漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸對血氧飽和度的影響

【作 者】 韓寧，王民，王劍，張政波，王步青，柴曉珂

1 解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程與維修中心，北京市，100853

2 中國醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，北京市，110000

3 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市，100091

漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸對血氧飽和度的影響

【作 者】 韓寧1，王民2，王劍1，張政波1，王步青1，柴曉珂3

1 解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程與維修中心，北京市，100853

2 中國醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，北京市，110000

3 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市，100091

節(jié)律性的深—慢呼吸運(yùn)動能對心血管系統(tǒng)產(chǎn)生有益的調(diào)節(jié)作用，該文研究了漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸運(yùn)動對血氧飽和度（SpO2）的影響。實(shí)驗對象分為低氧常壓組（模擬高原4 500 m低氧環(huán)境，8人）和常氧常壓組（實(shí)驗室環(huán)境，49人）。分別進(jìn)行呼吸頻率由高到低漸進(jìn)性變化的引導(dǎo)呼吸運(yùn)動，記錄每一個受試者的SpO2和心率。實(shí)驗結(jié)果表明，在低氧情況下，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸能夠顯著提高受試者的SpO2水平（從90%提高到95%，P＜0.01），即使在常氧常壓SpO2變化不大（SpO2＞95%）的情況下，引導(dǎo)呼吸也能提高SpO2水平（P＜0.01）。兩個實(shí)驗組的平均心率在漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中都呈下降趨勢。研究表明，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸技術(shù)可以作為調(diào)節(jié)SpO2的一個手段，在低氧環(huán)境下通過調(diào)節(jié)自身呼吸運(yùn)動能夠有效提高SpO2水平。

血氧飽和度；漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸；低氧；心率

0 引言

呼吸運(yùn)動也稱氣體交換或呼吸，是機(jī)體同外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的整個過程。人在各種不同條件下其呼吸型式不同，以肋骨運(yùn)動為主者稱為“胸式呼吸”，以膈和腹壁肌運(yùn)動為主者稱為“腹式呼吸”。通過特定的呼吸運(yùn)動，尤其是腹式呼吸，可以改善呼吸功能，促進(jìn)血液循環(huán)，調(diào)節(jié)身心狀態(tài)[1]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，節(jié)律性的深—慢呼吸運(yùn)動能夠?qū)π难芟到y(tǒng)產(chǎn)生有益的調(diào)節(jié)作用，如增加心率變異性、降低外周循環(huán)阻力和降低血壓[2-3]，及增加慢性心衰病人、慢性阻塞性肺病患者、以及頭頸外科手術(shù)患者術(shù)后動脈血氧飽和度(SpO2)等[4-6]。課題組為研究呼吸與心血管系統(tǒng)間的交互作用，發(fā)展了交互式呼吸引導(dǎo)技術(shù)[7]，并分析了漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中的血壓、心率變異性、脈搏波傳導(dǎo)時間等參數(shù)的變化[8-10]，本文在先期研究的基礎(chǔ)上，觀察了漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸對健康成年人SpO2的影響。

SpO2是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。一般人SpO2正常應(yīng)不低于94%，在94%以下為供氧不足。高原或者低氧環(huán)境會導(dǎo)致SpO2下降[11-12]，某些疾病，如慢性心衰、慢性阻塞性肺疾病，以及麻醉和手術(shù)過程中也會出現(xiàn)SpO2下降現(xiàn)象[13]。如果能夠通過特定的呼吸運(yùn)動模式，在某些特殊生理（如高原低氧應(yīng)激）或病理狀態(tài)（如疾病）下提高SpO2水平，則能為機(jī)體適應(yīng)環(huán)境或者改善機(jī)體健康狀態(tài)提供有益的幫助。本文分別研究了低氧常壓（模擬海拔4 500 m高原氧含量）和常氧常壓兩種狀態(tài)下，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸（14次/分—12.5次/分—11次/分—9.5次/分—8次/分—7次/分，每個呼吸階段持續(xù)3 min）對SpO2的作用。相比于單一頻率的深呼吸運(yùn)動，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸運(yùn)動能夠發(fā)現(xiàn)SpO2變化與呼吸頻率間的作用關(guān)系，實(shí)驗結(jié)論有望能更好地指導(dǎo)呼吸調(diào)節(jié)運(yùn)動的相關(guān)應(yīng)用。

1 對象和方法

1.1 實(shí)驗對象

本文的研究對象為健康成年人，無既往心血管和呼吸系統(tǒng)疾病病史，實(shí)驗前都簽署了知情同意書。實(shí)驗要求每名受試者實(shí)驗前48 h內(nèi)避免喝酒或者咖啡類飲料，實(shí)驗前0.5 h保證無劇烈運(yùn)動，盡量保持放松狀態(tài)。

