PFT (Pulmonary Function Tests) — Spirometry, Lung Volume & DLCO

📖 Source: รศ.นพ.ณรงค์กร ซ้ายโพธิ์กลาง — หน่วยโรคระบบการหายใจและเวชบำบัดวิกฤต ภาควิชาอายุรศาสตร์ มธ. (15-02-67) | Guideline: ATS/ERS 2019 update

---

🫁 Overview of PFTs

PFTs ประกอบด้วยการตรวจหลายชนิด ได้แก่ Spirometry, Lung volume, DLCO, Respiratory muscle strength (PImax/PEmax), Bronchoprovocative testing (Methacholine challenge), CPET, ABG, P0.1, IOS, และ FeNO

Respiratory muscle strength ค่าปกติ:

• PImax (MIP/NIF): ชาย −90, หญิง −50 cmH₂O
• PEmax: ชาย 120, หญิง 60 cmH₂O
• PEmax > PImax เนื่องจาก abdominal + internal intercostal muscle แข็งแรงกว่า

Methacholine challenge test: PC₂₀ < 8 mg/mL = positive airway hyperresponsiveness (AHR)

FeNO: <25 ppb = asthma ควบคุมได้, >50 ppb = ควบคุมไม่ได้ (gray zone 25–50); บ่งบอก eosinophilic airway inflammation

---

🌬️ Spirometry

Indications for Spirometry

• Diagnose or exclude lung disease (esp. COPD, asthma)
• Assess severity และ monitor disease progression
• Assess response to therapeutic intervention
• Preoperative assessment (FEV₁ ≥60%pred → ผ่าตัดได้)
• Occupational/environmental exposure (silicosis, asbestosis, chemical plant explosion)
• Evaluate disability or impairment
• Epidemiologic/clinical research

Contraindications (ATS/ERS 2019)

• Recent surgery: eye ≤1 wk; brain/thoracic/abdominal ≤4 wks
• Thoracic, abdominal, cerebral aneurysm (เสี่ยงแตก)
• Active hemoptysis หรือ respiratory infection (URI ผลดีขึ้นก่อน → ป้องกัน spread)
• Pneumothorax
• Acute MI ≤1 wk
• Significant arrhythmia (uncontrolled AF/VT/VF) หรือ severe CHF / PE / PH
• Uncontrolled HTN: MAP >130 mmHg (≈ SBP ≥220 / DBP >100)
• Pregnancy (late pregnancy / เสี่ยงแท้ง — ถ้า suspect asthma ให้ยาไปก่อน แล้วตรวจหลัง ICS+LABA)

สิ่งที่ต้องหลีกเลี่ยงก่อนตรวจ (ATS/ERS 2019)

• สูบบุหรี่ <1 h (broncoconstrictor → false positive obstruction)
• ดื่มแอลกอฮอล์/สารมึนเมา <8 h
• ออกกำลังกายหนัก <1 h (เหนื่อย → ddx exercise-induced bronchospasm)
• เสื้อผ้าที่รัดแน่นมาก

Bronchodilator Withholding (ATS/ERS 2019)

BD Medication	Example	Withhold
SABA	salbutamol	4–6 h
SAMA	ipratropium bromide	12 h
LABA	formoterol, salmeterol	24 h
Ultra-LABA	indacaterol, vilanterol, olodaterol	36 h
LAMA	tiotropium, umeclidinium, glycopyrronium	36–48 h

⚠️ Short-cut: ถ้าทราบ diagnosis อยู่แล้ว (COPD/asthma on treatment) ไม่จำเป็นต้องหยุด BD

Quality Control

Acceptability criteria (ดู Volume-Time curve)

• Good start ไม่มี hesitation (กราฟแรกไม่ลึก)
• ไม่มี coughing / air leak
• Achieve EOFE (end of forced expiration): plateau >1 sec หรือ duration ≥15 sec หรือ FVC test หลัง ≥ FVC test ก่อน

Reproducibility criteria

• FVC และ FEV₁ สองค่าสูงสุด ต่างกัน ≤150 mL (50 cc = ✓, ต่างกัน 0.95 ≈ borderline)
• Acceptable efforts: 3 (min) to 8 (max) — pre 3 ครั้ง, post 3 ครั้ง

Reported values

Parameter	ค่าที่รายงาน
FVC	Highest value จาก acceptable trials
FEV₁	Highest value จาก acceptable trials
PEF	Best test curve = highest sum of FVC+FEV₁
FEF₂₅₋₇₅	Best test curve = highest sum of FVC+FEV₁

Spirogram morphology patterns

Pattern	Volume-Time	Cause
Normal	plateau ~6 sec	—
Early hesitation	ช่วงแรกไม่ทะลง	poor start
Poor effort	rounded peak, ต่ำ	ไม่ตั้งใจ/ไม่แข็งแรง
Early termination	plateau เร็วมาก	glottis closure / tongue obstruction / restrictive
Cough	notch บน curve	—
Young female (knee)	knee appearance	normal variant

