Un modelo para simular la hipoxia clínicamente relevantes en seres humanos

Resumen

simulación hipoxia en los seres humanos por lo general se ha realizado por la inhalación de mezclas de gases hipóxicas. Para este estudio, los buceadores de apnea se utilizan para simular la hipoxia dinámico en los seres humanos. Además, los cambios fisiológicos en la desaturación y re-saturación cinéticas fueron evaluados con herramientas no invasivas tales como el Infrarrojo Cercano-Espectroscopía (NIRS) y la saturación de oxigenación periférica _(SpO2).

Resumen

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.

Introducción

hipoxia aguda clínicamente relevante e hipercapnia concomitante se ve sobre todo en pacientes con síndrome de apnea obstructiva del sueño (SAOS), obstrucción aguda o durante la reanimación cardiopulmonar. Las principales limitaciones en el ámbito de SAOS y otras condiciones hipoxémicos incluyen el conocimiento transferible limitada sobre la fisiopatología derivada de estudios en animales y humanos que los modelos son inexistentes ^1. Para imitar la hipoxia en los seres humanos, las mezclas de gases de hipoxia hasta el momento se han utilizado ^2-7. Sin embargo, estas condiciones son más representativos de un entorno de gran altitud que de situaciones clínicas en las que la hipoxia, en general, se acompaña de la hipercapnia. Para monitorizar la oxigenación del tejido durante el paro cardiaco y reanimación, los estudios en animales se han realizado ⁸ para investigar los mecanismos compensatorios fisiológicos.

buceadores de apnea son atletas sanos capaces de deprimir el impulso respiratorioque es evocado por una baja saturación de oxígeno arterial y un aumento del ⁹ _pCO2 ^10,11. Se investigaron los buceadores de apnea el fin de imitar las situaciones clínicas de hipoxia aguda e hipercapnia concomitante ^12. Este modelo puede ser utilizado para evaluar configuraciones clínicas, mejorar la comprensión fisiopatológica de los pacientes con SAOS o trastornos respiratorios patológicos, y revelar nuevas posibilidades para el estudio de un potencial mecanismo de equilibrio de contador en casos de apnea. Además, diferentes técnicas para detectar hipoxia en los seres humanos se puede probar la viabilidad y la precisión en el caso de hipoxia dinámica que está presente en situaciones de emergencia (es decir, las obstrucciones de las vías respiratorias, laringoespasmo o no puede intubar, no puede ventilar situaciones) o para simular la hipoxia intermitente en pacientes con SAOS.

técnicas no invasivas para detectar la hipoxia en los seres humanos son limitados. La oximetría de pulso periférico _(SpO2) es una herramienta aprobada en la pre-hosTal y ambientes de hospital para detectar la hipoxia ^13. El método se basa en la absorción de luz de la hemoglobina. Sin embargo, la medición de SpO ₂ se limita a la oxigenación arterial periférica y no se puede utilizar en los casos de actividad eléctrica sin pulso (PEA) o la circulación mínima centralizado ^14. Por el contrario, espectroscopia de infrarrojo cercano se puede utilizar para evaluar cerebral saturación de oxígeno del tejido (OPR ₂₎ en tiempo real durante la PEA, durante el shock hemorrágico o después de la hemorragia subaracnoidea ^15-19. Su uso está en constante crecimiento y ²⁰ estudios metodológicos han revelado una correlación positiva entre la SpO ₂ y _rSO2 ^3,4.

En este estudio, proporcionar un modelo para simular la hipoxia clínicamente relevante en los seres humanos y presentar una metodología paso a paso para comparar la oximetría de pulso periférico y NIRS en caso de des- y re-saturación. Mediante el análisis de los datos fisiológicos en el caso de unaPNEA, nuestra comprensión de los mecanismos de equilibrio de contador se puede mejorar.

Protocolo

Declaración de Ética
Todos los procedimientos realizados en los estudios con seres humanos estaban en conformidad con las normas éticas de la Declaración de Helsinki de 1964 y sus modificaciones posteriores. El diseño de este estudio fue aprobado por el comité de ética local del Hospital de la Universidad de Bonn, Alemania.

NOTA: Asegúrese de que los sujetos están en buenas condiciones y saludable, libre de cualquier medicamento contra la hipertensión y al menos 24 horas libres de agentes de catecolaminas como la cafeína o la inducción de sustancias iguales.