1.2 實(shí)驗方法

本研究所采用的漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸是一種呼吸率由快到慢的呼吸運(yùn)動模式，呼吸率依次為14次/分—12.5次/分—11次/分—9.5次/分—8次/分—7次/分，每個階段持續(xù)3 min，吸呼比為1:2，整個過程無間斷[7-9]。實(shí)驗開始前每一個受試者有10 min安靜時間，并熟悉整個呼吸引導(dǎo)過程。為便于與自主呼吸狀態(tài)下的SpO2和心率（HR）作比較，在漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸之前有一個3 min的自主呼吸過程。引導(dǎo)呼吸通過音樂來實(shí)現(xiàn)，音樂模板中有兩個不同的音調(diào)，對應(yīng)著吸氣和呼氣時刻，受試者聽到相應(yīng)的音調(diào)后分別做吸氣和呼氣動作，跟隨聽到的引導(dǎo)音樂進(jìn)行漸進(jìn)性低頻節(jié)律性呼吸運(yùn)動。整個實(shí)驗過程中記錄SpO2、HR和呼吸等數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。

實(shí)驗數(shù)據(jù)在低氧常壓和常氧常壓兩種不同的氧分壓狀態(tài)下收集。

低氧常壓組：受試對象為8人，實(shí)驗環(huán)境為空軍航空醫(yī)學(xué)研究所低氧實(shí)驗室，在模擬高原的常壓低氧倉內(nèi)下進(jìn)行[14-15]。為模擬海拔4 500 m高原氧含量，在低氧常壓倉內(nèi)注入氮?dú)猓箍諝庵醒鹾窟_(dá)到13.75%。8名受試者在漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸實(shí)驗前已參加過低氧訓(xùn)練15 d，已經(jīng)基本適應(yīng)了低氧環(huán)境。實(shí)驗設(shè)備為Masimo Radical-7脈搏血氧儀，用于測量SpO2和HR，以及穿戴式心電和呼吸監(jiān)測系統(tǒng)[16-17]，用于測量呼吸運(yùn)動。

常氧常壓組：受試對象為48人，在室內(nèi)常壓正常氧含量環(huán)境下進(jìn)行。實(shí)驗設(shè)備為Biopac MP150多通道生理參數(shù)記錄儀，可同步采集記錄心電、呼吸、脈搏、SpO2等參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究涉及的生理參數(shù)為SpO2和HR，由于Masimo Radical-7脈搏血氧儀以及Biopac MP150多通道生理參數(shù)記錄儀都能夠?qū)崟r記錄逐跳的SpO2和HR值，本研究直接使用Masimo Radical-7和Biopac MP150記錄的SpO2和HR數(shù)值做分析。由于實(shí)驗過程包括一段自主呼吸和6段不同呼吸率的引導(dǎo)呼吸，我們根據(jù)實(shí)際記錄的呼吸波形和實(shí)際時間長度對連續(xù)記錄的SpO2和HR數(shù)據(jù)做了分段，對每一個受試者分別求每一段的平均SpO2和平均HR，用于后續(xù)統(tǒng)計分析。

2.2 統(tǒng)計分析

本文采用配對t檢驗對不同呼吸率下的SpO2和HR進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，數(shù)據(jù)以均值±方差的形式呈現(xiàn)。統(tǒng)計分析在SPSS 19.0中實(shí)現(xiàn)，P＜0.01表明差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

低氧常壓組和常氧常壓組的SpO2和HR統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 低氧常壓組和常氧常壓組的SpO2和HR統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical analysis results: SpO2and HR in the normobaric hypoxia and normoxia normobaric group

從表1可以看出，對于低氧常壓組的受試者，引導(dǎo)呼吸過程能夠提高SpO2水平，使其由90%逐漸提高到最高值約95%（對應(yīng)8次/分的呼吸節(jié)律），自主呼吸和8次/分呼吸狀態(tài)下的SpO2存在顯著性差異（P＜0.01）。漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中，HR呈逐漸下降的趨勢。對于常氧常壓組，由于SpO2本身即在較高的正常水平，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中SpO2變化不大，HR也是呈逐漸下降趨勢。對比自主呼吸和SpO2最大值對應(yīng)的呼吸狀態(tài)（12.5次/分），SpO2即使在變化不大的情況下仍存在顯著性差異（P＜0.01）。低氧常壓環(huán)境下漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中的平均SpO2和HR變化情況如圖1所示。圖2顯示了低氧常壓組的每一位受試者漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中的平均SpO2變化。從圖1和圖2可以看出，在低氧環(huán)境下，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸這個過程能夠逐漸提高SpO2水平。從整體SpO2的變化趨勢看，在8次/分的呼吸節(jié)律下，SpO2達(dá)到最大值，從個體而言，個別人SpO2水平在引導(dǎo)呼吸過程中出現(xiàn)振蕩，達(dá)到最大值的呼吸節(jié)律也有所不同。總體上呈現(xiàn)的規(guī)律是當(dāng)引導(dǎo)呼吸率進(jìn)一步降低到7次/分的水平時，SpO2水平有不同程度的下降。

