CN106659436A - 动脉co2分压的测定 - Google Patents

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Abstract

一种估算患者的动脉血中二氧化碳的分压的方法包括测定患者的动脉氧饱和度，测定呼吸气体二氧化碳值，和测定呼吸气体氧值。所述方法还包括至少基于所述患者的动脉氧饱和度值、呼吸气体二氧化碳值和呼吸气体氧值计算所述患者的动脉血二氧化碳分压。

Description

动脉CO2分压的测定
背景
监测患者中的二氧化碳（CO2）浓度是患者监测，特别是在重症护理情况中和/或在麻醉期间监测的关键方面。CO2浓度提供关于患者酸度的信息，酸度是换气和患者代谢之间的平衡的重要描述指标。直接测定患者动脉血CO2分压（PaCO2）需要从患者抽取血液样品并进行离线实验室分析。这样的血液采样仅提供关于动脉血CO2浓度的延迟信息，并且这种信息仅间歇性地可用。例如，即使对于在高动脉血CO2浓度风险的ICU患者，血液样品通常每天仅取一次或两次。此外，动脉取样和血液分析是劳动密集的，并且为人为错误和样品处理提供机会。
因此，当前的医疗监测技术测量由患者呼出的呼吸气体中的CO2浓度（EtCO2）以评估动脉CO2浓度。用于麻醉递送和监测系统的国际标准组规定当患者正在进行麻醉时使用呼出CO2（EtCO2）监测。原理是在麻醉期间，EtCO2是患者动脉血CO2分压（PaCO2）的替代或估算值。然而，EtCO2和PaCO2之间的关系并不总是直接或如预期的，特别是在涉及患有肺损伤或病症的患者的情况下。
概要
本发明人已经认识到，由于EtCO2和PaCO2之间的关系并不总是直接或如预期的，因此对于PaCO2，EtCO2不是理想的近似，并且需要更好的PaCO2测量。在某些情况下，例如在具有肺分流或肺栓塞的患者中，EtCO2可以比PaCO2低得多，甚至达到PaCO2值的三分之一或更少。此外，本发明人认识到通过血液取样和实验室分析直接测定PaCO2是低效的，并且不能提供在人员麻醉和重症护理环境中所需的实时数据。因此，本发明人开发了本文所述的方法和系统，其降低了EtCO2和PaCO2之间的差异并且提供了动脉CO2分压的改进的实时估算。
估算患者的动脉血中的二氧化碳的分压的方法包括测定患者的动脉氧饱和度，测定呼吸气体二氧化碳值和测定呼吸气体氧值。所述方法还包括至少基于患者的动脉氧饱和度值、呼吸气体二氧化碳值和呼吸气体氧值计算患者的动脉血二氧化碳分压。
患者监测系统的一个实施方案包括用于非侵入性测量患者的动脉血红蛋白氧饱和度值的设备、呼吸气体分析仪和计算单元。呼吸气体分析仪配置为测量由患者呼出的呼吸气体中的峰值二氧化碳分压并测量呼吸气体氧值。计算单元配置为基于动脉血红蛋白氧饱和度值计算患者的动脉氧饱和度值，并且至少基于患者的动脉氧饱和度值和呼吸气体氧值计算患者的动脉血二氧化碳指标值。
用于监测患者的方法的实施方案包括通过以下过程估算患者的动脉血中的二氧化碳的量：非侵入性测量患者的动脉氧饱和度值，测定呼吸气体氧值，测量由患者呼出的呼吸气体的峰值二氧化碳分压，以及至少基于患者的动脉氧饱和度值、呼吸气体二氧化碳值和呼吸氧值来计算患者的动脉血二氧化碳分压。所述方法还包括将动脉血二氧化碳分压与由患者呼出的峰值二氧化碳分压比较，并且如果动脉血二氧化碳分压与由患者呼出的峰值二氧化碳分压相差超过预定量，则产生警报。
与附图一起，从以下描述中，本发明的各种其它特征、目的和优点将变得显而易见。
附图简述
附图示出当前设想的实施本公开的最佳模式。在附图中：
图1A-1C示出正常肺生理学和异常肺生理学的从呼吸空气到静脉血的氧和二氧化碳分压变化。
图2提供了使用非侵入性测量来计算患者的PaCO2值的一种方法。
图3提供了血液血红蛋白氧解离曲线。
图4提供了提供患者的二氧化碳和动脉血的量的非侵入性估算的患者监测系统的一个实施方案。
附图详述
