CN117980024A - 利用穿过气管内管的声学干涉法的气体摆动检测 - Google Patents
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Abstract
一种呼吸监测设备，包括电子控制器，该电子控制器被配置为：分析从机械呼吸机接受机械通气治疗的患者在吸气阶段和呼气阶段期间所触发的音频信号，以确定气道的共振频率，该音频信号声学地耦接至患者的气道中；确定共振频率在吸气阶段与呼气阶段之间的偏移，以确定气体摆动存在于患者的肺内；以及输出气体摆动的存在的指示。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求2021年9月27日提交的美国临时申请第63/248,678号的优先权，该申请的内容以引用方式并入本文。
技术领域
以下总体上涉及呼吸治疗技术、气管插管技术、气道声学监测技术、气体摆动(pendelluft)检测技术及相关技术。
背景技术
在被称为气管插管的过程中，患者的机械通气(MV)通常需要将气管内管(ETT)放置到患者的气管中。ETT的末梢的期望位置是在气管隆嵴(即气管分成左右主支气管的位置)上方大约5.0cm(±2.0cm)处。气管插管通常由麻醉师或其他有资格的医学专业人员执行，并且按照惯常顺序，使头部向后移动以使得能够进入气道，并且用喉镜辅助将ETT正确地放置在声带之间并进入气管中，而不会错误放置到食道中。
需要机械通气的常见情况可能包括重症监护室(ICU)病例和大手术期间。在被送至ICU之前，通常会获取此类患者的胸腔图像(例如计算机断层扫描(CT)图像)，特别是在患者的状况是肺部相关疾病(例如Covid-19)或创伤的情况下。
可能导致与辅助MV相关的呼吸机相关肺损伤(VILI)的状况的一个示例是“气体摆动”的发展。气体摆动被定义为肺内振荡性气体运动，例如涉及在呼吸机的潮气量(TV)变化最小化的情况下，气体从较多吸收的非依赖性(ND)或“较快”的肺区位移至较少吸收的依赖性(D)或“较慢”的肺区(参见例如Enokidani等人，Effects of ventilatory settings onpendelluft phenomenon during mechanical ventilation.Resp Care 2021；66(1):1-10)。由于D肺区中的过度膨胀以及ND肺区中的塌陷，气体摆动可能会导致肺过度伸展、潮式吸收和炎症。由于气体摆动的发展不会引起呼吸机的VT中的变化，临床医生难以在MV期间通过普通监测识别到其存在。气体摆动的早期检测是非常重要的，这使得能够调整治疗和/或通气策略，以确保患者安全和更好的临床结果。
然而，目前还没有广泛接受的用于确认气体摆动存在的标准测试。最常报道的诊断方法依赖于电阻抗断层成像(EIT)(参见例如Coppadoro A等人，Occurrence ofpendelluft under pressure support ventilation in patients who failed aspontaneous breathing trial:an observational study.Ann Intensive Care(2020)10:39；Sang L等人，Qualitative and quantitative assessment of pendelluft:asimple method based on electrical impedance tomography.Ann Transl Med2020；8(19):1216)，不过有时也会使用其他成像技术。肺中的病理性改变可以通过计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、肺超声和正电子发射断层扫描(PET)观察到。CT和MRI可以提供关于区域时间常数的间接信息，而PET可以用于捕捉示踪剂氮-13的清除，这可以用于计算气体摆动(参见例如，Musch G,Venegas JG.Positron emission tomography imaging ofregional pulmonary perfusion and ventilation.Proc Am Thorac Soc.2005；2(6):522-509)。然而，除了超声之外，这些基于非EIT的方法都不适合在床边实时、半连续地诊断气体摆动。
