To co-ox or not to co-ox

Historia

Badanie nasycenia krwi tlenem ma swoje korzenie we wczesnych lotach balonów na gorące powietrze i wodór wykonanych we Francji w latach 1800 . Załogi balonów zauważyły złe efekty, gdy ich balony wzniosły się na wysokość ponad 7000 metrów.

W dniu 15 kwietnia 1875 roku balon Zenith wzniósł się na wysokość 8 600 metrów z załogą składającą się z trzech osób. Bez ostrzeżenia ich ręce i nogi zostały sparaliżowane, a dwóch z nich zginęło. Tragedia została uznana za katastrofę narodową, a oni zostali upamiętnieni jako „męczennicy nauki w poszukiwaniu prawdy”.

Przyczyna katastrofy została ujawniona w 1878 roku po opublikowaniu La Pression Barometrique przez francuskiego naukowca Paula Berta. Książka ta zawierała przegląd objawów fizjologicznych u zwierząt i ludzi poddanych działaniu niskiego ciśnienia barometrycznego.

To był Bert, który po raz pierwszy opublikował proste krzywe reprezentujące związek między ciśnieniem parcjalnym tlenu w powietrzu i zawartości tlenu we krwi. To był pierwszy in vivo krzywej dysocjacji. Bert był również pierwszym, który wykazał, że krew pochłania więcej tlenu, gdy spada temperatura.

W 1885 roku Christian Bohr z Kopenhagi opublikował bardziej wyrafinowaną krzywą dysocjacji dla roztworu hemoglobiny (nie pełnej krwi), która wyglądała jak hiperbola. W 1903 r. Bohr odkrył krzywą dysocjacji w kształcie litery s dla krwi pełnej (Rys. 1).

W następnym roku Bohr i współpracownicy wykazali, że na położenie krzywej dysocjacji ma wpływ ilość dwutlenku węgla we krwi.

Do 1910 roku Joseph Barcroft z Cambridge dokonał odkrycia, że na dysocjację oksyhemoglobiny wpływ miało pH, siła jonowa i temperatura (grupa Barcrofta odkryła również zwiększone powinowactwo hemoglobiny płodowej do tlenu znacznie później, w latach 30-tych XX wieku). Odkrycia te stały się kluczowe w badaniach nad fizjologią oddychania.

Matematyczny opis krzywej dysocjacji oksyhemoglobiny został po raz pierwszy zaproponowany przez Archibalda Hilla w 1910 roku. Jednak w tym czasie nie była znana masa cząsteczkowa hemoglobiny i istniały różne opinie na temat tego, jak należy interpretować równanie. Dopiero w 1979 roku John Severinghaus zaproponował zmodyfikowane równanie, które lepiej pasuje do danych doświadczalnych:

sO2 = ( +1)-1

FIG. 1. Krzywa dysocjacji tlen-hemoglobina i czynniki, które przesuwają krzywą w prawo lub w lewo. 2,3-DPG to 2,3-difosfoglicerynian, związek organiczny normalnie obecny w erytrocytach, który wiąże się z hemoglobiną i ma tendencję do zmniejszania powinowactwa hemoglobiny do tlenu.

Jak mierzyć nasycenie tlenem

Istnieją dwa podstawowe sposoby mierzenia nasycenia hemoglobiny tlenem we krwi: (1) gazometrycznie i (2) spektrofotometrycznie.

Metody gazometryczne opierają się na uwalnianiu, reakcji i wybranej reabsorpcji gazów w układzie zamkniętym. Standardowe prawa gazowe są wykorzystywane do powiązania ciśnień gazów z frakcją tlenu. Klasyczna procedura gazometryczna nazywana jest metodą Van Slyke’a. Rozwój metod spektrofotometrycznych datuje się od badań nad światłem prowadzonych przez Isaaca Newtona w latach 1600.

Praca Lamberta (1760) i Beera (1852) doprowadziła do powstania prawa Beera-Lamberta, które opisuje transmisję/absorpcję światła jako logarytmiczną funkcję stężenia cząsteczek absorbujących w roztworach.

Pierwsze spektrofotometryczne pomiary krwi zostały wykonane w latach 30-tych XX wieku. W latach 50. spektrofotometr został użyty do pomiaru hemoglobiny i jej pochodnych. Specyficzne oprzyrządowanie do pomiaru nasycenia tlenem zostało opracowane w latach 60-tych. Wykorzystanie oksymetrów dousznych do ciągłego szacowania saturacji tętnic wywodzi się z badań lotniczych prowadzonych w Niemczech i Ameryce podczas II wojny światowej. Szerokie zastosowanie pulsoksymetrów rozwinęło się w latach 80-tych.

Oksymetr (często nazywany CO-Oksymetrem, od nazwy pierwszego komercyjnie popularnego urządzenia wyprodukowanego przez Instrumentation Laboratories) składa się z jednostki hemolizera, lampy fotograficznej, systemu soczewek i fotodiod detekcyjnych.

