Methodenartikel

Ein Modell Simulieren von klinisch relevanter Hypoxie beim Menschen

DOI:

10.3791/54933

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22. Dezember 2016

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1Department of Anaesthesiology and Intensive Care Medicine, University Hospital of Bonn, 2Institute of Clinical Chemistry and Clinical Pharmacology, University of Bonn, 3Institute for Terrestrial and Aquatic Wildlife Research, University of Veterinary Medicine Hannover, 4Institute of Physiology 2, University of Bonn

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Hypoxie-Simulation beim Menschen ist in der Regel durch das Einatmen hypoxischen Gasgemischen durchgeführt. Für diese Studie wurden Apnoen Tauchern verwendet dynamische Hypoxie beim Menschen zu simulieren. Zusätzlich physiologischen Veränderungen in Desaturierung und Wieder Sättigungskinetik wurden mit nicht-invasive Werkzeuge wie Near-Infrared-Spektroskopie (NIRS) und periphere Oxygenierung Sättigung (SpO 2) bewertet.

Zusammenfassung

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Im Falle einer Apnoe sinkt der arterielle Partialdruck von Sauerstoff (pO 2), während der Partialdruck von Kohlendioxid (pCO2) zunimmt. Um eine Schädigung von hypoxieempfindlichen Organen wie dem Gehirn zu vermeiden, helfen kompensatorische Kreislaufmechanismen, eine ausreichende Sauerstoffversorgung aufrechtzuerhalten. Dies wird vor allem durch eine erhöhte zerebrale Durchblutung erreicht. Intermittierende Hypoxie ist ein häufig beobachtetes Phänomen bei Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe. Eine akute Obstruktion der Atemwege kann auch zu Hypoxie und Hyperkapnie führen. Bisher gibt es kein adäquates Modell, um diese Dynamik beim Menschen zu simulieren. Frühere Untersuchungen, die sich auf die menschliche Hypoxie konzentrierten, verwendeten inhalative hypoxische Gasgemische. Die resultierende Hypoxie wurde jedoch mit Hyperventilation kombiniert und ist daher repräsentativer für Höhenumgebungen als für Apnoe. Darüber hinaus ist die Übertragbarkeit von bisher durchgeführten Tierversuchen auf den Menschen begrenzt und der pathophysiologische Hintergrund von Apnoe-induzierten physiologischen Veränderungen ist nur unzureichend verstanden. In dieser Studie wurden gesunde humane Apnoetaucher eingesetzt, um klinisch relevante Hypoxie und Hyperkapnie während der Apnoe nachzuahmen. Zusätzlich wurden Pulsoximetrie und Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) eingesetzt, um Veränderungen der zerebralen und peripheren Sauerstoffsättigung vor, während und nach der Apnoe zu bewerten.

Einleitung

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Klinisch relevante akuter Hypoxie und begleitende Hyperkapnie ist vor allem bei Patienten beobachtet mit obstruktiver Schlafapnoe-Syndrom (OSAS), akute Atemwegsobstruktion oder während der kardiopulmonalen Reanimation. Haupteinschränkungen auf dem Gebiet des OSAS und andere hypoxämischer Bedingungen umfassen die begrenzte übertragbare Erkenntnisse über die Pathophysiologie von Tierstudien abgeleitet und dass menschliche Modelle sind nicht vorhanden 1. 7 - Zur Hypoxie beim Menschen, hypoxischen Gasgemische wurden bisher 2 verwendet imitieren. Jedoch sind diese Bedingungen repräsentativer für Höhenlage Umgebung als von klinischen Situationen, in denen Hypoxie, im allgemeinen durch Hyperkapnie begleitet wird. Zur Sauerstoffversorgung des Gewebes während des Herzstillstand und Reanimation, Tierstudien wurden 8 durchgeführt , um zu untersuchen physiologischen Kompensationsmechanismen zu überwachen.

