Um modelo para simular hipóxia clinicamente relevantes em humanos

Resumo

simulação de hipoxia em seres humanos tem sido geralmente realizada por inalação de misturas de gases hipóxicas. Para este estudo, os mergulhadores apneic foram usadas para simular hipoxia dinâmica em seres humanos. Além disso, as mudanças fisiológicas em dessaturação e re-saturação cinética foram avaliados com ferramentas não-invasivas, como a Near-Infrared-Spectroscopy (NIRS) e saturação de oxigenação periférica _(SpO2).

Resumo

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.

Introdução

hipóxia aguda clinicamente relevante e hipercapnia concomitante é visto principalmente em pacientes com síndrome da apneia obstrutiva do sono (SAOS), obstrução das vias respiratórias aguda ou durante a ressuscitação cardiopulmonar. As principais limitações do domínio da SAOS e outras condições hipoxêmicas incluem o conhecimento limitado transferível sobre a fisiopatologia derivada de estudos em animais e humanos que os modelos são inexistentes ^1. Para imitar a hipoxia em seres humanos, as misturas de gases hipóxicas têm até agora sido utilizados ^2-7. No entanto, estas condições são mais representativos de um ambiente de alta altitude do que de situações clínicas em que a hipóxia, em geral, é acompanhado por hipercapnia. Para monitorar a oxigenação dos tecidos durante a parada cardíaca e ressuscitação, estudos com animais foram realizados ^{de 8} a investigar os mecanismos compensatórios fisiológicas.

mergulhadores apnéia são atletas saudáveis, capazes de pressionar o impulso de respiraçãoque é evocada pela baixa saturação arterial de oxigênio ⁹ e um aumento da _pCO2 ^10,11. Nós investigamos os mergulhadores de apnéia, a fim de imitar situações clínicas de hipóxia aguda e hipercapnia concomitante ^12. Este modelo pode ser utilizado para avaliar configurações clínicos, melhorar o entendimento fisiopatológico de pacientes com SAOS ou distúrbios respiratórios patológicos, e revelar novas possibilidades para o estudo de um potencial mecanismo de contagem de equilíbrio em casos de apneia. Além disso, diferentes técnicas para detectar hipoxia nos seres humanos podem ser testadas quanto à sua viabilidade e a precisão no caso de hipoxia dinâmica que está presente em situações de emergência (por exemplo, obstruções das vias respiratórias, laringospasmo ou não pode entubar, não pode ventilar situações) ou para simular hipóxia intermitente em pacientes com SAOS.

técnicas não invasivas para detectar hipoxia em seres humanos são limitados. Periférica oximetria de pulso _(SpO2) é uma ferramenta aprovada em pré-hospiTal e ambientes hospitalares para detectar a hipóxia ^13. O método é baseado na absorção de luz de hemoglobina. No entanto, a medição de SpO ₂ está limitado a oxigenação arterial periférica e não pode ser utilizado em casos de actividade sem pulso eléctrico (PEA) ou centralizado circulação mínima ^14. Em contraste, Near-Infrared Spectroscopy pode ser usado para avaliar a saturação de oxigénio no tecido cerebral (OSR ₂₎ em tempo real durante a PEA, durante o choque hemorrágico ou após hemorragia subaracnóide ^15-19. A sua utilização está em constante crescimento ²⁰ e estudos metodológicos têm revelado uma correlação positiva entre SpO ₂ e RSO ₂ ^3,4.

No presente estudo, nós fornecemos um modelo para simular a hipóxia clinicamente relevante em seres humanos e apresentam um método passo-a-passo para comparar oximetria de pulso periférica e no caso de NIRS mento e re-saturação. Ao analisar os dados fisiológicos no caso de umPNEA, a nossa compreensão dos mecanismos de equilibragem de contador pode ser melhorado.

Protocolo

Declaração de ética
Todos os procedimentos realizados em estudos envolvendo participantes humanos estavam de acordo com os padrões éticos da Declaração de Helsínquia de 1964 e suas alterações posteriores. O projeto deste estudo foi aprovado pelo comitê de ética local do Hospital da Universidade de Bonn, na Alemanha.

NOTA: Certifique-se de que os sujeitos estão em boa e saudável condição, livre de qualquer medicamento anti-hipertensivo e pelo menos 24 horas livre de agentes de catecolaminas induzindo como a cafeína ou substâncias iguais.

