吸入性麻醉藥濃度效應物理模型的構(gòu)建與解讀

梁寒冰，邵東華，杭黎華，戴體俊

(1.徐州醫(yī)學院數(shù)理教研室，江蘇 徐州 221002;2.鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院麻醉科，江蘇 鎮(zhèn)江 212001;3.徐州醫(yī)學院麻醉藥理學教研室，江蘇 徐州 221002)

麻醉誘導時，麻醉藥的吸入濃度越高，肺泡內(nèi)麻醉藥的濃度升高越快，肺泡內(nèi)麻醉藥的分壓和血中麻醉藥的分壓也上升的越快，這叫做濃度效應［1］(concentration effect)。國內(nèi)外有關濃度效應的研究［1－7］，較多停留在對單一模型的討論階段，多用統(tǒng)計學的基本原理進行定性分析，尚缺少對物理模型的革新以及基于物理原理和數(shù)學方法的定量論證。本研究克服傳統(tǒng)模型的弊端，嘗試構(gòu)建新的物理研究模型，并利用熱力學宏觀理論對新的模型進行定量解讀，旨在加深對濃度效應特征和規(guī)律的認識，發(fā)現(xiàn)濃度效應遵循的規(guī)律，探討影響濃度效應的關鍵因素，以期增強其理論研究的深刻性和嚴謹性，同時希望所得結(jié)論能對臨床實踐中的現(xiàn)象解釋和問題解決提供啟示，并能指導臨床安全、合理地進行吸入麻醉，從而實現(xiàn)研究結(jié)果的臨床意義和預測價值。

1 資料與方法

物理模型是認識現(xiàn)象，分析機制的基礎。在詮釋吸入麻醉“濃度效應”概念時，以Fig 1為物理模型的分析較為常見。

此模型取自人民衛(wèi)生出版社的《麻醉藥理學》［1］吸入麻醉藥的藥物代謝動力學內(nèi)容，在研究中均被廣泛引用，已為廣大研究者所熟知、接受。但其弊端是顯而易見的:此模型不僅沒有體現(xiàn)出攝取前后的肺泡體積變化，而且假設氧不被攝取，這不符合實際;此模型以具體數(shù)字為例進行分析，缺乏嚴謹?shù)亩客评碚撟C;此模型認為肺泡中僅存在麻醉氣體和氧氣，這與實際情況相距甚遠。為克服以上弊端，本研究嘗試將模型逐步予以優(yōu)化。

1.1 背景資料 本文以矩形面積來表示濃度效應中麻醉氣體和氧氣的容積，將濃度效應的發(fā)生過程表示為Fig 2。相對Fig 1，F(xiàn)ig 2能體現(xiàn)出攝取前后肺泡的體積變化和肺泡內(nèi)各氣體的體積分數(shù)的變化，各數(shù)字所體現(xiàn)的特征和意義更加準確和直觀。

但Fig 2中假設氧不被攝取，這不符合實際。為使結(jié)論更加嚴謹，本文在氧化亞氮、氧二者同時被攝取的前提下對模型進行新的構(gòu)建并進行解析。如Fig 3，設向肺泡內(nèi)輸送氧化亞氮(N2O)和氧氣(O2)，氧化亞氮的吸入濃度為x(體積分數(shù)，下同)，氧的吸入濃度為1-x，肺泡的體積為V。血液對氧化亞氮和氧的攝取率(百分數(shù)，下同)分別為a、b，氧化亞氮和氧被攝取以后，肺泡迅速縮小，產(chǎn)生負壓，再次吸入氣體，以補充被攝取的容積。

1.2 推理論證 攝取之前，肺泡體積如Fig 3A;攝取之后，肺泡體積縮小，肺泡內(nèi)的剩余氧化亞氮的體積分數(shù)為(1-a)x，如Fig 3B;經(jīng)過再次吸入氣體，肺泡體積恢復原狀態(tài)，吸入的混合氣體占肺泡總體積的體積分數(shù)為ax+b(1－x)，如Fig 3C，其中氧化亞氮的體積分數(shù)為［ax+b(1－x)］x。此時氧化亞氮在肺泡中的體積分數(shù)為(1－a)x+［ax+b(1－x)］x。

Fig 2 The concentration effect

Fig 3 The concentration effect

假設肺泡內(nèi)氣體的總壓強P0(此壓強接近大氣壓，因此可將肺泡內(nèi)的氣體看做理想氣體)。根據(jù)道爾頓分壓定律，各氣體的分壓與總壓強之比等于各氣體的容積與總?cè)莘e之比［8］，此時氧化亞氮的分壓 PA'={(1－a)x+［ax+b(1－x)］x}P0