换气、循环和代谢的过程消耗氧（O2）并产生二氧化碳（CO2）。因此，存在从环境空气到静脉血的O2的下降浓度梯度和对于CO2的上升梯度。图1举例说明了这些梯度。图1表示在三个不同示例性患者的肺循环期间O2和CO2水平以千帕斯卡计的气体分压。图1A示出涉及正常肺的O2和CO2梯度的变化，而图1B和1C示出对于具有肺并发症的示例性患者，那些梯度的情况。
针对六个不同的换气室或阶段描述O2和CO2水平，包括吸入气体分压（Pi）6-7、呼出呼气末气体压力（Pet）8-9、肺泡气体分压（PA）10-11、末端毛细血管分压（Pcap）12-13、动脉气体分压（Pa）14-15和静脉气体分压（Pv）16-17。组织代谢消耗氧（O2）并产生二氧化碳（CO2）。血液循环将O2运送到组织，而CO2从组织运出。该循环经过肺，肺包含在血液和肺泡空气之间的大面积薄膜。离开肺的血液的气体含量代表动脉血，而到达的气体代表静脉血液。膜允许毛细血管血液和肺泡空气之间的气体扩散。肺泡是肺气室，其中呼吸气体通过扩散膜与肺毛细血管中的血流连通，从而允许气体和血液之间的气体压力平衡。由于代谢消耗O2和产生CO2，到达肺的血液与肺泡气体相比具有低O2和高CO2浓度。因此，在肺中，CO2从血液扩散到肺泡，而O2从肺泡扩散到血液，以平衡气体压差。循环吸入和呼出（换气）用环境气体改变肺泡气体，向肺泡提供新鲜的O2并清除出积聚的CO2。因此，末端毛细血管分压（Pcap）12-13是血液离开肺泡气体交换区的毛细血管点。
从图1可以看出，在正常肺中，O2分压从吸入气体（PiO2 6）至肺泡气体（PAO2 10），至肺毛细血管（PcapO2 12），至动脉血（PaO2 14）且最终至静脉血（PvO2 16）下降。同样，在起始于吸入分压PiCO2 7（其假设为0）的CO2分压中，可以看到相应的上升，从PetCO2 9至PACO211，至PcapCO2 13，至PaCO2 15且最后至PvCO2 17上升。
图1B示出经历静脉掺杂的患者的这种梯度，静脉掺杂指部分血液循环进入动脉系统而不经过肺的换气肺泡区域，导致动脉血的CO2高于肺泡CO2的情况。从图1B中可以看出，当富含CO2的静脉血液与肺泡平衡的毛细血管血液混合时，O2贫化并且CO2水平提高。因此，图1B显示与图1A相比，PaCO2 15浓度提高和PaO2 14浓度降低。静脉掺杂可以由萎缩的肺泡或环境空气和肺泡之间的换气通道的闭塞引起。
图1C示出经历肺泡死区换气的示例性患者的氧气和CO2梯度，其为吸入气体体积不满足肺泡中的血液循环并且因此经历血流之间的气体交换的情况。吸入气体返回到呼出，其将呼出浓度稀释到环境浓度，即，与正常呼出浓度相比，提高O2浓度和降低CO2浓度。因此，PetO2 8将提高并且PetCO2 9将从正常值降低。同样，PaO2降低和PaCO2 15提高也将发生。肺泡死区由于血液灌注路径的阻塞而发生，例如由于肺栓塞。最后，在长的外科手术期间或在机械换气下的重症护理中，重力可能导致灌注，使某些肺区域优于其它肺区域，这可导致静脉掺杂和肺泡死区换气两者。
如图1B和1C所示，换气和灌注失配可以存在于患有肺损伤的患者中，提高呼出的PetCO2 9和PaCO2 15之间的差异。例如，通过比较图1A和1B以及1A和1C之间的PetCO2 9和PaCO2 15值可以看出，肺损伤患者中的PaCO2 15值比PetCO2值高得多，而PaCO2 15值更接近具有正常肺功能的患者中的PetCO2 9值。因此，用于评估动脉CO2水平的监测PetCO2值减小。此外，当使用PetCO2 9作为控制参数自动控制换气时，PaCO2 15和PetCO2 9之间的失配的重要性或健康指示性提高。在这种情况下，与涉及手动换气控制的情况相比，临床医生对PetCO2测量的有效性的注意可能降低。然而，通过连续监测PaCO2 15可以避免这样的问题，PaCO2 15是患者血液中的CO2浓度以及患者酸度的更好指示。
