ΔV ao ), combined with pressure variation at the airways opening (ΔP ao ) during air stacking are able to provide reliable data on absolute lung volumes; 2) To assess thoracoabdominal asynchrony and the presence of paradoxical movement in patients with ALS and its relations with V CW, respiratory pattern and peak cough flow; 3) To analyze the relaxation rates and contraction properties of the inspiratory muscles of patients with ALS and compare with healthy matched-paired subjects. In addition, patients with ALS were divided into three subgroups in order to determine the best parameter linked to inspiratory muscle weakness. Materials and Methods: 1) Twenty healthy subjects were studied during a protocol that included slow vital capacity maneuvers and application of the air stacking technique. V comp was calculated by subtracting ΔV ao (measured by pneumotachograph) and ΔV CW (measured by optoelectronic plethysmography) during air stacking and total lung capacity was estimated by applying Boyle-Mariote's law; 2) Phase angle (θ) between pulmonary ribcage (RCp), abdominal ribcage (RCa) and abdomen (AB), as well as the percentage of inspiratory time (IP) in which RCa and AB moved in opposite directions were quantified in 12 patients with ALS through optoelectronic plethysmography during quiet spontaneous breathing and cough using control data from 12 paired-matched healthy subjects to define the normal range of movement; 3) The relaxation rates and contraction properties of the inspiratory muscles were extracted from the sniff nasal inspiratory pressure (SNIP) curve, performed non-invasively in 39 patients with ALS and compared with 39 matched-paired healthy subjects. Results: 1) During air stacking, 0.140±0.050 L of gas was compressed with an average ΔP ao of 21.78±6.18 cmh 2 O. No significant differences between the estimated total lung capacity ( 0.03±3.0% difference, p=0.6020), estimated functional residual capacity ( 2.0±12.4% difference, p=0.5172), measured inspiratory capacity (1.2±11.2% difference, p=0.7627) and predicted values were found. 2) During quiet spontaneous breathing, a higher RCa and AB θ (p<0.05), IP RCa (p=0.001) and IP AB (p=0.02) were found in patients with ALS as well as correlations between RCp and AB θ with forced vital capacity (r = 0.773, p<0.01) and vital capacity (r = 0.663, p<0.05), and between RCa and RCp θ and peak cough flow (r = 0.601, p<0.05). During cough, correlations between AB and RCp θ and peak cough flow (r = 0.590, p<0.05), peak expiratory flow (r = 0.727, p<0.01) and VCW (r = 0.608, p<0.05); as well as 12

13 between RCa and AB θ and peak cough flow (r = 0.590, p=0.01) and peak expiratory flow (r = 0.713, p=0.01) were observed. Moreover, a lower forced vital capacity (p<0.05) and a greater shortening velocity of the inspiratory muscles (p<0.05) were observed in patients with paradoxical movement of the rib cage; 3) When compared to healthy subjects, patients with ALS had a significantly lower (p<0.0001) maximum relaxation rate (MRR) and maximum rate of pressure development (MRPD), as well as a greater (p<0.0001) contraction time, tau (τ) and half-relaxation time (½RT). The results of the ROC curves showed that ½RT (AUC 0.720, p=0.01), forced vital capacity (AUC 0.700, p=0.03), τ (AUC 0.824, p<0.0001) and MRPD (AUC 0.721, p=0.01) were the most sensitive parameters in detecting a 3-point fall in the respiratory subscale of the ALS functional capacity questionnaire. In addition, the MRPD (AUC 0.781, p<0.001), τ (AUC 0.794, p=0.0001) and the peak pressure generated during the SNIP test (AUC 0.769, p=0.002) were the parameters capable of detecting a 30% decrease in forced vital capacity of the patients studied. Conclusions: During AS, a significant gas compression occurs and absolute lung volumes can be estimated by simultaneous measurements of ΔV CW, ΔV ao and ΔP ao. In addition, the identification of altered parameters, such as thoracoabdominal asynchrony and the presence of paradoxical movement between the chest wall compartments, τ, MRPD, and ½RT, represent an early sign of inspiratory muscle weakness in subjects with ALS. Keywords: Absolute lung volumes, amyotrophic lateral sclerosis, forced vital capacity, inspiratory muscles, thoracoabdominal asynchrony 13

