نموذج لمحاكاة نقص الأكسجة ذات الصلة سريريا في البشر
Summary
وعادة ما يتم تنفيذ المحاكاة نقص الأكسجين في البشر عن طريق استنشاق خليط من الغاز ميتة. لهذه الدراسة، تم استخدام الغواصين انقطاع التنفس لمحاكاة نقص الأكسجين الحيوي في البشر. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم التغيرات الفسيولوجية في عدم التشبع وإعادة التشبع حركية مع الأدوات غير الغازية مثل القريبة من الأشعة تحت الحمراء، التحليل الطيفي (تقارير قوائم الجرد الوطنية) والطرفية تشبع الأوكسجين (مكتب التخطيط الاستراتيجي 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
ويعتبر نقص الأكسجين الحاد سريريا ذات الصلة وفرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم يصاحب ذلك غالبا في المرضى الذين يعانون من الانسداد متلازمة توقف التنفس أثناء النوم (OSAS)، انسداد مجرى الهواء الحادة أو أثناء الإنعاش القلبي الرئوي. وتشمل القيود الرئيسية في مجال OSAS والشروط hypoxemic أخرى المعرفة قابلة للتحويل محدودة عن الفيزيولوجيا المرضية المستمدة من الدراسات على الحيوانات وأن النماذج البشرية هي غير موجودة 1. لتقليد نقص الأكسجين في البشر، وقد استخدمت خليط الغاز ميتة حتى الان 2-7. ومع ذلك، هذه الشروط هي أكثر تمثيلا للبيئة المحيطة المرتفعة من الحالات السريرية حيث نقص الأكسجين، وبشكل عام، يرافقه فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم. لمراقبة الأوكسجين الأنسجة أثناء السكتة القلبية والإنعاش، وقد أجريت دراسات على الحيوانات 8 للتحقيق في الآليات التعويضية الفسيولوجية.
الغواصين انقطاع التنفس والرياضيين صحي قادر على الاكتئاب الدافع التنفسالتي حركها انخفاض الأوكسجين في الشرايين تشبع 9 وزيادة PCO 2 10،11. ونحن التحقيق الغواصين انقطاع النفس من أجل تقليد الحالات السريرية لنقص الأكسجين الحاد وفرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم يصاحب ذلك 12. هذا النموذج يمكن استخدامها لتقييم الاجهزة الطبية، وتحسين فهم المرضية في جسم المريض من المرضى الذين يعانون من OSAS أو اضطرابات التنفس المرضية، وتكشف عن إمكانيات جديدة لدراسة آلية مكافحة موازنة المحتملة في حالات توقف التنفس أثناء. وعلاوة على ذلك، نقص الأكسجة في البشر ويمكن اختبار لجدوى ودقة في حالة نقص الأكسجين الحيوي الذي هو الحاضر في حالات الطوارئ تقنيات مختلفة للكشف عن (أي انسداد لمجرى الهواء، تشنج الحنجرة أو لا يمكن التنبيب، لا يمكن تهوية الحالات) أو لمحاكاة نقص الأكسجة متقطعة في المرضى مع OSAS.
تقنيات موسع للكشف عن نقص الأكسجة في البشر محدودة. المحيطي نبض قياس التأكسج (مكتب التخطيط الاستراتيجي 2) هو أداة وافقت في مرحلة ما قبل hospiالتل والمستشفيات للكشف عن نقص الأكسجة 13. وتستند هذه الطريقة على امتصاص الضوء من الهيموغلوبين. ومع ذلك، يقتصر قياس مكتب التخطيط الاستراتيجي 2 إلى الأوكسجين في الشرايين الطرفية والتي لا يمكن استخدامها في حالات النشاط انعدام النبض الكهربائي (PEA) أو تداول الحد الأدنى المركزي 14. في المقابل، القريبة من الأشعة تحت الحمراء الطيفي يمكن استخدامها لتقييم الدماغي تشبع الأكسجين الأنسجة (RSO 2) في الوقت الحقيقي أثناء PEA، خلال صدمة نزفية أو بعد نزيف تحت العنكبوتية 15-19. استخدامه في تزايد مستمر 20 و الدراسات المنهجية قد كشفت عن وجود علاقة إيجابية بين مكتب التخطيط الاستراتيجي 2 و RSO 2 3،4.
في هذه الدراسة، ونحن نقدم نموذج لمحاكاة نقص الأكسجين ذات الصلة سريريا في البشر وتقديم منهجية خطوة بخطوة لمقارنة عداد نبض الطرفية وتقارير قوائم الجرد الوطنية في حالة اجتثاث وإعادة التشبع. من خلال تحليل البيانات الفسيولوجية في حالة وجودpnea، ويمكن تحسين فهمنا للآليات التوازن المضاد.
Protocol
Representative Results
Discussion
كان السبب في مجموع الوقت توقف التنفس أثناء أساسا من حجم الرئة واستهلاك الأوكسجين في الدقيقة الواحدة وتتأثر قدرة الأفراد على تحمل رد الفعل التنفس الناجم عن زيادة PCO 2 أو خفض ص 2. ويتم تدريب الغواصين توقف التنفس أثناء لتعظيم مدة التنفس وسيطرتهم وتستخدم لذلك ?…
Disclosures
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).
