心衰患者动脉血气波浪式变化及其幅度降低的初步实验证据*

2015-05-22姚优修孙兴国谭晓越张宏亮王古岩葛万刚胡盛寿

中国应用生理学杂志 2015年4期

姚优修，孙兴国，李军，谭晓越，张宏亮，王古岩，葛万刚，刘方,3，李浩，慈政,3,胡盛寿

（1.中国医学科学院北京协和医学院国家心血管病中心阜外医院心血管疾病国家重点实验室国家心血管疾病临床医学中心，北京 100037；2.北京大学第三医院麻醉科，北京 100083；3.潍坊医学院临床医学系，山东潍坊261000）

姚优修1,2，孙兴国1△，李军1，谭晓越1，张宏亮1，王古岩1，葛万刚1，刘方1,3，李浩1，慈政1,3,胡盛寿1

目的：心力衰竭患者呼吸调控异常的机制众说纷纭，特别是动脉血气周期性波浪式变化信号的改变及其与心功能的关系尚缺乏直接的试验证据。本文依据心力衰竭患者动脉血气周期性波浪式变化信号的降低幅度，探讨心力衰竭导致呼吸调控异常的机制。方法：选择5名心力衰竭患者，连续桡动脉逐搏取血，测定PaO2，PaCO2，pHa和SaO2。选取2个典型呼吸周期，用于分析动脉血气的波浪式变化。比较患者相邻最高和最低值，以验证是否存在周期性波浪式信号变化。此外，将心力衰竭患者与心功能正常患者动脉血气周期性波浪式信号的变化幅度进行统计学t检验分析，比较有无差异。结果：心力衰竭患者包括2例外科手术和3例ICU住院监护患者，4男1女，年龄(69±7)岁，身高(169±10)cm，体质量(75±19) kg，左心射血分数(LVEF)=(38±3)%。动脉血液充满肝素化细长塑化管需要17±2次心跳，即取血需要17±2次心跳，覆盖超过2个呼吸周期。心力衰竭患者PaO2，PaCO2，[H+]a和SaO2均呈现明显的波浪式变化(P＜0.05)，幅度分别是(7.94±2.02)mmHg，(1.18±0.56)mmHg，(0.54±0.17)nmol/L和(0.21±0.07)%，分别是各自均值的(6.1±1.5)%，(3.2±1.5)%，(1.5±0.5)%和(0.2±0.1)%。与心功能正常患者比较，动脉血气波浪式变化幅度呈现明显降低趋势，但仅PaO2和[H+]a有明显统计学差异(P＜0.05)。结论：采用连续逐搏动脉取血血气分析法证实，心力衰竭患者自主呼吸时动脉血气也有周期性波浪式变化信号，但其变化幅度较心功能正常患者明显降低。

心力衰竭；动脉血气；呼吸调控；逐博取血；波浪式信号

在正常情况下，呼气时肺泡氧分压（PAO2）和二氧化碳分压（PACO2）逐渐降低和升高，吸气时相反PAO2和PACO2逐渐升高和降低由此产生了离开肺毛细血管的动脉血液中氧分压（PaO2）、二氧化碳分压（PaCO2）和氢离子浓度（[H+]a）三位一体信号呈现周期性波浪式变化[1-4]。

自从2011年我们提出整体整合生理学调控/呼吸-循环调控新理论体系[2,3,5-9]并进一步修正和完善[5-9]以来，我们发现传统系统生理学基础上对心力衰竭患者产生潮式呼吸机制(又称Cheyne-Stokes respiration，陈-施呼吸)进行解释的假说众多[10,11]，但都没有真正发现和指出其核心。所以针对心力衰竭患者产生陈-施呼吸的整体生理学机制的提出了新的假说，并多次进行国际学术交流[12-18]：左心功能直接影响呼吸调控的最典型例子就是心衰患者常见潮式呼吸[10,19-22]。由于三位一体波浪式信号必须经过左心才能传递至下游化学感受器，故左心功能影响呼吸调控[2-4,6-9]。由于右心不在呼吸调控的直接环路中，所以单纯右心衰竭的患者从不出现潮式呼吸[10,21,22]。采用逐搏动脉取血血气分析方法学已证实，在心功能正常的患者存在着与呼吸节律相同的PaO2、PaCO2和[H+]a等信号的周期性波浪式变化[1,2]，为解释该信号在正常人呼吸调节机制中的作用打下了基础。但对于心力衰竭患者，其正常呼吸的波浪式信号出现何种变化，目前尚缺乏相应的人体试验证据。

