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方法文章

通过通气参数测量与呼吸模式观察探究深呼吸

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DOI：

10.3791/60062

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2019年9月16日

 ,  ,  ,  , 
1Faculty of Health Sciences, Institute of Medical, Pharmaceutical and Health Sciences, Kanazawa University, 2Rehabilitation Section, Higashimatsuyama Municipal Hospital, 3Division of Health Sciences, Graduate School of Medical Sciences, Kanazawa University, 4Department of Physical and Rehabilitation Medicine, Kanazawa Medical University

本文内容

摘要

本文介绍了一种评估自然呼吸与腹式呼吸两种深呼吸模式的有效性及执行难易程度的实验方案。研究选取了15名参与者，采用心电图仪和呼出气体分析仪测量通气参数，并通过视频记录胸腹部运动进行可视化评估。

摘要

在本实验方案中，向15名参与者展示了两种深呼吸模式，旨在确定一种简便且有效的呼吸训练方法，以供未来在临床环境中应用。二十多岁的女性参与者舒适地坐在带靠背的椅子上。她们佩戴一个与 气体分析仪相连的密闭面罩。在胸部放置三个电极，并连接至无线发射器，用于将信号传输至心电图仪。参与者首先进行5分钟的静息阶段，随后进行5分钟采用自然呼吸模式的深呼吸，最后再进行5分钟的静息阶段。之后休息10分钟，接着进入第二个指导阶段，将自然呼吸模式替换为膈式呼吸模式。在此过程中，同步进行以下操作：a）持续采集、测量和分析呼出气体，以逐次呼吸为基础评估通气参数；b）通过心电图仪测量心率；c）从侧方对参与者的胸腹运动进行视频录制。研究人员根据视频记录，对快进的动态图像进行视觉观察，随后对呼吸模式进行分类，以确认参与者已按照指令完成深呼吸操作。氧气摄取量结果显示，在深呼吸过程中，呼吸做功减少。呼出气每分钟通气量、呼吸频率和潮气量的结果表明，与膈式呼吸模式相比，采用自然呼吸模式的深呼吸具有更高的通气效率。本方案提出了一种适宜的指导方法，可用于基于氧气消耗量、通气参数及胸壁运动幅度来评估深呼吸训练的效果。

引言

心肺物理治疗师通常根据患者的具体需求和情况制定治疗方案。然而，一般情况下，患者需要自行完成术前深呼吸锻炼。因此，寻找一种简单且有效的指导方法，使患者能够正确进行深呼吸锻炼，显得尤为必要1。

膈式呼吸是一种呼吸训练方法，也是呼吸控制的一种方式2,3。该方法的治疗效果包括降低呼吸做功和提高呼吸效率2,3，从而增加潮气量，导致呼吸频率下降。然而，一些研究者指出，在部分患者中，由于腹部的大幅度运动，膈式呼吸训练可能引起胸廓的不协调和矛盾运动4,5。在这种情况下，采用患者自然的呼吸模式可能更为有效。关于深呼吸是否能够有效降低呼吸机械做功并改善通气效率的问题，使用 气体分析仪对通气参数进行量化评估可能具有重要意义。

众所周知，心肺运动试验是使用气体分析仪进行的6,7一些研究者8,9 已报道使用气体分析仪测量膈式呼吸 慢性阻塞性肺疾病患者。Jones 等8 比较了膈式呼吸、缩唇呼吸及两者联合呼吸与自主呼吸的效果。在上述三种呼吸方法过程中，氧耗量（VO2）和呼吸频率（f）进行了测量，结果显示  较高的静息 VO2 可能归因于呼吸做功的增加8. Ito 等9 评估了膈式呼吸或呼吸肌拉伸对VO的即时影响2，f 和潮气量（VT我们可以预期，通过应用类似的呼吸训练，上述研究的结果可能获得相似的证据，以证实一种有效的深呼吸教学方法。

本方案描述了在两种呼吸模式下进行深呼吸时，通气参数和胸壁活动度的测量方法及其结果与分析。与替代技术相比，对通气参数进行连续且定量的采样可更精确地测量呼吸。本方案中获得的VO2可作为呼吸做功的指标8。此外，呼吸频率（f）、潮气量（VT）和每分钟通气量与通气效率相关。 通过这些通气参数以及吸气和呼气时间，还可获取有关呼吸模式的信息。本方案还包括通过视频采集评估胸壁活动度，其相当于物理治疗师在患者进行呼吸训练时对胸壁活动度的观察。本研究的总体目标是基于氧耗量、通气参数和胸壁活动度的分析，寻找一种可行且高效的深呼吸训练方法。

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方案

本方案遵循《赫尔辛基宣言》的伦理原则。在研究开始前，已向所有参与者说明了实验流程。

1. 受试者筛选

  1. 通过便利抽样招募15名二十多岁的健康女性。口头询问其病史，排除患有心肺疾病的参与者。
  2. 向参与者解释实验流程。
  3. 要求参与者在测量开始前2小时内禁食禁饮，并携带一件合身的黑色上衣。

