適于檢傷機(jī)器人的失血性休克檢測技術(shù)指標(biāo)篩選研究

馬結(jié)實，段傲文，顏樂先，張和華

（陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，重慶400042）

0 引言

我國是全球自然災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家之一。汶川地震、玉樹地震等大型自然災(zāi)害給我國造成了大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。自然災(zāi)害往往涉及的地域廣，可在短期內(nèi)造成大量的人員傷亡，其中創(chuàng)傷導(dǎo)致的失血性休克的發(fā)生率高達(dá)90%[1]。失血性休克是指各種原因引起的循環(huán)容量丟失而導(dǎo)致的有效循環(huán)血量與心排出量減少、組織灌注不足、細(xì)胞代謝紊亂和功能受損的病理、生理過程，早期死亡率高達(dá)40%～50%[2]。失血性休克患者死亡的原因往往是組織低灌注等因素導(dǎo)致的多器官功能障礙綜合征，是可有效救治的創(chuàng)傷早期最主要的死因之一。目前，現(xiàn)場的檢傷分類流程是按照氣道（Airway）、呼吸（Breath）、循環(huán)（Circulation），即A、B、C的順序處理急救需求，將失血性休克的評估放在最后一個環(huán)節(jié)C，在某種程度上延誤了失血性休克的診治。并且由于院內(nèi)失血性休克程度評估技術(shù)不適用于災(zāi)難現(xiàn)場，而目前災(zāi)難現(xiàn)場主要依賴專業(yè)人員的主觀判斷，無法實現(xiàn)對失血性休克程度的客觀量化和快速評估。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器的功耗降低，其逐步實現(xiàn)了微、小型化，使院內(nèi)失血性休克檢測技術(shù)具備了向院前應(yīng)用的可能。但是單個檢測指標(biāo)在準(zhǔn)確性和可靠性上難以保證，而且創(chuàng)傷傷員身體殘缺可能會導(dǎo)致部分指標(biāo)無法獲取，所以對失血性休克程度進(jìn)行多個指標(biāo)聯(lián)合檢測和信息融合是實現(xiàn)失血性休克程度準(zhǔn)確判斷的有效途徑。以人工智能和機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的檢傷機(jī)器人為這一關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)提供了平臺。檢傷機(jī)器人可以搭載多個失血性休克程度檢測傳感器，并利用人工智能技術(shù)對多個傳感器獲得的多模態(tài)信息進(jìn)行融合，綜合性地判斷失血性休克程度。雖然在院內(nèi)用于失血性休克程度評估的檢測技術(shù)有20多種，但由于機(jī)器人承重、電池續(xù)航能力和信息處理能力等方面的限制，不可能將所有的檢測技術(shù)都搭載于檢傷機(jī)器人，有必要對目前院內(nèi)和研究中的失血性休克檢測技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行篩選。由于檢傷機(jī)器人現(xiàn)場評估失血性休克是一個較新的研究領(lǐng)域，目前只檢索到趙宇卓[3]報道的通過粗糙集算法對傷員生命體征、血常規(guī)、凝血功能、血生化、尿常規(guī)等指標(biāo)數(shù)據(jù)集進(jìn)行解析，進(jìn)而用元胞遺傳算法進(jìn)行獨立重復(fù)實驗，根據(jù)指標(biāo)被保留次數(shù)的多少判斷其評估失血性休克程度能力的高低，而血生化、凝血常規(guī)等部分指標(biāo)的獲取時間較長，檢傷機(jī)器人在災(zāi)難現(xiàn)場難以獲得。目前在災(zāi)難現(xiàn)場能使檢傷機(jī)器人“又準(zhǔn)又快”評估失血性休克程度的研究非常少，故本研究首先從院前適用性出發(fā)篩選出符合要求的檢測指標(biāo)，然后根據(jù)文獻(xiàn)報道從準(zhǔn)確性和時效性方面對適于院前使用的指標(biāo)進(jìn)行綜合評估，以得到滿足“又準(zhǔn)又快”需求的指標(biāo)序列供檢傷機(jī)器人選用。

