呼氣末二氧化碳監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備簡介

王亞林，張 廣，吳太虎

0 引言

由于呼氣末二氧化碳（end-tidal carbon dioxide，ETCO2）監(jiān)測具有無創(chuàng)監(jiān)測的優(yōu)勢，近年來，其應(yīng)用越來越廣泛，并引起了越來越多的關(guān)注。ETCO2監(jiān)測靈敏度高，非常適合于手術(shù)麻醉的監(jiān)護(hù)使用，已成為目前臨床麻醉監(jiān)測必備的常規(guī)監(jiān)測手段[1]。它可以監(jiān)測通氣、確定氣管的位置、及時發(fā)現(xiàn)呼吸機(jī)的機(jī)械故障、調(diào)節(jié)呼吸機(jī)的參數(shù)和指導(dǎo)呼吸機(jī)的撤除，也能反映循環(huán)功能和肺血流情況[2]。二氧化碳監(jiān)護(hù)現(xiàn)在已經(jīng)成為監(jiān)護(hù)生理參數(shù)保障患者安全的一個全球性標(biāo)準(zhǔn)。美國麻醉師協(xié)會（ASA）、美國呼吸醫(yī)護(hù)協(xié)會（AARC）及美國醫(yī)院協(xié)會（AHA）均將二氧化碳監(jiān)護(hù)作為一種常規(guī)的指導(dǎo)準(zhǔn)則和規(guī)則[3]，甚至有些國家出臺相應(yīng)的法律規(guī)定要求必須使用二氧化碳監(jiān)護(hù)。

目前，二氧化碳監(jiān)護(hù)的相關(guān)設(shè)備主要由國外的廠家生產(chǎn)，且費(fèi)用昂貴，導(dǎo)致其在國內(nèi)的使用率不高，該類設(shè)備的國產(chǎn)化程度很低[4]。上述原因?qū)е逻@項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)使用受限。所以，為了普及呼氣末二氧化碳監(jiān)測技術(shù)，降低使用成本，需要研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ETCO2監(jiān)測儀。本文綜述了ETCO2監(jiān)測技術(shù)的最新進(jìn)展，分析了不同監(jiān)測方式的優(yōu)劣，介紹了國內(nèi)外的相關(guān)產(chǎn)品，最后指出了今后的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。

1 ETCO2監(jiān)測的臨床意義

呼吸功能是人體主要的生命功能之一。臨床上，為了全面了解肺功能的狀況，常常采用動脈血二氧化碳分壓（PaCO2）和呼氣末二氧化碳分壓（PetCO2），并且PetCO2已經(jīng)被認(rèn)為是除呼吸、體溫、脈搏、動脈血氧飽和度、血壓以外的第六大生命體征[5]。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，各學(xué)科知識相互滲透融合，從而使臨床上連續(xù)無創(chuàng)地測定PetCO2成為現(xiàn)實(shí)。吳書銘、蔣紅兵等對PaCO2與PetCO2二者的檢測結(jié)果進(jìn)行比對分析，認(rèn)為PetCO2的監(jiān)測值與PaCO2之間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果保持了很好的相關(guān)性，證實(shí)了ETCO2監(jiān)測設(shè)備在臨床應(yīng)用中的有效性[6]。

1.1 ETCO2監(jiān)測氣管插管

文獻(xiàn)顯示，在緊急狀態(tài)下有1%～24%的氣管插管插進(jìn)了食道[7]。如果患者氣道狹窄，患有呼吸性疾病或者導(dǎo)管內(nèi)的血液及分泌物過多都會導(dǎo)致插管困難，若醫(yī)生不能及時發(fā)現(xiàn)這種錯誤，將會導(dǎo)致患者死亡或者永久性腦損傷。而傳統(tǒng)的辨識氣管插管位置的方法都存在一些潛在的問題，表1列出了傳統(tǒng)方法及其使用的局限性。

