To co-ox or not to co-ox

Historia

Veren happisaturaation tutkimus juontaa juurensa varhaisiin kuumailma- ja vetypallolentoihin, joita tehtiin Ranskassa 1800-luvulla . Ilmapallomiehistöt huomasivat pahoinvointia, kun heidän ilmapallonsa nousivat yli 7 000 metrin korkeuteen.

157>15. huhtikuuta 1875 Zenith-pallo nousi 8 600 metrin korkeuteen kolmen hengen miehistöllä. Ilman varoitusta heidän kätensä ja jalkansa halvaantuivat ja kaksi heistä menehtyi. Tragediaa pidettiin kansallisena katastrofina ja heitä muistettiin ”totuutta etsivän tieteen marttyyreina”.

Katastrofin syy paljastui vuonna 1878 ranskalaisen tiedemiehen Paul Bertin julkaiseman La Pression Barometrique -teoksen myötä. Kirjassa tarkasteltiin matalalle ilmanpaineelle altistuneiden eläinten ja ihmisten fysiologisia oireita.

Bert julkaisi ensimmäisenä yksinkertaiset käyrät, jotka kuvaavat ilman hapen osapaineen ja veren happipitoisuuden välistä suhdetta. Tämä oli ensimmäinen in vivo -dissosiaatiokäyrä. Bert oli myös ensimmäinen, joka osoitti, että veri absorboi enemmän happea lämpötilan laskiessa.

Kööpenhaminalainen Christian Bohr julkaisi vuonna 1885 hienostuneemman dissosiaatiokäyrän hemoglobiiniliuokselle (ei kokoverelle), joka muistutti hyperbolia. Vuonna 1903 Bohr löysi s-muotoisen dissosiaatiokäyrän kokoverelle (kuva 1).

Seuraavana vuonna Bohr ja kollegat osoittivat, että dissosiaatiokäyrän asentoon vaikutti hiilidioksidin määrä veressä.

Vuoteen 1910 mennessä Joseph Barcroft Cambridgesta teki havainnon, jonka mukaan pH, ionivahvuus ja lämpötila vaikuttivat oksyhemoglobiinin dissosiaatioon (Barcroftin ryhmä havaitsi myös sikiön hemoglobiinin lisääntyneen happiaffiniteetin paljon myöhemmin, 1930-luvulla). Näistä löydöistä tuli keskeisiä hengitysfysiologian tutkimuksessa.

Oksihemoglobiinin dissosiaatiokäyrän matemaattisen kuvauksen ehdotti ensimmäisen kerran Archibald Hill vuonna 1910. Tuolloin hemoglobiinin molekyylipainoa ei kuitenkaan tunnettu, ja siitä, miten yhtälöä tulisi tulkita, oli erilaisia mielipiteitä. Vasta vuonna 1979 John Severinghaus ehdotti muunnettua yhtälöä, joka sopii paremmin kokeellisiin tietoihin:

sO2 = ( +1)-1

KUVA 1. KUVA 1. Hapen haihtuminen. Hapen ja hemoglobiinin dissosiaatiokäyrä ja tekijät, jotka siirtävät käyrää oikealle tai vasemmalle. 2,3-DPG on 2,3-difosfoglyseraatti, erytrosyyteissä normaalisti esiintyvä orgaaninen yhdiste, joka sitoutuu hemoglobiiniin ja pyrkii vähentämään hemoglobiinin affiniteettia happea kohtaan.

Hapen saturaation mittaaminen

Veressä on kaksi perusmenetelmää hemoglobiinin hapen saturaation mittaamiseksi: (1) gasometrisesti ja (2) spektrofotometrisesti.

Gasometriset menetelmät perustuvat kaasujen vapautumiseen, reagointiin ja valittuun takaisinimeytymiseen suljetussa järjestelmässä. Standardikaasulakeja käytetään suhteuttamaan kaasujen paineet happiosuuteen. Klassista kaasumittausmenetelmää kutsutaan Van Slyken menetelmäksi . Spektrofotometristen menetelmien kehitys juontaa juurensa Isaac Newtonin valotutkimuksiin 1600-luvulla.

