CN112827030B - 基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法及系统，该方法包括：在维持阶段，当到达预设的维持时间，根据实时监测的负呼气流量、呼气峰流量和呼气时间，计算当前的呼气气流受限指标，进入调节阶段；判断当前的呼气气流受限指标是否小于上一个调节阶段结束时刻的呼气气流受限指标，如果为是，则进行调高呼气末正压操作；如果为否，则进入调低呼气末正压操作；当调高呼气末正压操作或调低呼气末正压操作结束，则记录该调节阶段结束时的呼气气流受限指标。本发明提出的呼气气流受限指标具有形象的描述意义，能够作为现实的呼气气流受限程度的指示；本发明提出的方法计算相对简单，不需要复杂性要求高的硬件支持，降低了产品成本。

Description

基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法及系统

技术领域

本发明涉及呼吸机技术领域，尤其涉及基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法及系统。

背景技术

目前呼吸机中的自动呼气压力滴定功能，要依赖可靠的呼气气流受限识别技术，但是这些呼气气流受限识别技术都是干扰性的，会降低呼吸机佩戴患者的通气感受，另外这些技术都涉及复杂的控制和运算，需要高性能的硬件支撑才能实现。

呼气气流受限现象常见于利用呼吸机进行机械通气的患者。此现象主要表现为患者的呼气气道阻力增大(但吸气气道阻力相对还正常)，因此呼气气流变低，呼气时间延长，严重的情况表现为气道陷闭，一口气无法将肺内的气量呼出到正常功能残气量的水平，引发内源性呼气末正压(PEEPi)，由于内源性呼气末正压的存在，进一步会造成患者吸气触发做功增加、无法有效触发吸气、呼气切换延迟等常见的人机不同步现象。并且由于呼气气流受限的患者无法顺畅的呼气，因此体内的二氧化碳潴留严重，经常伴有低碳酸血症。

在机械通气临床中，对治呼气气流受限的一种最常用措施就是增加呼吸机的外源性PEEP(呼气末正压)，以撑开患者的小气道，减小呼气气道阻力。这需要滴定最佳PEEP的操作。

在利用呼吸机进行生命支持的患者中，有很大比例的一类患者存在慢性气道疾病，这类患者，如COPD(慢性阻塞性肺疾病)、哮喘、肥胖症、伴随心衰的慢性呼吸衰竭等，需要长期给予呼吸机生命支持。在使用呼吸机实施长期生命支持的过程中，患者的气道状况经常发生改变，如在夜间休息中，患者的气道状况很不稳定(如由周期性的气道痉挛，气道分泌物增多，睡眠时的体位变动等造成)，这样其呼气气流受限的状态就是时变的，换言之，也就是说患者的呼气气道阻力是随时间变化的。针对这类呼气气流受限状态时变的患者，通常的解决办法是设置一个足够高的PEEP，但是一个固定的高PEEP显然是不利的，长时间的高PEEP与正常人的气道生理相悖，会导致肺泡过度膨胀、损害心血管功能、改变膈肌功能，同时会降低患者的通气舒适度。

为了对治呼吸机依赖患者呼气气流受限状态时变这种复杂的临床症状，有的呼吸机，如Philips的Trilogy系列呼吸机，推出一种新的智能功能——AE，即自动呼气压力滴定功能，临床研究表明这样的智能功能可以有效抵消呼气气流受限因此也就减少了患者的无效触发呼吸事件。

但是目前的自动呼气压力滴定功能，所基于的发明技术包括参考文献[1](申请公布号为“US20190290869A1”的发明《自行调节患者的呼气压力》)和参考文献[2](申请公布号为“US10773039B2”的发明《采用压力扰动检测呼气流量限制》)。强迫振荡技术需要在患者通气气道压力中引入高频振荡激励，然后计算压力振荡导致的气道电抗，因为如果存在呼气气流受限，呼气电抗会有明显的下降。通过气道电抗的改变来识别是否存在呼气气流受限。气道压力扰动法在某些通气周期中，突然大幅度降低气道压力目标，以识别呼气流量-容积环曲线在压力释放改变前后的的特征变化。

