CN114668384A - 一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法及装置 - Google Patents

一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法及装置，本发明通过获取的波形采样数据剔除不符合吸气相流速下降段和/或呼气相流速段与呼吸系统运动方程的拟合优度的呼吸波形，对筛选后的气道压力和流速的波形采样数据对肺部准静态顺应性进行估测，本发明解决了时长以及呼吸机波形的噪声对估测顺应性有影响的问题。通过获取准静态顺应性，结合其他临床测量参数，为临床医生动态评估患者肺部病理状态，从而更好地实施机械通气提供了基础。

Description

一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法 及装置
技术领域
本发明涉及一种筛选压力控制机械通气波形下肺部准静态顺应性估测方法及装置，属于医学信号处理领域。
背景技术
在使用呼吸机对重症病人实施有创机械通气期间，肺部顺应性是评定呼吸力学的重要指标。在临床应用中，顺应性的测量有静态法和动态法两种方法。与动态法测量肺部顺应性相比，静态法测量肺部顺应性不易受自主呼吸等因素影响，其结果更可靠。然而静态法需要患者配合、医生操作呼吸机以及切换呼吸机控制模式，这往往对患者产生一定的影响以及加大了医生的工作负担，因此顺应性的测量往往需要找寻一种不需要切换呼吸机模式、不需要医生操作呼吸机的替代方法。
现有的替代方法都是从呼吸运动方程和静态法方程入手，通过方程变量之间的关系从而利用呼吸机波形在较短时间内估测顺应性。但是大多数方法都忽视了真实临床环境所存在的问题。一方面是在临床上，医护人员无法时常利用替代方法估测顺应性。另一方面是呼吸机波形中存在噪声，这种噪声是由于复杂模式的自主呼吸、抽吸、咳嗽和冷凝造成的干扰。当噪声存在于估测顺应性的呼吸机波形中时，若仍按照大多数方法直接利用呼吸机波形，则会对顺应性的估测造成偏差，不利于医生对患者肺部病变进行评估，造成方法在临床应用上的局限性。
《一种压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法》发明专利(CN202110049428.5)公开了一种基于呼吸机波形的肺部准静态顺应性计算方法，其针对获取的采样数据中每次呼吸的流速波形的吸气相数据用指数函数进行最小二乘法拟合获得流速波形曲线，再对流速波形曲线进行积分，获得潮气量，从而可以利用机械通气波形计算出准静态顺应性，该方法免去了需要人工频繁操作呼吸机测量静态顺应性的过程，减少医护人员的工作量。但是该方法同样面临着时长以及呼吸机波形的噪声对估测顺应性有影响的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性的估测方法及装置，目的是使得该方法可以在较长时间内不受呼吸机波形噪声的影响，从而可以稳定连续的估测顺应性，为临床医生动态评估患者肺部病理状态，从而更好地实施机械通气提供了基础。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法，包括以下步骤：
(1)获取在压力控制机械通气下的气道压力和流速的波形采样数据。
(2)从步骤(1)获取的波形采样数据中剔除不符合吸气相流速下降段和/或呼气相流速段与呼吸系统运动方程的拟合优度的呼吸波形，获得筛选后的气道压力和流速的波形采样数据。
(3)根据步骤(2)筛选后的气道压力和流速的波形采样数据对肺部准静态顺应性进行估测。
进一步地，所述步骤(2)中，呼吸系统运动方程的运动方程表示为：
f＝ae-bt
其中，a＝C/Rrs，C为常数，b＝Ers/Rrs，Rrs代表气道阻力，Ers代表弹性。
进一步地，所述步骤(2)中，剔除条件为：若一次呼吸波形的吸气相流速下降段和/或呼气相流速段与呼吸系统运动方程的拟合优度即Ri 2不大于0.9则剔除。
进一步地，所述步骤(2)还包括：
通过呼吸频率、呼吸周期时间、潮气量中的一种或多种作为筛选条件对波形采样数据进行筛选。
进一步地，筛选标准为：
若一次呼吸波形的呼吸频率小于呼吸机呼吸频率设置值的1.5倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的呼吸周期时间大于呼吸机吸气时间设置值的2.5倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的吸入潮气量大于200ml并且吸入潮气量与呼出潮气量相差小于吸入潮气量的10％则保留该波形。
进一步地，所述步骤(2)还包括：
通过吸气相流速下降段每5点滑窗斜率、吸气末流速、呼气相流速段数据每5点滑窗中的一种或多种作为筛选条件对波形采样数据进行筛选。
进一步地，筛选标准为：
若一次呼吸波形的吸气相流速下降段数据每5点滑窗数据的斜率均小于0则保留该波形；
若一次呼吸波形的吸气末流速小于流速最大值的0.1倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的呼气相流速段数据每5点滑窗数据的斜率均大于0则保留该波形。
