מודל כדי לדמות היפוקסיה משמעות קלינית בבני אדם
Summary
סימולצית היפוקסיה בני אדם בדרך כלל שבוצעה על ידי שאיפת גז תערובות היפוקסי. לצורך המחקר, צוללנים apneic שימשו כדי לדמות היפוקסיה דינמי בבני אדם. בנוסף, שינויים פיזיולוגיים קינטיקה desaturation מחדש הרוויה הוערכו עם כלים בלתי פולשני כגון האינפרה-אדום הקרוב-ספקטרוסקופיה (NIRS) ורוויה חמצון היקפי (SpO 2).
Abstract
In case of apnea, arterial partial pressure of oxygen (pO2) decreases, while partial pressure of carbon dioxide (pCO2) increases. To avoid damage to hypoxia sensitive organs such as the brain, compensatory circulatory mechanisms help to maintain an adequate oxygen supply. This is mainly achieved by increased cerebral blood flow. Intermittent hypoxia is a commonly seen phenomenon in patients with obstructive sleep apnea. Acute airway obstruction can also result in hypoxia and hypercapnia. Until now, no adequate model has been established to simulate these dynamics in humans. Previous investigations focusing on human hypoxia used inhaled hypoxic gas mixtures. However, the resulting hypoxia was combined with hyperventilation and is therefore more representative of high altitude environments than of apnea. Furthermore, the transferability of previously performed animal experiments to humans is limited and the pathophysiological background of apnea induced physiological changes is poorly understood. In this study, healthy human apneic divers were utilized to mimic clinically relevant hypoxia and hypercapnia during apnea. Additionally, pulse-oximetry and Near Infrared Spectroscopy (NIRS) were used to evaluate changes in cerebral and peripheral oxygen saturation before, during, and after apnea.
Introduction
רלוונטית קליני היפוקסיה חריפה hypercapnia במקביל נתפסת בעיקר בחולים עם תסמונת דום נשימה חסימתית בשינה (OSAS), חסימה בדרכי נשימה חריפה או במהלך החייאה. מגבלות עיקריות בתחום OSAS ותנאי hypoxemic אחרים כוללות את הידע להעברה המוגבל על הפתופיזיולוגיה נגזר ממחקרים בבעלי חיים וכי מודלים אנושיים הם 1 אפסי. כדי לחקות היפוקסיה בבני אדם, תערובות גז היפוקסי עד כה בשימוש 2 – 7. עם זאת, התנאים הללו מייצגים יותר של הסביבה בגובה רב יותר של מצבים קליניים שבהם היפוקסיה, בכלל, מלווה hypercapnia. כדי לפקח חמצון רקמות במהלך דום לב והחייאה, מחקרים בבעלי החיים בוצעו 8 לחקור מנגנונים מפצים פיסיולוגיים.
צוללני Apneic הם ספורטאים בריאים מסוגלים מדכא את דחף הנשימהכי הם נובעים ריווי חמצן עורקים נמוכים 9 ו מוגבר PCO 2 10,11. חקרנו צוללנים apneic כדי לחקות מצבים קליניים של היפוקסיה חריפה hypercapnia במקביל 12. מודל זה יכול לשמש כדי להעריך setups הקליני, לשפר את הבנת pathophysiological של חולים עם OSAS או הפרעות נשימה פתולוגי, ולחשוף אפשרויות חדשות ללימוד מנגנון איזון דלפק אפשרי במקרים של דום נשימה. יתר על כן, טכניקות שונות כדי לזהות היפוקסיה בבני אדם יכול להיבדק על היתכנות ודיוק במקרה של היפוקסיה דינמי כי נוכח מצבי חירום (כלומר, חסימות בדרכי האוויר, laryngospasm או לא יכול לצנרר, לא יכול לאוורר מצבים) או לדמות היפוקסיה לסירוגין בחולים עם OSAS.