为探寻心力衰竭患者呼吸异常(潮式呼吸)的发生机制，在建立连续动脉逐搏取血法[1]进行血气分析的基础上，本研究观察心力衰竭患者动脉血气信号的波浪式变化，并将其变化幅度与心功能正常患者进行比较[1]，获得心力衰竭患者呼吸异常发生机制的初步试验证据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

在阜外心血管病医院住院并签署了知情同意书，Allen试验阴性，拟麻醉下行手术的2名患者和3名桡动脉导管留置血流动力学监护的ICU患者，其常规检查、心电图、心脏超声、血流动力学检查指标等均提示心衰＞NYHA II级，左心射血分数（LVEF）＜45%。

1.2 实验材料

动脉穿刺套管针(根据患者血管粗细选择适当的套管针)、2%利多卡因、细长塑化延长管(3 mm、长1 000 mm)、注射器、肝素生理盐水溶液（比例为1： 20）、刀片、血管钳。其中，动脉套管针，三通管和塑化延长管均已肝素化。

1.3 测试仪器

采用丹麦雷度公司(RADIOMETER)ABL800全自动血气分析仪。动脉血流动力学和ECG监护仪为德国飞利浦公司IntelliVeMP70监护仪。

1.4 手术患者术前用药

2例手术患者，术前30 min肌肉注射盐酸吗啡(0.05～0.2) mg/kg，东莨菪碱0.3 mg。3例ICU住院患者未特殊用药。

1.5 手术患者桡动脉穿刺和连续动脉取血

将2例心衰手术患者接入手术室中，开放静脉通路，自主呼吸室内空气，局部麻醉下进行左侧桡动脉穿刺，将动脉导管送入桡动脉内适当深度，拔出针芯，动脉导管连接三通管、血压监测和肝素液冲洗泵之前，首先与预先肝素化的细长塑化管连接，让血液直接注入细长塑化管，同时通过ECG监护仪计数血液注满塑化管的心跳次数(N次)[1]

1.6 ICU桡动脉监护患者连续动脉取血

3例ICU住院连续桡动脉血流动力学监护患者自主呼吸室内空气下，断开血压监测和肝素液冲洗泵放出全部非全血部分之后，与预先肝素化的细长塑化管连接，让血液直接注入细长塑化管，同时通过ECG监护仪计数血液注满塑化管的心跳次数（N次）[1]；动脉取血完成后再连接到血压监测和肝素液冲洗泵。

1.7 连续动脉取血血样的逐搏分隔

按本刊描述的方法[1]，根据心跳次数N，用止血钳将塑化管钳闭分成等长的N段，每段代表一次心搏，即连续逐搏采血。立即将分段钳夹后的动脉血样塑化延长管放入0～4℃冰水盒中，尽快送检作血气分析。

1.8 动脉血液气体分析测定

按文章中的方法进行逐搏动脉血液气体分析[1]。

1.9 动脉血氢离子浓度([H+]a)的计算

血气分析仪测定结果报告有pH值，根据本刊描述的方法[1]，从pH值计算[H+]a。

1.10 逐搏动脉血气信号波浪式变化分析计算

将每个患者逐搏动脉血气全部数据做图。选取每个患者最大变化且相邻的2个呼吸周期，用于计算分析。通过相邻的2个呼吸周期内波浪式变化的2对最高-最低和最低-最高共4个测定值取平均值，即可得出每个患者呼吸周期动脉血血气的波浪幅度[1]。

