Transcutaneous carbon dioxide in sleep-disordered breathing

Abstract

Obstruktiivinen uniapnea on huomattava kansanterveydellinen ongelma. Erityisesti vaikeaan uniapneaan liittyy lisääntynyttä sairastuvuutta ja kuolleisuutta. Obstruktiivisen uniapnean lievempiin muotoihin tai osittaiseen ylähengitystieahtaumaan ei liity vastaavaa riskiä, mutta näistä tautimuodoista kärsivät eivät oireiden perusteella välttämättä eroa vaikeasta uniapneasta. Viimeksimainittujen hoitokäytännöt eroavat alueittain ja maittain.

Valtimoveren happikyllästeisyyden (SaO2, SpO2 jos pulssioksimetri) mittaaminen on pakollista unenaikaisten hengityshäiriöiden (kaikki normaalista hengityksestä apneaan) arvioinnissa. Hiilidioksidia (CO2) sen sijaan mitataan harvemmin. CO2- mittauksia on tehty pääosin potilasryhmissä, joissa hypercapnia (korkea valtimoveren hiilidioksidipitoisuus) on todennäköistä. CO2:n mittaamiselle unen aikana ei ole ollut suurta tarvetta, koska vaikeiden unenaikaisten hengityshäiriöiden seuraukset ovat nähtävissä SpO2-mittauksella. SpO2-mittaus on vakaa ja signaali on helppo tulkita, joten automaattiset analyysit ovat yleisesti käytössä. Tällä hetkellä hyvälaatuisen CO2- signaalin saaminen on hankalampaa, koska mittaus on alttiimpi virheille. Toisaalta, CO2 on tärkeä hengityksen säätelijä ja CO2-signaalin sisältämä informaatio voi parantaa unenaikaisten hengityshäiriöiden diagnostiikkaa.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli määrittää transkutaanisen eli iholta mitattavan hiilidioksidin (PtcCO2) toimintaa unenaikaisten hengityshäiriöiden aikana, sisältäen myös osittaisen ylähengitystieahtauman.

PtcCO2:n dynamiikkaa tutkittiin takautuvasti Tampereen yliopistollisen sairaalan unilaboratoriossa tehdyistä yöpolygrafioista. Nämä tutkimukset on tehty mahdollisen uniapneaepäilyn vuoksi. Progressiiviselle virtausrajoitukselle kehitettiin kriteeristö ja kyseisiä hengitysjaksoja seulottiin 425 potilaan aineistosta, joka oli kerätty aikavälillä 3/2004 – 4/2007. Apneaa, hypopneaa ja tasaista virtausrajoitusta puolestaan tutkittiin jaksoina 555 potilaan aineistosta, joka oli kerätty välillä 6/2005 – 5/2007. Raskauden aikana fysiologia ja anatomia muuttuvat ja uniongelmat sekä unenaikaiset hengitykseen liittyvät ongelmat ovat tavallisia. Etenevässä tutkimuksessa tehtiin 18 terveelle, viimeisellä raskauskolmanneksella olevalle ja 12 terveelle verrokille unipolygrafia ja PtcCO2-mittaus. Tutkimuksen tarkoituksena oli määrittää unenaikaiset hengityshäiriöt aikaisempaa tarkemmin.

Progressiiviseen virtausrajoitukseen liittyi systemaattisesti PtcCO2:n nousu, huolimatta siitä liittyikö kyseiseen jaksoon lisääntyneitä hengitysyrityksiä vai ei. Hengitysyritykset lisääntyivät kun PtcCO2-arvo ylitti PtcCO2-tasanteen. PtcCO2 tasanne oli korkein PtcCO2-taso, johon liittyi tasaista hengitystä. Progressiiviseen virtausrajoitukseen liittyi yleensä pieni SpO2-lasku, mutta näin ei tapahtunut systemaattisesti.

Tietyt PtcCO2-tasot liittyivät tiettyihin uniapneatyyppeihin. Sentraalisen ja sekatyyppisen uniapnean aikana PtcCO2 oli samalla tasolla kuin valveen aikana. Obstruktiivisen uniapnea ja hypopnean aikana PtcCO2-taso puolestaan ei eronnut tasaisen yöllisen hengityksen PtcCO2-tasosta. Tasaisen virtausrajoituksen aikainen PtcCO2 puolestaan oli korkeammalla kuin tasaisen hengityksen PtcCO2-taso, mutta SpO2 eroa ei havaittu näiden kahden jakson välillä.

