熱稀釋法的心排量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

葉繼倫，蔣蕓，羅塞，王凡，張旭

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

熱稀釋法的心排量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

【作 者】葉繼倫1,2，蔣蕓1，羅塞1，王凡1，張旭2

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

心排量監(jiān)測(cè)是血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)中最重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一，熱稀釋法是臨床上被公認(rèn)為監(jiān)測(cè)心排量的標(biāo)準(zhǔn)方法，到目前為止仍然具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。該文主要介紹采用熱稀釋法搭建的測(cè)定心排量的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，包括硬件平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算處理的介紹。在實(shí)驗(yàn)室用心排模擬器進(jìn)行了大量的測(cè)試和在醫(yī)院進(jìn)行了初步的臨床測(cè)試，證明本系統(tǒng)具有非常好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

心排量；熱稀釋法；有創(chuàng)性監(jiān)測(cè)；血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)

0 引言

心排量（Cardiac Output, CO）是指心臟在單位時(shí)間內(nèi)將血液泵至周?chē)h(huán)的總血量[1]。它是臨床上反應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)和心臟功能的基本指標(biāo)，是獲取全套血液動(dòng)力學(xué)指標(biāo)不可或缺的參數(shù)。在臨床麻醉、高風(fēng)險(xiǎn)外科手術(shù)和ICU中，常用于對(duì)危重病人和血液動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)指導(dǎo)臨床治療[1-3]，同時(shí)亦可用于治療效果的評(píng)價(jià)。

監(jiān)測(cè)心排量的方法主要分為有創(chuàng)性監(jiān)測(cè)和無(wú)創(chuàng)性監(jiān)測(cè)兩大類(lèi)[2]，臨床上多采用有創(chuàng)性監(jiān)測(cè)。有創(chuàng)性監(jiān)測(cè)主要有以下幾種測(cè)量方法：Fick法、染料稀釋法、鋰稀釋法、熱稀釋法、連續(xù)熱稀釋法、PiCCO法等[1,3]。其中熱稀釋法公認(rèn)為臨床實(shí)踐監(jiān)測(cè)心排量的金標(biāo)準(zhǔn)[3]，常以此為參考來(lái)對(duì)其他測(cè)量方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行比對(duì)評(píng)估[2]。本文主要介紹基于熱稀釋的心排量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試。

1 監(jiān)測(cè)原理和方法

熱稀釋法是一種以溫度作為指示劑進(jìn)行心排量測(cè)定的方法[1]。大量的研究資料和臨床實(shí)踐證明，利用這種方法測(cè)定心排量相當(dāng)可靠，準(zhǔn)確性和抗干擾性較其他方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而迅速成為了一種重要的測(cè)定心排量的方法[2]。

熱稀釋法測(cè)定心排量的原理是在上腔靜脈或右心房處通過(guò)穿刺的方法插入漂浮導(dǎo)管到心臟內(nèi)部[1]，在漂浮導(dǎo)管一端快速地注入一定量一定溫度的冰水到心臟內(nèi)部，由此可帶來(lái)心臟內(nèi)部能量的變化，導(dǎo)致血溫下降，由于循環(huán)的作用，血溫會(huì)迅速恢復(fù)到正常情況下血液的溫度，而血溫恢復(fù)的速度與心排量成正比，通過(guò)漂浮導(dǎo)管末端的高靈敏度熱敏電阻可以精確的監(jiān)測(cè)出血溫的改變，這個(gè)血溫的變化可以描繪出一條曲線，被稱(chēng)為時(shí)間—熱稀釋曲線。在已知注射液溫度和容積的情況下，通過(guò)分析這條曲線就可以推算出CO。依據(jù)Swan和Ganz等介紹的計(jì)算方法[2]，若令，則：

式中： VI為注射液的容量；A為熱稀釋曲線下方的面積；k為校正系數(shù)；TB、TI分別為血液溫度和注射液溫度；SB、CB、CT為血液的比熱和注射液相關(guān)常數(shù)；CT為操作過(guò)程中對(duì)溫度散失進(jìn)行校正的系數(shù)[2]。

2 心排量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

心排量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：監(jiān)測(cè)模塊、通信模塊、顯示交互平臺(tái)、傳感器及其連接部分四大部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。采用MFC開(kāi)發(fā)的一個(gè)上位機(jī)PC軟件作為信息顯示和參數(shù)設(shè)置平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1 System architecture diagram

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

心排量監(jiān)測(cè)模塊的硬件系統(tǒng)組成部分主要包括單片機(jī)控制電路、采樣控制電路、信號(hào)放大電路、低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串口通信模塊、系統(tǒng)電源及給ADC提供精準(zhǔn)參考電壓的電源，硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Frame diagram of hardware system

系統(tǒng)采用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32作為主處理器。為提高電路的抗干擾能力，系統(tǒng)采用低噪聲、低漂移和低零失調(diào)的高性能放大器對(duì)Ti、Tb的信號(hào)的放大，經(jīng)過(guò)低通濾波器后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。由熱稀釋法的測(cè)量原理可以知道，要提高測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性，采集的數(shù)據(jù)必須能夠精確靈敏的反應(yīng)出血溫變化和注射液溫度，因此系統(tǒng)采用一片高精度、中速的A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)采集Ti、Tb的信號(hào)，確保對(duì)Tb高精度獲取。