Lambertin (1760) ja Beerin (1852) työ johti Beer-Lambertin lakiin, joka kuvaa valon läpäisyä/absorptiota logaritmisena funktiona absorboivien molekyylien konsentraatiosta liuoksissa .

Ensimmäiset spektrofotometriset mittaukset verestä tehtiin 1930-luvulla. 1950-luvulla käytettiin spektrofotometriä hemoglobiinin ja sen johdannaisten mittaamiseen. Hapen saturaation mittaamiseen kehitettiin erityinen mittalaite 1960-luvulla. Korvaoksimetrien käyttö valtimoiden happisaturaation jatkuvaan arviointiin syntyi toisen maailmansodan aikana sekä Saksassa että Amerikassa tehdyistä ilmailututkimuksista. Pulssioksimetrien laajamittainen käyttö kehittyi 1980-luvulla.

Oksimetri (usein CO-oksimetri, Instrumentation Laboratoriesin valmistaman ensimmäisen kaupallisesti suositun laitteen nimi) koostuu hemolysaattoriyksiköstä, valolampusta, linssijärjestelmästä ja tunnistavista fotodiodeista.

Verinäytteen lämmittäminen 37 °C:een ja hemolysointi korkeataajuisilla värähtelyillä tuottaa läpikuultavaa liuosta. Puutteellisesti hemolysoidut punasolut voivat hajottaa valoa ja aiheuttaa mittausvirheitä (markkinoilla on joitakin hemoksimetrejä, jotka eivät hemolysoi näytettä).

Lampun valo suodatetaan ja fokusoidaan verinäytteen läpi. Läpäisty valo fokusoidaan sitten diffraktioristikon läpi, joka erottaa valon jatkuvaksi spektriksi.

Tämän jälkeen maski valitsee tietyt mittauksessa käytettävät aallonpituudet. Nämä yksittäiset aallonpituudet ohjataan fotodiodeille, jotka tuottavat valon voimakkuuteen verrannollisia sähkövirtoja.

Valon voimakkuudet riippuvat siitä, kuinka paljon valoa eri hemoglobiinipitoisuudet ja -tyypit absorboivat. Kun eri hemoglobiinityyppien pitoisuudet ovat tiedossa, saturaatio voidaan laskea alla olevien yhtälöiden avulla.

Kokonaishemoglobiinin pitoisuus

ctHb on veren kokonaishemoglobiinin (tHb) pitoisuus (c). Kokonaishemoglobiini sisältää periaatteessa kaikki hemoglobiinityypit:

• Hemoglobiini (HbA) – normaali aikuisen hemoglobiini on monimutkainen proteiini, joka sisältää rautaa ja kykenee kuljettamaan happea veressä.
• Deoksihemoglobiini (HHb) – hapeton (aiemmin ”pelkistetty”) hemoglobiini.
• Oksihemoglobiini (O2Hb) – hapetettu hemoglobiini, joka sisältää neljä happimolekyyliä per hemoglobiinimolekyyli.
• Karboksihemoglobiini (COHb) – hemoglobiini, joka on sitoutunut hiilimonoksidiin, sidos noin 210 kertaa vahvempi kuin hapen ja hemoglobiinin affiniteetti; estää hapen ja hiilidioksidin normaalin siirtymisen veressä.
• Methemoglobiini (MetHb) – hemoglobiinimolekyyli, jonka rauta on hapettuneessa, rautapitoisessa tilassa; hyödytön hengitykselle; esiintyy veressä asetanilidin, kaliumkloraatin ja muiden aineiden aiheuttaman myrkytyksen jälkeen.
• Sulfhemoglobiini – hemoglobiini yhdistettynä rikkiin. Hyvin harvinainen ja ei-happea kuljettava sulfhemoglobiini ei sisälly ilmoitettuun ctHb:hen.
• Sikiön hemoglobiini (HbF) – kehittyvän sikiön tärkein hemoglobiinityyppi. Sikiön hemoglobiinin happidissosiaatiokäyrä on siirtynyt vasemmalle verrattuna aikuisen hemoglobiiniin.

Kokonaishemoglobiinipitoisuus voidaan ilmaista seuraavasti:

ctHb = cO2Hb + cHHb + cCOHb + cMetHb

Systemaattinen symboli valtimoveressä on ctHb(a). Analysaattorin symboli voi olla tHb tai ctHb.

