CN101380233A - 基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法及监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法及监测装置，该装置包括呼吸力学模块、主控模块；当病人端处于吸气状态时，由呼吸力学模块在采样周期中采样气道流量flow、气道压力press；主控电路计算采样时间Δt内流向病人端的气体体积增加量，计得采样周期的气道压力press与该气体体积增加量的乘积，将乘积累加，取累加值为呼吸功WOB。本发明由于呼吸力学模块的测量点在病人端，所以用于计算呼吸功的压力和流量值相对更接近肺内的真实情况，使结果更为准确；本发明的方法基于呼吸功的定义，不存在近似测算，进一步增加了结果的准确性。

Description

基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法及监测装置

【技术领域】

本发明涉及一种对气路中参数的监测技术，特别涉及医疗设备中对监护病人的呼吸参数的监测方法及装置。

【背景技术】

呼吸力学监测中，呼吸功的监测具有很重要的临床意义。呼吸功根据监测对象的不同可分为呼吸机做功和病人做功。前者是指机械控制或辅助通气时，呼吸机输送潮气量至病人肺内所做的功，可以反映机械通气的方法和对病人呼吸的支持程度，监测对象是麻醉机或呼吸机等机械或辅助通气设备。后者是指自主呼吸或辅助呼吸时，病人呼吸肌收缩，将一定量气体送入肺内所做的功，监测对象是病人。呼吸功是由两部分组成，即弹性功和非弹性功。弹性功是由通气机或病人承担的，为克服呼吸系统的弹性所做的功。非弹性功是为克服呼吸系统对气流的阻力(非弹性)，由通气机或病人所做的功，所以也叫阻力功。自主呼吸下病人的弹性功是不易在床边测定的，因为必须测定肺和胸廓的顺应性，因此需要测定胸内压。而胸内压的直接测定是很困难的，通常以测定食管压力来间接反应。因此一般情况下所指的病人所做的呼吸功，不包括自主呼吸下病人的呼吸肌和隔肌为克服肺和胸壁所做的弹性功，而是病人的肺对气体所做的功。呼吸功是临床上重要的监测指标。通过对呼吸功的监测，可以衡量弹性和非弹性阻力的水平，并作为判断呼吸困难程度的定量指标，还可以指导呼吸支持治疗选择最佳通气方式和呼吸参数，以尽量减少呼吸后负荷，避免呼吸肌疲劳。通过呼吸功的监测还可以评价病人呼吸功能恢复程度，指导呼吸机撤离。另外，通过呼吸功的监测来评价人机对抗程度，也是指导新型呼吸机和通气模式设计，使之更符合人体生理、病理的重要指标之一。

根据呼吸功的定义，呼吸功WOB是一个呼吸周期的吸气相内气道压力P对容量变化dV的积分，即

$\mathrm{WOB}=\underset{V=0}{\overset{\mathrm{VT}}{\∫}}P\·\mathrm{dV}---\left(1\right)$

其中VT为潮气量，即吸气末的体积。

目前通用的测定呼吸功的设备不多，主要由呼吸机完成，其方法有两种。一是利用气道压力初始值和潮气量的近似值方法，即

呼吸机做功＝(吸气初压力+吸气末压力)×潮气量/2     (2)

二是利用吸气平均气道压力和潮气量的乘积得到，即

呼吸机做功＝吸气相平均气道压力×潮气量            (3)

对于上述基于呼吸机的呼吸功测量方法，其缺点主要体现在以下几点：1)应用范围局限，对于不使用呼吸机的病人，例如麻醉机以及自主呼吸病人，则无法监测呼吸功状态。2)对于利用公式2计算呼吸功的设备，其得到的是呼吸功的近似值，理论上的精确性就比较差。而拿公式3与呼吸功的定义式公式1对比，两公式也是不能互相推导得到的，而是近似的用吸气相内压力对时间的平均，再与潮气量相乘。3)由于呼吸机包含了气路、阀门等通气部分，本身成本较高；而对呼吸功以及其他呼吸力学参数的监测，完全可以脱离通气部分。

另外还有一种传统的测量呼吸功的方法，即Campbell图测量法。该方法以压力-容积环以及肺和胸壁的顺应性曲线的面积来精确计算呼吸功。虽然它能够准确的测量出呼吸功，并且可以通过有创的方法得到肺和胸壁的顺应性曲线，但是它是基于对图形的分析，无法实现持续、实时的监测。对于微电子技术发达的今天，它更适合用于参比验证新方法的测量结果。

