密閉流動池脈沖流動液流速的電阻抗參數表征方法研究

馬結實，周德強，張和華，顏樂先，種銀保

前言

失血性休克是一種常見的臨床急重癥［1］。靜脈輸液是一種院前失血性休克治療的重要手段［2］。在靜脈輸液過程中，急救醫生往往根據輸注的藥品和患者的休克程度而選擇適當的輸液速率，以防止輸液過快或過慢而導致嚴重并發癥［3］。為了解決院前失血性休克患者快速輸血輸液問題，本課題組前期基于微機電系統（MEMS）［4］和微細加工（LIGA）［5］理論開發了一種低功耗、便攜式院前急救輸血輸液裝置［6］，其系統包含輸液袋、標準Luser連接器［7］、帶單向閥的彈性泵管A/B、往復式微電磁直線電機、空氣消除膜片、阻抗探測器及測控系統，彈性泵管、空氣消除膜片和阻抗探測器集成在輸液板上，如圖1所示。

圖1 輸血輸液裝置輸液板的結構組成Fig.1 Structure of transfusion plate for the transfusion device

輸血輸液裝置的工作原理［8-9］：擠壓輸液袋，單向閥全部打開，液體充盈整個管路，擠壓完畢后單向閥全部關閉，此時電阻抗電極探測的對象是單向閥2、4到Luser 連接器之間的流動液，密閉流動池流動液的體積為V1；當往復電機擠壓A 泵管時，在擠壓初期，單向閥2打開，其它單向閥關閉，泵管A容積為V2，此時密閉流動池流動液的體積為V1+V2，當電機擠壓泵管A 到結束狀態時泵管A 容積為V3，此時密閉流動池流動液的體積為V1+V3，V2大于V3，減少的流動液（V2-V3）從Luser連接器排出，密閉流動池流動液的體積變化量為V2-V3，導致其電阻抗發生變化；當往復電機擠壓B 泵管時，單向閥4 打開，其它單向閥關閉，密閉流動池流動液的體積恢復到V1+V2，經過擠壓后，密閉流動池流動液體積降低到V1+V3，流動液體積的變化導致測得電阻抗的變化。往復電機按照一定的頻率交替擠壓輸液板上的泵管A、B，在輸液板流動池內形成具有一定速率的脈沖流動液，擠壓的頻率越高，輸出的流動液的流速（即每小時輸出液體升數）越高，同時密閉流動池流動液的電阻抗變化波形的頻率也越高。該設備在密閉流動池的內壁上鑲嵌了兩個不銹鋼圓柱電極，用來測量流過密閉流動池的脈沖流動液的電阻抗變化Z（t），從而監測流動液的狀態。密閉流動池脈沖流動液電阻抗測量的原理框圖如圖2所示。

圖2 密閉流動池脈沖流動液的阻抗測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of impedance measurement of PFL through the CFC

基于電阻抗的測量原理，該輸血輸液裝置能對流動池阻塞和其中有氣泡的情況進行報警，能實現0.2、1、2、4、6 L/h 檔位液體流速的控制和監測［10］。由于每位失血性患者的休克程度具有個性化差異，所以上述固定的5 個檔位不能滿足特定患者對特定輸液速率的要求，譬如2.3 L/h 輸液速率的測量和控制無法實現。考慮到院前失血性休克患者救治的個性化需求，課題組提出在原有輸血輸液裝置的基礎上實現一種輸液速率連續可調和連續監測的功能［11］。通過前期研究，我們發現脈沖流動液速率的變化與其電阻抗波形的變化具有很好的對應關系，隨著輸液速率提升，脈沖流動液電阻抗波形變化頻率會增加。但由于當時我們采用飛利浦監護儀的呼吸監測功能（電阻抗法）對流動液的電阻抗進行監測，監護儀監測到的數據無法保存和導出，使得無法獲得準確的流動液電阻抗波形數據，從而無法建立流動液速率與其電阻抗波形參數的關系。目前用于測量管道中液體流速最常用的儀器是電磁流量計，它基于法拉第電磁感應定律，但該儀器對周圍電磁環境有嚴格的要求，無法在強電磁干擾下工作［12］。還有研究者提出利用超聲多普勒原理檢測管道內的液體流速［13］，但該方法的實現會增加輸血輸液裝置的硬件體積，不利于其院前應用。綜合各方面的因素，我們近期采用電阻抗法，利用精密阻抗分析儀對不同流速流動液的電阻抗波形進行監測，獲得了相應的電阻抗數據。本文擬通過建立密閉流動池流動液速率與電阻抗波形參數的方程式實現密閉流動池脈沖流動液速率的準確度量。

