專利名稱：測量充氧參數(shù)的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于無創(chuàng)地確定關于患者的充氧狀況的生理參數(shù)的系統(tǒng)和方法。更準確地說，本發(fā)明涉及用以實時地確定關于一位接受治療的患者體內(nèi)總體組織充氧作用的參數(shù)的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
一個長期困擾著醫(yī)生們的問題是如何不依靠一種有創(chuàng)的手段而精確地測量患者組織的充氧狀態(tài)。在許多醫(yī)療過程中這是很重要的，因為醫(yī)生需要知道何時為患者施藥或輸入更多的血液。當患者的組織中充氧狀態(tài)低時，醫(yī)生將要為患者輸入更多的血液或其它氧載體以提高氧傳輸速度和保持適當?shù)募毎粑?br> 在外科手術和手術后的調(diào)整中，是否需要輸血通常根據(jù)血紅蛋白(Hb)或血細胞比容水平(Hct)決定。血細胞比容通常被定義為在離心分離血樣后所堆積的紅細胞的體積的百分比。如果患者每分升血液的血紅蛋白含量高，醫(yī)生就可以斷定患者具有充分的能力向組織輸送氧。在手術期間該值常被用作一個起動信號；即，如果該值低于某一定點以下，就要為患者補充血液。盡管這些參數(shù)提供了動脈的血液氧含量的指標，但它們并不提供傳輸(或“供給”)給組織的氧總量或來自組織的血液的氧含量的信息。
例如，已經(jīng)表明，較低的術后血細胞比容對于患有動脈粥樣硬化的患者來講常會伴有術后局部缺血。雖然許多研究人員試圖確定一個臨界的Hct水平，但是大多數(shù)權威人士總是認為一個經(jīng)驗的自動輸血起動信號，無論是基于Hb還是Hct，都應該避免，而且輸入紅細胞應適合個別患者的情況。因此，輸血的起動信號應該由患者本身的貧血反應來起動而不是任何預定的值。
這部分基于許多參數(shù)對于決定患者組織的實際充氧狀況是重要的這一事實。在這一方面，患者的心輸出量在血紅蛋白水平與組織充氧狀態(tài)的關系中也是一個重要的因素。心臟的輸出或CO被定義為單位時間內(nèi)由心臟的左心室射入主動脈的血液體積(ml/min)，并且是可以用熱稀釋法進行測量的。例如，如果患者有內(nèi)出血，血液中血紅蛋白的濃度可能是正常的，但血液的總體積將是低的。在這種情況下，由于返回到心臟的靜脈血不充足，心輸出量降低以提供對于組織的較好的血液循環(huán)。于是，簡單地測量血液中血紅蛋白的多少而不測量諸如心輸出量的其它參數(shù)對于估計患者實際的充氧狀態(tài)未必總是足夠的。
更具體地講，組織的充氧狀態(tài)是由那些組織的氧供/需關系來反應的，即，氧總傳輸量(DO2)和氧總消耗量(VO2)之間的關系。血紅蛋白在肺毛細血管中氧化成氧化血紅蛋白，隨后被心輸出量帶到組織中，在這里氧被消耗掉。在氧化血紅蛋白釋放氧給組織時，氧的不完全壓力(PO2)降低直到釋放足夠的氧以滿足氧的消耗量(VO2)。雖然確定某些器官的充氧狀態(tài)的方法有所進步(例如，內(nèi)臟的張力測定法；近紅外譜測量法)，但這些方法難于應用在臨床。因此，使用那些反映來自組織的血液的充氧狀態(tài)的參數(shù)，即，在混合的靜脈血中氧的不完全壓力(PvO2；也被稱為混合靜脈血氧分壓)或混合的靜脈血氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)就成為用以估計組織的總的充氧狀態(tài)的可接受的通常做法。
不幸的是，為提供較為精確的組織充氧程度就需要相對地有創(chuàng)的技術。在這方面，在外科手術時可以利用肺動脈導管插入術直接測量患者的混合靜脈血的充氧狀態(tài)。為全面評估全身的氧傳輸和運送，一個導管(一個流動定向的肺動脈[PA]導管)被放入患者的肺動脈而另一個放在外周動脈中。隨后從每一個導管中采取血樣以確定肺動脈和動脈血的氧水平。如前所述，使用PA導管也可以確定心輸出量。隨后醫(yī)生即可由測量血樣中氧的含量直接地推斷患者組織的充氧程度。
雖然已經(jīng)證實這些方法相對比較精確，但它們還是極端有創(chuàng)的。例如，使用諸如Swan-Ganz熱稀釋導管(Baxter Iternational，SantaAna，CA)可能導致增加感染、肺動脈出血、氣胸和其它并發(fā)癥的風險。另外，由于PA導管的風險和價格，其在外科患者中的應用限于高風險或高失血手術(例如，心臟外科手術，肝移植，惡性腫瘤的徹底的外科手術)和高?；颊?例如，年老的，糖尿病的，或有動脈粥樣硬化病的患者)。
在確定組織的充氧狀態(tài)的變量中，應該包括評估泵向組織的血液的數(shù)量(CO)和該血液(動脈的)中氧的含量(CaO2)。這些變量的乘積隨后將用以提供總的氧傳輸(DO2)的度量。目前，對DO2的評估需要利用上述有創(chuàng)的監(jiān)測設備。因此，在外科手術的大多數(shù)案例中DO2是不能確定的。無論如何，在監(jiān)護室(ICU)中，有創(chuàng)性監(jiān)測趨于成為患者的常規(guī)處理的一部分；因而，在這一人群中DO2的確定是比較容易得到的。
在混合靜脈血中的氧不完全壓力或混合靜脈血氧分壓(PvO2)是另外一個重要的參數(shù)，它可以用一個PA導管確定。由于在靜脈血和組織中的氧不完全壓力(PO2)之間存在著平衡關系，醫(yī)生可以由此確定患者組織的充氧狀態(tài)。更具體地說，當動脈血通過組織時，在通過組織的動脈中的PO2和組織自身的PO2之間存在著一個不完全壓力梯度。由于這個氧壓梯度，氧由紅細胞中的血紅蛋白中釋放出來，同時還從血漿中的溶液里釋放出來；釋放出的O2隨后滲入組織中。由毛細血管的靜脈端部流出的血液的PO2(PvO2)通常是毛細血管所穿過的組織的遠(靜脈)端處的PO2的接近的反映。
與混合靜脈血氧分壓(PvO2)密切相關的是混合靜脈血的血氧飽和度(SvO2)，它被表示為結(jié)合氧的血紅蛋白的百分比。典型地，氧化血紅蛋白解離曲線是利用SO2對PO2的值點繪的。當血液中的氧的不完全壓力(PO2)降低時(即在其通過一個毛細血管時)，血紅蛋白的氧飽和度(SO2)有一個相應的降低。動脈的PO2和SO2的值分別在95mmHg和97％附近，而混合靜脈氧值(PvO2，SvO2)大約分別為45mmHg和75％。因此，SvO2和PvO2相似，指示了總體的組織充氧狀態(tài)。不幸的是，和PvO2一樣，它只可用比較有創(chuàng)性的量具進行測量。
另一個了給出患者充氧情況信息的參數(shù)為可使用的氧(dDO2)。dDO2為傳輸?shù)浇M織中的氧總量(DO2)，這是在PvO2(同時暗指總體組織氧壓)降低到某一定值時可以供給組織的氧(即被組織所消耗的)。例如，在PvO2為40mmHg之前可以運送給組織(被組織所消耗的)的氧總量為dDO2(40)，而在PvO2降低到35mmHg之前總消耗為dDO2(35)。
其它相關的參數(shù)可以采用無創(chuàng)的方式確定。例如，全身氧消耗(VO2)可以由吸入和混合呼出的氧與換氣的瞬間體積之差計算出來。心輸出量也可以無創(chuàng)用測量動脈血壓的方法確定以代替依賴于熱稀釋導管。例如，Kraiden等人(收編于此作為參考的美國專利第5,183,051號)利用一個血壓監(jiān)視器連續(xù)地測量動脈血壓。這些數(shù)據(jù)隨后被轉(zhuǎn)換為脈搏等值線波形。根據(jù)這些波形，Kraiden等人計算出患者的心輸出量。
無論各個參數(shù)是怎樣得到的，本領域的普通技術人員將贊同從各種已經(jīng)很好地建立起來的關系式中導出待測的輔助參數(shù)。例如，F(xiàn)ick方程式(Fick，A.Wurzburg，物理醫(yī)療協(xié)會研究通報16(1870))建立起動脈氧濃度、靜脈氧濃度和心輸出量與患者氧消耗總量的關系式并可寫成(CaO2·CvO2)×CO＝VO2其中CaO2為動脈氧含量，CvO2為靜脈氧含量，CO為心輸出量和VO2表示全身氧消耗量。
盡管這些參數(shù)的無創(chuàng)推導有助于臨床處理，很明顯一個更有決定作用的“輸血起動信號”將是有益的。如果PvO2和DO2可以認為是患者安全的合理指標，就會產(chǎn)生這些參數(shù)如何構成一個“安全”的水準的問題。雖然在動物模型中具有臨界氧傳輸水平的數(shù)據(jù)，在臨床狀態(tài)幾乎沒有什么能指示一個臨界的PvO2?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明該水平是變化無常的。例如，在正準備進行心肺分流手術的患者中，臨界的PvO2在約30mm Hg和45mmHg之間變化，其中后一個值很好地處于正常、合格的患者的取值范圍之內(nèi)。安全的DO2的值顯示出相同的可變性。