14 1. Introdução geral A esclerose lateral amiotrófica (ELA) é uma doença neurodegenerativa, que acomete ambos os neurônios motor superior (NMS) e inferior (NMI), 1 progressiva dos músculos esquelético, bulbar e respiratório. 2 caracterizada por fraqueza A grande maioria dos mecanismos envolvidos na sua fisiopatologia ainda permanece desconhecida e sua etiopatogenia não está bem esclarecida. 3 No entanto, sabe-se que esta doença é mais comum em sujeitos do gênero masculino 4 e a taxa de sobrevivência mediana a partir dos primeiros sintomas varia de 2 a 4 anos, sendo a insuficiência ventilatória a principal causa de mortalidade. 2 A apresentação clínica heterogênea e a variável velocidade de progressão da doença tornam o diagnóstico desafiador. Devido à inexistência de um teste específico para a ELA, seu diagnóstico (classificado como possível, provável ou definitivo ) depende exclusivamente da identificação de sinais clínicos de acometimento dos NMS e NMI na mesma região do corpo, suportado por exame eletrofisiológico ou neuropatológico, além de evidência de progressão da doença em outras regiões. 5,6 Os sintomas da ELA podem se manifestar de duas formas. A primeira, chamada de espinhal, se caracteriza por fraqueza dos membros inferiores, superiores ou ambos com posterior acometimento dos músculos bulbares. A segunda, chamada de bulbar, tem início dos sintomas nos músculos bulbares e respiratórios. 7 Esta última é conhecida por apresentar um pior prognóstico do que a forma espinhal 8 e está associada a uma rápida progressão da doença 9 com uma maior taxa de declínio da capacidade vital forçada (CVF) e força muscular respiratória. 10,11 Com a progressão da doença, a capacidade de realização das atividades de vida diária também é reduzida e pode ser avaliada através da Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale 12 (ALSFRS). Esta foi projetada como um escore funcional de 10 itens que incluem domínios funcionais, bulbar e respiratório. Mais tarde, essa escala foi alargada para o ALSFRS-revised 13 (ALSFRS-R), na qual foram incluídos escores respiratórios extras para melhor avaliação do domínio funcional respiratório. Na ausência de um biomarcador, a quantificação da capacidade funcional através da ALSFRS-R tem se tornado uma medida de progressão da doença 14 e desfecho primário em ensaios clínicos com sujeitos com ELA, 12,15 além de ser preditor de sobrevida nesta população 16,17 e se correlacionar com medidas de função pulmonar e força muscular respiratória. 18, Fraqueza muscular respiratória e alteração da mecânica da parede torácica O diafragma é o músculo inspiratório mais importante. A função inspiratória do diafragma é realizada através de três mecanismos principais: (1) o diafragma atua como um pistão que, ao descer, cria uma pressão intratorácica negativa, puxando o ar para dentro; (2) a área de aposição do diafragma à parede interna da caixa torácica serve para puxar as costelas inferiores para cima (e para fora, consequente ao efeito alça de balde ), expandindo assim a área da seção transversal do caixa torácica, um efeito inspiratório; e (3) a contração diafragmática aumenta a pressão intra-abdominal, que também expande a caixa torácica inferior, uma vez que a parte mais superior da cavidade abdominal realmente reside dentro da 14

15 caixa torácica. A contração dos músculos abdominais (transverso, reto e músculos oblíquos internos e externos) aumenta a pressão intra-abdominal, fazendo com que o fluxo de ar saia do pulmão e a parede abdominal se mova para dentro. Quando os músculos intercostais internos contraem, eles exercem um grande torque que abaixa as costelas e aumenta a pressão pleural para conduzir o ar para fora do pulmão. 20,21 Assim, uma atividade coordenada de todos os músculos respiratórios é essencial para desenvolver as pressões necessárias para direcionar o ar para dentro e para fora do pulmão, e mover a caixa torácica e o abdômen de maneira coordenada e síncrona. É possível respirar com apenas um conjunto de músculos respiratórios, mas efeitos indesejáveis, como o movimento paradoxal toracoabdominal provavelmente ocorrerão 22 nesta em sujeitos com ELA. A assincronia toracoabdominal é principalmente o resultado de fraqueza desproporcional de alguns músculos respiratórios ou descoordenação entre diferentes grupos musculares 23 e é definido como a diferença no tempo de expansão ou retração entre os compartimentos da parede torácica 24,25. Em pacientes com fraqueza principalmente diafragmática, os músculos intercostais assumem o papel principal de diminuir a pressão intratorácica e, nesse caso, o diafragma (juntamente com o conteúdo intra-abdominal) é atraído passivamente para o tórax, levando ao movimento abdominal interno paradoxal. Em ambos os casos de assincronia toracoabdominal, o volume corrente é necessariamente diminuído porque o movimento inspiratório de um compartimento é oposto a uma ação expiratória do outro compartimento 24 e parte da contração de toda musculatura respiratória é desperdiçada para distorcer a parede torácica ao invés de insuflar os pulmões 21. A fraqueza muscular respiratória também tem impactos diretos (diminuição da capacidade de expansão da caixa torácica e recuo elástico) e indiretos (alterações na complacência pulmonar e da caixa torácica) na função pulmonar de pacientes com doença neuromuscular resultando em uma redução da capacidade pulmonar total, capacidade vital e capacidade residual funcional 26. A combinação de fraqueza muscular inspiratória, que impede o paciente de respirar fundo, e a redução a complacência da parede torácica, que diminui a excursão disponível na parede torácica, limita o volume operacional necessário para uma tosse efetiva. Esse volume operacional é o volume inspirado no final da fase de tosse inspiratória e é considerado o mais importante determinante do pico de fluxo da tosse, pois afeta o comprimento do músculo expiratório e, portanto, sua eficiência de contração. Quando a disfunção da glote está presente, pressões adequadas para desenvolver as forças compressivas para a expectoração das secreções das vias aéreas não são alcançadas. A eficácia da tosse é ainda mais diminuída. A fase expiratória da tosse, quando as secreções precisam ser expelidas, é limitada por: 1) fraqueza dos músculos expiratórios; 2) uma parede torácica endurecida que limita a expiração; 3) uma desvantagem mecânica dos músculos expiratórios, por não estarem adequadamente esticados ao seu ponto ideal de contração pela restrição ponto operacional; 4) recuo elástico passivo limitado dos pulmões durante a expiração, devido à sua inflação limitada; e 5) diâmetro transversal diminuído das vias aéreas que não estão totalmente dilatadas porque o pulmão não está totalmente insuflado aumentando assim a resistência das vias aéreas durante a expiração

