Een Model klinisch relevante Hypoxie bij mensen simuleren
Summary
Hypoxie simulatie bij de mens is meestal uitgevoerd door het inademen van hypoxie gasmengsels. Voor deze studie werden apneu duikers gebruikt om dynamische hypoxie bij de mens simuleert. Bovendien, fysiologische veranderingen in desaturatie en re-verzadigingskinetiek werden geëvalueerd met niet-invasieve instrumenten zoals Near-Infrared-Spectroscopie (NIRS) en perifere zuurstof verzadiging (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
Klinisch relevante acute hypoxie en gelijktijdige hypercapnie wordt meestal gezien bij patiënten met obstructieve slaapapneusyndroom (OSAS), acute luchtwegobstructie of tijdens reanimatie. Grote beperkingen op het gebied van OSAS en andere hypoxemie omvatten de beperkte overdraagbare kennis over de pathofysiologie afkomstig van dierstudies en menselijke modellen onbestaande 1. Hypoxie bij mensen na te bootsen, zijn hypoxische gasmengsels dusver gebruikt 2-7. Echter, deze voorwaarden representatiever grote hoogte omgeving dan klinische situaties waarin hypoxie in het algemeen gepaard gaat met hypercapnia. Weefsel oxygenatie tijdens een hartstilstand en reanimatie te controleren, zijn dierproeven uitgevoerd 8 tot fysiologische compensatiemechanismen te onderzoeken.
Apneu duikers gezonde sporters in staat om het indrukken van de ademhaling impulsdie wordt opgeroepen door lage arteriële zuurstofverzadiging 9 en een verhoogde pCO 2 10,11. We onderzochten apneu duikers om klinische situaties van acute hypoxie en gelijktijdige hypercapnie 12 na te bootsen. Dit model kan worden gebruikt om klinische opstellingen evalueren verbeteren pathofysiologische begrip van patiënten met OSAS of pathologische ademhalingsstoornissen en onthullen nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van een mogelijk compenserend mechanisme in geval van apneu. Voorts verschillende technieken voor het detecteren hypoxie bij mensen kunnen worden getest op haalbaarheid en nauwkeurigheid bij dynamische hypoxie die in noodsituaties is (dwz luchtweg obstructies, laryngospasme of niet intuberen, kan niet situaties ventileren) of intermitterende hypoxie bij patiënten simuleren met OSAS.
Invasieve technieken hypoxie detecteren bij mensen beperkt. Perifere pulsoximetrie (SpO 2) is een erkend instrument in de pre-hospiTal en het ziekenhuis instellingen hypoxie 13 detecteren. De methode is gebaseerd op de lichtabsorptie van hemoglobine. Echter SpO 2 meting beperkt tot perifere arteriële oxygenatie en kan niet worden gebruikt in geval van polsloze elektrische activiteit (PEA) of centrale 14 minimale circulatie. Daarentegen kan Near-Infrared Spectroscopy worden gebruikt om hersenweefsel zuurstofsaturatie (RSO 2) tijdens PEA evalueren in real-time tijdens hemorrhagische shock of na subarachnoïdale bloeding 15-19. Het gebruik ervan wordt steeds groter 20 en methodologische studies hebben een positieve correlatie tussen de SpO 2 en RSO 2 3,4 onthuld.
In deze studie geven we een model om klinisch relevante hypoxie bij mensen simuleren alsook een stap voor stap methode perifere pulsoximetrie en NIRS vergelijken bij de- en herverzadiging. Door het analyseren van fysiologische gegevens bij eenpnea, ons begrip van teller balanceringsmechanismen kan worden verbeterd.
Protocol
Representative Results
Discussion
De totale apneu tijd wordt vooral veroorzaakt door longkanker grootte en het zuurstofverbruik per minuut en beïnvloed door het vermogen van een individu om de ademhaling reflex, veroorzaakt door het verhogen van pCO 2 of verlagen pO 2 te weerstaan. Apneu duikers zijn opgeleid om hun adem-hold duur te maximaliseren en worden gebruikt om dit te doen in maximale inspiratie. Daarom is de tijd totdat hypoxie detecteerbaar verschilt tussen individuen en afhankelijk van de fysieke conditie en training st…
Divulgations
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 |
References
- 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).
