基于光纤精准分析呼吸气体的临床应用

袁侨英 喻金龙 周 琪 石 霞 陈丽君 熊 玮

每个人呼气成分的构成独一无二并且稳定，其具有重要的生理意义。但迄今为止，对于人体不同病理生理状态下实时检测呼吸气体成分、浓度等呼吸代谢指标的个体化精确测定评估仍不能实现，对于更多的呼吸气体成份分析也没有更好的获取[1-3]。对于不同性别患者的呼吸代谢测定和差别研究更少。本实验研究利用气体传感器的高灵敏度、高鉴别性和快的响应速度特性，将其用于使用呼吸机患者的呼吸气体检测分析中，旨在帮助不同性别重症患者针对性的制定诊治方案、设定最优的呼吸机参数，并进一步探讨无创测定呼吸气体的新技术[4-5]。

对象与方法

一、研究对象

回顾性分析2016年12月至2018年12月，入住第陆军军医大学第一附属医院(西南医院)ICU病房、进行传感器测定呼吸气体的患者资料。将符合纳入标准的患者按性别分为2组：A组为男性患者82例，平均年龄为(64.88±14.99)岁，B组为女性患者38例，平均年龄为(62.58±17.74)岁。男女患者比较体重有统计学差异，但是呼吸频率和体重指数(BMI)无差异。入选标准: ①血流动力学稳定，生命体征平稳；②使用呼吸机支持呼吸的患者，吸氧浓度<60%；排除标准：①血流动力学不稳定，需调整血管活性药物用量；②呼吸机参数不稳定，需调整呼吸机参数，或吸氧浓度>60%。

二、研究方法

1. 代谢车直接测定能量消耗(间接测热法)： 采用意大利公司生产的COSMED代谢车的气体分析器测定呼吸代谢参数，气体分析基于涡轮传感器及氧传感器，采样量少、分析速度快、重复性好，稳定、精确度高，不受温度、湿度、气压等环境因素的影响。

2. 测定方法： 机械通气患者需与呼吸机管道直接连通测定呼吸参数；气管切开患者采用面罩模式，直接连接气管导管，同时将球囊充气，保证气体交换全部通过气管导管进行。测试在监护室的层流病房内进行，室温25 ℃。患者取平卧位，测试前2 h避免各种疼痛刺激和有创性操作，测定时间为上午08:00至12:00。测试前对代谢车进行空气定标和流量传感器校准，测定15～20 min，取平均值。

3. 检测指标： 分析通气量(ventilation, VE)、平均氧气浓度FeO2、摄氧量(oxygen uptake, VO2)、潮气量V、分钟通气量VE、CO2产量VCO2、平均CO2分压CO2exp，平均氧分压O2exp，氧通气当量VE/VO2，CO2通气当量VE/VCO2每公斤摄氧量，VO2/kg、呼吸商R、平均呼出CO2量：FeCO2，平均呼出O2量FeO2等指标。其中VO2指测试过程中吸入气体中O2的含量，呼出二氧化碳(VCO2)指机体基础代谢后呼出气体经过感应探头的CO2含量，可以反映体内的代谢状况。R呼吸商是生物体在同一时间内，释放二氧化碳与吸收氧气的体积之比或摩尔数之比，即指呼吸作用所释放的CO2和吸收的O2的分子比，作为判断呼吸底物类型和供氧情况。氧通气当量(VE/VO2)涉及VE和VO2两个参数。平均呼出氧气量：静息状态下，平均每分钟呼出气体中氧气含量。平均呼出二氧化碳量：静息状态下，平均每分钟呼出气体中二氧化碳含量。平均吸入氧气量：静息状态下，平均每分钟吸入气体中氧气含量。平均吸入二氧化碳量：静息状态下，平均每分钟吸入气体中二氧化碳含量。

三、统计学方法

结 果

一、两组患者VO2、O2exp、VCO2、CO2exp比较

A组和B组患者VO2分别为(161±38)vs.(142±29)；O2exp分别为(118±53)vs.(86±39)，男性患者明显高于女性患者(P<0.05)。A组和B组患者CO2产量VCO2分别为(192±52)vs.(181±49)，CO2exp分别为(13.08±4.65)vs.(11.60±3.77)，比较无统计学差异(P>0.05)，见图1。

图1 2组患者摄氧量及平均O2分压比较，*P<0.05

二、两组患者VE/VO2、VE/VCO2比较

A组和B组患者氧通气当量(VE/VO2)分别为 (47.56±17.45)vs.(28.98±12.12)；二氧化碳通气当量VE/VCO2分别为(41.01±23.47)vs.(35.4±6.36)，见图2；呼吸商R分别为 (1.24±0.29)vs.(1.28±0.24)；每公斤摄氧量VO2/kg分别为 (2.64±0.56)vs.(2.69±0.62)。

