渐进性引导呼吸对血氧饱和度的影响

【作 者】 韩宁，王民，王剑，张政波，王步青，柴晓珂

1 解放军总医院医学工程与维修中心，北京市，100853

2 中国医科大学生物医学工程系，北京市，110000

3 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京市，100091

渐进性引导呼吸对血氧饱和度的影响

【作 者】 韩宁1，王民2，王剑1，张政波1，王步青1，柴晓珂3

1 解放军总医院医学工程与维修中心，北京市，100853

2 中国医科大学生物医学工程系，北京市，110000

3 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京市，100091

节律性的深—慢呼吸运动能对心血管系统产生有益的调节作用，该文研究了渐进性引导呼吸运动对血氧饱和度（SpO2）的影响。实验对象分为低氧常压组（模拟高原4 500 m低氧环境，8人）和常氧常压组（实验室环境，49人）。分别进行呼吸频率由高到低渐进性变化的引导呼吸运动，记录每一个受试者的SpO2和心率。实验结果表明，在低氧情况下，渐进性引导呼吸能够显著提高受试者的SpO2水平（从90%提高到95%，P＜0.01），即使在常氧常压SpO2变化不大（SpO2＞95%）的情况下，引导呼吸也能提高SpO2水平（P＜0.01）。两个实验组的平均心率在渐进性引导呼吸过程中都呈下降趋势。研究表明，渐进性引导呼吸技术可以作为调节SpO2的一个手段，在低氧环境下通过调节自身呼吸运动能够有效提高SpO2水平。

血氧饱和度；渐进性引导呼吸；低氧；心率

0 引言

呼吸运动也称气体交换或呼吸，是机体同外界环境进行气体交换的整个过程。人在各种不同条件下其呼吸型式不同，以肋骨运动为主者称为“胸式呼吸”，以膈和腹壁肌运动为主者称为“腹式呼吸”。通过特定的呼吸运动，尤其是腹式呼吸，可以改善呼吸功能，促进血液循环，调节身心状态[1]。现代医学研究表明，节律性的深—慢呼吸运动能够对心血管系统产生有益的调节作用，如增加心率变异性、降低外周循环阻力和降低血压[2-3]，及增加慢性心衰病人、慢性阻塞性肺病患者、以及头颈外科手术患者术后动脉血氧饱和度(SpO2)等[4-6]。课题组为研究呼吸与心血管系统间的交互作用，发展了交互式呼吸引导技术[7]，并分析了渐进性引导呼吸过程中的血压、心率变异性、脉搏波传导时间等参数的变化[8-10]，本文在先期研究的基础上，观察了渐进性引导呼吸对健康成年人SpO2的影响。

SpO2是血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比，它是呼吸循环的重要生理参数。一般人SpO2正常应不低于94%，在94%以下为供氧不足。高原或者低氧环境会导致SpO2下降[11-12]，某些疾病，如慢性心衰、慢性阻塞性肺疾病，以及麻醉和手术过程中也会出现SpO2下降现象[13]。如果能够通过特定的呼吸运动模式，在某些特殊生理（如高原低氧应激）或病理状态（如疾病）下提高SpO2水平，则能为机体适应环境或者改善机体健康状态提供有益的帮助。本文分别研究了低氧常压（模拟海拔4 500 m高原氧含量）和常氧常压两种状态下，渐进性引导呼吸（14次/分—12.5次/分—11次/分—9.5次/分—8次/分—7次/分，每个呼吸阶段持续3 min）对SpO2的作用。相比于单一频率的深呼吸运动，渐进性引导呼吸运动能够发现SpO2变化与呼吸频率间的作用关系，实验结论有望能更好地指导呼吸调节运动的相关应用。

1 对象和方法

1.1 实验对象

本文的研究对象为健康成年人，无既往心血管和呼吸系统疾病病史，实验前都签署了知情同意书。实验要求每名受试者实验前48 h内避免喝酒或者咖啡类饮料，实验前0.5 h保证无剧烈运动，尽量保持放松状态。

1.2 实验方法

本研究所采用的渐进性引导呼吸是一种呼吸率由快到慢的呼吸运动模式，呼吸率依次为14次/分—12.5次/分—11次/分—9.5次/分—8次/分—7次/分，每个阶段持续3 min，吸呼比为1:2，整个过程无间断[7-9]。实验开始前每一个受试者有10 min安静时间，并熟悉整个呼吸引导过程。为便于与自主呼吸状态下的SpO2和心率（HR）作比较，在渐进性引导呼吸之前有一个3 min的自主呼吸过程。引导呼吸通过音乐来实现，音乐模板中有两个不同的音调，对应着吸气和呼气时刻，受试者听到相应的音调后分别做吸气和呼气动作，跟随听到的引导音乐进行渐进性低频节律性呼吸运动。整个实验过程中记录SpO2、HR和呼吸等数据用于后续分析。