当前呼吸机的自动呼气压力滴定功能，所基于的呼气气流受限识别技术，具有明显的缺陷：(1)这些技术都是干扰性的，无论是引入高频振荡还是突然降低气道压力，这些干扰性的技术不仅会造成患者的不适还会影响患者的正常休息(如睡眠呼吸机使用患者)；(2)这些技术涉及复杂的控制和复杂的识别运算。强迫振荡技术需要控制呼吸机内涡轮实现快速加减速，并利用傅里叶变化方法来推导气道响应的复阻抗。气道压力扰动法需要图形分类识别算法来区分呼气-容量环曲线的特征变化。技术实现的复杂性要求高性能的硬件系统支撑，这无疑会增加产品的整体成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法，所述方法包括：

在维持阶段，当到达预设的维持时间，根据实时监测的负呼气流量、呼气峰流量和呼气时间，计算当前时刻的呼气气流受限指标，进入调节阶段；

判断当前时刻的呼气气流受限指标是否小于上一个调节阶段结束时刻的呼气气流受限指标，如果为是，则进行调高呼气末正压操作；如果为否，则进入调低呼气末正压操作；

当调高呼气末正压操作或调低呼气末正压操作结束，则记录该调节阶段结束时的呼气气流受限指标。

作为上述方法的一种改进，所述在维持阶段，当到达预设的维持时间，根据实时监测的负呼气流量、呼气峰流量和呼气时间，计算当前时刻的呼气气流受限指标；具体为：

在维持阶段，当到达预设的维持时间，对监测的呼气负流量关于对应时间进行积分得到呼气负流量时间积分面积EF_integral；

结合呼气峰流量EF_peak和呼气时长ET_trig计算得到呼气气流受限指标EFlimt_index为：

EFlimt_index＝EF_integral/(EF_peak×ET_trig)。

作为上述方法的一种改进，进行调高呼气末正压操作的具体过程包括：

步骤301)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index1，对呼气末正压增加一个调节量，测量并计算呼气气流受限指标index2；

步骤302)计算差值Δindex1：

Δindex1＝index2-index1；

步骤303)如果Δindex1≥预设的增加阈值并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤301)，否则，转入步骤304)；

步骤304)结束调高呼气末正压操作。

作为上述方法的一种改进，进行调低呼气末正压操作的具体过程包括：

步骤401)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index3，对呼气末正压降低一个调节量，然后测量和计算呼气气流受限指标index4；

步骤402)计算差值Δindex2：

Δindex2＝index4-index3；

步骤403)如果差值Δindex2≤预设的降低阈值并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤401)，否则，转入步骤404)；

步骤404)对呼气末正压调高一个调节量，结束调低呼气末正压操作。

作为上述方法的一种改进，所述调节量的取值范围为0.3～1cmH₂O。

一种基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定系统，所述系统包括：呼气气流受限指标计算模块、呼气末正压调节模块和呼气气流受限指标获取模块；其中，

所述呼气气流受限指标计算模块，用于在维持阶段，当到达预设的维持时间，根据实时监测的负呼气流量、呼气峰流量和呼气时间，计算当前时刻的呼气气流受限指标，进入调节阶段；

所述呼气末正压调节模块，用于判断当前时刻的呼气气流受限指标是否小于上一个调节阶段结束时刻的呼气气流受限指标，如果为是，则进行调高呼气末正压操作；如果为否，则进入调低呼气末正压操作；

当调高呼气末正压操作或调低呼气末正压操作结束，则记录该调节阶段结束时的呼气气流受限指标。

作为上述系统的一种改进，所述呼气气流受限指标计算模块的具体实现过程为：

对实时监测的呼气负流量关于对应时间进行积分得到呼气负流量时间积分面积EF_integral；

结合呼气峰流量EF_peak和呼气时长ET_trig计算得到呼气气流受限指标EFlimt_index为：

EFlimt_index＝EF_integral/(EF_peak×ET_trig)。

作为上述系统的一种改进，进行调高呼气末正压操作的具体过程包括：

步骤301)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index1，对呼气末正压增加一个调节量，测量并计算呼气气流受限指标index2；

