TW201417767A - 以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法 - Google Patents

Abstract

一種以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，係藉由基本之生理訊號監視儀器，來建立血液從心臟流到手指所需的脈波傳遞時間。其步驟主要為從生理訊號監視儀器中同時抓取病患的心電圖(ECG)和光容積血氧濃度(PPG)曲線圖，從而尋找出心電圖曲線中的每個最高點，經過兩層濾波找出需要的值，再找出光容積變化圖(PPG)曲線中每個最高點，算出脈波傳遞時間(PTT)的值，並將其以圖式呈現，再透過兩層濾波過濾雜訊，使圖式得以呈現更佳的曲線，以供進行分析及判讀，進而供醫師於手術中可更精確的瞭解病人的狀況。

Description

以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法

本發明係有關一種以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，尤指一種係藉由基本之生理訊號監視儀器，來建立血液從心臟流到手指所需的脈波傳遞時間，以供醫師於手術中可更精確的瞭解病人狀況之方法。

按；在醫療過程中，欲於手術期間確保病人安全及減低手術傷殘率與死亡率，維持血循環穩定相當重要。然而，縱使在醫事人員的監視下，仍可能發生諸如出血之類不可預期的併發症。失血對病人的衝擊取決於失血量及多早被檢測出而定。嚴重出血如未識別出，即可能導致不幸。手術中要早期偵測失血有時並不容易，尤其當出血處不明顯時。傳統的生命徵象諸如心跳及血壓，對於輕度及中度失血量的偵測並不靈敏。傳統的制式血循環監視包括量血壓及心電圖(ECG)。這些監視方法屬於非侵入式，但對失血之監測卻不敏銳。諸如即時動脈 導管術和中央靜脈導管術之類對失血敏銳的血循環監視方法則屬侵入式，有可能造成損害。

近期的幾項研究已發現一種源自光容積變化圖之脈波血氧濃度波形與心電圖，稱為脈波傳遞時間的非侵入式及可靠方法，以供鑑別清醒健康人的血容積變化。脈波傳遞時間是心電圖的R波在同一心動週期中與周邊(例如，指尖)呈現出脈波之間的時間間隔。脈波傳遞時間係於1950年代在探討有關焦慮及壓力的生理與心理研究上開始採用。自1990年代起，已用以量測睡眠時上呼吸道阻塞期間的交感神經活化情形。在全身或局部麻醉期間採用監視脈波傳遞時間的作法則相當新穎。某些在全身麻醉期間進行的研究結果指出脈波傳遞時間因麻醉深度而異，但另一些在全身和脊髓麻醉期間進行的研究結果卻表明脈波傳遞時間會反映出自主神經張力，故可作為動脈血壓的替代指標。

此外，脈波傳遞時間可鑑別出早期低血容的能力對臨床實務，尤其是對那些無法在初期輕易識別出流入體腔內之隱匿出血相關連的病例，具有潛力可觀的利益。異常、骨盆或胸腔內出血的延遲控制，已被認為是可預防創傷性死亡的主要促成因素，經常因為對出血的評估及診斷延遲而造成。如果該等事故能根據現行病人監視裝置可取得的資訊而盡速檢測出，顯然大有助益。申請人有鑑於此，經不斷研究、實驗，遂萌生設計一種以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，祈使醫師於手術中可更精確的瞭解病人狀況。

本發明之主要目的，即在提供一種以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，係藉由基本之生理訊號監視儀器，來建立血液從心臟流到手指所需的脈波傳遞時間，以供醫師於手術中可更精確的瞭解病人狀況。

前述之以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，係藉由基本之生理訊號監視儀器，來建立血液從心臟流到手指所需的脈波傳遞時間。其步驟主要為從生理訊號監視儀器中同時抓取病患的心電圖(ECG)和光容積血氧濃度(PPG)曲線圖，從而尋找出心電圖曲線中的每個最高點，經過兩層濾波找出需要的值，再找出光容積變化圖曲線中每個最高點，算出脈波傳遞時間的值，並將其以圖式呈現，再透過兩層濾波過濾雜訊，使圖式得以呈現更佳的曲線，以供進行分析及判讀，進而供醫師於手術中可更精確的瞭解病人的狀況。

