小鼠呼氣末CO2分壓快速檢測方法及其在氣道阻力評估中的應用研究*

孫澤，羅明志，陸云，張素娟，鄧林紅△

（1.常州大學生物醫(yī)學工程與健康科學研究院暨常州市呼吸醫(yī)學工程重點實驗室，常州213164；2.常州大學機械工程學院，常州213164；3.常州市第一人民醫(yī)院呼吸內科，213003）

1 引 言

支氣管哮喘和慢性梗阻性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）都是以氣流受限為特征的呼吸道疾病。這兩種疾病都屬于氣道慢性炎癥性疾病，導致氣道重塑，同時可見大、小氣道的炎癥性病變及氣道平滑肌痙攣及粘液栓塞氣道，最終出現氣流限制[1-2]，因此，人體氣道阻抗是多種呼吸道慢性疾病診斷和病情變化監(jiān)測的重要指標。目前采用強迫振蕩法測算氣道阻抗的方法已日趨成熟，并已開發(fā)出了相關產品[3-4]。但呼吸阻抗的檢測需要大型裝置，只能在少數醫(yī)院才能進行相關監(jiān)測，且價格昂貴。

與此同時，感染等多種疾病會引起呼吸系統(tǒng)障礙，會在短時間內產生劇烈的呼吸阻抗變化，需要即時監(jiān)測患者的通氣程度和缺氧狀況[5]，為相關診斷、治療提供依據[6]，因此簡單、有效地監(jiān)測人體呼吸功能變化十分重要。其中檢測呼氣二氧化碳分壓（end-tidal carbon dioxide partial pressure，PetCO2）是一種較為簡單、有效評估呼吸功能的手段。CO2分壓是呼吸系統(tǒng)監(jiān)測的重要指標，它可以反映出呼吸功能對酸堿平衡的調節(jié)能力和通氣程度[7-8]。呼氣末 CO2分壓和氣道阻抗（airway resistance，Rrs）是兩個臨床診療的重要檢測指標，但在出現呼吸系統(tǒng)病發(fā)時，呼氣末CO2分壓和呼吸阻抗之間的關系未見相關報道。

鑒于此，本研究自行設計和制作了小型的CO2傳感器，并對其檢測準確性進行了標定，將該小型CO2傳感器耦合至強制振蕩小動物肺功能儀的氣管插管端，組成能同時測量小鼠呼吸阻抗和呼氣末CO2分壓的實時監(jiān)測實驗裝置。隨后，采用這一實驗裝置實時測量了小鼠模型的呼吸阻抗和呼氣末CO2分壓，并分析了二者之間的關系。這些實驗結果顯示，采用本實驗方法測量的小鼠呼吸阻抗和呼氣末CO2分壓呈正相關關系，這為后續(xù)采用呼氣末CO2分壓檢測裝置，實現快速便捷地檢測呼吸阻抗奠定了良好的基礎。

2 試驗裝置設計

2.1 CO2監(jiān)測傳感器及其原理

本研究采用非色散紅外技術（non-dispersive infrared-red，NDIR）傳感器檢測CO2濃度，該技術基于比爾·朗伯定律。當紅外線照射于CO2吸收介質表面時，光纖通過一定厚度的CO氣體，部分光能被吸收，透射光強度有所減弱，這就是比爾·朗伯定律，其原理見圖1。

圖1 比爾·朗伯定律與紅外傳感器示意圖Fig 1 Schematic diagram of Beer-Lambert＇s law and infrared sensor

CO2對紅外線吸收譜在3.7～4.5μm之間[9]，當波長為4.26μm時，CO2對紅外線吸收度最強，其吸光度：

I0為入射光強度；It為出射光強度；T為透射比，或稱透光度；K為相關系數，可以為吸收系數或摩爾吸收系數；l為吸收介質的厚度（cm）；c為吸光物質的濃度（g／L或 mol／L）

2.2 裝置設計

CO2傳感器型號為S-100H（韓國ELT sensor公司），工作濕度0～95%RH，測量范圍0～10 000 ppm，監(jiān)測精度±30 ppm±3%讀數。使用有機玻璃將CO2傳感器進行封裝，排線由引腳引出，在傳感器兩端壁上預留出開口，一端一口，其中一端連接Y型管，另一端連接22G針頭，見圖2。