טכניקות פולשנית לגילוי היפוקסיה בבני אדם מוגבלים. Oximetry דופק ההיקפי (SpO 2) הוא כלי שאושר-hospi מראשטל והגדרות החולים כדי לזהות היפוקסיה 13. השיטה מבוססת על קליטת האור של המוגלובין. עם זאת, מדידת 2 SpO מוגבל חמצון עורקים היקפי ולא יכולה לשמש במקרים של פעילות החשמלית pulseless (PEA) או במחזור מינימאלי ריכוזי 14. לעומת זאת, קרוב אינפרא אדום ספקטרוסקופיה ניתן להשתמש כדי להעריך רוויון החמצן ברקמת המוח (RSO 2) בזמן אמת במהלך PEA, במהלך הלם המורגי או הבאים דימום תת-עכבישי 15 – 19. השימוש בו גדל 20 זמן ומחקרים מתודולוגיים חשפו מתאם חיובי בין SpO 2 ו RSO 2 3,4.
במחקר זה, אנו מספקים מודל לדמות היפוקסיה רלוונטיות קלינית בבני אדם ולהציג מתודולוגיה צעד-אחר-צעד כדי להשוות oximetry הדופק הפריפריה NIRS במקרה של הרוויה מחדש דה ו. על ידי ניתוח נתונים פיזיולוגיים במקרה שלpnea, הבנתנו מנגנוני איזון דלפק ניתן לשפר.
Protocol
Representative Results
Discussion
השעה דום הנשימה הכוללת נגרמת בעיקר על ידי גודל ריאות וצריכת חמצן לדקה ומושפעת יכולת פרט לעמוד רפלקס הנשימה הנגרם על ידי הגדלת PCO 2 או להקטין PO 2. צוללני Apnea מאומן למקסם משך הנשימה-אחיזתם רגילות לעשות זאת השראה מקסימלי. לכן, את הזמן עד היפוקסיה הוא שונה לזיהוי…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Special thanks to all volunteers who participated in the original study. The work of L. Eichhorn was supported through a scholarship of the Else-Kröner-Fresenius Foundation. The authors would like to thank Springer, Part of Springer Science+Business Media, for copyright clearance (License Number 3894660871180) and the kind permission of reusing previously published data.
Materials
| 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 |
Referencias
- Drager, L. F., Polotsky, V. Y., O’Donnell, C. P., Cravo, S. L., Lorenzi-Filho, G., Machado, B. H. Translational approaches to understanding metabolic dysfunction and cardiovascular consequences of obstructive sleep apnea. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 309 (7), 1101-1111 (2015).
- Shah, N., Trivedi, N. K., Clack, S. L., Shah, M., Shah, P. P., Barker, S. Impact of hypoxemia on the performance of cerebral oximeter in volunteer subjects. J Neurosurg Anesthesiol. 12 (3), 201-209 (2000).
- Ricci, M., Lombardi, P., et al. Near-infrared spectroscopy to monitor cerebral oxygen saturation in single-ventricle physiology. J Thorac Cardiovasc Surg. 131 (2), 395-402 (2006).
- Kusaka, T., Isobe, K., et al. Quantification of cerebral oxygenation by full-spectrum near-infrared spectroscopy using a two-point method. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 132 (1), 121-132 (2002).
- Nishimura, N., Iwasaki, K., Ogawa, Y., Shibata, S. Oxygen administration, cerebral blood flow velocity, and dynamic cerebral autoregulation. Aviat Space Environ Med. 78 (12), 1121-1127 (2007).
- Wilson, M. H., Newman, S., Imray, C. H. The cerebral effects of ascent to high altitudes. Lancet Neurol. 8 (2), 175-191 (2009).
- Sanborn, M. R., Edsell, M. E., et al. Cerebral hemodynamics at altitude: effects of hyperventilation and acclimatization on cerebral blood flow and oxygenation. Wilderness Environ Med. 26 (2), 133-141 (2015).
- Reynolds, J. C., Salcido, D., et al. Tissue oximetry by near-infrared spectroscopy in a porcine model of out-of-hospital cardiac arrest and resuscitation. Resuscitation. 84 (6), 843-847 (2013).
- Andersson, J. P. A., Evaggelidis, L. Arterial oxygen saturation and diving response during dynamic apneas in breath-hold divers. Scand J Med Sci Sports. 19 (1), 87-91 (2009).
- Overgaard, K., Friis, S., Pedersen, R. B., Lykkeboe, G. Influence of lung volume, glossopharyngeal inhalation and P(ET) O2 and P(ET) CO2 on apnea performance in trained breath-hold divers. Eur J Appl Physiol. 97 (2), 158-164 (2006).
