CN106535761B - 皮肤组织中分析物分压的间隙测量 - Google Patents

Abstract

在皮肤/经皮血气监测领域公知的是加热患者皮肤以允许二氧化碳和氧气易于扩散通过皮肤。对于经皮氧分压监测而言尤其如此。将皮肤加热至43℃至45℃若干小时或若干天可能损害皮肤。为避免或最小化这些伤害的风险，本发明提出采用皮肤传感器在较低温度下监测血气值，并间歇性加热皮肤至42℃或更高的温度较短时间，以在将温度降低至较低设定值前监测经皮氧分压。

Description

皮肤组织中分析物分压的间隙测量

本发明涉及用于非侵入性体内确定血液和组织中分析物分压(尤其是经皮氧(O₂)分压)的系统和方法。该系统包括用于测量二氧化碳(CO₂)和/或氧气(O₂)的传感器、显示所测量分析物读数的监测器、以及传感器和监测器之间的适当连接，例如有线连接或无线连接。

众所周知，可以使用电化学传感器连续测量血气值，所述电化学传感器加热皮肤以得到血气的经皮测量值。通过加热传感器，患者皮肤也得以加热，由此将皮肤动脉化。加热皮肤以增加皮肤血流量，并因此提高经皮氧分压且降低二氧化碳分压，由此血气分压的测量值更好地反映血气动脉分压，并与其更好地关联起来。然而，由于通常要对患者进行较长时间的监测，温度升高可能容易在患者皮肤上形成烧伤标记，也称为红斑。对于早产新生儿来说尤其如此，因为早产新生儿的皮肤非常薄并且非常脆弱，因此对热很敏感。

测量血气水平时的皮肤红斑问题由两个因素所致。一个是传感器的实际温度，用于将传感器下方皮肤组织中的毛细血管床动脉化。足以将毛细血管床动脉化的传感器温度很大程度上取决于该组织。可造成红斑的第二个因素是测量时间。通常血气监测器用于重症患者或者新生儿重症监护室(NICU)的新生儿，这些患者要被监测若干天甚至几星期。当如此长时间加热患者皮肤时，将传感器加热至仅高于皮肤温度几度的温度就可能使得脆弱的皮肤被烧伤。

为避免皮肤红斑，看护人员已经采用的一个解决方案是在身体不同位置处移动传感器。在同一位置处通常测量2-4小时，传感器温度在42℃至44℃的范围内。对于看护人员来说，每2-4小时更换传感器较为麻烦且耗时，并且也可能降低测量值的可靠性。此外，如果利用固定环将传感器固定到皮肤上，当最后必须再次移除固定环时，会提高损伤患者的风险。此外，当通过四处移动传感器来努力消除皮肤烧伤的风险时，看护人员可能选择身体上较不适合该目的的位置，即该位置处皮肤更厚并且血气更不易渗透，其随之提高得到不可靠测量值的风险。此外，尤其是对于新生儿，用于放置传感器的合适部位是有限的，因为具有足够大的平坦表面以供放置传感器的皮肤区域是有限的。另外对于具有皮下软骨(其可能易于折断)的区域，要避免使用固定环或传感器。

US4252423公开了一种用于确定血液中经皮氧分压的经皮电化学传感器。该传感器具有包括周期性致动的加热元件的至少三个Clark型测量池，这些加热元件以一定相位差被致动，从而始终有至少一个池提供可靠的测量值。这种装置的缺点在于其变得较大且笨重，因为该装置包括三个测量池，使其不能用于在耳垂这一优选测量部位处测量，并且甚至不能用于新生儿。此外，为了提供可靠的读数，至少两个加热元件在时间上重叠，因此要向被两个相邻的加热元件覆盖的组织提供两倍的能量。

US 4230122公开了用于确定组织(血液通过该组织被灌注)中灌注效率的系统。为达到这一目的，适当的是要确定皮肤呼吸的情况以及来自环境的贡献情况。为确定这些情况，传感器保持在对应于体温的低温度，已知在该温度下没有氧灌注通过该组织。将该温度下测量的氧浓度用作参考值，因为毛细血管中的氧不会在体温下影响测量值。因此，所确定的值显示皮肤最外层的呼吸能力，即从环境中吸收氧的能力。