实验数据在低氧常压和常氧常压两种不同的氧分压状态下收集。

低氧常压组：受试对象为8人，实验环境为空军航空医学研究所低氧实验室，在模拟高原的常压低氧仓内下进行[14-15]。为模拟海拔4 500 m高原氧含量，在低氧常压仓内注入氮气，使空气中氧含量达到13.75%。8名受试者在渐进性引导呼吸实验前已参加过低氧训练15 d，已经基本适应了低氧环境。实验设备为Masimo Radical-7脉搏血氧仪，用于测量SpO2和HR，以及穿戴式心电和呼吸监测系统[16-17]，用于测量呼吸运动。

常氧常压组：受试对象为48人，在室内常压正常氧含量环境下进行。实验设备为Biopac MP150多通道生理参数记录仪，可同步采集记录心电、呼吸、脉搏、SpO2等参数。

2 数据处理

2.1 数据预处理

本研究涉及的生理参数为SpO2和HR，由于Masimo Radical-7脉搏血氧仪以及Biopac MP150多通道生理参数记录仪都能够实时记录逐跳的SpO2和HR值，本研究直接使用Masimo Radical-7和Biopac MP150记录的SpO2和HR数值做分析。由于实验过程包括一段自主呼吸和6段不同呼吸率的引导呼吸，我们根据实际记录的呼吸波形和实际时间长度对连续记录的SpO2和HR数据做了分段，对每一个受试者分别求每一段的平均SpO2和平均HR，用于后续统计分析。

2.2 统计分析

本文采用配对t检验对不同呼吸率下的SpO2和HR进行统计检验，数据以均值±方差的形式呈现。统计分析在SPSS 19.0中实现，P＜0.01表明差异有统计学意义。

3 结果

低氧常压组和常氧常压组的SpO2和HR统计结果见表1。

表1 低氧常压组和常氧常压组的SpO2和HR统计结果Tab.1 Statistical analysis results: SpO2and HR in the normobaric hypoxia and normoxia normobaric group

从表1可以看出，对于低氧常压组的受试者，引导呼吸过程能够提高SpO2水平，使其由90%逐渐提高到最高值约95%（对应8次/分的呼吸节律），自主呼吸和8次/分呼吸状态下的SpO2存在显著性差异（P＜0.01）。渐进性引导呼吸过程中，HR呈逐渐下降的趋势。对于常氧常压组，由于SpO2本身即在较高的正常水平，渐进性引导呼吸过程中SpO2变化不大，HR也是呈逐渐下降趋势。对比自主呼吸和SpO2最大值对应的呼吸状态（12.5次/分），SpO2即使在变化不大的情况下仍存在显著性差异（P＜0.01）。低氧常压环境下渐进性引导呼吸过程中的平均SpO2和HR变化情况如图1所示。图2显示了低氧常压组的每一位受试者渐进性引导呼吸过程中的平均SpO2变化。从图1和图2可以看出，在低氧环境下，渐进性引导呼吸这个过程能够逐渐提高SpO2水平。从整体SpO2的变化趋势看，在8次/分的呼吸节律下，SpO2达到最大值，从个体而言，个别人SpO2水平在引导呼吸过程中出现振荡，达到最大值的呼吸节律也有所不同。总体上呈现的规律是当引导呼吸率进一步降低到7次/分的水平时，SpO2水平有不同程度的下降。

图1 低氧常压组渐进性引导呼吸过程中SpO2和HR变化Fig.1 Variation of SpO2and HR during a step-wise paced breathing procedure in the normobaric hypoxia group

4 讨论

本文研究了渐进性引导呼吸过程的SpO2变化情况，相比于我们之前研究过的其他生理参数如HR、血压、脉搏波传导时间等，健康人在正常氧分压情况下SpO2的水平都很高，变异性小。我们实验也验证了在常压情况下节律性深—慢呼吸对平均SpO2和平均HR的作用不大。但是在模拟高原环境的低氧状态下，节律性的深—慢呼吸能够起到明显改善SpO2的作用，受试者的平均SpO2由低于90%上升到约95%。

