一种模拟人类临床相关低氧状态的模型

摘要

在人体中模拟缺氧通常通过吸入低氧气体混合物来实现。本研究则利用屏气潜水者在人体中模拟动态缺氧。此外，还采用近红外光谱法（NIRS）和外周血氧饱和度（SpO₂）等无创工具评估了去饱和和再饱和动力学过程中的生理变化。

摘要

发生呼吸暂停时，动脉血氧分压（pO₂）下降，而二氧化碳分压（pCO₂）升高。为避免脑等对缺氧敏感的器官受损，机体通过代偿性循环机制来维持充足的氧气供应，主要表现为脑血流量增加。间歇性缺氧是阻塞性睡眠呼吸暂停患者中常见的现象。急性气道阻塞也可导致缺氧和高碳酸血症。迄今为止，尚无合适的模型能够有效模拟人体内此类生理动态变化。以往针对人类缺氧的研究多采用吸入低氧气体混合物的方法，但由此产生的缺氧常伴随过度通气，因此更接近高原环境下的状态，而非呼吸暂停的真实情况。此外，既往动物实验的结果向人体的外推性有限，且呼吸暂停所引发生理变化的病理生理机制仍不明确。本研究利用健康的屏气潜水者，模拟临床上具有重要意义的呼吸暂停期间的缺氧与高碳酸血症状态。同时，采用脉搏血氧测定法和近红外光谱技术（NIRS）评估屏气前后及屏气过程中脑部与外周组织氧饱和度的变化。

引言

临床上相关的急性低氧血症及伴随的高碳酸血症主要见于阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）患者、急性气道阻塞患者或心肺复苏期间。在OSAS及其他低氧血症相关领域的研究中，主要局限性包括：从动物实验中获得的关于病理生理学的知识可转化性有限，且目前尚无可用的人体模型¹。为在人体中模拟低氧状态，以往通常使用低氧气体混合物^2-7。然而，这些条件更接近于高海拔环境，而非临床上低氧通常伴随高碳酸血症的情况。为监测心脏骤停及复苏期间的组织氧合状态，已有研究通过动物实验⁸来探究生理代偿机制。

屏息潜水者是健康的运动员，能够抑制由动脉血氧饱和度降低所引发的呼吸冲动。 ⁹ 且pCO₂升高₂ ^10,11我们研究了屏气潜水者，以模拟急性低氧和伴随高碳酸血症的临床情况 ¹²该模型可用于评估临床设置，加深对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）或病理性呼吸障碍患者病理生理机制的理解，并揭示研究呼吸暂停情况下潜在代偿机制的新途径。此外，还可利用该模型在紧急情况下存在的动态低氧环境中，对人体低氧检测技术的可行性和准确性进行测试。即气道阻塞、喉痉挛或无法插管、无法通气的情况）或用于模拟阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）患者的间歇性低氧。

目前，用于检测人体缺氧的无创技术较为有限。外周脉搏血氧饱和度（SpO₂）是一种在院前和医院环境中经批准用于检测缺氧的工具¹³。该方法基于血红蛋白对光的吸收特性。然而，SpO₂测量仅限于外周动脉氧合状态评估，在无脉电活动（PEA）或中心循环极低的情况下无法使用¹⁴。相比之下，近红外光谱技术可用于在PEA期间、出血性休克期间或蛛网膜下腔出血后实时评估脑组织氧饱和度（rSO₂）^15-19。该技术的应用正持续增加²⁰，方法学研究已揭示SpO₂与rSO₂之间存在正相关关系^3,4。

本研究提供了一种模拟人体临床相关低氧状态的模型，并逐步展示了在去饱和和再饱和情况下比较外周脉搏血氧测定法与近红外光谱法的方法。通过分析呼吸暂停情况下的生理数据，可加深对代偿机制的理解。

方案

伦理声明
所有涉及人类受试者的研究操作均符合1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修订版所规定的伦理标准。本研究的设计已获得德国波恩大学医院当地伦理委员会的批准。

