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Clinical Study on the Safety of Apnea Testing by Modified Artificial CO₂ Augmentation

马朋林¹，杨明施²，魏东宁³，李秦¹，彭月²，苏瑾文¹，赵金柱¹

MA Peng－lin， YANG Ming－shi，WEI Donglin，LI Qin，PENG Yue，SHU Jin－wen. The Emergency and Critical Care Medicine Department，The Second Affiliated Hospital， General Hospital of PLA， Beijing， 100091，China.

Abstract

　　Objective：To evaluate the safety of apnea testing by modified artificial CO2 augmentation.

　　Methods: Conventional （protocol A） and the modified artificial CO2 （protocol B） apnea test was performed in fourteen clinical suspected brain death patients. Protocol B was performed as follows：A T－type connector was put between the end of endotracheal tube and ventilator pipeline. CO₂ infusion tube was connected by the side output of the T－type connector.Different with the conventional way，mechanical ventilation was still maintained after 10 minutes pre－oxygenation with FiO₂ 100％. Instead，CO₂ Was insufflated by the rate of 1.5 L/ min. Patients were disconnected from ventilator 1 minute after. Blood gas was respectively analyzed before apnea testing，10 minutes after 100％ FiO₂ ventilation，at each 2 minutes interval after ventilator disconnect for protocol A，before and 1 minute after disconnection for protocol B and 5 minutes after re－ventilation. Hemodynamic parameters were recorded at the same time points. Plasma concentration of lactate was measured before and at the end of apnea testing.

　　Results：Spontaneous breath did not occurred in all of fourteen suspected brain death patients. PaCO₂ higher than 60mmHg was achieved within 8 minutes. pH significantly decreased（p<0.05），but PaO₂ keep higher than 200 mmHg during testing in protocol A. Conventional apnea testing resulted in MAP slight decrease（p>0.05），but a significant PAP increase（p<0.05）at the end of testing in comparison with their base lines. Target PaCO₂ was reached after 1 minute CO₂ inhalation. On other hand，PAP increase was not found in protocol B. Plasma lactate level was not significantly altered at the end of testing compared with base line in both protocol A and B.

　　Conclusion：Adequate oxygenation could be maintained in both apnea testing methods. Risk of hypotension and pulmonary arterial hypertension should be considered during apnea testing by conventional way. Less risk was indicated in the modified artificial CO（protocol B）apnea test. But，it is important for patient safety to closely monitor blood gas.

　　Key words：Apnea testing；Brain death；Safety

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　　在脑死亡临床判定过程中，呼吸暂停试验是一项判断脑干功能是否丧失的重要临床指标，对脑死亡诊断起十分关键的作用^[1]。但采用传统方法实施呼吸暂停试验过程中，低血压、肺动脉高压、室性心律失常以及呼吸性酸中毒等严重并发症时有报道^[2，3]，并存在进一步加剧脑及其它重要器官功能损害的风险。此外，传统呼吸暂停试验需终止机械通气8分钟，病人家属因担心试验期间病人的安全性问题而常常难以接受。本研究拟探索一种既能有效预防传统呼吸暂停试验并发症，又具有较高安全性的呼吸暂停试验实施方法。

资料与方法

　　1.1病例选择：于2003年5月至2005年6月期间，在解放军总医院第二附属医院ICU、中南大学湘雅三医院ICU，征得院科委会同意并与患者家属签订知情同意书后，按以下标准共收集临床可疑脑死亡病例14例。

　　入选标准：（1）年龄：18～65岁。（2）深昏迷48小时后，有明确昏迷原因：A.原发性脑损伤，包括脑外伤、脑血管疾病等；B.继发性脑损伤：如心跳骤停、麻醉意外、溺水、窒息等。（3）脑干反射消失（由神经内科主治医师参与判断）。（4）无自主呼吸^[4]。

　　排除标准：（1）原因不明的昏迷。（2）可逆性昏迷：如急性中毒，低温、电解质紊乱、代谢及内分泌障碍。（3）严重心律失常：频发室早，或更严重者。（4）严重电解质紊乱。（5）100％纯氧机械通气10分钟PaO2<200mmHg。

　　1.2试验前准备：经桡动脉置管以及颈内静脉置入Swan－Ganz导管（7F），连接多功能心电监护仪。测量核心温度，不足36.5℃时以电热毯升温；调整前负荷，维持动脉收缩压大于100mmHg，不足时应用血管活性药物维持（去甲肾上腺素）。

　　1.2.1传统呼吸暂停试验（试验A）：调整机械通气参数使PaCO2至35－45mmHg。以100％纯氧机械通气10分钟后（PaO₂>200mmHg）断开呼吸机，以6 L/Min氧气经气管导管吹入，每2分钟行床旁血气分析（iSTAT血气分析仪），待PaCO₂上升超过60 mmHg或比基础值上升20mmHg后（4～8分钟）继续观察1分钟，记录呼吸动作。试验结束后重新给予机械通气（FiO250％，其余参数不变）。