步骤302)计算差值Δindex1：

Δindex1＝index2-index1；

步骤303)如果Δindex1≥预设的增加阈值并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤301)，否则，转入步骤304)；

步骤304)结束调高呼气末正压操作。

作为上述系统的一种改进，进行调低呼气末正压操作的具体过程包括：

步骤401)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index3，对呼气末正压降低一个调节量，测量和计算当前呼气气流受限指标index4；

步骤402)计算差值Δindex2：

Δindex2＝index4-index3；

步骤403)如果差值Δindex2≤预设的降低阈值并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤401)，否则，转入步骤404)；

步骤404)对呼气末正压调高一个调节量，结束调低呼气末正压操作。

作为上述系统的一种改进，所述调节量的取值范围为0.3～1cmH₂O。与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明提出的呼气气流受限衡量指标具有形象的描述意义，并且能够作为现实的呼气气流受限程度的指示；

2、本发明提出的基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法计算相对简单，不需要复杂性要求高的硬件支持，降低了产品整体的成本。

附图说明

图1(a)是呼气气流不受限的流量波形图；

图1(b)是呼气气流受限的流量波形图；

图2是本发明提出的呼气气流受限指标的图形表达；

图3是本发明实施例1的基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定方法流程图；

图4是采用本发明实施例1的方法得到的最优PEEP点与呼气气流受限指标的对应关系图。

具体实施方式

针对目前自动呼气压力滴定实现技术的缺陷，本发明提出一种新的可以衡量呼气气流受限的指标，这一指标用公式可以描述为：呼气流量的时间积分/(呼气峰流量×呼气开始到下一次吸气触发的时间间隔)。基于这一指标，另提出一套呼吸机PEEP滴定算法，通过实时探测此衡量指标在呼吸过程中的变化趋势，试探性地自动调高或调低呼气压力PEEP，使呼气气流受限指标的监测值总是处于较高水平，这样就可在最大程度上消除呼气气道状态时变对患者造成的不良影响。如图1(a)所示为呼气气流不受限的流量波形图；图1(b)为呼气气流受限的流量波形图。

呼气气流受限的情况下，呼气气流有两个明显的特征：(1)在呼气开始的峰值流量后出现急剧的下降(由于小气道的陷闭)，流量持续处于较低水平，这就造成了呼气时间的延长；(2)由于呼气气流受限，患者无法在一口气完全呼出肺内正常气量，以至于患者下一次吸气开始时呼气还未完成，即呼气气流在患者吸气用力开始时还未归零，这也就是存在内源性PEEPi的显著特征。

通过上面对呼气流量波形的分析，本发明提出一个衡量呼气气流受限的指标，这个指标公式可以描述为：

EFlimt_index＝EF_integral/(EF_peak×ET_trig) (1)

其中，EFlimt_index表示本发明提出的呼气气流受限指标(index of expiratoryflow limitation)，EF_integral表示一次呼气中为负的呼气流量的时间积分(实际上，也就是呼吸机上监测到的呼气潮气量)，EF_peak表示一次呼气中出现的最大的呼气流量(或称为呼气峰流量)，ET_trig表示一次呼气开始至下呼吸机探测到吸气触发之间的时间间隔(实际上，也就是呼吸机上监测到的呼气时间)。

如图2所示，为这个指标公式的意义的图形表示。可以看出，呼气气流受限指标的形象意义是：负的呼气气流波形包络的面积和矩形区域包络的面积，两个面积之比，因此正常情况下其最大值也不会超过0.5(即使是不存在呼气气流受限的情况下)。即这个指标的监测值越大(即越接近0.5)说明存在气流受限可能性越小，反之，这个值越小说明呼气气流受限的程度越严重。