1 材料與方法

1.1 材料

精密阻抗分析儀MFLI（蘇黎世儀器，瑞士），帶鱷魚夾式測量夾具1 套，院前急救輸血輸液裝置1臺，500 mL 生理鹽水1 袋，靜脈輸液管路2 套。MATLAB R2014a軟件1套，SPSS19.0軟件1套［14］。

1.2 方法

1.2.1 快速輸液回路建立借助于兩條靜脈輸液管路將生理鹽水兩個密封口和輸血輸液裝置的液體輸入輸出口分別相連［15］，啟動輸血輸液裝置的電源開關，選擇5個輸注速率中的某一檔，實現生理鹽水在輸血輸液裝置密閉流動池和生理鹽水袋之間的循環，從而建立快速輸液回路，如圖3所示。裝置內電機反復交替擠壓雙泵管使得流動池內形成脈沖流動液。

圖3 快速輸液回路Fig.3 Rapid infusion circuit

1.2.2 流動池流動液電阻抗數據采集在阻抗測量前，阻抗分析儀經過短路、開路和電阻負載3種校正。為了測量流動池流動液電阻抗數據，從輸血輸液裝置輸液板上的兩個阻抗測量電極上分別引出一條長20 cm 的銅導線，然后接阻抗分析儀的兩個測量端口（鱷魚夾），如圖4所示。

圖4 利用阻抗分析儀采集流動液的電阻抗數據Fig.4 The PFL′s impedance data collected by using an impedance analyzer

在測量中，阻抗分析儀工作在二電極測量方式，電壓激勵，激勵信號頻率為50 kHz，幅度為300 mV［16］。由于泵擠壓泵管的頻率為低頻信號，所以將電阻抗數據采樣率設為1.83 kHz（儀器最低采樣率檔位）。針對每一檔位的流動液電阻抗的測量，均將檔位調好后過5 min 再采集并記錄電阻抗模值。對每一檔位而言，單次數據采集時間至少包含2個完整的電阻抗變化周期。每一檔位重復測量10次。

1.2.3 電阻抗波形頻率參數的提取與分析在MATLAB 軟件中，對測得的每種檔位流動液的電阻抗模值數據進行頻譜分析，找到頻譜中功率最大的點對應的頻率值（主頻值）［17］。采用SPSS 19.0 軟件，將每一檔位10 次重復測量的主頻值進行統計分析，利用Wilcoxon 秩和檢驗［18］對不同檔位之間主頻值的差異進行假設檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

1.2.4 脈沖流動液流速與電阻抗波形參數的相關性分析在SPSS19.0 軟件中，將每個檔位10 次測得的電阻抗波形數據的頻譜主頻值的均值作為變量，將檔位對應的流速值作為因變量，進行Pearson 相關分析和曲線估計［19］。在曲線估計中根據“變量-因變量”散點圖的趨勢依次選擇合適的數學模型作為擬合模型［20］，計算出估計值的標準誤，標準誤最小的數學模型是最終選定的擬合模型，該模型對應的回歸方程是最優的曲線方程。

2 結果

2.1 不同檔位對應的電阻抗模值的波形

初步測量發現，就0.2 L/h 檔位對應的流動液而言，60 s 數據采集時間可捕獲2 個完整的電阻抗變化周期，如圖5所示。而對其它4個檔位而言，10 s數據采集時間足以包含2個以上的電阻抗變化周期，如圖6所示。這4個檔位流動液電阻抗數據采集時間統一為10 s。由圖5和圖6可知，流動液流速越快，則對應的電阻抗波形的頻率越高。