即使上述方法能判斷氣管插管正確的位置，但是由于患者運(yùn)動或者轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致的插管移位是容易被忽視的。因此，最可靠和簡單的方法就是ETCO2的監(jiān)測。當(dāng)導(dǎo)管越接近聲門口時，波形會越明顯，以此來指導(dǎo)將導(dǎo)管插入聲門；如果導(dǎo)管插入食道，則不能觀察到PetCO2波形，所以，PetCO2對導(dǎo)管誤入食管有較高的輔助診斷價值。

表1 傳統(tǒng)監(jiān)測方法及其局限性

1.2 CPR的質(zhì)量評估

從Kalenda和Smallhout的研究開始，PetCO2作為常用的生理監(jiān)測指標(biāo)越來越多地被應(yīng)用于心臟復(fù)蘇的監(jiān)測中。動物實(shí)驗(yàn)和臨床數(shù)據(jù)均已表明，PetCO2在心肺復(fù)蘇過程中與冠狀動脈灌注壓（CPP）和腦灌注壓（CePP）呈正相關(guān)。Sanders的研究表明，成功復(fù)蘇的患者具有比未能成功復(fù)蘇的患者更高的PetCO2值（（15±4）mmHg（1 mmHg＝133.322 Pa）vs（7±5）mmHg），而那些PetCO2值小于10 mmHg的患者基本上不能實(shí)現(xiàn)自主循環(huán)。因此，PetCO2是心肺復(fù)蘇過程及復(fù)蘇后監(jiān)測的一個理想指標(biāo)[8]。

PetCO2作為一種評估手段應(yīng)用于心肺復(fù)蘇過程中對胸外按壓效果進(jìn)行評估，可以在心肺復(fù)蘇中檢測到肉眼無法察覺的搶救人員按壓或者其他失誤[9]。最新版2010AHA指南推薦使用PetCO2來檢測心肺復(fù)蘇的效果:當(dāng)PetCO2＜10 mmHg時，醫(yī)生就應(yīng)考慮正在進(jìn)行的心肺復(fù)蘇是否有效，應(yīng)該對正在進(jìn)行的心肺復(fù)蘇進(jìn)行加強(qiáng)，如增加按壓頻率與按壓深度。若以上努力還不能使PetCO2達(dá)到10 mmHg以上，就應(yīng)考慮進(jìn)一步的干預(yù)措施，如開胸按壓，甚至是電擊治療。當(dāng)所有手段都無法使患者恢復(fù)正常的心電節(jié)律，就應(yīng)考慮放棄心肺復(fù)蘇。

對于休克、心跳驟停及肺梗塞、肺血流減少或停止等患者，二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)迅速為零，二氧化碳波形消失，PetCO2消失和PetCO2迅速下降持續(xù)30s以上，表示心跳驟停，PetCO2水平與心輸出量為相應(yīng)變化[10]。PetCO2作為復(fù)蘇急救時心前區(qū)擠壓是否有效的重要的無創(chuàng)監(jiān)測指標(biāo)，具有非常大的預(yù)后預(yù)測判斷價值。

1.3 麻醉患者的監(jiān)護(hù)

隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，越來越多的手術(shù)在手術(shù)室及手術(shù)室外開展，而麻醉是基本的要求。ASA及麻醉患者安全協(xié)會（APSF）強(qiáng)烈建議將ETCO2監(jiān)測作為確保麻醉患者安全的評判標(biāo)準(zhǔn)。對于全麻患者，其自主意識的恢復(fù)若全憑麻醉師的經(jīng)驗(yàn)而沒有一個評價指標(biāo)來判斷的話，對患者的安全是一個很大的威脅[11]。由于很難預(yù)測個體對鎮(zhèn)靜劑的耐受程度，ASA甚至建議通過PetCO2持續(xù)地監(jiān)測麻醉患者的呼吸。在PetCO2應(yīng)用之前，對患者血氧飽和度及胸廓運(yùn)動的觀察是麻醉患者常規(guī)的監(jiān)測手段。研究表明，常規(guī)監(jiān)測手段加上PetCO2監(jiān)測能有效監(jiān)測到麻醉患者通氣不足的狀況，其監(jiān)測出患者通氣不足的概率是常規(guī)手段的18倍。另外，對于嚴(yán)重缺氧患者（氧飽和度低于85%），PetCO2的監(jiān)測效果更加明顯[12]。

