Summary
ヒトにおける低酸素シミュレーションは、通常、低酸素のガス混合物を吸入することにより行われています。この研究のために、無呼吸ダイバーは、ヒトの動的低酸素症をシミュレートするために使用しました。さらに、不飽和化および再飽和動態における生理的変化は、このような近赤外分光法（NIRS）および末梢酸素飽和度（SpO 2）などの非侵襲的なツールを使用して評価しました。
Introduction
臨床的に関連する急性低酸素症および付随する高炭酸ガス血症は、主に閉塞性睡眠時無呼吸症候群（OSAS）、急性気道閉塞を有する患者においてまたは心肺蘇生中に見られています。 OSASと他の低酸素血症の条件の分野での主な制限は、動物研究から派生病態生理に関すると人間のモデルは1非存在であること限られた譲渡の知識を含みます。 7 -ヒトにおける低酸素症を模倣するために、低酸素ガス混合物は、これまで2に使用されてきました。しかし、これらの条件は、低酸素症は、一般的には、高炭酸ガス血症を伴っている臨床的状況のより高い標高の周囲の複数の代表的なものです。心停止および蘇生中に組織の酸素化を監視するには、動物実験は、生理的代償機構を調査するために8を行ってきました。
無呼吸ダイバーは、呼吸衝動を押下することのできる健全な選手ですそれは、低動脈血酸素飽和度9と増加のpCO 2 10,11によって誘発されます。私たちは、急性低酸素症および付随する高炭酸ガス12の臨床的状況を模倣するために、無呼吸ダイバーを調べました。このモデルは、臨床的な設定を評価OSASまたは病理学的な呼吸障害を有する患者の病態生理学の理解を改善し、無呼吸の場合に潜在的なカウンターバランス機構を研究するための新たな可能性を明らかにするために使用することができます。さらに、ヒトでは低酸素症を検出するために異なる技術が緊急事態に存在する（ すなわち 、気道閉塞、喉頭痙攣や、挿管することができない状況を換気することはできません）、または患者に断続的低酸素症をシミュレートするために、動的な低酸素症の場合に実現可能性と正確性を試験することができますOSASを持ちます。
人間は限られている中で非侵襲的技術は、低酸素状態を検出します。周辺パルスオキシメトリ度（SpO 2）事前HOSPIで承認されたツールです。TALおよび病院の設定は、低酸素13を検出します。この方法は、ヘモグロビンの光の吸収に基づいています。しかしのSpO 2測定は、末梢動脈酸素化に制限され、無脈性電気活動（PEA）または集中最小循環14の場合には使用できません。 19 -これとは対照的に、近赤外分光法は、出血性ショック、またはくも膜下出血15を以下の間、PEA中にリアルタイムで脳組織の酸素飽和度（RSO 2）を評価するために使用することができます。その使用は常に20を成長しており、方法論的研究がなSpO 2、RSO 2 3,4の間に正の相関を明らかにしました。
本研究では、ヒトでの臨床的に関連する低酸素症をシミュレートし、脱および再飽和の場合には、周辺パルス酸素濃度計とNIRSを比較するためのステップバイステップの方法論を提示するモデルを提供します。の場合には生理学的データを分析することによりpnea、カウンタバランス機構の理解を向上させることができます。
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Protocol
倫理ステートメント
人間の参加者を含む研究で行われるすべての手順は、1964年ヘルシンキ宣言とその以降の改訂の倫理基準に従いました。この研究の設計はボン、ドイツの大学病院の地元倫理委員会によって承認されました。
注：任意の抗高血圧薬の自由、被験者は良いと健全な状態にあることを確認し、カフェインまたは同等の物質などのカテコールアミン誘導剤の少なくとも24時間無料。
被験者の調製
- NIRS電極の位置の前に皮膚を脱脂するために70％アルコールで額の肌をきれいにしてください。
- 脳（=中央）組織の酸素を測定するために、眉の上と正中矢状溝（軌跡frontopolar 2）の右に右の額にNIRS電極を配置します。
- 信号の安定性を評価します。 RSO 2 -signalは（一定でなければなりません7;少なくとも5分間、3％）。