為了實用的目的，一個35mmHg或更大的PvO2值可以認為表示全部組織的氧供應是合適的，但這暗含地是基于完整和功能性血管舒縮系統(tǒng)的假設之下。同樣地，精確地確定DO2依賴于一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。在外科手術中需要保持一個廣泛的安全裕度和選擇一個很可能是最好的輸血起動信號(無論是DO2，PvO2，SvO2還是其某些導出值)，這時，就氧動力學而論，患者明顯地處于良好的條件之下。實際上，只有某些患者是用肺動脈導管監(jiān)測的。于是，上述參數(shù)不是對所有的患者都適用的，而讓大多數(shù)患者用不完全的，和常常是危險的Hb濃度的起動信號進行監(jiān)測。
過去為解決這些問題所做的努力并未獲得完全的成功。例如，F(xiàn)aithfull等人(傳輸?shù)浇M織中的氧XVI，Ed.M.Hogan，PlenumPress，1994，pp.41-49)描述了一種可以導出在不同條件下組織的充氧狀態(tài)的模型。無論如何，該模型僅僅是一個靜態(tài)的仿真，使操作者估計哪一種改變各種心血管或物理參數(shù)的效果對組織的充氧能起到作用。沒有可以用以連續(xù)地采集數(shù)據(jù)并進行評估從而提供一種表示什么可能正在發(fā)生的動力學設備。因此，模型不能用以在改變的臨床條件的情況下提供對患者組織充氧的實時測量。
于是，為精確地實時評估患者的SvO2，PvO2，DO2，或其某些導出值提供系統(tǒng)和方法是本發(fā)明的一個總的目標。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一個方法，其中一個患者的充氧狀態(tài)的精確的指標實時地被顯示而不需要有創(chuàng)性的介入。
本發(fā)明的再一個目的是要提供一個能精確地反映患者的充氧狀態(tài)的單一導出值。
發(fā)明概述本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所實現(xiàn)的這些或其它目的，其主要方面，是為實時地測定和顯示一個或多個能夠精確地反映患者總的充氧和心血管狀態(tài)的值而提供的。另外，本發(fā)明提供了通過相對無創(chuàng)性的裝置確定選定值的方法。這樣，本發(fā)明可以用來安全地監(jiān)測患者的生理狀況并根據(jù)顯示的值調(diào)整治療參數(shù)。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明提供了確定和實時地顯示指示患者組織的充氧狀態(tài)的生理重要的充氧參數(shù)，如總的氧傳輸(DO2)，可使用的氧傳輸(dDO2)，混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)和混合靜脈血氧分壓(PvO2)。本發(fā)明還可用以提供一個供/需比(dDO2/VO2)，這是另一個充氧參數(shù)，該參數(shù)可以使醫(yī)生利用一個單一的數(shù)字值精確地監(jiān)測和調(diào)整患者的氧狀況?？梢岳斫猓瑢С龅某溲鯀?shù)可以單獨使用或，更為優(yōu)選地，聯(lián)合使用以提供一個關于總的組織充氧水平的指標。這樣，本發(fā)明可以在臨床處理中用作一種不復雜的，實時的介入起動信號，而沒有和傳統(tǒng)的有創(chuàng)監(jiān)測裝置相應的風險。
更具體地說，通過為個別的患者提供最小可接受的PvO2，SvO2，dDO2或DO2，使護理醫(yī)生獲得一個簡單的指示介入的起動信號點。例如，根據(jù)臨床經(jīng)驗一個醫(yī)生可以確定為提供合適的充氧程度患者的PvO2應不低于35mmHg或DO2應保持高于600ml/min。優(yōu)選地，臨床醫(yī)生應對每個充氧參數(shù)進行評估并能根據(jù)需要顯示一個或多個值。在一個特別優(yōu)選的實施例中，系統(tǒng)為一個選定的PvO2提供了一個供/需比(dDO2/VO2)，從而使醫(yī)生能夠根據(jù)一個單一的值提出患者的需求。在該實施例中，一個等于或大于1的值表明PvO2(從而總的組織充氧程度)高于所建立的起動信號點。
特別優(yōu)選的實施例提供了一種利用來自放置在外周動脈內(nèi)的一個內(nèi)在導管的輸入對心輸出量(CO)進行連續(xù)的(搏動-搏動)測量。在這方面，可以選擇一種裝置如Modelflow系統(tǒng)(TNO-生物醫(yī)學儀器，阿姆斯特丹)與本發(fā)明聯(lián)合使用以提供對CO實時的連續(xù)測量。心輸出量可以利用一個使用主動脈輸出阻抗的3-單元，非線性模型模擬人的主動脈和動脈系統(tǒng)的作用的算法計算出來。利用這一模型計算出來的心輸出量與用熱稀釋法確定的心輸出量對比被認為是有效的。除心輸出量以外，以下的血液動力學信息可以由象Modelflow一樣基于搏動-搏動的系統(tǒng)導出收縮的，舒張的，和平均的動脈血壓；脈搏速率；心臟搏動體積；和外周血管阻抗。
本發(fā)明還為用于導出所需的值確定了患者的動脈氧含量(CaO2)。特別是，在確定動脈氧含量時(CaO2)，本發(fā)明使用了一個或多個數(shù)字值，這些數(shù)字值相應于患者的血紅蛋白濃度，動脈氧分壓(PaO2)，動脈二氧化碳分壓(PaCO2)，動脈pH和體溫。這些數(shù)字值可以由一個化學血液監(jiān)視器得到或用手工輸入。特定的優(yōu)選實施例使用了一個血液化學監(jiān)視器以得到所需要的值連同心輸出量值的測量。另外，優(yōu)選地通過氣體分析或確定代謝速度來確定患者的氧消耗量(VO2)。
于是，本發(fā)明的一個實施例為實時地確定指示患者組織充氧狀態(tài)的一個或多個充氧參數(shù)的方法，其步驟包括將充氧常數(shù)存入第一計算機存儲器；實時地測量一個患者的心輸出量值(CO)，其中心輸出量值存儲在第二計算機存儲器；確定所說的患者的動脈氧含量(CaO2)；和實時地計算指示患者組織充氧狀態(tài)的所說的一個或多個充氧參數(shù)。
在優(yōu)選實施例中，該方法還包括這樣的步驟，即在所說的計算步驟之前，將一個相應于所說的患者的全身氧消耗量(VO2)的值存入第三個計算機存儲器。
優(yōu)選地，上述方法中所討論的第一計算機存儲器為一個隨機存取存儲器(RAM)。同樣，上述方法的第二計算機存儲器和第三計算機存儲器最好也是隨機存取存儲器。
除所述方法以外，本發(fā)明提供了一種相對無創(chuàng)的裝置，用以實時地確定一個或多個指示患者組織充氧狀態(tài)的充氧參數(shù)，其中的裝置包括用以存儲充氧常數(shù)的第一計算機存儲器；來自相對無創(chuàng)源、實時地反映患者的心輸出(CO)值的輸入，其中所說的心輸出量值存儲在第二計算機存儲器中；用以獲得所說的患者的動脈氧含量(CaO2)并將所說的動脈氧含量存儲在第三計算機存儲器中的第一套指令；用以實時地計算指示患者的組織充氧狀態(tài)的一個或多個充氧參數(shù)的第二套指令。
優(yōu)選地，第一計算機存儲器，第二計算機存儲器和第三計算機存儲器都是隨機存取存儲器。
另外，計算機存儲器最好是一個計算機硬盤。再者，反映心輸出量的輸入可優(yōu)選得自動脈壓力掃描線，傳感器或壓力放大器。在另外的實施例中，可利用一個或多個數(shù)字值導出CaO2的第一套指令可以存儲在一個血液化學監(jiān)視器中。另外，第一套指令可以使用算法根據(jù)Kelman提供的方程算出氧化血紅蛋白解離曲線的位置。優(yōu)選地，第二套指令優(yōu)選地包括Fick方程的使用。
如上所述，本發(fā)明還利用一個供/需比提供了可以用以監(jiān)視患者組織充氧狀態(tài)的方法和裝置。于是，本發(fā)明的一個實施例涉及一種相對無創(chuàng)的方法，用以實時地監(jiān)測患者的組織充氧狀態(tài)，包括確定一個供/需比(dDO2/VO2)。同樣地，另一個實施例涉及一種相對無創(chuàng)的裝置用以實時地確定患者的組織充氧狀態(tài)，所說的裝置包括用以確定供/需比(dDO2/VO2)的指令。為提供所希望的比例所需的計算，數(shù)值和設備將在隨后的說明中描述。