16 1.2. Avaliação da força muscular respiratória A grande maioria dos pacientes com ELA morre por insuficiência ventilatória. A fraqueza muscular respiratória na ELA advém da perda da função muscular diafragmática 30 com consequente diminuição da complacência da caixa torácica. 31 A fraqueza muscular intercostal interna e abdominal também está ligada a forças expulsivas que estão enfraquecidas durante a tosse, deixando pacientes com ELA em maior risco de pneumonia. 32 Os intercostais externos e outros músculos inspiratórios acessórios, como os esternocleidomastoides e escalenos, auxiliam em situações de alta demanda ventilatória em que as pressões necessárias para aumentar o volume pulmonar são aumentadas. 33 Perto do fim da doença, os pacientes com ELA apresentam declínios rápidos na CVF, ventilação voluntária máxima e no volume residual. 34,35 Como consequência, sintomas como dispneia durante esforços mínimos, ortopneia e cefaléia se tornam recorrentes, 10,36 além das infecções do trato respiratório inferior com posterior diminuição do pico de fluxo de tosse (PFT) e da complacência pulmonar. 37,38 A força muscular inspiratória é o principal determinante de insuficiência ventilatória nos pacientes com ELA 11 e pode ser avaliada de forma não invasiva através da pressão inspiratória máxima (MIP) e da pressão inspiratória nasal durante uma manobra de sniff (SNIP). Essas duas formas de avaliação da força muscular respiratória são complementares e devem ser realizadas em todos os pacientes com ELA na primeira visita ao hospital ou ambulatório e a cada três meses depois. 39 A MIP é mais sensível em detectar hipoventilação 40 e a manobra de SNIP, que reflete com precisão a força diafragmática e força muscular inspiratória global, 41,42 é preditora de sobrevida em sujeitos com ELA. 11 Pelo fato da MIP ser difícil de ser executada por pacientes com paresia orofacial, a SNIP (que será abordada com mais propriedade no artigo 5) é mais utilizada em pacientes com ELA por ser uma manobra natural, simples, tolerável e de fácil execução. 43 Além dessas, mensurações da CVF, capacidade vital lenta e do pico de fluxo expiratório também são comumente utilizadas por serem fatores preditivos de prognóstico nessa doença. 10,44 Embora a CVF seja ainda o método mais utilizado para a avaliação respiratória na ELA, 7 o paciente deve expelir o ar de forma rápida e forçada, o que pode causar fadiga, induzir broncoespasmo e resultar em uma subestimação da real capacidade pulmonar Pletismografia Optoeletrônica A pletismografia optoeletrônica (POE) é um sistema não invasivo capaz de mensurar precisamente a cinemática toracoabdominal e variações de volume da parede torácica e dos compartimentos que atuam na ventilação (caixa torácica pulmonar [CTp], a caixa torácica abdominal [CTa] e abdome [AB]). 46,47 Esse sistema, diferentemente da pletismografia respiratória por indutância, se baseia em um modelo de três compartimentos (Figura 1) a partir do propósito de que: 1) CTp e CTa estão expostos a diferentes pressões durante a inspiração; 2) o diafragma atua diretamente na CTa; e 3) os músculos inspiratórios, com exceção ao diafragma, atuam em grande parte na CTp e não na CTa. 48 Com relação ao AB, a variação de 16

17 volume é definida como o volume do abdome e é o resultado da ação conjunta do diafragma e músculos expiratórios. 49 Figura 1. Representação esquemática da pletismografia optoeletrônica. Através da POE é possível avaliar as variações de volume ciclo a ciclo, em três graus de liberdade e sem o uso de bocais, o que proporciona uma elevada precisão para avaliação e monitoramento de padrões respiratórios em crianças, adultos e pacientes com doenças respiratórias Esse sistema também é utilizado para investigar a força muscular respiratória, o efeito da aplicação de técnicas ou reabilitação, disfunção diafragmática e PFT 53,54 em pacientes neuromusculares, além de ter sido o método mais utilizado nos últimos anos para avaliar a assincronia toracoabdominal entre compartimentos da parede torácica 55 durante a respiração espontânea, 56 tosse, 55 ou exercício. 57 A assincronia, assim como a utilização da POE, será discutida com mais detalhe nos artigos 1 e Fundamentação para os artigos A fraqueza muscular progressiva característica da ELA, principalmente a respiratória, é responsável pelo acúmulo de secreções e consequente aumento do número de infecções respiratórias. Em decorrência disso, há uma incapacidade de gerar PFT acima de 160 L/min necessários para clearance pulmonar, levando a um aumento da morbidade respiratória e mortalidade e, então, gerando altos custos para a saúde pública. Esse PFT é a avaliação mais reprodutível da força da tosse e também dependente da geração de fluxo e velocidade nas vias aéreas, recolhimento elástico do pulmão e forças da parede torácica 27. Além disso, de acordo com Smith et al. 28, quanto maior os volumes operacionais maior o recuo elástico dos pulmões e menor a resistência das vias aéreas. Assim, em doenças restritivas como a ELA, altos PFTs podem ser gerados após um aumento no volume pulmonar de forma passiva como através da técnica de air stacking. Kang e Bach 28 definiram a técnica de air stacking como um método de insuflação pulmonar que requer o uso de um insuflador manual ou um ventilador de volume portátil a fim 17

