Name: 一个模型来模拟人类临床相关性缺氧 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 54 s
Description: 了解如何使用呼吸暂停潜水员模拟人体动态缺氧，通过近红外光谱和脉搏血氧仪评估脱饱和与再饱和动力学。该模型为睡眠呼吸暂停和急诊医学研究提供了临床相关的实验方法。

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特别感谢所有参与原始研究的志愿者。L. Eichhorn 的工作得到了 Else-Kröner-Fresenius 基金会奖学金的支持。作者感谢 Springer（Springer Science+Business Media 的一部分）提供的版权许可（许可编号 3894660871180）以及允许重复使用已发表数据的慷慨授权。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>评估信号稳定性。rSO2信号应在至少5分钟内保持恒定（±3%）。</li>
	<li>为使用NIRS测量外周组织氧合（NIRStissue-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。</li>
	<li>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&#34;R&#34;置于右侧胸大肌胸肋部起点，&#34;L&#34;置于左侧胸大肌胸肋部起点，&#34;C&#34;置于锁骨中线第五肋间隙中部，&#34;F&#34;置于左下肋缘，&#34;N&#34;置于右下肋缘。</li>
	<li>在同一肢体和同侧手指上测量外周脉搏血氧饱和度（SpO2），即NIRStissue-电极所放置的一侧。</li>
	<li>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&#34;settings&#34;来设置NIBP测量。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>使用70%酒精清洁皮肤。</li>
		<li>使用止血带使静脉更加明显。</li>
		<li>进行皮肤消毒以防止感染，并将针头穿入皮肤。</li>
		<li>当导管接头处出现回血后，降低进针角度，将导管推入静脉。</li>
		<li>拔出针芯，并用无菌生理盐水（0.9% NaCl）冲洗导管。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 数据采集
<ol>
	<li>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。
	<ol>
		<li>单击桌面右下角的时钟图标，然后点击 &#34;更改日期和时间设置&#34; 在弹出窗口中。</li>
		<li>按下 NIRS 设备上的设置菜单按钮，更改日期和时间 通过 菜单</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
	<li>使用监测设备专用软件将测量结果保存到计算机中。点击 &#34;开始&#34; 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。</li>
</ol>
3. 呼吸暂停
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>通过按下NIRS设备上的&#34;事件标记按钮&#34;，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。</li>
	<li>根据研究目的，在不同时间点采集血样。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
4. 数据处理
<ol>
	<li>处理来自监测设备的数据：
	<ol>
		<li>在计算机上打开已保存的文件并按下 &#34;开始&#34; 用于分析数据。</li>
		<li>点击 &#34;审稿&#34; 获取趋势监测的访问权限并进行选择 &#34;选项&#34; 然后 &#34;工具&#34; 在菜单子掩膜中，可通过以下方式更改时间间隔 &#34;趋势区间&#34; 如有必要。</li>
		<li>选择掩膜 &#34;趋势&#34; 并保存。打开文件 &#34;趋势&#34; 在电子表格程序中进行进一步处理。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>处理来自近红外光谱（NIRS）设备的数据：
	<ol>
		<li>打开计算机上的软件并连接近红外光谱仪设备 通过 WIFI</li>
		<li>将数据从NIRS设备传输至计算机。</li>
		<li>将数据保存为 CSV 格式。</li>
		<li>在电子表格程序中打开文件以进行进一步处理。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 分析数值
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>通过观察 rSO2 和 SpO2 数值较基线水平下降超过 &#62; 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 &#34;去饱和开始&#34;。</li>
	<li>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 &#34;再饱和开始&#34;。</li>
	<li>计算从 &#34;呼吸暂停开始&#34; 到 &#34;去饱和开始&#34; 的时间差，以及从 &#34;呼吸暂停结束&#34; 到 &#34;再饱和开始&#34; 的时间差，分别针对 NIRScerebral、NIRStissue 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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
6. 统计学处理
<ol>
	<li>比较时间差异 &#34;脱饱和开始&#34; 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）。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>SpO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Dr&amp;auml;ger Medical AG&amp;CO.KG</td><td>SHP ACC MCABLE-Masimo Set</td><td>外周 SpO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 监测</td></tr><tr><td>无创血压 (NIBP)</td><td>Dr&amp;auml;ger Medical AG&amp;CO.KG</td><td>NIBP 袖带 M+，&amp;nbsp;MP00916&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>心电图 (ECG) &amp;nbsp;</td><td>Dr&amp;auml;ger Medical AG&amp;CO.KG</td><td>Infinity M540 监护仪</td><td>心电图监测</td></tr><tr><td>对接站</td><td>Dr&amp;auml;ger Medical AG&amp;CO.KG</td><td>M500 对接站</td><td>M540 与笔记本电脑的连接</td></tr><tr><td>NIRS</td><td>NONIN Medical&amp;rsquo;s EQUANOX</td><td>Model 7600 区域血氧仪系统</td><td>脑组织和&amp;nbsp;组织氧合的测量</td></tr><tr><td>NIRS 探头</td><td>EQUANOX Advance Sensor</td><td>Model 8004CA</td><td>适用于脑组织和体表氧饱和度的测量</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;笔记本电脑&amp;nbsp;&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>DataGrabber</td><td>Dr&amp;auml;ger Medical AG&amp;CO.KG</td><td>DataGrabber v2005.10.16</td><td>用于同步 M540 与笔记本电脑的软件</td></tr><tr><td>eVision</td><td>Nonin Medical. Inc.</td><td>Version 1.3.0.0</td><td>用于同步 NONIN 与笔记本电脑的软件</td></tr></tbody></table>