在任何情況下都要強調(diào)，盡管本發(fā)明的各優(yōu)選實施例包括一個血液化學監(jiān)視器和/或壓力傳感器(即用于CO的)，它們并不是本發(fā)明的基本的元件而且也不是實施所公開的方法所必須的。例如，一個醫(yī)生可以用手測量血氣水平，體溫和Hb濃度，隨后將這些信息通過鍵盤輸入系統(tǒng)。也可應用其它測量心輸出量的方法，諸如超聲或胸的阻抗。
本領域的普通技術人員還可以理解，充氧常數(shù)是與患者的氧載體的物理特征或生理特征首要相關的數(shù)字值。這些充氧常數(shù)包括，但不局限于，血液容積，血漿中的氧溶解度和所需單位的飽和氧化血紅蛋白的氧含量。優(yōu)選地，一個或多個充氧常數(shù)在本發(fā)明中是用來導出選定的充氧參數(shù)。
由利用充氧常數(shù)所得到的值(例如CaO2，VO2和CO)，本發(fā)明通過計算患者的混合靜脈血氧含量(CvO2)解出了Fick方程[VO2＝(CaO2-CvO2)×CO]。一旦確定了CvO2，SvO2即可算出，而PvO2可以很容易地利用計算氧化血紅蛋白解離曲線的位置的算法，例如Kelman方程(Kelman，J.Appl，Physiol，1966，21(4)1375-1376；在這里被引入作為參考)導出。同樣，其它參數(shù)如DO2，dDO2和dDO2/VO2均可由所得到的值導出。
利用本發(fā)明，臨床醫(yī)生可以連續(xù)地收到實時的數(shù)據(jù)(即上述的充氧參數(shù))，從而給予他一個完整的患者充氧狀態(tài)的圖象。如果任何一個選定的參數(shù)趨于所建立的起動信號點，可以有充足的時間采取適當?shù)拇胧┤缢幚韺W介入，輸液，輸血或調(diào)整供氣分布以使受治療者穩(wěn)定。因此，這一連續(xù)的數(shù)據(jù)流使醫(yī)生比較容易地確定充氧降低的病因(例如，但并不局限于，貧血，心輸出量降低或缺氧)，并對此做出適當?shù)奶幚怼?br> 本發(fā)明的其它的目標，特征和優(yōu)點，對于本領域的普通技術人員在考慮了以下優(yōu)選的典型實施例的詳細描述以及即將首先被簡要描述的附圖將會是顯而易見的。
附圖的簡要說明

圖1為本發(fā)明的圖解，包括一個計算機，一個轉(zhuǎn)換器箱，一個血液化學監(jiān)視器和一個患者；圖2為可用以運行本發(fā)明的一個計算機系統(tǒng)的示意圖；圖3為描述可用以運行本發(fā)明的一個優(yōu)選的軟件結(jié)構的框圖；圖4為在本發(fā)明所選的實施例中所進行的數(shù)據(jù)輸入和計算的示意圖；圖5為手術期間由PA導管得出的PvO2值與利用本發(fā)明導出的手術期間的PvO2值的圖形表示；圖6為手術后由PA導管得出的PvO2值與利用本發(fā)明導出的手術后的PvO2值的圖形表示；圖7為結(jié)合圖5和6的PvO2值的圖形表示；
圖8為本發(fā)明的立體解析圖示，表示一個有代表性的顯示屏幕，說明以充氧參數(shù)PvO2作為介入起動信息；圖9為本發(fā)明的立體解析圖示，表示一個有代表性的顯示屏幕，說明使用充氧參數(shù)DO2作為介入起動信息。
所選實施例的詳細描述本發(fā)明在廣泛的方面涉及可以用以實時地精確地預測組織充氧狀態(tài)或總的組織充氧(“充氧參數(shù)”)的生理參數(shù)指標的系統(tǒng)，包括軟件程序，和方法。所公開的系統(tǒng)和方法可以用于，例如，在手術期間幫助醫(yī)生確定進行輸血或控制血液置換的合適的時間。通過在各種臨床的條件下連續(xù)地計算，例如，患者的PvO2，SvO2，DO2和dDO2，系統(tǒng)用不完全血紅蛋白測量作為一個總的組織充氧水平的指標。在特定的優(yōu)選實施例中，另一個充氧參數(shù)，一個供/需比(dDO2/VO2)，實時地被算出并被顯示。
本領域的普通技術人員應該了解術語“實時”是作為習慣的意義使用的。即，導出的充氧參數(shù)應該經(jīng)常校正足以提供一個臨床實用的患者條件的指標。優(yōu)選地，“實時”意味著一個條件或數(shù)值的報告或計算(即患者的以mm Hg計量的PvO2)應在其被測量之后不大于1分鐘。最好，事件或值在其發(fā)生之后不超過30秒鐘即被記錄下來，甚至更為優(yōu)選地，不超過10秒。在一個最優(yōu)選的實施例中，條件或數(shù)值在其發(fā)生后不超過一次心跳就被記錄下來。即，每一次新的心臟跳動將相應于所選定的充氧參數(shù)的一次重新計算。
這里所使用的“記錄”意味著，但并非局限于，所導出的信息的可視顯示或為進一步處理或識別向適合的形式的轉(zhuǎn)換。
值得注意的是，本發(fā)明的系統(tǒng)較已有技術的測量患者的組織充氧水平的方法具有許多優(yōu)點。例如，該系統(tǒng)在確定所需值時不需要相對有創(chuàng)的和有潛在危險的方法如肺動脈導管插入術。如在這里所使用的術語“相對無創(chuàng)的”堅定地意味著基本上對受治療者的身體狀況沒有損害的任何技術或方法。例如，為了抽取血樣在外周動脈中插入一根小的插管將是相對無創(chuàng)的。反之，將一個設備或裝置(如一個PA導管)插入一個主要的軀干動脈或靜脈中則明顯地是有創(chuàng)的。如上所述，有創(chuàng)的方法如肺動脈導管插入術可以給患者帶來多種并發(fā)癥。本領域的普通技術人員應該了解這些并發(fā)癥包括，但并非局限于，增加感染的發(fā)病率，出血，氣胸和其它與該方法有關的并發(fā)癥。
本發(fā)明特定的優(yōu)選實施例提供了一種極少有創(chuàng)，或相對無創(chuàng)的方法用以確定混合靜脈充氧參數(shù)，該方法特別適合于與基于碳氟化合物的血液代用品聯(lián)合使用，利用PvO2(或SvO2)二者作為藥物活性的信號和輸血起動信號的一個部分。本系統(tǒng)和方法可以用于通常需要放置PA導管的手術中，以及認為使用PA導管是不合理的外科手術中，但手術仍然需要跟蹤心輸出量，氧傳輸?shù)淖兓褪褂肞vO2(或SvO2)作為輸血起動信號的一個部分。
如前面所提到的，本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施例使用了Fick方程以進行所需的計算。Fick原理表明氧消耗等于每分鐘泵向組織的血液總量與動脈血和混合靜脈血中的氧含量之差的乘積(VO2＝CO×[CaO2-CvO2])；即，VO2等于氧供應減去留在靜脈血中的氧。如果VO2，心輸出量，和CaO2是已知的，即可算出CvO2。與本發(fā)明相應的軟件程序使用心輸出量，血紅蛋白濃度，動脈血的氣體，和體溫，以及VO2(如果不宜于直接測量)，PvCO2，和pHv的算法，“反算”方程式中遺留的未知數(shù)，由CvO2，借助于SvO2到PvO2。
本領域的普通技術人員可以了解所公開的系統(tǒng)包括許多部分，這些部分共同起作用構成了本發(fā)明。
1.系統(tǒng)綜述在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中包括了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在線，實時地監(jiān)測生理參數(shù)，如心輸出量(CO)，總的氧傳輸(DO2)，可使用的氧傳輸(dDO2)，混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)，和混合靜脈血的血氧分壓(PvO2)。另外，本發(fā)明的優(yōu)選實施例可用以提供一個供/需比(dDO2/VO2)。
現(xiàn)在回到圖1，系統(tǒng)100為醫(yī)生提供了關于一個患者的組織充氧狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)。如圖1所示，患者110通過動脈壓力線130，傳感器132和監(jiān)視患者動脈脈沖波的模擬輸出壓力放大器133與接口箱120相連。接口箱120具有一個串連的部分RS232(未示出)，該部分由一個串聯(lián)的電纜142與一個計算機140相連。接口箱120還包括一個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器將由傳感器132輸出的動脈壓力的模擬信號轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字信號。來自動脈壓力線130的模擬信號通常是在100Hz以2.5mV分辨率下采集的，信號由RS232串聯(lián)線發(fā)送并隨后存儲在保存于計算機的存儲器中的緩沖器內(nèi)。采集的信號立即由計算機的存儲器存儲在計算機的硬盤里。