18 de fornecer volumes superiores à capacidade inspiratória. Portanto, após a conclusão de uma respiração profunda e máxima e consequente fechamento da glote, os volumes de ar podem ser empilhados até atingir a capacidade máxima de insuflação (Figura 2), definida como o volume máximo de ar que pode ser mantido com a glote fechada após insuflações 58. Desta forma, pacientes com doenças pulmonares restritivas, como doenças neuromusculares, são os que mais se beneficiam com a técnica de air stacking. Além disso, em sujeitos com ELA o aumento do volume pulmonar está fortemente correlacionado com o aumento do pico de fluxo da tosse 59. Além disso, quanto maior a expansão pulmonar, melhor a otimização da pressão de recuo do pulmão, a tosse e, conseqüentemente, a extração de secreção 60. Figura 2. Traçados experimentais obtidos em um indivíduo representativo durante a capacidade inspiratória espontânea (IC) (1 e 2) e tosse espontânea a partir de CPT (esquerda) e durante a aplicação da técnica de air stacking (AS) (3 e 4) e subsequentemente tosse a partir da IC + AS (4) (direita). Retirado com permissão de Sarmento et al. 61. Sabendo disso, dois estudos sobre os efeitos da técnica de air stacking no PFT de sujeitos saudáveis 61 e de pacientes com ELA 53 utilizando a POE foram publicados durante o período anterior a essa tese, nos dando embasamento para melhor compreensão e necessidade de investigação dessas novas variáveis. Pelo fato da air stacking ser realizada através da aplicação seriada de pressão positiva a fim de fornecer volumes de ar superiores à 18

19 capacidade inspiratória, 38 a quantidade de pressão aplicada pode induzir cerca de 1 a 2% de compressão de gás. 62 A POE, por si só, não é capaz de quantificar a compressão de gás. Esta, assim como volumes pulmonares absolutos, pode ser mensurada a partir de métodos que consomem tempo e requerem boas habilidades técnicas para produzir resultados consistentes (por exemplo, diluição de hélio, lavagem de nitrogênio ou pletismografia de corpo inteiro). O fato de não haverem relatos na literatura sobre 1) a quantidade de compressão de gás durante a técnica de air stacking e 2) métodos simples para mensuração de volumes pulmonares absolutos, nós hipotetizamos Artigo 1 que a mensuração simultânea da variação de volume da parede torácica (utilizando a POE) e de volume pulmonar (através de um pneumotacógrafo) seria capaz de mensurar a quantidade de compressão de gás durante a técnica de air stacking em sujeitos saudáveis além de fornecer dados confiáveis sobre volumes pulmonares absolutos. Diferentemente da pletismografia respiratória por indutância, 63 a POE é capaz de avaliar com precisão a variação de volume da CTa. Em sujeitos com doença pulmonar obstrutiva crônica, Aliverti et al. mostrou que o movimento paradoxal da CTa não é apenas uma curiosidade clínica, mas pode também identificar importantes diferenças fisiológicas nos volumes da parede torácica durante repouso e exercício. 57 Além disso, sabe-se que o movimento paradoxal dos compartimentos é resultado principalmente de fraquezas desproporcionais de alguns músculos respiratórios ou ações descoordenadas entre diferentes grupos musculares. 23 Em pacientes com doença neuromuscular e em diferentes condições, a assincronia entre os compartimentos da parede torácica já foi reportada, 24,55,64 entretanto a literatura é escassa com relação à assincronia e movimento paradoxal em sujeitos com ELA. Essa questão é discutida no Artigo 2, no qual os resultados encontrados em pacientes com ELA utilizando a POE foram comparados com sujeitos saudáveis pareados por idade e gênero, objetivando obter sinais iniciais de fraqueza muscular respiratória durante a respiração espontânea e tosse. Outros sinais iniciais de fraqueza muscular respiratória foram tema do Artigo 3, entretanto foram avaliados a partir de parâmetros extraídos da curva de SNIP (taxas de relaxamento e propriedades contráteis dos músculos inspiratórios). A razão pela qual esses parâmetros são avaliados a partir da SNIP baseia-se no pressuposto de que 1) a porção de decaimento da curva, quando a expiração é totalmente passiva, corresponde à fase de relaxamento da contração muscular inspiratória 65 e 2) a perda de força muscular ou fadiga leva a uma diminuição da velocidade de contração muscular, resultando em aumento do tempo de contração e prolongamento do tempo de relaxamento como um mecanismo de adaptação. 66,67 Desta forma, os resultados encontrados nos pacientes com ELA foram comparados com saudáveis e entre os sujeitos que apresentaram ou não sintomas respiratórios a partir do declínio no subescore respiratório da ALSFRS-R e CVF, a fim de determinar o melhor parâmetro ligado à fraqueza muscular precoce do músculo respiratório nessa população. Os artigos 2, 3 e 4 proporcionam o foco principal da tese, uma vez que têm o potencial de gerar implicações clínicas referentes aos pacientes com ELA. O resumo e a discussão geral 19