Apnoe-Taucher sind gesunde Athleten der Lage, die Atmung Impuls des Drückensdass sich durch niedrige arterielle Sauerstoffsättigung 9 und einem erhöhten pCO 2 10,11 hervorgerufen. Wir untersuchten apneic Taucher um 12 klinischen Fällen von akuter Hypoxie und die gleichzeitige Hyperkapnie zu imitieren. Dieses Modell kann verwendet werden, klinische Setups zu bewerten, die pathophysiologischen Verständnis von Patienten mit OSAS oder pathologischen Atmungsstörungen zu verbessern und neue Möglichkeiten offenbaren für ein potenzielles Gegenausgleichsmechanismus bei der Apnoe zu studieren. Weiterhin verschiedene Techniken Hypoxie beim Menschen erkennen kann für Durchführbarkeit und Genauigkeit im Falle von dynamischen Hypoxie getestet werden, die in Notfallsituationen vorhanden ist (dh, Atemwegsobstruktionen, laryngospasm oder nicht intubieren, kann nicht Situationen belüften) oder intermittierende Hypoxie bei Patienten zu simulieren , mit OSAS.

Nicht-invasive Techniken zur Detektion von Hypoxie bei Menschen begrenzt sind. Periphere Pulsoxymetrie (SpO 2) ist ein anerkanntes Werkzeug in pre-hospital und Krankenhaus - Einstellungen Hypoxie 13 zu erkennen. Das Verfahren beruht auf der Lichtabsorption von Hämoglobin basiert. Allerdings ist SpO 2 Messung auf periphere arterielle Sauerstoffversorgung beschränkt und kann nicht in den Fällen von pulslose elektrische Aktivität (PEA) oder zentrale minimale Zirkulation 14 verwendet werden. Im Gegensatz dazu kann Nah-Infrarot - Spektroskopie verwendet werden , um Hirngewebe Sauerstoffsättigung (rSO 2) in Echtzeit während der PEA, während hämorrhagischen Schock oder nach Subarachnoidalblutung 15 bewerten - 19. Sein Einsatz wird immer größer 20 und methodische Studien haben eine positive Korrelation zwischen der SpO 2 und rSO 2 3,4 ergab.

In dieser Studie stellen wir ein Modell klinisch relevante Hypoxie beim Menschen zu simulieren und eine Schritt-für-Schritt-Methode präsentieren periphere Pulsoximetrie und NIRS bei De- und Re-Sättigung zu vergleichen. Durch die Analyse von physiologischen Daten im Falle einerpnea, unser Verständnis von Gegenausgleichsmechanismen verbessert werden kann.

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Protokoll

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Ethik - Anweisung
Alle in den Studien durchgeführten Aktionen im Zusammenhang mit menschlichen Teilnehmer waren in Übereinstimmung mit den ethischen Normen der 1964 Deklaration von Helsinki und seine späteren Änderungen. Das Design dieser Studie wurde von der Ethikkommission des Universitätsklinikums Bonn, Deutschland zugelassen.

HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Probanden in einem guten und gesunden Zustand sind, frei von jeder antihypertensiven Medizin und mindestens 24 Stunden frei von Katecholamin-induzierende Mittel wie Koffein oder gleich Substanzen.