由動脈壓力線130傳來的數(shù)據(jù)可用以計算，如以下所討論的，心臟的收縮的，舒張的和平均壓力，脈搏間隔，心率，血液射出時間。另外，一個連續(xù)的主動脈流動信號可由計算機140算出，計算是由一個主動脈輸入阻抗的模擬模型計算出左心室搏動體積，該體積隨后乘以心跳從而確定心輸出量。全身的血管阻抗可以由心輸出量和全身動脈血壓確定。這些計算存儲在計算機的存儲器的緩沖器里并在隨后立即存儲在計算機的硬盤中。如在下面所討論的，在本發(fā)明中心輸出量(CO)被用來確定生理參數(shù)如DO2，dDO2，SvO2，PVO2。
一個在接口箱120的背面的第二個RS232串聯(lián)部分接受來自第二個串聯(lián)電纜144的數(shù)據(jù)，該電纜連接在附加的血液化學監(jiān)視器150上。血液化學監(jiān)視器150通過一個動脈監(jiān)視線160接受傳輸患者的動脈血特定分量(component)的濃度的數(shù)據(jù)。血液化學監(jiān)視器150測量血液分量的濃度和物理參數(shù)如pH，血紅蛋白水平，動脈氧的不完全壓力和動脈二氧化碳不完全壓力。本領域的普通技術人員會意識到血液化學監(jiān)視器150搜集的信息也可以用手工送入系統(tǒng)。例如，一個醫(yī)生可由患者拿到血樣并按照標準的分析確定血液化學監(jiān)視器所測量的同樣血液分量的濃度和物理參數(shù)。隨后這些值可以通過鍵盤輸入所公開的系統(tǒng)中。
動脈監(jiān)視線160重復采集患者的血樣并將這些樣本傳送到血液化學監(jiān)視器150的傳感器。一個優(yōu)選的血液化學監(jiān)視器為1-01型血液氣體和化學監(jiān)視器(VIA Medical Corporation，SanDiego，California)，它是一個自動化的系統(tǒng)，由一個動脈線采集血樣，并分析血樣的動脈血氣體和血細胞比容，將血樣送回患者。無論如何，其它相似類型的血液化學監(jiān)視器預計可以同樣地進行工作。在任何情況下，當血液化學監(jiān)視器連接在系統(tǒng)上時，優(yōu)選其可提供一個自動測量幾個所需的輸入值的裝置。例如，由一個血液化學監(jiān)視器提供的血細胞比容值在系統(tǒng)內(nèi)利用在每一案例開始時輸入的基準平均血紅蛋白濃度(MCHC)被轉(zhuǎn)換為血紅蛋白。
將所有這些硬件部分連接在一起的是系統(tǒng)的軟件。軟件控制著由動脈壓力線130采集的數(shù)據(jù)和血液化學監(jiān)視器150。這些數(shù)據(jù)隨后用以導出混合靜脈血中的不完全氧壓和其它充氧參數(shù)為醫(yī)生提供一個實時的精確的讀出數(shù)據(jù)。
更具體地講，在一個優(yōu)選實施例中軟件由患者那里采集動脈壓力數(shù)據(jù)并用這些數(shù)據(jù)確定患者的心輸出量。實際上用于確定CO的方法不是決定性的，可以利用不同的裝置獲得相應的數(shù)據(jù)。于是，本領域的普通技術人員應該了解任何相對無創(chuàng)的心輸出量測量設備都可以和本發(fā)明結(jié)合使用。在優(yōu)選實施例中確定心輸出量時可以利用Modelflow軟件或采用諸如在授予Kraiden的美國專利第5,183,051號所描述的那些方法，這些都被引入作為參考。
隨著CO的確定，優(yōu)選地可以由血液化學監(jiān)視器的輸入來確定動脈的pH，血細胞比容(或血紅蛋白)水平，PaO2，PaCO2和體溫。這些值對確定動脈氧含量(CaO2)是有用的。該值可用以導出DO2，它是CaO2和CO的乘積。本領域的普通技術人員應該了解血液化學監(jiān)視器可以在設定的時間點連續(xù)地采集患者的動脈血以識別血液的氧/化學水平的變化。如果由血液化學監(jiān)視器所測量的任何值發(fā)生了變化，新值將傳輸?shù)接嬎銠C從而確定一個新的動脈氧含量的值。
除了心輸出量以外，患者的總的氧消耗量(VO2)可以使用本領域的普通技術人員所熟知的標準裝置進行計算或確定。例如，諸如由Physio Medical Systems(Haarlem，Netherlands)生產(chǎn)的Physioflex系統(tǒng)，和由Sensormedics(Lorba Linda，CA)與PuritanBennett(Carlsbad，CA)生產(chǎn)的相似的系統(tǒng)都適合于計算氧消耗總量。
在任何情況下，在確定了VO2，心輸出量(CO)，和動脈氧含量(CaO2)之后，本發(fā)明的軟件將這些值運用于Fick方程從而可以確定混合靜脈氧含量(CvO2)。這一過程將在以下作詳細的說明。
一旦知道了CvO2，混合靜脈氧壓(PvO2)和混合靜脈血液氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)即可導出?；旌响o脈pH和PCO2的值分別相對于動脈的pH和PCO2假定為一個常數(shù)(但是可以變動的)，其值以及Kelman方程中的其它變量被用來確定氧化血紅蛋白分離曲線的位置。另外，用以計算PvCO2和PHv的算法可以使用。知道了Hb濃度，PvO2和SvO2二者即可導出以為CvO2(它包括了來自Hb，血漿和PFC的貢獻)提供一個值，該值等于由Fick方程確定的CvO2的值。隨后PvO2或SvO2的值實時地被校正，因此醫(yī)生總會知道患者的充氧狀態(tài)。以下將更為詳細地說明實施這些功能的方法。
II.硬件綜述現(xiàn)在參照圖2，示出了一個計算機系統(tǒng)155的實施例，該系統(tǒng)控制著周邊的血液監(jiān)視系統(tǒng)。系統(tǒng)155的運行可以是獨立進行的或是作為計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡的一部分。系統(tǒng)155是一個集成的系統(tǒng)，它由患者處采集數(shù)據(jù)并將其輸送給操作人員。
臺式系統(tǒng)155包括在計算機160上在可由微軟公司得到的MS-DOS6.2版本或再新一些版本的操作系統(tǒng)下運行的血液監(jiān)視軟件。盡管本實施例被描述為在個人電腦上使用的是MS-DOS的環(huán)境，但在其它實施例中可以使用不同的操作環(huán)境或不同的計算機或者二者都不相同。
在本發(fā)明的另一個實施例中，計算機160可以通過廣域網(wǎng)(WAN)連接到其它醫(yī)生或醫(yī)院。由WAN連接到其它醫(yī)療機構可以對外科手術中的患者或在監(jiān)護室中的患者的進程進行實時的觀察。
再參照圖2，優(yōu)選的系統(tǒng)155包括一個計算機160，計算機具有一個以33MHz運行的最小為Intel 80486的微處理器或相似的微處理器。計算機160包括一個最小為四兆字節(jié)(MB)的RAM存儲器(未示出)。系統(tǒng)155包括一個連接在處理器170上的硬盤驅(qū)動器165。硬盤驅(qū)動器165可選擇為在網(wǎng)絡的配置下，即，工作站使用一個硬盤或其它文件服務器中的儲存設備。如果計算機是在獨立配置下使用，硬盤驅(qū)動器165優(yōu)選地為100兆字節(jié)或更多。
計算機160與一組計算機外部設備集合在一起，并連接到一個VGA(視頻圖像陣列)顯示標準件上，或者再好一點，一個彩色圖像監(jiān)視器175，這是使用系統(tǒng)155的所有功能所必須的。一個與IBM AT型計算機相容的鍵盤180連接在計算機160上。一個指示設備185，例如一個兩個或三個鍵的鼠標可以連接在計算機160上。推薦使用鼠標并不意味著排除使用其它的指示設備。
計算機160連接著一個打印機190以提供一種硬拷貝輸出的方式，例如用于文件記錄的打印輸出。在這種配置的情況下，一個備份設備195，例如可由Colorado Memory System得到的Jumbo 250Mb盒式磁帶備份部件，優(yōu)選地連接在計算機160上。在單獨配置的情況下，需要一個硬盤驅(qū)動器165或其它類似的設備。
在單獨配置或作為一個網(wǎng)絡的工作站之一的配置的另一個實施例中，系統(tǒng)155可以包括一個便攜式計算機，諸如膝上型或筆記本電腦，例如可由AST Research得到的Premium Executive 386SX/20，或可由眾多的銷售商處得到的其它計算機。便攜式計算機(未示出)使用與關于計算機160的說明中相似的部件進行配置。
本領域的普通技術人員應該理解，一個編程計算機也可以全部實施或在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中部分地實施。因此，對裝置的選擇不做任何限制。