---

Parameters

FEV₁ & FVC

• FVC (Forced Vital Capacity): volume ทั้งหมดที่เป่าออกแรงสุด
• FEV₁ (Forced Expiratory Volume in 1 sec): volume ที่เป่าออกใน 1 วินาที — ปกติ ~80–90% ของ FVC
• Volume-Time curve: แกน X = time, แกน Y = volume; EOFE = จุดที่ plateau

FEF₂₅₋₇₅ (MMEF)

• = forced expiratory flow ระหว่าง 25–75% ของ FVC
• Effort-independent zone — แรงเป่าไม่มีผลต่อการไหลออกของลม
• บ่งบอก small airway function (peripheral airway)
• ค่าต่ำเจอใน early asthma / early COPD
• Normal: ≥65%pred

PEF (Peak Expiratory Flow)

• Effort-dependent — ขึ้นกับความพยายาม
• ใช้ตรวจ variability ที่บ้าน: Max−Min / ½(Max+Min) → ≥10% = significant variation

Lower Limit of Normal (LLN)

• LLN = 5th percentile = X − 1.65 SD ของประชากร
• Fixed ratio 0.7 มีข้อจำกัด: false positive ในผู้สูงอายุ (over-diagnose COPD), false negative ในคนอายุน้อย
• ATS/ERS แนะนำ LLN; PRIsm ใช้ LLN
• Predicted value ขึ้นกับ: Race (Caucasian > Asian), Sex (ชาย > หญิง), Age (↑อายุ → LF↓), Height (↑ส่วนสูง → LF↑) — ไม่ขึ้นกับ weight

ค่าปกติ: 80–120%pred (สำหรับ FVC); ยกเว้น FEV₁/FVC >90%pred, FEF₂₅₋₇₅ >65%pred = normal

Spirometry Interpretation Algorithm (Step-by-Step)

Step 1 — Acceptability: ดู Volume-Time curve (plateau ≥1 sec, duration ≥15 sec)

Step 2 — Morphology: Flow-volume loop

• Scooping/scooped-out pattern → Obstruction
• Narrow-based → Restriction
• BD response → reversibility

Step 3 — Obstruction:

• FEV₁/FVC < 70% (age ≥40) หรือ <75% (age <40) หรือ <LLN

Step 4 — ถ้า obstruction + FVC <80%pred: คำนวณ Corrected FVC

• Corrected FVC = FVC%pred + (70 − FEV₁/FVC%)
• Corrected FVC >80% → Pure obstruction
• Corrected FVC <80% → Mixed obstruction + Restriction

Step 5 — Restriction:

• FVC <80%pred หรือ <LLN (ยืนยันด้วย TLC)

Step 6 — Severity (FEV₁ %pred):

Grade	FEV₁ %pred	Z-score
Mild	>70	−1.65 ถึง −2.5
Moderate	60–69	−2.51 ถึง −4.0
Moderately severe	50–59	—
Severe	35–49	< −4.1
Very severe	<35	—

COPD severity ใช้ post-BD FEV₁: GOLD grading = 80 / 50 / 30

Step 7 — BD response:

• ↑FEV₁ หรือ FVC ≥12% AND 200 mL (หรือ >10%pred)
• มี BD response → mostly Asthma / reversible obstruction
• ไม่มี BD response → mostly COPD (แต่ COPD บางส่วนมี response ได้ ~20%)
• Ratio ปกติหมด + มี BD response = Asthma ที่ควบคุมดีหรือ severe (ratio กลับมา normal แล้ว)

Step 8 — Small Airway Disease:

• Ratio ปกติ, FVC ปกติ, แต่ FEF₂₅₋₇₅ <65%pred → Early asthma / Early COPD

---

Complete PFT Interpretation Flowchart

FEV₁/FVC ≥ LLN (normal)
    ├── FVC ≥ LLN → Normal → confirm DLCO ≥ LLN
    │       ├── DLCO normal → NORMAL
    │       └── DLCO low → Pulmonary vascular disease (PH, PE)
    └── FVC < LLN → TLC?
            ├── TLC ≥ LLN → ดูต่อ (อาจเป็น pseudo-restriction)
            └── TLC < LLN → RESTRICTION → DLCO?
                    ├── DLCO normal → NMD / Chest wall disease
                    └── DLCO low → ILD (intrapulmonary restrictive)

FEV₁/FVC < LLN (obstruction)
    ├── FVC ≥ LLN → Pure OBSTRUCTION → DLCO?
    │       ├── DLCO normal → Asthma / Chronic bronchitis
    │       └── DLCO low → Emphysema (COPD)
    └── FVC < LLN → TLC?
            ├── TLC ≥ LLN → OBSTRUCTION (confirmed, pseudo-low FVC)
            └── TLC < LLN → MIXED (obstruction + restriction)