20 a respeito dos principais achados e implicações da tese são apresentados logo após a apresentação dos artigos científicos. 20

21 2. Objetivos Artigo 1: Estimar a quantidade de compressão de gás durante a técnica de air stacking em indivíduos saudáveis posicionados a 45 de inclinação do tronco e verificar se as medidas simultâneas de alterações do volume da parede torácica, através da pletismografia optoeletrônica, e alterações no volume pulmonar, através do pneumotacógrafo, combinado com a variação de pressão na abertura das vias aéreas durante a execução da técnica é capaz de fornecer dados confiáveis sobre volumes pulmonares absolutos; Artigo 2: Avaliar a assincronia toracoabdominal e a presença de movimento paradoxal em pacientes com ELA e suas relações com o volume corrente da parede torácica, padrão respiratório e pico de fluxo da tosse. Artigo 3: Mensurar de forma não invasiva as taxas de relaxamento e as propriedades contráteis dos músculos inspiratórios em pacientes com ELA através do teste de SNIP (1) em comparação com indivíduos saudáveis e (2) em relação aos sintomas respiratórios precoces, a fim de determinar o melhor parâmetro ligado à respiração precoce fraqueza muscular. 21

22 3. Material e métodos A metodologia utilizada nas três produções desta tese foi especifica de acordo com o objetivo de cada estudo e por esta razão tópicos como desenho dos estudos, caracterização das amostras, aspectos éticos e análises dos dados e estatística serão apresentadas de forma individualizada nos artigos 1, 2 e 3. Além disso, apesar de os principais materiais e equipamentos utilizados serem apresentados nesta sessão, os mesmo também estão descritos de forma detalhada em cada artigo Função pulmonar Para análise do fluxo aéreo, volumes e capacidades pulmonares, foi realizada a espirometria, utilizando um espirômetro KoKo DigiDoser (Longmont, USA). Antes de cada avaliação, o equipamento foi calibrado de acordo com a temperatura local e a injeção de 3L de volume de ar por meio de uma seringa (Vitalograph, Buckingham, Inglaterra). Para o procedimento, cada sujeito realizou o teste na posição sentada em uma cadeira confortável, com os pés devidamente apoiados no chão e usando um clipe nasal. Previamente a realização do teste, eles foram instruídos detalhadamente de todos os procedimentos. Os voluntários respiraram através de um bucal de papelão descartável, certificando-se que não houveram vazamentos durante a respiração. A seguir, foi solicitado que eles realizassem uma inspiração máxima (próximo à capacidade pulmonar total) seguida de uma expiração máxima (próximo ao volume residual). Foram realizados no máximo oito testes em cada voluntário e considerados os três melhores sendo que a variabilidade entre eles deveriam ser inferior a 5% ou 200 ml. Foram considerados a CVF, o volume expiratório forçado do 1º segundo (VEF 1 ) e a razão VEF 1 /CVF nos seus valores absolutos e relativos. Todos os procedimentos técnicos, os critérios de aceitabilidade, reprodutibilidade, bem como a padronização do equipamento seguiram as recomendações da ATS/ERS 68. Os valores obtidos foram comparados com valores absolutos e relativos para a população Brasileira Força muscular respiratória Para avaliação da força muscular respiratória, foi realizada a manovacuometria através do manovacuomêtro digital (NEPEB-LabCare/UFMG, Belo Horizonte-MG, Brasil) com o indivíduo na posição sentada, com os pés devidamente apoiados no chão e em repouso. O manovacuômetro foi conectado por meio de uma traqueia ao bucal que possuía um orifício de fuga de 2mm de diâmetro para que os valores das pressões máximas não sofressem a influência das pressões geradas pelos músculos da boca e da orofaringe, além de um clipe nasal para evitar vazamento de ar pelas narinas. A MIP foi obtida a partir do volume residual e a MEP a partir da capacidade pulmonar total. Durante a realização das mensurações, foram oferecidos estímulos verbais para incentivar a obtenção do maior valor. As manobras, tanto de MIP quanto de MEP, foram repetidas no mínimo duas vezes para aprendizado e, em seguida, três medidas tecnicamente satisfatórias (com variação menor que 10% entre os dois valores máximos) e repouso de 60s 22

