CN103048382B - 在线监测异丙酚麻醉药的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线监测异丙酚麻醉药的系统和方法，系统包括：载气发生器、干燥过滤瓶、数控质量/流量计、微型热解析装置、加热六通阀、加热抽气进样针和气泵；载气发生器的出口接干燥过滤瓶的入口，干燥过滤瓶的出口接数控质量/流量计的入口；加热六通阀的六个端口分别接声表面波检测单元、质量/流量计的出口，微型热解析装置的两端，加热抽气进样针的出气口和气泵；本发明采用涂敷不同敏感材料的声表面波气体传感器阵列，或由无涂敷敏感材料的声表面波气体传感器结合快速毛细管分离技术构成的敏感部件，结合气流控制实现对气态异丙酚的痕量检测；对异丙酚的检测灵敏度高、检测下限低、工作安全稳定。

Description

在线监测异丙酚麻醉药的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种新的快速、灵敏、高效、可靠的异丙酚麻醉药检测技术，尤其涉及一种手术中在线监测异丙酚(Propofol)麻醉药的系统及方法。
背景技术
异丙酚(propofol)于1977年在英国首次进入临床试验，目前在超过50个国家中得到认可，并被广泛应用于临床上的麻醉诱导、维持和镇静。在国内随着舒适化医疗的开展，麻醉镇静过程的安全和舒适性越来越受到重视。异丙酚由于其麻醉起效快、诱导平稳、持续时间短，苏醒快而完全，没有咳嗽、呃逆等特点，越来越多的用于全凭静脉麻醉，在中国其年用量每年快速递增。然而临床中使用该镇静药物的安全范围较小，不论镇静过深或过浅都会对患者造成相应的生理或精神的伤害，所以在麻醉镇静过程中监测镇静深度非常重要。目前由于静脉血药浓度的不可实时监测，全凭静脉麻醉镇静深度也很难直观的确定。
发明内容
本发明的目的在于针对目前异丙酚麻醉药血药浓度实时监测的缺乏，提供一种在线监测异丙酚麻醉药浓度的系统及方法，本发明可以在线快速检测术中病人的呼出气异丙酚浓度，为动态比较呼出气异丙酚浓度和血液异丙酚浓度，以及今后通过呼出气监测异丙酚麻醉药血药浓度和麻醉镇静深度提供了一种新的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种在线监测异丙酚麻醉药的系统，它包括：载气发生器、干燥过滤瓶、数控质量/流量计、微型热解析装置、加热六通阀、加热抽气进样针和气泵。载气发生器的出口接干燥过滤瓶的入口，干燥过滤瓶的出口接数控质量/流量计的入口；加热六通阀的六个端口分别接声表面波检测单元、质量/流量计的出口，微型热解析装置的两端，加热抽气进样针的出气口和气泵。
进一步地，所述声表面波检测单元可以为声表面波传感器阵列，也可以由快速毛细管分离柱和不涂膜声表面波传感器相连组成。所述加热六通阀由金属六通阀和加热模块固定连接组成。所述载气发生器是由空气氮气发生器和压力调节阀相连组成，压力调节阀的出口接干燥过滤瓶的入口。所述微型热解析装置可以为长10-20厘米，内径2-3毫米，壁厚0.5-1毫米的薄壁金属管，其内填加100-200毫克Tenax-TA吸附剂所构成，其在常温下吸附，脱附采用闪蒸方式，即通过直流或交流电加热薄壁金属管，使其在10毫秒内上升到200摄氏度。所述快速毛细管分离柱是由2米长的石英毛细管柱DB-5外套壁厚1-1.5毫米薄壁金属毛细管柱和绝缘薄膜构成。所述声表面波传感器阵列是由4个以128度切型的铌酸锂压电材料为基地的，中心工作频率在500MHz的声表面波气体传感器分别涂上不同薄膜所构成，所述薄膜选自三乙醇胺薄膜、Pd薄膜、WO3薄膜和酞氰薄膜。
一种应用上述系统的在线监测术中病人呼出气中异丙酚麻醉药的方法，该方法包括以下步骤：
(1)全凭静脉麻醉的病人的气管插管通过呼吸导管连接到呼吸机上后进行被动呼吸；过滤器分别安置在呼吸机的呼气阀和吸气阀上，呼气阀通过过滤器直接和呼吸导管相连，吸气阀通过过滤器和加湿加温器后和呼吸导管相连。在线监测异丙酚麻醉药的系统的加热抽气进样针插入呼吸导管的呼气端后和手术病人的呼吸通路相连。