1. Preparação do Teste Assunto

1. Limpar a pele da testa com álcool a 70% para desengordurar a pele antes do posicionamento do eléctrodo NIRS.
2. Coloque o eletrodo NIRS na testa logo acima da sobrancelha e à direita do sulco sagital médio (lócus frontopolar 2) para medir cerebral (= central) oxigenação dos tecidos.
3. Avaliar a estabilidade do sinal. O -signal RSO ₂ deve ser constante (7; 3%) durante pelo menos 5 min.
4. Para medir a oxigenação dos tecidos periféricos com NIRS (-electrode _tecido NIRS), coloque um eletrodo acima da média do quadríceps femoral musculus (alternativamente no antebraço). Não coloque o eletrodo acima de um plexo venoso ou uma artéria.
5. Coloque ECG-eletrodos no peito livre de cabelo. As derivações são marcados com letras diferentes. Place "R" na cabeça sternocostal de peitoral maior direito, "L" na cabeça sternocostal de peitoral maior esquerdo, "C" no quinto meio espaço intercostal da linha medioclavicular, "F" na borda costela inferior esquerdo, " N "na borda costela inferior direito.
6. Medir a oximetria de pulso periférica (SpO ₂₎ sobre a ponta do dedo na mesma extremidade e lado onde o _tecido -electrode NIRS é colocado.
7. Medir a pressão arterial não invasiva (PNI) utilizando um manguito de pressão arterial. Use a extremidade contralateral que permite oxim pulso periféricoetry a ser medido. A fim de obter um elevado tempo de resolução no resultado de pressão arterial, escolher um intervalo de um minuto para a medição. Escolha NIBP tocando na tela e selecionar "Configurações".
8. Pelo menos 20 min antes da apneia, estabelecer uma linha intravenosa na veia cubital medial do braço direito ou esquerdo para desenhar amostras de sangue em pontos de tempo individuais durante e após a apnéia.
   1. Limpe a pele com álcool a 70%.
   2. Use um torniquete para ajudar as veias se tornam mais proeminentes.
   3. Use pele desinfecção para evitar infecções e inserir a agulha através da pele.
   4. Reduzir o ângulo de inserção depois de flashback de sangue no centro do cateter. Empurrar o cateter na veia.
   5. Retirar a agulha do cateter e nivelada com solução salina estéril (NaCl a 0,9%).

2. Coleta de Dados

1. Calibrar o relógio interno de todos os monitores, a fim de sincronizar as medições para posterior processamento.
   1. Click no ícone de relógio inferior direito na área de trabalho, e toque em "Data e Hora" na janela pop-up.
   2. Pressione o botão do menu Configurações no NIRS conceber e data e hora de modificação através do menu.
2. Para armazenar dados fisiológicos para análise off-line, inserir o dispositivo monitor na estação de acoplamento e conecte-o ao computador através do cabo de rede. Certifique-se de que o endereço IP ea máscara de sub-rede da estação de acoplamento está correto nas configurações de rede, a fim de obter uma ligação. Contacte o fornecedor do dispositivo, a fim de obter essa informação.
3. Use um software específico de dispositivo monitor para salvar as medições no computador. O clique "iniciar" para começar a gravação e gravar os resultados após o fim da medição.
   Nota: Em alguns dispositivos, os dados devem ser salvos ao vivo durante a medição.
   Nota: Para a resolução de problemas cuidar das seguintes etapas: Se a variabilidade da NIRS sig _tecidonais é muito alto, re-avaliar a posição do eletrodo (evitar maior plexo venoso ou artérias diretamente sob os eletrodos). A alta variabilidade de sinais _cerebrais NIRS também pode ser um marcador indireto para a hiperventilação de mergulhadores para reduzir CO ₂ parcial. Instruir o sujeito a respiração mais lenta e com menores de maré-volumes e re-avaliar o sinal. Os indivíduos estão autorizados a tomar 3 inspirações profundas antes de apneia final. Evite incluir este período para a avaliação dos valores basais. Os primeiros 30 segundos após inspiração máxima são caracterizados por valores variáveis. Não usá-los para análise.

3. Apnea

1. Têm os assuntos descansar por pelo menos 15 min em posição deitada para evitar mudanças induzidas estresse na circulação sanguínea devido à vasoconstrição. Têm temas respirar normalmente para evitar influências de hiperventilação causada vasoconstrição. Limitar a freqüência respiratória para ≤ 15 respirações / min.
2. Desenhe amostra de sangues para análise de base. Rejeitar os primeiros 5 ml de sangue retirado para evitar a incerteza de medição. Lave o cateter depois de cada coleta de sangue venoso com solução salina estéril para evitar a coagulação.
3. Certifique-se de que os valores do monitor são invisíveis aos indivíduos para evitar influências visuais para o seu desempenho apnéia.
4. Verifique cada dispositivo para a funcionalidade e qualidade do sinal. Certifique-se de que os eléctrodos não pode ser removido por movimentos involuntários do sujeito de teste no fim de apneia.
5. Concluir com acordos claros. Dê uma contagem regressiva do último 2 min verbalmente. Os indivíduos devem respirar normalmente durante este tempo de preparação. Antes das finais respiração 3 inspirações profundas são permitidos. Peça ao sujeito para indicar a última inalação pelo sinal do dedo. Apneia deve ser realizado tanto tempo quanto possível.
   Nota: O fim da respiração final indica o início de apneia. A fim de apneia é definida como a primeira inspiração depois de apneia.
6. Marcar eventos importantes (ou seja, a partir de umnd final de apneia) eletronicamente para evitar imprecisões na análise posterior tempo pressionando a tecla "Mark Evento Botão" no dispositivo NIRS.
   Nota: Os movimentos do peito e no estômago induzida por atividades diafragma involuntários são comuns na segunda metade de apneia e indicam a fase de luta.
7. Desenhar amostras de sangue em diferentes pontos de tempo, dependendo do objectivo do estudo.
8. amostras de sangue centrífuga a 1.500 g durante 10 min. Leve o sobrenadante e armazená-lo a -80 ° C para análise futura.