Coppadro等人描述的用于检测气体摆动的基于EIT方法的一个示例是分析全局和局部EIT迹线和呼吸机波形，以确定在两个不同的时间段，即从呼气到吸气的转换点(T0)之前和之后，局部EIT信号与全局信号相比是否存在相移。在T0之前，肺仍然在呼气，并且气管气流被向外引导；在呼气期间充气的感兴趣区域(ROI)必须从正在放气的其他ROI获得气体，指示存在气体摆动现象。相反，在T0之后，气管气流被向内引导，并且后期放气的ROI所损失的气体必须从正在充气的其他ROI获得，这同样指示存在气体摆动现象。
尽管基于EIT方法经常用于检测气体摆动，但仍然具有一些缺点和限制。许多方法依赖于来自不同ROI的阻抗-时间曲线进行比较，这是耗时的，而且根据ROI的划分，可能会遗漏气体摆动。另一个缺点是，许多基于EIT技术需要中断正常通气或仅提供定性测量，这可能不足以指导临床决策。还有另一个缺点是需要在患者上安装其他仪器和传感器。
以下内容公开了克服这些及其他问题的某些改进。
发明内容
在一个方面，一种呼吸监测设备，包括电子控制器，该电子控制器被配置为：分析音频信号，该音频信号是从机械呼吸机接受机械通气治疗的患者在吸气阶段和呼气阶段期间所触发的，以确定气道的共振频率，该音频信号声学地耦接至患者的气道中；确定共振频率在吸气阶段与呼气阶段之间的偏移，以确定气体摆动存在于患者的肺内；并且输出气体摆动的存在的指示。
在另一方面，一种呼吸监测方法，包括利用电子控制器分析从机械呼吸机接受机械通气治疗的患者在吸气阶段和呼气阶段期间所触发的音频信号，以确定气道的共振频率，音频信号声学地耦接至患者的气道中；确定共振频率在吸气阶段与呼气阶段之间的偏移，以确定气体摆动存在于患者的肺内；以及输出气体摆动的存在的指示。
一个优点在于，检测接受MV治疗的患者中是否存在气体摆动。
另一个优点在于，在不改变MV治疗期间插入患者中的ETT的情况下，检测接受MV治疗的患者中是否存在气体摆动。
另一个优点在于，在不将额外设备附接至患者的情况下，检测接受MV治疗的患者中是否存在气体摆动。
另一个优点在于，通过在智能设备或在机械呼吸机的显示器上显示关于气体摆动的指示，检测接受MV治疗的患者中是否存在气体摆动，从而允许还适用于院外情况的低成本和便携式解决方案。可选地，关于气体摆动的指示可以被呈现为由在智能电话上运行的相关应用程序(“app”)推送的通知，和/或由机械呼吸机或其他患者监测装备的控制器所发出的警报。
另一个优点在于，利用附接至插入患者气管中的ETT的音频传感器，检测接受MV治疗的患者中是否存在气体摆动，其中，音频传感器可以是一次性的，以符合卫生标准。
另一个优点在于，相比于采用成像检查来检测气体摆动是否存在，需要更少的技术技能来检测接受MV治疗的患者中是否存在气体摆动。
另一个优点在于，在不将患者暴露于电离辐射的情况下，检测接受MV治疗的患者中是否存在气体摆动。
给定实施例可以不提供、提供一个、两个、更多个或所有前述优点，和/或可以提供其他优点，如本领域普通技术人员在阅读和理解本公开后将变得明显的。
附图说明
本公开可以采取各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤布置的形式。附图仅用于示出优选实施例的目的，而不应解释为是对本公开的限制。
图1示意性地示出了根据本公开的示例性机械通气系统。
图2示出了由图1的系统适当执行的操作的示例流程图。
具体实施方式
在本文中，除非上下文中有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括复数引用。如在本文中所使用的，两个或更多个部件或组件“耦接”、“连接”或“接合”应当表示只要发生链接，这些部件就直接或间接地(即通过一个或多个中间部件或组件)结合、操作或共同作用。本文中使用的方向短语，例如不限于，顶、底、左、右、上、下、前、后及其派生词涉及附图中所示元件的朝向，并且不限制所要求保护的本发明的范围，除非其中有明确地表述。词语“包括”或“包含”不排除存在除本文和/或权利要求中列出的那些元件或步骤以外的元件或步骤。在包括若干装置的设备中，这些装置中的若干装置可以由同一个硬件项目体现。