1 方法

失血性休克程度評估指標(biāo)來源于《創(chuàng)傷失血性休克診治中國急診專家共識》[4]（以下簡稱《急診專家共識》）、《低血容量休克復(fù)蘇指南》[5]和《無創(chuàng)技術(shù)檢測失血性休克嚴(yán)重程度的現(xiàn)狀與進(jìn)展》[6]，包括院內(nèi)評估指標(biāo)和研究中的院前評估指標(biāo)。失血性休克程度院內(nèi)評估指標(biāo)包括休克指數(shù)、無創(chuàng)血壓、心率、呼吸頻率、意識狀態(tài)、脈率、體溫、皮溫、尿量、血氧飽和度、心臟功能、動脈血壓、動脈血乳酸濃度、堿缺失、紅細(xì)胞計數(shù)、紅細(xì)胞壓積、血小板計數(shù)、凝血功能、電解質(zhì)、肝功能、腎功能21項指標(biāo)。研究中的失血性休克程度院前評估指標(biāo)包括外周組織灌注（激光多普勒血流測量）、腦血流灌注（磁感應(yīng)相移譜測量）、肌氧飽和度、脈壓、脈壓差、R波振幅、舌下黏膜二氧化碳分壓、口腔黏膜二氧化碳分壓8項指標(biāo)。

現(xiàn)場適用性、準(zhǔn)確性和時效性是構(gòu)建檢傷機(jī)器人失血性休克程度評估指標(biāo)體系需要考慮的3個最基礎(chǔ)的評估角度。

（1）現(xiàn)場適用性評估。上述29項指標(biāo)中個別在不同災(zāi)難場景下存在不同的測量形式，譬如地震廢墟中傷員的呼吸頻率采用生命雷達(dá)非接觸式測量（以下稱“呼吸頻率（雷達(dá)）”），而頭部暴露的傷員可以采用紅外傳感器測量口鼻處的呼吸（以下稱“呼吸頻率（紅外）”）。采用排除法從這些指標(biāo)中選出適于檢傷機(jī)器人現(xiàn)場測量的指標(biāo)，排除的標(biāo)準(zhǔn)是有創(chuàng)的指標(biāo)、所需設(shè)備龐大的指標(biāo)、檢傷機(jī)器人無法完成測量或者測量較費時的指標(biāo)。

（2）準(zhǔn)確性評估。對上述滿足現(xiàn)場適用性的指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確性評估。方法是通過文獻(xiàn)報道考察指標(biāo)與失血性休克程度的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)指標(biāo)能區(qū)分出4種失血性休克程度（輕度、中度、重度和極重度）時，準(zhǔn)確性評分（A）計10分；當(dāng)指標(biāo)能區(qū)分出3種失血性休克程度，則A計7.5分；當(dāng)指標(biāo)只能區(qū)分出2種失血性休克程度或者尚處于探索中，A計5分。若指標(biāo)的檢測有明顯干擾因素，則A減1分。將各指標(biāo)按照準(zhǔn)確性評分降序排列。

（3）時效性評估。在進(jìn)行準(zhǔn)確性評估的同時，對滿足現(xiàn)場適用性的指標(biāo)進(jìn)行時效性評估。為了控制檢傷機(jī)器人評估失血性休克程度的總體時間，本研究將檢傷機(jī)器人檢測失血性休克程度的時間限定為10 s。失血性休克檢測指標(biāo)時效性主要需要考慮傳感器獲得所需指標(biāo)的檢測時間。傳感器的檢測時間越短，則時效性越高；反之時效性越低。因此，可將指標(biāo)的時效性評分（T）定義為10與檢測時間（單位：s）的差值。將各指標(biāo)按照時效性評分降序排列。