- NIRS（NIRS 組織 -electrode）と末梢組織の酸素を測定するために、大腿四頭筋（あるいは前腕上）の真ん中の上に一方の電極を配置します。静脈叢または動脈の上に電極を配置しないでください。
- 髪無料胸にECG電極を配置します。 ECGリードは異なる文字で表示されます。左下肋骨縁の「F」medioclavicularラインの第五肋間の真ん中に大胸、右大胸左の胸肋頭の上に「L」、「C」の胸肋頭の上に置き、「R」、「右下の肋骨の端にN」。
- NIRS 組織 -electrodeが配置されているのと同じ四肢および側の指先の末梢パルスオキシメトリ度（SpO 2）を測定します 。
- 血圧カフを用いて非侵襲的血圧（NIBP）を測定します。周辺パルスを可能にする反対側の四肢を使用してオキシムメトリ測定します。血圧の結果で高い時間分解能を得るために、測定するための1分間隔を選択します。画面をタッチし、「設定」を選択することで、NIBPを選択してください。
- 無呼吸の前に少なくとも20分間、無呼吸中および後に個々の時点で血液サンプルを描画する右または左の腕の内側肘静脈に静脈ラインを確立。
- 70％アルコールで皮膚をきれいにしてください。
- 静脈がより顕著になるための止血帯を使用します。
- 感染を避けるために、皮膚を通して針を挿入するために皮膚消毒を使用してください。
- カテーテルハブで血液のフラッシュバック後の挿入角度を減らします。静脈にカテーテルを押してください。
- 滅菌生理食塩水（塩化ナトリウム0.9％）と針とフラッシュカテーテルを削除します。
2.データ収集
- 後で処理するために測定を同期させるために、すべてのモニターの内部クロックを調整します。
- Clデスクトップ上で右下の時計アイコンをICK、ポップアップウィンドウで「変更日付と時刻の設定」をタップします。
- 考案し、メニューから変更日時NIRSの[設定]メニューボタンを押してください。
- オフライン分析のための生理学的データを格納するには、ドッキングステーションにモニタ装置を挿入し、ネットワークケーブルを介してコンピュータに接続します。ドッキングステーションのIPアドレスとサブネットマスクは、接続を取得するために、ネットワーク設定で正しいことを確認します。この情報を取得するために、デバイス・プロバイダにお問い合わせください。
- コンピュータ上の測定値を保存するために、モニタ装置固有のソフトウェアを使用してください。録音を開始し、測定終了後に結果を保存するために「開始」をクリックします。
注：一部のデバイスでは、データは、測定中に、ライブに保存されなければなりません。
注： トラブルシューティングについては、次の手順の世話をする：NIRS 組織 SIGの変動した場合NALが高すぎる、電極（直接電極の下に大きな静脈叢または動脈を避ける）の位置を再評価します。 NIRS 脳の信号の高い変動はまた、部分的なCO 2を削減するためにダイバーの過換気のための間接的なマーカーであり得ます。遅いと低い潮容積および再評価する信号との息の対象を指示します。被験者は、最終的な無呼吸の前に3深いインスピレーションを取ることが許可されています。ベースライン値の評価にこの期間を含めないでください。最大吸気後の最初の30秒は、変数の値によって特徴付けられます。分析のためにそれらを使用しないでください。
3.無呼吸
- 被験者が原因で血管収縮への血液循環におけるストレス誘導性の変化を避けるために、臥位で少なくとも15分間休ま持っています。被験者が過呼吸の影響が血管収縮を引き起こし避けるために、通常、呼吸があります。 15呼吸/分を≤する呼吸頻度を制限します。
- 血液サンプルを描きますベースライン分析のための。測定の不確かさを避けるために描かれた血液の最初の5ミリリットルを廃棄します。凝固を防ぐために滅菌生理食塩水でそれぞれ静脈採血後カテーテルをフラッシュします。
- モニタ値は、その無呼吸性能に視覚的な影響を回避するために、被験者には見えないことを確認してください。
- 機能性と信号品質のために、各デバイスをチェックしてください。電極は、無呼吸の終了時に、被験者の不随意運動では除去できないことを確認してください。