1. Vorbereitung der Testperson

  1. Reinigen Sie die Haut der Stirn mit 70% Alkohol, um die Haut vor der NIRS Elektrodenpositionierung zu entfetten.
  2. Legen Sie die NIRS-Elektrode auf der rechten Stirn über der Augenbraue und auf der rechten Seite des mittsagittalen Sulcus (locus frontopolaren 2) zerebrale (= central) Sauerstoffversorgung des Gewebes zu messen.
  3. Bewerten Sie die Stabilität des Signals. RSO 2 -Signals sollte konstant sein (7; 3%) für mindestens 5 min.
  4. Für periphere Sauerstoffversorgung des Gewebes mit NIRS (NIRS Gewebe -Elektrode) zu messen, legen Sie eine Elektrode über der Mitte des Musculus quadriceps femoris (alternativ auf dem Unterarm). Die Elektrode nicht über einem Venengeflecht oder einer Arterie platzieren.
  5. Platzieren Sie EKG-Elektroden auf dem Haar frei Brust. Die EKG-Ableitungen sind mit unterschiedlichen Buchstaben gekennzeichnet. Place "R" auf der sternocostal Kopf pectoralis major rechts, "L" auf der sternocostal Kopf pectoralis major links, "C" auf dem fünften Zwischenrippenraum mitten in der Medioklavikularlinie, "F" auf der linken unteren Rippenkante " N "auf der rechten unteren Rippenrand.
  6. Messen peripheren Pulsoximetrie (SpO 2) auf einer Fingerspitze auf der gleichen Extremität und Seite , wo das Gewebe NIRS -Elektrode angeordnet ist.
  7. Messen Sie nicht-invasiven Blutdruck (NIBP) durch eine Blutdruckmanschette verwendet wird. Verwenden Sie das kontralaterale Extremität, die Oxim peripheren Puls erlaubtetry werden gemessen. Um eine hohe Zeitauflösung des Blutdrucks um Ergebnisse zu erhalten, wählen Sie eine Ein-Minuten-Intervall zu messen. Wählen Sie NIBP durch Berühren des Bildschirms und wählen Sie "Einstellungen".
  8. Mindestens 20 Minuten vor der Apnoe, etablieren eine intravenöse Leitung in die mediale Cubitalvene des rechten oder linken Arm, um Blutproben an den einzelnen Zeitpunkten während und nach der Apnoe ziehen.
    1. Reinigen Sie die Haut mit 70% Alkohol.
    2. Verwenden Sie ein Tourniquet die Venen zu helfen, sich mehr im Vordergrund.
    3. Verwenden Sie Hautdesinfektion Infektionen zu vermeiden und die Nadel durch die Haut ein.
    4. Reduzieren Sie die Einführungswinkel nach Blutrück an der Katheteransatz. Schieben Sie den Katheter in die Vene.
    5. Entfernen Sie die Nadel und bündig Katheter mit steriler Kochsalzlösung (NaCl 0,9%).

2. Datenerfassung

  1. Kalibrieren Sie die interne Uhr aller Monitore, um Messungen für die spätere Verarbeitung zu synchronisieren.
    1. Click die rechte untere Uhr-Symbol auf dem Desktop, und tippen Sie auf "Zeiteinstellungen" im Pop-up-Fenster.
    2. Drücken Sie die Einstellungen Menütaste auf der NIRS entwickeln und ändern Sie Datum und Uhrzeit über das Menü.
  2. Zum Speichern von physiologischen Daten für die Offline-Analyse, legen Sie die Überwachungseinrichtung in die Dockingstation und verbinden Sie es mit dem Computer über das Netzwerkkabel. Stellen Sie sicher, dass die IP-Adresse und Subnet-Maske der Dockingstation in den Netzwerkeinstellungen, um korrekt ist, eine Verbindung zu bekommen. Kontakt Geräte-Provider, um diese Informationen zu erhalten.
  3. Verwenden Sie einen Monitor gerätespezifische Software-Messungen auf dem Computer zu speichern. Klicken Sie auf "Start", um Aufnahmen beginnen und die Ergebnisse nach dem Ende der Messung zu speichern.
    Anmerkung: In einigen Geräten werden Daten Live während der Messung gespeichert werden muss.
    Hinweis: Für die Fehlersuche Pflege der folgenden Schritte: Wenn die Variabilität der NIRS Gewebe signals zu hoch ist, neu zu bewerten, die Position der Elektrode (Vermeidung von größeren Venenplexus oder Arterien direkt unter den Elektroden). Hohe Variabilität von NIRS zerebralen Signale können auch ein indirekter Marker für Hyperventilation von Tauchern sein teilweise zur Verringerung der CO 2. Weisen Sie das Thema zu Atem langsamer und mit geringerer Watt-Volumen und das Signal neu zu bewerten. Themen sind erlaubt vor der endgültigen Apnoe 3 tiefe Inspirationen zu nehmen. Vermeiden Sie mit dieser Zeit in die Auswertung der Ausgangswerte. Die ersten 30 Sekunden nach maximaler Inspiration durch Variablenwerte gekennzeichnet. Sie sie nicht für die Analyse verwendet werden.