III.軟件綜述如上所述，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法由患者處采集數(shù)據(jù)并實時地確定患者組織充氧參數(shù)。軟件被用來控制這一過程。本領域的普通技術人員應該了解，所需的參數(shù)可以利用以眾多語言中的任何一種寫成的各種軟件結(jié)構進行推導或顯示。圖3表明可以和所公開的方法與系統(tǒng)聯(lián)合使用的一種可能的軟件結(jié)構。
現(xiàn)在參照圖3，在開始狀態(tài)200，當使用者輸送一個開始信號給系統(tǒng)時，過程即行開始。開始信號可以是敲擊鼠標命令啟動軟件開始采集數(shù)據(jù)。在狀態(tài)200接受開始命令以后，在狀態(tài)202，由患者那里采集動脈壓力數(shù)據(jù)。動脈壓力數(shù)據(jù)優(yōu)選地以本領域的普通技術人員所周知的標準裝置通過將患者連接在一個動脈壓力監(jiān)視器上進行采集。
在狀態(tài)202一旦由患者那里采集到數(shù)據(jù)，將在判定狀態(tài)204做出“數(shù)據(jù)在范圍之內(nèi)”的判定。在這一階段，軟件將在狀態(tài)202采集到的數(shù)據(jù)與已知的動脈壓力值的適當范圍相比較。動脈壓力數(shù)據(jù)的適當范圍是，例如，在70/40和250/140之間。
如果在處理步驟200中所采集的數(shù)據(jù)不在判定狀態(tài)204中所規(guī)定的范圍之內(nèi)，或者如果動脈壓力波不正常，在狀態(tài)206啟動一個錯誤/異常處理程序。狀態(tài)206的錯誤處理程序使軟件回到處理步驟202重新采集動脈壓力數(shù)據(jù)。在這種情況下，不正確的動脈壓力數(shù)據(jù)讀數(shù)不會進入下面的程序。如果在處理步驟202采集的數(shù)據(jù)在判定狀態(tài)204的適當范圍之內(nèi)，軟件的指示器移到處理步驟208，它包含有采集動脈數(shù)據(jù)的指令。匯集的數(shù)據(jù)優(yōu)選地應包括患者的體溫，動脈pH，血紅蛋白水平，PaO2和PaCO2。另外，數(shù)據(jù)優(yōu)選地由一個連接著的血液化學監(jiān)視器產(chǎn)生，監(jiān)視器可以提供患者的血液氣體水平，酸堿狀況和血紅蛋白狀況的信息。在這些實施例中數(shù)據(jù)是通過由血液化學監(jiān)視器到計算機的串聯(lián)連接接受數(shù)據(jù)流來采集的。另外，相關的數(shù)值可由鍵盤手工輸入的選擇數(shù)據(jù)得到。
如前所述，血液化學監(jiān)視器由患者那里連續(xù)地采集動脈血，優(yōu)選地由每一個血樣確定患者血液的幾個特性。由血液化學監(jiān)視器在處理步驟208所得到的相應于每一個特性的數(shù)據(jù)都進行檢查使其在判定狀態(tài)210中的范圍之內(nèi)。pH的適合的范圍是7.15到7.65。血紅蛋白水平的適合的范圍是由0到16g/dL。PaO2的適合的范圍是由50mmHg到650mmHg，而PCO2的適合的范圍是由15mmHg到75mmHg。
在判定狀態(tài)210如果對于每一個特定的變量數(shù)據(jù)并不在適合的范圍之內(nèi)，一個錯誤/異常處理程序在狀態(tài)212被啟動。狀態(tài)212的錯誤/異常處理程序獨立地分析在狀態(tài)208采集的變量以確定其是否在范圍之內(nèi)。如果所選擇的在狀態(tài)208所采集的變量不在適合的范圍之內(nèi)，錯誤/異常處理程序212使軟件指示器循環(huán)回到狀態(tài)208從而可以采集到正確的數(shù)據(jù)。如果所選擇的數(shù)據(jù)在判定框210的范圍之內(nèi)，軟件隨后根據(jù)前面在狀態(tài)214得到的動脈壓力數(shù)據(jù)導出CaO2和心輸出量(CO)。
如所述，心輸出量可由任意數(shù)量的方法所得到的動脈壓力測量結(jié)果導出。例如，TNO Biomedical的Modelflow系統(tǒng)可由一個動脈壓力信號實時地導出一個心輸出量。其它方法，如上所述，也可在處理步驟214中使用以確定心輸出量。一旦在處理步驟214中確定了心輸出量值，患者總的氧傳輸量(DO2)可以在處理步驟215中導出。如前所述，總的氧傳輸量為心輸出量與動脈血氧含量的乘積。該參數(shù)可選擇為進行顯示，如在判定狀態(tài)217中所示，如果軟件接到一個停止命令程序即行終止。無論如何，如果軟件在判定狀態(tài)217沒有接到鍵盤或鼠標輸入的停止采集數(shù)據(jù)，指示器指引程序進入處理狀態(tài)216以導出另外的參數(shù)。特別是，處理狀態(tài)216涉及患者的VO2的測量或輸入。
患者的VO2可以使用前面所述的方法計算，通過將患者連接到一個適當?shù)耐庠O備并通過例如上述的Physioflex系統(tǒng)測量其氧攝入量，或使用若干其它設備例如由Sensormedics和Puritan Bennett制造的系統(tǒng)。通過確定吸入和呼出的氧總量，通氣設備可以計算出患者吸收的氧總量。在處理步驟216中確定了患者的VO2值以后，在狀態(tài)218中這些變量被應用于Fick方程以提供一個實時的CvO2。上面已經(jīng)提供了Fick方程。
一旦知道了CvO2，混合靜脈氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)和混合靜脈血氧分壓(PvO2)即可在狀態(tài)220中被導出。如在前面所說明的，混合靜脈pH和PCO2假定分別與動脈pH和PaCO2具有一個恒定(但可變)的關系，這些值連同其它變量被用于Kelman方程以確定氧化血紅蛋白解離曲線的位置。另外，可以導出算法以計算這些值。知道了Hb濃度，即可導出一個PvO2，隨后它可提供一個總的CvO2(它包括來自Hb，血漿和PFC的貢獻)，它等于由Fick方程確定的CvO2。若這個CvO2值和Fick方程不“吻合”，選擇另一個PvO2值。重復這一處理直到Fick方程得到平衡從而知道了真正的PvO2。
本領域的普通技術人員應該了解相同的方程和算法可以用來推導，以及最好顯示混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度SvO2。即，SvO2與PvO2緊密地相關并可由氧-血紅蛋白解離曲線利用傳統(tǒng)的技術很容易地導出。還應進一步了解如果臨床醫(yī)生有需要的話，如同PvO2一樣，SvO2可用以監(jiān)視患者的充氧狀態(tài)并作為一個介入起動信號。如上所述，混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度可單獨使用或，更優(yōu)選地與其它導出的參數(shù)一起使用。
在導出PvO2，SvO2或二者的值以后，該值或該幾個值可以在步驟222中在計算機屏幕上顯示出來。如果在判定狀態(tài)224，軟件沒有接到鍵盤或鼠標輸入的停止采集數(shù)據(jù)的命令，指示器使程序循環(huán)回到處理狀態(tài)202重新開始采集動脈壓力數(shù)據(jù)。在這種情況下，繼續(xù)一個實時的數(shù)據(jù)循環(huán)，從而在狀態(tài)222中患者的混合靜脈血氧分壓(PvO2)或飽和度(SvO2)不斷地被校正和在計算機上被顯示。如果在判定狀態(tài)224軟件接到來自鍵盤或鼠標輸入的停止命令，則開始一個結(jié)束程序226。
IV.軟件的實施對于本領域的普通技術人員來說都會了解，可以有許多不同的方式實施本發(fā)明的軟件。例如，諸如C++，Basic，Cobol，F(xiàn)ortran或Modula-2等程序語言都可用以將本發(fā)明的性能匯集在一個軟件包內(nèi)。說明本發(fā)明的軟件的另一種方法是利用一種展開圖表(spreadsheet)程序以實時地采集并確定患者的PvO2。以下將對該方法進行詳細的說明。
下面的系統(tǒng)采用一個大的Microsoft EXCEL展開圖表以采集患者的信息并顯示所需的參數(shù)，包括PvO2，SvO2，DO2。在實時地接受心血管和充氧變量的輸入之前，將一些充氧常數(shù)輸入系統(tǒng)內(nèi)。這些常數(shù)優(yōu)選地包括患者的估計的血液容積，血漿中的氧溶解度和1g飽和的氧化血紅蛋白中的氧含量。充氧常數(shù)隨后被存儲在計算機的存儲器中以為下面的計算使用。