---

Upper Airway Obstruction (UAO)

UAO แบ่งตาม anatomy: vocal cord ลงมาถึง main bronchus (spirometry บอกตำแหน่งได้เป็น physiology localization)

Type	Pattern	FEF₅₀/FIF₅₀	Examples
Intrathoracic UAO	Expiratory plateau (ตัดบน)	<1	Tracheomalacia (below sternal notch), polychondritis/EGPA, Wegener’s granulomatosis, tracheal/main bronchial tumor
Extrathoracic UAO	Inspiratory plateau (ตัดล่าง)	>1	Vocal cord paralysis (uni/bilateral), goiter (above sternal notch), ALS, post-polio, airway burn, extrathoracic tracheomalacia
Fixed UAO	Both plateaus (box shape)	≈1	Fixed vocal cord lesion, large goiter, benign stricture, foreign body, endotracheal tumors, bronchial stenosis
Main bronchial obstruction	Biphasic flow-volume loop	variable	Partial obstruction right/left main bronchus (tumor) — มีทั้งขาเข้าและขาออก + scooping

Physiological basis:

• Intrathoracic: expiration → Ppl ↑ (positive) → Ptr < Ppl → airway collapse → expiratory plateau
• Extrathoracic: inspiration → Patm negative → Ptr < Patm → airway collapse → inspiratory plateau
• Fixed: rigid obstruction → ทั้ง 2 phase plateau (บอกไม่ได้ว่า intra หรือ extra)

---

📦 Lung Volume

Indications

• Diagnose/assess severity ของ restrictive lung disease (reduced TLC)
• แยก obstructive vs. restrictive pattern (ยืนยัน restriction ด้วย TLC <LLN)
• Assess response to therapy (BD, steroids, lung surgery, RT/CMT)
• Preoperative assessment ในคนที่ lung function บกพร่อง
• Determine extent of hyperinflation (TLC >120%)
• Assess gas trapping: plethysmographic vs. gas dilution lung volumes (FRCpleth > FRCN₂ = gas trapping)

Lung Volumes and Capacities

ประกอบด้วย 4 volumes + 4 capacities:

• IRV (Inspiratory Reserve Volume): สูดเพิ่มสูงสุด ~2500 mL
• VT (Tidal Volume): ~500 mL (1/4 ของ IC)
• ERV (Expiratory Reserve Volume): หายใจออกสูงสุดจาก FRC
• RV (Residual Volume): ~25% TLC — spirometry วัดไม่ได้
• IC = IRV + VT
• VC (FVC) = IRV + VT + ERV
• FRC = ERV + RV (~50% TLC)
• TLC = IRV + VT + ERV + RV (~6 L)

Measurement Methods

Feature	Body Plethysmography	Multiple-Breath N₂ Washout
Principle	Boyle’s law: P₁V₁ = P₂V₂ (วัด FRCpleth ก่อน → คำนวณ TLC, RV)	Wash out N₂ ด้วย O₂ 100% จนเหลือ <1.5% ภายใน 3–4 min (test fail >7 min)
Alveoli measured	Ventilated + non-ventilated ✅	เฉพาะ ventilated เท่านั้น (FRC_N₂ < FRC_pleth เพราะ N₂ ค้างในถุงลมที่ปิด)
Standard	✅ Gold standard	❌ ไม่ใช่ standard
Cost/ease	แพง / ต้องฝึก technician	ถูก / ง่าย

Body Plethysmography steps: quiet breathing → shutter closed (วัด Boyle’s law) → shutter open → FVC maneuver → collect VC, IC, ERV → คำนวณ FRC, RV, TLC

Normal & Abnormal Lung Volume Patterns

ปกติ TLC: 80–120%pred

• TLC >120% = hyperinflation (emphysema/obstruction)
• TLC >155% post-BD = confirmed static hyperinflation

Severity ของ reduced TLC:

Grade	TLC %pred
Mild	70–79
Moderate	60–69
Severe	<60

Specific PFT patterns ตามโรค:

Condition	RV/TLC	TLC	RV	DLCO	หมายเหตุ
Elderly (normal)	↑	↔	↑	—	aging → small airway collapse
Early emphysema	↑	↑ slightly	↑	↓	air trapping เริ่ม
Severe emphysema (COPD)	↑↑	↑↑ (>155%)	↑↑	↓↓	alveolar destruction
Pulmonary fibrosis (ILD)	↔	↓	↔	↓↓	RV ↔ เพราะ stiff lung limit ทั้งคู่
Neuromuscular disease (MG/GBS)	↑↑	↓	↔	↔	RV↑ เพราะหายใจออกเต็มที่ไม่ได้
Severe obesity	↑	↓	↔	↔	ERV ↓ isolated (fat กด diaphragm)