圖2 封裝傳感器示意圖Fig 2 Sketch of sealed sensor

3 試驗方法

3.1 試驗對象

昆明系小鼠12只，質量20～25 g（常州卡文斯實驗動物有限公司）。戊巴比妥鈉（德國Merck公司），溶于生理鹽水，配制成1%溶液。乙酰甲膽堿（美國Thermo Scientific公司），溶于生理鹽水，配制5個濃度的溶液（4、8、16、32和 64 mg／mL）。小動物肺功能測量儀，型號FlexiVent F1（加拿大SCIREQ公司）。

使用戊巴比妥鈉作為麻醉劑，乙酰膽堿作為氣道收縮劑，通過S-100H紅外光學傳感器加工封裝來監(jiān)測CO2濃度，并采用肺功能儀維持小鼠的機械通氣并監(jiān)測氣道阻抗。

3.2 呼氣末CO2監(jiān)測裝置標定

將封裝好的傳感器進行氣密性和準確性的檢測，具體操作是在整體管道中完成，一端高于標準大氣壓狀態(tài)，另一端通過水鎖用容器水封，觀察氣流通過的程度，并觀察封裝的腔室內有無異常（進水，回流，起霧等）。準確性檢測借助于已知CO2濃度的氣體，具體通過反復記錄CO2傳感套組的實時檢測值與活細胞工作站的額定CO2濃度調節(jié)值，來線性標定CO2傳感套組的準確性，見圖3（a）。

圖3 標定流程及擬合曲線（a）封裝裝置標定流程；（b）標定擬合線Fig 3 Process of calibration test and the fitting curve

標定得出擬合方程Y＝1128.2210X-0.79439，回歸直線的擬合優(yōu)度R2＝0.99833＞0.99，可以認為標定測量結果可靠（見圖3（b））。本實驗中使用的S-100H傳感器由于光程固定，無法調節(jié)，于是推測這是標定結果比傳感器測量的結果要高出約11.28%的主要原因之一。另外在標定過程中，空氣濕度也會對測量結果造成一些影響。在后續(xù)的試驗中，傳感器S-100H光程無法調節(jié)（略大或略小）所造成的誤差將通過使用該擬合方程換算來修正。

3.3 呼吸阻抗和呼氣末CO2濃度關系研究

（1）小鼠按100 mg／kg注射1%的戊巴比妥鈉，進行麻醉。將麻醉的小鼠上顎部解剖并使用22G針頭插管。22G針頭連接封裝的CO2監(jiān)測傳感裝置，傳感裝置連接小鼠肺功能儀，插管及監(jiān)測裝置連接完成后，由肺功能儀機械通氣一段時間，待呼氣末CO2濃度與氣道阻抗穩(wěn)定后，開始霧化加入不同濃度（4、8、16、32和 64 mg／mL）的乙酰甲膽堿（Mch）各30μL，從而使小鼠產生不同程度的氣道收縮變化，見圖4。

圖4 實驗流程與監(jiān)測裝置（a）實驗流程圖；（b）實驗檢測裝置Fig 4 Experimental process and monitoring device

（2）霧化刺激小鼠氣道的時間段內，保持一個恒定的通氣量（潮氣量10.72 mL／kg，約250μL／次，每分鐘呼吸150次，呼吸末壓力為3 cmH2O），對小鼠呼吸系統(tǒng)機械通氣。期間，肺功能儀記錄下小鼠受不同濃度Mch刺激時氣道阻抗（Rrs）的變化，得到阻抗與時間的關系圖（Rrs-t）。同時，連接在肺功能儀測量管道旁路的CO2檢測裝置持續(xù)監(jiān)測小鼠的呼氣末CO2濃度，通過專有的LabView程序，持續(xù)發(fā)送指令接收傳感器反饋來的RS485信號，同時自動將十六進制數據轉化為十進制數據并存貯到終端電腦，最后得到呼氣末CO2濃度與時間的關系圖（CO2-Mch）。

（3）分別獲得呼吸阻抗—收縮劑濃度關系圖（Rrs-Mch）和呼氣末CO2分壓—收縮劑濃度關系圖（PetCO2-Mch），進而將二者整合在一張時間表圖內，分析持續(xù)機械通其過程中，不同濃度Mch刺激下，呼吸阻抗與呼氣末CO2的相關性。