- Ferretti, G. Extreme human breath-hold diving. Eur J Appl Physiol. 84 (4), 254-271 (2001).
- Eichhorn, L., Erdfelder, F., et al. Evaluation of near-infrared spectroscopy under apnea-dependent hypoxia in humans. J Clin Monit Comput. 29 (6), 749-757 (2015).
- Eichhorn, J. H. Pulse oximetry as a standard of practice in anesthesia. Anesthesiology. 78 (3), 423-426 (1993).
- Schewe, J. -. C., Thudium, M. O., et al. Monitoring of cerebral oxygen saturation during resuscitation in out-of-hospital cardiac arrest: a feasibility study in a physician staffed emergency medical system. Scand J Trauma Resusc Emerg Med. 22, 58 (2014).
- Ahn, A., Nasir, A., Malik, H., D’Orazi, F., Parnia, S. A pilot study examining the role of regional cerebral oxygen saturation monitoring as a marker of return of spontaneous circulation in shockable (VF/VT) and non-shockable (PEA/Asystole) causes of cardiac arrest. Resuscitation. 84 (12), 1713-1716 (2013).
- Moritz, S., Kasprzak, P., Arlt, M., Taeger, K., Metz, C. Accuracy of cerebral monitoring in detecting cerebral ischemia during carotid endarterectomy: a comparison of transcranial Doppler sonography, near-infrared spectroscopy, stump pressure, and somatosensory evoked potentials. Anesthesiology. 107 (4), 563-569 (2007).
- Beilman, G. J., Groehler, K. E., Lazaron, V., Ortner, J. P. Near-infrared spectroscopy measurement of regional tissue oxyhemoglobin saturation during hemorrhagic shock. Shock. 12 (3), 196-200 (1999).
- Rhee, P., Langdale, L., Mock, C., Gentilello, L. M. Near-infrared spectroscopy: continuous measurement of cytochrome oxidation during hemorrhagic shock. Crit Care Med. 25 (1), 166-170 (1997).
- Zweifel, C., Castellani, G., et al. Continuous assessment of cerebral autoregulation with near-infrared spectroscopy in adults after subarachnoid hemorrhage. Stroke. 41 (9), 1963-1968 (2010).
- Scheeren, T. W. L., Schober, P., Schwarte, L. A. Monitoring tissue oxygenation by near infrared spectroscopy (NIRS): background and current applications. J Clin Monit Comput. 26 (4), 279-287 (2012).
- Boushel, R., Langberg, H., Olesen, J., Gonzales-Alonzo, J., Bülow, J., Kjaer, M. Monitoring tissue oxygen availability with near infrared spectroscopy (NIRS) in health and disease. Scand J Med Sci Sports. 11 (4), 213-222 (2001).
- Aaslid, R. Cerebral autoregulation and vasomotor reactivity. Front Neurol Neurosci. 21, 216-228 (2006).
- Palada, I., Obad, A., Bakovic, D., Valic, Z., Ivancev, V., Dujic, Z. Cerebral and peripheral hemodynamics and oxygenation during maximal dry breath-holds. Respir Physiol Neurobiol. 157 (2-3), 374-381 (2007).
- Heusser, K., Dzamonja, G., et al. Cardiovascular regulation during apnea in elite divers. Hypertension. 53 (4), 719-724 (2009).
- Joulia, F., Lemaitre, F., Fontanari, P., Mille, M. L., Barthelemy, P. Circulatory effects of apnoea in elite breath-hold divers. Acta Physiol (Oxf). 197 (1), 75-82 (2009).
- Costalat, G., Coquart, J., Castres, I., Tourny, C., Lemaitre, F. Hemodynamic adjustments during breath-holding in trained divers. Eur J Appl Physiol. 113 (10), 2523-2529 (2013).
- Busch, D. R., Lynch, J. M., et al. Cerebral Blood Flow Response to Hypercapnia in Children with Obstructive Sleep Apnea Syndrome. Sleep. 39 (1), 209-216 (2016).
- Alex, R., Bhave, G., et al. An investigation of simultaneous variations in cerebral blood flow velocity and arterial blood pressure during sleep apnea. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. , 5634-5637 (2012).
- Eichhorn, L., Erdfelder, F., et al. Influence of Apnea-induced Hypoxia on Catecholamine Release and Cardiovascular Dynamics. Int J Sports Med. , (2016).