　　1.2.2 吸入CO₂法（试验B）：在气管插管末端连接‘T’型管，并分别与呼吸机管路及CO2气体管路连接。与传统方法相同，根据血气结果调整呼吸机参数使PaCO₂维持在35～40 mmHg，试验开始以纯氧机械通气10min， 与传统方法不同，不断离呼吸机，打开CO₂阀门，向吸入气中混入1.5 L/min CO₂ 1min，断开呼吸机，以6L/min氧气经气管导管吹入，继续观察呼吸动作1min。

　　1.2.3检测指标：试验过程中严密监护，如出现自主呼吸、严重心率失常、低血压（收缩压<90mmHg），经皮血氧饱和度<90％，立即终止试验，重新给予机械通气。传统呼吸暂停试验（试验A）：分别于试验前（基础值A0）；FiO2 100％机械通气10分钟（A1）；脱离呼吸机后 4分钟（A2）、6－8分钟（A3）；重新机械通气后5分钟（A4），以及吸入CO₂法（试验B）试验前（基础值B0），FiO2 100％机械通气10分钟（B1）；吸入CO₂1分钟（B2）；脱离呼吸机吸入O₂ 6升/分钟1分钟（B3）和重新机械通气后5分钟（B4），测动脉、混合静脉血气（美国雅培iSTAT快速血气仪）；血流动力学参数（MAP、PAP、CVP、Pawp、HR），心律失常发生情况。在预氧合结束时（A0或B0）及呼吸暂停试验结束时（A4或B4）抽取动脉血检测血乳酸浓度。

　　每例病人均实施传统（试验A）和吸入CO₂法（试验B）呼吸暂停试验。实施试验A或试验B的先后按病例入选秩序轮换，两种试验间隔40分钟。

　　1.3统计分析：试验数据采用双因素方差分析（F检验），出现统计学意义后行Q检验，比较各时间点数据间统计学差异。组间比较采用t检验。

结　果

　　２.１一般资料：

　　14例病人中，男性11例，女性3例，平均年龄44.1±12.5岁。引起昏迷的原因中，脑外伤病人8例，脑出血4例，另外2例为溺水。所有病例Glasgow昏迷程度评分均为3分（表1）。14例病人呼吸暂停试验结果均为阳性。

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　　２.２呼吸暂停试验对血流动力学的影响：

　　试验A脱离呼吸机4分钟内，患者HR、MAP无明显变化，8分钟时，即PaCO₂上升超过60 mmHg或超过基础值20 mmHg后，MAP轻度下降，但无统计学意义（图1a，1c）。但于脱机后4分钟、6－8分钟，与基础值比较，PAP显著升高（p<0.05，图1b）。试验过程中，Pawp保持相对稳定（图1d）。

　　试验B全试验过程中，上述血流动力学参数均保持相对稳定，与基础值比较无显著差异（图1a、1b、1c、1d）。脱机后1分钟与实验A脱机后6－8分钟比较（即两种方法使PaCO₂上升超过60 mmHg或超过基础值20 mmHg后），PAP值差异显著（p<0.05，图1b）

　　两种呼吸暂停试验方法（试验A、试验B）试验过程中，无心律失常发生。

　　2．3呼吸暂停试验时血气的变化及对血乳酸浓度的影响

　　试验A，于脱机后第4分钟，有5例病人PaCO₂上升超过60mmHg，重新给予机械通气，其余9例病人8分钟内PaCO₂上升均超过60mmHg，其中2例PaCO₂上升均超过80mmHg。随着PaCO₂上升，pH值下降，与基础值比较，于6－8分钟出现显著差异（p<0.05）。虽然脱机后PaO₂逐步下降，其绝对值均保持在200 mmHg以上，无低氧血症发生（图2a、2b、2c）。

　　试验B，吸入1.5 L/min CO₂ 1 min 后，14例病人中3例PaCO₂上升未达到60 mmHg（分别为52.6 mmHg， 57.6 mmHg，58.4 mmHg），但均较基础值上升超过20 mmHg，一例病人PaCO₂上升超过80 mmHg。脱机1min后，PaCO₂继续轻度上升，但与脱机前比较无显著差异（p>0.05）。脱机前后，PaO₂无明显下降，pH值变化与试验A基本一致（图2a、2b、2c）。

　　2．4血乳酸浓度变化

　　两种呼吸暂停试验方法（试验A、B）试验前后血乳酸浓度无明显改变（图3）。

讨　论

　　呼吸暂停试验的安全性越来越受到关注。焦点问题是，呼吸暂停试验是否可能加重已存在严重损害的脑组织细胞和其它可能成为移植供体的器官功能，以及由此引起的医学伦理和社会问题。

