A análise da mecânica respiratória em tempo real pela Técnica de OscilaçõesForçadas (FOT) Monofrequência é de interesse nos estudos clínicos e diagnósticos de doenças respiratórias. Entretanto, ainda é escassa a análise de asmáticos com esta técnica. O presente trabalho avalia a contribuição da FOT monofrequência na análise das alterações mecânicas ao longo do ciclo respiratório e da dinâmica da impedância do sistema respiratório (Zrs) de asmáticos. Na primeira fase do estudo, 14 voluntários sadios (GC) e 70 asmáticos foram incluídos. Destes, 13 asmáticos apresentaram espirometria normal (NE), e o restante apresentava obstrução leve (OL; n=26), moderada (OM; n=18) e acentuada (OA; n=13). Através da FOT foram analisadas a impedância total do sistema respiratório (Zt), a impedância inspiratória e expiratória (Zi e Ze), a impedância no início da inspiração e da expiração (Zii e Zie), a impedância pico-a-pico (diferença entre Zii e Zie) e a variação média da impedância (diferença entre Zi e Ze). Na segunda fase do estudo, a dinâmica do sistema respiratório foi analisada através da variabilidade da impedância, traduzida pelo desvio padrão da Zrs (sdZrs), pelo desvio-padrão do logaritmo da Zrs (sdlnZrs) e pela sua complexidade, analisada através da entropia aproximada da Zrs (EnApZ). Foram analisados 62 pacientes asmáticos da mesma amostra, divididos em NE (n=12), OL (n=20), OM (n=18) e OA (n=12). O GC foi composto por 12 voluntários. Testes de diferenças entre médias, correlações entre os parâmetros da FOT e da espirometria, além de curvas ROC, foram usados para avaliar o potencial da FOT monofrequência na detecção das alterações mecânicas em tempo real na asma. A impedância foi maior nos asmáticos em relação ao GC, sendo progressivamente maior entre os asmáticos de acordo com o grau de obstrução: Zt (p<0,0001), Zi (p<0,0001), Ze (p<0,0001), Zii (p<0,0001), Zie (p<0,0001), Zpp (p<0,0001) e &#916;Zrs (p<0,0001). A dinâmica do sistema respiratória sofreu diferenças significativas em asmáticos. Houve aumento significativo de sdZrs com o grau de obstrução brônquica (p<0,0001), enquanto a complexidade do sistema diminuiu (EnApZ; p<0,002). Correlações excelentes ocorreram entre VEF1/CVF e Zt (r=-0,76), Ze (r=-0,77) e Zie (r=-0,78), enquanto correlações razoáveis foram verificadas entre os parâmetros espirométricos com sdZrs e EnApZ. Os melhores parâmetros para uso diagnóstico na asma foram Zt, Zi, Ze, Zii e Zie com AUC adequada para identificar obstrução leve e de alta acurácia para identificar obstrução moderada e acentuada. O sdZrs foi adequado para identificar obstrução moderada e acentuada. Estes resultados estão em concordância com os fundamentos fisiopatológicos da asma. A FOTmonofrequência permite uma análise não invasiva e detalhada do sistema respiratório de asmáticos nas diferentes fases do ciclo respiratório. A impedância respiratória, principalmente na fase inspiratória, traduz as alterações mecânicas na asma. A dinâmica do sistema respiratório está alterada na asma, com maior variabilidade e menor complexidade do sinal de impedância respiratória, caracterizando um sistema com menor adaptabilidade a condições de maior demanda metabólica presentes na vida diária. Estes resultados confirmam o elevado potencial de uso clínico e científico desta metodologia na avaliação de pacientes com asma. / The analysis of respiratory mechanics in real time by Monofrequency FOT is of great interest in clinical and diagnosis studies of respiratory diseases. However, the use of this technique for the analysis of patients with asthma is still limited. The present study evaluates the contribution of the Monofrequency FOT in the analysis of changes in respiratory mechanics during the breathing cycle and the dynamics of the respiratory system of asthmatics. In the first phase of the study, 14 healthy volunteers (CG) and 70 asthmatics were included. Among them, 13 patients with asthma had normal spirometry (NE), and the others showed mild obstruction (n=26), moderate (n = 18) and severe (n=13). The parameters analyzed through FOT were the total impedance of the respiratory system (Zt), the inspiratory and expiratory impedance (Zi and Ze) and the impedance at the beginning of inspiration and expiration (Zii and Zie). The impedance peak-to-peak (Zii - Zie) and the mean of impedance (Zi - Ze) were also evaluated. In the second phase, the respiratory system dynamics was analyzed through the impedance variability, reflected by the standard deviation of Zrs (sdZrs), and the standard deviation of the Zrs logarithm (sdlnZrs), and an impedance complexity was analyzed through the approximated entropy of the Zrs (ApEnZ). 