1.4 持續(xù)二氧化碳監(jiān)測

對于危重癥患者來說，持續(xù)的二氧化碳監(jiān)測具有十分重要的意義，特別是對插管和依賴呼吸機(jī)的患者。當(dāng)一些危險狀況發(fā)生的時候，如呼吸機(jī)的接頭脫落，呼吸回路漏氣，氣管導(dǎo)管扭曲、活瓣失靈、氣管阻塞或者其他的機(jī)械故障等，二氧化碳監(jiān)護(hù)圖形會發(fā)生變化，并第一時間示警。一些頭面部手術(shù)的操作非常容易造成接頭脫落，由于手術(shù)部位的遮擋，醫(yī)生也很難發(fā)現(xiàn)，這就非常危險。如果有PetCO2監(jiān)測，就可以第一時間發(fā)現(xiàn)二氧化碳波形的消失，從而盡早排除故障[13]。吳衛(wèi)平等甚至認(rèn)為，氣管插管全麻術(shù)中持續(xù)的PetCO2監(jiān)測效果比SpO2、呼出潮氣量等監(jiān)測方法還要好[14]，它能及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)氣管導(dǎo)管的一些物理故障，從而維持患者的呼吸道通暢，保障患者供氧。

監(jiān)測有自主呼吸的患者時，通過鼻導(dǎo)管采樣來測定PetCO2，即使是在并不封閉的條件下，PetCO2也能準(zhǔn)確評價PaCO2，從而達(dá)到無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測肺通氣和換氣的目的，同時也能反映循環(huán)和代謝功能的改變。

2 PetCO2監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀

PetCO2監(jiān)測有主流與側(cè)孔取樣2種常用的取樣方法，它們主要是依據(jù)傳感器在氣流中的不同位置來區(qū)分的。主流取樣就是將傳感器直接連接在患者的氣道中，而側(cè)孔取樣傳感器不直接連接在通氣回路中，而是經(jīng)過取樣管從氣道中取出部分氣體來測定，2種取樣方式的比較見表2。目前，大部分監(jiān)測儀的取樣方式是側(cè)孔取樣[15]。

紅外線吸收光譜技術(shù)是目前最常用的ETCO2測定技術(shù)，其工作原理為:由于CO2分子能被波長為4.26 μm的紅外光吸收，所以，紅外光通過監(jiān)測氣室的時候會吸收掉一部分CO2分子，吸收率與二氧化碳的濃度成比例。這種方法測定速度快并且方便，應(yīng)用廣泛。同時，還有光聲光譜法、羅曼光譜法、質(zhì)譜分析法、二氧化碳化學(xué)電極法等其他方法。圖1是紅外線吸收光譜技術(shù)的示意圖。

表2 2種取樣方式的比較

圖1 紅外線吸收腔室原理圖

3 ETCO2監(jiān)測設(shè)備

3.1 設(shè)備發(fā)展歷程

自從1962年第一臺二氧化碳分析儀（godart capnograph medical CO2analyzer）在荷蘭的烏特勒支軍隊(duì)醫(yī)院應(yīng)用以來，ETCO2監(jiān)測已走過了50多年的歷程。