当测量经皮氧分压时，皮肤红斑的风险通常带来更大问题，因为氧不易于扩散通过皮肤。由死皮细胞组成的角质层(其为表皮的最外层)充当膜将氧保留在体内，这是生物体运行所必需的。角质层还使皮下组织免受感染、脱水、化学物质和机械应力的影响，但是允许二氧化碳扩散通过皮肤。通过将角质层加热到高于皮肤温度的温度，更具体地讲，加热到至少42℃，角质层变得更容易渗透氧。在较多的医学术语中，这种情况称为在表皮层中溶解死亡、角化细胞的脂质结构。对于现有的用于测量经皮氧分压的传感器来说，传感器应先在部位处至少在43℃保持大约10-15分钟，之后的测量值才被认为是精确的。

在本发明的一个方面中，提供了用于在患者测量部位监测经皮测量的氧分压的系统。该系统包括用于显示所测量氧分压的监测器、用于测量经皮氧分压的传感器(其包括用于在测量部位加热皮肤的加热元件)、用于在传感器和监测器之间进行通信的通信装置、用于控制加热元件温度的控制装置，该控制装置还适于在两个不同的温度之间对温度进行循环；第一时间间隔和第二时间间隔，在第一时间间隔，测量部位具有接近身体核心温度的温度，在第二时间间隔，测量部位的温度使得皮肤能向外渗透氧，氧气从组织或血液渗透到环境，在第二时间间隔测量经皮氧分压，并且第一时间间隔比第二时间间隔更长。

通过循环温度，减少皮肤暴露于高温的总时间。由此降低红斑的风险，或者可能提高温度而不会增加红斑的风险。相较于在不同测量部位处移动传感器，利用所建议解决方案的优点在于使得医务人员更有效率，并且传感器可在整个测量过程中保持在优选测量部位。此外，四处移动传感器可能需要重新校正传感器，并浪费电解质溶液和接触凝胶，因为将传感器以封闭的测量体积保持在一个部位将不会浪费过多电解质和接触凝胶。

在第一个提及方面的一个实施例中，第一温度在35℃至42℃的范围内，第二温度为至少41℃。

在35℃至42℃的温度，出现红斑的风险较低。

在第一个提及方面的一个实施例中，所测量氧分压始终显示在监测器上，并且在第一时间间隔内，所示值为在之前第二时间间隔处所测量的上一个氧分压。

护士或医院的其他看护人员可按频繁间隔看望患者。而不一定是在测量氧分压的循环时间内。通过显示上一个测量的氧分压(在第一时间间隔内使用足以使皮肤能够渗透氧的温度测得)，护士能够看到氧分压，而无需在患者旁等待下一时间间隔。此外，这些测量值很少突然改变，除非存在以其他方式进行监测的其他问题。

在第一个提及方面的一个实施例中，该系统还连续监测二氧化碳(CO₂)分压。

其提供二氧化碳分压的实时图像。二氧化碳分压和氧分压通常是彼此相关的。因此，二氧化碳分压的改变可指示应当更仔细地测量氧分压。

在第一个提及方面的一个实施例中，用于监测经皮测量的氧分压的系统还适于允许操作者调节第一时间间隔和第二时间间隔的时间。

根据患者的危险程度、稳定性和病史，医务人员将希望以不同时间间隔获得氧分压，从而在产生红斑的风险与频繁测量氧分压的紧迫性之间保持平衡。

在本发明的另一个方面中，提供了用于在患者测量部位经皮测量氧分压的传感器。该传感器包括用于加热测量部位的加热元件，以及用于控制测量部位温度、处理传感器信号并控制传感器和监测器之间通信的控制单元。该控制单元包括模数转换器，并且还适于控制加热元件，以在患者测量部位处在两个不同温度之间循环温度，所采用循环温度的方式为：在第一时间间隔内，将测量部位温度调节并保持为接近身体核心温度，在第二时间间隔内，将测量部位温度升高并保持为使得皮肤能向外渗透氧，氧气从组织或血液渗透到环境。第一时间间隔比第二时间间隔更长，并且第一时间间隔和第二时间间隔的序列是重复的。