Viitealueet

ctHb(a)-viitealue (aikuinen):

• Mies: 8,4-10,9 mmol/l (13,5-17,5 g/dl)
• Nainen: 7,4-9,9 mmol/l (12,0-16.0 g/dL)

Hapen saturaatio

Määritelmä
sO2 on hapen saturaatio (joskus kutsutaan myös funktionaaliseksi saturaatioksi) ja se määritellään O2Hb:n ja HHb + O2Hb:n pitoisuuksien välisenä suhteena:

sO2, kuten edellä on määritelty, kertoo välittömästi, voiko hemoglobiini kuljettaa enemmän happea – vai lisääkö pO2:n lisäys vain fyysisesti liuenneen hapen määrää.

Valtimoveren systemaattinen symboli on sO2(a). Analysaattorin symboli voi olla sO2.

Viitealueet
sO2(a) normaalialue (aikuinen): 95-99 %

Hemoglobiinin osuus kokonaishemoglobiinista (fraktionaalinen oksihemoglobiini)

Määritelmä
FO2Hb määritellään O2Hb:n ja tHb:n konsentraatioiden välisenä suhteena (cO2Hb/ctHb). Se lasketaan seuraavasti:

Systemaattinen symboli valtimoverelle on FO2Hb(a).
Analyyttinen symboli voi olla O2Hb tai FO2Hb.

Viitealueet
FO2Hb(a):n viitealue (aikuinen): 94-98 %

Happijännitys veren 50 %:n kyllästyneisyydessä

Määritelmä
p50 on happijännitys veren puolittaisessa kyllästyneisyydessä (50 %), ja se lasketaan mitatusta happijännityksestä ja hapen kyllästymisestä ekstrapoloimalla hapen dissosiaatiokäyrää pitkin 50 %:n kyllästymiseen. Valtimoverestä määritetyn p50:n systemaattinen symboli on p50(a). Analysaattorin symboli voi olla p50(act) tai p50.
Viitealueet
p50(a):n viitealue (aikuinen): 24-28 mmHg (3,2-3,8 kPa)

Määritetty saturaatio

Oksimetri on spektrofotometri, joka on suunniteltu mittaamaan veren happisaturaatiota. Jokaisella hemoglobiinimolekyylityypillä (eli HHb, O2Hb, COHb ja MetHb) on oma valon absorptiospektri.

Oksimetreissä on valonlähteet valituilla aallonpituuksilla, jotka vastaavat mitattavien hemoglobiinimolekyylien absorptiospektriä. Näin ollen perusoksimetrin, joka voi mitata sO2:ta, on määritettävä absorptio vain kahdella aallonpituudella, toinen HHb:lle ja toinen O2Hb:lle.

Pulssioksimetrit käyttävät kahta aallonpituutta, jotka voivat läpäistä ihon läpi (esim, sormi tai varvas), mikä mahdollistaa ei-invasiivisen saturaation seurannan.

Kahden aallonpituuden oksimetrit voivat kuitenkin antaa harhaanjohtavia arvioita veren happipitoisuudesta, jos COHb- ja MetHb-pitoisuudet ovat koholla.

FO2Hb:n saamiseksi oksimetrin on käytettävä vähintään neljää aallonpituutta (yksi kullekin HHb:lle, O2Hb:lle, COHb:lle ja MetHb:lle). Nykyisin tällaiset oksimetrit (joita kutsutaan joskus hemoksimetreiksi erottaakseen ne pulssioksimetreistä) edellyttävät verinäytteitä potilaalta.

FO2Hb:n ja sO2:n suhde on:

FO2Hb = sO2 × (1 – FCOHb – FMetHb)

On tärkeää tietää, että pulssioksimetreillä mitattu ”happisaturaatio”’ ei ole FO2Hb, vaan sO2. Edellä esitetty yhtälö ilmaisee FO2Hb:n ja sO2:n välisen suhteen.