以心電圖訊號的R波到脈波容積變化圖顯示動作電位上升(upstroke)的間隔來量測的脈波傳遞時間，近來已被用於評估麻醉與插管的心血管反應。心電圖訊號的R波因為易於檢測出及容許動作雜訊(motion artifact)，所以常被用來作為約略時間點。心電圖與脈波二者可從標準的監視裝置獲得。脈波傳遞時間的各測量是以非侵入方式獲得。脈波傳遞時間的原始概念是從二個選定地點量測血管路徑長度之間的動脈脈波時間間隔。然而，為求易於量測，心電圖的R波因為與動脈瓣的開口大致相應，故用它作為起點。技術的進步已可使用光容積變化法來正確估計脈波是否抵達諸如手指或腳趾之類週邊地點。

運用心電圖的誘導，就能很輕易地作出可用手指光容積變化法複製的各種脈波傳遞時間量測。SpO2的推導是以稱之為光容積變化圖之脈波血氧濃度波形的一種周邊容積脈波波形作為基礎，但其臨床意義卻未受重視。使用手指光容積變化圖與心電圖來監視中央血容積的可能性，已由實驗者證實。此為時間的差異，對於如第一圖所示的一個脈波而言，脈波傳遞時間即為血液從心臟(ECG)流到光容積變化圖感應器所需的時間。描述脈波傳遞時間所用的單位為秒。

為能算出脈波傳遞時間，我們必須先核對取樣時間的一致性。此舉表示應核對心電圖與光容積變化圖之資料的取樣時間是否相似。若不相似，程式會立刻停止。脈波傳遞時間是動脈脈波在兩個動脈部位之間傳遞的時間。脈波傳遞時間提供心跳間(beat-to-beat)的血管資訊。每一血管脈波都是以心臟的每次收縮開始，再以脈波傳到血管末梢分支時終了。起始時間可由心電圖的R波輕易獲得。終止時間則可由傳到手指的脈波光容積變化圖的波形取得。這兩個時間點的差異就是脈波傳遞時間。以R波與光容積變化圖所量測的脈波傳遞時間，已在若干研究中予以採用。因為心電圖與脈波光容積描記圖這二設備是各種麻醉期間必然使用者，所以從心電圖與脈波光容積變化圖可方便地獲取脈波傳遞時間。藉著這些研究，我們能運用此公式來求出脈波傳遞時間的數值。其後，我們開始算出心電圖的各個最高點。為能取得心電圖曲線的每個最高點，我們所採用的是種能求出每個最高峰值，稱為有限差分法的函數。以此方法，即能在所有曲線中求出我們想要的每個最高波峰。雖已求出心電圖的所有最高波峰，仍須再次核對是否 有些雜訊波峰。對於這類的雜訊波峰，我們是採用期間閥值濾波器(period threshold filter)及振幅閥值濾波器(amplitude threshold filter)來解決。期間閥值濾波器用以核對前一步驟取得的數值是否高於300ms或低於1500ms，亦即接近人的心臟跳動的範圍。所以，如果二數值之間的期間較低或高，程式即根據振幅而刪除最低或高值。與前100個數值的均值比較，振幅閥值濾波器可刪除每個太低或高的數值。由於那種濾波器，軟體只保留最高或低的值。從這步驟，可算出所有通過濾波器的心電圖波峰，確為我們所需者。其後，我們繼續求出光容積變化圖的最高點。藉著心電圖與光容積變化圖的位點，即可利用先前的公式求出脈波傳遞時間的數值。脈波傳遞時間的數值也需過濾以便取得較佳的脈波傳遞時間曲線。最後，可用病人的資訊開始分析脈波傳遞時間。依據某個穩定階段(specific stage)，我們想要算出手術期間的脈波傳遞時間。第二圖所示即為本發明之流程圖。在這流程圖中，可看出是如何輕易地算出脈波傳遞時間。其中：

步驟1：取樣時間的一致性，軟體核對心電圖的取樣時間與光容積變化圖的資料是否相似。若不相似，程式會立刻停止。

步驟2：找出心電圖的各個最高點的函數，為能取得心電圖曲線的每個最高點，我們所採用的是種能求出每個最高峰值，稱為有限差分法的函數。以此方法，即能在所有曲線中求出我們想要的每個最高波峰。

步驟3：期間閥值濾波器核對前一步驟取得的數值是否高於300ms 或低於1500ms，亦即接近人的心臟跳動的範圍。所以，如果二數值之間的期間較低或高，程式即根據振幅而刪除最低或高值。