- 明確な合意と結論付けています。口頭での最後の2分のカウントダウンを与えます。被験者は、この準備時間中は、正常に呼吸する必要があります。最後の息3深いインスピレーションの前には許可されています。指記号で最後の吸入を示すために、被写体を確認して下さい。無呼吸は、可能な限り実行する必要があります。
注：最後の息の終わりには、無呼吸の開始を示します。無呼吸の端部は、無呼吸の後の最初のインスピレーションとして定義されます。 - マーク重要なイベント（ すなわち、始まります無呼吸のND終わり）電子NIRS装置の「イベントマークボタン」を押すことにより、さらに時間分析の不正確さを避けるために。
注：不随意ダイアフラム活動によって誘発され、胸や胃の運動は、無呼吸の後半に一般的であり、 闘争の位相を示しています。 - 研究の目的に応じて、異なる時点で血液サンプルを描画します。
- 10分間、1500×gで遠心血液サンプル。上清を取り、今後の分析のために-80℃で保管してください。
4.処理データ
- 監視装置からのデータを処理します。
- データを分析し、「開始」コンピュータとプレス上で保存したファイルを開きます。
- メニューサブマスクにトレンドモニタへのアクセスを取得し、「オプション」を選択し、「レビュー」をクリックし、「ツール」。必要に応じて、時間間隔は、「トレンド更新周期」を介して変更することができます。
- マスク「トレンド」とSAVを選択電子。さらなる処理のためのスプレッドシートプログラムでファイルを開く」の動向」。
- NIRS装置からのデータを処理します。
- コンピュータにソフトウェアを開き、無線LAN を経由して NIRSデバイスを接続します。
- コンピュータにNIRS装置からデータを転送します。
- CSV形式でデータを保存します。
- さらなる処理のためのスプレッドシートプログラムでファイルを開きます。
5.値を分析
- 値を比較するために、両方のデータセットとスプレッドシートを作成します。 NIRS-値とのSpO 2が一定である、少なくとも30秒（±3％）の時間間隔を指定します。ベースラインレベルを定義するために、これらの値の平均を取ります。
注：心拍数は、前無呼吸に大きく変化することが知られています。さらなる分析を行うために、ベースライン心拍数は、30秒の無呼吸の開始後の時点で定義されています。 - RSO 2とのSpO 2で単調減少の開始点を探します
- RSO 2の開始点と無呼吸の停止後の値の単調増加など無呼吸の終了時のSpO 2の増加を確認します。この点は、「再飽和の開始」として定義されます。
- 「無呼吸の開始」と「不飽和化の始まり」と「無呼吸の終わり」とNIRSの脳 、NIRSの組織とのSpO 2のための「再飽和し始める」との間の時間差との間の時間差を計算します。別々のスプレッドシート上の秒単位で各差分を保存します。
- オプション：第二および無呼吸の最後の分の間に、各参加者の心拍変動を計算します。これは、このストレスの多いフェーズ中に交感神経/副交感神経のバランスについての情報を公開してもよいです。
6.統計処理
- SpO 2の「不飽和化の始まり」との間の時間差、NIRSの脳 、及びNIRS 組織値を比較します。 （50よりも小さいサンプルサイズのためのシャピロ・ウィルクの正規性検定を使用して、 例えば、）測定差のガウス分布のためのテスト。
- 測定差の分布が正規分布から大きく異なる場合には、ウィルコクソンの順位検定を締結使用。正規分布を仮定することができる場合は、対応のあるt検定を使用することを検討してください。
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Representative Results
一人の患者における無呼吸の間に図1のディスプレイの同時たSpO 2の記録とNIRS値（NIRSの脳とNIRS 組織を ）。総無呼吸時間は363秒でした。以下の無呼吸NIRSとのSpO 2値は、約140秒間安定していました。 NIRS 脳の減少は238秒後に検出されたのに対したSpO 2の減少は、周辺のSpO 2が204秒後に検出されました。最低測定したSpO 2次無呼吸は58％であったと最低測定されたNIRSの脳は 46％でした。 SpO 2が 30秒の遅延時間後に増加したのに対し、無呼吸のNIRS 脳の終わりに12秒の遅延時間後に増加しました。