表1表示采集患者的數(shù)據(jù)并推導所需的充氧參數(shù)的值的一個Microsoft EXCEL展開圖表的部分內(nèi)容中的命令。該程序通過對整個軟件需要使用的各種充氧常數(shù)賦予名稱來設置初始值。在實施例中，一些充氧常數(shù)都被輸進，這些充氧常數(shù)相應于血液容積(BV)，氧在全氟碳乳液中的溶解度(O2SOL)，任一種全氟碳(perfluorocarbon)乳液的比重(SGPFOB)，全氟碳乳液的血管內(nèi)半衰期(HL)，全氟碳乳液的重量/容積(CONC)，海平面的氣壓表壓力(BARO)，每克飽和血紅蛋白中氧的毫升數(shù)(HbO)和每100ml血漿中在100mm水銀柱下的氧的毫升數(shù)(PIO)。涉及全氟碳的常數(shù)在碳氟化合物血液代用品將給予患者的情況下應予輸入。
表1為一個Kelman常數(shù)初始值的例子，一個充氧常數(shù)的子集合也示于其中。這些初始值用以進行以后的計算以導出患者的混合靜脈充氧狀態(tài)或其它所需的常數(shù)，例如，混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度。和其它充氧常數(shù)一樣Kelman常數(shù)也賦予如表1所示的名稱。
表1設定 開始時的值
血液容積(ml/kg)-BVPFB中O2的溶解度(ml/dl @ 37deg C)-O2SOLPFOB的比重-SGPFOB氧HT的血管內(nèi)半衰期(小時)-HLPFOB乳液/100的重量/容積-CONC氣壓計壓力 @ 海平-面BARO每克飽和的Hb的MIO2-HbO每100mmHg每100ml血漿的MI O2-HIOKELMAN常數(shù)開始時的值
Ka1Ka2Ka3Ka4Ka5Ka6Ka7在充氧常數(shù)，包括Kelman常數(shù)被賦予名稱以后，可以開始實時地由動脈壓力線和血液化學監(jiān)視器輸入并開始提供數(shù)據(jù)。如表2所示，在該實施例中所描述的系統(tǒng)推導或接受關于動脈氧化血紅蛋白飽和度百分比(PaCO2)的數(shù)據(jù)。特別是，飽和度百分比是由動脈中有關氧壓(PaO2)，pH(pHa)，二氧化碳壓力(PaCO2)和體溫(TEMP)的數(shù)據(jù)導出的。如果臨床醫(yī)生需要，本發(fā)明可提供SvO2值(如由計算的PvO2，pHv，PvCO2h和體溫導出的)的實時顯示，該值將用于監(jiān)視患者的組織充氧狀態(tài)。如前所述，在使用算法確定PvCO2和pHv時，PvCO2和pHv以一個固定的量分別與PaCO2和pHa的值相關。心輸出量(CO)也同VO2一樣進行輸入。圖4給出本方法和最后結(jié)果的一個示意的說明。
在Hb濃度，動脈血液氣體和酸/堿參數(shù)被輸入(自動地或手工操縱地)到程序中以后，在含有Hb的紅細胞和血漿的狀態(tài)中O2的供應和消耗變量均可確定。與PFC(使用血液代用品時)或基于Hb的攜氧載體有關的變量也可確定。
再參照圖4，用于計算CaO2的數(shù)字值與Hb濃度，動脈氧壓(PaO2)，動脈二氧化碳壓力(PaCO2)，動脈pH(pHa)和體溫有關。氧-血紅蛋白解離曲線的位置利用Kelman方程進行計算，在程序中它作為充氧參數(shù)輸入。這些計算產(chǎn)生一個在O2的生理范圍內(nèi)與在這里被引入作為參考的Severinghaus(J.Appl.Physiol.1968，211108-1116)所推薦的原始曲線很難區(qū)分的曲線。如在圖4中示意性地示出的，可以使用迭代法計算PvO2(通過SvO2)，這將使所需的Hb中的混合靜脈氧含量，血漿和碳氟化合物滿足Fick方程。
表2輸入 開始時
輸入 開始時
<p>表3說明 計算
由血漿提供的VO2的百分率 ＝(由血漿中使用的O2/實際輸入的總的O2消耗)*100由PFB提供的VO2的百分率 ＝100×(由全氟碳中使用的O2/實際輸入的總的O2消耗由血漿和PFB提供的VO2百分率 ＝100*((由血漿中使用的O2+由全氟碳中使用的O2)/實際輸入的總的O2消耗)*100
表4說明 輸出
基于所提供的數(shù)字值，程序可以計算并能實時地顯示諸如PvO2和SvO2等充氧參數(shù)，如表2所示。如前所述，這些值可以幫助醫(yī)生確定何時為患者輸血或以其它方式改變對患者的臨床治療。重要的是，所顯示的數(shù)值可以在施加了包括基于血紅蛋白或全氟制劑在內(nèi)的血液代用品之后，用來監(jiān)測其生理效能。
表3和表4表示本發(fā)明可提供的附加的信息，這進一步說明了它的效用和適應性。特別是，表3提供了各種充氧值，這些值可以利用在這里所公開的方法進行計算，而表4提供了其它氧消耗量和氧發(fā)送量指標，這些指標對優(yōu)化患者的治療是很有用的。
表3的一個接近的檢驗表明，本發(fā)明的系統(tǒng)可用以提供在混合氧載體系統(tǒng)中不同組成部分的單獨的氧含量。特別是，表3分別給出了循環(huán)血紅蛋白，血漿和氟化制劑的動脈或靜脈的氧含量的計算值。這些值當在外科手術中向血管內(nèi)引入氟化制劑乳液的血液代用品時是特別有用的。
表4說明本發(fā)明還可用于提供有關氧消耗量和供給量的實時信息。如前所述，Hb或Hct的測量結(jié)果不見得合適地反映組織充氧情況。這主要是因為它們僅僅給出一個可能的動脈O2含量(CaO2)，而沒有提供關于需要使用的組織的總的氧傳輸量(DO2)的信息。無論如何，如在表4中所見，本發(fā)明通過提供在線氧傳輸信息解決了這個問題，該信息是基于CaO2和心輸出量(CO)推導出來的。
目前心輸出量是利用熱稀釋法測量的，CaO2典型地通過測量動脈氧化血紅蛋白飽和度(SaO2)和血紅蛋白水平，并將這些值代入下面的方程算出的CaO2＝((Hb×1.34×SaO2)+(PaO2×0.003)，其中(Hb)＝血紅蛋白濃度(以g/dl計)；1.34＝完全氧化的血紅蛋白每克的攜氧量；PaO2＝動脈氧壓；0.003為由血漿攜帶的氧量(每mm Hg氧壓下每分升的量)。
本發(fā)明結(jié)合Kelman方程和連續(xù)地心輸出量的算法提供了氧血紅蛋白解離曲線的位置。通過在-線和離-線地輸入體溫，血紅蛋白，和動脈血液氣體，本發(fā)明能夠在連續(xù)的基礎之上趨向DO2。用于確定DO2的因素連同其乘積被顯示出來；因此，使DO2降低的病因?qū)W(不適宜的心輸出量，貧血，或缺氧)對醫(yī)生來講顯然是很容易的，關于適當?shù)慕槿氲臎Q定可以快速地做出，并且治療的效果將是明顯地和很容易達到的。
特別是，本發(fā)明的優(yōu)選實施例可用以實時地提供和顯示DO2，動脈血液氣體，血紅蛋白濃度和CO(和已經(jīng)討論過的所有其它血紅蛋白數(shù)據(jù)如BP，心率，全身血管抗力，速率壓力乘積和心臟的工作)。如表3所示，這些實施例還可以提供Hb，血漿和PFC(如果在循環(huán)之內(nèi))各自對DO2讀數(shù)的貢獻。即，每個分量的氧貢獻可以精確地被監(jiān)測并可通過任何治療方式進行調(diào)整。該數(shù)據(jù)對在OR和ICU中為患者的充氧狀況提供一個安全的緩沖方面特別有用。
最近的研究著重強調(diào)了對于某些患者在ICU中使DO2極大化的重要性。本發(fā)明還可以被用來確定何時需要提示介入，并提供為達到所需的效果所必須的數(shù)據(jù)。一旦知道了DO2，即可計算出能夠支持某一個選定的(和可以改變的)PvO2值的最大的O2消耗量(VO2)。如前所述，該值可稱之為可使用的氧(dDO2)。例如，對一個25歲的健康的患者可以選擇一個36mm Hg的PvO2，而對一個患有廣泛的動脈硬化或明顯的冠狀動脈粥樣硬化或心肌局部缺血的老年患者需要一個42mm Hg或更高的PvO2。在麻醉的情況下氧消耗量是變化的，但差不多總是在1.5到2.5ml/kg/min的范圍內(nèi)。如果在選定的PvO2的情況下，可忍受的VO2遠在該范圍之上，一切都會很好而不需要介入?？扇淌艿腣O2越接近正常的VO2范圍，就應該越早地考慮介入。