62 patients with asthma were analyzed, divided into NE (n=12), mild (n=20), moderate (n=18) and severe (n=12). The CG was composed by 12 volunteers. Tests of differences between means, correlations between the FOT parameters, spirometry, and ROC curves, were used to evaluate the potential of Monofrequency FOT in the detection of asthma mechanical changes in real-time. The respiratory impedance was higher in asthmatics than in CG, being progressively bigger among asthmatics according to obstruction degree: Zt (p<0.0001), Zi (p<0.0001), Ze (p<0.0001), Zii (p<0.0001), Zie (p<0.0001), Zpp (p<0.0001) and &#916;Zrs (p<0.0001). The dynamics of the respiratory system suffered significant differences in asthmatics. There was a significant increase in sdZrs with the bronchial obstruction degree in asthma (p<0.0001), while the complexity of the system decreased (ApEnZ, p<0.002). Excellent correlations occurred between FEV1/FVC and Zt (r=-0.76), Ze (r=-0.77) and Zie (r=-0.78), while reasonable correlations were found between spirometric parameters with sdZrs and ApEnZ. The best parameters to be used in asthma diagnosis were Zt, Zi, Ze, Zii Zie with adequate AUC to identify mild obstruction and high accuracy in identifying moderate and severe obstructions. The sdZrs was adequated to identify moderate and severe obstruction. These results are in close agreement with the pathophysiologic basis of asthma. The Monofrequency FOT allows a noninvasive analysis of the asthmatics respiratory system in the different phases. The respiratory impedance, especially during inspiration, reflects on the mechanical changes in asthma. The respiratory system dynamics is altered in asthma, with greater variability and less complexity of the respiratory impedance signal, characterizing a system with less adaptability to conditions of greater metabolic demand on the daily life. These results confirm the high potential of clinical and scientific use of this methodology to evaluate patients with asthma.

The use of forced oscillation technique (FOT) to study the mechanical properties of the respiratory system was proposed by Dubois (1956). This technique allows studying the mechanical behavior of the respiratory system, and from models, extracting features of pulmonary mechanics that would be barely noticeable by other methods. The object of this work was to build a portable device that uses the forced oscillation technique so that tests could be performed in locations with limited space. The device of TOF2 was remodeled from an early version called TOF1. Its components are integrated by replacing the set of equipment, power, signal generator, pressure transducers and data acquisition board with a single portable system. It was also developed a processing system for the collected data. In the validation process of TOF2 the pressure transducers were calibrated, the acquisition and data processing approach were defined, a standard resistance-inertance-compliance (RIC) model was built (analogue), and compared to the known value of impedance with the measured values in TOF2. The resulting procedure is analogous to that used in characterization of electric resistances. The reproducibility of the resistance measurements with TOF2 coupled to the analogue, along with the coherence function was greater than 95%, which indicates a good reliability. We conclude that the developed device, called TOF2, includes all the instrumentation needed to perform the measurements of a conventional TOF instrument, and meets the general recommendations for the design and implementation of the measurement system. / O uso da Técnica de Oscilações Forçadas (TOF) no estudo das propriedades mecânicas do sistema respiratório foi proposto por DUBOIS (1956). Essa técnica permite estudar o comportamento mecânico do sistema respiratório e, a partir de modelos, extrair características da mecânica pulmonar que seriam pouco perceptíveis por outros métodos. O objeto deste trabalho foi a construção de um aparelho portátil que utiliza a técnica de oscilações forçadas para que os exames pudessem ser realizados em locais com pouco espaço. O aparelho da TOF2 foi remodelado a partir de uma versão inicial denominada TOF1. Seus componentes foram integrados substituindo o conjunto de aparelhos, fonte, gerador de sinais, transdutores de pressão e placa de aquisição de dados por um único sistema portátil. Foi desenvolvido também um sistema de processamento dos dados coletados. No processo de validação do TOF2 foram calibrados os transdutores de pressão, definidos a aquisição e o processamento dos dados, foi construído um modelo resistência-inertância-complacência (RIC) padrão (analogue) e comparou-se o valor de impedâncias conhecidas com os valores mensurados no TOF2. Os resultados foram compatíveis aos valores obtidos na caracterização das resistências. A reprodutibilidade das medidas de resistência com o TOF2 acoplado ao analogue, juntamente com a função de coerência foi superior a 95%,o que indica uma boa confiabilidade dos dados. Conclui-se que o aparelho desenvolvido, denominado TOF2, inclui toda a instrumentação necessária para realizar as medições convencionais de um aparelho TOF, e cumpre as recomendações gerais para a elaboração e implementação do sistema de medidas.

