本论文旨在通过大鼠尾部悬吊方式建立模拟微重力动物模型，研究微重力环境对无创方法测量大鼠血氧饱和度结果的影响。分别在饲养第 14 天、21 天和 28 天使用脉搏血氧仪、血气分析仪测量实验组、对照组大鼠的脉搏血氧饱和度（SpO2）及动脉血氧饱和度（SaO2）。配对 t 检验结果显示，与对照组相比，实验组大鼠的 SpO2 在第 14 天（P < 0.05）、21 天（ P < 0.05）和 28 天（ P < 0.05）均明显低于 SaO 2 值。方差分析结果显示，SpO2 值与造模时间有关，而 SaO2 值与造模时间无关。上述结果表明，现有常规脉搏血氧仪可能不适用于空间微重力环境下的血氧饱和度测量。
引用本文： 陈广飞, 张亚慧, 袁明, 何史林, 应俊, 李晨. 模拟微重力对大鼠脉搏血氧饱和度测量结果的影响研究. 生物医学工程学杂志, 2018, 35(1): 57-59. doi: 10.7507/1001-5515.201701023 复制
引言
血氧饱和度是载人航天飞行过程中评价航天员身体状况的重要生命体征参数，因此探讨适合航天要求的血氧饱和度检测方法很有必要。
目前监测血氧饱和度的方法为有创法和无创法两种。有创法是通过抽取受试对象的动脉血并使用血气分析仪进行测量，此种方法测到的血氧饱和度被称为动脉血氧饱和度（SaO2）；而无创法则是使用脉搏血氧仪来测量，此种方法测得的血氧饱和度称被为脉搏血氧饱和度（SpO2）。常规脉搏血氧仪的测量原理是通过测量血液中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白分别对大约 660 nm 近红外光和 910 nm 红外光的吸收程度，按照朗伯-比尔定律[1]来计算获得的。而目前的血气分析仪大都是通过电极测量血液中的氧气分压来测得血液中的氧气浓度。正常情况下，这两个测量结果虽然不完全相同，但具有很好的相关性，且二者的差异在一个可接受的范围之内。
有研究表明，微重力环境可能会引起血红蛋白的结构改变[2-5]，而结构改变有可能引起血红蛋白吸收光谱的改变，从而导致目前常规的脉搏血氧仪不适用于微重力环境，但这一推测目前尚无研究予以证实或证伪。
本研究旨在通过实测模拟微重力环境下 SaO2 和 SpO2 的差异，探讨模拟微重力环境对脉搏血氧仪测量结果的影响。
1 材料与方法
1.1 实验仪器
实验使用大鼠体温维持仪（JR-30，成都泰盟软件有限公司，中国）来维持大鼠的体温；使用大鼠脉搏血氧仪（MouseOx，Starr 公司，美国）测量大鼠的 SpO2[6-7]；使用动脉采血器（BD Preset，BD 公司，美国）采集大鼠的动脉血；使用手持血气分析仪（i-STAT1，雅培公司，美国）测量大鼠的 SaO2。
1.2 实验动物和流程
实验选用 60 只（200 ± 10）g 的健康雄性 Wistar 大鼠作为实验对象。将这些大鼠按照每组 10 只，随机分为 A1、A2、A3 和 B1、B2、B3 六组，其中 A1、A2、A3 组为对照组，B1、B2、B3 组为实验组。实验组大鼠在模拟微重力环境下饲养，对照组在正常条件下饲养。对上述所有大鼠均提供同种、等量的饲料和水。分别于实验开始后第 14 天、21 天和 28 天，测量实验组和对照组大鼠的 SaO2 和 SpO2。
本实验中采用将大鼠头低位 30° 尾部悬吊方式模拟微重力环境[8-10]。图 1 为大鼠悬吊饲养照片。
图1
大鼠悬吊饲养照片
Figure1.
The picture of rat fed in tail suspension group
实验过程中，首先将麻醉后的大鼠放置在大鼠体温维持仪的恒温垫上，以维持大鼠的体温。再利用大鼠脉搏血氧仪在大鼠的后足部测量 SpO2 值。最后采集大鼠腹主动脉血，通过血气分析仪测量 SaO2 的值。
1.3 统计学方法
用 SPSS 进行独立样本 t 检验、配对 t 检验以及单因素和多因素方差分析。检验水准 α = 0.05。当 P 值小于 0.05 时，差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 描述统计及配对 t 检验
在第 14 天、21 天和 28 天三个时间点上，对照组和实验组的 SaO2 和 SpO2 数据的合并统计量及配对 t 检验结果如表 1 所示。
表1
对照组和实验组 SaO2、SpO2 的合并统计量及配对 t 检验结果
Table1.