1.11 统计学分析

2 结果

本实验入选心衰患者基本信息见表1。包括2例手术患者和3例ICU住院患者，4男1女，年龄(56～76)岁，身高(156～183)cm，体质量(50～104) kg，左室射血分数（left ventricle ejection fraction, LVEF） (34～42)%，NYHA分级II～IV级，心率与呼吸频率比值5.5～6.5。

动脉血注满细长塑化管需要的时间为17±2(15～19)次心跳，覆盖2个以上的呼吸周期。测定结果表明，PaO2，PaCO2，[H+]a和SaO2均随呼吸周期呈现出波浪式的变化，动脉血气各指标的最高值与相邻呼吸周期相应指标的最低值比较均有显著差异；与心功能基本正常患者比较，波动幅度有明显下降(P＜0.05)，PaO2，PaCO2，[H+]a和SaO2循环的波浪幅度分别是(7.94±2.02)mmHg，(1.18±0.56) mmHg，(0.54±0.15)nmol/L和(0.21±0.07)%，波浪幅度分别是其均值的(6.1±1.5)%，(3.2±1.5)%，(1.5±0.5)%和(0.2±0.1)%。与心功能基本正常患者相比，逐搏动脉血气变化幅度降低趋势明显，但仅PaO2和[H+]a变化幅度降低具有统计学显著性(P＜0.05，表2)。

3 讨论

3.1 逐搏动脉取血血气分析法适用于心衰患者

本实验利用每搏取血血气分析法，从5位患者每人平均收集了17个血样，成功观察到以心衰患者超过两个呼吸周期的单次心动周期为单位的动态波动的周期性波浪式血气信号，也进一步证明逐搏取血血气分析法对于整体整合生理学[1-4]人体研究的重要意义，即为探讨整体整合生理学调控/呼吸-循环调控新理论体系提供了重要的收集人体试验数据的方法。对每搏取血法收集到的心衰患者的血气信号进行ABG分析，发现其血气信号随时间的变化呈现明显的由高到低、再变高的周期性波浪式的变化特征，说明与心功能基本正常的人类似，心衰患者也有明显的周期性波浪式的血气信号。说明此法不仅仅适用于正常人或者心功能正常患者的实验研究，在心力衰竭患者实验研究中同样适用。每搏取血血气分析法的建立为进一步研究新的循环-呼吸一体化整体调控机制[8]研究奠定了方法学的基础。

Tab. 1 Basic Informaon of paents with HF (, n=5)

HF: Heart failure；NYHA: New York Heart Classif i caon class; CHD: Coronary heart disease；DM2: Diabetes mellitus type II；MR: Mitral regurgitaon；CABG: Coronary artery bypass gra; ICU: Intensive care unit

NoGender（M/F）Age（y）Height（cm）Weight（kg）LVEF(%)Clinical diagnosisAnesthesia surgery operation Ratio of heart beat/ respiratory frequency 1F731566142HF，NYHA IV，CHD，Hypertension，DM2,ICU6.5 2M5617810441CHD，HF，NYHA IICABG5.5 3M661688435HF，NYHA IIICU6.0 4M761605040HF，NYHA III，MRICU5.5 5M731837734CHD，Hypertension，DM2，Hyperlipemia, NYHA IICABG6.069±7 169±1075±1938±35.9±0.4

Tab. 2 Range of waveform changes of ABG in paents with HF following respiratory cycle (, n=5)

ABG: Arterial blood gas; PaO2: Arterial oxygen paral pressure; PaCO2: Arterial paral pressure of carbon dioxide; [H+]a: Arterial hydrogen ion concentraon; SaO2: Arterial oxygen saturaon*P＜0.05，**P＜0.01 the highest value vs the next lowest value;#P＜0.05 the magnitudes of waveform vs those with normal heart funcon[1]