A impedância respiratória de entrada pode ser obtida pela Técnica das Oscilações Forçadas (FOT) através de dois métodos diferentes: convencional e de wavetube. Nessa dissertação, primeiramente realizamos uma revisão bibliográfica com enfoque nos assuntos de interesse para esse trabalho, como definições e modelagem de impedância, descrições e bases teóricas para a realização dos dois métodos e descrição dos equipamentos utilizados por cada um dos métodos. A partir de dados experimentais da impedância, em camundongos machos do tipo BALB/c normais, obtidos em dois equipamentos diferentes fez-se uma comparação utilizando como base o Modelo de Fase Constante, analisando possíveis divergências e buscando compreender os motivos de eventuais discrepâncias. Um dos equipamentos (flexiVent, SCIREQ, Canadá) emprega o método convencional enquanto o outro equipamento foi desenvolvido pelo grupo do professor Zoltán Hantos, da Universidade de Szeged, Hungria, e se utiliza do método de wavetube. Tal trabalho foi motivado pela ausência de referências bibliográficas que comparam os dois métodos. A análise dos resultados experimentais nos sugere que os parâmetros obtidos para o Modelo de Fase Constante nos dois equipamentos são diferentes e não comparáveis. / The input respiratory impedance can be obtained by two different methods of performing the Forced Oscillations Technique (FOT): conventional and wavetube method. In this dissertation, first we made a literature review focusing on issues of interest to this work, as definitions and models of impedance, description and theoretical basis for the realization of the two methods and description of the equipments used by each method. Using experimental data of impedance in BALB/c male mice, from two different equipments a comparison was made based on the Constant Phase Model, analyzing possible differences between them and trying to understand the reasons for any discrepancies. The first equipment (flexiVent, SCIREQ, Canada) uses the conventional method while the second one, developed by the research group of Professor Zoltán Hantos of the University of Szeged, Hungary, uses the wavetube method. This work was motivated by the lack of literature references comparing the model parameters obtained by both methods. The analysis of experimental results suggests that the equipments are different and not comparable.

Introdução: A DPOC caracteriza-se pela limitação ao fluxo aéreo associada à resposta inflamatória anormal dos pulmões a partículas ou gases nocivos. As alterações mecânicas decorrentes da DPOC estão relacionadas com a disfunção mecânica das fibras do diafragma, já observadas nas fases iniciais da doença. Alguns estudos têm demonstrado o elevado potencial da Técnica de Oscilações Forçadas (FOT) na detecção das alterações mecânicas da DPOC. Contudo, tais aplicações da FOT não permitiam a análise em tempo real das alterações do sistema respiratório, bem como da mobilidade toracoabdominal destes indivíduos. Desta forma, os objetivos desta pesquisa foram analisar, em tempo real, as alterações de impedância do sistema respiratório nas distintas fases do ciclo em portadores de DPOC, assim como avaliar a movimentação toracoabdominal destes indivíduos. Metodologia: Trata-se de um estudo observacional controlado, prospectivo onde foram analisados 48 indivíduos, 23 indivíduos controles e 25 portadores de DPOC com grau de obstrução acentuado. Os indivíduos realizaram exames de FOT para análise da impedância do sistema respiratório e mobilidade toracoabdominal, simultaneamente. Posteriormente aos exames da FOT os indivíduos foram submetidos à Espirometria. Resultados: Os resultados demonstraram aumento da impedância do sistema respiratório nos indivíduos com DPOC em comparação ao grupo controle, em nos parâmetros estudados (Zt, Zi, Ze, Zii, Zie, Zrs e Zpp) (p<0,0001). Em relação às distintas fases do ciclo, os indivíduos deste estudo apresentaram impedâncias maiores na fase inspiratória quando comparadas à fase expiratória (p<0,004). Somente 10% dos portadores de DPOC apresentaram assincronia toracoabdominal (&#966; &#8805; 45), sendo que os valores médios não apresentaram diferença estatística quando comparados ao grupo controle. Discussão: A impedância total do sistema respiratório (Zt) aumentada nos portadores de DPOC confirma o aumento da carga mecânica do sistema respiratório destes indivíduos. Essas alterações são coerentes com o processo fisiopatológico, evidenciado pela obstrução ao fluxo aéreo e destruição do parênquima pulmonar. O aumento da impedância na fase inspiratória quando comparada à fase expiratória, sugere um aumento no trabalho resistivo e elástico. Não foram evidenciados sinais de assincronia na mobilidade toracoabdominal na maior parte dos indivíduos, sugerindo que alguns mecanismos adaptativos atuam na tentativa de evitar a fadiga do músculo respiratório. Conclusões: A DPOC resulta no aumento da carga mecânica do sistema respiratório, alterações identificadas pelo aumento da impedância do sistema respiratório, medida pela FOT em tempo real. Este aumento foi mais evidente durante a fase inspiratória. A mobilidade toracoabdominal não se mostrou alterada na maior parte dos indivíduos com DPOC. Estes resultados são consistentes com publicações prévias e fundamentos fisiopatológicos, confirmando o potencial da FOT monofreqüência na avaliação das modificações relacionadas à DPOC. / Introduction: COPD is carachterized by airflow limitation associated abnormal inflammatory response of the lung to noxious particles or gases. The mechanical alterations associated with COPD have been related with dysfunction of the diaphragm, observed since the initial phases of the disease. Several studies have confirmed the high potential of FOT in the assessment of the mechanics modifications related to COPD. However, such studies did not allow a real-time analysis of the changes in the respiratory system, and the thoracoabdominal mobility of these individuals. Thus, the goals of the present study were to analyze, in real-time, the impedance alterations of the respiratory system in different phases of the respiratory cycle of COPD patients. Methodology: This research consists of a controlled observational study where 48 individuals were analyzed, 23 controls and 25 individuals with COPD and severe airway obstruction. Firstly, they performed simultaneous analysis of impedance of the respiratory system and thoracoabdominal motion. In subsequent examinations, these subjects were submitted to spirometry. Results: The results demonstrated an increase of the respiratory system impedance in individuals with COPD compared with the control group in all of the studied parameters (Zt, Zi, Ze, Zii, Zie, &#916;Zrs e Zpp) (p<0.0001). Considering the different phases of the respiratory cycle, higher impedances were observed in the inspiratory phase (p<0.004). Only 10% of individuals with COPD showed thoracoabdominal asynchrony (&#966;&#8805; 45), and the mean values showed no statistical difference when compared to the control group. Discussions: The total impedance of the respiratory system increased in individuals with COPD, which describes the increase of the mechanic load of the respiratory system in these individuals. These alterations are coherent with the physiopathology of COPD, associated with airflow obstruction and lung parenchyma destruction. The increase of the impedance in the inspiratory phase suggests an increase of the resistive and elastic work. There were not signals of thoracoabdominal asynchrony in the major part of the studied individuals, suggesting that some adaptation mechanisms act to compensate respiratory muscle fatigue. Conclusion: The COPD results in the increase of the mechanic load of the respiratory system. These alterations were identified by the increase of the respiratory system impedance, which was more evidence in the inspiratory phase. The thoracoabdominal asynchrony was not usual in individuals with COPD. Those results are consistent with previously published data and physiopathological fundamentals, confirming the potential of monofrequency FOT in the assessment of the modifications related to COPD.