2.2 不同流速流動液電阻抗波形頻譜分析結果

經過頻譜分析，得到5個檔位流動液電阻抗波形頻譜的主頻，如表1所示。Wilcoxon秩和檢驗，流動液流速越高，則其電阻抗波形頻譜的主頻值越高（P=0.003）。

2.3 脈沖流動液流速與電阻抗波形參數相關性分析結果

圖5 0.2 L/h流動液在60 s內的電阻抗波形Fig.5 The electrical impedance waveform of the PFL at 0.2 L/h within 60 s

經過Pearson相關性分析，脈沖流動液流速與其電阻抗波形頻譜主頻值之間具有相關性（r=0.99,P=0.001）。以流動液流速作為變量，流動液電阻抗波形頻譜的主頻均數作為因變量，繪制“變量-因變量”散點圖，發現變量與因變量有可能符合線性、二次項、對數和冪函數等4個數學模型，將它們依次作為擬合模型計算出的估計值的標準誤分別為0.389、0.824、0.049和0.213，所以二次項是最優的數學模型。經過該模型擬合得到的方程為：y=-0.001 2x2+0.176 9x-0.134，R2=0.999 8。此方程與原始數據具有很好的接近度，如圖7所示。

3 討論

本研究重點探討了密閉流動池脈沖流動液流速與電阻抗波形參數之間的關系。最終這一關系以一個二次式方程的形式表達出來。這一關系的建立使得利用電阻抗技術準確地測量密閉流動池脈沖流動液的流速成為可能。基于上述關系，在院前急救用輸血輸液裝置的升級設計中，我們可將流動液流速的監測精度進一步提升。本研究中沒有采用液體流量傳感器直接測量某一檔位下流動液的實際速率，因為前期研究表明本研究使用的輸血輸液裝置輸出流動液的速率誤差不超過5%，這對于初步的探索研究而言已經足夠。在未來的研究中，要建立貼近實用關系式，就必須在臨床開展大量的輸血輸液實驗，在測量流動池流動液電阻抗數據的同時利用成熟的液體流量傳感器準確測量流動液的流速。

圖6 4個檔位流動液在10 s內的電阻抗波形Fig.6 The electrical impedance waveforms of the PFL at the other four flow rates within 10 s

表1 不同流速流動液電阻抗波形頻譜的主頻Tab.1 The dominant frequencies in spectrums of the electrical impedance waveforms of PFL at different velocities

圖7 流動液流速與其電阻抗波形頻譜主頻的擬合曲線Fig.7 The fitting curve of flow rates of PFL and the corresponding dominant frequencies in spectrums of the electrical impedance waveforms

本研究的輸血輸液裝置中，電磁泵反復擠壓彈性泵管使得密閉流動池中流動液的體積發生周期性變化，從而導致測得的電阻抗也發生周期性變化。在人體血液循環中，血管壁直徑會發生周期性變化，其內血液體積也會發生周期性變化，導致測得的人體外周組織的電阻抗發生周期性變化［21］，所以密閉流動池流動液體積的周期變化特性使得其電阻抗具有周期性的變化特征。本文建立的密閉流動池流動液流速與電阻抗波形參數之間關系成立的前提條件是密閉流動池流動液的體積發生周期性變化。在密閉流動池流動液體積不變的情況下，上述關系不成立。

4 結論

本研究探索了一種利用短時間單頻點電阻抗波形頻譜參數表征密閉流動池脈沖流動液流速的方法，建立了密閉流動池脈沖流動液流速與其電阻抗參數的數學關系式，為院前快速輸血輸液裝置準確度量輸液速率研究奠定了基礎。在進一步的研究中，我們將開展臨床輸血輸液實驗驗證和完善該數學關系式，使其更加貼近院前實際應用。

致謝：感謝蘇黎世儀器余為工程師在阻抗測量方面給予的技術支持！