本論文旨在通過大鼠尾部懸吊方式建立模擬微重力動物模型，研究微重力環境對無創方法測量大鼠血氧飽和度結果的影響。分別在飼養第 14 天、21 天和 28 天使用脈搏血氧儀、血氣分析儀測量實驗組、對照組大鼠的脈搏血氧飽和度（SpO2）及動脈血氧飽和度（SaO2）。配對 t 檢驗結果顯示，與對照組相比，實驗組大鼠的 SpO2 在第 14 天（P < 0.05）、21 天（ P < 0.05）和 28 天（ P < 0.05）均明顯低于 SaO 2 值。方差分析結果顯示，SpO2 值與造模時間有關，而 SaO2 值與造模時間無關。上述結果表明，現有常規脈搏血氧儀可能不適用于空間微重力環境下的血氧飽和度測量。
引用本文： 陳廣飛, 張亞慧, 袁明, 何史林, 應俊, 李晨. 模擬微重力對大鼠脈搏血氧飽和度測量結果的影響研究. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(1): 57-59. doi: 10.7507/1001-5515.201701023 復制
引言
血氧飽和度是載人航天飛行過程中評價航天員身體狀況的重要生命體征參數，因此探討適合航天要求的血氧飽和度檢測方法很有必要。
目前監測血氧飽和度的方法為有創法和無創法兩種。有創法是通過抽取受試對象的動脈血并使用血氣分析儀進行測量，此種方法測到的血氧飽和度被稱為動脈血氧飽和度（SaO2）；而無創法則是使用脈搏血氧儀來測量，此種方法測得的血氧飽和度稱被為脈搏血氧飽和度（SpO2）。常規脈搏血氧儀的測量原理是通過測量血液中的氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白分別對大約 660 nm 近紅外光和 910 nm 紅外光的吸收程度，按照朗伯-比爾定律[1]來計算獲得的。而目前的血氣分析儀大都是通過電極測量血液中的氧氣分壓來測得血液中的氧氣濃度。正常情況下，這兩個測量結果雖然不完全相同，但具有很好的相關性，且二者的差異在一個可接受的范圍之內。
有研究表明，微重力環境可能會引起血紅蛋白的結構改變[2-5]，而結構改變有可能引起血紅蛋白吸收光譜的改變，從而導致目前常規的脈搏血氧儀不適用于微重力環境，但這一推測目前尚無研究予以證實或證偽。
本研究旨在通過實測模擬微重力環境下 SaO2 和 SpO2 的差異，探討模擬微重力環境對脈搏血氧儀測量結果的影響。
1 材料與方法
1.1 實驗儀器
實驗使用大鼠體溫維持儀（JR-30，成都泰盟軟件有限公司，中國）來維持大鼠的體溫；使用大鼠脈搏血氧儀（MouseOx，Starr 公司，美國）測量大鼠的 SpO2[6-7]；使用動脈采血器（BD Preset，BD 公司，美國）采集大鼠的動脈血；使用手持血氣分析儀（i-STAT1，雅培公司，美國）測量大鼠的 SaO2。
1.2 實驗動物和流程
實驗選用 60 只（200 ± 10）g 的健康雄性 Wistar 大鼠作為實驗對象。將這些大鼠按照每組 10 只，隨機分為 A1、A2、A3 和 B1、B2、B3 六組，其中 A1、A2、A3 組為對照組，B1、B2、B3 組為實驗組。實驗組大鼠在模擬微重力環境下飼養，對照組在正常條件下飼養。對上述所有大鼠均提供同種、等量的飼料和水。分別于實驗開始后第 14 天、21 天和 28 天，測量實驗組和對照組大鼠的 SaO2 和 SpO2。
本實驗中采用將大鼠頭低位 30° 尾部懸吊方式模擬微重力環境[8-10]。圖 1 為大鼠懸吊飼養照片。
圖1
大鼠懸吊飼養照片
Figure1.
The picture of rat fed in tail suspension group
實驗過程中，首先將麻醉后的大鼠放置在大鼠體溫維持儀的恒溫墊上，以維持大鼠的體溫。再利用大鼠脈搏血氧儀在大鼠的后足部測量 SpO2 值。最后采集大鼠腹主動脈血，通過血氣分析儀測量 SaO2 的值。
1.3 統計學方法
用 SPSS 進行獨立樣本 t 檢驗、配對 t 檢驗以及單因素和多因素方差分析。檢驗水準 α = 0.05。當 P 值小于 0.05 時，差異具有統計學意義。
2 結果
2.1 描述統計及配對 t 檢驗
在第 14 天、21 天和 28 天三個時間點上，對照組和實驗組的 SaO2 和 SpO2 數據的合并統計量及配對 t 檢驗結果如表 1 所示。
表1
對照組和實驗組 SaO2、SpO2 的合并統計量及配對 t 檢驗結果
Table1.