注意：确保受试者处于良好健康状态，未服用任何降压药物，并且至少在24小时内未接触过诱导儿茶酚胺的物质，如咖啡因或其他类似物质。

1. 受试对象的准备

1. 使用70%酒精清洁前额皮肤，以在近红外光谱（NIRS）电极放置前去除皮肤油脂。
2. 将NIRS电极置于右侧前额眉毛上方、矢状缝右侧（额极区2位点，locus frontopolar 2），用于测量脑组织（即中枢）氧合水平。
3. 评估信号稳定性。rSO₂信号应在至少5分钟内保持恒定（±3%）。
4. 为使用NIRS测量外周组织氧合（NIRS_tissue-电极），将一个电极置于股四头肌中部上方（或可选置于前臂）。切勿将电极置于静脉丛或动脉上方。
5. 将心电图（ECG）电极置于无毛发的胸部。ECG导联标有不同字母：将"R"置于右侧胸大肌胸肋部起点，"L"置于左侧胸大肌胸肋部起点，"C"置于锁骨中线第五肋间隙中部，"F"置于左下肋缘，"N"置于右下肋缘。
6. 在同一肢体和同侧手指上测量外周脉搏血氧饱和度（SpO₂），即NIRS_tissue-电极所放置的一侧。
7. 使用血压袖带测量无创血压（NIBP）。选择可进行外周脉搏血氧测量的对侧肢体。为获得高时间分辨率的血压数据，设定每分钟测量一次。通过触控屏幕并选择"settings"来设置NIBP测量。
8. 在屏气试验开始前至少20分钟，于右臂或左臂的肘正中静脉建立静脉通路，以便在屏气期间及之后的各个时间点采集血样。
   1. 使用70%酒精清洁皮肤。
   2. 使用止血带使静脉更加明显。
   3. 进行皮肤消毒以防止感染，并将针头穿入皮肤。
   4. 当导管接头处出现回血后，降低进针角度，将导管推入静脉。
   5. 拔出针芯，并用无菌生理盐水（0.9% NaCl）冲洗导管。

2. 数据采集

1. 校准所有显示器的内部时钟，以同步测量数据，便于后续处理。
   1. 单击桌面右下角的时钟图标，然后点击 "更改日期和时间设置" 在弹出窗口中。
   2. 按下 NIRS 设备上的设置菜单按钮，更改日期和时间 通过 菜单
2. 为存储生理数据以供离线分析，将监测设备插入对接站，并通过网线将其连接至计算机。确保对接站的IP地址和子网掩码在网络设置中正确无误，以建立连接。如需获取相关信息，请联系设备供应商。
3. 使用监测设备专用软件将测量结果保存到计算机中。点击 "开始" 开始记录，并在测量结束后保存结果。
   注意：某些设备中，数据必须在测量过程中实时保存。
   注意： 故障排除时请注意执行以下步骤： 如果近红外光谱（NIRS）的变异性_组织 信号过高时，需重新评估电极位置（避免电极正下方存在较大的静脉丛或动脉）。近红外光谱（NIRS）信号变异性较高_大脑的 信号也可能是潜水员过度通气以降低二氧化碳分压的间接标志₂指导受试者减慢呼吸频率并降低潮气量，然后重新评估信号。允许受试者在最终屏气前进行3次深吸气。此阶段不应纳入基线值的评估。最大吸气后的前30秒数值波动较大，不可用于分析。

3. 呼吸暂停

1. 让受试者以平卧姿势静息至少15分钟，以避免因血管收缩引起的血流动力学变化。让受试者保持正常呼吸，以防止过度通气引发的血管收缩。将呼吸频率控制在≤15次/分钟。
2. 采集基线血样进行分析。弃去最初采集的5 ml血液，以避免测量误差。每次静脉采血后，使用无菌生理盐水冲洗导管，防止凝血。
3. 确保受试者无法看到监测数值，以避免视觉因素对其屏气表现产生影响。
4. 检查各设备的功能及信号质量。确保电极不会因受试者在屏气结束时的不自主动作而脱落。
5. 明确约定实验流程。在屏气前2分钟进行口头倒计时。在此准备期间，受试者应保持正常呼吸。在最后一次呼吸前，允许进行3次深吸气。要求受试者通过手指示意标记最后一次吸气。屏气应尽可能持续至极限。
   注意：最后一次呼吸结束即为屏气开始。屏气结束定义为屏气后的首次吸气。
6. 通过按下NIRS设备上的"事件标记按钮"，对关键事件（即屏气的开始与结束）进行电子标记，以避免后续时间分析中的误差。
   注意：在屏气的后半段，由膈肌不自主活动引起的胸腹部运动较为常见，标志着进入挣扎阶段。
7. 根据研究目的，在不同时间点采集血样。
8. 将血样在1,500 × g条件下离心10分钟。取上清液，并于-80 °C保存以备后续分析。

4. 数据处理

1. 处理来自监测设备的数据：
   1. 在计算机上打开已保存的文件并按下 "开始" 用于分析数据。
   2. 点击 "审稿" 获取趋势监测的访问权限并进行选择 "选项" 然后 "工具" 在菜单子掩膜中，可通过以下方式更改时间间隔 "趋势区间" 如有必要。
   3. 选择掩膜 "趋势" 并保存。打开文件 "趋势" 在电子表格程序中进行进一步处理。
2. 处理来自近红外光谱（NIRS）设备的数据：
   1. 打开计算机上的软件并连接近红外光谱仪设备 通过 WIFI
   2. 将数据从NIRS设备传输至计算机。
   3. 将数据保存为 CSV 格式。
   4. 在电子表格程序中打开文件以进行进一步处理。