图2示出用于非侵入性和连续估算患者的PaCO2值的方法的一个实施方案。在步骤20例如用脉搏血氧计测量血红蛋白氧饱和度。脉搏血氧计提供动脉血血红蛋白氧饱和度的非侵入性测量，并且通常取自患者的外周，例如从指尖或耳垂。这样的外周血表示与离开肺的血液相同的气室，即PaO2。在步骤22中，根据在步骤20进行的血红蛋白氧饱和度测量来计算动脉氧分压。
血红蛋白氧饱和度和PaO2之间的关系在图3中呈现。这种关系被称为氧-血红蛋白解离曲线。图3呈现氧-血红蛋白解离曲线44，其中垂直坐标45表示血红蛋白氧饱和度，而水平坐标46表示PaO2。线47描述具有正常身体pH的患者的血红蛋白氧饱和度和PaO2之间的关系。线48是具有高身体pH的患者的血红蛋白氧饱和度和PaO2之间的关系，而线49描述具有低身体pH的患者的血红蛋白氧饱和度和PaO2之间的关系。从适当的氧血红蛋白解离曲线44，根据测量的血红蛋白氧饱和度值测定PaO2。例如，在氧饱和度为90时，正常pH（7.4）的相应PaO2值为7.9kPa。另一方面，对于pH为7.0的酸性pH（高PaCO2）的患者，氧饱和度为90的相应PaO2值为12.2kPa。对于pH为7.8（低PaCO2）的碱性患者，氧饱和度为90的相应PaO2值为5.0kPa。
回到图2，在步骤24，测定由患者呼出的呼吸气体的PetCO2水平。PetCO2可以例如通过患者呼吸回路中的气体分析仪测量并且表示在患者呼出期间的最大CO2值。在步骤26，测定呼吸气体O2浓度。例如，气体分析仪可以用于测量由患者吸入的呼吸气体的氧分压（PiO2）。可替代地或另外，气体分析仪可用于测定由患者呼出的气体的呼气末O2测量值或最小O2分压（PetO2）。
在步骤28，基于PaO2、PetCO2和呼吸气体O2浓度值计算PaCO2。一旦在步骤28计算或估算PaCO2值，就可以在步骤30将其与PetCO2值进行比较。如果PaCO2值和PetCO2值之间的差异大于预定量（步骤32），则患者可以经历高动脉CO2值，并且可能需要警告临床医生。另一方面，如果差异仅出现在单次测量中，则可能是由于测量误差或认为现象。因此，步骤34评估PaCO2和PetCO2值之间的差异是否已经持续至少预定量的时间。如果不是，则所述方法在步骤20通过测量血红蛋白氧饱和度再次开始，以确定PaCO2和PetCO2之间的差异是否为错误。如果PaCO2值和PetCO2值之间的差异已经持续至少预定时间段，则可以在步骤36产生警报以通知临床医生两个CO2值之间的差异。临床医生然后可以采取步骤来验证动脉CO2值是否高和/或可以调整患者护理以便解决高CO2水平。在其它实施方案中，PaCO2计算可以是自动换气和/或麻醉控制算法的一部分。例如，自动换气控制算法可以寻求维持用户设置或用户定义的目标PaCO2水平。
例如，如果PaCO2值超过PetCO2值大于2kPa，所述方法可以产生警报以向临床医生警告该差异。可替代地或另外地，所述方法可以要求至少2kPa的差异维持至少预定时间段，例如设定量的呼吸循环或设定量的秒数等。在其它实施方案中，可以在PaCO2和PetCO2之间的差异每次超过预定值时产生警报。可替代地或另外，PaCO2和PetCO2之间的差异所要求的时间可以根据差异的大小或值而变化。
可以测定PaCO2值，例如在图2的步骤28，基于呼吸气体O2浓度和PaO2值之间的差异。该差异代表或至少以已知的方式对应于PetCO2和PaCO2值中的差异。换句话说，氧值的差异由将导致CO2值的差异的相同换气和/或灌注问题引起。在一个实施方案中，PaCO2可以通过将呼吸气体氧值和动脉氧饱和度值（PaO2）之间的氧压差与非侵入性测量的PetCO2值相加来计算。具体地，在一个实施方案中，PaCO2可以根据以下等式计算：