近年来，有些学者利用床旁的代谢监测技术，根据不同通气条件下对病人氧耗量的测定作为呼吸功的指标，对通气机依赖病人的撤机成功率的预测可靠性进行了研究，结果证明也是有一定意义的。但对于利用代谢监测技术进行的呼吸功监测，仅能测定由病人做的功，对于机械呼吸中呼吸机、麻醉机所做的功则无法测定；人体的代谢或病人氧消耗量虽然可以体现病人为做功而出现的能量消耗，但不能保证病人消耗的能量全都是用于呼吸做功；例如病人四肢运动以及精神紧张的时候，氧耗量同样会增加。故这种方法的一大局限性在于受干扰较大。由于前述的局限性，从而决定其应用范围相对狭窄。

随着电子技术在临床医学上的应用，生物医学工程师们越来越趋向于把呼吸的监测专业化、小型化、模块化，这样就出现了呼吸力学模块。由于这种模块可以单独监测呼吸力学参数，并且成本很低，所以其兼容性和移植性很强，不但可以整合入麻醉机和一些低端或早期呼吸机内部，也可以应用于监护仪或其他小型呼吸功能检测仪。它的出现，就为呼吸功的低成本精确监测提供了基础。

【发明内容】

本发明的主要目的是：克服上述现有技术中的不足之处，提供一种稳定、精确度高、使用简易、应用广泛的呼吸功监测方法及监测装置。

为实现上述目的，本发明提出基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，应用于具备呼吸力学模块的系统中，包括如下步骤：11)当系统病人端处于吸气状态时，由所述呼吸力学模块在采样周期中采样气道流量、气道压力，获取采样周期Δt内流向病人端的气体体积增加量；12)计得该采样周期的气道压力与该气体体积增加量的乘积；13)将乘积累加，取该累加值为呼吸功WOB。

上述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，系统循环执行上述步骤，直到吸气相结束，取在吸气末得到的呼吸功WOB为本次总呼吸功WOB_tot。

上述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，所述步骤11)的具体过程包括：在呼吸力学模块的一个采样周期到来时，通过流量传感器获取气道流量，该气道流量与采样周期Δt相乘，得到气体体积增加量。所述步骤11)的具体过程还包括：将气体体积的当前值装入静态变量past_volume；将气体体积增加量与气体体积当前值相加，用相加后的结果刷新气体体积volume的值。

上述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，还包括弹性功计算步骤，在机械呼吸条件下，由呼吸力学模块测量得到潮气量VT和吸气峰压PIP，弹性功WOB_elastic为：

${\mathrm{WOB}}_{\mathrm{elastic}}=\frac{1}{2}\mathrm{VT}\·\mathrm{PIP}.$

同时，本发明提出一种基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，包括呼吸力学模块、主控模块，二者相连接；当病人端处于吸气状态时，由所述呼吸力学模块在采样周期中采样气道流量、气道压力；所述主控电路计算采样周期Δt内流向病人端的气体体积增加量，计得采样周期内气道压力与该气体体积增加量的乘积，将乘积累加，取累加值为呼吸功WOB。

上述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，所述呼吸力学模块、主控模块循环执行上述步骤，直到吸气相结束，在吸气末得到呼吸功WOB为本次总呼吸功WOB_tot。

上述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，所述呼吸力学模块在下个采样周期到来时，通过流量传感器获取气道流量，所述主控模块将该气道流量与采样周期Δt相乘，得到气体体积增加量。所述主控模块将气体体积的当前值装入静态变量past_volume；将气体体积增加量与气体体积当前值相加，用相加后的结果刷新气体体积的值。

上述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，在机械呼吸条件下，由所述呼吸力学模块测量得到潮气量VT和吸气峰压PIP，主控模块计算弹性功WOB_elastic为： ${\mathrm{WOB}}_{\mathrm{elastic}}=\frac{1}{2}\mathrm{VT}\·\mathrm{PIP}$