Raskaana olevat eivät eronneet verrokeista unenaikaisten hengityshäiriöiden suhteen. Virtausrajoitus, kuorsaus, apnea-hypopnea indeksi (AHI) sekä 3%: n SpO2 lasku (ODI3) olivat yhtä alhaisia molemmissa ryhmissä. Raskaana olevilla esiintyi verrokkeja useammin PtcCO2-käyrässä “piikkejä” (n = 78 vs 5). Näihin piikkeihin liittyi virtausrajoitusta ja hengityksen säätelyn muuttumista. Eri univaiheiden aikana PtcCO2-tasoissa ei havaittu eroja ryhmien välillä, mutta PtcCO2:n varianssi oli pienempi NREM-unen aikana raskaana olevilla.

PtcCO2-mittaus on herkkä hengityksen muutoksille unen aikana. Uneen liittyvä hiilidioksidin nousu voidaan havaita PtcCO2-mittauksella. Progressiiviseen virtausrajoitukseen liittyy PtcCO2:n nousu ja PtcCO2-tasot ovat yhteydessä sekä unen syvyyteen että uniapneatyyppeihin. Raskaudenaikaiset hengitysmuutokset voivat johtaa “PtcCO2 -piikkeihin” joita ei ole aikaisemmin kuvattu.

Obstructive sleep apnea (OSA) is a major public health problem. Severe OSA classified in terms of apnea-hypopnea index (AHI) is associated with increased morbidity and mortality. Milder forms of OSA and prolonged partial upper airway obstruction are not equally high-risk conditions, although affected individuals can be as symptomatic as those with severe OSA. Treatment regime for these patients vary from country to country.

While measurement of the arterial oxyhemoglobin saturation (SaO2, SpO2 with pulse oximetry) is mandatory in the evaluation of sleep-disordered breathing (SDB = all breathing abnormalities from normal breathing to apnea), CO2 is rarely measured. CO2 measurements have been mainly done in populations where hypercapnia (High arterial CO2, (PaCO2)) is suspected. There has not been a great need for CO2 measurement in sleep research as the effects of severe SDB are readily seen with SpO2. SpO2 measurement is robust and the signal is simple to interpret and feasible for automatic analyses. At the moment, obtaining a good quality CO2 signal requires more effort. The signals are affected by several factors and are prone to artifacts. On the other hand, the importance of CO2 in the control of breathing and the wealth of information the CO2 signal may contain, could improve the SDB diagnostics.

The aim of this study was to determine the patterns of transcutaneous CO2 (PtcCO2) during different forms of SDB, also including prolonged partial upper airway obstruction.

PtcCO2 dynamics were studied retrospectively from cardiorespiratory polygraphic recordings performed at the Tampere University Hospital sleep clinic. These patients were referred to hospital due to a suspicion of SDB. A set of scoring rules was developed to characterize progressive flow limitation events. These events were then screened from 425 patient recordings performed between March 2004 and April 2007. Apneas, hypopneas and steady flow limitation were screened as sequences from 555 patient recordings from between June 2005 and May 2007. Physiology and anatomy change during pregnancy and sleep problems including SDB are commonly reported. In a prospective study, standard polysomnography (PSG) with PtcCO2 were performed in 18 healthy women during their third trimester and in 12 healthy non-pregnant controls for a more exact characterization of SDB. Progressive flow-limitation was systematically associated with increasing PtcCO2, whether or not, the episode was associated with increased respiratory effort. Respiratory efforts started to increase when PtcCO2 exceeded the PtcCO2 plateau level. PtcCO2 plateau was the highest level of PtcCO2 which was associated with stable breathing. Progressive flow limitation was associated with small SpO2 drop, but not systematically.

Different sleep apnea types associated with different PtcCO2 levels. PtcCO2 during central and mixed sleep apnea did not differ from PtcCO2 in wakefulness. PtcCO2 during obstructive sleep apnea and hypopnea did not differ from PtcCO2 levels observed during normal stable breathing in sleep (PtcCO2 plateau). Steady flow-limitation sequences associated with PtcCO2 levels that were higher than those observed during the PtcCO2 plateau. There was no difference in SpO2 between flowlimitation and stable breathing.

Pregnant women did not differ from controls in terms of SDB; flow-limitation, snoring, AHI and oxyhemoglobin desaturation index of 3% (ODI3) were similarly low in both groups. However, pregnant women more frequently presented PtcCO2 “peaks”, which were scarce in non-pregnant controls (n = 78 vs. 5). These peaks associated with flow-limitation and altered ventilatory control. PtcCO2 levels were not different during wakefulness or sleep, but the variance of PtcCO2 during nonrapid eye movement (NREM) sleep in pregnant women was smaller than in nonpregnant controls.

In conclusion, PtcCO2 measurement is sensitive to ventilatory changes during sleep. Sleep-related increase in PaCO2 can be identified with PtcCO2. Progressive flow limitation associates with PtcCO2 increase and PtcCO2 levels associate to sleep depth as well as sleep apnea types. Ventilatory changes in pregnancy may lead to PtcCO2 “peaks”, which have not been described before.