参照图1，图中示出了用于为相关患者P提供通气治疗的机械呼吸机2。如图1所示，机械呼吸机2包括出口4，该出口4可与患者呼吸回路5连接，以向患者P递送机械通气。患者呼吸回路5包括用于机械呼吸机的典型部件，诸如入口管线6、可选的出口管线7(在呼吸机采用单肢患者回路时可以被省略)、用于与ETT连接的连接器或端口8，以及一个或多个呼吸传感器(未示出)，诸如气体流量计、压力传感器、潮气末二氧化碳(etCO2)传感器和/或其他传感器。机械呼吸机2被设计为以经编程的压力和/或流速将空气、空气-氧气混合物或其他可呼吸气体(供应源未示出)递送至出口4，以经由ETT为患者通气。机械呼吸机2还包括控制器13(例如电子处理器或微处理器)、显示设备14(例如LCD显示器、等离子体显示器、阴极射线管显示器和/或其他显示器)，以及存储有可由控制器13执行的指令的非暂时性计算机可读介质15。作为非限制性说明示例，非暂时性计算机可读介质15可以包括磁盘、RAID或其他磁存储介质中的一个或多个；固态驱动器、闪存驱动器、电可擦除只读存储器(EEROM)或其他电子存储器；光盘或其他光存储装置；其各种组合等等；并且可以是例如网络存储、内部硬盘驱动器、其各种组合等等。
图1示意性地示出了以气管内管(ETT)16被插管的患者P(ETT的下部位于患者P体内，且因此用虚像示出)。连接器或端口8与ETT 16连接，以操作性地连接机械呼吸机2，以通过ETT 16为患者P递送可呼吸空气。由机械呼吸机2通过ETT 16提供的机械通气可以治疗多种状况，诸如肺气肿或肺炎的各种类型的肺部状况、诸如COVID-19感染或严重流感的影响呼吸的病毒或细菌感染、患者P接受富氧的可呼吸气体的心血管状况等等。
图1示出了已经插管的患者P。也就是说，图1示出了已经执行了将ETT 16插入患者体内的气管插管之后的患者。然而，为了安全地执行气管插管，麻醉师或其他有资格的医学专业人员首先对患者P进行评估以选择ETT 16的ETT尺寸，且然后通过气管插管程序将选定尺寸的ETT插入患者P中。
继续参照图1，气体摆动监测设备18可以被包括，并被配置为辅助检测患者P内是否存在气体摆动。气体摆动监测设备18可以包括电子处理设备，诸如工作站计算机(更一般地，计算机)，智能设备(例如智能电话、平板电脑等)或一个或多个服务器计算机(例如互连以形成服务器集群、云计算资源等)。在一些实施例中，气体摆动监测设备可以与机械呼吸机2的控制器13集成在一起，例如包括控制器13的附加编程。在一些实施例中，气体摆动监测设备可以与多功能床边患者监测器集成在一起，例如包括患者监测器的附加编程。气体摆动监测设备18包括典型的部件，诸如电子控制器20(例如电子处理器或微处理器)、可选地包括至少一个用户输入设备(例如鼠标、键盘、轨迹球、智能设备触摸屏上的手指滑动和/或其他输入设备)22，以及至少一个显示设备24(例如LCD显示器、等离子体显示器、阴极射线管显示器和/或其他显示器)和/或其他输出设备。在一些实施例中，显示设备24可以是与电子处理设备18分离的部件。显示设备24也可以包括两个或更多个显示设备。
电子控制器20操作性地与一个或多个非暂时性存储介质26连接。作为非限制性说明示例，非暂时性存储介质26可以包括磁盘、RAID或其他磁存储介质中的一个或多个；固态驱动器、闪存驱动器、电可擦除只读存储器(EEROM)或其他电子存储器；光盘或其他光存储装置；其各种组合等等；并且可以是例如网络存储、气体摆动监测设备18的内部硬盘驱动器、其各种组合等等。应当理解的是，本文对一个或多个非暂时性介质26的任何提及应广泛地解释为涵盖相同或不同类型的单个或多个介质。同样，电子控制器20可以体现为单个电子处理器或两个或更多个电子处理器。非暂时性存储介质26存储有能够由至少一个电子控制器20执行的指令。指令包括生成用于在远程操作员显示设备24上显示的图形用户界面(GUI)28的指令。电子处理设备18还包括用于输出音频信号的扬声器29。