2. 实验步骤

  1. 操作前的准备工作
    1. 在测量前15–30分钟，按照制造商的说明校准集成了呼吸流量传感器和氧气/二氧化碳浓度检测仪的气体分析仪。
    2. 将摄像机安装在距离受试者将要就坐的椅子1.5 m远的三脚架上，准备录制受试者就坐时从头顶至 从颅骨到椅面。
    3. 指导等待的参与者在隔间内穿上合身的黑色上衣，准备就绪后，站在实验室椅子的一侧。
    4. 放置三个电极（正极、负极 并分别通过导线连接至发射器，发射器将信号传递至心电图机，受试者保持站立姿势，电极置于胸部皮肤上。
    5. 让受试者舒适地坐在带有70°倾斜靠背的椅子上，静坐5分钟，必要时在颈部和/或背部放置一个小垫子 腰部区域
    6. 向受试者解释深呼吸，采用自然呼吸（NB）模式，即缓慢而深长地通过鼻子吸气，通过嘴巴呼气，无需关注或了解胸部的具体运动情况。
    7. 要求受试者在无任何指导的情况下进行一次自然的深呼吸。若研究者对受试者的呼吸表现满意，则准备开始测量。观察受试者吸气和呼气过程中的胸腹部运动。
  2. 采用NB模式测量深呼吸
    1. 在受试者口鼻处佩戴采样面罩以测量呼出气体。进行密合度测试：用手指堵住面罩上的采样管孔，让受试者轻轻呼气，确认是否有气体从面罩泄漏。将采样管连接至面罩，用于测量通气参数。
    2. 要求受试者在操作过程中不要说话。
    3. 指导受试者休息5分钟，同时开始记录呼出气体和心率，并进行视频采集。5分钟休息阶段结束后，指导受试者以正常呼吸模式进行5分钟深呼吸。结束后，指导受试者再次休息5分钟。
    4. 在整个三个阶段持续进行记录和测量。
    5. 每位参与者仅进行一次三相试验。
  3. 静止期
    1. 告知参与者实验人员将取下面罩，并给予其10分钟的休息阶段。
    2. 指导受试者可以在实验室中坐着交谈，但不得饮水。在取下口罩的瞬间，立即用秒表开始计时休息阶段。
  4. 膈肌呼吸（DB）模式下深呼吸的测量
    1. 让受试者按照步骤2.1.5中的方式就座。
    2. 向受试者解释采用膈肌呼吸（DB）模式进行深呼吸的方法。要求受试者十指交叉，将双手置于腹部，用鼻子深吸气，使腹部在双手下扩张，然后通过口腔呼气，并轻柔地收缩腹部。
    3. 指导受试者按照深呼吸（DB）模式进行练习，直至研究者满意为止。 观察到吸气时胸腹部扩张，随后在呼气时收缩。
    4. 在受试者口鼻处佩戴采样面罩以测量呼出气体。进行密合度测试：用手指堵住面罩上的采样管孔，嘱受试者轻轻呼气，并确认是否有气体从面罩泄漏。将采样管连接至面罩，用于测量通气参数。
    5. 要求受试者在测量过程中保持沉默。
    6. 指导受试者静息5分钟，同时开始记录呼出气体、心率及视频采集。静息5分钟后，指导受试者按照深呼吸模式进行5分钟深呼吸。深呼吸结束后，指导受试者再次静息5分钟。在整个三个阶段持续进行记录和测量。
    7. 在5分钟休息阶段结束后，取下参与者的面罩。
    8. 立即询问参与者这两种深呼吸技术中哪一种更舒适。将参与者的回答记录在电子表格中。
    9. 取下受试者身上的电极、导联和发射器，并让她离开。
    10. 每位参与者仅进行一次三相试验。

3. 通气参数的测量

  1. 使用呼吸到呼吸的呼出气体采样方法 气体分析仪（参见 材料表 和 图2).
    1. 测量以下通气参数：氧摄取量（VO₂）、二氧化碳排出量（VCO₂）、呼吸频率（f）、潮气量（VT）、分钟通气量（VE）、吸气时间（Ti）、呼气时间（Te）和吸呼比（I:E）。2），二氧化碳排出量（VCO₂2）、呼出分钟通气量（VE）、呼吸频率（f）、潮气量（VT）、呼气时间（Te）以及吸气时间（Ti).
    2. 使用心电图医疗遥测传感器测量心率（参见 材料表 和 图2），连接至气体分析仪。
      注意： 气体分析仪通过制造商提供的计算机软件进行操作（材料表).
  2. 分别采集正常呼吸（NB）和深呼吸（DB）模式下每5分钟静息期和深呼吸期的数据。使用计算机软件将通气参数数据保存为CSV格式（参见 材料表 和 图3,4).
    1. 收集该方案中每个5分钟阶段的平均数据。可选阶段的平均数据以每次呼吸为基础获得。
  3. 将每位参与者的数据输入电子表格程序（参见 材料表 和 图5）并计算正常呼吸（NB）和深呼吸（DB）状态下初始静息期和深呼吸阶段的均值及标准差（SD）。