(2)开始监测时，加热六通阀切换为采气模式；气泵开始工作，把呼吸导管中的呼出气体抽取到微型热解析装置中进行吸附，经过10至20秒的采样后，气泵停止工作，加热六通阀切换到进样模式，载气发生器产生的氮气载气把微型热解析装置经过闪蒸后脱附的样品气体吹入声表面波检测单元的传感器阵列或毛细管分离柱中，在传感器阵列或不涂膜声表面波传感器中检测到麻醉药浓度信号。
本发明的有益效果，本发明采用以128度切型的铌酸锂压电材料为基地的，中心工作频率在500MHz的声表面波气体传感器结合毛细管快速分离技术以及有机薄膜涂敷技术构成的异丙酚检测模块，可以快速有效的检测痕量异丙酚气体，达到最小检测限0.3ppb，检测线性范围1ppb-1000ppb的指标。结合系统自动化设计，可有效实现对术中病人在线异丙酚麻醉药呼出气的监测，和血液中异丙酚麻醉药的检测，并用于推断呼出气异丙酚浓度和血药浓度的实时定量关系。由于使用采样和检测分离的方法，避免了麻醉病人呼出气中的饱和水蒸气对检测的干扰。该系统体积小(20cm*20cm*40cm)、重量轻(10kg)、监测间隔短(最短可设置为20秒检测一次)、全自动工作、灵敏度高、可靠性好。以上优点和功能可以满足在线监测异丙酚麻醉药的呼出气浓度，可用于不同病人异丙酚气血相关性研究，并可通过临床研究的统计数据，开发出对不同类型病人的精确麻醉控制，为临床麻醉医生提供便捷、无创、高效的麻醉用药方案和设备支持，为广大手术病人提供有效的麻醉监护以减少麻醉副作用。
附图说明
图1是本发明在线监测异丙酚麻醉药的系统的结构原理图；
图2是本发明在线监测异丙酚麻醉药的系统的另一结构原理图；
图3是加热六通阀的结构示意图；
图4是一次检测循环中系统对异丙酚的响应图谱；
图5是定性、定量标定时的系统响应图谱；
图6是系统对异丙酚气体浓度(呼气浓度范围内)的标定曲线；
图7是系统应用于全凭静脉麻醉病人在线呼出气监测的示意图；
图8是系统在线监测手术中麻醉病人呼出气中随时间变化的异丙酚浓度变化图；
图中，载气发生器1、干燥过滤瓶2、数控质量/流量计3、微型热解析装置4、加热六通阀5、声表面波传感器阵列6、加热抽气进样针7、气泵8、快速毛细管分离柱9、不涂膜声表面波传感器10、空气氮气发生器11、压力调节阀12、金属六通阀13、加热模块14、气管插管15、呼吸机16、过滤器17、呼气阀18、吸气阀19、呼吸导管20、加湿加温器21、异丙酚麻醉药监测系统22。
具体实施方式
下面详细介绍所使用的在线监测异丙酚麻醉药的系统监测异丙酚呼出气的基本原理。
在手术麻醉过程中，异丙酚镇静药通过经脉注射的方式进入人体的血液循环系统。当含有异丙酚的血液流经肺部时，在气体交换过程中，由于异丙酚气体分压梯度的存在，异丙酚分子会从血液中扩散到肺泡中，并由呼出过程从气管中排出体外。排出体外的异丙酚分子以气体形态存在呼出气导管中。所述异丙酚监测系统，通过气泵的工作，把存于气管导管中的异丙酚气体吸入微型热解析装置中在常温下进行预浓缩。在检测过程中，异丙酚气体分子被加热后从解析装置中脱离出来，并且被送到声表面波传感器检测单元中进行分析。由于涂敷在传感器上的有机膜会选择性的吸附异丙酚分子，并导致膜结构以及膜质量的改变；在声表面波传感器上的毛细管起着和有机敏感薄膜一样的作用，即用于对异丙酚在时域上的选择。声表面波传感器通过检测其表面传播声波速度的改变确定是否有异丙酚气体分子，其频率的变化和到达其表面的异丙酚分子总质量线性相关。因此我们可以通过检测传感器的频率变化来确定异丙酚的气体浓度。
如图1、2所示，本发明在线监测异丙酚麻醉药的系统，包括：载气发生器1、干燥过滤瓶2、数控质量/流量计3、微型热解析装置4、加热六通阀5、加热抽气进样针7和气泵8。载气发生器1的出口接干燥过滤瓶2的入口，干燥过滤瓶2的出口接数控质量/流量计3的入口；加热六通阀5的六个端口分别接声表面波检测单元、质量/流量计3的出口，微型热解析装置4的两端，加热抽气进样针7的出气口和气泵8。