步驟4：振幅閥值濾波器與前100個數值的均值比較，程式會刪除每個太低或高的數值。由於那種濾波器，軟體只保留最高或低的值。

步驟5：光容積變化圖最高點法在心電圖二個峰值之間的間隔內，程式會從Matlab裡稱為「max」的函數來記錄光容積變化圖曲線的最高點。

步驟6：視窗尺寸(Window Size)濾波器初看之後，根據軟體使用者所決定的閥值，刪掉那些高於或低於該閥值的脈波傳遞時間數值。若是某個脈波傳遞時間數值超出範圍，即採用前一數值。

步驟7：算出脈波傳遞時間起始時間可由心電圖的R波輕易獲得。終止時間則可由傳到手指的脈波光容積變化圖波形取得。這兩個時間點的差異就是脈波傳遞時間。其公式為：

步驟8：第三圖所示係脈波傳遞時間的原始曲線。藉由中值濾波器將資料平滑處理，以便製備出改良的脈波傳遞時間曲線(如第四圖)。

步驟9：分析脈波傳遞時間，程式係依據下列的志願者/病人資訊而連結脈波傳遞時間曲線。

本發明為進一步實驗，收集25位對照組病人及5位實驗組病人的資料。在醫院我們是使用AS/5及筆電收集病人的資料。AS/5是台多功能生理監視器，能即時量測病人身上諸如BP、ECG、呼吸與SpO₂之類的生理訊號。我們的實驗是在手術期間以AS/5來收集病人的生理訊號，並以RS232傳輸線路將資料儲存在筆電裡。

關於對照組，我們是從泌尿科手術收集病人資料。參與研究之病人的年齡為15到65歲。所有病人均經全身麻醉。作為對照實驗，是在手術開始前即先收集病人資料。手術期間，有三個特定階段須須記錄，包括麻醉時間(I)，手術開始(II)及手術結束(III)。

在實驗組中，我們想瞭解病人失血及補水時脈波傳遞時間趨勢的變化。在此情況下，由於病人在心臟手術前必然有失血及補水情形，所以選這手術來實驗。為確定病人在實驗期間的狀態，是以從開胸手術抓取資料的過程作為基礎，將實驗過程分成三個階段，即第五圖左半部所示者。這三個階段(矩形)包括術前準備，實驗及手術開始，而相鄰兩階段間的過渡過程(箭頭)則是誘導。第五圖的右半部顯示出在誘導後，實驗即開始。於第一子階段時，病人會突然失血，接著在第二子階段進行補水動作。

此實驗的對照組25位病人結果顯示出泌尿科手術期間的脈波傳遞 時間。在這手術中，病人並無失血及補水情形。如表一所示，手術開始前的脈波傳遞時間均值為0.3470±0.0412s，手術期間則約為0.2463±0.0271s。我們可以觀察到手術期間的血流量比手術開始前來得快(如第六圖)。我們以統計分析來比較這兩件樣本，結果發現P<0.0001，表示這兩件樣本有明顯差異。依照麻醉醫師的臨床經驗，他們會先注射名為propofol(異丙酚)的速效麻醉藥，但這種麻醉藥會讓病人覺得疼痛。因此，麻醉醫師總是會注射另一種稱為alfentanil的止痛藥。這種藥可能會使心臟加快而造成血流加快後果。

本實驗的結果顯示出脈波傳遞時間在如後某一階段及兩個子階段期間的變化：開始麻醉(階段1)，失血(子階段1)及補水(子階段2)。第七圖所示係為脈波傳遞時間的趨勢。另如表二所示，開始麻醉期間的PTT均值為0.2895±0.0261s，失血期間約為0.3148±0.0212s，而補水期間則為0.2792±0.00126s。我們以統計分析來比較這三個階段，即可觀察到第一及第二階段是P<0.05。此外，第二及第三階段亦為P<0.05。此結果表示這三個階段有明顯差異。我們可看出階段II的脈波傳遞時間最高，表示病人在失血過程中的血流量最低。在此期間，病人會突然大量失血。發生這情況時，心臟即無法忍受，於是可能促使血流變慢以求平衡。當變成階段III時，脈波傳遞時間最低，表示病人在補水過程中的血流量最快。依痲醉醫師的臨床經驗，血的濃度在補水過程會被稀釋。那正是脈波傳遞時間在補水期間變低的原因。