4 結果

4.1 小鼠氣道阻抗功能檢測結果

采用不同濃度的Mch刺激小鼠，通過小動物肺功能儀檢測其氣道阻抗（airway resistance，Rrs）。實驗結果表明，隨著 Mch濃度的上升（4、8、16、32和64 mg／mL），氣道阻抗持續(xù)升高（約為 1.5、2、2.5、3.1和3.7cmH2O.s／mL），見圖5。

圖5 氣道阻抗與舒張劑（M ch）濃度關系圖Fig 5 Correlation between airway resistance and concentration of the M ch

4.2 小鼠呼出氣CO2濃度檢測結果

采用不同濃度的Mch刺激小鼠，通過上述自主設計的CO2傳感器裝置檢測其呼出氣的CO2濃度。實驗結果表明，霧化通入Mch刺激氣道后，短時間內小鼠呼出氣中CO2的濃度會急劇上升至一個峰值，然后下降至一個穩(wěn)定值，達到一個新的穩(wěn)定態(tài)。實驗中，在下一個穩(wěn)定態(tài)再次通入增高濃度的Mch，可以得到相似的變化過程，見圖6（a）。隨著Mch濃度的不斷上升，實驗裝置測得的小鼠呼出氣中CO2濃度的峰值及穩(wěn)定態(tài)都顯示逐層上升的趨勢，即呼氣末CO2分壓（PetCO2）與 Mch濃度的關系，見圖6（b）。

4.3 小鼠氣道阻抗（Rrs）與呼氣末CO2濃度的相關性

將相同實驗條件下小鼠呼吸阻抗（Rrs）與其呼氣末CO2濃度（PetCO2）整合在同一機械通氣時間段內。限定條件為：定容的機械通氣，允許通氣模式短暫變化，Mch對氣道的刺激逐漸增加。橫軸為小鼠呼吸阻抗（Rrs）隨氣道收縮劑Mch濃度增加的變化值，縱軸為同一只小鼠所測得的呼氣末氣體CO濃度（PetCO2）隨氣道收縮劑Mch濃度增加的變化值。從觀測數據中可以發(fā)現，在恒定的機械通氣狀態(tài)下，隨著Mch濃度的增加，呼氣末CO2濃度增加，氣道阻抗也增加，即呼氣末CO2濃度與氣道阻抗變化呈正相關關系，見圖7。

圖6 呼氣末CO2分壓—M ch濃度關系圖（CO2-M ch）（a）CO2濃度變化—時間／濃度相關；（b）呼氣末CO2分壓／單位轉換修正與氣道阻抗—Mch濃度相關Fig 6 Correlation between Pet CO2 and the concentration of M ch

圖7 呼吸阻抗與呼氣末CO2的相關性圖Fig 7 Correlation between Rrs and P CO

5 分析與討論

實時監(jiān)測氣道阻抗對哮喘、COPD等多種呼吸道疾病的診斷、病理狀態(tài)評估具有重要意義，目前要檢測人體氣道阻抗只能到較大型的醫(yī)院進行，導致患者無法實時、動態(tài)的監(jiān)測其病理狀態(tài)和對治療的響應等。呼氣末CO2濃度是反應人體呼吸功能狀態(tài)的一項重要生理指標，目前有多種方法可以快速監(jiān)測呼氣末CO2濃度，同時呼氣末CO2濃度可能與氣道通氣狀態(tài)有相關性。因此，本研究探究呼氣末CO2濃度和氣道阻抗的相關性，為利用呼氣末CO2濃度監(jiān)測評估氣道阻抗狀態(tài)提供試驗依據。

本實驗首先選擇依據比爾·朗伯定律的一種價格低廉的紅外CO2傳感器，并自主設計和制作出一套小型便捷的氣體CO2檢測系統(tǒng)。隨后利用標準CO2濃度的氣體對該CO2檢測系統(tǒng)進行標定，結果顯示該系統(tǒng)對氣體CO2濃度的檢測有較好的靈敏度和準確性，為后續(xù)實驗獲得可靠的結果提供了保障。