Summery statistics and paired t test results in control group and trial group
根据表 1 的统计结果可知，A1、A2 和 A3 组大鼠的 SaO2 和 SpO2 数据统计结果在 α = 0.05 检验水准下的差异无统计学意义，故不能认为 SaO2 和 SpO2 的测定结果不同。B1、B2 和 B3 组大鼠的 SaO2 和 SpO2 数据统计结果在 α = 0.05 检验水准下的差异均有统计学意义，可认为 SaO2 和 SpO2 的测定结果不同。SpO2 较 SaO2 偏低，而且可以看出，差异随着造模时间的增加而增大。
2.2 方差分析
使用 SPSS 将对照组和实验组数据进行方差分析，测定 SaO2 和 SpO2 是否受研究时间长度的影响。
表 2 为对照组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析结果。表中数据显示，饲养时间对 SaO2 和 SpO2 测量均无显著影响。
表2
对照组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析
Table2.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in control group
表 3 为实验组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析。表中数据显示，造模时间对 SaO2 的测量值无明显影响，但对 SpO2 的测量有显著影响。
表3
实验组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析
Table3.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in trial group
表 4 为对照组大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中数据显示，不同组大鼠之间的 SpO2 测量结果无差异。
表4
对照组大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table4.
Multi-way ANOVA of SpO2 in control group
表 5 为实验组大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中数据显示，造模时间为 28 天的 SpO2 测量结果分别和造模时间为 14 天、21 天的 SpO2 测量结果有明显差异，P 值分别为 0.013 和 0.050，差异有统计学意义；而造模时间为 14 天和 21 天的 SpO2 测量结果则无明显差异。说明随着造模时间的增加，对 SpO2 的测量结果影响逐渐增大。
表5
实验组大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table5.
Multi-way ANOVA of SpO2 in trial group
2.3 结果
以上结果表明，模拟微重力环境对于 SaO2 的测量几乎没有影响，但对于 SpO2 测量结果的影响是显著的，并且 SpO2 与 SaO2 的差异随造模时间的增加而增加。
3 结论与讨论
根据以上结果分析，在模拟微重力环境下，现有常规脉搏血氧仪可能不适用于大鼠的血氧饱和度测量。由此推论出，载人航天中，也许不能直接使用现有的脉搏血氧仪检测宇航员的血氧饱和度。
根据朗伯—比尔（Lamber-Beer）定律[1]可知，SpO2 与动脉血液中 HbO2 对入射光的吸光系数（E）、血液中 HbO2 浓度（C）有关。故造成这一现象的原因可能是微重力下蛋白结构发生变化，导致吸收光谱峰值移动、吸光能力改变，或血液中 HbO2 浓度改变等。后续研究应从上述物理量的测量着手，通过探索物理量随造模时间的变化规律，确定补偿方法，从而使设备有效克服环境影响，在空间医学领域发挥重要作用。
引言
血氧饱和度是载人航天飞行过程中评价航天员身体状况的重要生命体征参数，因此探讨适合航天要求的血氧饱和度检测方法很有必要。
目前监测血氧饱和度的方法为有创法和无创法两种。有创法是通过抽取受试对象的动脉血并使用血气分析仪进行测量，此种方法测到的血氧饱和度被称为动脉血氧饱和度（SaO2）；而无创法则是使用脉搏血氧仪来测量，此种方法测得的血氧饱和度称被为脉搏血氧饱和度（SpO2）。常规脉搏血氧仪的测量原理是通过测量血液中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白分别对大约 660 nm 近红外光和 910 nm 红外光的吸收程度，按照朗伯-比尔定律[1]来计算获得的。而目前的血气分析仪大都是通过电极测量血液中的氧气分压来测得血液中的氧气浓度。正常情况下，这两个测量结果虽然不完全相同，但具有很好的相关性，且二者的差异在一个可接受的范围之内。
有研究表明，微重力环境可能会引起血红蛋白的结构改变[2-5]，而结构改变有可能引起血红蛋白吸收光谱的改变，从而导致目前常规的脉搏血氧仪不适用于微重力环境，但这一推测目前尚无研究予以证实或证伪。
本研究旨在通过实测模拟微重力环境下 SaO2 和 SpO2 的差异，探讨模拟微重力环境对脉搏血氧仪测量结果的影响。
1 材料与方法
1.1 实验仪器
实验使用大鼠体温维持仪（JR-30，成都泰盟软件有限公司，中国）来维持大鼠的体温；使用大鼠脉搏血氧仪（MouseOx，Starr 公司，美国）测量大鼠的 SpO2[6-7]；使用动脉采血器（BD Preset，BD 公司，美国）采集大鼠的动脉血；使用手持血气分析仪（i-STAT1，雅培公司，美国）测量大鼠的 SaO2。
1.2 实验动物和流程
实验选用 60 只（200 ± 10）g 的健康雄性 Wistar 大鼠作为实验对象。将这些大鼠按照每组 10 只，随机分为 A1、A2、A3 和 B1、B2、B3 六组，其中 A1、A2、A3 组为对照组，B1、B2、B3 组为实验组。实验组大鼠在模拟微重力环境下饲养，对照组在正常条件下饲养。对上述所有大鼠均提供同种、等量的饲料和水。分别于实验开始后第 14 天、21 天和 28 天，测量实验组和对照组大鼠的 SaO2 和 SpO2。
本实验中采用将大鼠头低位 30° 尾部悬吊方式模拟微重力环境[8-10]。图 1 为大鼠悬吊饲养照片。
图1
大鼠悬吊饲养照片
Figure1.