4. Processamento de Dados

1. Processamento de dados do dispositivo do monitor:
   1. Abra o arquivo salvo no computador e pressione "start" para analisar os dados.
   2. Clique em "avaliação" para obter acesso ao monitor tendência e selecione "Opções" e depois "Ferramentas" no submask MENU. intervalo de tempo pode ser alterado através de "intervalo de tendência", se necessário.
   3. Seleccione a máscara de "tendências" e save. arquivos abertos "tendências" em um programa de planilha para posterior processamento.
2. processamento de dados a partir do dispositivo NIRS:
   1. Abra o software no computador e conectar o dispositivo NIRS via WIFI.
   2. Transferir os dados a partir do dispositivo de NIRS para o computador.
   3. Salve os dados no formato CSV.
   4. arquivo aberto em um programa de planilha para posterior processamento.

5. analisar os valores

1. Crie uma planilha com os dois conjuntos de dados para comparar os valores. Identificar um intervalo de tempo de pelo menos 30 seg onde NIRS valores e a SpO ₂ são constantes (± 3%). Tome uma média destes valores para definir um nível de linha de base.
   Nota: A frequência cardíaca é conhecido por mudar consideravelmente antes da apneia. A fim de realizar uma análise mais aprofundada, uma frequência cardíaca de base é definido em um ponto de tempo de 30 segundos após o início da apneia.
2. Localizar o ponto de início da diminuição monotônica na RSO ₂ e SpO ₂ Durante a apnéia, procurando por uma diminuição dos valores> 2% em relação ao basal-níveis. Este ponto de tempo é definido como "começar de dessaturação".
3. Identificar o ponto de início da RSO ₂ e SpO ₂ aumento no final da apneia como um aumento contínuo dos valores após o término da apnéia. Este ponto é definido como "começar de re-saturação".
4. Calcular a diferença de tempo entre o "início de apneia" e "começar de dessaturação" e as diferenças de tempo entre o "fim da apnéia" e "começar de re-saturação" para NIRS _{cerebral, tecido} NIRS e SpO _2. Salve cada diferença de segundos em uma planilha separada.
5. Opcional: Calcule variabilidade da frequência cardíaca de cada participante durante o segundo e último minuto de apneia. Isso pode revelar informações sobre o balanço simpático / parassimpático durante esta fase estressante.

6. Processamento de Estatística

1. Compare as diferenças de tempo entre o "início de dessaturação" de _SpO2, NIRS _cerebral, e os valores _{de tecido} NIRS. Teste para distribuição de Gauss das diferenças de medição (por exemplo, usando o teste de normalidade de Shapiro-Wilk para amostras de tamanho menor do que 50).
2. Se a distribuição das diferenças de medição é significativamente diferente da distribuição normal, utilizar teste de Wilcoxon. Se a distribuição normal pode ser assumida, considerar o uso de teste t pareado.

Resultados

Figura 1 mostra gravações simultâneas de _SpO2 e valores NIRS _{(tecido cerebral} e NIRS NIRS) durante a apnéia em um paciente. O tempo total de apneia foi 363 sec. Seguindo apnéia NIRS e _SpO2 valores permaneceram estáveis por aproximadamente 140 segundos. A diminuição da SpO ₂ foi detectada após 204 segundos por periférica _SpO2 passo que foi detectada uma diminuição de NIRS _cerebral ap?...

Discussão

O tempo total de apnéia é causada principalmente pelo tamanho do pulmão e do consumo de oxigênio por minuto e influenciada pela capacidade de um indivíduo para suportar o reflexo respiratório causada pelo aumento da _pCO2 ou diminuindo pO _2. mergulhadores de apneia são treinados para maximizar a sua duração de apneia e são usados ​​para fazê-lo na inspiração máxima. Portanto, o tempo até a hipóxia é diferente detectáveis ​​entre as pessoas e depende do estado condição e t...

Materiais

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