由于采用了以上的方案，与现有技术相比，本发明兼具以下优点：1)由呼吸力学模块实时采样处理，主控模块自动计量，测量操作简单；2)由于呼吸力学模块的测量点在病人端，所以用于计算呼吸功的压力和流量值相对更接近肺内的真实情况，使结果更为准确；3)本发明的方法基于呼吸功的定义，不存在近似测算，进一步增加了结果的准确性；4)由于基于呼吸力学模块，监测设备的成本大幅降低；5)监测设备的兼容性强，移植潜力大，以呼吸力学模块为载体，在增加呼吸功监测后，可集成入监护仪、麻醉机、呼吸机以及呼吸检测等设备；6)可以实现实时、持续测量，在吸气状态下的任何采样点，都可以得到呼吸功的当前值。

【附图说明】

图1是基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置结构示意图；

图2 机械呼吸的容积-压力环示意图；

图3 自主呼吸的容积-压力环示意图；

图4 呼吸功测量的计算流程图。

【具体实施方式】

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本例的呼吸功实时监测装置包括呼吸力学模块、主控模块。呼吸力学模块包括气体流量传感器、压差传感器、信号采集电路；通过将气体流量传感器串接于气道接头与病人端的气管插管或面罩之间，通过与压差传感器的配合使用，实时测量气道中的相对压力P和气体流量状态，由信号采集电路进行信号采集、处理。而主控模块采用单片机，通过对不同时刻流量与时间乘积的累加又能得到每一时刻已通过流量传感器的气体体积V。通过监测整个呼吸周期中气道压力和气体体积的最大值，则可以得到潮气量VT和吸气峰压PIP。而气流的正、负方向分别标志了吸气和呼气相，则利用单片机中的定时器很容易测得吸气时间Ti。

在机械呼吸下，气道中周期性变化的压力-容积环图如图2所示。由于正常机械通气过程中气路不会出现负压，故理论上呼吸环总是出现在坐标轴的第一象限。在吸气过程中，通气设备对气体做功，所做的功主要以克服气道阻力、人体胸壁和肺的弹性以及气路的弹性(正压状态下气路承受气道压力而膨胀)。则根据呼吸功的定义，类扇形(实际呼吸过程中的环图是不规则的)OAB覆盖的面积则为总呼吸功，而三角形OAB的面积则是弹性功，总呼吸功减去弹性功的部分则为阻力功，即阻力功为：

WOB_resist＝WOB_tot-WOB_elastic

从图2中不难看出，三角形OAB的面积可以通过VT和PIP计算得到，即弹性功为：

${\mathrm{WOB}}_{\mathrm{elastic}}=\frac{1}{2}\mathrm{VT}\·\mathrm{PIP}$

在自主呼吸下，气道中周期性变化的压力-容积环图如图3所示。由于是自主呼吸，吸气过程中气道出现负压，故理论上呼吸环跨越第一、二象限。自主呼吸下主要由病人的肺克服气道阻力做功，几乎不存在为克服气道弹性所做的弹性功，测量此时的弹性功也不具有临床意义。因此在气路未出现堵塞的情况下，弹性功可忽略不计。曲线OAC所覆盖的面积即呼吸功(阻力功)。

由于在呼吸过程中病人吸入的气体体积V是随时间改变的，则有

V＝V(t)

设在体积-压力环图中P对V的函数为P(V)，V在随时间变化的同时，P也在随时间变化。所以有：

P(V)＝P(V(t))

设P′(t)＝P(V(t))

则由WOB的定义式(公式1)可推导得，总呼吸功：

${\mathrm{WOB}}_{\mathrm{tot}}=\underset{V=0}{\overset{\mathrm{VT}}{\∫}}P\left(V\left(t\right)\right)\·\mathrm{dV}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{Ti}}{\∫}}P\′\left(t\right)\·\mathrm{dV}\left(t\right)---\left(4\right)$

其中Ti为吸气末的时间(t值)。

在基于呼吸力学模块的气道监测中，单片机对P和V的监测在时间上是离散的，假设其采样频率为f，则模块在采样得到以时间1/f为间隔的P和V值序列。

令P′_n＝P′(n/f)，V_n＝V(n/f) n＝0，1，2，3……

则结合公式4可推导出总呼吸功的离散算法：

${\mathrm{WOB}}_{\mathrm{tot}}=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{Ti}\·f}{\mathrm{\Σ}}}{P\′}_n\mathrm{\ΔV}=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{Ti}\·f}{\mathrm{\Σ}}}{P\′}_n[V_n-V_{n-1}]---\left(5\right)$