已经开展的一些研究证明深呼吸运动能够改善高原环境下SpO2水平[12]，临床上深呼吸运动也被用来改善麻醉给药患者（如无痛胃镜检查）和其他慢病患者的低氧血症[18,19]。目前所采用的深呼吸运动频率多在0.1 Hz，即6次/分，也就是通常所谓的心血管共振频率[20]。但从低氧组渐进性引导呼吸过程的SpO2变化看，呼吸率低到7次/分时，SpO2反而出现下降现象，因此6次/分的呼吸节律未必是最优的提高SpO2水平的节律。

图2 低氧常压组8位受试者渐进性引导呼吸过程的平均SpO2变化Fig.2 Changes in the average SpO2of 8 subjects in the normobaric hypoxia group

渐进性引导呼吸实验为观察SpO2水平的变化提供了一个窗口，从8个人受试者的数据来看，对提高低氧状态下的SpO2水平，8次/分或者9次/分的呼吸节律是一个比较理想的呼吸运动节律，而且最优引导节律应该是个体化的。由于实验条件限制，本实验的受试对象仅为8人，因此对相关规律的验证还需收集一定样本量的数据。病理情况下如慢性阻塞性肺疾病或者慢性心衰，渐进性引导呼吸过程中的SpO2变化规律也需进一步验证。

由于我们同步采集了血氧脉搏波和呼吸运动曲线，我们也观察了渐进性引导呼吸过程中呼吸运动对脉搏波幅度的调制作用。可以看出，随着呼吸率的降低，呼吸运动对容积脉搏波的幅度调制作用越来越强，从脉搏波的包络上能够明显看出呼吸运动成分。我们之前的文章研究了渐进性引导呼吸对脉搏波传导时间的作用，脉搏波传导时间的幅度也表现出受呼吸运动调制的特性[10]。引导呼吸过程中的容积脉搏波幅度变化与脉搏波传导时间变化的产生机制应该是相同的，主要都是来自呼吸运动引起的胸内压变化，这也是为什么能够从脉搏波中提取呼吸运动信号的原因[21]。

5 结论

节律性的深—慢呼吸无论在低氧还是常氧环境下都能够对SpO2起到调节作用，在模拟海拔4 500 m高原低氧环境下，通过节律性深—慢呼吸运动可以显著提高SpO2水平。平均HR无论在低氧还是常氧环境下，在渐进性引导呼吸过程中都呈下降趋势。渐进性引导呼吸技术可以作为调节SpO2的一个手段，在低氧环境下通过调节自身呼吸运动能够有效提高SpO2水平。低氧环境下渐进性引导呼吸过程中SpO2水平变化呈呼吸节律依赖特性，就目前低氧组数据看，8次/分的节律性呼吸能够达到SpO2最高水平。后续有待进一步收集低氧情况下以及病理状态下渐进性引导呼吸过程的SpO2变化数据，进一步验证和发现相关规律。

[1] 刘官正, 朱青松, 郭彦伟, 等. 呼吸反馈的研究进展[J]. 中国生物医学工程学报, 2011, 30(4): 620-626.

[2] Grossman E, Grossman A, Schein M H, et al. Breathing-control lowers blood pressure[J]. J Human Hypertension, 2001, 15(4): 263-269.

[3] Joseph C N, Porta C, Casucci G, et al. Slow breathing improves arterial baroreflex sensitivity and decreases blood pressure in essential hypertension[J]. Hypertension, 2005, 46(4):714-718.

[4] Bernardi L, Spadacini G, Bellwon J, et al. Effect of breathing rate on oxygen saturation and exercise performance in chronic heart failure[J]. Lancet, 1998,351(9112): 1308-1311.

[5] Vitacca M, Clini E, Bianchi L, et al. Acute effects of deep diaphragmatic breathing in COPD patients with chronic respiratory insufficiency[J]. Europ Respirat J, 1998, 11(2):408-415.

[6] Genc A, Ikiz A O, Güneri E A, et al. Effect of deep breathing exercises on oxygenation after major head and neck surgery[J]. Otolaryngol Head Neck Surg, 2008, 139(2): 281-285.

[7] 张政波, 王卫东, 李开元, 等. 交互式呼吸引导技术[J]. 中国医疗器械杂志, 2008, 32(2): 86-88.

[8] 张政波，王步青, 柴晓珂, 等. 渐进性引导呼吸下的心血管变异性分析[J]. 电子科技大学学报, 2014, 43(6): 934-938.