声表面波检测单元可以为声表面波传感器阵列6，也可以由快速毛细管分离柱9和不涂膜声表面波传感器10相连组成。
如图3所示，加热六通阀5由金属六通阀13和加热模块14固定连接组成。
载气发生器1是由空气氮气发生器11和压力调节阀12相连组成，压力调节阀12的出口接干燥过滤瓶2的入口。
微型热解析装置4可以为长10-20厘米，内径2-3毫米，壁厚0.5-1毫米的薄壁金属管，其内填加100-200毫克Tenax-TA吸附剂所构成，其在常温下吸附，脱附采用闪蒸方式，即通过直流或交流电加热薄壁金属管，使其在10毫秒内上升到200摄氏度。
快速毛细管分离柱9是由2米长的石英毛细管柱DB-5外套壁厚1-1.5毫米薄壁金属毛细管柱和绝缘薄膜构成。声表面波传感器阵列6是由4个以128度切型的铌酸锂压电材料为基地的，中心工作频率在500MHz的声表面波气体传感器分别涂上不同薄膜所构成，所述薄膜选自三乙醇胺薄膜、Pd薄膜、WO3薄膜和酞氰薄膜。加热抽气进样针7是长20厘米的铜制侧开口针。应用本发明，呼出异丙酚气体的检测限可以达到0.3ppb。
本发明在线监测术中病人呼出气中异丙酚麻醉药的方法，该方法包括以下步骤：
1、如图7所示，全凭静脉麻醉的病人的气管插管15通过呼吸导管20连接到呼吸机16上后进行被动呼吸；过滤器17分别安置在呼吸机16的呼气阀18和吸气阀19上，呼气阀18通过过滤器17直接和呼吸导管20相连，吸气阀19通过过滤器17和加湿加温器21后和呼吸导管20相连。在线监测异丙酚麻醉药的系统22的加热抽气进样针7插入呼吸导管20的呼气端后和手术病人的呼吸通路相连。
2、开始监测时，加热六通阀5切换为采气模式；气泵8开始工作，把呼吸导管20中的呼出气体抽取到微型热解析装置4中进行吸附，经过10至20秒的采样后，气泵8停止工作，加热六通阀5切换到进样模式，载气发生器1产生的氮气载气把微型热解析装置4经过闪蒸后脱附的样品气体吹入声表面波检测单元的传感器阵列6或毛细管分离柱9中。在传感器阵列6或不涂膜声表面波传感器10中检测到麻醉药浓度信号。
应用本发明的方法，呼出异丙酚气体的监测含量范围在1ppb-100ppb之间。
下面结合实施例进一步说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
实施例1
为了保证传感器不被高浓度的异丙酚污染，定性实验时先把医用异丙酚注射液(浓度为10mg/mL)用甲醇稀释到100ug/mL，取该浓度的溶液1mL到5mL的玻璃瓶中，盖上盖子后静置10分钟。检测时把系统的抽气进样针置于液面上0.5cm处，抽气进样10秒后使用虚拟传感器阵列检测。图4给出了系统单次检测异丙酚的图谱，在载气气流为3mL/min，进口温度设为200摄氏度，六通阀温度为165摄氏度，检测器温度为30摄氏度的条件下，异丙酚的出峰时间为(6.93秒)，表明本发明的系统可进行异丙酚的快速定性检测。
定量实验中，将0.5ul的异丙酚纯溶液和1mL甲醇溶液混合均匀后，抽取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1ul混合溶液后注入到气体配气仪(MF-3B)中，分别获得2L气体，收集于tedlar气袋中，浓度分别为3、6、9、12、15、30ppb，检测时把系统的加热抽气进样针插入tedlar气袋，抽气进样20秒后使用虚拟传感器阵列检测。图5给出了不同浓度下系统的检测图谱，在载气气流为3mL/min，进口温度设为200摄氏度，六通阀温度为165摄氏度，检测器温度为30摄氏度的条件下，异丙酚的出峰时间为(6.93秒)，峰面积大小和进样浓度相关，表明本发明的系统可对异丙酚浓度进行定量检测。
为了确定系统在呼出异丙酚浓度范围内的检测特性，我们对每个浓度样本重复5次测量，以便了解系统响应值和异丙酚气体浓度的线性相关特性以及统计学模型，图6给出了线性相关拟合模型的统计结果，相关系数达到0.98，表明本发明的系统可准确检测异丙酚的浓度。
实施例2