1. Preparación de la Prueba Asunto

1. Limpiar la piel de la frente con alcohol 70% a desengrasar la piel antes de la colocación de los electrodos NIRS.
2. Coloque el electrodo NIRS en la frente justo encima de la ceja y a la derecha del surco sagital medio (locus frontopolar 2) para medir cerebral (= central) la oxigenación tisular.
3. Evaluar la estabilidad de la señal. El -signal _rSO2 debe ser constante (7; 3%) durante al menos 5 min.
4. Para la medición de la oxigenación del tejido periférico con NIRS (-electrodo _tejido NIRS), colocar un electrodo encima de la mitad de los cuadriceps femoris musculus (alternativamente en el antebrazo). No coloque el electrodo por encima de un plexo venoso o una arteria.
5. Coloque ECG-electrodos en el pecho libre de vello. Las derivaciones de ECG están marcados con letras diferentes. Lugar "R" en la cabeza esternocostal del pectoral mayor derecho, "L" en la cabeza esternocostal del pectoral mayor izquierdo, "C" en el quinto medio espacio intercostal de la línea clavicular, "F" en el borde inferior de las costillas izquierda " N "en el borde inferior de las costillas derecha.
6. Medir la oximetría de pulso periférico _(SpO2) en la punta de un dedo en la misma extremidad y el lado donde se coloca el _tejido -electrodo NIRS.
7. Medir la presión arterial no invasiva (PANI) mediante el uso de un manguito de presión arterial. Utilice la extremidad contralateral que permite oxima pulso periféricometría a medir. Con el fin de obtener una alta resolución temporal en los resultados de la presión arterial, elegir un intervalo de un minuto para la medición. Elija PANI tocando la pantalla y seleccionar "configuración".
8. Por lo menos 20 minutos antes de la apnea, establecer una vía intravenosa en la vena cubital medial del brazo derecho o izquierdo para tomar muestras de sangre en puntos de tiempo individuales durante y después de la apnea.
   1. Limpiar la piel con alcohol al 70%.
   2. Use un torniquete para ayudar a las venas se vuelven más prominentes.
   3. Utilice piel desinfección para evitar infecciones e inserte la aguja a través de la piel.
   4. Reducir el ángulo de inserción después de retorno de la sangre al cubo del catéter. Empuje el catéter en la vena.
   5. Retire la aguja y el catéter a nivel con solución salina estéril (NaCl 0,9%).

2. Recolección de Datos

1. Calibrar el reloj interno de todos los monitores con el fin de sincronizar las mediciones para su posterior procesamiento.
   1. click el icono del reloj de abajo a la derecha en el escritorio y pulse "cambio de fecha y hora" en la ventana emergente.
   2. Presione el botón de menú Configuración en la NIRS idear y la fecha y hora de modificación a través del menú.
2. Para almacenar los datos fisiológicos para el análisis fuera de línea, inserte el dispositivo de monitor en la estación de acoplamiento y conectarlo al ordenador mediante el cable de red. Asegúrese de que la dirección IP y la máscara de subred de la estación de acoplamiento es correcto en la configuración de red con el fin de conseguir una conexión. Póngase en contacto con el proveedor del dispositivo con el fin de obtener esta información.
3. Utilice un software específico para el dispositivo monitor para guardar las mediciones en el equipo. Haga clic en "Inicio" para iniciar las grabaciones y guardar los resultados después del final de la medición.
   Nota: En algunos dispositivos, los datos deben ser salvados en vivo durante la medición.
   Nota: Para la solución de problemas a cuidar de los siguientes pasos: Si la variabilidad de los sig _tejido NIRSnales es demasiado alto, re-evaluar la posición del electrodo (evite grande plexo venoso o las arterias directamente debajo de los electrodos). Alta variabilidad de las señales _cerebrales NIRS también puede ser un marcador indirecto de la hiperventilación de buzos para reducir parcial de CO _2. Instruir al sujeto a la respiración más lenta y con menores volúmenes de marea y re-evaluar la señal. Los sujetos se les permite tomar 3 inspiraciones profundas antes de la apnea del final. Evitar incluyendo este período en la evaluación de los valores basales. Los primeros 30 segundos después de una inspiración máxima se caracterizan por valores de las variables. No los use para su análisis.

3. Apnea

1. Tienen los sujetos descansar durante al menos 15 minutos en posición horizontal para evitar los cambios inducidos por estrés en la circulación sanguínea debido a la vasoconstricción. Tienen temas respiran normalmente para evitar influencias de hiperventilación causados ​​vasoconstricción. Limitar la frecuencia de respiración inferiores o iguales a 15 respiraciones / min.
2. Dibuje muestra de sangres para el análisis de línea de base. Desechar los primeros 5 ml de sangre para evitar la incertidumbre de la medición. Enjuague el catéter después de cada extracción de sangre venosa con solución salina estéril para prevenir la coagulación.
3. Asegúrese de que los valores del monitor son invisibles a los sujetos para evitar influencias visuales para su desempeño en apnea.
4. Compruebe cada dispositivo para la funcionalidad y la calidad de la señal. Asegúrese de que los electrodos no pueden ser removidos por movimientos involuntarios de la sujeto de la prueba al final de apnea.
5. Concluir con acuerdos claros. Dar una cuenta regresiva de los últimos 2 minutos verbalmente. Los sujetos deben respirar con normalidad durante este tiempo de preparación. Antes de la respiración 3 inspiraciones profundas finales se admiten. Pedir al paciente que indique la última inhalación por muestra del dedo. Apnea se debe realizar el mayor tiempo posible.
   Nota: El final de la respiración final indica el comienzo de la apnea. El final de la apnea se define como la primera inspiración después de apnea.
6. Marcar eventos importantes (es decir, a partir de unand final de la apnea) electrónicamente para evitar inexactitudes en un análisis más detallado momento pulsando la "Marca Evento botón" en el dispositivo de NIRS.
   Nota: Los movimientos del pecho y el estómago provocado por las actividades involuntarias del diafragma son comunes en la segunda mitad de la apnea e indican la fase de lucha.
7. Extraer muestras de sangre a diferentes puntos de tiempo en función del objetivo del estudio.
8. las muestras de sangre se centrifuga a 1500 xg durante 10 min. Tome el sobrenadante y almacenarlo a -80 ° C para su posterior análisis.