2.3 算法處理和軟件設(shè)計(jì)

在測(cè)定心排量時(shí)，根據(jù)前文介紹的熱稀釋法的測(cè)定原理和計(jì)算公式(1)可知：S1、C1、CT、SB、CB這些參數(shù)根據(jù)注射液和血液的物理特性確定，屬于不變參數(shù)，令，則公式(1)可以簡(jiǎn)化成如下形式：

式中：K為恒定常數(shù)，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，K值依據(jù)不同廠家的漂浮導(dǎo)管的型號(hào)，以及注射液體積等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；VI為注射液的容積，一般為(5～10) mL不等[2]；TB為測(cè)定開(kāi)始時(shí)候的血液溫度；TI為注射液的溫度，一般為0oC或22oC左右，VI、TB、TI這三個(gè)參數(shù)的數(shù)值系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取。因此，參數(shù)A計(jì)算的準(zhǔn)確與否直接影響到最終心排量測(cè)定結(jié)果。

在測(cè)定心排量時(shí)，通過(guò)漂浮導(dǎo)管可以獲取Ti、Tb的變化情況，根據(jù)Ti、Tb的變化情況可以繪制如圖4所示的一個(gè)時(shí)間—溫度稀釋曲線，如圖3所示，參數(shù)A的值即為這條曲線下方的面積，即。代入這些數(shù)值便可推算出心排量。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)熱稀釋曲線描記圖（CO=2.5 L/min）Fig.3 Standard thermodilution curve（CO=2.5 L/min）

對(duì)于系統(tǒng)的底層軟件，主要流程為系統(tǒng)首先初始化，當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的開(kāi)始測(cè)量命令后，根據(jù)設(shè)置情況初始化相關(guān)參數(shù)變量；獲取測(cè)量開(kāi)始時(shí)的TB、TI的值后，按特定頻率采集Ti、Tb信號(hào)然后進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)上傳波形數(shù)據(jù)，當(dāng)完成一次測(cè)量后，計(jì)算測(cè)量結(jié)果，反饋測(cè)量狀態(tài)，上傳測(cè)量結(jié)果。軟件執(zhí)行的基本流程如圖4所示。

在Ti、Tb數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的詳細(xì)處理流程如圖5所示，由于Ti、Tb的變化都是頻率非常低的信號(hào)，因此將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了二階巴特沃思低通濾波，很好的濾掉了噪聲和高頻干擾，濾波后的數(shù)據(jù)就可以計(jì)算實(shí)際的溫度值，根據(jù)溫度值的變化可以繪制出時(shí)間-溫度稀釋曲線，并把曲線對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存進(jìn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，待完成一次測(cè)量后便可進(jìn)行計(jì)算。若Tb表示時(shí)間溫度曲線，Tb(i)表示緩沖區(qū)第i個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)共有N個(gè)數(shù)據(jù)，采樣間隔為Δt，則可得式(3)。通過(guò)存儲(chǔ)的曲線緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計(jì)算出A并可求出心排量。

圖4 數(shù)據(jù)采集基本流程圖Fig.4 Flowchart of data collection

圖5 Ti、Tb數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.5 Flowchart of Ti, Tb data processing

3 心排量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試和結(jié)果分析

在對(duì)本系統(tǒng)做了大量的改進(jìn)后，為了檢測(cè)本系統(tǒng)的測(cè)定心排量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和臨床兩方面的測(cè)試，下面是測(cè)試的具體情況。

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

(1) Ti 測(cè)試

Ti檢測(cè)是用于測(cè)定CO時(shí)測(cè)量注射液的溫度。傳感器反應(yīng)出的不同電阻對(duì)應(yīng)于不同的注射液溫度，檢測(cè)電阻值的變化就可以檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的注射液溫度。本設(shè)計(jì)中傳感器對(duì)應(yīng)的電阻變化范圍為：60.41 kΩ～89.8 kΩ，對(duì)應(yīng)于0～27oC溫度范圍?；诖嗽磉M(jìn)行Ti的準(zhǔn)確性測(cè)試和重復(fù)性測(cè)試，精度測(cè)試的情況如表1所示。

表1 Ti 準(zhǔn)確性測(cè)試Tab.1 Ti accuracy test

(2) Tb 測(cè)試

Tb檢測(cè)是用于測(cè)定CO時(shí)測(cè)量血液溫度的變化。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試Tb時(shí)，在溫水水槽中，采用高精度的體溫探頭與不同型號(hào)的漂浮導(dǎo)管進(jìn)行同步測(cè)量，選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，表2是對(duì)不同型號(hào)的漂浮導(dǎo)管測(cè)試Tb的情況。

