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.常州大學生物醫學工程與健康科學研究院暨常州市呼吸醫學工程重點實驗室，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，只能在少數醫院才能進行相關監測，且價格昂貴。

與此同時，感染等多種疾病會引起呼吸系統障礙，會在短時間內產生劇烈的呼吸阻抗變化，需要即時監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分壓是呼吸系統監測的重要指標，它可以反映出呼吸功能對酸堿平衡的調節能力和通氣程度[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，但在出現呼吸系統病發時，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測CO2濃度，并采用肺功能儀維持小鼠的機械通氣并監測氣道阻抗。

3.2 呼氣末CO2監測裝置標定

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，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，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。在后續的試驗中，傳感器S-100H光程無法調節（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監測傳感裝置，傳感裝置連接小鼠肺功能儀，插管及監測裝置連接完成后，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檢測裝置持續監測小鼠的呼氣末CO2濃度，通過專有的LabView程序，持續發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，然后下降至一個穩定值，達到一個新的穩定態。實驗中，在下一個穩定態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濃度的峰值及穩定態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現，在恒定的機械通氣狀態下，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

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

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。隨后利用標準CO2濃度的氣體對該CO2檢測系統進行標定，結果顯示該系統對氣體CO2濃度的檢測有較好的靈敏度和準確性，為后續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定的狀態下，給呼吸道通入霧化的收縮劑，會瞬時地引發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定狀態的時間，呼氣末CO2從波峰回落至穩定狀態的周期相對較長。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濃度達到穩定態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定的監測數值，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。若麻醉狀態下小鼠受自主呼吸的影響最小，對多個實驗小鼠穩定態的觀測可以認為監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，監測腔大小，置換路徑復雜程度，都會影響該監測裝置的監測效率及數據的優化程度。

雖然本研究中所采用的檢測系統經過多次優化，但其系統在設計上尚不完善。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分壓實時監測系統，并采用該系統對小鼠呼氣末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，這為后續進一步研發通過呼氣末CO2分壓變化監測氣道阻抗等肺功能參數變化的診斷技術奠定了基礎。