百分の12から54まで （24範囲74）に- 10無呼吸ダイバーの最近の研究では、71％（55範囲85）からNIRS 脳値の有意な減少を示しました2が 98％（98の範囲100）から減少しました。 図2に、これらの10ダイバーの2値のSpO対脳 NIRSにおける無呼吸及び減少の開始との間の平均時間遅延。 NIRSの脳によって測定された酸素飽和度のSpO 2 [175秒により測定指先に酸素飽和度よりも後に有意に減少しました。 134秒対 SD = 50秒。 SD = 29秒。 （T（9）= 2.865、p = 0.019、R 2 = 0.477）]。これは、上昇した脳血流と無呼吸の間の脳組織の優先的な酸素供給のための符号とすることができます。
呼吸（ 図2c）の再起動後、NIRSの脳の値が大幅に以前のSpO 2値[10秒よりも増加しました。 21秒対 SD = 4秒。 SD = 4秒（T（9）= 7.703、p <0.001、R 2 = 0.868）]。 図2B 2）は無呼吸時の大腿四頭筋（NIRS 組織 ）上記。 NIRS 組織値は以前のSpO 2値[39秒より大幅に減少しました。 125秒の遅延対 SD = 13秒。 SD = 36秒（T（6）= 4.869、p = 0.003、R 2 = 0.798）]。 SpO 2によって可視化- -測定可能であり、この時間遅延は、末梢血管収縮は、動脈血酸素飽和度の低下があっても前に、組織酸素化の減少につながることを示しているかもしれません。 NIRS 組織とのSpO 2 [NIRS 組織 30秒の間呼吸の再起動後の時間遅延に差はなかったです。 SpO 2 27秒対 SD = 16秒。 SD = 7秒（T（6）= 0.631、p = 0.551、R 2 = 0.062）]。これは、観察された時間遅延は、異なるデバイス自体によって引き起こされないことを、示しています。
脳 -baseline値（ 図3） - 、NIRS 組織 -ページ= "1">個々の無呼吸期間中に脱および再飽和を比較するために、我々はのSpO 2を正常化しました。個々の無呼吸の期間を比較するために、各被験者の全無呼吸の持続時間も100％に設定しました。 12
図1：無呼吸時のNIRS、のSpO 2、および心拍数（HR）の時間経過。 1参加者の生のデータが表示されます。総無呼吸時間は363秒でした。対象は、脳RSO 2に比べたSpO 2の以前の減少を示しました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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図2：無呼吸と呼吸の再起動時のむだ時間。 a）は、無呼吸とのSpO 2値対 脳 NIRSの減少の開始との間の遅延時間を平均。無呼吸とのSpO 2値対 NIRS 組織の減少の開始との間b）の平均時間遅延。 c）の呼吸の再開とのSpO 2値対 脳 NIRSの増加との間の時間遅延を平均。 d）の呼吸の再開とのSpO 2値対 NIRS 組織の増加との間の時間遅延を意味します。エラーバーは平均の標準誤差を示します。アイヒホルンらからのデータと図形。 2015年12。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3：正規化されたSpO 2の時間的進行は、NIRS 脳とNIRS 組織値：無呼吸時間に個人差を平衡化するために、すべての無呼吸時間は100％に標準化しました。このように3プロットパラメータの変動は、相対的な無呼吸時間に割り当てられています。ベースライン値を100％とした無呼吸の前に測定されました。エラーバーは平均の標準誤差を示します。アイヒホルンらからのデータと図形。 2015年12。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
