漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸對(duì)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(duì)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(dòng)能對(duì)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(dòng)對(duì)血氧飽和度（SpO2）的影響。實(shí)驗(yàn)對(duì)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(yàn)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(dòng)，記錄每一個(gè)受試者的SpO2和心率。實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)手段，在低氧環(huán)境下通過調(diào)節(jié)自身呼吸運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)過程。人在各種不同條件下其呼吸型式不同，以肋骨運(yùn)動(dòng)為主者稱為“胸式呼吸”，以膈和腹壁肌運(yùn)動(dòng)為主者稱為“腹式呼吸”。通過特定的呼吸運(yùn)動(dòng)，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]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，節(jié)律性的深—慢呼吸運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)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(huì)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(huì)出現(xiàn)SpO2下降現(xiàn)象[13]。如果能夠通過特定的呼吸運(yùn)動(dòng)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?。┫绿岣逽pO2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(gè)呼吸階段持續(xù)3 min）對(duì)SpO2的作用。相比于單一頻率的深呼吸運(yùn)動(dòng)，漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸運(yùn)動(dòng)能夠發(fā)現(xiàn)SpO2變化與呼吸頻率間的作用關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)論有望能更好地指導(dǎo)呼吸調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)應(yīng)用。

1 對(duì)象和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本文的研究對(duì)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(yàn)前都簽署了知情同意書。實(shí)驗(yàn)要求每名受試者實(shí)驗(yàn)前48 h內(nèi)避免喝酒或者咖啡類飲料，實(shí)驗(yàn)前0.5 h保證無劇烈運(yùn)動(dòng)，盡量保持放松狀態(tài)。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(gè)階段持續(xù)3 min，吸呼比為1:2，整個(gè)過程無間斷[7-9]。實(shí)驗(yàn)開始前每一個(gè)受試者有10 min安靜時(shí)間，并熟悉整個(gè)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(gè)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(gè)不同的音調(diào)，對(duì)應(yīng)著吸氣和呼氣時(shí)刻，受試者聽到相應(yīng)的音調(diào)后分別做吸氣和呼氣動(dòng)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(dòng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(duì)象為8人，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為空軍航空醫(yī)學(xué)研究所低氧實(shí)驗(yàn)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)?，使空氣中氧含量達(dá)到13.75%。8名受試者在漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(dòng)。

常氧常壓組：受試對(duì)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(shí)間長度對(duì)連續(xù)記錄的SpO2和HR數(shù)據(jù)做了分段，對(duì)每一個(gè)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(jì)分析。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

本文采用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)不同呼吸率下的SpO2和HR進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)以均值±方差的形式呈現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0中實(shí)現(xiàn)，P＜0.01表明差異有統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比自主呼吸和SpO2最大值對(duì)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(gè)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(gè)體而言，個(gè)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(shí)，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(shí)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(yàn)也驗(yàn)證了在常壓情況下節(jié)律性深—慢呼吸對(duì)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(dòng)能夠改善高原環(huán)境下SpO2水平[12]，臨床上深呼吸運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(yàn)為觀察SpO2水平的變化提供了一個(gè)窗口，從8個(gè)人受試者的數(shù)據(jù)來看，對(duì)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(gè)比較理想的呼吸運(yùn)動(dòng)節(jié)律，而且最優(yōu)引導(dǎo)節(jié)律應(yīng)該是個(gè)體化的。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本實(shí)驗(yàn)的受試對(duì)象僅為8人，因此對(duì)相關(guān)規(guī)律的驗(yàn)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(yàn)證。

由于我們同步采集了血氧脈搏波和呼吸運(yùn)動(dòng)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(dòng)對(duì)脈搏波幅度的調(diào)制作用?？梢钥闯?，隨著呼吸率的降低，呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)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(dòng)成分。我們之前的文章研究了漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸對(duì)脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的作用，脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的幅度也表現(xiàn)出受呼吸運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)信號(hào)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(dòng)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(gè)手段，在低氧環(huán)境下通過調(diào)節(jié)自身呼吸運(yùn)動(dòng)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(yàn)證和發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)律。

[1] 劉官正, 朱青松, 郭彥偉, 等. 呼吸反饋的研究進(jìn)展[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào), 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] 張政波, 王衛(wèi)東, 李開元, 等. 交互式呼吸引導(dǎo)技術(shù)[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2008, 32(2): 86-88.

[8] 張政波，王步青, 柴曉珂, 等. 漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸下的心血管變異性分析[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 43(6): 934-938.

[9] 王步青, 張政波, 王衛(wèi)東. 引導(dǎo)呼吸下的呼吸性竇性心律不齊的研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2012, 29(1): 45-50, 69.

[10] 柴曉珂, 王步青, 張政波, 等. 漸進(jìn)性引導(dǎo)呼吸下的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間變異性分析[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2014, 31(6): 1325-1341. [11] 楊軍, 俞夢(mèng)孫, 曹征濤, 等. 間歇性遞增式常壓低氧暴露訓(xùn)練對(duì)高原習(xí)服效果的研究[J]. 中華航空航天醫(yī)學(xué)雜志, 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] 馬黎陽, 吳艷琴, 熊俊成. 深呼吸預(yù)處理對(duì)無痛胃鏡檢查中脈搏血氧飽和度的影響[J]. 實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志, 2010, 26(5): 786-787.

[14] 吳鋒, 羅永昌, 王彬華, 等. 一種新型常壓低氧艙的研制[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2013, (10): 1-3.

[15] 王偲宇, 俞夢(mèng)孫, 王彬華, 等. 基于模糊自適應(yīng)算法的低氧艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 北京生物醫(yī)學(xué)工程, 2014, (4): 397-402.

[16] 張政波, 俞夢(mèng)孫, 李若新, 等. 背心式呼吸感應(yīng)體積描記系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)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. 麻醉給藥前深呼吸對(duì)無痛胃鏡檢查患者低氧血癥的預(yù)防作[J]. 臨床醫(yī)學(xué)工程, 2012, (11): 1947-1948.

[19] 顧艷葒, 王曉莉, 繩宇, 等. 老年肺腫瘤患者術(shù)后綜合呼吸功能訓(xùn)練的康復(fù)效果[J]. 解放軍護(hù)理雜志, 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

【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(xiàng)目資助（61471398）；國家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目（2013BAI03B05）

韓寧，E-mail：hanning301@163.com

張政波，E-mail: zhengbozhang@126.com