其中x表示由呼吸气体测量的氧压力（例如，PiO2或PetO2），且k是比例系数。比例系数k使用临床测量凭经验确定。更具体地，经验测定可以包括收集在采集血液样品以测定真实的PaCO2值时患者呼吸气体和动脉氧饱和度的信息。这种经验测定也可能需要对代表正常和损伤的肺功能并覆盖真实PaCO2值的范围的大量患者进行这种收集。计算真实的PaCO2和估算的PaCO2之间的差，并且该计算包括系数k。确定k系数的最佳值还可以包括，例如，计算所有实验测量的差，计算这些差的平方之和，以及选择使该差最小的k系数。例如，如果PxO2是PetO2，则比例系数可以在0.05和0.06之间。如果PxO2等于PiO2，则比例系数可以在0.04和0.05之间。PiO2的较小系数反映与PetO2相比更高的PiO2值。还可以针对测量值的范围单独地确定最佳k系数。例如，测量的呼吸气体氧值大或小的情况可以具有不同的k系数。类似地，动脉血红蛋白氧饱和度值低和高可以具有不同的k系数。
然而，氧和二氧化碳的动脉和呼吸气体分压之间的关系不是如等式表示那样恒定的，而是可以根据肺病症的水平和类型而变化。通过用血液采样时确定的附加差项补偿，可以改进动脉二氧化碳估算精度。该项确定真实和估算的二氧化碳分压之间的差。将此差添加到等式的右侧可校准对特定肺病症的估算。
在另一个实施方案中，可以作为PaCO2值的替代或补充，计算动脉血二氧化碳指标值。例如，这样的动脉血二氧化碳指标值可以是呼吸气体氧值和动脉氧饱和度值之间的氧压差（PxO2-PaO2）。该值(可以或可以不乘以比例系数k)可以用于确定或估算患者动脉血中的CO2水平是否高。换句话说，如果这样的动脉血二氧化碳指标值（例如PxO2-PaO2）大于预定量，则可以知道PaCO2以大于期望或可容忍的限度超过PetCO2。因此，这样的动脉血二氧化碳指标值可以提供用于PaCO2值的完全确定的简单表达或替代，并且可以收集关于患者的动脉CO2值的信息，而不实际计算PaCO2并将其与PetCO2值进行比较。例如，如果氧压差（PxO2-PaO2）高，则可以确定CO2压差（PaCO2-PetCO2）也高，而不实际计算该差。
如上所述，氧解离曲线取决于身体pH。因此，氧-血红蛋白解离曲线的使用具有将一些误差引入计算中的可能性。具体地，在正常和酸性患者之间，PaO2差为4.3kPa，并且由此产生的误差为0.24kPa（0.055×4.3）。这种误差通常对于大多数监测目的是可容忍的，并且远小于PetCO2和PaCO2值之间的潜在差，其可以高达5-7kPa。
图4描述监测动脉血二氧化碳的不同监测系统2的实施方案。系统2包括脉搏血氧计55，以测量患者中的血红蛋白氧饱和度。脉搏血氧计55连接到手指探针56以进行这种测量。示例性系统2还包括将呼吸气体递送到患者的呼吸机57，其可以包括或可以不包括麻醉。呼吸机可以具有气体分析仪59，其可以配置为测量由患者53吸入和/或呼出的呼吸气体，以便测定呼吸气体二氧化碳值和呼吸气体氧值。例如，呼吸气体二氧化碳值可以是PetCO2，而呼吸气体氧值可以是PiO2或PetO2，或任何相关的气体值，例如气体浓度。在其它实施方案中，脉搏血氧计55和/或气体分析仪59各自可以是分离的独立设备，或者它们可以集成到呼吸机中或换气或麻醉提供系统的任何部分中。
示例性系统2还包括计算单元61，以计算表示动脉血中二氧化碳浓度的值，例如上述动脉血二氧化碳分压值和/或动脉血二氧化碳指标值。此外，示例性患者监测系统2可以包括用户界面63。用户界面63可以配置为向临床医生显示数值，例如PaCO2、PetCO2和/或动脉血二氧化碳指标值。用户界面63还可以配置为产生警报以警告临床医生患者中的二氧化碳浓度过高，例如如果PaCO2超过PetCO2大于预定量，或者动脉血二氧化碳指标值超过预定值。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够进行和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种估算患者的动脉血中二氧化碳分压的方法，所述方法包括：
