動脈氧分壓與脈搏血氧飽和度相關性研究及臨床應用

徐楚天 徐向天 張玉華 王建國

氧作為人體正常生理功能必須的元素之一，始終備受醫務人員關注，特別是重癥患者更需要監測與氧密切相關的指標-動脈氧分壓(partial pressure of oxygen in artery，PaO2)和脈搏血氧飽和度(pulse oxygen saturation，SpO2)。PaO2是有創測量，而SpO2是無創監測，為了能夠及時了解重癥患者體內的生理變化狀況，同時減少對患者的有創傷害，則非常有必要深入了解PaO2與SpO2的關系，實現以無創監測的數據和信息代替或部分代替有創檢測的數據和信息，為醫護工作者更早地甄別重點巡視對象、關注患者病情趨勢變化的可能性以及調整或制定搶救方案提供科學的方法。基于此，本研究探討PaO2與SpO2的相關性，發現其內在變化規律，并將研究結果應用于重癥監護工作中。

1 PaO2與SpO2檢測的臨床應用

1.1 PaO2與SpO2概述

(1)PaO2。指動脈血液中物理溶解的氧分子所產生的壓力，通過血氣分析儀對動脈血液進行檢測得到PaO2檢測結果，臨床上化驗單表示方法為PO2；常用單位為mmHg；指標正常范圍為80～100 mmHg[1]。

(2)SpO2。指在血液中被氧結合成的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比[2]；標準表示法為SpO2；通過多功能監護儀可實時連續監測SpO2的變化；指標正常范圍為94%～100%；臨床常規設定SpO2低限報警值為90%。

1.2 檢測原理

(1)PaO2測定。PaO2的測定是基于電解氧的原理而實現[3]。氧分壓測定設備的核心部件是氧分壓電極，是由一鉑金絲陰極和銀/氯化銀陽極構成；檢測樣品中的氧在鉑金絲陰極表面產生電解反應，其電解電流的大小與樣品中PaO2值的高低呈正比；電解電流經由血氣分析儀測定可直接得到PaO2值[4-5]。PaO2檢測過程需要抽取患者動脈血液，屬于有創傷性操作，不適合連續或高密度檢測，因此檢測時機需具備合理性。

(2)SpO2監測。SpO2的監測是根據光學原理而實現。利用氧合血紅蛋白與血紅蛋白對不同波長的紅光及紅外光吸收量不同的特性，用分光光度法檢測血液對光吸收量的變化，測量動脈血液中氧合血紅蛋白占全部血紅蛋白的百分比，從而得出SpO2數值[6-8]。SpO2的監測屬于無創傷性操作，可以進行連續監測。

2 PaO2與SpO2相關性研究

2.1 研究對象

(1)治療科室。急診重癥監護室(emergency intensive care unit，EICU)。

(2)患者病癥。重癥肺部感染患者。

2.2 儀器設備

(1)采用GEM Premier 3000型全自動血氣分析儀(美國IL公司)檢測患者PaO2，設備檢測每月進行1次室內質量控制，每日標定由設備自動完成。

(2)采用MP30型多參數監護儀(美國飛利浦公司)檢測患者SpO2，設備質量控制情況為1年/次。

2.3 研究方法

(1)病例選擇。選取3例在EICU救治期間，病情危重，PaO2檢測值變動幅度較大，且原始記錄次數≥5次的患者，作為相關關系研究病例；從中選取1例出現缺氧體征，監護儀SpO2顯示值在低限報警90%以上的患者，作為SpO2相對PaO2變化的時間滯后特性研究病例。

(2)數據選擇標準。對于相關關系研究病例，根據PaO2檢測數據記錄，提取對應時間點SpO2監測數據；對于PaO2與SpO2變化時間滯后特性研究病例，以檢測PaO2時間點向前向后各延長50 min左右，提取SpO2監測分鐘數據。

(3)數據研究方法。應用Excel程序中散點圖表法繪制PaO2與SpO2相關分析曲線圖，定性分析PaO2與SpO2是否存在相關關系；應用Excel程序中的相關系數法，運算得到相關系數γ，定量分析PaO2與SpO2的相關程度；應用Excel應用程序中的散點圖表法，以提取的SpO2監測分鐘數據作為基礎研究數據繪制SpO2-時間曲線圖，并在圖中標注PaO2檢測點及特征參考點，生成分析圖表，研究SpO2相對PaO2變化的時間滯后特性。