表2 Tb 準(zhǔn)確性測(cè)試Tab.2 Tb accuracy test

(3) 心排量測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，采用FLUKE的MPS450多參數(shù)模擬器對(duì)心排量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了準(zhǔn)確性和重復(fù)性的測(cè)試，MPS450模擬器可模擬輸出心排量的電信號(hào)分別為2.5 L/min、5.0 L/min、10.0 L/min，圖6所示是對(duì)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)基本測(cè)試情況的記錄的曲線圖，一共3組，每組測(cè)試10次。

圖6 模擬器測(cè)試Fig.6 Simulator test

一般情況下，在臨床中測(cè)定血液動(dòng)力學(xué)的參數(shù)時(shí)，測(cè)定的結(jié)果允許出現(xiàn)20%以?xún)?nèi)的測(cè)量誤差[2]。根據(jù)測(cè)試的情況，用模擬器測(cè)試的結(jié)果中，誤差最大為0.6%，平均誤差為0.2%，測(cè)試結(jié)果具有非常好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，當(dāng)然，基于模擬器的評(píng)估重點(diǎn)就是觀察測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性，這里的準(zhǔn)確性?xún)H供參考。

3.2 初步臨床測(cè)試

(1) 評(píng)估方案說(shuō)明

心排量測(cè)量系統(tǒng)完成并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性測(cè)試后，必須通過(guò)臨床評(píng)估來(lái)進(jìn)行比對(duì)研究進(jìn)一步的檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性。由于監(jiān)測(cè)心排量的特殊性，在測(cè)定心排量時(shí)，和對(duì)比設(shè)備需要用到同一根漂浮導(dǎo)管，每一次測(cè)量，只能一個(gè)設(shè)備與之連接，因此醫(yī)院的對(duì)比設(shè)備（國(guó)外某知名品牌的在線產(chǎn)品）和本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不是測(cè)定的同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，是有先有后的，兩個(gè)設(shè)備測(cè)量的時(shí)間差大約在一個(gè)測(cè)量周期加間隔時(shí)間，所以測(cè)定的結(jié)果會(huì)有一定的偏差。

(2) 臨床評(píng)估說(shuō)明

考慮到臨床測(cè)試的創(chuàng)傷性大的問(wèn)題，目前只做了初步的臨床測(cè)試，還沒(méi)有大量地做臨床驗(yàn)證。表4為一位65歲的男性患者的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)從醫(yī)護(hù)人員了解到，該位患者身體情況比較穩(wěn)定。6組數(shù)據(jù)分為兩次測(cè)試，每次3組數(shù)據(jù)，兩次測(cè)試時(shí)間間隔約為1.5 h左右。測(cè)量時(shí)注射的冰水是溫度為23oC的生理鹽水。

表4 臨床測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 The clinical test data

根據(jù)表4可知，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該患者測(cè)定的CO數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，和了解到的患者的身體情況基本相符合；從測(cè)量的數(shù)據(jù)可以看到本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定的數(shù)值會(huì)比醫(yī)院的對(duì)比設(shè)備測(cè)定的數(shù)據(jù)略低一些，但是更為穩(wěn)定。

4 小結(jié)與展望

本文主要介紹了采用熱稀釋法搭建的測(cè)量平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、計(jì)算處理、實(shí)驗(yàn)室的模擬器測(cè)試、初步的臨床測(cè)試等。根據(jù)測(cè)試的結(jié)果可以初步證明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，還需要進(jìn)一步的臨床測(cè)試。

隨著我國(guó)醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀器及其臨床應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)對(duì)醫(yī)療設(shè)備要求的提高，熱稀釋法也不可避免的露出了某些不足，如不能連續(xù)性監(jiān)測(cè)，不能動(dòng)態(tài)的掌握患者的血液動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，不利于醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者診治的狀態(tài)連續(xù)觀察，而國(guó)外這方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。因此，為了提高我國(guó)血液動(dòng)力學(xué)連續(xù)性監(jiān)測(cè)的醫(yī)療水平，發(fā)展連續(xù)性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義，這也正是我們后期的目標(biāo)，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)，為后期的連續(xù)性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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Development of Cardiac Output Monitoring System Based on Thermodilution Method

【W(wǎng)riters】Ye Jilun1,2, Jiang Yun1, Luo Sai1, Wang Fan1, Zhang Xu2
1 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical Signal Detection and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

CO, thermodilution method, invasive monitoring, hemody namic status monitoring

R197.39；R654.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.007

1671-7104(2014)05-0337-04

2014-05-12

深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目(SW201110039，SDSY20120612094855904)；廣東省科技廳項(xiàng)目（2012A032200025)

葉繼倫，教授，E-mail: yejilun@126.com

張旭，副教授，Email: zhangxu729@hotmail.com

【 Abstract 】Cardiac output (CO) monitoring is a crucial part of the hemodynamic status monitoring. So far, thermodilution method, which is clinically recognized as the gold standard method to monitor cardiac output, still has irreplaceable advantages. This paper mainly introduces the use of platform for cardiac output measurement based on thermodilution method, mainly including three parts: the hardware platform, software design and algorithm process. A large amount of test data of this system has been got by CO simulator testing in the laboratory and preliminary clinical tests in the hospital. The testing result showed that using the proposed system can achieve good accuracy and repeatability.