Podgrzanie próbki krwi do 37 °C i hemolizowanie jej za pomocą drgań o wysokiej częstotliwości powoduje powstanie przezroczystego roztworu. Niekompletnie zhemolizowane czerwone krwinki mogą rozpraszać światło i wprowadzać błędy pomiarowe (na rynku dostępne są hemoksymetry, które nie hemolizują próbki).

Światło z lampy jest filtrowane i skupiane w celu przejścia przez próbkę krwi. Przekazane światło jest następnie skupiane przez siatkę dyfrakcyjną, która rozdziela światło na ciągłe widmo.

Maska następnie wybiera określone długości fal używane do pomiaru. Te poszczególne długości fali są kierowane na fotodiody, które wytwarzają prądy elektryczne proporcjonalne do intensywności światła.

Intensywności światła zależą od ilości światła pochłanianego przez różne stężenia i rodzaje hemoglobiny. Gdy znane są stężenia różnych typów hemoglobiny, nasycenie można obliczyć przy użyciu równań przedstawionych poniżej.

Stężenie hemoglobiny całkowitej

ctHb to stężenie (c) hemoglobiny całkowitej (tHb) we krwi. Hemoglobina całkowita, w zasadzie, obejmuje wszystkie rodzaje hemoglobiny:

• Hemoglobina (HbA) – prawidłowa hemoglobina dorosłych jest białkiem złożonym zawierającym żelazo i zdolnym do transportowania tlenu we krwi.
• Deoksyhemoglobina (HHb) – hemoglobina nieutlenowana (dawniej nazywana „zredukowaną”).
• Oksyhemoglobina (O2Hb) – hemoglobina natlenowana, zawierająca cztery cząsteczki tlenu na cząsteczkę hemoglobiny.
• Karboksyhemoglobina (COHb) – hemoglobina związana z tlenkiem węgla, wiązanie około 210 razy silniejsze niż powinowactwo tlen-hemoglobina; uniemożliwia normalne przenoszenie tlenu i dwutlenku węgla we krwi.
• Methemoglobina (MetHb) – cząsteczka hemoglobiny, której żelazo jest w stanie utlenionym, żelazowym; bezużyteczna dla oddychania; znajdowana we krwi po zatruciu acetanilidem, chloranem potasu i innymi substancjami.
• Siarkohemoglobina – hemoglobina w połączeniu z siarką. Bardzo rzadka i nie przenosząca tlenu sulfhemoglobina nie jest uwzględniana w podawanych wartościach ctHb.
• Hemoglobina płodowa (HbF) – główny typ hemoglobiny w rozwijającym się płodzie. Krzywa dysocjacji tlenu dla hemoglobiny płodowej jest przesunięta w lewo w porównaniu z hemoglobiną dorosłych.

Stężenie hemoglobiny całkowitej można wyrazić jako:

ctHb = cO2Hb + cHHb + cCOHb + cMetHb

Symbol systematyczny dla krwi tętniczej to ctHb(a). Symbolem analizatora może być tHb lub ctHb.

Zakresy referencyjne

zakres referencyjny ctHb(a) (dorośli):

• Mężczyźni: 8,4-10,9 mmol/L (13,5-17,5 g/dL)
• Kobiety: 7,4-9,9 mmol/L (12,0-16.0 g/dL)

Sycenie tlenem

Definicja
sO2 to saturacja tlenem (czasami nazywana saturacją czynnościową) i jest definiowana jako stosunek stężeń O2Hb i HHb + O2Hb:

sO2, jak zdefiniowano powyżej, natychmiast powie, czy więcej tlenu może być przenoszone przez hemoglobinę – czy też wzrost pO2 zwiększy tylko fizycznie rozpuszczony tlen.

Systematycznym symbolem dla krwi tętniczej jest sO2(a). Symbolem analizatora może być sO2.

Zakresy referencyjne
sO2(a) zakres normalny (dorosły): 95-99 %

Frakcja hemoglobiny całkowitej (frakcja oksyhemoglobiny)

Definicja
FO2Hb jest definiowana jako stosunek stężeń O2Hb i tHb (cO2Hb/ctHb). Oblicza się go w następujący sposób:

Symbol systematyczny dla krwi tętniczej to FO2Hb(a).
Symbolem analizatora może być O2Hb lub FO2Hb.

Zakresy referencyjne
FO2Hb(a) zakres referencyjny (dorośli): 94-98 %

Napięcie tlenu przy 50 % nasyceniu krwi

Definicja
p50 to napięcie tlenu przy połowie nasycenia (50 %) krwi i jest obliczane na podstawie zmierzonego napięcia tlenu i nasycenia tlenem przez ekstrapolację wzdłuż krzywej dysocjacji tlenu do 50 % nasycenia. Systematycznym symbolem dla p50 oznaczanego z krwi tętniczej jest p50(a). Symbolem analizatora może być p50(act) lub p50.
Zakresy referencyjne
zakres referencyjny p50(a) (osoba dorosła): 24-28 mmHg (3,2-3,8 kPa)

Mierzone nasycenie

Oksymetr jest spektrofotometrem przeznaczonym do pomiaru nasycenia krwi tlenem. Każdy typ cząsteczki hemoglobiny (tj. HHb, O2Hb, COHb i MetHb) ma swoje własne spektrum absorpcji światła.