根据用于测量的传感器类型，控制元件可置于监测器中或传感器中。传统上将控制元件置于传感器中，但是随着微型化电子元件价格降低，将更多电子和信号处理置于传感器中变得越来越有吸引力。此外，这使得传感器和监测器之间的通信成为(有线或无线)数字通信。

在第二个提及方面的一个实施例中，第一时间间隔内测量部位的温度保持在35-42℃，并且在第二时间间隔内，保持在至少41℃。

在本发明的又一个方面，提供了用于控制测量经皮氧分压的氧传感器的计算机程序产品。该计算机程序产品适于控制氧传感器的加热元件，以在患者测量部位处在两个不同温度之间循环温度。在第一时间间隔内将测量部位温度调节并保持为接近身体核心温度，并在第二时间间隔内将测量部位温度提高并保持为使得皮肤能向外渗透氧，氧气从组织或血液渗透到环境。第一时间间隔比第二时间间隔更长，并且第一时间间隔和第二时间间隔的序列是重复的。

将本发明作为一个计算机程序提供，使得现有传感器和监测器能够配有该特征。

在计算机程序产品的一个实施例中，第二时间间隔包括至少10分钟用于加热皮肤以溶解脂质结构，然后包括5分钟用于测量氧分压。

已经发现，加热皮肤10分钟是溶解皮肤脂质结构的可接受时间，经皮传感器上具有限量的能量可供使用，并且不会通过进一步升高温度而过热，进一步升高温度将再次增加红斑的风险。当皮肤脂质结构被溶解后，包含传感器和皮肤的系统需要少许时间来稳定，然后才可执行稳定测量。已经发现，5分钟足以用于稳定，并且实施同样表明氧分压测量值的多次测量显示出一致的测量值。

在计算机程序产品的一个实施例中，第一时间间隔为至少20分钟。

为了有效降低施加到皮肤上的能量，第一时间间隔(此处温度接近身体核心温度)应优选地比皮肤被加热变得能渗透氧的时间更长。

在计算机程序产品的一个实施例中，计算机程序产品先评估所测量氧分压是否稳定，再将所测量分压通知给操作者。

一旦测量部位被加热，传感器能够在很短的时间范围内实施若干次测量，但是由于第一次测量可能因为系统尚未稳定而波动，所以在将这些值通知给操作者前，先评估它们是否显示一致的值。此外，可在测量值可靠性较小的温度下测量氧分压。在这种情况下，监测器可通知医务人员所测量的值，但同时指出该值不是稳定状态下测量的，以使医务人员明白该测量值的可靠性。此外，其可用来为医务人员提供测量值的可靠性指数，其中可靠性基于测量历史计算得到，测量历史例如是测量时间和测量次数相较于测量值的一致性。

在另一个实施例中，计算机程序产品将所测量氧分压以语音和/或文本形式通信给监测器。

在本发明的又一个方面中，提供了用于在患者测量部位监测经皮氧分压(tcpO₂)的方法。该方法包括以下步骤：在测量部位处在两个不同温度之间循环温度，在第一时间间隔内，将测量部位温度调节并保持为接近身体核心温度，在第二时间间隔内，将测量部位温度升高并保持为使得皮肤能向外渗透氧，氧气从组织或血液渗透到环境，以及在第二时间间隔内测量氧分压。第一时间间隔比第二时间间隔更长。

降低红斑的风险，或者可能提高温度而不会增加红斑的风险。相较于在不同测量部位处移动传感器，利用所建议解决方案的优点在于使得医务人员更有效率，并且传感器可在整个测量过程中保持在优选测量部位。此外，四处移动传感器可能需要重新校正传感器，并浪费电解质溶液和接触凝胶，因为将传感器以封闭的测量体积保持在一个部位将不会浪费过多电解质和接触凝胶。