23 entre elas foram realizadas. Foi considerada como tecnicamente satisfatória a medida que não apresentou vazamento e que foi sustentada por pelo menos um segundo. O valor registrado foi o mais alto, desde que esse não fosse o obtido na última manobra. Para interpretação dos resultados obtidos, foram calculados valores previstos pelas equações de regressão para o cálculo das pressões máximas em função da idade, de acordo com o sexo para a população Brasileira 70. A pressão inspiratória nasal (SNIP teste) foi obtida solicitando ao sujeito, ao final de uma expiração tranquila (capacidade residual funcional), a realização de uma inspiração máxima com uma das narinas ocluída por um plug acoplado a um cateter conectado ao manovacuômetro e a com a narina contralateral livre. O SNIP teste foi realizado através de dez medidas separadas por um período de repouso de 30 segundos. Foram utilizadas as equações previamente descritas para obtenção dos valores de referência Pletismografia optoeletrônica Para o artigo 1 e 2, a avaliação dos volumes pulmonares e do PFT foi realizada através do estudo da cinemática do complexo toracoabdominal de forma não-invasiva através da POE (BTS-Bioengineering, Itália). A POE utiliza um sistema de seis câmeras fotossensíveis que captaram marcadores retrorreflexivos colocados na região anterior da parede torácica do sujeito, seguindo linhas horizontais e verticais pré-definidas. O equipamento avalia o volume da parede torácica e dos três compartimentos que a compõem: CTp, CTa e o AB através da formação de um modelo experimental, de acordo com o Teorema de Gauss 47. Para as coletas com esse equipamento, o aparelho foi calibrado de forma estática e dinâmica pelos eixos X, Y e Z (por um período de 10 e 120 segundos, respectivamente) para reconhecimento dos marcadores, sendo utilizada a frequência de 60Hz para calibração do equipamento e coleta dos dados. Em seguida, foram posicionados 52 marcadores retrorreflexivos sobre a região anterior do tórax do voluntário, seguindo estruturas anatômicas pré-estabelecidas 50 que seguiam desde o nível da clavícula até a crista ilíaca anteriossuperior Pneumotacografia Para o artigo 1, fluxo e pressão das vias aéreas foram mensurados através de um pneumotacógrafo aquecido (Series LPM, Hans Rudolph INC, Kansas - EUA) posicionado entre a máscara e o insuflador manual. A calibração de fluxo e pressão foi realizada antes da aquisição de dados de cada sujeito. O fluxo do pneumotacógrafo foi calibrado através da geração de diferentes fluxos inspiratórios e expiratórios, por meio de uma seringa de 3 L calibrada, em intervalos de 3 segundos entre eles. O transdutor de pressão foi calibrado conectando um manômetro digital, com variações em cmh 2 O, e aplicando variações de pressão positivas a cada 20cmH 2 O até que fosse atingido 100cmH 2 O e posteriorment negativas até que fosse atingido 0 cmh 2 O. A cada 20cmH 2 O um intervalos de 5 segundos era realizado até a próxima aplicação de pressão. A mensuração de fluxo e pressão durante a coleta de dados foi realizada de forma sincrônica junto ao sistema da POE. As variações de 23

24 pressão mensuradas na boca foram consideradas como variação de pressão alveolar. A integração do sinal de fluxo proveu as variações de volume pulmonar Air stacking Para o artigo 1, a técnica de air stacking foi realizada utilizando um insuflador manual (RWR-Brasil ) acoplado a uma máscara de silicone, que envolveu o nariz e boca o sujeito. Ao ser posicionado, em posição supina a 45º e com os membros superiores repousados lado do corpo, foi solicitado ao sujeito que realizasse uma inspiração profunda, atingindo sua capacidade inspiratória máxima, e segurasse mantendo a glote fechada. Imediatamente foi acoplada a máscara do insuflador manual ao rosto do paciente e pressionada para evitar o vazamento de ar. Logo após, por meio do insuflador manual, foram proporcionados volumes de ar de forma rápida e consecutiva, através de repetidas insuflações (Figura 2). Cada insuflação foi realizada concomitantemente com uma inspiração profunda do sujeito, até que nenhum ar possa mais pudesse ser acrescentado aos pulmões, atingindo a capacidade de insuflação máxima. Entre cada insuflação o sujeito foi orientado a não exalar o ar, mantendo-o nos pulmões. A máscara foi posicionada e retirada pelo avaliador, assim como as instruções dadas antes e durante a realização da técnica. Esta foi interrompida caso ocorresse algum desconforto pelo paciente, má adaptação, alteração de sinais vitais ou queda da saturação. 24