从一次呼气开始到下一次呼吸机判断到吸气触发的间隔段，亦即ET_trig，可以分为两个时间部分，一部分是呼气气流为负的部分，即图2所示的ET_negative，另一段是ET_delay,即呼吸机判断吸气触发所造成的延时。如果ET_delay那一段时间增加，就说明患者的气道阻力较大(呼气气流受限严重)，使得患者出现了触发吸气困难。又因为它出现在公式(1)的分母上，所以当这段时间增加时呼气气流受限指标会随之反比减小，这样呼气气流受限指标就可以指示患者吸气触发的难易，也就是说这个指标可以作为是否存在内源性PEEPi或是否存在气道阻力增大的指示。

同时，如果出现呼气气流受限(在大气道的气体呼完后，气道内的等压点向小气道移动，造成部分小气道陷闭)，呼气流量波形会出现凹陷特性，这样对应图2中所示的呼气气流波形包络的面积与虚线所包络之矩形面积之比就会减小，因此呼气流量波形的凹陷性越明显，呼气气流受限指标会越小。

通过以上分析，可以看出本发明提出的呼气气流受限衡量指标具有形象的描述意义，并且能够作为现实的呼气气流受程度的指示。

基于此指标，本发明提出一套自动滴定呼气压力以消除呼气气流受限的算法。其算法流程如图3。

此发明所提出的自动PEEP滴定算法主要由三个阶段组成：即维持PEEP段、调高PEEP段和调低PEEP段。

在维持PEEP段，PEEP不作调节，仅判断其PEEP维持的时间是否已经足够长，是否达到了设定时间T_maintain，如果设定维持时间已经到达，即开始转入PEEP调节阶段。如果当前的指标监测值index_(T)比上一次调节阶段结束时的指标监测值index_(T-1)有所降低，说明患者的呼气气流受限状态加重，则转入调高PEEP段。反之，则转入调低PEEP段。

在调高PEEP段，每经过几次呼吸(如Breath_N＝5～10次)即调高一次PEEP，所作的PEEP调高量ΔPEEP在0.3～1cmH₂O之间，等待几次呼吸再作下一次调节，每次PEEP调节后，判断调节效果，即呼气气流受限指标的变化Δindex，如果指标的变化小于一个设定的阈值thresthold_higher(如：阈值可以设置为0.01)，则说明指标已经接近最大，则停止调高PEEP段，返回到维持PEEP段。另一个返回维持PEEP段的条件是当前的PEEP已经达到了可允许的上限PEEP_Hlim。

与上述调高PEEP段的逻辑相似，在调低PEEP段，每经过几次呼吸(如Breath_N＝5～10次)即调低一次PEEP，所作的PEEP调高量ΔPEEP在0.3～1cmH₂O之间，等待几次呼吸再作下一次调节，每次PEEP调节后，判断调节效果，即呼气气流受限指标的变化Δindex，如果指标的变化大于一个设定的阈值thresthold_lower(如：阈值可以设置为0.02)，则说明指标已经开始快速下降，则停止调低PEEP段，返回到维持PEEP段。与调高PEEP段结束稍有不同的是：调低PEEP段结束时要将PEEP调回到本次调低前的PEEP水平。另一个返回维持PEEP段的条件是当前的PEEP已经达到了可允许的下限PEEP_Llim。

此基于呼气气流受限指标自动滴定呼气压力的算法所滴定出来的PEEP值与呼气气流受限指标二者之间的对应关系，可以用图4来表示。

通过如上描述的自动PEEP滴定算法，可以保持呼气气流受限指标总是处于一个较高的水平(虽然达不到最大)，这样在有效消除气流受限的同时，也可防止PEEP过高的风险。

进一步说明，本方法的步骤包括：

根据实时监测的负呼气流量、呼气峰流量和呼气时间，计算呼气气流受限指标；

当达到预设的维持时间，取当前时刻的呼气气流受限指标；

判断当前时刻的呼气气流受限指标是否小于上一时刻的呼气气流受限指标，如果为是，则进入调高呼气末正压操作；如果为否，则进入调低呼气末正压操作。

其中，调高呼气末正压操作，具体包括：

步骤301)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index1，对呼气末正压增加一个调节量，测量并计算呼气气流受限指标index2；