进一步地，所述步骤(3)具体为：
计算每个一次呼吸波形的准静态顺应性：
Figure BDA0003526111020000031
其中，VT-est是压力控制通气下吸气末流速为0L/min时的吸入潮气量，PEEP代表呼气末正压，Piend代表吸气末压力；
取其中按从小到大排序的前N个顺应性值的均值作为最终的准静态顺应性的估测值。
进一步地，所述步骤(3)中，对于其中吸气末流速不为0L/min的一次呼吸波形，需根据吸气相流速方程对流速最大值后的吸气相波形进行拟合，并向呼气相延长，直至流速接近0L/min。基于流速最大值前的原始流速与流速最大值后拟合得到的吸气相理论流速进行积分计算潮气量：
Figure BDA0003526111020000032
其中，t0为吸气起始时刻，t1为拟合起始时刻，t2为吸气结束并向呼气相延长后流速达到近似为0L/min的时刻，f2为流速最大值前的流速波形曲线，f为拟合后的流速波形曲线。
进一步地，所述步骤(1)中，用呼吸机获取连续H小时的气道压力和流速波形采样数据，采样频率应在50Hz以上。
进一步地，所述步骤(3)中，吸气末压力Piend计算基于呼气点检测，具体如下：对压力波形进行差分，最小点即为呼气点，取吸气相压力波形最后5个采样点的平均值作为当前呼吸的吸气末压力值。
进一步地，所述步骤(3)中，呼气末压力计算基于呼气点检测，具体如下：对压力波形进行差分，最小点即为呼气点，取呼气相的最后五个采样点的平均值作为当前呼吸的呼气末压力值。
本发明还提供了一种压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测装置，包括一个或多个处理器，用于执行上述改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法。
本发明的有益效果主要表现在：基于机械通气波形，在压力控制通气模式下，通过筛选策略可以有效过滤掉受噪声影响的波形并基于筛选出的波形计算获取准静态顺应性值，解决了时长以及呼吸机波形的噪声对估测顺应性有影响的问题。通过获取准静态顺应性，结合其他临床测量参数，为临床医生动态评估患者肺部病理状态，从而更好地实施机械通气提供了基础。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明吸气末压力点、PEEP点、呼气点、潮气量值点在压力、流速、潮气量波形中的示意图。
图3为本发明对流速波形吸气相指数拟合示意图。
图4为本发明对流速波形呼气相指数拟合示意图。
图5为本发明利用筛选策略滤除波形示意图。
图6为本发明压力控制通气模式与容量控制通气模式下顺应性的一致性分析图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明提出了一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法，包括以下几个步骤：
(1)获取在压力控制机械通气下的气道压力和流速的波形采样数据。例如，可以获取在压力控制机械通气下连续H小时的气道压力和流速波形采样数据，为了便于分析，可以将数据按小时划分成多个数据段。
(2)从步骤(1)获取的波形采样数据剔除不符合吸气相流速下降段和/或呼气相流速段与呼吸系统运动方程的拟合优度的呼吸波形，获得筛选后的气道压力和流速的波形采样数据。
具体地，对于吸气相流速下降段，其中拟合优度需要用到吸气相流速的理论方程，是由呼吸系统的运动方程推导得到：
Paw(t)＝Rrsf0+ErsVT(t)+PEEP
其中，Paw代表气道压力，Rrs代表气道阻力，Ers代表弹性，f0代表吸气相流速。VT(t)表示t时刻的吸入潮气量，PEEP代表呼气末正压。
将PEEP左移可得到驱动气流的压力Pd：
Pd(t)＝Rrsf0+ErsVT(t)
在压力控制通气模式下，若无自主呼吸干扰，一次呼吸中可认为Pd，Rrs，Ers为常数，VT为f0关于时间t的积分。基于此条件可解上式，得到：
Figure BDA0003526111020000041
基于上式求导可得出吸气相流速：
f0＝ae-bt
其中，a＝C/Rrs(C为常数)，b＝Ers/Rrs。
因此，将每一次呼吸波形的吸气相流速下降段数据与吸气相流速f0＝ae-bt进行拟合，如图3所示，若拟合优度符合要求，则保留该波形，不符合则剔除该波形。优选地，拟合优度的要求为：拟合优度大于0.9。
对于呼气相流速段，同样地，其中拟合优度需要用到呼气相流速的理论方程，是由呼吸系统的运动方程推导得到：
Paw(t)＝Rrsf1+ErsVT(t)+PEEP
其中，Paw代表气道压力，Rrs代表气道阻力，Ers代表弹性，f1代表呼气相流速。
在呼气相呼吸机不提供Paw，将PEEP左移可得到：
-PEEP＝Rrsf1+ErsVT(t)
在压力控制通气模式下，若无自主呼吸干扰，一次呼吸中可认为PEEP，Rrs，Ers为常数，VT为f1关于时间t的积分。基于此条件可解上式，得到：
Figure BDA0003526111020000051
基于上式求导可得出呼气相流速：
f1＝ae-bt
其中，a＝C/Rrs(C为常数)，b＝Ers/Rrs。
