En modell for å simulere klinisk relevant Hypoksi i Humans
Summary
Hypoksi simulering hos mennesker har vanligvis blitt utført ved å inhalere hypoksiske gassblandinger. For denne studien ble apné dykkere brukes til å simulere dynamisk hypoksi hos mennesker. I tillegg ble fysiologiske endringer i desaturation og re-metning kinetikk evaluert med ikke-invasive verktøy som nær-infrarød-spektroskopi (NIRS) og perifer oksygenmetning (SpO2).
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
Klinisk relevant akutt hypoksi og samtidig hyperkapni er mest sett hos pasienter med obstruktiv søvnapné syndrom (OSAS), akutt luftveisobstruksjon eller under hjerte-lungeredning. Store begrensninger innen OSAS og andre hypoxemic tilstander omfatter den begrensede overførbar kunnskap om patofysiologien avledet fra dyrestudier og at menneskelige modellene er fraværende 1. For å etterligne hypoksi hos mennesker, har hypoksiske gassblandinger hittil blitt anvendt 2 – 7. Men disse betingelser er mer representative for høytliggende omgivelser enn kliniske situasjoner hvor hypoksi i alminnelighet er ledsaget av hyperkapni. For å overvåke vevsoksygeneringen under hjertestans og gjenoppliving, har dyrestudier utført 8 for å undersøke fysiologiske kompenserende mekanismer.
Apné dykkere er sunne idrettsutøvere i stand til å trykke ned puste impulssom er fremkalt av lav arteriell oksygenmetning 9 og en økt pCO 2 10,11. Vi undersøkte apné dykkere for å etterligne kliniske tilfeller med akutt hypoksi og samtidig hyperkapni 12. Denne modellen kan brukes til å evaluere klinisk oppsett, forbedre den patofysiologiske forståelsen av pasienter med OSAS eller patologiske pusteforstyrrelser, og gir helt nye muligheter for å studere en potensiell teller balanserende mekanisme i tilfeller av apnea. Videre er forskjellige teknikker for å påvise hypoksi hos mennesker kan bli testet for gjennomførbarhet og nøyaktighet i tilfelle av dynamiske hypoksi som er til stede i nødssituasjoner (dvs. luftveishindringer, laryngospasmer eller kan ikke intubere, ikke kan ventilere situasjoner) eller for å simulere intermitterende hypoksi hos pasienter med OSAS.
Noninvasive teknikker for å oppdage hypoksi hos mennesker er begrenset. Peripheral pulsoksymetri (SpO2) er en godkjent verktøy i pre-hospital og sykehus innstillinger for å oppdage hypoksi 13. Metoden er basert på lys absorpsjon av hemoglobin. Imidlertid er SpO2 måling begrenset til perifer arteriell oksygenering og kan ikke brukes i tilfeller av pulseless elektrisk aktivitet (PEA) eller sentralisert minimal sirkulasjon 14. I kontrast, kan nær-infrarød spektroskopi brukes til å vurdere hjernevev oksygenmetning (RSO 2) i sanntid under PEA, under hemoragisk sjokk eller etter subaraknoidalblødning 15-19. Bruken er i stadig vekst 20 og metodiske studier har avdekket en positiv sammenheng mellom SpO2 og RSO 세스 3,4.
I denne studien gir vi en modell for å simulere klinisk relevant hypoksi hos mennesker og presentere en steg-for-trinn metode for å sammenligne perifer pulsoksymetri og NIRS i tilfelle av de- og re-metning. Ved å analysere fysiologiske data i tilfelle av enpnea, kan vår forståelse av benke balanserende mekanismer forbedres.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den totale apnea tid er hovedsakelig forårsaket av lunge størrelse og oksygenforbruk per minutt og påvirket av en enkeltpersoner evne til å tåle puste refleks forårsaket av økende pCO 2 eller redusere pO 2. Apnea dykkere er opplært til å maksimere sin pust-hold varighet og er vant til å gjøre det i maksimal inspirasjon. Derfor er tiden til hypoksi påvisbare skiller mellom individer og avhenger av vedkommendes fysiske tilstand og trening status og kanskje til og med variere fra deres dag…
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).