4. 呼吸模式的评估

  1. 使用摄像机（材料表）从受试者的侧面记录胸腹部运动。
  2. 确保背景颜色与受试者轮廓形成鲜明对比。
  3. 以每帧1/30秒的速度录制视频图像，这是所用摄像机的标准速度。
  4. 使用视频编辑软件1（材料表）将动态图像上传至个人计算机。
  5. 在视觉评估下以两倍速度观察深呼吸阶段的5分钟视频图像，并将呼吸模式分类为上胸部型、膈肌型或胸腹联合型。使用视频编辑软件2（材料表）。
    注：视频图像由心肺物理治疗师（MY）进行分析。

5. 参与者偏好的深呼吸模式

  1. 为参与者的反应准备一个电子表格。
  2. 在测量深呼吸模式后，询问参与者两种深呼吸技术中哪一种更舒适。
  3. 将参与者的反应填写到电子表格中。
  4. 如果参与者想谈论该操作过程，请准备好倾听。但不得将参与者的评论纳入分析中。

6. 统计学分析

注意：使用商业计算机软件（材料表）进行统计分析，然后提供所有按钮点击操作。

  1. 通气参数
    1. 在本方案中，不要分析两次深呼吸阶段之后的5分钟休息阶段。
    2. 针对每个参数，计算初始休息阶段和深呼吸阶段的均值和标准差（SD）。
    3. 采用双因素重复测量方差分析（双向ANOVA）评估初始休息阶段和两次深呼吸阶段的通气参数及心率。
      注：因素 "instruction" 包含两个水平 NB 和 DB，因素 "phase" 有两个水平：休息阶段和深呼吸阶段。
    4. 使用Bonferroni法对每个因素的参数测量值进行两两比较，以在双向ANOVA后确定是否存在显著交互作用。
  2. 参与者表现出的呼吸模式分类，包括其偏好的深呼吸模式。
    1. 根据参与者的呼吸模式（上胸部呼吸、膈式呼吸或胸腹联合呼吸）对其人数进行分类。
    2. 从电子表格中汇总参与者偏好的深呼吸模式的人数。

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结果

通气参数与心率
根据数据（图5），对NB和DB模式进行了统计分析（图6 和 Table 1）。发现呼吸频率（f）、潮气量（VT）和呼气时间（Te）均存在显著的交互作用（p<0.05）。与初始静息阶段相比，深呼吸期间NB和DB模式的呼吸频率均显著降低（p<0.05）；且在采用NB模式进行深呼吸时，呼吸频率的下降幅度大于DB模式（图6 和 Table 1）。与初始静息阶段相比，NB和DB模式在深呼吸期间的潮气量（VT）和呼气时间（Te）均显著增加；且NB模式深呼吸时这两项参数的增加值均大于DB模式（图6）。除每分通气量（VE）和心率（HR）外，其余所有参数均显示出“阶段”因素的主效应（Table 1）。

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讨论

通过使用本方案，可通过耗氧量、通气参数及胸壁活动度来评估深呼吸训练的效果。参与者的平均年龄为21.6岁，平均体重为51.9 kg，平均身高为159.3 cm，体重指数为20.5 kg/m²2。本方案未提供任何参与激励。方案中有三个关键步骤。第一，关于食物摄入的控制， 二氧化碳排出量与氧气摄取量的比值可提供有关用于能量代谢的营养物质混合物的信息10. 与较高体力活动相比，较低体力活动下的食物摄入对VO的影响更大2 在呼出气体中测量11. VO 的结果2 (表1）在深呼吸期间表现出较低的身体活动水平。因此，测量前必须规定进食条件。其次，受试者在测量过程中需保持沉默，以免影响呼出气体数据。第三，为避免深呼吸模式对正常呼吸模式可能产生的学习效应，测量时呼吸模式的执行顺序至关重要（图1).

通常，呼吸练习需要3-5分钟完成。因此，...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

作者感谢金泽大学前教授荻原镇一博士以及英国特许科学专业人员（CSP）、加拿大理学学士物理治疗师（BScPT）桑德拉·M·荻原女士对稿件进行的英文编辑工作。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
过期气体分析仪日本大阪 Minato 医疗科学公司AE-300S
过期气体分析软件日本大阪 Minato 医疗科学公司AT for Windows
用于心电图的医疗遥测传感器日本光电，东京，日本BSM-2401
电子表格程序微软，https://www.microsoft.com/zh-cnExcel
SPSS 统计软件IBM，https://www.ibm.com/jp-ja/analytics/spss-statistics-software版本 23.0
摄像机索尼，日本东京DCR-SR 100
视频编辑软件 1索尼，日本东京PlayMemories Home
视频编辑软件 2Adobe，https://www.adobe.com/jp/Premiere Elements 11

参考文献

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