因此，将每一次呼吸波形的呼气相流速段数据与呼气相流速进行拟合，如图4所示，若拟合优度符合要求，则保留该波形，不符合则剔除该波形。优选地，拟合优度的要求为：拟合优度大于0.9。
基于吸气相、呼气相流速方程表达式相同，因而可以统一为呼吸系统运动方程的运动方程，表示为：
f＝ae-bt
图5所示为被剔除的波形。
(3)根据步骤(2)筛选后的气道压力和流速的波形采样数据对肺部准静态顺应性进行估测。
该步骤具体为：在压力控制通气模式下，每次呼吸的准静态顺应性可由如下近似公式计算得到：
Figure BDA0003526111020000052
其中，VTi-mea是容量控制通气下吸气末暂停时的吸入潮气量，Piend代表吸气末压力，Pplat是是容量控制通气下吸气末暂停时的气道压力，即平台压，VT-est是压力控制通气下吸气末流速为0L/min时的吸入潮气量，PEEP代表呼气末正压。
上式满足的前提条件是吸气末流速为0L/min。当吸气末流速为0L/min时，Piend≈Pplat、VT-est≈VTi-mea；当吸气末流速不为0L/min时，可以根据吸气相流速方程对流速最大值后吸气相波形进行拟合，并向呼气相延长，直至流速接近0L/min。
本发明中采用基于流速最大值前的原始流速与流速最大值后拟合得到的理论流速进行积分计算潮气量，从而获得满足上式计算所需的VT-est。
进一步地，压力控制通气下对每次呼吸的流速波形最大值后的吸气相数据用指数函数：f＝ae-bt进行最小二乘法拟合，并将拟合线向呼气相延长，直至f＜0.001L/min(即流速接近零)，再将流速最大值前的流速波形曲线f2与拟合后的流速波形曲线f作关于时间的积分，即可得潮气量：
Figure BDA0003526111020000061
其中，t0为吸气起始时刻，t1为拟合起始时刻，t2为吸气结束并向呼气相延长后流速达到近似为0L/min的时刻。
当吸气末流速为0L/min时，基于第一个过零点呼气点检测，取每次呼吸吸气相潮气量波形最后一个采样点作为当前呼吸的吸入潮气量值(图2中V-t图最大值点)。
吸气末压力计算方式如下：基于呼气点检测：对压力波形进行差分，最小点即为呼气点，取吸气相压力波形最后5个采样点的平均值作为当前呼吸的吸气末压力值。
呼气末正压计算方式如下：基于呼气点检测：对压力波形进行差分，最小点即为呼气点，取呼气相的最后五个采样点的平均值作为当前呼吸的呼气末正压值。结果可见图2。
最后，取其中按从小到大排序的前N个顺应性值的均值作为最终的准静态顺应性的估测值。
对于按小时划分数据段的情形，可以将每个数据段中按从小到大排序的前N个顺应性值的均值作为该数据段的顺应性值。最后取所有数据段的均值为最终的准静态顺应性的估测值。取最小的N个顺应性的理由是，自主吸气会造成潮气量偏高，因而造成准静态顺应性估测偏大。因此最小N个顺应性最有可能代表真实的静态顺应性。
进一步地，还可以将数据段进一步按每M分钟划分子数据段，分别计算每M分钟的子数据段中每一次呼吸的顺应性，然后取子数据段中最小的N个顺应性，取其顺应性的平均值，作为该M分钟机械通气近似静态顺应性；然后取该小时中所有M分钟的近似静态顺应性的平均值作为该小时的近似静态顺应性，最后取H个小时近似静态顺应性的平均值作为该H小时的准静态顺应性。
本发明通过特定条件下，利用筛选机械通气波形计算出准静态顺应性，解决了时长以及呼吸机波形的噪声对估测顺应性有影响的问题。减少医护人员的工作量。基于准静态顺应性的测量值的变化趋势，为临床医生能动态评估患者肺部病理状态提供了可能，可以更好地指导机械通气的实施。
进一步地，为了提高准确性，还可以设置其他筛选条件，包括：
(1)通过呼吸频率、呼吸周期时间、潮气量中的一种或多种作为筛选条件对波形采样数据进行筛选。
该筛选条件的筛选标准优选为：
若一次呼吸波形的呼吸频率小于呼吸机呼吸频率设置值的1.5倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的呼吸周期时间大于呼吸机吸气时间设置值的2.5倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的吸入潮气量大于200ml并且吸入潮气量与呼出潮气量相差小于吸入潮气量的10％则保留该波形。
(2)通过吸气相流速下降段每5点滑窗斜率、吸气末流速、呼气相流速段数据每5点滑窗中的一种或多种作为筛选条件对波形采样数据进行筛选。
该筛选条件的筛选标准优选为：
若一次呼吸波形的吸气相流速下降段数据每5点滑窗数据的斜率均小于0则保留该波形；
若一次呼吸波形的吸气末流速小于流速最大值的0.1倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的呼气相流速段数据每5点滑窗数据的斜率均大于0则保留该波形。
与前述一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法的实施例相对应，本发明还提供了压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测装置的实施例。