3. Apnea

  1. Haben die Probanden für mindestens 15 min in einer liegenden Position ruhen Stress induzierte Veränderungen in den Blutkreislauf aufgrund Vasokonstriktion zu vermeiden. Haben Probanden normal atmen Einflüsse von Hyperventilation verursacht Vasokonstriktion zu vermeiden. Begrenzen Sie die Atemfrequenz 15 Atemzügen / min bis ≤.
  2. Zeichnen Sie Blutprobes für Baseline-Analyse. Entsorgen Sie die ersten 5 ml Blut gezogen Messunsicherheit zu vermeiden. Spülen Sie den Katheter nach jeder venöse Blutentnahme mit steriler Kochsalzlösung zu Blutgerinnung verhindern.
  3. Stellen Sie sicher, dass die Überwachungswerte zu Themen unsichtbar sind visuelle Einflüsse auf ihre apneic Leistung zu vermeiden.
  4. Überprüfen Sie jedes Gerät für Funktionalität und Signalqualität. Sicherzustellen, daß die Elektroden nicht durch unkontrollierte Bewegungen des Probanden am Ende der Apnoe entfernt werden.
  5. Beschließen mit klaren Vereinbarungen. Geben Sie einen Countdown der letzten 2 min verbal. Themen sollten in der Regel während dieser Vorbereitungszeit atmen. Vor den letzten Atemzug 3 tiefe Inspirationen sind erlaubt. Stellen Sie das Thema der letzten Inhalation durch Fingerzeichen anzuzeigen. Apnea sollte so lange wie möglich durchgeführt werden.
    Hinweis: Das Ende des letzten Atemzug zeigt den Beginn der Apnoe. Das Ende der Apnoe ist als der erste Inspirations nach Apnoe definiert.
  6. Mark wichtige Ereignisse (dh beginnend einnd Ende der Apnoe) elektronisch Ungenauigkeiten bei der weiteren Zeitanalyse zu vermeiden, indem Sie die "Event-Mark-Taste" Druck auf die NIRS-Gerät.
    Hinweis: Die Bewegungen der Brust und Bauch induziert durch unwillkürliche Membran Aktivitäten gemeinsam sind in der zweiten Hälfte des Apnoe und zeigen den Kampf Phase.
  7. Zeichne Blutproben zu verschiedenen Zeitpunkten in Abhängigkeit von dem Ziel der Studie.
  8. Centrifuge Blutproben bei 1.500 × g für 10 min. Nehmen Sie den Überstand und lagern Sie es bei -80 ° C für eine spätere Analyse.

4. Verarbeitung von Daten

  1. Verarbeiten von Daten von der Überwachungseinrichtung:
    1. Öffnen Sie die gespeicherte Datei auf dem Computer ein und drücken Sie "Start", um Daten zu analysieren.
    2. Klicken Sie auf "Überprüfung", um Zugriff auf die Trend-Monitor erhalten und wählen Sie "Optionen" und dann "Werkzeuge" im Menü submask. Das Zeitintervall kann über "Trendintervall" bei Bedarf geändert werden.
    3. Wählen Sie die Maske "Trends" und save. Öffnen Sie die Datei "Trends" in einem Tabellenkalkulationsprogramm zur weiteren Verarbeitung.
  2. Die Verarbeitung von Daten von NIRS-Gerät:
    1. Öffnen Sie die Software auf dem Computer und schließen Sie das NIRS - Gerät über WIFI.
    2. Übertragung der Daten aus dem NIRS Gerät an den Computer.
    3. Speichern Sie die Daten im CSV-Format.
    4. Öffnen Sie die Datei in einem Tabellenkalkulationsprogramm zur weiteren Verarbeitung.

5. Analysieren Werte

  1. Erstellen Sie eine Tabelle mit den beiden Datensätzen, die Werte zu vergleichen. Identifizieren Sie ein Zeitintervall von mindestens 30 sec , wo NIRS-Werte und SpO 2 konstant sind (± 3%). Nehmen Sie einen Mittelwert dieser Werte eine Basis-Ebene zu definieren.
    Hinweis: Die Herzfrequenz deutlich vor der Apnoe ist bekannt, ändern. Um eine weitere Analyse durchzuführen, ein Basisherzfrequenz ist, an einem Zeitpunkt 30 Sekunden nach Beginn der Apnoe definiert.
  2. Finden Sie den Startpunkt der monotone Abnahme in rSO 2 und SpO 2 durch eine Verringerung der Werte der Suche> 2% im Vergleich zum Ausgangswert-Ebenen. Dieser Zeitpunkt ist definiert als "beginnen Desaturierungsgrad".
  3. Identifizieren Sie den Startpunkt RSO 2 und SpO 2 Anstieg am Ende der Apnoe als monotoner Anstieg der Werte nach Beendigung der Apnoe. Dieser Punkt ist definiert als "Beginn der Wiedersättigung".
  4. Berechnen Sie die Zeitdifferenz zwischen "Beginn der Apnoe" und "beginnen Desaturierungsgrad" und die Zeitdifferenzen zwischen "Ende der Apnoe" und "Beginn der Wieder Sättigung" für NIRS zerebralen, NIRS Gewebe und SpO 2. Speichern Sie jede Differenz in Sekunden auf einer separaten Tabelle.
  5. Optional: Berechnen Sie die Herzfrequenzvariabilität jedes Teilnehmers während des zweiten und der letzten Minute der Apnoe. Dies kann Informationen über das sympathische / Parasympathikus Gleichgewicht in dieser stressigen Phase offenbaren.