一种模拟人类临床相关低氧状态的模型

A Model to Simulate Clinically Relevant Hypoxia in Humans

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。

图1 显示了一名患者在呼吸暂停期间 SpO2 与 NIRS 值（NIRScerebral 和 NIRStissue）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 NIRScerebral 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 NIRScerebral 为 46%。在呼吸暂停结束时，NIRScerebral 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...

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。

若发生呼吸暂停，动脉血氧分压（pO2）下降，而二氧化碳分压（pCO2）升高。为避免……

该模型的总体目标是模拟在人体模型中由呼吸暂停引起的低氧和高碳酸血症，重点关注睡眠呼吸暂停及气道阻塞等紧急情况下发生的间歇性呼吸暂停。该模型有助于理解在长时间呼吸暂停的情况下仍能避免脑部缺氧损伤的生理机制。该动态模型的主要优势在于，我们能够在人体中模拟具有临床相关性的低氧状态。由呼吸暂停引起的低氧血症常导致心率下降。而因吸入气中氧浓度降低所导致的低氧则会使心率增加。因此，不同类型的低氧模型对循环系统可产生相反的作用。我们可重复的模型使我们能够研究不同的技术设备。这使我们有机会专注于呼吸暂停的不同生理学方面，而无需更改实验装置或模型。在将电极连接至受试者之前，使用70%酒精清洁连接部位。现在，将一个近红外光谱（NIRS）电极放置在前额右侧眉骨上方、矢状中缝右侧的额极二号位点处。使用第二个电极测量外周组织氧合情况，将其放置在前臂内侧。避免将电极放置于静脉丛或动脉上方。饱和度应大于80%。在获取脑组织氧合值之前，需等待近红外光谱（NIRS）信号在至少五分钟内波动不超过3%。同样，需等待外周血氧水平信号稳定后再进行测量。接下来，将心电图电极放置在胸部无毛发的区域。将右导联（R-lead）置于右侧胸大肌胸肋部起点处，将左导联（L-lead）置于左侧胸大肌胸肋部起点处。将 C 导联置于锁骨中线第五肋间，F 导联置于左侧肋缘下，N 导联置于右侧肋缘下。随后，从用于测量外周组织氧合的同一肢体的指尖测量外周脉搏血氧饱和度。接下来，在与外周脉搏血氧测量相对侧的肢体上使用血压袖带测量无创血压。在可编程设置中，选择一分钟的间隔，并选择无创血压（NIBP）。在屏气开始前至少20分钟，建立右侧或左侧手臂肘正中静脉的静脉通路，以便在屏气期间及之后采集血样。开始之前，先同步监测设备的内部时钟，以确保测量数据的时间同步。接着，从计算机引出一根网线连接至监测设备，并将其连接到对接站上。然后，输入正确的网络设置，软件即可控制设备并保存数据。同时，调整显示器位置，确保受试者无法看到数据。检查近红外光谱（NIRS）电极的信号。