　　传统呼吸暂停试验过程中，低血压、肺动脉高压、室性心律失常等严重并发症与长时间高碳酸血症有关^[5，6]。盛慧球等报道，呼吸暂停时间超过8分钟后，MAP可下降至50mmHg以下^[7]。本次研究结果亦显示，传统呼吸暂停试验过程中，脱机4 min后PAP显著升高（图1b）。因此，缩短呼吸机断离及高碳酸血症时间有可能有效减少上述并发症。

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　　通过在吸入气中人为增加CO₂含量，可迅速提高血液中PaCO₂，有效缩短呼吸暂停试验时间。1995年Lang曾提出向机械通气管路吸入段输入CO₂迅速提高PaCO₂，旨在有效缩短病人无辅助呼吸状态时间，减少上述并发症发生。试验结果显示，PaCO₂上升至目标值时间显著缩短，但部分病例出现过高PaCO₂，并引起严重肺动脉高压，因此该方法未得到临床广泛应用。该研究的主要问题在于，输入CO₂气体的位置在机械通气呼吸管路的吸入段。当呼吸机由吸气相切换至呼气相时，机械通气呼吸管路的吸入段内无气体流动，但CO₂仍以恒定流速向吸入段管路内输入，吸入段管路内气体被CO₂置换，导致O₂含量下降，CO₂含量升高，相切换至吸气相时，管路内高浓度CO₂被吸入，另一方面，呼吸机管路的内经、长短，呼吸频率，吸气时间、潮气量等呼吸参数均影响CO₂吸入量，因此易导致PaCO₂过高和个体间差异大。本研究将CO₂气体输入的位置转移至呼吸机与气管插管连接处，当呼吸机由吸气相切换至呼气相时，尽管CO₂仍以恒定流速向管路内输入，但由于吸入段内无气体流动，被输入CO₂气体随呼出气排出，除因弥散作用导致极少量CO₂进入外，吸入段管路内气体基本不被CO₂置换，气体含量相对恒定。切换至吸气相时，恒定流量CO₂按呼吸机吸入气流变化速度被带入肺内交换，呼吸机参数的设定便成为影响CO₂气体摄入的关键因素，吸入CO₂气体时，不改变呼吸机参数便可保持PaCO₂上升速度基本恒定，有效避免PaCO₂过高发生（动物实验结果未发表）。本研究结果显示，调整机械通气参数使PaCO₂保持在35－45mmHg范围，吸入1.5 L/min CO₂ 1 min ，PaCO₂能有效上升至60－75mmHg或较基础值升高20mmHg，14例中仅1例超过80mmHg（83mmHg）。脱机后1min内，呼吸暂停试验阳性病人（无自主呼吸出现），PaCO₂能基本保持在脱机时水平。由于有效缩短了呼吸暂停时间，降低了过高PaCO₂发生率（>75mmHg），呼吸暂停试验过程中，血流动力学保持稳定，无传统呼吸暂停试验时PAP显著上升现象。

　　值得提出的是，两种呼吸暂停试验前后，血乳酸浓度无明显变化，表明试验过程不影响组织氧代谢。但仍存在PaCO₂过高的风险。试验过程中，采用连续PaCO₂监测将极大程度提高呼吸暂停试验安全性。

　　结论：吸入CO₂法以及传统方法实施呼吸暂停试验均能有效保持足够组织氧代谢。传统呼吸暂停试验过程中，由于高PaCO₂时间长，存在肺动脉高压以及循环不稳定风险。吸入CO₂法实施呼吸暂停试验，能有效避免该并发症，但连续PaCO₂监测的应用是试验安全的有效保证。

参考文献：

1. Quality Standards Subcommittee of the American Academy of Neurology. Practice parameters for determining brain death in adults [J]. Neurology 1995；45：1012－1014.

2. John L G，Eelco FM，Steve FE. Complications during apnea testing in determination of brain death：Predisposing factors [J]. Neurology 2000；55：1045－1048.

3. 马朋林，陈德昌，蔡忠军等，一种对血液动力学影响较小的判断犬脑死亡新方法[J]。基础医学与临床 2004；24（1）：74－78

4. 卫生部脑死亡判定标准起草小组。脑死亡判定标准（成人）[J]。中华医学杂志 003；83（3）：262－264。

5. Goudreau JL，Wijdicks EFM，and Emery SF. Complications during apnea testing in the determination of brain death：Prediposing factors [J]. Neurology，2000，55：1045－1048

6. Nicolas F，Combes JC，Louvier N，et al. Severe pulmonary arterial hypertension during the apnea test [J]. Transpl Proc，1996，28：375－379

7. 盛慧球，史以珏，蒋健等，脑死亡判定中呼吸暂停试验临床实施的可行性及对血压和心率的影响[J]。中国急救医学 2005，25（6）：402－404

8. Lang C. Apnea testing by artificial CO2 augmentation [J]. Neurology；1995；45：966－969