步骤302)计算差值Δindex1：

Δindex1＝index2-index1；

步骤303)如果Δindex1≥预设的增加阈值并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤301)，否则，转入步骤304)；

步骤304)结束调高呼气末正压操作。

调低呼气末正压操作，具体包括：

步骤401)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index3，对呼气末正压降低一个调节量，测量和计算当前呼气气流受限指标index4；

步骤402)计算差值Δindex2：

Δindex2＝index4-index3；

步骤403)如果差值Δindex2≤预设的降低阈值并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤401)，否则，转入步骤404)；

步骤404)对呼气末正压调高一个调节量，结束调低呼气末正压操作。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定系统，所述系统包括：呼气气流受限指标计算模块、呼气气流受限指标获取模块和呼气末正压调节模块；其中，

所述呼气气流受限指标计算模块，用于根据实时监测的负呼气流量、呼气峰流量和呼气时间，计算呼气气流受限指标；

所述呼气气流受限指标获取模块，用于当达到预设的维持时间，取当前时刻的呼气气流受限指标；

所述呼气末正压调节模块，用于判断当前时刻的呼气气流受限指标是否小于上一时刻的呼气气流受限指标，如果为是，则进入调高呼气末正压操作；如果为否，则进入调低呼气末正压操作。

具体实现过程同实施例1。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定系统，其特征在于，所述系统包括：呼气气流受限指标计算模块、呼气末正压调节模块和呼气气流受限指标获取模块；其中，

所述呼气气流受限指标计算模块，用于在维持阶段，当到达预设的维持时间，根据实时监测的负呼气流量、呼气峰流量和呼气时间，计算当前时刻的呼气气流受限指标，进入调节阶段；

所述呼气末正压调节模块，用于判断当前时刻的呼气气流受限指标是否小于上一个调节阶段结束时刻的呼气气流受限指标，如果为是，则进行调高呼气末正压操作；如果为否，则进行调低呼气末正压操作；

当调高呼气末正压操作或调低呼气末正压操作结束，则记录该调节阶段结束时的呼气气流受限指标；

所述呼气气流受限指标计算模块的具体实现过程为：

对实时监测的呼气负流量关于对应时间进行积分得到呼气负流量时间积分面积EF_integral；

结合呼气峰流量EF_peak和呼气时长ET_trig计算得到呼气气流受限指标EFlimt_index为：

EFlimt_index＝EF_integral/(EF_peak×ET_trig)。

2.根据权利要求1所述的基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定系统，其特征在于，进行调高呼气末正压操作的具体过程包括：

步骤301)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index1，对呼气末正压增加一个调节量，测量并计算呼气气流受限指标index2；

步骤302)计算差值Δindex1：

Δindex1＝index2-index1；

步骤303)如果Δindex1≥预设的增加阈值，并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤301)，否则，转入步骤304)；

步骤304)结束调高呼气末正压操作。

3.根据权利要求1所述的基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定系统，其特征在于，进行调低呼气末正压操作的具体过程包括：

步骤401)经过若干次呼吸后，测量并计算呼气气流受限指标index3，对呼气末正压降低一个调节量，测量和计算当前呼气气流受限指标index4；

步骤402)计算差值Δindex2：

Δindex2＝index4-index3；

步骤403)如果差值Δindex2≤预设的降低阈值，并且当前呼气末正压在允许范围内，转入步骤401)，否则，转入步骤404)；

步骤404)对呼气末正压调高一个调节量，结束调低呼气末正压操作。

4.根据权利要求2或3所述的基于呼气气流受限指标的呼气压力自动滴定系统，其特征在于，所述调节量的取值范围为0.3～1cmH₂O。

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