如果某个信号过于不稳定，应重新调整电极位置。务必避免将电极置于较大的静脉丛或任何动脉上方。信号随后应趋于稳定。脑部近红外光谱信号的高度变化可能由过度通气引起。应指导受试者以较慢的呼吸频率和较小的潮气量进行呼吸，并重新评估信号。让受试者至少俯卧休息15分钟，并指导其以每分钟不超过15次的正常频率呼吸。在采集基线样本前，先抽取血样。需牢记两点：弃去采集的前5 mL血液不用于检测，且每次采样后均须使用无菌生理盐水冲洗导管。在整个测试过程中，根据需要适时采集血样。在继续操作前，仔细检查每个设备的功能及信号质量。同时，确保在呼吸暂停测试结束时，测试对象的无意识动作不会导致电极脱落。在呼吸暂停测试准备阶段的最后两分钟，需口头进行时间倒计时。然后，让受试者用手指标示其最近三次吸气。最后一次呼吸的结束即为呼吸暂停的开始。在近红外光谱仪设备上记录该时间点。屏气应尽可能持续较长时间。在后半阶段，胸腹部运动较为常见，提示已进入挣扎期。屏气的结束以第一次吸气为标志。在近红外光谱仪设备上记录此时间点。要处理监测设备的数据，请在计算机上打开已保存的文件。首先，单击“回顾”以进入趋势监测界面，然后在菜单子窗口中选择“工具”和“选项”。如有需要，可通过趋势时间间隔来调整时间间隔。现在，选择掩模趋势并保存数据。使用生成的趋势。将数据另存为 txt 文件，以便在电子表格程序中打开并进行分析。要处理来自 NIRS 设备的数据，请在计算机上打开配套软件，并通过 WiFi 连接 NIRS 设备。然后，将数据从 NIRS 设备传输到计算机，并以 CSV 格式保存，以便作为电子表格打开。在分析中，不要将呼吸暂停前最后三次吸气纳入基线值，也不要将呼吸暂停开始时最大吸气后前30秒的数据纳入分析。在一名受试者持续6分钟的呼吸暂停期间，同步记录了外周血氧饱和度和近红外光谱（NIRS）。有趣的是，与脑部NIRS监测相比，外周血氧饱和度监测更早检测到呼吸暂停开始后血氧饱和度的下降。在一项针对十名窒息潜水者的研究中，脑部近红外光谱（NIRS）数值的显著下降明显晚于脉搏血氧仪测得的饱和度数值。即使与脉搏血氧仪相比，外周NIRS仍显示出最早的去饱和现象。在恢复呼吸后，与脉搏血氧仪测得的外周氧饱和度相比，脑部NIRS显著更早地检测到再饱和。 外周NIRS与脉搏血氧仪之间未观察到明显的时间延迟。从另一个角度来看，去饱和值和总呼吸暂停时间被标准化为100%。观看本视频后，您应能够充分理解如何测量身体不同部位的氧饱和度。我们的研究揭示了避免缺氧损伤的生理机制。在呼吸暂停的情况下，血流的重新分布有助于维持大脑充足的氧气供应，而此时外周组织已处于缺氧状态。

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科研

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Medicine

医学

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一种模拟人类临床相关低氧状态的模型

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