Recording and analysis of breathing patterns: a physiological marker in asthma management

Abstract

This thesis explores the potential use of breathing patterns as a physiological marker in asthma management. The goal of asthma management is to achieve optimal asthma control, whose assessment currently involves the use of a combination of patient-related outcomes and established physiological markers. These asthma-related outcomes are also used to guide asthma treatment. To reduce patient burden and increase patient adherence, there is a need for supplemental markers that are minimally intrusive, do not rely on patients’ perception and, preferably, can be made outside specialist clinical centres. One such marker could be the breathing patterns, but little is known about their current role in asthma management. This research primarily aimed to explore the use of specific quantifiable breathing pattern components to predict asthma control, as well as their ability to respond to a physiotherapy breathing retraining programme. To meet these aims, three studies were conducted: a) an initial equipment validation study in healthy adults (n=50) to test the criterion-validity of Structured Light Plethysmography (SLP) prior to selecting a method for breathing pattern measurements in this research; b) a correlational study involving asthma patients (n=122) to establish if absolute measurements and/or within-individual variability of the examined breathing components could primarily predict asthma control and secondary be associated with other asthma-related outcomes used in asthma management; and c) a small responsiveness study involving asthma patients (n=6) to explore if breathing pattern components were affected by a physiotherapy breathing retraining programme. This research found that SLP is a valid and responsive technology to record breathing patterns in the sitting position, during resting breathing and immediately after exercise as compared to Respiratory Inductive Plethysmography. The within individual variability of the breathing components predicted asthma control, although their absolute measurements did not. Same results were found for the prediction of other asthma related outcomes, such as the presence of dysfunctional breathing. No firm conclusions could be drawn regarding their responsiveness to breathing retraining, but some consistent changes in the within-individual variability of breathing components were observed. Based on all findings, this research found that breathing pattern variability can be used as a supplemental physiological marker in asthma management.

Η παρούσα διατριβή διερευνά τη δυνητική χρήση του αναπνευστικού προτύπου ως φυσιολογικού δείκτη στη διαχείριση του άσθματος. Στόχος της διαχείρισης του άσθματος είναι η επίτευξη βέλτιστου ελέγχου της νόσου, η εκτίμηση του οποίου βασίζεται επί του παρόντος σε έναν συνδυασμό δεικτών σχετιζόμενων με τον ασθενή και καθιερωμένων φυσιολογικών μετρήσεων. Τα εν λόγω αποτελέσματα χρησιμοποιούνται επίσης για την καθοδήγηση της θεραπευτικής προσέγγισης στο άσθμα. Για την ελάττωση της επιβάρυνσης του ασθενούς και τη βελτίωση της συμμόρφωσής του, είναι απαραίτητη η ύπαρξη συμπληρωματικών δεικτών οι οποίοι να είναι ελάχιστα παρεμβατικοί, να μην εξαρτώνται από την υποκειμενική αντίληψη του ασθενούς και, κατά προτίμηση, να μπορούν να εφαρμοστούν εκτός εξειδικευμένων κλινικών δομών. Ένας τέτοιος πιθανός δείκτης είναι το αναπνευστικό πρότυπο, ωστόσο μέχρι σήμερα είναι περιορισμένα τα δεδομένα σχετικά με τον ρόλο του στη διαχείριση του άσθματος. Κύριος σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η διερεύνηση της χρήσης συγκεκριμένων ποσοτικοποιήσιμων παραμέτρων του αναπνευστικού προτύπου για την πρόβλεψη του ελέγχου του άσθματος, καθώς και της ανταπόκρισής τους σε πρόγραμμα επανεκπαίδευσης της αναπνοής μέσω φυσικοθεραπευτικής παρέμβασης. Για την επίτευξη αυτών των στόχων, πραγματοποιήθηκαν τρεις μελέτες: α) μία αρχική μελέτη εγκυρότητας εξοπλισμού σε υγιείς ενήλικες (n=50), με σκοπό την αξιολόγηση της εγκυρότητας της τεχνολογίας Structured Light Plethysmography (SLP) ως μεθόδου καταγραφής του αναπνευστικού προτύπου· β) μία συσχετιστική μελέτη με άτομα με άσθμα (n=122), για τη διερεύνηση του κατά πόσο οι απόλυτες τιμές και/ή η ενδοατομική μεταβλητότητα των υπό μελέτη αναπνευστικών παραμέτρων μπορούν πρωτογενώς να προβλέψουν τον έλεγχο του άσθματος και δευτερογενώς να συσχετιστούν με άλλες παραμέτρους διαχείρισης του άσθματος· γ) μία μικρής κλίμακας μελέτη ανταπόκρισης (n=6) σε άτομα με άσθμα, προκειμένου να διερευνηθεί αν οι παράμετροι του αναπνευστικού προτύπου επηρεάζονται από φυσικοθεραπευτικό πρόγραμμα επανεκπαίδευσης της αναπνοής. Τα ευρήματα της έρευνας έδειξαν ότι η τεχνολογία SLP είναι έγκυρη και ευαίσθητη στη μεταβολή κατά την καταγραφή του αναπνευστικού προτύπου σε καθιστή θέση, τόσο κατά την ηρεμία όσο και αμέσως μετά από άσκηση, συγκριτικά με την τεχνολογία Respiratory Inductive Plethysmography. Η ενδοατομική μεταβλητότητα των παραμέτρων του αναπνευστικού προτύπου προέβλεψε τον έλεγχο του άσθματος, σε αντίθεση με τις απόλυτες μετρήσεις, οι οποίες δεν φάνηκε να έχουν προβλεπτική αξία. Αντίστοιχα αποτελέσματα παρατηρήθηκαν και για άλλες σχετιζόμενες με το άσθμα εκβάσεις, όπως η παρουσία δυσλειτουργικού τρόπου αναπνοής. Αν και δεν κατέστη δυνατή η εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων αναφορικά με την ανταπόκριση των παραμέτρων στην επανεκπαίδευση της αναπνοής, καταγράφηκαν ορισμένες συνεπείς μεταβολές στην ενδοατομική τους μεταβλητότητα. Συνολικά, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η μεταβλητότητα του αναπνευστικού προτύπου μπορεί να αξιοποιηθεί ως συμπληρωματικός φυσιολογικός δείκτης στη διαχείριση του άσθματος.