2.4 相關關系的定性分析

2.4.1 繪制PaO2與SpO2相關分析曲線圖

根據研究方法與步驟的標準選取3例患者病例(簡稱患者1、患者2、患者3)，繪制3例患者PaO2與SpO2相關分析曲線圖，如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 患者1 PaO2與SpO2相關分析曲線圖

圖2 患者2 PaO2與SpO2相關分析曲線圖

圖3 患者3 PaO2與SpO2相關分析曲線圖

2.4.2 曲線特征分析

圖1～3中PaO2與SpO2曲線變化特征為：①曲線變化方向基本相同；②曲線波動規律基本相同；③趨勢線顯示為趨勢同向。

2.4.3 定性分析結論

通過散點圖表法的分析，證明PaO2與SpO2在性質上存在相關關系[9]。

2.5 相關關系的定量分析

PaO2與SpO2相關關系的定量分析方法，采用了Excel程序中的相關系數法。

(1)相關系數γ的含義。相關系數γ(correlation coefficient)又稱Pearson積矩相關系數，是用無量綱的系數形式來度量兩個變量X和Y之間相關程度和相關方向[9]。

(2)相關系數運用EXCEL程序中的CORREL函數進行計算。

(3)相關系數γ無單位，其值為-1≤γ≤1。γ值為正，表示變量X和Y之間正相關；γ值為負，表示負相關；γ=1表示兩變量完全正相關；γ=-1表示兩變量完全負相關；若γ=0則為不相關。γ數值靠近1，表示為高度正相關[9]。

3 PaO2與SpO2相關關系的定量分析數據及計算結果

3.1 相關系數軟件計算

對應患者1、患者2和患者3的PaO2與SpO2相關系數γ軟件計算過程，E1顯示的數值為相關系數γ計算結果(如圖4、圖5和圖6所示)。

3.2 定量分析結果

PaO2與SpO2存在正相關關系定量分析的相關程度高，其結果見表1。

3.3 SpO2相對PaO2變化的時間滯后特性結果

在患者病例跟蹤過程中，SpO2相對PaO2的變化存在一個時間差，如果這個時間差被證明是具有內在的規律，則可被定義為時間滯后特性。以下是根據典型病例數據對時間滯后特性的研究過程。

表1 PaO2與SpO2相關關系定量分析結果

圖7 患者3SpO2時間曲線圖

圖4 患者1相關系數軟件計算過程截圖

圖5 患者2相關系數軟件計算過程截圖

圖6 患者3相關系數軟件計算過程截圖

3.3.1 繪制SpO2時間曲線圖

選擇患者3在2月2日凌晨3：20至4：12的急救治療過程進行重點研究。以時間在3：20和4：12的PaO2檢測記錄點為基準點，向前向后各延長40～50 min左右，調取相應時間SpO2監護分鐘數據，繪制SpO2時間曲線圖，如圖7所示。

3.3.2 對應的監護治療信息

2月2日凌晨2：50左右常規巡視發現患者出現氣急現象，期間監護儀SpO2顯示值為95%，檢查了患者的治療設備狀態完好后繼續觀察；3：20氣急體征仍無好轉，監護儀SpO2監測值為90%，設備出現低限報警；檢測動脈血氣，PaO2檢測值為61 mmHg，介于輕、中度低氧血癥臨界值，立即實施急救；4：12患者體征明顯好轉，再次行動脈血氣檢測，PaO2檢測值為74 mmHg，確認了急救效果，對應SpO2監測值為92%。

3.3.3 SpO2(PaO2)時間曲線變化分析圖的生成

根據治療信息，對圖4劃分區域并標注，生成SpO2(PaO2)時間曲線變化分析圖。①將PaO2檢測的時間點3：20設為a點，患者實施救治后再次檢測PaO2的時間點4：12設為b點；②將SpO2最后出現最低值位置設為c點，SpO2重新出現最高值位置設為d點；③將a點左側方框定義為A區域，方框與a點之間定義為A1區域；④將a點與b點之間定義為B區域；⑤將b點右側定義為C區域(如圖8所示)。