The picture of rat fed in tail suspension group
实验过程中，首先将麻醉后的大鼠放置在大鼠体温维持仪的恒温垫上，以维持大鼠的体温。再利用大鼠脉搏血氧仪在大鼠的后足部测量 SpO2 值。最后采集大鼠腹主动脉血，通过血气分析仪测量 SaO2 的值。
1.3 统计学方法
用 SPSS 进行独立样本 t 检验、配对 t 检验以及单因素和多因素方差分析。检验水准 α = 0.05。当 P 值小于 0.05 时，差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 描述统计及配对 t 检验
在第 14 天、21 天和 28 天三个时间点上，对照组和实验组的 SaO2 和 SpO2 数据的合并统计量及配对 t 检验结果如表 1 所示。
表1
对照组和实验组 SaO2、SpO2 的合并统计量及配对 t 检验结果
Table1.
Summery statistics and paired t test results in control group and trial group
根据表 1 的统计结果可知，A1、A2 和 A3 组大鼠的 SaO2 和 SpO2 数据统计结果在 α = 0.05 检验水准下的差异无统计学意义，故不能认为 SaO2 和 SpO2 的测定结果不同。B1、B2 和 B3 组大鼠的 SaO2 和 SpO2 数据统计结果在 α = 0.05 检验水准下的差异均有统计学意义，可认为 SaO2 和 SpO2 的测定结果不同。SpO2 较 SaO2 偏低，而且可以看出，差异随着造模时间的增加而增大。
2.2 方差分析
使用 SPSS 将对照组和实验组数据进行方差分析，测定 SaO2 和 SpO2 是否受研究时间长度的影响。
表 2 为对照组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析结果。表中数据显示，饲养时间对 SaO2 和 SpO2 测量均无显著影响。
表2
对照组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析
Table2.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in control group
表 3 为实验组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析。表中数据显示，造模时间对 SaO2 的测量值无明显影响，但对 SpO2 的测量有显著影响。
表3
实验组大鼠的 SaO2、SpO2 单因素方差分析
Table3.
One-way ANOVA of SaO2 and SpO2 in trial group
表 4 为对照组大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中数据显示，不同组大鼠之间的 SpO2 测量结果无差异。
表4
对照组大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table4.
Multi-way ANOVA of SpO2 in control group
表 5 为实验组大鼠的 SpO2 多因素方差分析。表中数据显示，造模时间为 28 天的 SpO2 测量结果分别和造模时间为 14 天、21 天的 SpO2 测量结果有明显差异，P 值分别为 0.013 和 0.050，差异有统计学意义；而造模时间为 14 天和 21 天的 SpO2 测量结果则无明显差异。说明随着造模时间的增加，对 SpO2 的测量结果影响逐渐增大。
表5
实验组大鼠的 SpO2 多因素方差分析
Table5.
Multi-way ANOVA of SpO2 in trial group
2.3 结果
以上结果表明，模拟微重力环境对于 SaO2 的测量几乎没有影响，但对于 SpO2 测量结果的影响是显著的，并且 SpO2 与 SaO2 的差异随造模时间的增加而增加。
3 结论与讨论
根据以上结果分析，在模拟微重力环境下，现有常规脉搏血氧仪可能不适用于大鼠的血氧饱和度测量。由此推论出，载人航天中，也许不能直接使用现有的脉搏血氧仪检测宇航员的血氧饱和度。
根据朗伯—比尔（Lamber-Beer）定律[1]可知，SpO2 与动脉血液中 HbO2 对入射光的吸光系数（E）、血液中 HbO2 浓度（C）有关。故造成这一现象的原因可能是微重力下蛋白结构发生变化，导致吸收光谱峰值移动、吸光能力改变，或血液中 HbO2 浓度改变等。后续研究应从上述物理量的测量着手，通过探索物理量随造模时间的变化规律，确定补偿方法，从而使设备有效克服环境影响，在空间医学领域发挥重要作用。