（4）綜合性評分。綜合性評分S=A+T，滿分為20分，分值越大，說明指標(biāo)的準(zhǔn)確性和時效性的綜合性能越高，反之綜合性能越低。將各指標(biāo)按照綜合性評分降序排列。

2 結(jié)果

2.1 指標(biāo)的現(xiàn)場適用性篩選結(jié)果

經(jīng)過篩選，確定了呼吸頻率（雷達(dá)）、呼吸頻率（紅外）、意識狀態(tài)、脈率等16項指標(biāo)符合災(zāi)難現(xiàn)場檢傷使用。指標(biāo)名稱、使用的傳感器類型和測量方式詳見表1。

表1 適用于災(zāi)難現(xiàn)場的失血性休克程度檢測指標(biāo)

2.2 準(zhǔn)確性評估結(jié)果

（1）呼吸頻率。

4種失血性休克程度對應(yīng)于4種不同的呼吸頻率范圍[4]：輕度失血性休克對應(yīng)的呼吸頻率范圍為14～20次/min；中度失血性休克對應(yīng)的呼吸頻率范圍為20～30次/min；重度失血性休克對應(yīng)的呼吸頻率范圍為30～40次/min；極重度失血性休克對應(yīng)的呼吸頻率大于40次/min。頭部暴露于地面上的傷員呼吸頻率可以通過紅外傳感器測量呼吸導(dǎo)致的口鼻處溫度的周期變化而得到，檢測誤差低于1次/min[7]；而被掩埋的傷員呼吸頻率借助于生命雷達(dá)測量得到，檢測誤差也低于1次/min[8-9]。根據(jù)本文的評分方法，基于紅外傳感器和基于生命雷達(dá)的呼吸頻率檢測能區(qū)分出4種不同的休克程度，它們在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上的評分均為10分。

（2）皮溫。

皮溫只能大概區(qū)分出3種休克程度[10]：在輕度失血性休克時，皮溫?zé)o異常；在中度失血性休克時，肢體末端厥冷；在重度失血性休克時，肢體末端厥冷，范圍向近端擴(kuò)大。由于極重度失血性休克時的皮溫與重度失血性休克的皮溫?zé)o法區(qū)分，所以皮溫在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為7.5分。

（3）意識狀態(tài)。

利用機(jī)器人的語音和抓握手柄對傷員的意識狀態(tài)進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)報道[4-5，11]，輕度失血性休克對聲音有反應(yīng)；中度失血性休克對疼痛有反應(yīng)；重度和極重度失血性休克對疼痛均無反應(yīng)。綜上，意識狀態(tài)可以區(qū)分3種休克程度，其在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為7.5分。

（4）脈率。

據(jù)文獻(xiàn)報道[4]，輕度失血性休克對應(yīng)的脈率低于100次/min；中度失血性休克對應(yīng)的脈率范圍為100～120次/min；重度失血性休克對應(yīng)的脈率大于120次/min；極重度與重度失血性休克在脈率上無法區(qū)分。綜上，脈率能區(qū)分3種休克程度，其在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為7.5分。

（5）無創(chuàng)血壓。

據(jù)文獻(xiàn)報道[4，10]，輕度失血性休克對應(yīng)的收縮壓范圍為80～90 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）；中度失血性休克對應(yīng)的收縮壓范圍為60～80 mmHg；重度失血性休克對應(yīng)的收縮壓低于60 mmHg或測不到；極重度失血性休克的收縮壓測不到。綜上，無創(chuàng)血壓只能區(qū)分輕度、中度和重度3種休克程度，其在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為7.5分。

（6）休克指數(shù)。

休克指數(shù)是脈率與收縮壓的比值。據(jù)文獻(xiàn)報道[4]，輕度失血性休克對應(yīng)的休克指數(shù)范圍為1.0～1.5；中度失血性休克對應(yīng)的休克指數(shù)范圍為1.5～2.0；重度失血性休克對應(yīng)的休克指數(shù)大于2.0；極重度與重度失血性休克無法區(qū)分。綜上，休克指數(shù)能區(qū)分3種休克程度，其在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為7.5分。