Jos siis epänormaaleja hemoglobiineja (dyshemoglobiineja) ei esiinny, hapettuneen hemoglobiinin osuus on yhtä suuri kuin hapen saturaatio murtolukuna ilmaistuna. Näiden kahden välinen ero käy ilmi alla olevasta esimerkistä. Huomaa, että tämä on ensisijaisesti käyttökelpoinen, kun sitä käytetään suhteessa ctHb:hen.

• ctHb = 10 mmol/L
• cHHb = 0,2 mmol/L
• cCOHb = 3 mmol/L ~ 30 %
• cO2Hb = 6,8 mmol/L

Laskennallinen saturaatio

Useimmat verikaasuanalysaattorit, joissa ei ole CO-oksimetriä, tarjoavat saturaation lukeman.

Tällöin arvo kuitenkin lasketaan eikä mitata. Laskenta on monimutkainen ja siinä otetaan huomioon eri tekijät, jotka voivat vaikuttaa oksyhemoglobiinin dissosiaatiokäyrän muotoon. Matemaattinen kuvaus ja siihen liittyvät muuttujat vaihtelevat eri analysaattorimerkkien välillä.

Kliinisesti merkittäviä virheitä voi syntyä, jos arvioitua sO2:ta käytetään muissa laskelmissa, kuten shunttiosuutta ja happipitoisuutta koskevissa laskelmissa .

Ei suositella sO2:n arviointia pO2:n mittauksen perusteella ja päinvastoin käyttämällä vakio-ODC:tä. Tämän seuraukset voidaan nähdä kuvasta 2, joka perustuu 10 179 verinäytteen mittaukseen .

Siitä käy ilmi, että 90 %:n sO2:n ollessa 90 % vastaava pO2 on 29-137 mmHg (4-18 kPa) ja 60 mmHg:n (8 kPa) pO2 vastaa 70-99 %:n sO2:ta.

Kaiken kaikkiaan luotettavin sO2:n mittaus on CO-oksimetrillä tehty. Tästä on myös se etu, että myös FO2Hb, FCOHb ja FMetHb voidaan ilmoittaa.

FIG. 2. Veren saturaatiomittausten kuvaaja, jossa näkyy huono korrelaatio veren hapen osapaineen kanssa.

Kliininen sovellus

Happipitoisuus on keskeinen indikaattori hapen kuljetuksesta elimistössä. Valtimoveren hapenkuljetusta käytetään arvioimaan kykyä kuljettaa happea keuhkoista kudoksiin. Hapenkuljetus, joka määritellään kuljetettavan hapen määränä litraa valtimoverta kohti, riippuu ensisijaisesti seuraavista tekijöistä:

• valtimoveren kokonaishappipitoisuudesta, ctO2 – keskeinen parametri hapenkuljetuksen arvioinnissa
• Veren hemoglobiinipitoisuus (ctHb)
• Dyshemoglobiinipitoisuus (cCOHb ja cMetHb)
• Arteriaalinen happijännitys (pO2)
• Arteriaalinen happikyllästeisyys (sO2), joka taas määräytyy pO2:n ja p50:n perusteella

Siten happikyllästeisyys ei ole ainoa hapen kuljetuksen indikaattori. Dyshemoglobiinien esiintyminen ja/tai alhainen hemoglobiinipitoisuus voi aiheuttaa vakavia vähennyksiä valtimoveren hapenkuljetuskapasiteettiin.

Johtopäätös

Moniin tarkoituksiin sO2 (joko pulssioksimetrillä mitattuna tai verikaasuanalysaattorilla laskettuna) riittää kliinisten päätösten tekemiseen. Asianmukaisesti käytettynä pulssioksimetriasta voi olla etuja, kuten jatkuva seuranta, alhaisemmat kustannukset ja pienempi verenhukka (tärkeää vastasyntyneitä hoidettaessa).

Jos kuitenkin epäillään hiilimonoksidin tai muiden hemoglobiiniin vaikuttavien aineiden aiheuttamaa myrkytystä, tarvitaan FO2Hb, joka mitataan penkkihemoksimetrillä.

Kliiniset ohjeet pulssioksimetrien ja hemoksimetrien käytöstä ovat saatavilla American Association for Respiratory Care -järjestöltä . Vastaavia suosituksia on julkaissut National Committee for Laboratory Standards.