合計無呼吸時間は、主に肺の大きさ毎分の酸素消費量に起因するとのpCO 2の増加またはPO 2を減少させることによって引き起こされる呼吸反射に耐える個人の能力によって影響されます。無呼吸ダイバーは、彼らの息止め時間を最大化するために訓練されており、最大のインスピレーションにそうすることに使用されています。したがって、低酸素状態になるまでの時間は、個人間の検出可能な異なりますと、被験者の体調や訓練の状態に依存し、さらには呼吸反射を耐えるために、日常状態と意欲によって異なる場合があります。被験者のストレスレベルは、プロトコルのステップの詳細な教育および穏やかな周囲環境によって減少させることができます。
テスト環境は、信頼性と再現性ある結果を得るために標準化されるべきであることを意味合計無呼吸時間に影響を与える多くの要因があります。研究者は、カテコールアミンincreaの研究に興味を持っている場合SEまたは交感神経活動、両方の影響を与える物質（ すなわち、カフェイン、ニコチンは、バナナ、ナッツ、またはモノアミン酸化酵素（MAO）阻害剤などのような任意の医療物質のような食品）は避けるべきです。また、静脈ラインは、無呼吸の前に少なくとも20分を確立すべきです。被験者のストレスレベルは、主にカテコールアミンレベルに影響を与えるであろうと、研究者偽ることができ「血液分析の結果を。一般的には、研究者が大きいため、個体間の差異の結果を標準化するために、各被験者のベースラインレベルを作成する必要があります。
NIRS技術による組織の酸素の非侵襲的な測定は、酸素と還元ヘモグロビン21で半定量的変化を使用しています。 NIRSを使用することは、常に20を成長して、それが脈動血流の独立した、脳および末梢組織の飽和を検出することができます。 NIRS値は、Nの下に配置され、静脈と動脈の血管の量に依存しますIRS-電極。 NIRS値は、したがって、電極下動脈の血管対静脈の量に応じて大幅に異なることができます。また、配置及び接触圧力は、値の信頼性に影響を与えます。値は、測定を開始する前に、安定性をチェックする必要があります。 NIRS信号は、ベースライン測定中に変化する場合は、電極を交換するか、全体の皮膚接触を確認してください。 NIRS結果、相対的な脱またはベースライン値と比較値の増加の解釈について（絶対ではない）を使用する必要があります。
最大の息止めの肉体的負担に、被写体ごとの無呼吸の数が限られています。準備プロトコルは、各被験者のために等しくなければならないと、彼らが使用される前に、すべてのデバイスが二重にチェックする必要があります。 1コホートでプロトコルを変更しないでください。標準化されたセットアップは、再現性のある結果を作成することが必須です。最大の息止めの前に過換気は、動脈CO 2レベルおよびdを低下させるが、elays呼吸刺激が、それはまた、脳の自己調節および血管運動反応性22に影響を与えます 。アクティブ過換気は、被験者によって破壊的な影響を最小限にするために避けるべきです。
このモデルの全体的な目標は、息止めによって、ヒトにおける低酸素症をシミュレートすることです。したがって、追加の測定装置は、血圧（ すなわち、侵襲性血圧測定）、または交感神経活動の詳細情報を取得するために確立することができます。血圧測定は、血管系への長期無呼吸の負荷を推定することができます。 ECG信号は、RR間隔のビート・ツー・ビート変動を計算するために、または心不整脈を検出するために使用することができます。また、唾液や血液試料中のカテコールアミンレベル29でのコルチゾールレベルが中および無呼吸後の異なる時点で測定することができます。これらの値の動態は、可能な研究の機会の数を開きます。それでも、低酸素状態の信頼性の高い検出があります無呼吸によって引き起こされる低酸素条件を確保するために必要。異なるデバイスが同じ無呼吸セッションで測定値を直接比較することができます。異なる個体からの時間差は、（例えば、血圧上昇するまで、不飽和化は、 等を開始）総無呼吸時間に正規化されるべきです。