25 4. Resultados Os resultados e a discussão desta tese estão descritos na forma de três artigos científicos. O primeiro artigo intitulado Assessment of gas compression and lung volume during air stacking maneuver está publicado no periódico European Journal of Applied Physiology, Qualis A1, na área 21 da CAPES. O segundo artigo intitulado Thoracoabdominal asynchrony and paradoxical motion in amyotrophic lateral sclerosis será submetido ao periódico Respiratory Physiology & Neurobiology, Qualis B1, na área 21 da CAPES. O terceiro artigo intitulado Multiparametric analysis of sniff nasal inspiratory pressure test in middle stage amyotrophic lateral sclerosis está publicado no periódico Frontiers in Neurology, Qualis A1, na área 21 da CAPES. periódico. Os artigos estão apresentados conforme as normas e diretrizes de submissão de cada 25

26 4.1. Artigo 1 Assessment of gas compression and lung volume during air stacking maneuver A. Sarmento, V. R. Resqueti, G. A. F. Fregonezi, A. Aliverti Artigo publicado no Periódico European Journal of Applied Physiology (2017) 117:

27 Abstract Purpose: We reasoned that the application of positive pressure through air stacking (AS) technique could cause gas compression and the absolute lung volumes could be estimated. The aim of this study was to estimate the amount of gas compression (ΔV comp ) during AS in healthy subjects positioned at 45 trunk inclination and verify if the simultaneous measurements of chest wall volume changes (ΔV CW ), by optoelectronic plethysmography, and changes in lung volume (ΔV ao ), by pneumotachograph, combined with pressure variation at the airways opening (ΔP ao ) during AS are able to provide reliable data on absolute lung volumes. Methods: Twenty healthy subjects (mean age 23.5 ± 3.8 years) were studied during a protocol that included slow vital capacity and AS maneuvers. V comp was calculated by subtracting ΔV ao and ΔV CW occurring during AS and total lung capacity (TLC) was estimated by applying Boyle Mariote s law using V comp and ΔP ao. Results: During AS, ± L of gas was compressed with an average ΔP ao of ± 6.18 cmh 2 O. No significant differences between the estimated TLC ( 0.03 ± 3.0% difference, p=0.6020), estimated FRC ( 2.0 ± 12.4% difference, p=0.5172), measured IC (1.2 ± 11.2% difference, p=0.7627) and predicted values were found. Conclusion: During AS, a significant gas compression occurs and absolute lung volumes can be estimated by simultaneous measurements of ΔV CW, ΔV ao and ΔP ao. 27

28 Introduction The assessment of lung volumes is important for the diagnosis and follow-up of pulmonary diseases (Zysman-Colman and Lands 2016). Absolute lung volumes can be measured by a variety of methods (Kendrick 1996; Schlesinger et al. 1995; Wanger et al. 2005). These include the methods based on a static mass balance, such as helium dilution and nitrogen washout (Meneely and Kaltreider 1949; Newth et al. 1997), and those based on dynamic mass balance and compression gas phenomena, such as whole-body plethysmography (WBP) (Coates et al. 1997; Cobeel 1969; Newth et al. 1997). The apparatuses used to obtain measurements based on these methods can be difficult, time consuming and require good technical skills to produce consistent results (Cliff et al. 1999; Eber et al. 1994; O Donnell et al. 2010). According to the Boyle Mariote s law, the pressure of an ideal gas at constant temperature varies inversely with the volume. Hence, an unknown volume of a closed compartment can be determined if absolute changes in volume can be induced and the corresponding relative pressures in change can be measured. Thus, the determination of thoracic gas volume is possible if the lung is treated as a closed compartment and if the changes in alveolar pressure in parallel to the changes in volume can be measured (Smith et al. 2012). Hedenstierna et al. (1985) described that, for positive pressure ventilation, blood shift to the periphery may lead to greater gas lung volume changes than chest wall volume changes, and vice versa during negative pressure ventilation. In addition to this, a positive pressure applied can induce about 1 2% of gas compression, depending on the pressure used (Aliverti et al. 2000). The air stacking (AS) technique, a lung insufflations method mostly used in patients with restrictive lung diseases, such as neuromuscular disorders, is characterized by the application of a positive pressure to provide air volumes higher than the inspiratory capacity (IC) to increase peak cough flow (Bach et al. 2007; Kang and Bach 2000a, b). We reasoned that in healthy subjects, the application of AS could cause gas compression. Thus, measurements of gas compression (ΔVcomp) combined with pressure changes at the airways opening (ΔPao), recorded at atmospheric pressure and controlled temperature, allow the estimation of total lung capacity (TLC) by applying Boyle Mariote s law. The aims of the present study therefore were (a) to estimate the amount of ΔV comp during AS in healthy subjects positioned at 45 trunk inclination and (b) to verify if the simultaneous measurements of total change in chest wall volumes (ΔV CW ), by optoelectronic plethysmography, and changes in lung volume (ΔV ao ), by pneumotachograph, combined with ΔP ao during AS are able to provide reliable data of absolute lung volumes. In addition to these, we also tried to provide data that can improve the knowledge of the physiologic effects of the air stacking maneuver. 28