在该方法的一个实施例中，连续测量CO₂分压。

由于通过皮肤的CO₂扩散受测量部位皮肤温度的影响更小，所以经皮CO₂分压可通过传感器信号计算得到，而不考虑测量部位的皮肤温度。

在该方法的一个实施例中，当计算CO₂分压时，CO₂分压的测量要将循环温度考虑在内。

扩散随皮肤温度而变化，但是当计算CO₂分压时可将这一点考虑在内。

在该方法的一个实施例中，之前第二时间间隔内所测量的氧分压在接下来的第一时间间隔内显示在监测器上。

虽然第一时间间隔内可用传感器测量氧分压值，但由于皮肤部分或完全阻挡氧气扩散，所测量的分压将不会反映动脉分压。因此更适当的是，医务人员能够看到上一次氧可渗透皮肤时所测量的氧分压。

在该方法的一个实施例中，在第一时间间隔内测量部位的温度为35-42℃，并且在第二时间间隔内测量部位的温度为至少41℃。

在接近身体核心温度的温度下，产生红斑的风险较低。

在接近身体温度或皮肤温度的温度下，传感器可连续测量二氧化碳分压或其他血气值。在不连续的时间间隔处，传感器加热皮肤以将毛细血管床动脉化，由此使氧开始更易于扩散穿过皮肤。在皮肤被加热期间，在控制电路重新调节加热元件的温度至较低设定温度之前，进行经皮氧分压的至少一个测量，从而允许皮肤冷却至主要由皮肤中的血流控制的温度。通过这种方式，传感器连续测量二氧化碳水平，这也连续显示在监测器上，针对施加的温度进行校正。氧分压也可以是连续测量的，但是监测器显示上一个有效测量值，即在高温下完成的有效测量。

间歇加热的功能可以是固定的预编程功能，其中传感器被加热(例如)10分钟，以允许传感器下的组织完全变热，然后进行(例如)5分钟氧水平测量，然后(例如)30分钟处于低温，已知此处所测量的氧水平的可靠性更低。可以任选地实际显示在低温期间所测量的氧分压。

在一个可供选择的实施例中，用户可在某种程度上对定时进行限定，只要用于加热皮肤、测量经皮氧分压以及低温测量的最少时间超过最少时间设定，例如，10分钟用于加热皮肤以溶解脂质结构、5分钟用于在稳定条件测量氧分压，以及20分钟将温度调节到低设定点。

在一个实施例中，不断地测量氧分压，即使当温度太低时也是如此。控制系统(不论位于传感器中还是位于监测器中)确定何时经皮氧分压稳定，在此之后该水平显示在监测器上。或者，总是显示所测量水平，并且所测量水平后标有是否已经达到稳定水平的指示。

可连续地并且与经皮氧分压同时地测量经皮二氧化碳(CO₂)分压并将其显示在监测器上。然后根据现有温度动态调节监视器的读数，如本领域已知的那样。

胎儿的肺不用于流通血液。血液在母亲的肺中流通，胎儿血液循环经由心脏分流(其在出生过程中闭合)绕过肺部。为了检测这些分流是否闭合(主动脉缩窄)，传感器通常置于右臂和左足处。

图1示出了根据本发明的传感器。

图2分别示出了O₂测量和加热时间间隔的两个曲线图。

图3示出了所测量经皮氧分压的两个曲线图。

图1示出了用于经皮测量或皮肤测量血气的血气传感器。传感器头部包括带有颈状附件3的环形塑料外壳2，通过该颈状附件引导连接电缆4，该电缆用于向监测器传输模拟或数字信号。玻璃pH电极5位于传感器中心轴上。其包括玻璃杆，该玻璃杆前端上融合有pH敏感玻璃层6。带有融合到玻璃中的铂导线7的内部参考电极位于玻璃圆柱体内部。pH电极5嵌入银块8，该银块的表面覆盖有氯化层。因此，银块表面形成Ag/AgCl电极，其充当用于测量pH的参考电极。将进行pH测量的电解质溶液位于多孔亲水性垫片上，其上覆盖有透气性疏水膜。为使该膜免受机械损伤，其上覆盖有金属隔膜。该隔膜中心处具有孔，待测量的二氧化碳气体能够通过该孔在pH敏感玻璃层处扩散到电解质溶液中。垫片、膜和金属隔膜借助卡环14附接到传感器外壳2。此外，银块8还具有加热元件的功能。加热线材15盘绕其上并将其加热至高达45℃的温度。