图2 2组间氧通气当量、二氧化碳通气当量比较，*P<0.05

三、两组FeO2、VT、分钟通气量VE

A组和B组患者平均呼出O2量FeO2分别为(33.98±10.71)vs.(29.26±11.12)，见图3；平均呼出CO2量FeCO2分别为(3.78±0.79)vs.(3.92±0.61)；潮气量VT分别为(0.34±0.09)vs.(0.30±0.09)。分钟通气量VE (6.32±2.12)vs.(7.01±2.30)两组间比较无差别(P>0.05)。

图3 2组间平均呼出O2量比较，*P<0.05

讨 论

呼吸贯穿人体生命的始终，深入研究呼吸气体代谢的特点和内在机制，有助于诊断预测疾病的发生发展。但是目前对呼吸过程中不同浓度、不同成分的气体尚不能进行实时定量识别，对于人体不同病理生理状态下实时检测呼吸气体成分、浓度等呼吸代谢指标的个体化精确测定及评估仍不能实现，更不能分析呼吸气体中的各种成分[6-10]。光纤气体传感器具有灵敏度高、精度高、分辨率高、动态范围大等特点，适合作为呼吸气体检测应用。笔者基于前期研究基础，将光纤、光学、检测、计算机、智能分析等多种技术用于临床医学，对呼吸气体代谢进行无创分析。利用呼吸代谢评估技术，对于早期诊断、精准分析呼吸气体代谢异常的相关疾病具有重要意义，尤其是对人体代谢大数据的获取、建立、疾病预防均具有重要意义[10-14]。

重症患者使用呼吸机后后基础代谢增高，能量消耗明显增加；蛋白质分解大于合成,氮排出量明显增多,出现负氮平衡和蛋白质能量营养不良,同时感染、应激等刺激使神经内分泌系统发生变化,呼吸代谢过程也收到影响，研究不同性别患者的呼吸代谢特点、变化规律是合理设定呼吸机参数的重要依据，因此，笔者采用COSMED代谢车的气体分析器测定呼吸代谢参数，分别研究不同性别患者的呼吸代谢特点[15-18]。

本文分析发现平均呼出O2量2组间比较有差别，提示静息状态下，平均每分钟呼出气体中氧气含量男性大于女性患者；潮气量、摄氧量、平均O2分压两组间比较有统计学差异，男性患者高于女性患者；氧通气当量VE/VO2两组间有统计学差异，氧通气当量包含VE、VO2两个参数,是每分通气量和每分摄氧量的比值，作为评价机体呼吸效率的重要指标，反映着机体的氧摄取能力，氧通气当量小说明女性患者的氧摄取效率高，提示女性重症患者虽然潮气量小，摄氧量、平均O2分压低于男性患者，但是氧气摄取效率高于男性，低的氧通气当量对于人体适应低氧环境有积极意义[19-23]。男性患者则通过高于女性患者的潮气量、摄氧量，弥补氧摄取效率低的生理状况，因此，对男性重症患者在设置呼吸机参数方面要更加关注。

本文显示分钟通气量、平均CO2分压、CO2产量两组间无差别，提示弥散功能和通气功能无明显男女差异。二氧化碳通气当量VE/VCO2除与呼吸中枢敏感性和反应性有关外，还受呼吸器官机械障碍的影响，不同性别的患者VE/VCO2比较无差异[24-26]。呼吸商、每公斤摄氧量、平均呼出CO2量2组间比较均无差别，说明二氧化碳的弥散与排出在重症患者中无性别差异。另一方面男女患者比较提示体重有统计学差异，但是呼吸频率和体重指数(BMI)无差异，说明设置呼吸机参数的时候不能单独以体重作为评判标准，以BMI更有指导价值。

R呼吸商是在同一时间内，人体呼吸作用释放的CO2和吸收O2的分子比，无氧呼吸时只有二氧化碳，R明显增大其可作为判断呼吸底物类型和供氧情况的一项指标，两组间无差异。VO2吸入氧量指测试过程中吸入气体中O2的含量、VCO2呼出二氧化碳是机体基础代谢后呼出气体经过感应探头的CO2含量，反映体内的代谢状况，两组间比较无差别[27-30]。2组患者氧通气当量、二氧化碳通气当量与体重、BMI指数之间无明显相关性，提示呼吸机参数设定体重仅能作为部分参考，更多的应该根据呼吸代谢测定值实时调整。

本文只分析了性别间的差异，还需要进一步增加患者的数量，动态地评估能量代谢水平变化，从而探索重症呼吸机使用患者在不同病程阶段、不同应激状态下的呼吸代谢水平，为精准的呼吸支持、呼吸机参数设定提供依据。