本发明实施例提供的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法。
本发明压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。
装置实施例可以通过软件实现，也以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的从硬件层面而言，压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构包括处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
为了进一步证明本发明的效果，下面提供一具体实施例：
本实施例中采用压力控制通气模式，在所获取的24小时气道压力和流速波形上，对其按1小时划分，利用所有的筛选策略后再对每小时筛选出的数据按5分钟进行划分，计算每一个波形的顺应性，取最小的40个顺应性，对其取平均值作为这5分钟内机械通气的近似静态顺应性，然后取该小时中所有5分钟的近似静态顺应性的平均值作为该小时的近似静态顺应性，最后取24个小时近似静态顺应性的平均值作为该24小时的准静态顺应性。本发明中的选取顺应性个数N和采样时间M，在实例中基于经验设定为40个、5min，但在应用中，可根据实际情况分析后做适当调整。
为了验证本方法的有效性，以吸气末屏气操作获取了46次静态顺应性测量值作为金标准，取每次金标准前24小时的波形计算准静态顺应性，两者的一致性分析结果如图6所示。可以看到，两者具有较高的一致性，R2＝0.70，说明本发明方法可以较好解决呼吸机波形的噪声对估测顺应性有影响的问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取在压力控制机械通气下的气道压力和流速的波形采样数据。
(2)从步骤(1)获取的波形采样数据中剔除不符合吸气相流速下降段和/或呼气相流速段与呼吸系统运动方程的拟合优度的呼吸波形，获得筛选后的气道压力和流速的波形采样数据。
(3)根据步骤(2)筛选后的气道压力和流速的波形采样数据对肺部准静态顺应性进行估测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，呼吸系统运动方程的运动方程表示为：
f＝ae-bt
其中，a＝C/Rrs，C为常数，b＝Ers/Rrs，Rrs代表气道阻力，Ers代表弹性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，剔除条件为：若一次呼吸波形的吸气相流速下降段和/或呼气相流速段与呼吸系统运动方程的拟合优度小于0.9则剔除。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：
通过呼吸频率、呼吸周期时间、潮气量中的一种或多种作为筛选条件对波形采样数据进行筛选。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，筛选标准为：
若一次呼吸波形的呼吸频率小于呼吸机呼吸频率设置值的1.5倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的呼吸周期时间大于呼吸机吸气时间设置值的2.5倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的吸入潮气量大于200ml并且吸入潮气量与呼出潮气量相差小于吸入潮气量的10％则保留该波形。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：
通过吸气相流速下降段每5点滑窗斜率、吸气末流速、呼气相流速段数据每5点滑窗中的一种或多种作为筛选条件对波形采样数据进行筛选。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，筛选标准为：
若一次呼吸波形的吸气相流速下降段数据每5点滑窗数据的斜率均小于0则保留该波形；
若一次呼吸波形的吸气末流速小于流速最大值的0.1倍则保留该波形；
若一次呼吸波形的呼气相流速段数据每5点滑窗数据的斜率均大于0则保留该波形。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：
计算每个一次呼吸波形的准静态顺应性：
Figure FDA0003526111010000021
其中，VT-est是压力控制通气下吸气末流速为0L/min时的吸入潮气量，PEEP代表呼气末正压，Piend代表吸气末压力；
取其中按从小到大排序的前N个顺应性值的均值作为最终的准静态顺应性的估测值。
9.一种压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测装置，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于执行权利要求1-8任一项所述改进的压力控制机械通气下肺部准静态顺应性估测方法。
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