Pearl: Fibrosis / NMD / Chest wall / Obesity → RV ↔, TLC ↓

---

💨 DLCO (Diffusing Capacity of Lungs for Carbon Monoxide)

Indications

• Evaluate/follow parenchymal lung diseases (ILD, emphysema)
• Pulmonary involvement ใน systemic disease — esp. CNTD (SSc, RA, SLE, myositis)
• Obstructive disease: COPD vs. asthma (DLCO แยกได้)
• Cardiovascular: PH, PE (↓DLCO with normal spirometry)
• Disability associated with ILD
• ↑DLCO → alveolar hemorrhage, polycythemia, L-R shunt
• Preoperative assessment

Principle & Technique

DLCO วัดโดยอาศัยหลัก Diffusion limitation of uptake โดยใช้ 0.3% CO เป็น tracer gas (CO จับ Hb แน่นมาก → P_cCO ≈ 0)

Formula:

• DLCO = V̇CO / (P_A CO − P_C CO)
• 1/DLCO = 1/Dm + 1/θVc (Dm = membrane diffusion, θVc = reaction rate × capillary volume)

KCO = DLCO/VA (transfer coefficient — normalize ต่อ alveolar volume ของ patient)

• Pneumonectomy 1 ข้าง: DLCO ↓50% แต่ KCO ปกติ (เพราะ remaining lung ปกติ)

Single-breath hold technique:

1. หายใจออกจนถึง RV
2. สูด test gas (CO 0.3%, CH₄ หรือ He tracer, O₂ 21%, N₂ balance) ถึง TLC อย่างรวดเร็ว
3. Hold breath ~10 sec
4. หายใจออก → washout dead space (≥750 mL) → collect alveolar sample
5. วัด inspired vs. expired CO → คำนวณ DLCO = CO ที่ diffuse เข้าไป

Factors Affecting DLCO

↓ DLCO	↑ DLCO
↓Alveolar surface area: lung resection, emphysema, bronchial obstruction	Supine position (↑venous return)
Alveocapillary membrane disease: ILD, PH, PE, late CHF, DAD, PAP, consolidation	Exercise, fever (↑CO uptake)
Anemia, high COHb, pregnancy	Asthma (↑blood flow)
Valsalva maneuver (↑intrathoracic pressure → ↓venous return → ↓pulmonary capillary blood)	Müller maneuver (ตรงข้าม Valsalva)
Extrapulmonary restriction (NMD, kyphoscoliosis)	L-R cardiac shunt, early CHF
	Polycythemia, alveolar hemorrhage
	Obesity, high altitude

Severity ของ Reduced DLCO

Grade	DLCO %pred
Mild	60–75
Moderate	40–60
Severe	<40

DLCO ใน Clinical Context

KCO ช่วยแยก:

• Intrapulmonary restriction (ILD): DLCO ↓↓, KCO ↓ หรือ ↔ (membrane disease)
• Extrapulmonary restriction (NMD/CW): DLCO ↓/↔, KCO ↑ (capillary bed ปกติ แต่ lung volume เล็ก → KCO = DLCO/VA ดูดีขึ้น)
• Emphysema vs. Asthma: emphysema DLCO ↓↓ (alveolar destruction), asthma DLCO ↔/↑

---

📊 Summary: Abnormal PFT Patterns

Characteristic	FEV₁	VC	Ratio	TLC	DLCO	KCO
Asthma	↓↓	↔/↓	↓	↑	↔/↑	↑
COPD (Emphysema)	↓↓	↓	↓↓	↑	↓↓	↓↓
Intrapulmonary Restriction (ILD, fibrosis)	↓	↓↓	↔/↑	↓	↓↓	↓/↔
Extrapulmonary Restriction (NMD, CW disease)	↓	↓↓	↔/↑	↓	↓/↔	↑

Key differentiators:

• DLCO ↓↓ + KCO ↑ → extrapulmonary restriction (capillary bed intact แต่ volume เล็ก)
• DLCO ↓↓ + KCO ↓ → intrapulmonary (membrane disease)
• Ratio ↓↓ + TLC ↑ + DLCO ↓↓ → emphysema
• Ratio ↓ + TLC ↑ + DLCO ↔ → asthma / chronic bronchitis

Reference equations available: GLI 2012, Morris Polgar, Siriraj 2000 (Thai) — TU ใช้ GLI 2012 / STD EU

---

🖼️ Reference Images

Flow-Volume Loop Patterns: Normal vs Obstruction vs Restriction

Flow-Volume Loop Patterns: Normal vs Obstruction vs Restriction

DLCO Alveolar-Capillary Membrane Diagram