目前，中高檔監(jiān)護(hù)儀基本都帶有ETCO2監(jiān)測功能。在手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)室、術(shù)后恢復(fù)室和急診科等部門，ETCO2監(jiān)測隨處可見[16]。隨著ETCO2監(jiān)測國產(chǎn)化腳步的加速，像北京納雄及深圳邁瑞都已推出帶有ETCO2監(jiān)測功能的監(jiān)護(hù)儀，明顯降低了技術(shù)成本，促進(jìn)了此項(xiàng)技術(shù)的普及和應(yīng)用。

3.2 主流產(chǎn)品介紹

依據(jù)取樣方式的區(qū)別，目前，ETCO2監(jiān)測模塊也分為2大類——主流模塊和旁流模塊。主流模塊直接串聯(lián)進(jìn)氣道管路，模塊采集通過其內(nèi)腔的被測氣體的相應(yīng)數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)護(hù)儀主機(jī)（如圖2所示）。旁流模塊通過采樣泵和特定管路抽取少量的氣體到檢測模塊進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)通過串口傳輸至主機(jī)進(jìn)行顯示。根據(jù)安裝位置的不同，旁流模塊又分內(nèi)置式和外掛式2種，前者安裝在監(jiān)護(hù)儀內(nèi)部，后者有單獨(dú)外殼，通過電纜連接在主機(jī)上（如圖3所示）。根據(jù)采樣流量的不同，旁流模塊又分100和50 mL/min 2種，不過目前也有50～250 mL/min可以調(diào)節(jié)的。

圖2 偉康主流CO2模塊

圖3 偉康旁流CO2模塊

目前，市場上的主要產(chǎn)品有:PHASEIN公司推出的EMMA監(jiān)測儀（如圖4所示），它是一款即時獨(dú)立的呼吸氣體分析儀，采用的是IRMA紅外技術(shù)，可以測定呼吸頻率和ETCO2的濃度，也能進(jìn)行相應(yīng)的報警，比較輕便，但是價格較貴，目前在國內(nèi)的應(yīng)用不多；泰科公司推出的N-85監(jiān)測儀（如圖5所示），它可以監(jiān)測ETCO2和SpO2，能提供精確的脈搏讀數(shù)，但其采用黑白屏顯示，畫面效果不太理想；SunLife公司推出的ePAQ監(jiān)護(hù)儀（如圖6所示），這是一款手持式ETCO2/SpO2監(jiān)護(hù)設(shè)備，屏幕采用3.5 in（1 in=25.4 mm）彩色觸摸屏，波形數(shù)字比較清晰，可以存儲7200 h的患者信息，可以防水。

圖4 EMMA監(jiān)測儀

圖5 N-85監(jiān)測儀

圖6 ePAQ監(jiān)護(hù)儀

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

PetCO2監(jiān)測臨床涉及面廣，作為報警系統(tǒng)其應(yīng)用價值很高[17]。它能準(zhǔn)確及時地監(jiān)測很多意外情況，對患者某些比較嚴(yán)重的并發(fā)癥也能提早發(fā)現(xiàn)并示警，可防止患者出現(xiàn)嚴(yán)重缺氧或更大損害。對于氣管插管的位置判定、CPR的質(zhì)量評估、麻醉患者的安全監(jiān)護(hù)及全程持續(xù)二氧化碳監(jiān)測的作用明顯，提高了患者的安全保障，對醫(yī)療安全意義重大[18]。但目前相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化程度不高，技術(shù)在國內(nèi)使用受限，國內(nèi)在臨床上還未將其作為常規(guī)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行廣泛應(yīng)用。所以，為了降低技術(shù)使用成本，普及ETCO2監(jiān)測技術(shù)，迫切需要研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ETCO2監(jiān)測儀。

4.2 展望

PetCO2監(jiān)測簡便、連續(xù)、無創(chuàng)，臨床應(yīng)用前景廣闊。隨著PetCO2監(jiān)測技術(shù)與各學(xué)科的交叉融合，其在臨床中的應(yīng)用價值將會更加凸顯。由于臨床上對PetCO2監(jiān)測的認(rèn)識不足，加上國內(nèi)設(shè)備的研發(fā)人員的相關(guān)研究未跟上國際步伐，此技術(shù)研究潛力巨大，還有很多工作值得我們進(jìn)行深入探討和研究。

[1]Whitaker D K.Time for capnography everywhere[J].Anaesthesia，2011，66:544-549.