Summery statistics and paired t test results in control group and trial group
根據表 1 的統計結果可知，A1、A2 和 A3 組大鼠的 SaO2 和 SpO2 數據統計結果在 α = 0.05 檢驗水準下的差異無統計學意義，故不能認為 SaO2 和 SpO2 的測定結果不同。B1、B2 和 B3 組大鼠的 SaO2 和 SpO2 數據統計結果在 α = 0.05 檢驗水準下的差異均有統計學意義，可認為 SaO2 和 SpO2 的測定結果不同。SpO2 較 SaO2 偏低，而且可以看出，差異隨著造模時間的增加而增大。
2.2 方差分析
使用 SPSS 將對照組和實驗組數據進行方差分析，測定 SaO2 和 SpO2 是否受研究時間長度的影響。
表 2 為對照組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析結果。表中數據顯示，飼養時間對 SaO2 和 SpO2 測量均無顯著影響。
表2
對照組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析
Table2.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in control group
表 3 為實驗組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析。表中數據顯示，造模時間對 SaO2 的測量值無明顯影響，但對 SpO2 的測量有顯著影響。
表3
實驗組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析
Table3.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in trial group
表 4 為對照組大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中數據顯示，不同組大鼠之間的 SpO2 測量結果無差異。
表4
對照組大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table4.
Multi-way ANOVA of SpO2 in control group
表 5 為實驗組大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中數據顯示，造模時間為 28 天的 SpO2 測量結果分別和造模時間為 14 天、21 天的 SpO2 測量結果有明顯差異，P 值分別為 0.013 和 0.050，差異有統計學意義；而造模時間為 14 天和 21 天的 SpO2 測量結果則無明顯差異。說明隨著造模時間的增加，對 SpO2 的測量結果影響逐漸增大。
表5
實驗組大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table5.
Multi-way ANOVA of SpO2 in trial group
2.3 結果
以上結果表明，模擬微重力環境對于 SaO2 的測量幾乎沒有影響，但對于 SpO2 測量結果的影響是顯著的，并且 SpO2 與 SaO2 的差異隨造模時間的增加而增加。
3 結論與討論
根據以上結果分析，在模擬微重力環境下，現有常規脈搏血氧儀可能不適用于大鼠的血氧飽和度測量。由此推論出，載人航天中，也許不能直接使用現有的脈搏血氧儀檢測宇航員的血氧飽和度。
根據朗伯—比爾（Lamber-Beer）定律[1]可知，SpO2 與動脈血液中 HbO2 對入射光的吸光系數（E）、血液中 HbO2 濃度（C）有關。故造成這一現象的原因可能是微重力下蛋白結構發生變化，導致吸收光譜峰值移動、吸光能力改變，或血液中 HbO2 濃度改變等。后續研究應從上述物理量的測量著手，通過探索物理量隨造模時間的變化規律，確定補償方法，從而使設備有效克服環境影響，在空間醫學領域發揮重要作用。
引言
血氧飽和度是載人航天飛行過程中評價航天員身體狀況的重要生命體征參數，因此探討適合航天要求的血氧飽和度檢測方法很有必要。
目前監測血氧飽和度的方法為有創法和無創法兩種。有創法是通過抽取受試對象的動脈血并使用血氣分析儀進行測量，此種方法測到的血氧飽和度被稱為動脈血氧飽和度（SaO2）；而無創法則是使用脈搏血氧儀來測量，此種方法測得的血氧飽和度稱被為脈搏血氧飽和度（SpO2）。常規脈搏血氧儀的測量原理是通過測量血液中的氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白分別對大約 660 nm 近紅外光和 910 nm 紅外光的吸收程度，按照朗伯-比爾定律[1]來計算獲得的。而目前的血氣分析儀大都是通過電極測量血液中的氧氣分壓來測得血液中的氧氣濃度。正常情況下，這兩個測量結果雖然不完全相同，但具有很好的相關性，且二者的差異在一個可接受的范圍之內。
有研究表明，微重力環境可能會引起血紅蛋白的結構改變[2-5]，而結構改變有可能引起血紅蛋白吸收光譜的改變，從而導致目前常規的脈搏血氧儀不適用于微重力環境，但這一推測目前尚無研究予以證實或證偽。
本研究旨在通過實測模擬微重力環境下 SaO2 和 SpO2 的差異，探討模擬微重力環境對脈搏血氧儀測量結果的影響。
1 材料與方法
1.1 實驗儀器
實驗使用大鼠體溫維持儀（JR-30，成都泰盟軟件有限公司，中國）來維持大鼠的體溫；使用大鼠脈搏血氧儀（MouseOx，Starr 公司，美國）測量大鼠的 SpO2[6-7]；使用動脈采血器（BD Preset，BD 公司，美國）采集大鼠的動脈血；使用手持血氣分析儀（i-STAT1，雅培公司，美國）測量大鼠的 SaO2。
1.2 實驗動物和流程
實驗選用 60 只（200 ± 10）g 的健康雄性 Wistar 大鼠作為實驗對象。將這些大鼠按照每組 10 只，隨機分為 A1、A2、A3 和 B1、B2、B3 六組，其中 A1、A2、A3 組為對照組，B1、B2、B3 組為實驗組。實驗組大鼠在模擬微重力環境下飼養，對照組在正常條件下飼養。對上述所有大鼠均提供同種、等量的飼料和水。分別于實驗開始后第 14 天、21 天和 28 天，測量實驗組和對照組大鼠的 SaO2 和 SpO2。
本實驗中采用將大鼠頭低位 30° 尾部懸吊方式模擬微重力環境[8-10]。圖 1 為大鼠懸吊飼養照片。
圖1
大鼠懸吊飼養照片
Figure1.