5. 分析数值

1. 创建一个包含两组数据的电子表格，以比较数值。找出近红外光谱（NIRS）值和血氧饱和度（SpO₂）在至少30秒内保持稳定（±3%）的时间段。对该时间段内的数值取平均值，以确定基线水平。
   注意：心率在呼吸暂停前通常会发生显著变化。为了进行进一步分析，将呼吸暂停开始后30秒时的心率定义为基线心率。
2. 通过观察 rSO₂ 和 SpO₂ 数值较基线水平下降超过 > 2% 的情况，确定在呼吸暂停期间其单调下降的起始点。该时间点被定义为 "去饱和开始"。
3. 在呼吸暂停结束时，将 rSO₂ 和 SpO₂ 数值在呼吸暂停终止后出现单调上升的起始点，确定为再饱和的开始。该时间点被定义为 "再饱和开始"。
4. 计算从 "呼吸暂停开始" 到 "去饱和开始" 的时间差，以及从 "呼吸暂停结束" 到 "再饱和开始" 的时间差，分别针对 NIRS_cerebral、NIRS_tissue 和 SpO₂ 进行计算。将每个时间差（以秒为单位）保存在单独的电子表格中。
5. 可选：计算每位受试者在呼吸暂停的第二分钟和最后一分钟期间的心率变异性。这可能揭示在这一应激阶段交感神经/副交感神经的平衡状态。

6. 统计学处理

1. 比较时间差异 "脱饱和开始" 血氧饱和度₂，近红外光谱法_大脑的，以及NIRS_组织 数值。检验测量值差异的高斯分布（例如， 使用Shapiro-Wilk正态性检验（适用于样本量小于50的情况）。
2. 如果测量值差异的分布与正态分布有显著差异，则使用威尔科克森符号秩检验；若可假设为正态分布，则考虑使用配对t检验。

结果

图1 显示了一名患者在呼吸暂停期间 SpO₂ 与 NIRS 值（NIRS_cerebral 和 NIRS_tissue）的同步记录。总呼吸暂停时间为 363 秒。呼吸暂停后，NIRS 和 SpO₂ 值在约 140 秒内保持稳定。外周 SpO₂ 在 204 秒后检测到 SpO₂ 下降，而 NIRS_cerebral 的下降则在 238 秒后被检测到。呼吸暂停后测得的最低 SpO₂ 为 58%，最低 NIRS_cerebral 为 46%。在呼吸暂停结束时，NIRS_cerebral 在延迟 12 秒后开始上升，而 SpO₂ 在延迟 30 秒后开始上升。

在一项针对十名屏气潜水者的近期研究中，我...

讨论

总窒息时间主要由肺容量和每分钟耗氧量决定，并受到个体对因pCO₂升高或pO₂降低所引发的呼吸反射耐受能力的影响。屏气潜水者经过训练以最大限度延长屏气时间，且通常在最大吸气状态下进行屏气。因此，缺氧可被检测到的时间因人而异，取决于受试者的身体状况和训练水平，甚至可能因其当日状态以及对呼吸反射的耐受意愿而有所不同。通过详细讲解实验流程步骤并提供安静的周围环境，可降低受试者的应激水平。

影响总呼吸暂停时间的因素有很多，因此应标准化测试环境，以获得可靠且可重复的结果。如果研究人员希望研究儿茶酚胺升高或交感神经活动，应考虑影响这两者的物质即， 咖啡因、尼古丁、香蕉或坚果类食物，以及单胺氧化酶（MAO）抑制剂等任何药物物质， 等等。应避免上述情况。此外，静脉输液通道应在屏气前至少20分钟建立。受试者的应激水平主要影响儿茶酚胺水平，可能导致研究人员的血液分析结果出现偏差。鉴于个体间存在较大差异，研究人员通常应为每位受试者建立基线水平，以对结果进行标准化处理。

近...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
SpO2	Dräger Medical AG&CO.KG	SHP ACC MCABLE-Masimo Set	外周 SpO2 监测
无创血压 (NIBP)	Dräger Medical AG&CO.KG	NIBP 袖带 M+， MP00916
心电图 (ECG)	Dräger Medical AG&CO.KG	Infinity M540 监护仪	心电图监测
对接站	Dräger Medical AG&CO.KG	M500 对接站	M540 与笔记本电脑的连接
NIRS	NONIN Medical’s EQUANOX	Model 7600 区域血氧仪系统	脑组织和 组织氧合的测量
NIRS 探头	EQUANOX Advance Sensor	Model 8004CA	适用于脑组织和体表氧饱和度的测量
笔记本电脑
DataGrabber	Dräger Medical AG&CO.KG	DataGrabber v2005.10.16	用于同步 M540 与笔记本电脑的软件
eVision	Nonin Medical. Inc.	Version 1.3.0.0	用于同步 NONIN 与笔记本电脑的软件