如图1的插图A所示，音频换能器30附接至ETT 16的未设置在患者P的气管中的部分。音频换能器30被配置为生成与ETT 16声学地耦接的音频信号31，该音频信号31在从机械呼吸机2接受MV治疗的患者P的吸气和呼气阶段期间被触发。在一些示例中，音频换能器30包括扬声器30。此外，麦克风32也与ETT 16声学地耦接，并且被配置为接收音频信号31。例如，扬声器30和麦克风32可以夹在ETT 16上，并且(例如通过有线连接，或通过诸如蓝牙连接的无线连接)与机械呼吸机2的电子控制器13和/或电子处理设备18的电子控制器20电子通信。(注意，插图A示意性地示出电子控制器13)。如果肺的各个局部部分以反相移动方式移动，则共振频谱的差异(偏移)逐渐减小。插图A还示出了音频信号31，并且示意性地示出了患者P的肺部的不同部分中的共振频率36。
此外，如本文所公开的，机械呼吸机2的非暂时性计算机可读介质15和/或电子处理设备18的非暂时性存储介质26上存储有能够由至少一个电子控制器20执行的指令，以执行气体摆动检测方法或过程100。
参照图2，并且继续参照图1，气体摆动检测方法100的说明性实施例被示意性地示出为流程图。如本文所述，方法100由机械呼吸机2的电子控制器13执行。然而，方法100可以适当地由电子处理设备18的电子控制器20执行。例如，如果在方法100期间生成的视觉消息可以显示在机械呼吸机2的显示设备14上，则相同的消息可以适当地显示在电子处理设备18的显示设备24上。这些仅仅是示例。
开始方法100之前，可以将ETT 16插入患者P的气管中，并将扬声器30和麦克风32夹在ETT 16的未插入患者P的气管中的部分上。在操作102处，分析音频信号31以确定患者P的气道的共振频率36。音频信号31在从机械呼吸机2接受MV治疗的患者P的吸气和呼气阶段期间被触发，并且与ETT 16声学地耦接。音频信号31可以是例如啁啾信号，并且共振频率36例如可以在100Hz至5kHz的范围内。在另一示例中，音频信号31包括作为音频信号31的啁啾脉冲，并且脉冲响应包括共振频率36。
在操作104处，确定共振频率36在吸气阶段与呼气阶段之间的偏移，以确定气体摆动是否存在，气体摆动指示患者P的肺内的振荡性气体运动。共振频率36可以在吸气阶段和呼气阶段之间表现出变化，这是因为：(i)作为携带音频信号31的介质的空气的相反运动，以及患者P的支气管的扩张和延伸(参照例如Thomas D.Varberg,Bradley W.Pearlman,IanA.Wyse,Samuel P.Gleason,Dalir H.P.Kellett,and Kenneth L.Moffett,Determiningthe Speed of Sound and Heat Capacity Ratios of Gases by AcousticInterferometry,Journal of Chemical Education 2017 94(12),1995-1998)。气体摆动的存在减少共振频率36在吸气阶段和呼气阶段之间的偏移(即差异)，因为气流的局部部分被反转，且相反的局部信号被叠加。在一个示例中，偏移确定操作104包括测量共振频率36在吸气阶段和呼气阶段之间的交叉关联或交叉熵。在另一示例中，偏移确定操作104包括在机械呼吸机2的电子控制器13(或电子处理设备18的电子控制器20)中实现经训练的人工神经网络(ANN)38，以检测并量化气体摆动的存在。例如，用于训练ANN的训练数据可以从由音频换能器30和麦克风32所监测的参考患者获取，以确定共振频率的任何偏移，并且还与电阻抗断层成像(EIT)连接，以提供关于气体摆动是否发生/何时发生的真实信息。
在一些实施例中，可以向用户提供关于是否发生气体摆动振荡的反馈(例如经由显示设备14输出视觉信号，或从扬声器17输出音频信号)。
在操作106处，存在气体摆动的指示在例如显示设备14或扬声器17上输出。由于气体摆动可以是呼吸机相关肺损伤(VILI)的可能性增加的早期指示，或者甚至是初期VILI的指示，所以操作106可以可选地向护士、肺病学家或其他医学专业人员提供警报或紧急通知。例如，操作106可以包括将气体摆动的指示呈现为由护士、肺病学家等人携带的智能电话上运行的相关应用程序(“app”)推送的通知，和/或可以作为由机械呼吸机或其他患者监测装备的控制器发出的警报和/或护士站的警报发送。在可选操作108处，电子控制器13可以响应于存在气体摆动的指示，控制机械呼吸机2调整递送给患者的机械通气治疗的一个或多个参数。
已经参考优选实施例描述了本公开。在阅读和理解了前面的详细描述之后，其他人可以想到修改和变化。示例性实施例应被解释为包括所有这些修改和变化，因为这些修改和变化均落入所附权利要求或其等同物的范围内。