传感器还可包括控制块(未在附图中示出)，用于控制和处理传感器所测量的信号，并向监测器或自监测器分发信号。

图2示出了两个曲线图。其中一个显示了传感器温度随时间的变化，下图示出了所测量的氧水平随时间的变化。用垂直虚线表示的第一时间阶段以及下图用非分散箭头表示的第一时间阶段代表加热阶段，此处通常不建议进行测量，因为测量值可能不可靠。初始加热阶段之后，传感器加热元件根据预定间隔调节温度，由此传感器温度波动，随之皮肤温度波动。相较于温度较高时，温度较低时所测量的氧水平较不可靠。因此，在皮肤温度足以确保可靠测量的时刻测量经皮氧分压。曲线显示了经皮氧分压随时间的变化。当温度足以得到可靠测量时，该线为实线，当温度为不能直接采信测量的温度时，该线为虚线。在正常情况下，皮肤将在更高温度下至少10分钟，以充分加热毛细血管床，此后可测量氧张力(例如)5分钟。此时加热元件是关闭的，从而允许温度降回较低温度，在此保持(例如)30分钟，然后再次加热以在更高温度下得到一组新的氧分压测量值，开始新循环。

图3示出了另一个实施例，其中在皮肤温度低的情况下仍然显示经皮氧分压。这种情况下显示的水平从之前所测量的一个或多个水平外推得到。虚线是所测量的实际氧水平，实线是温度足够时所测量的水平与在这些水平之间的外推水平的组合。据此，看护人员会意识到，显示的水平不是实际现有的经皮氧分压，而是从之前所测量的水平提取得到的值。

为了进一步解释本发明，以下将给出使用所建议的方法、系统和装置的实例。早产儿在新生儿重症监护室(NICU)被插管和机械通气。为了监测新生儿的呼吸系统功能，NICU护士对新生儿采用血气监测器。该监测器包括用于测量经皮氧分压和经皮二氧化碳分压的传感器。传感器安装在固定环中，将传感器固定至皮肤，在皮肤和传感器接口之间有接触凝胶，以在皮肤和传感器之间形成封闭的测量室。使用线材在传感器和监测器之间传输数据。NICU护士将希望收到关于经皮氧分压和经皮二氧化碳分压的信息。为了最小化损伤风险，护士选择默认程序来监测氧张力，其中皮肤组织被加热至43℃10分钟，温度在43℃再维持5分钟并同时监测氧水平，然后温度降低至41℃30分钟，此后程序重新开始。护士清楚地意识到最可靠的氧张力测量仅为在43℃下的5分钟测量内接收到的，但也可在监视器屏幕上得知这一点。然而，为了降低由于更高温度带来的损伤风险，她接受这一折衷方案。

12小时后，NICU医生和护士查看过去12小时内收集的数据。根据这些数据，看起来情况虽然仍危急，但是稳定的。因此，他们决定将皮肤加热至较低温度41℃的时间增加至60分钟，以进一步降低损伤皮肤的风险。此时护士相应地设定监测器程序。皮肤/经皮血气传感器领域内的趋势通常是减小传感器和监测器的尺寸。测量经皮血气分压的优选部位是耳垂，因为耳垂处的皮肤非常薄。由于耳垂表面积通常较小，所以传感器尺寸至关重要。此外，测量经皮氧分压和经皮二氧化碳分压常用于早产新生儿。此时传感器的尺寸甚至更为重要。

本发明请求保护时间循环的第一时间间隔和第二时间间隔。虽然措辞是第一时间间隔和第二时间间隔，但熟练的技术人员将理解本发明涵盖了循环从第一时间间隔开始以及循环从第二时间间隔开始的两种情形。

所建议的系统和方法可用于任何测量血气值的类型，例如电化学、光学或其他类型。

Claims (14)