這一關系可用以提供一個單值，基于可使用的氧(dDO2)對氧消耗量(VO2)，這將簡化對患者的護理。如前所述，dDO2為能夠在不完全靜脈氧壓(PvO2)之前供給的傳輸給組織的氧的數(shù)量，這隱含地意味著，組織的充氧壓力低于一個確定的水平。因此，如果要求PvO2值不低于40(此一數(shù)值對于不同的患者是不一樣的，這依賴于患者的健康條件)，DO2(也隱含著dDO2)必須保持在充足的水平。對于一個選定的PvO2的供/需比(dDO2/VO2)可以提供一個表明供給的氧數(shù)量足以保持所需的充氧狀態(tài)的單一的值。例如，如果知道需要保持一個40的PvO2的dDO2為300ml/min，測量的(VO2)為200ml/min，于是為了患者的需要應該供以充足的氧。即，供/需比為300ml/min÷200ml/min或1.5。供/需比為1意味著PvO2(或其它選定的參數(shù)即SvO2)處于選定的起動信號值(在這里為40mmHg)。相反，如果dDO2(40)(可以提供的氧)為200ml/min，而VO2(氧消耗)為300ml/min，則比值為0.66，即患者沒有接受到足夠的氧(即PvO2將小于40)。對這一比值的連續(xù)監(jiān)測和顯示使臨床醫(yī)生可以隨時觀察該值趨于1并適當?shù)剡M行介入。
實例1為評估本發(fā)明計算PvO2的精度，在歐洲進行了中等規(guī)模研究，其中利用所公開的系統(tǒng)導出的PvO2的水平與直接測量的PvO2值進行了比較。在此項研究中，招收了17名接受外科手術的受驗者并為其安放了一個動脈線和PA導管，得到了一系列的測量結(jié)果為利用本發(fā)明計算PvO2提供輸入。在外科手術期間盡可能頻繁地獲取測量結(jié)果，這些結(jié)果是在復原室中的6小時期間內(nèi)以30分的間隔在吸入氧(FiO2)水平的范圍為0.4到0.8(以得到廣范圍的PvO2值)的情況下測量的。如所述，在本發(fā)明中用以確定PvO2的變量包括心輸出量，動脈血紅蛋白，血液氣體，VO2，和體溫。在此項研究中，連續(xù)的心輸出量如前所述是在本系統(tǒng)內(nèi)在-線地確定的(即使用Modelflo裝置)；血紅蛋白，動脈血液氣體，和體溫是利用標準技術測量并手工輸入系統(tǒng)；手術中VO2利用PhysioFlex閉路麻醉機(Physio B.V.，Haarlem，The Netherlands)測量，并手工輸入系統(tǒng)；手術后的VO2是由所公開的系統(tǒng)利用一種算法確定的，而PvCO2和pHv是在系統(tǒng)內(nèi)利用通常可接受的動靜脈在PCO2和pH的差值逼近計算的(PvCO2＝PaCO2+4；pHv＝pHa-0.03)。混合靜脈血由肺動脈與動脈血樣同時抽出，而PvO2，PvCO2和pHv利用標準的血氣分析技術進行分析。由本系統(tǒng)導出的PvO2值與測量的和利用標準的方法和技術分析的值進行了對比。
圖5，6和7表明由圖形顯示所反映出測量的和導出的PvO2值之間是緊密相關的。導出的PvO2值是利用VO2回歸得出的。圖5和6分別表示手術中和手術后得到的值。圖7表示兩組的值。
特別是，圖形表明導出的值與利用傳統(tǒng)的，但是高度有創(chuàng)的，方法所測量的值是非常緊密地接近的。于是，該實例表明本發(fā)明可用以提供整體的組織充氧水平的精確的指標而沒有對患者健康狀況的不利影響。
實例2圖8和9表示典型的系統(tǒng)以及與這里的技術相容的視頻顯示屏幕。在實施例中示出包括在系統(tǒng)內(nèi)的一個血液化學監(jiān)視器和動脈壓力傳感器。無論如何，應該了解所述的集成的系統(tǒng)是，但僅僅是，一個實施例，而與本發(fā)明相容的部件可以以多種不同的形式組裝起來。
特別是，圖8表示一個患者的監(jiān)視系統(tǒng)800，包括組織充氧監(jiān)視器801，血液化學監(jiān)視器805和可操作地相互連接的一個動脈壓力傳感器(未示出)。系統(tǒng)800通過血液化學監(jiān)視器連接器806與患者802可操作地相互連接起來。血液化學監(jiān)視器連接器806在血液化學監(jiān)視器805和血液化學采樣器804之間傳遞信息，血液化學采樣器與患者的循環(huán)系統(tǒng)以液體傳導聯(lián)系。采樣器804由患者802處取出少量的血液樣本，將其傳遞通過一列傳感器并較快地將其返回循環(huán)系統(tǒng)。
如前所述，血液化學傳感器805可以獲得一個或多個相應的生理參數(shù)的數(shù)字值，例如血紅蛋白濃度，動脈氧壓，動脈pH和體溫。由患者802處所獲得的數(shù)據(jù)實時地被傳送給組織充氧監(jiān)視器801并顯示在血液化學監(jiān)視器顯示器808上。本領域的普通技術人員應該了解血液化學采樣器804是相對無創(chuàng)的。
組織充氧監(jiān)視器801通過一個標準的視頻顯示終端提供的數(shù)據(jù)屏幕810顯示無論是計算的還是由血液化學監(jiān)視器805或動脈壓力傳感器獲得的數(shù)據(jù)。盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例中包括一個視頻顯示終端，但本領域的普通技術人員應該了解可以用許多其它的格式顯示數(shù)據(jù)，例如，帶式記錄器或打印輸出。在這種情況下數(shù)據(jù)屏幕810提供了多種不同區(qū)域范圍來實時地顯示與患者生理狀況相對應的圖形顯示和數(shù)字值。
多種形式的標準數(shù)據(jù)被顯示出來，例如血壓，心輸出量，體溫，日期等。應予強調(diào)的是所述的屏幕僅僅是一個例證，待顯示的數(shù)據(jù)的格式或選擇是可變的并且優(yōu)選地由臨床醫(yī)生選擇。
在任何情況下數(shù)據(jù)屏幕810還提供了組織充氧數(shù)據(jù)，此前使用無創(chuàng)的方法是不能做到的。特別是，數(shù)據(jù)屏幕810提供了組織充氧區(qū)域812，其中顯示了患者的混合靜脈氧壓(PvO2)。優(yōu)選地，該數(shù)據(jù)差不多每秒鐘都被校正并為臨床醫(yī)生連續(xù)地實時地提供患者充氧狀態(tài)的指標。當然，應該了解任一(或所有的)所公開的充氧參數(shù)，包括總的氧傳輸量(DO2)，可使用的氧傳輸量(dDO2)，混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)，不完全靜脈氧壓(PvO2)和供/需比(dDO2/VO2)，如果需要都可以顯示。
顯示屏幕810還可以指示循環(huán)中的個別的氧載體成分對充氧的貢獻。特別是，分量變量814被顯示出來以指示血紅蛋白，血漿和任何被輸入的血液代用品的相應的氧傳輸量。該數(shù)據(jù)在進行輸血或改變循環(huán)介質(zhì)成分的濃度時是特別有用的。
圖9與圖8基本相似，其中，盡管在所顯示的數(shù)據(jù)方面有所不同，但是該裝置的實施例包括了相同的組成部分。象這樣的患者監(jiān)視系統(tǒng)900包括組織充氧監(jiān)視器901，血液化學監(jiān)視器905和一個可操作地相互連接的動脈壓力傳感器(未示出)。系統(tǒng)900通過血液化學監(jiān)視器連接器906與患者902可操作地連接在一起。血液化學監(jiān)視器連接器906，血液化學監(jiān)視器905和血液化學采樣器904如前所述地進行工作。如同前面的系統(tǒng)一樣，由患者902處得到的數(shù)據(jù)實時地傳送到組織充氧監(jiān)視器901并在血液化學監(jiān)視器的顯示器908上顯示。同樣地，組織充氧監(jiān)視器901通過一個標準的視頻顯示終端提供的數(shù)據(jù)屏幕910顯示數(shù)據(jù)。
盡管系統(tǒng)的物理特性是相同的，但顯示的數(shù)據(jù)有所不同。最為重要的是，選擇用作監(jiān)視的充氧參數(shù)為總的氧傳輸量DO2而不是混合靜脈氧壓PvO2。即，盡管在圖8和9中顯示的數(shù)據(jù)多數(shù)是相同的(即血壓，溫度等)，組織充氧區(qū)域912現(xiàn)在在連續(xù)，實時的基礎上顯示DO2。如所述，最好使臨床醫(yī)生能夠修改顯示和按其愿望選擇數(shù)據(jù)顯示格式。于是，預期醫(yī)生將能夠，在任何時間，“卷動”顯示或以另外一種方式選擇要顯示的任何或所有的組織充氧參數(shù)。
同樣地，預期醫(yī)生將能按照其愿望選擇氧載體的分量變量的顯示格式。在圖9中這一性能表現(xiàn)為分量變量914現(xiàn)在顯示個別的循環(huán)分量的總的氧傳輸量而不是如圖8中所顯示的混合靜脈氧壓。當然希望分量變量914能夠用不同的充氧參數(shù)顯示而不是在組織充氧區(qū)域912中顯示的那一個。