4. Procesamiento de Datos

1. El procesamiento de los datos del dispositivo de monitor:
   1. Abrir el archivo guardado en el ordenador y pulse el botón "Inicio" para analizar los datos.
   2. Haga clic en "crítica" para acceder a la pantalla de tendencia y seleccione "Opciones" y luego "herramientas" en la submáscara MENÚ. intervalo de tiempo se puede cambiar a través de "intervalo de tendencia" si es necesario.
   3. Seleccione la máscara de "tendencias" y SAVmi. Abrir archivo "tendencias" en un programa de hoja de cálculo para su posterior procesamiento.
2. el procesamiento de datos de dispositivo de NIRS:
   1. Abra el software en el ordenador y conectar el dispositivo a través de WIFI NIRS.
   2. La transferencia de los datos desde el dispositivo de NIRS al ordenador.
   3. Guardar los datos en formato CSV.
   4. Abrir el archivo en un programa de hoja de cálculo para su posterior procesamiento.

5. Analizar Valores

1. Crear una hoja de cálculo con ambos conjuntos de datos para comparar los valores. Identificar un intervalo de tiempo de al menos 30 seg donde NIRS valores y SpO ₂ son constantes (± 3%). Tome una media de estos valores para definir un nivel de línea de base.
   Nota: La frecuencia cardíaca se sabe que cambiar considerablemente antes de la apnea. Para llevar a cabo un análisis más detallado, una frecuencia cardíaca basal se define en un punto de tiempo 30 seg después del inicio de la apnea.
2. Encontrar el punto de inicio de la disminución monótona en _rSO2 y _SpO2 Durante la apnea mediante la búsqueda de una disminución de los valores> 2% en comparación con el valor basal-niveles. Este punto de tiempo se define como "empezar de desaturación".
3. Identificar el punto de inicio de _{la rSO2} y SpO ₂ aumento al final de la apnea como un incremento monotónico de valores después de la terminación de la apnea. Este punto se define como "comenzar de re-saturación".
4. Se calcula la diferencia de tiempo entre "inicio de la apnea" y "empezar de desaturación" y las diferencias de tiempo entre "final de la apnea" y "comenzar de re-saturación" para NIRS _{cerebral, el tejido} NIRS y SpO _2. Guarde cada diferencia en segundos en una hoja separada.
5. Opcional: Calcular variabilidad del ritmo cardíaco de cada participante durante el segundo y el último minuto de la apnea. Esto puede revelar información sobre el equilibrio simpático / parasimpático durante esta fase estresante.

6. Tratamiento estadístico

1. Comparar las diferencias de tiempo entre "inicio de desaturación" valores máximos en _tejidos NIRS de SpO _{2, cerebral} NIRS, y. Prueba de distribución gaussiana de las diferencias de medición (por ejemplo, mediante la prueba de normalidad de Shapiro-Wilk para tamaños de muestra más pequeño que 50).
2. Si la distribución de las diferencias de medición es significativamente diferente de la distribución normal, utilizar test de Wilcoxon. Si la distribución normal, se puede suponer, considere el uso de la prueba t pareada.

Resultados

La Figura 1 muestra registros simultáneos de SpO ₂ y los valores NIRS _{(tejido cerebral} y NIRS NIRS) durante la apnea en un paciente. El tiempo total de la apnea era 363 seg. Después de la apnea del NIRS y valores de SpO ₂ se mantuvieron estables durante aproximadamente 140 segundos. Se detectó una disminución de la SpO ₂ después _de 204 segundos de SpO ₂ periférica mientras que se detectó ...

Discusión

El tiempo total de apnea es causada principalmente por el tamaño de pulmón y el consumo de oxígeno por minuto y la influencia de la capacidad de un individuo para resistir el reflejo de respiración causado por el aumento de pCO ₂ o la disminución de pO _2. buceadores de apnea están capacitados para maximizar su duración de aguantar la respiración y se utilizan para hacerlo en inspiración máxima. Por lo tanto, el tiempo hasta que la hipoxia es diferente detectables entre los individuos y de...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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