Claims (15)
1.一种呼吸监测设备，包括电子控制器，所述电子控制器被配置为：
分析音频信号，以确定气道的共振频率，所述音频信号是从机械呼吸机接受机械通气治疗的患者在吸气阶段和呼气阶段期间所触发的，所述音频信号声学地耦接至所述患者的所述气道中；
确定所述共振频率在所述吸气阶段与所述呼气阶段之间的偏移，以确定气体摆动存在于所述患者的肺内；并且
输出气体摆动的所述存在的指示。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电子控制器被配置为通过下述方式确定所述共振频率在所述吸气阶段与所述呼气阶段之间的偏移：
测量所述共振频率在所述吸气阶段和所述呼气阶段之间的交叉关联或交叉熵。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电子控制器被配置为通过下述方式确定所述共振频率在所述吸气阶段与所述呼气阶段之间的偏移：
实现经训练的人工神经网络(ANN)以检测并量化气体摆动的所述存在。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电子控制器还被配置为：
当分析所述音频信号的结果是不明确的或不典型的时，向用户提供反馈以验证所述机械呼吸机的设置。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括显示设备，其中，所述电子控制器被配置为通过下述方式输出气体摆动的所述存在的所述指示：
在所述显示设备上显示存在气体摆动的所述指示。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括扬声器，其中，所述电子控制器被配置为：
经由所述扬声器输出气体摆动的所述存在的所述指示。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述机械通气治疗由气管内管(ETT)递送，并且所述设备还包括：
音频换能器，所述音频换能器附接至所述气管内管的未设置在所述气管中的部分，并且所述音频换能器被配置为生成与所述气管内管声学地耦接的所述音频信号。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括：
麦克风，所述麦克风与所述气管内管声学地耦接，并且被配置为接收所述音频信号。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电子控制器被配置为分析所述音频信号以确定所述音频信号的所述共振频率在100Hz至5kHz的范围内。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述音频信号包括啁啾信号。
11.一种呼吸治疗设备，包括：
机械呼吸机，所述机械呼吸机被配置为向患者递送机械通气治疗；以及
如权利要求1所述的呼吸监测设备。
12.根据权利要求11所述的呼吸治疗设备，其中，所述呼吸监测设备的至少一个电子控制器还被配置为：
响应于存在气体摆动的所述指示，控制所述机械呼吸机以调整递送给所述患者的所述机械通气治疗的一个或多个参数。
13.一种呼吸监测方法，包括利用电子控制器：
分析音频信号，以确定气道的共振频率，所述音频信号是从机械呼吸机接受机械通气治疗的患者在吸气阶段和呼气阶段期间所触发的，所述音频信号声学地耦接至所述患者的所述气道中；
确定所述共振频率在所述吸气阶段与所述呼气阶段之间的偏移，以确定气体摆动存在于所述患者的肺内；以及
输出气体摆动的所述存在的指示。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述共振频率在所述吸气阶段与所述呼气阶段之间的偏移包括：
测量所述共振频率在所述吸气阶段和所述呼气阶段之间的交叉关联或交叉熵。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述共振频率在所述吸气阶段与所述呼气阶段之间的的偏移包括：
实现经训练的人工神经网络(ANN)以检测并量化气体摆动的所述存在。
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