如所說明的，本發(fā)明的系統(tǒng)使醫(yī)生能夠在手術或其它臨床治療中實時地確定患者的組織充氧狀態(tài)。所提供的數(shù)據(jù)便于對可能產(chǎn)生的問題的識別和診斷以及對有效響應的選擇。再者，對組織中氧狀態(tài)的連續(xù)實時地監(jiān)測可使氧傳輸量得到優(yōu)化。在上述的典型實施例中，本發(fā)明使用了一個Microsoft EXCEL的展開圖表。但是，一個本領域的普通技術人員能夠用Modelflow系統(tǒng)或各種血液化學監(jiān)視器匯集出上述圖表而仍舊不超出本發(fā)明的范圍。例如，用其它語言如C++，Cobol，F(xiàn)ortran和basic編寫軟件指令同樣能夠?qū)崿F(xiàn)在這里所公開的EXCEL展開圖表的功能。
因而，本領域的普通技術人員還應該了解本發(fā)明可以用其它特定的形式實施而不脫離其精神或核心的范圍。在本發(fā)明的前面的描述中公開的僅是其典型的實施例，應該理解，其它的變型預期將會在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明并不局限于在這里詳細描述的特定的實施例。相反，所附的權利要求將作為本發(fā)明的范圍和內(nèi)容的參照。
權利要求
1.一種相對無創(chuàng)的方法，用以實時地確定指示患者組織充氧狀態(tài)的一個或更多的充氧參數(shù)，所包括的步驟有將充氧常數(shù)存儲于第一計算機存儲器中；實時地測量一個患者的心輸出量值(CO)，其中心輸出量值存儲在第二計算機存儲器中；確定所說的患者的動脈氧含量(CaO2)；和實時地計算患者的一個或更多的指示組織充氧狀態(tài)的充氧參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的一個或更多的充氧參數(shù)選自總的氧傳輸量(DO2)和可使用的氧傳輸量(dDO2)。
3.根據(jù)權利要求1的方法，還包括在所說的計算步驟之前將對應于所說的患者全身氧消耗量(VO2)的值存入第三計算機存儲器中。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中所說的一個或更多的充氧參數(shù)選自總的氧傳輸量(DO2)，可使用的氧傳輸量(dDO2)，混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)和混合靜脈血氧壓(PvO2)。
5.根據(jù)權利要求3的方法，還包括計算供/需比(dDO2/VO2)的步驟。
6.根據(jù)權利要求1的方法，還包括在一個視頻顯示器上顯示所說的一個或更多的充氧參數(shù)的步驟。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的充氧常數(shù)包括一個或更多的對應于血液容積，血漿中氧的溶解度或所需單位的飽和氧化血紅蛋白的氧含量的數(shù)字值中的至少一個。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中所說的數(shù)字值與心輸出量水平的所說的測量值是同時確定的。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中動脈氧含量(CaO2)是利用與患者的血紅蛋白濃度，動脈氧壓(PaO2)，動脈二氧化碳壓力(PaCO2)，動脈pH或體溫相對應的一個或更多的數(shù)字值確定的。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的第一計算機存儲器是一個隨機存取存儲器。
11.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的第二計算機存儲器是一個隨機存取存儲器。
12.根據(jù)權利要求3的方法，其中所說的第三計算機存儲器是一個隨機存取存儲器。
13.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的確定步驟使用了一個血液化學監(jiān)視器。
14.根據(jù)權利要求4的方法，其中所說的計算步驟包括應用Fick方程。
15.一種相對無創(chuàng)的裝置，用以實時地確定指示患者組織充氧狀態(tài)的一個或更多的充氧參數(shù)，所說的裝置包括用以存儲充氧常數(shù)的第一計算機存儲器；來自相對無創(chuàng)源、實時地反映患者的心輸出(CO)值的輸入，其中所說的心輸出量值存儲在第二計算機存儲器中；用以獲得所說的患者的動脈氧含量(CaO2)并將所說的動脈氧含量存儲在第三計算機存儲器中的第一套指令；用以實時地計算一個或更多的指示患者組織充氧狀態(tài)的充氧參數(shù)的第二套指令。
16.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的一個或更多的充氧參數(shù)選自總的氧傳輸量(DO2)和可使用的氧傳輸量(dDO2)。
17.根據(jù)權利要求15的裝置，還包括第三個指令用以將相應于所說的患者全身氧消耗量(VO2)的值存儲在一個第四計算機存儲器中。
18.根據(jù)權利要求17的裝置，其中所說的一個或更多的充氧參數(shù)選自總的氧傳輸量(DO2)，可使用的氧傳輸量(dDO2)，混合靜脈血氧化血紅蛋白飽和度(SvO2)和混合靜脈血氧壓(PvO2)。
19.根據(jù)權利要求17的裝置，其中所說的第二個指令包括用以計算供/需比(dDO2/VO2)的指令。
20.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的充氧常數(shù)包括一個或更多的相應于血液容積，血漿中氧的溶解度或在所需單位的飽和氧化血紅蛋白的氧含量的數(shù)字值。
21.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第一個指令包括利用對應于患者的血紅蛋白濃度，動脈氧壓(PaO2)，動脈二氧化碳壓力(PaCO2)，動脈pH或體溫的數(shù)字值獲得動脈氧含量(CaO2)。
22.根據(jù)權利要求18的裝置，其中所說的第二個指令包括解Fick方程。
23.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第一計算機存儲器是一個隨機存取存儲器。
24.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第二計算機存儲器是一個隨機存取存儲器。
25.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第三計算機存儲器是一個隨機存取存儲器。
26.根據(jù)權利要求17的裝置，其中所說的第四計算機存儲器是一個隨機存取存儲器。
27.根據(jù)權利要求15的裝置，其中計算機存儲器為一個硬盤。
28.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的輸入設備包括一個動脈壓力線。
29.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第一個指令存儲在一個血液化學監(jiān)視器中。
30.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第一個指令包括應用Kelman方程。
31.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第一個指令包括用以由鍵盤輸入獲得一個或更多的對應于患者的血紅蛋白濃度，動脈氧壓(PaO2)，動脈二氧化碳壓力(CO2)，動脈pH或體溫的數(shù)字值的指令。
32.根據(jù)權利要求15的裝置，其中所說的第一個指令包括用以由一個血液化學監(jiān)視器獲得一個或更多的對應于患者的血紅蛋白濃度，動脈氧壓(PaO2)，動脈二氧化碳壓力(CO2)，動脈pH或體溫的數(shù)字值的指令。
33.一種相對無創(chuàng)的用以實時地監(jiān)測患者的組織充氧狀態(tài)的方法，其中包括供/需比(dDO2/VO2)的確定。
34.一種相對無創(chuàng)的用以實時地確定患者的組織充氧狀態(tài)的裝置，其中所說的裝置包括用以確定供/需比(dDO2/VO2)的指令。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于實時地計算各種充氧參數(shù)的系統(tǒng)和方法,其中的充氧參數(shù)包括患者體內(nèi)的總的氧傳輸量(DO
文檔編號A61B5/145GK1245407SQ97181747
公開日2000年2月23日 申請日期1997年12月10日 優(yōu)先權日1996年12月11日
發(fā)明者N·S·費斯福爾, G·洛爾德斯 申請人:聯(lián)合藥品公司