PaO2PaCO2SaO2(%) Mean130.0±17.036.5±2.3 35.1±0.9 99.0±0.4 Range 7.9±2.0**#1.2±0.6**0.5±0.2**#0.02±0.01*Range (%Mean) 6.1±1.5#3.2±1.5 1.5±0.5#0.2±0.1 (mmHg)(mmHg) [H+]a (nmol/L)

3.2 心衰患者动脉血气波浪式信号降低与产生潮式呼吸的机制

对收集到的临床数据进行分析发现，与LVEF＞55%的心功能基本正常的人体比较，LVEF＜45%的心衰患者动脉血气的波浪式信号的波浪幅度呈现降低趋势，动脉血气的这种波浪式信号是实现吸呼相互切换（触发下一次呼吸）的重要先决条件，同时也是呼吸调控的信号，而左心室在此种信号的传送以及快反应感受器和慢反应感受器的协调中扮演重要的、不可忽略的角色[6]。

心衰患者左心功能受损，其在呼吸调控中的作用不能有效发挥。实验结果显示心衰患者波浪式信号的波动幅度较心功能正常患者的低，提示左心功能影响呼吸调控，并可对心衰患者出现潮式呼吸做出初步解释，左心衰竭发生陈-施呼吸的主要机制是“混合室效应”和“时相错位效应”相结合促成[2-3,5-9]：非百分之百射血的左心室对动脉血气波浪式信号的“混合室效应”是在心动周期的舒张期，左心室内收缩末期残留的血液与进入心腔的新鲜血液混合，收缩期时混合后的血液射入主动脉，左心室前、后的血液中波浪式信号的幅度差异取决于LVEF，左心衰竭患者左心室射血分数降低，血液流经左心后波浪式呼吸调控信号异常衰减(幅度过度降低)，导致呼吸不稳定，过度通气和过低通气甚至呼吸暂停交替发生，即潮式呼吸。一个正常心脏（心搏量=120 ml，射血分数=75%），肺静脉呼吸信号到达动脉形成的波浪式幅度有所降低。如果一个衰竭心脏（心搏量=50 ml，射血分数=25%)，同样的肺静脉呼吸信号变成动脉形成的波浪式幅度不足正常心脏的一半。这个信号被衰竭的心脏更大幅度地衰减了，在心脏衰竭的时候发生呼吸不稳定，一个正常呼吸信号经过衰竭心脏到了动脉变成低信号，使下一次的呼吸依次性逐渐减弱，渐次形成低通气，甚至呼吸暂停，称之为“混合室效应”[2-3,6-8,21-22]；此时与快反应外周化学感受器不同，慢反应中枢化学感受器感受到的仍然是约半分钟前的信号（延迟）,即还是高氧、低二氧化碳（过度通气）的信号，神经电信号中枢受抑制（敏感性降低）,由此通气逐渐降低，直至呼吸停止;随时间推移,中枢感受到的过度通气状态开始逐渐转为低通气状态,中枢调节的敏感性增高,继之形成下一个过度通气;这个同一个血液信号到达外周快反应化学感受器和慢反应中枢化学感受器时相不同，由此造成肺通气（动脉血）与中枢慢反应感受器之间的位相差异，称之为“时相错位效应”[2-3,6-8,21-22]。用左室功能对呼吸调控信号的衰减（混合室效应）和肺通气(动脉血)快反应与中枢慢反应的时相错位结合起来可以解释心衰患者表现出潮式呼吸的机制[2,3,6-9]。心衰患者出现潮式呼吸正是整体整合人体功能一体化调控[2,3，6-9]的重要实例。

3.3 本研究的局限性

首次在心力衰竭患者身上以连续逐搏动脉取血血气分析方法收集到的数据中，虽然各个指标的波浪幅度均呈现降低趋势，但由于样本量小等可能原因，造成仅PaO2和[H+]a的变化具有显著统计学差异(P＜0.05)，所以我们今后仍需要完善技术方法或者使用更先进的技术，更熟练的操作以及更多的临床实验例数来进行验证。