（7）脈壓。

脈壓由動脈壓力波計算得到，用于估計中心血容量的相對變化。脈壓PP與實驗中的下身負(fù)壓LBNP具有下述關(guān)系[12-13]：

下身負(fù)壓LBNP與失血百分比BL具有下述關(guān)系[14-15]：

由公式（1）和（2）可以得出脈壓PP與失血百分比BL滿足下述關(guān)系：

結(jié)合4種休克程度對應(yīng)的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應(yīng)的脈壓大于48.662 mmHg；中度失血性休克對應(yīng)的脈壓范圍為39.027～48.662 mmHg；重度失血性休克對應(yīng)的脈壓范圍為32.603～39.027 mmHg；極重度失血性休克對應(yīng)的脈壓低于32.603 mmHg。綜上，脈壓能區(qū)分4種休克程度，其在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為10分。

（8）脈壓差。

脈壓差dPP與失血百分比BL具有良好的線性關(guān)系[16]：

結(jié)合4種休克程度對應(yīng)的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應(yīng)的脈壓差低于28.85%；中度失血性休克對應(yīng)的脈壓差范圍為28.85%～43.7%；重度失血性休克對應(yīng)的脈壓差范圍為43.7%～53.6%；極重度失血性休克對應(yīng)的脈壓差大于53.6%。綜上，脈壓差能區(qū)分4種休克程度，在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為10分。

（9）體溫。

《急診專家共識》的一般監(jiān)測中提到對患者體溫的監(jiān)測[4]，說明體溫是急診專家關(guān)注的指標(biāo)，但未見文獻(xiàn)報道體溫與休克程度的對應(yīng)關(guān)系，此關(guān)系有待進(jìn)一步研究。對于能區(qū)分出2種休克程度的指標(biāo)，本研究對這些指標(biāo)評估休克程度的準(zhǔn)確性的評分定為5分，而統(tǒng)一降低1分給待研究的指標(biāo)評估休克程度的準(zhǔn)確性賦分，因此將體溫評估失血性休克程度準(zhǔn)確性的評分定為4分。

（10）血氧飽和度。

有研究報道[11]，輕度失血性休克對應(yīng)的血氧飽和度范圍為91%～95%；中度失血性休克對應(yīng)的血氧飽和度范圍為86%～90%；重度失血性休克對應(yīng)的血氧飽和度小于86%；極重度與重度失血性休克在血氧飽和度上無法區(qū)分。綜上，血氧飽和度能區(qū)分3種休克程度，在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為7.5分。

（11）外周組織灌注。

組織低灌注是失血性休克的本質(zhì)，《急診專家共識》的一般監(jiān)測中推薦監(jiān)測患者的外血流灌注[4]，但尚沒有研究披露外周組織灌注與失血性休克程度的關(guān)系，此關(guān)系有待進(jìn)一步研究。參照研究中的指標(biāo)在評估失血性休克準(zhǔn)確性上賦分4分的規(guī)則，因此將外周組織灌注在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分定為4分。

（12）肌氧飽和度。

在失血性休克中，肌氧飽和度SmO2與失血百分比BL具有下述關(guān)系[17]：

結(jié)合4種休克程度對應(yīng)的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應(yīng)的肌氧飽和度大于76.81%；中度失血性休克對應(yīng)的肌氧飽和度范圍為61.42%～76.81%；重度失血性休克對應(yīng)的肌氧飽和度范圍為51.16%～61.42%；極重度失血性休克對應(yīng)的肌氧飽和度小于51.16%。綜上，肌氧飽和度能區(qū)分4種休克程度，在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為10分。

（13）腦血流灌注。

休克的本質(zhì)是組織低灌注[4，10]，有報道對利用磁感應(yīng)相移譜評估失血性休克導(dǎo)致的腦血流低灌注進(jìn)行了研究[18]，但腦血流低灌注與失血性休克程度的關(guān)系需進(jìn)一步研究。參照研究中的指標(biāo)在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上賦分4分的規(guī)則，需進(jìn)一步探索其評估失血性休克程度的可能性，因此腦血流灌注在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分為4分。