本發明從泌尿科手術與心臟手術收集到的一些病人資料。我們將這些資料分成二組。一組是以正常手術，亦即並無失血之類危險步驟者作為對照組。另一組是以特殊手術，亦即在手術期間會有失血與補水之類危險步驟者作為實驗組。藉著這兩種實驗，對照與實驗組即可進行比較。從對照組的結果可知，脈波傳遞時間的趨勢是從高到低，這表示在如圖八所示的普通手術期間，血流速率是由慢到快。實驗組則可看出在手術發生失血及補水情形時，脈波傳遞時間的數值即如第九圖所示，先是在失血期間變高，接著在補水期間降低。

前述實施例，僅為說明本發明之較佳實施方式，而非限制本發明之範圍，凡經由些微修飾、變更，仍不失本發明之要義所在，亦不脫本發明之精神範疇。

綜上所述，本發明以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，係藉由基本之生理訊號監視儀器，來建立血液從心臟流到手指所需的脈波傳遞時間，以供醫師於手術中可更精確的瞭解病人狀況。為一實用之設計，誠屬一俱新穎性之創作，爰依法提出專利之申請，祈 鈞局予以審查，早日賜准專利，至感德便。

第一圖係脈波傳遞時間定義圖。

第二圖係本發明之流程圖。

第三圖係本發明之脈波傳遞時間原始曲線圖。

第四圖係本發明之經平滑處理後的脈波傳遞時間曲線圖。

第五圖係本發明包括在手術時抓取資料之過程的三個階段及二個子階段在內的實驗方法的流程圖。

第六圖係本發明之泌尿科手術期間的脈波傳遞時間圖。

第七圖係本發明之心臟手術期間的脈波傳遞時間圖。

第八圖係本發明之對照組實驗中的二個階段圖。

第九圖係本發明之實驗組實驗中的三個階段圖。

表一係本發明實驗I中的脈波傳遞時間及心跳率統計。

表二係本發明實驗II的脈波傳遞時間統計。

Claims (3)

1. 一種以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，係藉由基本之生理訊號監視儀器，來建立血液從心臟流到手指所需的脈波傳遞時間。其步驟主要為從生理訊號監視儀器中同時抓取病患的心電圖(ECG)和光容積血氧濃度(PPG)曲線圖，從而尋找出心電圖曲線中的每個最高點，經過兩層濾波找出需要的值，再找出光容積變化圖(PPG)曲線中每個最高點，算出脈波傳遞時間(PTT)的值，並將其以圖式呈現，再透過兩層濾波過濾雜訊，使圖式得以呈現更佳的曲線，以供進行分析及判讀，進而供醫師於手術中可更精確的瞭解病人的狀況。
2. 如申請專利範圍第1項所述之以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，係包含以下之步驟：a：取樣時間的一致性，軟體核對心電圖的取樣時間與光容積變化圖的資料是否相似，若不相似，程式會立刻停止；b：找出心電圖的各個最高點的函數，為能取得心電圖曲線的每個最高點，本發明採用的是種能求出每個最高峰值，稱為有限差分法的函數。以此方法，即能在所有曲線中求出我們想要的每個最高波峰；c：期間閥值濾波器核對前一步驟取得的數值是否高於300ms或低於1500ms，亦即接近人的心臟跳動的範圍。所以，如果二數值之間的期間較低或高，程式即根據振幅而刪除最低或高值；d：振幅閥值濾波器，與前100個數值的均值比較，程式會刪除每 個太低或高的數值，只保留最高或低的值；e：在二個峰值之間的間隔內，程式會從Matlab裡稱為「max」的函數來記錄PPG曲線的最高點；f：算出脈波傳遞時間，起始時間可由心電圖的R波輕易獲得。終止時間則可由傳到手指的脈波光容積變化圖波形取得。這兩個時間點的差異就是脈波傳遞時間；g：視窗尺寸(Window Size)濾波器初看之後，根據軟體使用者所決定的閥值，刪掉那些高於或低於該閥值的脈波傳遞時間數值。若是某個脈波傳遞時間數值超出範圍，即採用前一數值。h：藉由中值濾波器將資料平滑處理，以便製備出改良的脈波傳遞時間曲線；i：分析脈波傳遞時間程式，依據志願者/病人資訊而連結脈波傳遞時間曲線。
3. 如申請專利範圍第1項所述之以脈波傳遞時間偵測手術中失血狀況之方法，係進一步設有期間閥值濾波器(period threshold filter)及振幅閥值濾波器(amplitude threshold filter)，以供濾除心電圖之雜訊。