3.4 整体整合生理学医学新理论体系的意义和应用前景

对心衰患者血气信号的收集与分析进一步证实呼吸与循环功能相互影响，二者的功能密不可分。呼吸调控的动态波浪式信号要经循环系统的传送，并经完成气体交换的血液传送至全身为细胞呼吸提供所需的氧气，由此产生的氧化能量物质产生能量来维持机体的生命活动包括维持呼吸肌舒缩的能量，这个过程同时需要神经中枢，消化、代谢等的密切配合。人是一个有机整体，机体的各部分相互协调、相互配合，才能保持人体健康。心衰患者的呼吸调控信号的研究结果是整体整合呼吸调控新理论的有力支撑，也说明医学整合的重要性，我们只有把患者看成一个完整的人，而不是孤立的器官，医学才有发展[5,23,24]。在这里，作者依然要强调中国国学及中医学天人合一的概念。尽管这些概念是倾向于务“虚”的，但传统上就承认人体循环-呼吸等系统整体功能不可分割的共识[2-4]。目前，整体整合生理学体系的构架已经基本完成，尚待更多实验和临床医学证据的支持，并进一步纠错和调整，使其逐渐完善并趋于完美，以便尽快服务和指导医学临床实践，实现对防治康养一体化健康管理的指导。

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Evidence of waveform information in arterial blood gas by beat-by-beat sampling method in patients with heart failure

YAO You-xiu1,2, SUN Xing-guo1△, LI Jun1, TAN Xiao-yue1, ZHANG Hong-liang1, WANG Gu-yan1, GE Wan-gang1, LIU Fang1,3, LI Hao1, CI Zheng1,3, HU Sheng-shou1

(1. State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, National Center of Cardiovascular Diseases Fuwai Hospital, Chinese Academy of Medical Science and Peking Union Medical College, Beijing 100037; 2. Department of Anesthesiology, The 3rd Affiliated Hospital, Beijing University, Beijing 100083; 3. Department of Clinical Medicine, Weifang Medical College, Shandong Weifang 261000, China)

Objective: We investigate the magnitudes of waveform changes of arterial blood gas (ABG) in patients with heart failure. Methods: Five patients with heart failure were selected, continuous collecting radial artery blood and measured PaO2, PaCO2, pHa and SaO2. We selected two typical breaths cycles of waveform changes of ABG from each patient for data analysis. Comparison of the adjacent highest and lowest values to verify the presence of a periodic waveform changes of ABG, and in addition, we used t test to analysis the range of waveform changes of ABG in patients with heart failure and patients with normal cardiac function and compared whether the dif f erence between them. Results:e 5 patients (2 surgical and 3 ICU) with heart failure, were 4 male and 1 female, (69±7)year, (169±10) cm, (75±19)kg, LVEF=(38±3)%.e heart beat numbers for full blood into the blood sampling pipe were 17±2, and all covered more than 2 breath cycles.ere were signif i cant changes of PaO2, PaCO2, [H+]a and SaO2(P＜0.05).e magnitudes of changing PaO2, PaCO2, [H+]a and SaO2were (7.94±2.02)mmHg, (1.18±0.56)mmHg, (0.54±0.17)nmol/ L and (0.21±0.07)%, and they were (6.1±1.5)%, (3.2±1.5)%, (1.5±0.5)% and (0.2±0.1)% from their mean respectively. Even these magnitudes fo all ABG parameters were trendily lower than those of patients with normal cardiac function, but only PaO2and [H+]a were significant (P＜0.05). Conclusion: Using this simple continuous beat-by-beat arterial blood sampling method, we obtained a clear evidence of periodic waveform of ABG parameters following by breath cycle in patients with heart failure, but the magnitude trendily be decreased.

heart failure; arterial blood gas; respiratory regulation; beat-by-beat arterial blood sampling; waveform signal

R332.3

1000-6834 (2015) 04-322-005

＊【基金项目】国家自然科学基金医学科学部面上项目（81470204）；国家高新技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA021009);中国医学科学院国家心血管病中心科研开发启动基金（2012-YJR02)

2015- 04-20

2015-07-05

△【通讯作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org