呼吸反射が人体の最強の刺激の一つです。急性低酸素症および高炭酸ガス血症は、したがってのみ病状（ すなわち、OSA、緊急事態、喉頭痙攣、CPR、 など ）を有する患者に見られます。主に不測の、低酸素症は、常にトリガ・イベントによって影響を受けているため、被験者の併存疾患の評価することは困難、検出が困難です。ダイバーや低酸素症を受けた患者の総無呼吸時間があるため、完全に異なる開始条件を比較すべきではありませんが、人間の代償機構は23同一であり、低酸素症の場合には、脳への損傷を避けるために-28。拡張された自主的な息止めはまた、体内の酸素貯蔵を空にし、被験者ののpCO 2 29を上昇させます。無呼吸ダイバーは、ヒト12の動的低酸素症のシミュレーション中に信頼できる結果を生成することが示されました。私たちは、心停止（42.2±10.7％15と37.2±17.0％14）の間に患者に見られる値よりもわずかに高いだけで最低限の脳彩度を測定しました。これは、我々のモデルは、臨床的に関連する低酸素症を模倣することが可能であることを示しています。低酸素症は、深刻な健康問題を引き起こしているが、下っ端生理学的メカニズムはまだ完全に1を理解し、今何の関連する臨床人体モデルは、ヒトにおける急性低酸素症をシミュレートするために存在しなくなるまでされていません。ヒトでの低酸素症および高炭酸ガス血症をシミュレートするための臨床関連モデルとして健康的な無呼吸ダイバーを使用することで、将来の調査のための大きな可能性を秘めています。このモデルは、科学者が低酸素を避けるために代償機構を研究することができます再現可能な人体モデルで損傷。それは、喉頭痙攣のような低酸素緊急事態の臨床的に関連するシミュレーションを可能にするか、「換気することはできません - 挿管することはできません」。人間の低酸素状態を測定するための新しい侵襲性または非侵襲性のツールの実行可能性を証明するために使用されるかもしれません。さらに、このモデルは、増加した内因性のカテコールアミンの相関と心臓機能（ すなわち 、心拍数変動、心拍出量、 等 ）への影響を理解するのを助けることができます。低酸素状態を観察するために別の、新しいデバイスを使用して無呼吸ダイバーに新しいパラメータを探索することができ、将来の低酸素症の理解を広げることができます。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SpO2 | Dräger Medical AG&CO.KG | SHP ACC MCABLE-Masimo Set | peripheral SpO2-Monitoring |
| Non Invasive Blood Pressure (NIBP) | Dräger Medical AG&CO.KG | NIBP cuff M+, MP00916 | |
| Electrocardiographic (ECG) | Dräger Medical AG&CO.KG | Infinity M540 Monitor | ECG monitoring |
| Docking station | Dräger Medical AG&CO.KG | M500 Docking Station | connection of M540 to laptop |
| NIRS | NONIN Medical’s EQUANOX | Model 7600 Regional Oximeter System | measuring of cerebral and tissue oxygenation |
| NIRS diodes | EQUANOX Advance Sensor | Model 8004CA | suited for measuring cerebral and somatic oxygen-saturation |
| Laptop | |||
| DataGrabber | Dräger Medical AG&CO.KG | DataGrabber v2005.10.16 | software to synchronize M540 with laptop |
| eVision | Nonin Medical. Inc. | Version 1.3.0.0 | software to synchronize NONIN with laptop |
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