The picture of rat fed in tail suspension group
實驗過程中，首先將麻醉后的大鼠放置在大鼠體溫維持儀的恒溫墊上，以維持大鼠的體溫。再利用大鼠脈搏血氧儀在大鼠的后足部測量 SpO2 值。最后采集大鼠腹主動脈血，通過血氣分析儀測量 SaO2 的值。
1.3 統計學方法
用 SPSS 進行獨立樣本 t 檢驗、配對 t 檢驗以及單因素和多因素方差分析。檢驗水準 α = 0.05。當 P 值小于 0.05 時，差異具有統計學意義。
2 結果
2.1 描述統計及配對 t 檢驗
在第 14 天、21 天和 28 天三個時間點上，對照組和實驗組的 SaO2 和 SpO2 數據的合并統計量及配對 t 檢驗結果如表 1 所示。
表1
對照組和實驗組 SaO2、SpO2 的合并統計量及配對 t 檢驗結果
Table1.
Summery statistics and paired t test results in control group and trial group
根據表 1 的統計結果可知，A1、A2 和 A3 組大鼠的 SaO2 和 SpO2 數據統計結果在 α = 0.05 檢驗水準下的差異無統計學意義，故不能認為 SaO2 和 SpO2 的測定結果不同。B1、B2 和 B3 組大鼠的 SaO2 和 SpO2 數據統計結果在 α = 0.05 檢驗水準下的差異均有統計學意義，可認為 SaO2 和 SpO2 的測定結果不同。SpO2 較 SaO2 偏低，而且可以看出，差異隨著造模時間的增加而增大。
2.2 方差分析
使用 SPSS 將對照組和實驗組數據進行方差分析，測定 SaO2 和 SpO2 是否受研究時間長度的影響。
表 2 為對照組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析結果。表中數據顯示，飼養時間對 SaO2 和 SpO2 測量均無顯著影響。
表2
對照組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析
Table2.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in control group
表 3 為實驗組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析。表中數據顯示，造模時間對 SaO2 的測量值無明顯影響，但對 SpO2 的測量有顯著影響。
表3
實驗組大鼠的 SaO2、SpO2 單因素方差分析
Table3.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in trial group
表 4 為對照組大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中數據顯示，不同組大鼠之間的 SpO2 測量結果無差異。
表4
對照組大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table4.
Multi-way ANOVA of SpO2 in control group
表 5 為實驗組大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中數據顯示，造模時間為 28 天的 SpO2 測量結果分別和造模時間為 14 天、21 天的 SpO2 測量結果有明顯差異，P 值分別為 0.013 和 0.050，差異有統計學意義；而造模時間為 14 天和 21 天的 SpO2 測量結果則無明顯差異。說明隨著造模時間的增加，對 SpO2 的測量結果影響逐漸增大。
表5
實驗組大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table5.
Multi-way ANOVA of SpO2 in trial group
2.3 結果
以上結果表明，模擬微重力環境對于 SaO2 的測量幾乎沒有影響，但對于 SpO2 測量結果的影響是顯著的，并且 SpO2 與 SaO2 的差異隨造模時間的增加而增加。
3 結論與討論
根據以上結果分析，在模擬微重力環境下，現有常規脈搏血氧儀可能不適用于大鼠的血氧飽和度測量。由此推論出，載人航天中，也許不能直接使用現有的脈搏血氧儀檢測宇航員的血氧飽和度。
根據朗伯—比爾（Lamber-Beer）定律[1]可知，SpO2 與動脈血液中 HbO2 對入射光的吸光系數（E）、血液中 HbO2 濃度（C）有關。故造成這一現象的原因可能是微重力下蛋白結構發生變化，導致吸收光譜峰值移動、吸光能力改變，或血液中 HbO2 濃度改變等。后續研究應從上述物理量的測量著手，通過探索物理量隨造模時間的變化規律，確定補償方法，從而使設備有效克服環境影響，在空間醫學領域發揮重要作用。