隨后，我們采用小鼠模型探究了呼氣末CO2濃度與氣道阻抗的關系。小鼠是一種良好的呼吸道功能研究動物模型，目前已能在小鼠構建哮喘和慢性炎癥等疾病動物模型，具有氣道重塑等典型呼吸系統(tǒng)疾病的相似特征[10]。小鼠氣道使用收縮劑（如Mch）刺激，會使小鼠氣道收縮，短時間內阻抗增加[11]。另外，臨床上，隨著機械通氣量的增加，呼氣末CO2的分壓會上升[12-13]。由此推論，在一定的機械通氣下，隨著氣道阻抗增加，呼氣末CO2分壓會隨之上升。本實驗結果顯示，隨著Mch濃度的增加，氣道阻抗和呼氣末CO2濃度不斷增加，且二者具有較好的正相關關系。

實驗結果還顯示在機械通氣至穩(wěn)定的狀態(tài)下，給呼吸道通入霧化的收縮劑，會瞬時地引發(fā)一個急性的氣道收縮，導致呼氣末CO2分壓的檢測波形陡增，這與在小鼠肺功能儀上檢測到的阻抗變化波形是吻合的。但比較波形從波峰回落至穩(wěn)定狀態(tài)的時間，呼氣末CO2從波峰回落至穩(wěn)定狀態(tài)的周期相對較長。為了降低非實驗個體差異化導致的影響，我們對傳感檢測裝置不斷進行優(yōu)化設計，主要通過縮短管體通路，達到對實際檢測腔體積的壓縮。同時，觀測發(fā)現在Mch霧化率較高的試驗中，小鼠受刺激過程較為明顯，個體差異對呼氣末CO2峰值的影響有顯著的降低，同時，呼氣末CO2濃度達到穩(wěn)定態(tài)的時間周期也會相對較短，因此，測量數據可重復性更好。

采用血氣分析儀測量正常態(tài)昆明系小鼠的血液二氧化碳分壓為 5.26±0.49 kPa[14]，或 39.45±3.68 mm Hg。在大氣壓為100 kPa時，計算可得小鼠血液二氧化碳濃度約為52 000 ppm。實驗過程中，小鼠在從開始插管到機械通氣一段時間達到穩(wěn)定的監(jiān)測數值，始終處于8 500至10 000 ppm之間，造成該結果的原因可能是呼吸機氣體交換過程中會導入CO2含量低的外界空氣。若麻醉狀態(tài)下小鼠受自主呼吸的影響最小，對多個實驗小鼠穩(wěn)定態(tài)的觀測可以認為監(jiān)測時受外界大氣的影響程度相同。另外，使用NDIR技術的傳感器都會被水蒸氣的廣域吸收譜所影響，實驗中默認小鼠呼吸過程中水汽含量不隨時間變化。故數據分析中將呼氣末CO2濃度的計算起始基線調整為52 000 ppm，并作為計算所有測量數據的參考值。

對監(jiān)測裝置的設計層面及霧化程度（人工操作層面）的改善，都會使監(jiān)測過程中氣體的交換速度改善，從而使準確度大幅提高。由此推斷控制氣體置換過程，如霧化率，監(jiān)測腔大小，置換路徑復雜程度，都會影響該監(jiān)測裝置的監(jiān)測效率及數據的優(yōu)化程度。

雖然本研究中所采用的檢測系統(tǒng)經過多次優(yōu)化，但其系統(tǒng)在設計上尚不完善。實際檢測的結果只是初步驗證了該封裝CO2傳感器檢測裝置基本可靠，并且可以在一定程度上反映小鼠的機械通氣程度與氣道收縮程度。采用該裝置可以在對小鼠定容機械通氣的情況下，實現呼氣末CO2濃度的快速準確測量，而且測量所得的CO2濃度值與小鼠呼吸阻抗呈正相關性，表明呼氣末CO2濃度的變化間接反映了氣道收縮程度的變化。這為臨床實踐中對呼吸功能的監(jiān)控，如對哮喘和COPD患者氣道阻力、氣道高反應性的評估等提供了一種便捷化和普及化的可能途徑。

6 結論

本實驗設計了一種耦合在肺功能儀上的呼氣末CO2分壓實時監(jiān)測系統(tǒng)，并采用該系統(tǒng)對小鼠呼氣末CO分壓與呼吸阻力關系進行了研究。結果驗證了該系統(tǒng)測量的小鼠呼氣末CO2分壓與呼吸阻力具有顯著正相關性，這為后續(xù)進一步研發(fā)通過呼氣末CO2分壓變化監(jiān)測氣道阻抗等肺功能參數變化的診斷技術奠定了基礎。