（14）心率。

由《急診專家共識》可知，失血性休克的4種程度對應(yīng)于4個不同的心率范圍[4]：輕度失血性休克對應(yīng)的心率低于100次/min；中度失血性休克對應(yīng)的心率范圍為100～120次/min；重度失血性休克對應(yīng)的心率范圍為120～140次/min；極重度失血性休克對應(yīng)的心率大于140次/min。綜上，失血性休克的4種程度對應(yīng)4個不同的心率范圍，但受疼痛、體位、噪聲等因素影響[6]，心率在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分由10分降為9分。

（15）R波振幅。

R波振幅RA與下身負(fù)壓LBNP滿足下列關(guān)系[19]：

結(jié)合公式（2），可得到R波振幅RA與失血百分比BL的關(guān)系：

結(jié)合4種休克程度對應(yīng)的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應(yīng)的R波振幅小于0.998；中度失血性休克對應(yīng)的R波振幅范圍為0.998～1.047；重度失血性休克對應(yīng)的R波振幅范圍為1.047～1.080；極重度失血性休克對應(yīng)的R波振幅大于1.080。綜上，失血性休克的4種程度對應(yīng)4種不同的R波振幅范圍，但受疼痛、體位、噪聲等因素影響，R波振幅在評估失血性休克程度準(zhǔn)確性上評分由10分降為9分。

上述16個指標(biāo)按照評估失血性休克程度準(zhǔn)確性評分降序排列結(jié)果如圖1所示。準(zhǔn)確性評分排名前5的指標(biāo)為呼吸頻率（紅外）、呼吸頻率（雷達(dá)）、脈壓、脈壓差和肌氧飽和度。

圖1 各指標(biāo)按照評估失血性休克程度準(zhǔn)確性評分降序排列圖

2.3 時效性評估結(jié)果

16個指標(biāo)評估失血性休克程度的時效性評分見表2。

表2 16個指標(biāo)評估失血性休克程度的時效性評分

各指標(biāo)按照評估休克程度時效性評分的降序排列，如圖2所示。時效性評分排名前5的指標(biāo)是腦血流灌注、皮溫、呼吸頻率（紅外）、外周組織灌注和無創(chuàng)血壓。

圖2 各指標(biāo)按照評估失血性休克程度時效性評分降序排列圖

2.4 綜合性評估結(jié)果

各指標(biāo)按照評估休克程度綜合性評分的降序排列，如圖3所示。綜合性排名前5的指標(biāo)是呼吸頻率（紅外）、肌氧飽和度、脈壓、脈壓差和皮溫。

圖3 各指標(biāo)按照評估失血性休克程度綜合性評分降序排列圖

3 討論

本研究從檢傷機(jī)器人失血性休克檢測指標(biāo)體系“又準(zhǔn)又快”的構(gòu)建需求出發(fā)，將《急診專家共識》《低血容量休克復(fù)蘇指南》等作為休克檢測指標(biāo)的來源，通過現(xiàn)場適用性評估對檢傷機(jī)器人能現(xiàn)場測量的指標(biāo)進(jìn)行了篩選，選出了16項指標(biāo)，然后借助于相關(guān)文獻(xiàn)對這些指標(biāo)評估失血性休克程度的準(zhǔn)確性、時效性和兼顧兩方面的綜合性進(jìn)行評分。最終研究結(jié)果確定綜合性排名前5的指標(biāo)為呼吸頻率（紅外）、肌氧飽和度、脈壓、脈壓差和皮溫，這5個指標(biāo)可以作為檢傷機(jī)器人現(xiàn)場評估傷員失血性休克程度的指標(biāo)。