3.3.4 各區域內曲線變化特征及分析

(1)A區域曲線變化特征及分析。①SpO2曲線從平穩狀態變化為小周期內劇烈波動狀態，在29 min(時間在2：23～2：52)內反復向下，波動幅度＞2%，SpO2監測值從最高97%下降到93%左右，指標仍處于90%低限報警上方；②SpO2監測值出現了低于94%正常值的狀況(時間在2：46)；③A區域無PaO2檢測點；④分析A區域中SpO2曲線在29 min內的異常波動現象，表示患者病情進入不穩定狀態，SpO2監測值連續出現新低形成向下趨勢，表示患者病情已開始惡化。

圖8 SpO2(PaO2)時間曲線變化分析示圖

(2)A1區域曲線變化特征及分析。①SpO2曲線從凌晨2：55開始加速向下運行，在24 min(2：55～3：19)內多次低至90%低限報警附近；②設備低限報警后于3：20檢測血氣，檢測點設置為a點，相應PaO2檢測值為61 mmHg；③分析A1區域中SpO2曲線走勢反映了患者病情加速惡化的過程，病情惡化程度通過a點的PaO2檢測值確認。

(3)B區域曲線變化特征及分析。①SpO2曲線經過快速下降進入B區域，最低點在血氣檢測點a點(時間在3：20)之后9min(時間在3：29)和22min(時間在3：42)出現，在最低點c點(時間在3：42)之后SpO2曲線出現逐步振蕩向上并脫離低點區域的走勢；B區域內曲線出現過3次向上波動的走勢，且波動幅度＞2%；②SpO2監測值在B區域出現最低值2次，數值為88%；③4：12為第二次血氣檢測點b點，PaO2檢測值為74 mmHg；④分析B區域涵蓋了整個急救過程所經歷的時間變化、PaO2檢測值變化及SpO2監測值變化的全部信息。經歷了52 min時間，SpO2曲線從下降經歷橫向波動轉變為上升趨勢，通過指標變化的過程反映了急救效果；PaO2檢測值從61 mmHg回升至74 mmHg，體現了指標變化的及時性和靈敏性，對急救效果起到了實時確認的作用。

(4)C區域曲線變化特征及分析。①SpO2曲線在b點(時間在4：12)之后持續向上進入C區域，出現了2次2%幅度的加速上升過程(時間在4：14～4：15，4：38～4：39)，d點(時間在4：39)之后SpO2指標均處于94%～100%的正常范圍；②C區域內SpO2監測值出現了與A區域高點相同的現象，出現d點(時間在4：39)數據為97%；③分析C區域內的SpO2曲線走勢反映了急救效果良好、病情好轉并穩定的過程，SpO2監測值出現新高的d點(時間在4：39)，比PaO2檢測點b點滯后27 min穩定于指標正常值區間。

3.3.5 滯后時間的分析

(1)滯后時間數據詳解。在A、A1、B及C的4個區域中SpO2變化均滯后于PaO2變化。①在A及A1區域，患者在凌晨2：50左右被發現缺氧體征，而SpO2監測值達到90%低限報的時間在凌晨3：03～3：19，滯后于患者出現體征的時間30 min左右；②B區域凌晨3：20(a點)PaO2檢測值為61 mmHg，在采取救治措施之后，SpO2監測值在出現2次最低值(88%)、持續22 min(時間在3：20～3：42)之后開始向上，響應救治效果；③在凌晨4：12(b點)急救結束，PaO2檢測值為74 mmHg，表明救治效果良好，而此時SpO2監測值92%未達到指標正常區間；④在27 min(C區域d點)之后SpO2監測值為97%，符合PaO2與SpO2臨床經驗數據對應關系表中數值，見表2[10]。