Introdução: A DPOC caracteriza-se pela limitação ao fluxo aéreo associada à resposta inflamatória anormal dos pulmões a partículas ou gases nocivos. As alterações mecânicas decorrentes da DPOC estão relacionadas com a disfunção mecânica das fibras do diafragma, já observadas nas fases iniciais da doença. Alguns estudos têm demonstrado o elevado potencial da Técnica de Oscilações Forçadas (FOT) na detecção das alterações mecânicas da DPOC. Contudo, tais aplicações da FOT não permitiam a análise em tempo real das alterações do sistema respiratório, bem como da mobilidade toracoabdominal destes indivíduos. Desta forma, os objetivos desta pesquisa foram analisar, em tempo real, as alterações de impedância do sistema respiratório nas distintas fases do ciclo em portadores de DPOC, assim como avaliar a movimentação toracoabdominal destes indivíduos. Metodologia: Trata-se de um estudo observacional controlado, prospectivo onde foram analisados 48 indivíduos, 23 indivíduos controles e 25 portadores de DPOC com grau de obstrução acentuado. Os indivíduos realizaram exames de FOT para análise da impedância do sistema respiratório e mobilidade toracoabdominal, simultaneamente. Posteriormente aos exames da FOT os indivíduos foram submetidos à Espirometria. Resultados: Os resultados demonstraram aumento da impedância do sistema respiratório nos indivíduos com DPOC em comparação ao grupo controle, em nos parâmetros estudados (Zt, Zi, Ze, Zii, Zie, Zrs e Zpp) (p<0,0001). Em relação às distintas fases do ciclo, os indivíduos deste estudo apresentaram impedâncias maiores na fase inspiratória quando comparadas à fase expiratória (p<0,004). Somente 10% dos portadores de DPOC apresentaram assincronia toracoabdominal (&#966; &#8805; 45), sendo que os valores médios não apresentaram diferença estatística quando comparados ao grupo controle. Discussão: A impedância total do sistema respiratório (Zt) aumentada nos portadores de DPOC confirma o aumento da carga mecânica do sistema respiratório destes indivíduos. Essas alterações são coerentes com o processo fisiopatológico, evidenciado pela obstrução ao fluxo aéreo e destruição do parênquima pulmonar. O aumento da impedância na fase inspiratória quando comparada à fase expiratória, sugere um aumento no trabalho resistivo e elástico. Não foram evidenciados sinais de assincronia na mobilidade toracoabdominal na maior parte dos indivíduos, sugerindo que alguns mecanismos adaptativos atuam na tentativa de evitar a fadiga do músculo respiratório. Conclusões: A DPOC resulta no aumento da carga mecânica do sistema respiratório, alterações identificadas pelo aumento da impedância do sistema respiratório, medida pela FOT em tempo real. Este aumento foi mais evidente durante a fase inspiratória. A mobilidade toracoabdominal não se mostrou alterada na maior parte dos indivíduos com DPOC. Estes resultados são consistentes com publicações prévias e fundamentos fisiopatológicos, confirmando o potencial da FOT monofreqüência na avaliação das modificações relacionadas à DPOC. / Introduction: COPD is carachterized by airflow limitation associated abnormal inflammatory response of the lung to noxious particles or gases. The mechanical alterations associated with COPD have been related with dysfunction of the diaphragm, observed since the initial phases of the disease. Several studies have confirmed the high potential of FOT in the assessment of the mechanics modifications related to COPD. However, such studies did not allow a real-time analysis of the changes in the respiratory system, and the thoracoabdominal mobility of these individuals. Thus, the goals of the present study were to analyze, in real-time, the impedance alterations of the respiratory system in different phases of the respiratory cycle of COPD patients. Methodology: This research consists of a controlled observational study where 48 individuals were analyzed, 23 controls and 25 individuals with COPD and severe airway obstruction. Firstly, they performed simultaneous analysis of impedance of the respiratory system and thoracoabdominal motion. In subsequent examinations, these subjects were submitted to spirometry. Results: The results demonstrated an increase of the respiratory system impedance in individuals with COPD compared with the control group in all of the studied parameters (Zt, Zi, Ze, Zii, Zie, &#916;Zrs e Zpp) (p<0.0001). Considering the different phases of the respiratory cycle, higher impedances were observed in the inspiratory phase (p<0.004). Only 10% of individuals with COPD showed thoracoabdominal asynchrony (&#966;&#8805; 45), and the mean values showed no statistical difference when compared to the control group. Discussions: The total impedance of the respiratory system increased in individuals with COPD, which describes the increase of the mechanic load of the respiratory system in these individuals. These alterations are coherent with the physiopathology of COPD, associated with airflow obstruction and lung parenchyma destruction. The increase of the impedance in the inspiratory phase suggests an increase of the resistive and elastic work. There were not signals of thoracoabdominal asynchrony in the major part of the studied individuals, suggesting that some adaptation mechanisms act to compensate respiratory muscle fatigue. Conclusion: The COPD results in the increase of the mechanic load of the respiratory system. These alterations were identified by the increase of the respiratory system impedance, which was more evidence in the inspiratory phase. The thoracoabdominal asynchrony was not usual in individuals with COPD. Those results are consistent with previously published data and physiopathological fundamentals, confirming the potential of monofrequency FOT in the assessment of the modifications related to COPD.