進一步簡化為

顯然，肺泡內(nèi)氧化亞氮的分壓PA'隨吸入濃度x的變化而變化。

對(1)式分3種情況進行分析，如Tab 1

表1 濃度效應遵循的規(guī)律

以上結(jié)論可以推廣到多種混合氣體并存的情況:如氮氣、水蒸氣、二氧化碳同時也存在于肺泡中時，可以用b其它(除麻醉藥以外的其它所有氣體的平均攝取率)來替代上文中的 b，如 Fig 4。

Fig 4 The concentration effect

2 結(jié)果

①血液對麻醉藥的攝取率大于其它混合氣體的平均攝取率(a＞b其他)時，隨著麻醉藥吸入濃度的增加，濃度效應越來越明顯;②前者小于后者(a＜b其他)時，隨著吸入濃度的增加，濃度效應越來越不明顯;③ 前者等于后者(a=b其他)時，隨著吸入濃度的增加，濃度效應趨于穩(wěn)定。

3 討論

本文從Fig 1經(jīng)Fig 2、Fig 3至Fig 4，將濃度效應物理模型逐步優(yōu)化:Fig 2是對Fig 1的詮釋，F(xiàn)ig 2借鑒了第二氣體效應的示意圖［10－11］，其優(yōu)點在于直觀地體現(xiàn)出肺泡的體積變化和各氣體體積分數(shù)的變化。Fig 3在Fig 2的基礎上，考慮了非麻醉氣體(氧)的攝取，并以字母替代具體數(shù)字來表示體積分數(shù)和攝取率。Tab 1以Fig 3為物理模型，以導數(shù)為工具，對不同攝取率下的濃度效應遵循的規(guī)律進行分析與比較。Fig 4則將結(jié)論推廣至多種氣體并存的情況，拓展了研究結(jié)論的物理意義。這些模型的建立由表及里，層層遞進，逐步將條件假設逼近臨床實際，漸漸凸顯問題的本質(zhì)，使?jié)舛刃l(fā)生過程中各變量之間的關系愈發(fā)明確，也使對濃度效應概念的詮釋更加清晰、準確。

本文的結(jié)論是基于新的濃度效應模型(Fig 4，下同)的分析得出的，但我們?nèi)匀豢梢詮男履Ｐ偷囊暯侵匦聦徱晜鹘y(tǒng)模型(Fig 1，下同)。首先，傳統(tǒng)模型中肺泡內(nèi)僅存在麻醉氣體和氧氣，并假設“氧不被攝取”。依據(jù)本研究結(jié)果，“氧不被攝取”，相當于b其它=0，此時a＞b其它，隨著麻醉藥吸入濃度的增加，濃度效應將越發(fā)明顯，符合本研究結(jié)果①。我們因此可以認為，傳統(tǒng)模型僅僅涵蓋了本研究結(jié)果的第一種情況。其次，濃度效應通常被表述為:吸入濃度越高，肺泡內(nèi)麻醉藥的濃度升高越快……［1］根據(jù)Tab 1，此表述只針對了a＞b其它的情況，而在a＜b其他和a=b其他兩種情況下濃度效應變化趨勢與此概念的描述并不相符，因而傳統(tǒng)研究對“濃度效應”的概念描述是有其局限性的，需要附加前提條件(a＞b其它)。

鑒于以上分析，我們認為:傳統(tǒng)模型僅為新模型的一種具體體現(xiàn)。新模型能夠很好地解釋傳統(tǒng)模型，新模型更具有普遍性和概括性，它包含了傳統(tǒng)模型。對此可從幾個方面來理解:首先，新模型克服了傳統(tǒng)模型的過于機械化、簡單化、其它情境特殊化的弊端，使?jié)舛刃獥l件假設更接近臨床實踐，物理圖景更加清晰、直觀，變量關系更得以凸顯。它抓住了問題的主要矛盾，突出了影響濃度效應的本質(zhì)因素——攝取率，為研究者分析濃度效應發(fā)生過程提供了新的標準和途徑。其次，對傳統(tǒng)模型的成功解釋，可視為對新模型的初步檢驗。濃度效應的存在已經(jīng)被無數(shù)吸入麻醉臨床實踐所證實，基于傳統(tǒng)模型的研究也取得了豐碩的成果，其中豐富的臨床實例解析均可為新模型檢驗提供有效的數(shù)據(jù)和手段。再次，基于新模型的研究結(jié)果認為:吸入麻醉中濃度效應是否趨于明顯，其關鍵因素在于血液對麻醉藥的攝取率與血液對其它混合氣體的平均攝取率的相對大小，因而對不同條件下出現(xiàn)的濃度效應現(xiàn)象，可從攝取率的角度展開再討論，至少應關注影響攝取率的相關因素。以濃度效應為發(fā)生基礎的第二氣體效應，也可以從攝取率的角度進行深入研究。

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