表2 PaO2與SpO2的臨床經驗數據對應關系

(2)分析結果。SpO2相對PaO2變化的滯后時間約為20～30 min。

3.3.6 SpO2相對PaO2變化的時間滯后特性本質原因

血氣檢測是對患者動脈血液直接進行檢測，檢測值直接反映患者病情變化情況，根據PaO2兩個檢測點數據可對患者當前病情變化方向進行判斷。

患者病情變化的過程，是人體原有酸堿平衡被打破與重新建立的過程。由于氧合血紅蛋白及血紅蛋白對于人體酸堿平衡調節有著緩沖系統的作用，參與體內新的酸堿平衡過程的建立，只有當新建立的酸堿平衡穩定之后，SpO2監測值才能反映機體新的酸堿平衡環境下組織的含氧信息；SpO2的測量部位是通過指端進行的，指端是血液循環的最末端，是人體生理變化響應時間最遲的部位[11]。從生理學角度可以證明SpO2相對PaO2變化具有時間滯后特性，即SpO2相對PaO2變化具有時間滯后特性本質上的原因。

4 討論

4.1 臨床應用目的

研究PaO2與SpO2相關性可更早地發現病情發生變化的現象，及時關注病情惡化趨勢形成的可能性，及早實施PaO2檢測以確認病情惡化的程度，調整治療方案或實施急救措施，并根據SpO2區域波動特征合理設置PaO2檢測點，建立指標量化分析體系。

4.2 臨床應用意義

(1)PaO2是評價人體氧合狀態的綜合指標，也是反映人體呼吸功能的重要生理參數。由于PaO2的檢測結果準確，因此是判斷、確認機體組織缺氧及低氧血癥程度公認的第一參考指標[12]。

(2)SpO2是經外周血管對動脈血液中血紅蛋白的氧飽和狀態進行監測，其值反映了動脈血液中氧的含量、血紅蛋白與氧結合的能力以及機體組織含氧的狀態，也反映了血紅蛋白通過血液循環把氧運送到全身各組織的能力[13-15]。

4.3 影響PaO2與SpO2的生理因素

人體新陳代謝過程中所需要的氧，是經過呼吸道、肺泡、動脈血、毛細血管以及組織細胞各個環節逐步被釋放。在此過程中，任何一個步驟若發生病理變化，均可使PaO2下降幅度增大，導致機體缺氧。PaO2是反映肺泡通氣功能最敏感的指標，當呼吸生理功能發生變化時，PaO2首先會受到影響[16]。

人體動脈血管隨著心臟收縮和舒張產生擴張與收縮，SpO2監測是利用了人體生理的這個特點，通過測試部位血液容量的變化，監測氧合血紅蛋白及血紅蛋白的含量，因此測試部位的血液灌注情況對SpO2監測值的準確性會產生一定的影響[17]。

血液對于人體酸堿平衡調節具有緩沖系統的作用，氧合血紅蛋白及血紅蛋白的緩沖作用占全血中各緩沖體系的35%[18]。氧合血紅蛋白具弱酸性，還原血紅蛋白具弱堿性，由于生理或病理原因致使原有的酸堿平衡被打破，在機體新的酸堿平衡的建立過程中，氧合血紅蛋白及血紅蛋白在血液中的濃度會發生改變，因此SpO2監測值會受到影響[19]。

本研究表明，肺部感染患者病情變化迅速，在監護治療期間病情會經歷多次反復，每次會出現20～30 min的加速惡化過程，如不能及時發現并采取措施，則會危及患者生命。將PaO2與SpO2相關性應用于臨床，會在患者病情惡化的早期發現并加以處置，可以有效抑制A1區域SpO2監測值向下的幅度，縮短患者處于缺氧狀態的時間約為20 min左右。患者病情經歷惡化→發現→救治→好轉→穩定的階段，若每一階段都具備SpO2配合PaO2指標量化分析方法的指導，對鞏固治療效果、減少病情反復的次數、縮短治療周期及患者早日康復均會帶來正向影響。

5 結語

運用患者在EICU監護治療期間的PaO2檢測數據與SpO2監測數據，通過定性及定量的分析，證明了PaO2與SpO2存在高度正相關關系；PaO2與SpO2的正相關關系在患者監護治療的大周期中得到充分體現。在患者病情惡化、急救及恢復穩定的過程中，SpO2相對PaO2變化時間滯后約20～30 min；時間滯后特性在約2～3 h的小周期中得到充分體現。

通過對PaO2與SpO2相關性的研究，初步建立了PaO2與SpO2配合的指標量化分析體系，日后還需經過不同情況的臨床實踐，在更多的患者救治過程中應用并逐步完善。