其中，由于f是已知量，Ti、P｀n、Vn则由呼吸力学模块测量得到。公式5是呼吸力学模块呼吸功监测的理论基础。

根据总呼吸功的离散算法，计算呼吸功的单片机定义自动变量volume、WOB、press和flow，分别用于装载气道中某一时刻的气体体积、呼吸功、气道压力和气道流量。

图4是呼吸功测量的实现流程图。如图所示，判断呼吸周期是否处于吸入状态的方法是检查气道流量flow的符号是否为正。定义静态变量past_volume，初始化时此值置为0；当处于吸气状态时，将volume的当前值装入past_volume，在呼吸力学模块的下一个采样点到来时，用flow与采样周期Δt相乘得到时间Δt内流过传感器的气体体积，再与volume的当前值相加，相加后的结果装入volume作为对其的刷新；例如，采样频率是100Hz，则Δt＝0.01s。这样，volume-past_volume就对应公式5中的Vn-Vn-1。将每次采样后计得的press*(volume-past_volume)累加，以WOB装载，直到吸气相结束。则在吸气末得到的WOB就是总呼吸功。在每一次呼吸周期结束后，都能得到一个WOB，作为本次呼吸的总呼吸功。

在机械呼吸的条件下，利用呼吸周期结束后得到的VT和PIP计算得到弹性功，则可进一步得到阻力功的大小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，应用于具备呼吸力学模块的系统中，包括如下步骤：11)当系统病人端处于吸气状态时，由呼吸力学模块在采样周期中采样气道流量、气道压力，系统获取采样周期Δt内流向病人端的气体体积增加量；12)计得该采样周期内气道压力与该气体体积增加量的乘积；13)将该乘积累加，取该累加值为呼吸功WOB。

2.如权利要求1所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，其特征是：循环执行上述步骤，直到吸气相结束，取在吸气末得到的呼吸功WOB为本次总呼吸功WOB_tot。

3.如权利要求2所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，其特征是，所述步骤11)的具体过程包括：在呼吸力学模块的一个采样周期到来时，通过流量传感器获取气道流量，该气道流量与采样周期Δt相乘，得到气体体积增加量。

4.如权利要求2或3所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，其特征是，所述步骤11)的具体过程还包括：将气体体积的当前值装入静态变量past_volume；将气体体积增加量与气体体积当前值相加，用相加后的结果刷新气体体积的值。

5.如权利要求1-3中任一项所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测方法，其特征是：还包括弹性功计算步骤，在机械呼吸条件下，由呼吸力学模块测量得到潮气量VT和吸气峰压PIP，取弹性功WOB_elastic为： ${\mathrm{WOB}}_{\mathrm{elastic}}=\frac{1}{2}\mathrm{VT}\·\mathrm{PIP}.$

6.基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，包括呼吸力学模块、主控模块，二者相连接；其特征是：当病人端处于吸气状态时，由所述呼吸力学模块在采样周期中采样气道流量、气道压力；所述主控电路计算采样周期Δt内流向病人端的气体体积增加量，计得采样周期内气道压力与该气体体积增加量的乘积，将乘积累加，取累加值为呼吸功WOB。

7.如权利要求6所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，其特征是：所述呼吸力学模块、主控模块循环执行上述步骤，直到吸气相结束，在吸气末得到呼吸功WOB为本次总呼吸功WOB_tot。

8.如权利要求7所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，其特征是：所述呼吸力学模块在下个采样周期到来时，通过流量传感器获取气道流量，所述主控模块将该气道流量与采样周期Δt相乘，得到气体体积增加量。

9.如权利要求7或8所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，其特征是：所述主控模块将气体体积的当前值装入静态变量past_volume；将气体体积增加量与气体体积当前值相加，用相加后的结果刷新气体体e积的值。

10.如权利要求6-8中任一项所述的基于呼吸力学模块的呼吸功实时监测装置，其特征是：在机械呼吸条件下，由所述呼吸力学模块测量得到潮气量VT和吸气峰压PIP，主控模块计算弹性功WOB_elastic为： ${\mathrm{WOB}}_{\mathrm{elastic}}=\frac{1}{2}\mathrm{VT}\·\mathrm{PIP}.$

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