6. Statistische Verarbeitung

  1. Vergleichen Sie die Zeitunterschiede zwischen "Beginn der Entsättigung" von SpO 2, NIRS zerebralen und NIRS Gewebe Werte. Test zur Gaußschen Verteilung der Messdifferenzen (zB Größen mit Shapiro-Wilk Normalitätstest für Probe kleiner als 50).
  2. Wenn die Verteilung der Messdifferenzen signifikant verschieden von Normalverteilung ist, verwenden Sie Wilcoxon-Rank-Test unterzeichnet. Wenn Normalverteilung ausgegangen werden kann, betrachten gepaarter t-Test verwendet wird.

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Ergebnisse

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Abbildung 1 zeigt die gleichzeitige Aufnahmen von SpO 2 und NIRS - Werte (NIRS zerebralen und NIRS Gewebe) während der Apnoe bei einem Patienten. Insgesamt Apnoezeit war 363 Sekunden. Nach Apnoe NIRS und SpO 2 -Werte blieb für etwa 140 Sekunden stabil. Eine Abnahme der SpO 2 wurde nach 204 Sekunden durch periphere SpO 2 erfasst wird, während ein Rückgang von NIRS zerebralen nach 238 sec festgest...

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Diskussion

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Die Gesamtapnoezeit wird hauptsächlich durch Lungengröße und Sauerstoffverbrauch pro Minute verursacht und durch einen Menschen die Fähigkeit beeinflusst die Atmung Reflex durch die Erhöhung pCO 2 oder abnimmt pO 2 verursacht zu widerstehen. Apnea Taucher sind darauf trainiert, ihre Atemanhaltedauer zu maximieren und zu tun, so in maximaler Inspiration verwendet. Daher ist die Zeit, bis Hypoxie nachweisbar unterscheidet sich zwischen den Individuen und hängt von der Kondition und Trainingszustand d...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

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Besonderer Dank geht an alle Freiwilligen, die an der ursprünglichen Studie teilgenommen haben. Die Arbeit von L. Eichhorn wurde durch ein Stipendium der Else-Kröner-Fresenius-Stiftung unterstützt. Die Autoren danken Springer, Teil von Springer Science+Business Media, für die Freigabe des Urheberrechts (Lizenznummer 3894660871180) und die freundliche Erlaubnis zur Weiterverwendung bereits veröffentlichter Daten.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
SpO2Drä ger Medical AG&CO. KGSHP ACC MCABLE-Masimo Setperiphere SpO2-Überwachung
des nicht-invasiven Blutdrucks (NIBP)Drä ger Medical AG&CO. KGNIBP Manschette M+,  MP00916 
Elektrokardiographisch (EKG)  Drä ger Medical AG&CO. KGInfinity M540 MonitorEKG-Überwachung
DockingstationDrä ger Medical AG&CO. KGM500 Dockingstation: Anschluss des M540 an den Laptop
NIRSNONIN Medical' s EQUANOXModell 7600 Regionales Oximeter-Systemzur Messung der zerebralen und/>Sauerstoffversorgung des Gewebes
NIRS-DiodenEQUANOX Advance SensorModell 8004CAgeeignet für die Messung der zerebralen und somatischen Sauerstoffsättigung
DataGrabberDrä ger Medical AG&CO. KGDataGrabber v2005.10.16Software zur Synchronisierung des M540 mit dem Laptop
eVisionNonin Medical. Inc.Version 1.3.0.0Software zur Synchronisierung von NONIN mit Laptop
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Referenzen

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