病人入室后行无创BP、HR、呼末CO2、SPO2等常规监测，麻醉诱导前5分钟用面罩给予患者预吸氧，麻醉诱导开始：呼吸麻醉七氟烷3％浓度，芬太尼2ug/kg，罗库溴胺0.6mg/kg后气管插管，予机械通气(潮气量8mL/kg，频率12次/分，吸呼比1:2，氧浓度50％)，麻醉维持：七氟烷4％浓度，瑞芬太尼0.5ug/kg/min，根据手术要求注射罗库溴胺。如图7所示，麻醉诱导后在气管导管的呼气端插入本发明的系统的抽气进样针头和温度监测仪，确保呼吸机带出的呼出气体不通过气体过滤装置的情况下被本发明的系统捕获。在采集样本前测定空白对照样本以确保分析系统不残留异丙酚。一次性静脉推注异丙酚2mg/kg，连续记录呼出异丙酚浓度和呼出气体体温。采集呼出异丙酚浓度(单位以kHz表示)。检测间隔设置为70秒，采样40分钟。
如图8所示，本发明的在线监测异丙酚麻醉药的系统显示出了一次性静脉推注异丙酚后的在线监测结果，其中监测到的呼气中异丙酚浓度随时间也显现出一次性推注模型(Pulse Model)的变化趋势，表明本发明可用于临床在线监测呼出气中的异丙酚浓度。

Claims (4)

1.一种在线监测异丙酚麻醉药的系统，其特征在于，它包括：载气发生器(1)、干燥过滤瓶(2)、数控质量/流量计(3)、微型热解析装置(4)、加热六通阀(5)、加热抽气进样针(7)和气泵(8)；其中，所述载气发生器(1)的出口接干燥过滤瓶(2)的入口，干燥过滤瓶(2)的出口接数控质量/流量计(3)的入口；加热六通阀(5)的六个端口分别接声表面波检测单元、质量/流量计(3)的出口，微型热解析装置(4)的两端，加热抽气进样针(7)的出气口和气泵(8)；所述声表面波检测单元为声表面波传感器阵列(6)，或者由快速毛细管分离柱(9)和不涂膜声表面波传感器(10)相连组成；所述微型热解析装置(4)为长10-20厘米，内径2-3毫米，壁厚0.5-1毫米的薄壁金属管，其内填加100-200毫克Tenax-TA吸附剂所构成，其在常温下吸附，脱附采用闪蒸方式，即通过直流或交流电加热薄壁金属管，使其在10毫秒内上升到200摄氏度；所述声表面波传感器阵列(6)是由4个以128度切型的铌酸锂压电材料为基地的，中心工作频率在500MHz的声表面波气体传感器分别涂上不同薄膜所构成，所述薄膜选自三乙醇胺薄膜、Pd薄膜、WO3薄膜和酞氰薄膜。
2.根据权利要求1所述在线监测异丙酚麻醉药的系统，其特征在于，所述加热六通阀(5)由金属六通阀(13)和加热模块(14)固定连接组成。
3.根据权利要求1所述在线监测异丙酚麻醉药的系统，其特征在于，所述载气发生器(1)由空气氮气发生器(11)和压力调节阀(12)相连组成，压力调节阀(12)的出口接干燥过滤瓶(2)的入口。
4.一种应用权利要求1所述系统的在线监测术中病人呼出气中异丙酚麻醉药的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：全凭静脉麻醉的病人的气管插管(15)通过呼吸导管(20)连接到呼吸机(16)上后进行被动呼吸；过滤器(17)分别安置在呼吸机(16)的呼气阀(18)和吸气阀(19)上，呼气阀(18)通过过滤器(17)直接和呼吸导管(20)相连，吸气阀(19)通过过滤器(17)和加湿加温器(21)后和呼吸导管(20)相连；在线监测异丙酚麻醉药的系统(22)的加热抽气进样针(7)插入呼吸导管(20)的呼气端后和手术病人的呼吸通路相连；
步骤2：开始监测时，加热六通阀(5)切换为采气模式；气泵(8)开始工作，把呼吸导管(20)中的呼出气体抽取到微型热解析装置(4)中进行吸附，经过10至20秒的采样后，气泵(8)停止工作，加热六通阀(5)切换到进样模式，载气发生器(1)产生的氮气载气把微型热解析装置(4)经过闪蒸后脱附的样品气体吹入声表面波检测单元的传感器阵列(6)或毛细管分离柱(9)中；在传感器阵列(6)或不涂膜声表面波传感器(10)中检测到麻醉药浓度信号。
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