1.一种用于在患者测量部位监测经皮测量的氧分压的系统，包括：

-用于显示所测量的氧分压的监测器，

-用于测量经皮氧分压的传感器，所述传感器包括用于在所述测量部位加热皮肤的一个加热元件和一个氧传感器，

-用于在所述传感器和所述监测器之间通信的装置，

-用于控制所述加热元件的温度的控制装置，其中所述控制装置还适于在两个不同温度之间按第一时间间隔和第二时间间隔循环加热元件的所述温度，

-其中，在所述第一时间间隔内，加热元件被加热以将所述测量部位保持在接近身体核心温度的第一温度，所述第一温度在35℃至42℃的范围内，

-以及第二时间间隔，在所述第二时间间隔内，加热元件被加热以将所述测量部位的温度保持在至少41℃的第二温度，

-其中在所述第二时间间隔内测量所述经皮氧分压，并且所述第一时间间隔比所述第二时间间隔更长。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述所测量的氧分压始终显示在所述监测器上，并且在所述第一时间间隔期间，所示值为在之前第二时间间隔处所测量的上一个氧分压。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括用于测量二氧化碳的经皮分压的传感器。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述系统还连续监测二氧化碳(CO₂)分压。

5.根据权利要求1所述的系统，其中用于监测所述经皮测量的氧分压的所述系统还适于允许操作者调节所述第一时间间隔和所述第二时间间隔的时间。

6.一种用于在患者的测量部位经皮测量氧分压的传感器，包括：

-一个加热元件，用于加热所述测量部位，

-用于控制所述测量部位的温度、处理传感器信号并控制所述传感器和监测器之间通信的控制单元，

-所述控制单元包括模数转换器，

-所述控制单元还适于控制所述加热元件，以在两个不同温度之间循环温度，所采用循环温度的方式为：

-在第一时间间隔内，将所述测量部位的温度调节并保持为接近身体核心温度；以及在第二时间间隔内，将所述测量部位的温度调节并保持在至少41℃的第二温度，其中皮肤能向外渗透氧，氧气从组织或血液渗透到环境，

-其中所述第一时间间隔比所述第二时间间隔更长，并且所述第一时间间隔和所述第二时间间隔的序列是重复的。

7.一种用于控制氧传感器以测量经皮氧分压的计算机程序介质，其中所述计算机程序介质包括使得所述氧传感器的加热元件执行以下步骤的指令：

-在患者的测量部位处以各自的时间间隔在两个不同温度之间循环温度，其中在第一时间间隔内，加热元件被指令为在第一时间间隔内，将所述测量部位的温度调节并保持为接近35℃至42℃的身体核心温度；以及在第二时间间隔内，加热元件被指令为将所述测量部位的温度调节并保持为至少41℃的温度，

-其中所述第一时间间隔比所述第二时间间隔更长，并且所述第一时间间隔和所述第二时间间隔的序列是重复的。

8.根据权利要求7所述的计算机程序介质，其中所述第二时间间隔包括至少10分钟用于加热皮肤以溶解脂质结构，然后包括5分钟用于测量所述氧分压。

9.根据权利要求7所述的计算机程序介质，包括使得氧传感器的加热元件在两个时间间隔内循环温度的指令，其中所述第一时间间隔为至少20分钟。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的计算机程序介质，其中所述计算机程序介质包括指令以使得控制单元先评估所述氧分压的测量是否稳定，再将所测量的氧分压通知给操作者。

11.一种用于在患者的测量部位监测经皮测量的氧分压(tcpO₂)的方法，包括以下步骤：

-在患者的所述测量部位处在两个不同温度之间以各自的第一和第二时间间隔循环传感器加热元件的温度；

-其中在第一时间间隔内，传感器的加热元件被加热以将所述测量部位的温度调节并保持为接近35℃至42℃的身体核心温度；以及在第二时间间隔内，加热器被加热以将所述测量部位的温度调节并保持在41℃的温度，和在第二时间间隔内测量氧分压，其中所述第一时间间隔比所述第二时间间隔更长。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括连续测量CO₂分压。

13.根据权利要求12所述的方法，其中当计算所述CO₂分压时，所述CO₂分压的测量将循环温度考虑在内。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中之前第二时间间隔期间所测量的氧分压在接下来的第一时间间隔期间显示在监测器上。