[2]Tautz T J，Urwyler A，Antognini J F，et al.Case scenario: Increased end-tidal carbon dioxide: A diagnostic dilemma[J].Anesthesiology，2010，112:440-446.

[3]Weigner M B，Lee L A.For the Anesthesia Patient Safety Foundation:No patient shall be harmed by opioid-induced respiratory depression[J].APSF Newsletter，2011，26:21-40.

[4]Georgiou A P，Gouldson S，Amphlett A M.The use of capnography and the availability of airway equipment on Intensive Care Units in the UK and the Republic of Ireland[J].Anaesthesia，2010，65:462-467.

[5]Gisolf J，Wilders R，Immink R V，et al.Tidal volume， cardiac output and functional residual capacity determine end-tidal CO2transient duringstandingupinhumans[J].Physical，2004，554:579-590.

[6]吳書銘，蔣紅兵，石莉.呼氣末二氧化碳分壓與動脈二氧化碳分壓關(guān)系的研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2013，28（1）:36-37.

[7]Li C H，Zhao W，Zhang J H，et al.Detection of esophageal intubation-assessment of several methods in clinical anesthesia[J].Zhongguo Yi Xue Ke Xue Yuan Xue Bao，2003，25:197-200.

[8]Scarth E，Cook T.Capnography during cardiopulmonary resuscitation[J].Resuscitation，2012，83:789-790.

[9]Heradstveit B E，Sunde K，Sunde G A，et al.Factors complicating interpretation of capnography during advanced life support in cardiac arrest-a clinical retrospective study in 575 patients[J].Resuscitation，2012，83:813-814.

[10]吳太虎，張廣，王運(yùn)斗.心肺復(fù)蘇急救裝備與應(yīng)用[M].北京:軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，2013.

[11]Deitch K，Miner J，Chudnofsky C R，et al.Does end tidal CO2monitoring during emergency department procedural sedation and analgesia with propofol decrease the incidence of hypoxic events?A randomized， controlled trial[J].Ann Emerg Med，2010，55:258-264.

[12]Waugh J B，Epps C A，Khodneva Y A.Capnography enhances surveillance of respiratory events during procedural sedation:A metaanalysis[J].Clin Anesth，2011，23:189-196.

[13]Einav S，Bromiker R，Weiniger C F，et al.Mathematical modeling for prediction of survival from resuscitation based on computerized continuous capnography:Proof of concept[J].Acad Emerg Med，2011，18:468-475.

[14]吳衛(wèi)平，范曉琳.氣管插管全麻術(shù)中持續(xù)監(jiān)測呼氣末二氧化碳對維持呼吸道通暢的意義[J].青海醫(yī)藥雜志，1998，11（3）:9-10.

[15]Tusman G，Sipmann F S，Bohm S H.Rationale of dead space measurement by volumetric capnography[J].Anesth Analg，2012，114:866-874.

[16]Arena R，Guazzi M，Myers J，et al.The prognostic utility of cardiopulmonary exercise testing stands the test of time in patients with heart failure[J].Cardiopulm Rehabil Prev，2012，32:198-202.

[17]White R D，Goodman B W，Svoboda M A.Neurologic recovery following prolonged out-of-hospital cardiac arrest with resuscitation guided by continuous capnography[J].Mayo Clin Proc，2011，86:544-548.

[18]Hodges E，Griffiths A，Richardson J，et al.Emergency capnography monitoring:Comparing ergonomic design of intensive care unit ventilator interfaces and specific training of staff in reducing time to activation[J].Anaesthesia，2012，67:850-854.