测定患者的动脉氧饱和度值；
测定呼吸气体二氧化碳值；
测定呼吸气体氧值；和
至少基于所述患者的动脉氧饱和度值、呼吸气体二氧化碳值和呼吸气体氧值来计算患者的动脉血二氧化碳分压。
2.权利要求1的方法，其中计算所述动脉血二氧化碳分压包括测定所述呼吸气体氧值和所述动脉氧饱和度值之间的氧压差。
3.权利要求1的方法，其中测定所述动脉氧饱和度值包括测量所述患者的动脉血红蛋白氧饱和度，然后计算动脉血氧分压。
4.权利要求3的方法，其中测定所述呼吸气体氧值包括采用呼吸气体分析仪来测量由所述患者吸入的呼吸气体中的氧压力。
5.权利要求4的方法，其中测定所述呼吸气体二氧化碳值包括采用呼吸气体分析仪来测量由所述患者呼出的呼吸气体中的峰值二氧化碳分压。
6.权利要求5的方法，其中计算所述动脉血二氧化碳分压包括从呼吸气体的氧分压中减去动脉血氧分压，乘以比例系数，然后加上由患者呼出的呼吸气体中的峰值二氧化碳分压。
7.权利要求6的方法，其中所述比例系数是在0.04和0.05之间的经验测定值。
8.权利要求3的方法，其中测定所述呼吸气体氧包括采用呼吸气体分析仪来测量由所述患者呼出的呼吸气体中的最小氧分压。
9.权利要求8的方法，其中测定所述呼吸气体二氧化碳包括采用呼吸气体分析仪来测量由所述患者呼出的呼吸气体中的峰值二氧化碳分压。
10.权利要求9的方法，其中计算所述动脉血二氧化碳分压包括从呼吸气体的氧分压中减去动脉血氧分压，乘以比例系数，然后加上由患者呼出的呼吸气体中的峰值二氧化碳分压。
11.权利要求10的方法，其中所述比例系数是在0.05和0.06之间的经验测定值。
12.一种患者监测系统，包括：
用于非侵入性测量患者的动脉血红蛋白氧饱和度值的设备；
呼吸气体分析仪，配置为：
测量由患者呼出的呼吸气体中的峰值二氧化碳分压；和
测量呼吸气体氧值；和
计算单元，配置为：
基于所述动脉血红蛋白氧饱和度值计算所述患者的动脉氧饱和度值；和
至少基于所述患者的动脉氧饱和度值和呼吸气体氧值来计算所述患者的动脉血二氧化碳指标值。
13.权利要求12的系统，其中所述呼吸气体氧值是由患者呼出的呼吸气体中的最小氧分压或由患者吸入的呼吸气体中的氧压力，且计算动脉血二氧化碳指标值包括测定所述呼吸气体氧值和所述动脉氧饱和度值之间的氧压差。
14.权利要求13的系统，其中如果所述动脉血二氧化碳指标值大于预定量，则产生警报。
15. 权利要求13的系统，其中所述呼吸气体分析仪还配置为测量由所述患者呼出的峰值二氧化碳分压，并且所述计算单元还配置为至少基于所述动脉血二氧化碳指标值计算动脉血二氧化碳分压。
16.权利要求15的方法，其中所述计算单元还配置为将所述动脉血二氧化碳分压与由所述患者呼出的峰值二氧化碳分压进行比较；和
如果所述动脉血二氧化碳分压与由所述患者呼出的峰值二氧化碳分压偏离超过预定量，则产生警报。
17.权利要求12的方法，其中基于所述患者的动脉血二氧化碳指标值来自动控制对所述患者的换气。
18.一种监测患者的方法，所述方法包括：
通过以下步骤估算患者的动脉血中的二氧化碳的量：
非侵入性测量所述患者的动脉氧饱和度值；
测定呼吸气体氧值；
测量由所述患者呼出的呼吸气体的峰值二氧化碳分压；和
至少基于所述患者的动脉氧饱和度值、呼吸气体二氧化碳值和呼吸气体氧值来计算所述患者的动脉血二氧化碳分压；
将所述动脉血二氧化碳分压与由所述患者呼出的峰值二氧化碳分压进行比较；和
如果所述动脉血二氧化碳分压与由所述患者呼出的峰值二氧化碳分压相差超过预定量，则产生警报。
19.权利要求18的方法，其中所述预定量为至少2kPa。
20.权利要求18的方法，其中如果所述动脉血二氧化碳分压与由所述患者呼出的峰值二氧化碳分压相差超过预定量则产生警报的步骤包括确定所述动脉血二氧化碳分压和由所述患者呼出的峰值二氧化碳分压之间的差异是否持续至少预定时间段。
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