Oksymetry zawierają źródła światła o wybranych długościach fali, które odpowiadają widmu absorpcji cząsteczek hemoglobiny, które mają być mierzone. Tak więc, podstawowy oksymetr, który może mierzyć sO2 musi określić absorpcję tylko na dwóch długościach fal, jednej dla HHb i jednej dla O2Hb.

Oksymetry impulsowe wykorzystują dwie długości fali, które mogą być transmitowane przez skórę (np., palec), umożliwiając nieinwazyjne monitorowanie saturacji.

Jednak oksymetry wykorzystujące dwie długości fal mogą dawać mylne oszacowania zawartości tlenu we krwi w obecności podwyższonych poziomów COHb i MetHb.

Aby uzyskać FO2Hb, oksymetr musi wykorzystywać co najmniej cztery długości fal (po jednej dla HHb, O2Hb, COHb i MetHb). Obecnie takie oksymetry (czasami nazywane hemoksymetrami, aby odróżnić je od pulsoksymetrów) wymagają pobrania próbek krwi od pacjenta.

Zależność pomiędzy FO2Hb i sO2 jest następująca:

FO2Hb = sO2 × (1 – FCOHb – FMetHb)

Ważne jest, aby wiedzieć, że „nasycenie tlenem”’ mierzone przez pulsoksymetry to nie FO2Hb, ale sO2. Równanie podane powyżej wyraża zależność pomiędzy FO2Hb i sO2.

Tak więc, jeśli nie występują żadne nieprawidłowe hemoglobiny (dyshemoglobiny), frakcja natlenowanej hemoglobiny równa się nasyceniu tlenem, wyrażonemu jako ułamek. Różnicę między tymi dwoma wartościami można zobaczyć na poniższym przykładzie. Zauważ, że jest to przede wszystkim użyteczne, gdy jest stosowane w odniesieniu do ctHb.

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

Obliczanie saturacji

Większość analizatorów gazów krwi bez CO-oksymetru zapewnia odczyt saturacji.

Jednakże wartość ta jest wtedy raczej obliczana niż mierzona. Obliczenia są złożone i uwzględniają różne czynniki, które mogą wpływać na kształt krzywej dysocjacji oksyhemoglobiny. Opis matematyczny i zmienne w tym różnią się dla różnych marek analizatorów.

Clinically important errors can result from using estimated sO2 in other calculations, such as those for shunt fraction and oxygen content .

It is discouraged to make an estimation of sO2 from a measurement of pO2 and vice versa using a standard ODC. Konsekwencje tego można zobaczyć na Rys. 2, który jest oparty na pomiarze 10,179 próbek krwi.

Wynika z tego, że przy sO2 równym 90 % odpowiadające mu pO2 wynosi od 29-137 mmHg (4-18 kPa), a pO2 równe 60 mmHg (8 kPa) odpowiada sO2 od 70 do 99 %.

W sumie najbardziej wiarygodny pomiar sO2 jest dokonywany za pomocą CO-oksymetru. Ma to również tę zaletę, że można podawać również FO2Hb, FCOHb i FMetHb.

FIG. 2. Wykres pomiarów saturacji krwi wykazujący słabą korelację z ciśnieniem parcjalnym tlenu we krwi.

Zastosowanie kliniczne

Zawartość tlenu jest kluczowym wskaźnikiem transportu tlenu w organizmie. Transport tlenu we krwi tętniczej jest wykorzystywany do oceny zdolności transportu tlenu z płuc do tkanek. Transport tlenu, zdefiniowany jako ilość tlenu transportowanego na litr krwi tętniczej, zależy przede wszystkim od:

• całkowitej zawartości tlenu we krwi tętniczej, ctO2 – parametru kluczowego dla oceny transportu tlenu
• Stężenia hemoglobiny we krwi (ctHb)
• Stężenia dyshemoglobin (cCOHb i cMetHb)
• Tętniczego napięcia tlenowego (pO2)
• Nasycenia tlenem krwi tętniczej (sO2), które również zależy od pO2 i p50

Więc nasycenie tlenem nie jest jedynym wskaźnikiem transportu tlenu. Obecność dyshemoglobin i/lub niskie stężenie hemoglobiny może spowodować poważne zmniejszenie zdolności transportowania tlenu przez krew tętniczą.

Wniosek

Dla wielu celów, sO2 (mierzone przez pulsoksymetr lub obliczane przez analizator gazów krwi) jest wystarczające do podejmowania decyzji klinicznych. Przy odpowiednim zastosowaniu pulsoksymetria może przynieść takie korzyści, jak ciągłe monitorowanie, zmniejszenie kosztów i zmniejszenie utraty krwi (ważne przy opiece nad noworodkami).

Jednakże, gdy podejrzewa się zatrucie tlenkiem węgla lub innymi substancjami, które mogą wpływać na hemoglobinę, wymagany jest FO2Hb, mierzony hemoksymetrem stanowiskowym.

Kliniczne wytyczne dotyczące stosowania pulsoksymetrów i hemoksymetrów są dostępne w American Association for Respiratory Care . Powiązane zalecenia zostały opublikowane przez National Committee for Laboratory Standards .

.