[9] 王步青, 张政波, 王卫东. 引导呼吸下的呼吸性窦性心律不齐的研究[J]. 生物医学工程学杂志, 2012, 29(1): 45-50, 69.

[10] 柴晓珂, 王步青, 张政波, 等. 渐进性引导呼吸下的脉搏波传导时间变异性分析[J]. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(6): 1325-1341. [11] 杨军, 俞梦孙, 曹征涛, 等. 间歇性递增式常压低氧暴露训练对高原习服效果的研究[J]. 中华航空航天医学杂志, 2012, 23(3):161-164.

[12] Bilo G, Revera M, Bussotti M, et al. Effects of Slow Deep Breathing at High Altitude on Oxygen Saturation, Pulmonary and Systemic Hemodynamics[J]. Plos One, 2012, 7(11):5225-5235.

[13] 马黎阳, 吴艳琴, 熊俊成. 深呼吸预处理对无痛胃镜检查中脉搏血氧饱和度的影响[J]. 实用医学杂志, 2010, 26(5): 786-787.

[14] 吴锋, 罗永昌, 王彬华, 等. 一种新型常压低氧舱的研制[J]. 医疗卫生装备, 2013, (10): 1-3.

[15] 王偲宇, 俞梦孙, 王彬华, 等. 基于模糊自适应算法的低氧舱控制系统设计[J]. 北京生物医学工程, 2014, (4): 397-402.

[16] 张政波, 俞梦孙, 李若新, 等. 背心式呼吸感应体积描记系统设计[J]. 航天医学与医学工程, 2006, 19(5): 377-381.

[17] Zhang Z, Zheng J, Wu H, et al. Development of a respiratory inductive plethysmography module supporting multiple sensors for wearable systems[J]. Sensors, 2012, 12(10): 13167-13184.

[18] 詹峰. 麻醉给药前深呼吸对无痛胃镜检查患者低氧血症的预防作[J]. 临床医学工程, 2012, (11): 1947-1948.

[19] 顾艳荭, 王晓莉, 绳宇, 等. 老年肺肿瘤患者术后综合呼吸功能训练的康复效果[J]. 解放军护理杂志, 2008, (22): 15-26.

[20] Lehrer P M, Vaschillo E, Vaschillo B. Resonant frequency biofeedback training to increase cardiac variability: rationale and manual for training[J]. Appl Psychophys Biofeedback, 2000, 25(3): 177-191.

[21] Nilsson L M. Respiration signals from photoplethysmography.[J]. Anesth Analg, 2013, 117(4): 859-865.

Variation of SpO2during a Step-wise Paced Breathing Procedure

【Writers】HAN Ning1, WANG Min2, WANG Jian1, ZHANG Zhengbo1, WANG Buqing1, CHAI Xiaoke3
1 The Medical Engineering and Maintenance Center, Chinese PLA General Hospital, Beijing, 100853
2 Department of Biomedical Engineering, China Medical University, Beijing, 110000
3 College of Biological and Medical Engineering, BUAA, Beijing, 100091

Rhythmic respiratory movement in a deep and slow pattern can be beneficial to cardiovascular system, this paper investigates the effect of step-wise paced breathing procedure on blood oxygen saturation (SpO2). Experiment objects were divided into two groups, the normobaric hypoxia (simulated altitude of 4 500 meters hypoxia environment, 8 persons), normoxia and normobaric group (laboratory environment, 49 persons). The respiratory movements were performed by a high-to-low progressive change in two groups respectively. During the experiment, each object's blood oxygen saturation and heart rate were recorded. Results showed that progressive guided breathing could significantly increase the subjects' blood oxygen saturation level from 90% to 95% under the hypoxic condition. Even under the normobaric and normoxic condition, progressive guided breathing with stable blood oxygen saturation level can also enhance the blood oxygen saturation level. In both groups, mean heart rate declined in the progressive guided breathing. The research showed that the step-wise paced breathing technique could regulate the blood oxygen saturation and effectively improve the level of blood oxygen saturation by adjusting the respiratory motion in the low oxygen environment.

SpO2, step-wise paced breathing, hypoxia, heart rate

R318

A

1671-7104(2017)01-0001-04

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.001

2016-05-19

国家自然科学基金面上项目资助（61471398）；国家科技支撑计划课题资助项目（2013BAI03B05）

韩宁，E-mail：hanning301@163.com

张政波，E-mail: zhengbozhang@126.com