趙宇卓[3]對失血性休克程度評估指標(biāo)的篩選進(jìn)行了研究，該文獻(xiàn)基于智能篩選算法對創(chuàng)傷失血性休克關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了提取。本研究與文獻(xiàn)[3]的研究有以下異同：（1）在指標(biāo)的來源上，文獻(xiàn)[3]的研究既包括院前可獲得的生命體征，又包括院內(nèi)實驗室獲得的指標(biāo)，而本研究的初步指標(biāo)集也涵蓋了這些指標(biāo)，但本研究從檢傷機(jī)器人的現(xiàn)場檢測需求出發(fā)，將有創(chuàng)的、機(jī)器人院前無法測量的指標(biāo)進(jìn)行了排除，最終保留了16項檢測指標(biāo)。（2）在指標(biāo)評估休克程度準(zhǔn)確性上，文獻(xiàn)[3]的研究將評估休克程度的準(zhǔn)確性作為核心評估指標(biāo)，但未對指標(biāo)的準(zhǔn)確性采用量化評分，而是通過各指標(biāo)在獨立重復(fù)實驗中被保留的次數(shù)來衡量其評估休克程度的準(zhǔn)確性，而本研究根據(jù)指標(biāo)識別4種休克程度的能力設(shè)計了準(zhǔn)確性評分，評價將更精準(zhǔn)。（3）在指標(biāo)評估休克程度時效性上，由于文獻(xiàn)[3]的研究并非為創(chuàng)傷的現(xiàn)場檢傷而設(shè)計，所以并未研究各指標(biāo)在檢傷機(jī)器人上應(yīng)用的時效性，而本研究從傳感器測量方式、傳感器檢測時間等因素出發(fā)，設(shè)計了時效性評分，并對各指標(biāo)的現(xiàn)場時效性進(jìn)行了量化評估。（4）在指標(biāo)篩選結(jié)果上，文獻(xiàn)[3]的研究表明10次獨立重復(fù)實驗中呼吸頻率是識別休克程度準(zhǔn)確性最高的指標(biāo)，而本研究在準(zhǔn)確性評分和綜合性評分中也得出了相同的結(jié)論。

本研究也存在一些不足，如在準(zhǔn)確性評分中識別出4種休克等級則給予指標(biāo)10分，每少識別出一級則減少2.5分，這樣的評分方法略顯粗糙。在下一步的研究中，應(yīng)該進(jìn)一步搜集文獻(xiàn)和實驗證據(jù)，將各指標(biāo)與休克程度（譬如失血百分比）的相關(guān)系數(shù)作為相應(yīng)指標(biāo)評估休克程度準(zhǔn)確性評分的一個重要參考，將會使得評分更加準(zhǔn)確和細(xì)致。在指標(biāo)時效性評估中，本研究力求追蹤獲取相應(yīng)休克檢測指標(biāo)所需的最新傳感器及其檢測時間，但由于不可能做到全部參數(shù)最新，在搭建檢傷機(jī)器人平臺選擇傳感器時可進(jìn)一步調(diào)研。

本研究主要從評估失血性休克程度的準(zhǔn)確性、時效性和兼顧兩者的綜合性3個維度對《急救專家共識》和《低血容量休克復(fù)蘇指南》中的指標(biāo)進(jìn)行量化評估和篩選，其中準(zhǔn)確性評估立足于區(qū)分失血性休克程度的能力，時效性評估立足于檢傷機(jī)器人的可操作性和檢測耗時，這些性能指標(biāo)的聯(lián)合應(yīng)用更有利于篩選出實用、量化和準(zhǔn)確的失血性休克程度評估指標(biāo)，為檢傷機(jī)器人失血性休克程度的檢測指標(biāo)的篩選提供了實用的方法和結(jié)果。在未來檢傷機(jī)器人的研發(fā)中，研究者可以根據(jù)自身采用的機(jī)器人平臺的荷載能力選擇本研究推薦的指標(biāo)，從而實現(xiàn)檢傷機(jī)器人在失血性休克程度評估方面“又準(zhǔn)又快”的目標(biāo)。