圖1 低氧常壓組漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中SpO2和HR變化Fig.1 Variation of SpO2and HR during a step-wise paced breathing procedure in the normobaric hypoxia group

4 討論

本文研究了漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程的SpO2變化情況，相比于我們之前研究過的其他生理參數(shù)如HR、血壓、脈搏波傳導(dǎo)時間等，健康人在正常氧分壓情況下SpO2的水平都很高，變異性小。我們實(shí)驗也驗證了在常壓情況下節(jié)律性深—慢呼吸對平均SpO2和平均HR的作用不大。但是在模擬高原環(huán)境的低氧狀態(tài)下，節(jié)律性的深—慢呼吸能夠起到明顯改善SpO2的作用，受試者的平均SpO2由低于90%上升到約95%。

已經(jīng)開展的一些研究證明深呼吸運(yùn)動能夠改善高原環(huán)境下SpO2水平[12]，臨床上深呼吸運(yùn)動也被用來改善麻醉給藥患者（如無痛胃鏡檢查）和其他慢病患者的低氧血癥[18,19]。目前所采用的深呼吸運(yùn)動頻率多在0.1 Hz，即6次/分，也就是通常所謂的心血管共振頻率[20]。但從低氧組漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程的SpO2變化看，呼吸率低到7次/分時，SpO2反而出現(xiàn)下降現(xiàn)象，因此6次/分的呼吸節(jié)律未必是最優(yōu)的提高SpO2水平的節(jié)律。

圖2 低氧常壓組8位受試者漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程的平均SpO2變化Fig.2 Changes in the average SpO2of 8 subjects in the normobaric hypoxia group

漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸實(shí)驗為觀察SpO2水平的變化提供了一個窗口，從8個人受試者的數(shù)據(jù)來看，對提高低氧狀態(tài)下的SpO2水平，8次/分或者9次/分的呼吸節(jié)律是一個比較理想的呼吸運(yùn)動節(jié)律，而且最優(yōu)引導(dǎo)節(jié)律應(yīng)該是個體化的。由于實(shí)驗條件限制，本實(shí)驗的受試對象僅為8人，因此對相關(guān)規(guī)律的驗證還需收集一定樣本量的數(shù)據(jù)。病理情況下如慢性阻塞性肺疾病或者慢性心衰，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中的SpO2變化規(guī)律也需進(jìn)一步驗證。

由于我們同步采集了血氧脈搏波和呼吸運(yùn)動曲線，我們也觀察了漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中呼吸運(yùn)動對脈搏波幅度的調(diào)制作用。可以看出，隨著呼吸率的降低，呼吸運(yùn)動對容積脈搏波的幅度調(diào)制作用越來越強(qiáng)，從脈搏波的包絡(luò)上能夠明顯看出呼吸運(yùn)動成分。我們之前的文章研究了漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸對脈搏波傳導(dǎo)時間的作用，脈搏波傳導(dǎo)時間的幅度也表現(xiàn)出受呼吸運(yùn)動調(diào)制的特性[10]。引導(dǎo)呼吸過程中的容積脈搏波幅度變化與脈搏波傳導(dǎo)時間變化的產(chǎn)生機(jī)制應(yīng)該是相同的，主要都是來自呼吸運(yùn)動引起的胸內(nèi)壓變化，這也是為什么能夠從脈搏波中提取呼吸運(yùn)動信號的原因[21]。

5 結(jié)論

節(jié)律性的深—慢呼吸無論在低氧還是常氧環(huán)境下都能夠?qū)pO2起到調(diào)節(jié)作用，在模擬海拔4 500 m高原低氧環(huán)境下，通過節(jié)律性深—慢呼吸運(yùn)動可以顯著提高SpO2水平。平均HR無論在低氧還是常氧環(huán)境下，在漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中都呈下降趨勢。漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸技術(shù)可以作為調(diào)節(jié)SpO2的一個手段，在低氧環(huán)境下通過調(diào)節(jié)自身呼吸運(yùn)動能夠有效提高SpO2水平。低氧環(huán)境下漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程中SpO2水平變化呈呼吸節(jié)律依賴特性，就目前低氧組數(shù)據(jù)看，8次/分的節(jié)律性呼吸能夠達(dá)到SpO2最高水平。后續(xù)有待進(jìn)一步收集低氧情況下以及病理狀態(tài)下漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸過程的SpO2變化數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗證和發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)律。

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Variation of SpO2during a Step-wise Paced Breathing Procedure

【W(wǎng)riters】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

國家自然科學(xué)基金面上項目資助（61471398）；國家科技支撐計劃課題資助項目（2013BAI03B05）

韓寧，E-mail：hanning301@163.com

張政波，E-mail: zhengbozhang@126.com