29 Methods Subjects Twenty healthy subjects (10 males and 10 females; age 23.5 ± 3.8 years, weight 68.2 ± 9.2 kg and height 1.70 ± 0.08 m, with body mass index of 23.5 ± 2.5 kg/m2, forced vital capacity of 4.51 ± 0.75 L and forced expiratory volume in the first second of 3.80 ± 0.62 L) were included in the study. Absolute and percentage predicted spirometric as well as anthropometric data of each subject are shown in Table 1. All individuals involved in the study were laboratory personnel trained in respiratory maneuvers, self-reported as healthy with no history of smoking, heart or lung disease and signed an informed consent form. The study was conducted within the confines of the World Medical Association Declaration of Helsinki for medical research using human participants and approved by the Research Ethics Committee under number / Measurements and apparatus Spirometry For spirometric measurements, a KoKo DigiDoser Spirometer (nspire Health, Inc. Longmont, USA) was used and the technical procedures, acceptance and reproducibility criteria, reference and interpretative values for forced vital capacity and forced expiratory volume in the first second, as well as the standardization of the equipment followed the recommendations of the ATS/ERS (2002). Assessment was considered complete when three acceptable curves were produced, of which the best two were reproducible (with variation equal to or lower than 5% to 200 ml). Optoelectronic plethysmography The optoelectronic plethysmography (OEP System ; BTS, Milan, Italy) was used to assess ΔV CW as the sum of the variations of volume in the upper and lower rib cage and abdomen (Aliverti and Pedotti 2003; Cala et al. 1996). This method has been used to assess ΔV CW in healthy and in an extensive variety of diseases. In brief, optoelectronic plethysmography measured the volumes displaced by the compartments of the chest wall by 52 retro-reflective markers placed on the trunk of the subject according to precise anatomical reference points (Aliverti et al. 2001; Romei et al. 2010). Calibration of optoelectronic plethysmography TV cameras was performed before data acquisition in each subject. Marker positions and motion were captured by six TV cameras (three on the left and three on the right side of the subject) operating at 60 frames/s and synchronized with co-axial infrared flashing LEDs. The three-dimensional coordinates of the markers were calculated with stereophotogrammetry and linked forming a mesh of triangles to define the surface the trunk. The volume enclosed by the surface was obtained through a computing algorithm based on the Gauss theorem (Cala et al. 1996). 29

30 Pneumotachography Flow and pressure at the airway opening were measured in all subjects by a heated pneumotachograph (Series LPM, Hans Rudolph Inc, Kansas, EUA) that was placed between a face mask and the manual insufflator (Fig. 1). Calibration of flow and pressure was performed before data acquisition in each subject. The flowmeter was calibrated by measuring different levels of inspiratory and expiratory airflow, by generating different strokes with a calibrated 3 L syringe, with intervals of about 3 s in between. The pressure transducer was calibrated by connecting it to a water manometer and measuring positive and negative pressure variations from 0 to 100 cmh 2 O, with intervals of about 5 s in between. Optoelectronic plethysmography data acquisition system allowed to acquire pressure and flow analog signals of the pneumotachograph synchronously with optoelectronic plethysmography data. ΔP ao were considered as changes of alveolar pressure (ΔP alv ). Time integration of the flow signal provided ΔV ao. Air stacking apparatus The AS maneuvers were performed using a two-way manual insufflator (RWR, São Paulo, Brazil) coupled to a silicone oro-nasal mask (7450 SeriesV2, Hans Rudolph Inc, Kansas-EUA) and connected in series with the pneumotachograph. The subject was asked to take a deep breath starting from functional residual capacity (FRC) up to TLC and to hold the breath. At this moment, two consecutive air stacking maneuvers were applied until the maximum volume that could be held with a closed glottis. Maximum insufflation capacity (MIC) was defined as the sum of IC (volume variation from FRC to TLC) plus the volume variation due to the application of AS (Dohna-Schwake et al. 2006; Kang and Bach 2000a) (Fig. 2). After the second AS, the subject was asked to exhale down to residual volume. Vital signs Heart rate and peripheral oxygen saturation were measured continuously and noninvasively during all the study protocol through a portable pulse oximeter PalmSat 2500 (Nonin Medical, Minnesota, USA). 30

31 Fig. 1 Photograph of the experimental setup used to measure the gas compression. The subject is positioned at 45 trunk inclination with the reflective markers of the optoelectronic plethysmography placed on the trunk surface. The mask, positioned on the face of the subject, is connected to the pneumotachograph and manual insufflator. Study protocol All the data measurements were performed in a laboratory with the temperature controlled between 26 and 28 C. The subjects were evaluated in a single day in which anthropometric (weight, height and body mass index) and spirometric data were collected. All the subjects were positioned at 45 trunk inclination on a standard bed in which the AS maneuvers were performed (Fig. 1). Data were recorded with each subject performing the following consecutive set of maneuvers: (1) 60s of quiet spontaneous breathing; (2) a vital capacity (VC) maneuver; (3) 40s of quiet spontaneous breathing; (4) three sets of AS maneuvers, each composed of two air stackings (see below), and immediately followed by an expiration starting from the maximum volume reached after the second stacking and finishing at residual volume (with an interval of 20s in between); (5) 40s of quiet spontaneous breathing; (6) a VC maneuver; (7) 60s of quiet spontaneous breathing (Fig. 3). 31