呼氣末CO2分壓監測的臨床應用及相關設備研究進展

沈謙益，文戈弋，宗力群

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.首都醫科大學，北京100069；3.中日友好醫院呼吸與危重癥醫學科，北京100029；4.北京化工大學校醫院，北京100029）

0 引言

CO2是人體代謝產物，主要經由血液循環進入肺部進而通過呼氣排出[1]。呼氣末CO2分壓[pET（CO2）]在一定程度上反映呼吸功能等人體機能狀況，且pET（CO2）的監測無創、高效，目前已廣泛應用于重癥監護、術后恢復、插管指導等眾多領域。pET（CO2）已經被認為是除體溫、脈搏、呼吸、血壓、動脈血氧飽和度以外的第6個基本生命體征，被美國麻醉醫師協會（American Society of Anesthesiologists，ASA）列為麻醉期間的一項基本監測指標[2]。隨著傳感器技術、信息技術、材料科學等相關技術的快速發展，近年來針對提升pET（CO2）檢測精度的研究及相關醫療設備的研發也有較大進展。本文對pET（CO2）的臨床應用、檢測原理、精度提升、設備研發等進行綜述，并對其發展方向提出展望。

1 CO2的生理過程

呼吸是人體維持生命和身體機能所必需的生理過程。組織中產生的CO2通過毛細血管進入靜脈血后最終在肺泡完成氣體交換。由于CO2的彌散功能極其強大，動脈血中的CO2分壓[pa（CO2）]與肺泡中的CO2分壓[pA（CO2）]迅速達到平衡[2]，故在人體內通常有pET（CO2）≈pA（CO2）≈pa（CO2）[3]。

2 pET（CO2）監測的臨床應用現狀

pET（CO2）的測量無創、易行，因此通過監測pET（CO2）來反映動脈血CO2體積分數以及呼吸情況已逐漸應用到臨床實踐中。

2.1 pET（CO2）的波形圖及其應用

2.1.1 正常pET（CO2）波形及其觀察指標

利用現有的醫療設備可以測得連續的pET（CO2）波形圖。正常人的單個pET（CO2）波形分為4相（如圖1所示）：Ⅰ相代表呼氣開始部分；Ⅱ相為肺泡和無效腔的混合氣；Ⅲ相呈水平形，為混合肺泡氣；Ⅳ相則表示新鮮氣體進入氣道。圖中α角和β角均與肺泡序慣性排空有關，α角隨Ⅲ相斜率增加而增加，β角隨Ⅲ相斜率增加而減小。在連續波形圖（如圖2所示）中，主要觀察指標[4]包括基線（代表吸入CO2體積分數）、高度（代表呼出CO2的體積分數）、形態[pET（CO2）正常波形與不正常波形]、頻率（反映呼吸頻率）、節律（反映呼吸中樞或呼吸機的設置）等。

圖1 單個pET（CO2）監測波形

圖2 連續pET（CO2）監測波形

2.1.2 異常波形及其意義

臨床中患者實際波形的變化可用于輔助判斷病情或儀器故障。基線抬高提示可能發生重復呼吸、麻醉機活瓣障礙或者管路被阻塞等情況。Ⅱ相斜率降低，α角變鈍或消失則常見于哮喘等疾病[5]。Ⅲ相的變化情況最多，提供的信息也最為豐富。例如呼氣平臺升高或降低，常提示通氣不足或通氣過度；呼氣平臺溝裂，為肋間肌和膈肌運動不協調所致，常作為自主呼吸回復的標志[2]。

2.2 pET（CO2）監測的臨床應用

2.2.1 指導插管

誤插食管在氣管插管操作過程中較為常見[6-7]，有研究總結了傳統辨識插管位置的方法及其局限性[8]，詳見表1。

表1 傳統監測方法及其局限性[8]

目前臨床上利用pET（CO2）監測、辨識插管位置的方法較為常用且可靠。若插管在氣管內，監測儀上會顯示正常pET（CO2）連續波形且高度大于30 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）；若插管誤插入食道，將不會監測到CO2排出[9]。根據pET（CO2）的波形變化，還可大致判斷導管在氣道內所處位置[10]，如導管前端位于喉頭左側或右側時，pET（CO2）波形圖高度降低，呼氣平臺下降，呼氣上升支延長，斜率增大。

盡管pET（CO2）監測法可指導氣管插管，但仍有諸多問題。在心輸出量偏低時，該方法易出現錯誤[11]。Bozeman等[12]發現在心臟停搏時此方法的錯誤率約為30%，故使用該法需結合實際經驗或與其他方法聯合判斷。因此，有學者指出pET（CO2）和pa（CO2）聯合監測可提高指導氣管插管、機械通氣等操作的準確性[13]。

2.2.2 反映肺部通氣功能

對于血液動力學正常且肺通氣與肺血流比正常的患者，pET（CO2）和pa（CO2）具有良好的相關性。在一定程度上，pET（CO2）可反映pa（CO2）[9]，而pa（CO2）可以反映肺部通氣狀況。若pET（CO2）逐漸升高則說明通氣不足，若低于35 mmHg則說明通氣過度[2]。

2.2.3 監測麻醉恢復期身體機能

麻醉恢復早期病情易變化，加強此階段的觀察可以減少麻醉及手術相關并發癥的發生率及死亡率[14]。pET（CO2）監測能夠監測呼吸、循環等身體機能情況，尤其在老年腹腔鏡手術患者的術后恢復中具有突出優勢[14]。此外，在小兒非插管全麻中也能有效提高安全性[15]。還有研究指出，pET（CO2）監測組術后蘇醒時間和麻醉后監測治療室駐留時間明顯短于無pET（CO2）監測的對照組[16]。

2.2.4 指導機械通氣

梅洪寶[17]將42例機械通氣患者分為采用pET（CO2）監測的觀察組和無pET（CO2）監測的對照組，并進行機械通氣不良事件比較，發現在發生率、處理情況和治療效果方面觀察組均明顯優于對照組。腹腔鏡手術建立氣腹，CO2經過腹膜充分吸收，容易造成高碳酸血癥[14，18]，利用pET（CO2）的連續監測可幫助醫生判斷體內CO2潴留情況，及時調整呼吸機參數。pET（CO2）波形變化還可及時反映患者是否存在自主呼吸，避免患者和呼吸機出現人機對抗[19]。

2.2.5 診治呼吸疾病

pET（CO2）監測在呼吸疾病的診治中起到一定輔助作用。在肺栓塞方面，由于存在肺通氣血流比失調，肺泡死腔明顯增加，而pET（CO2）波形圖可反映肺泡死腔的情況，為肺栓塞的診斷提供了相應依據[9]。

在慢性阻塞性肺疾病方面，有學者探究呼氣過程中CO2體積分數隨呼出氣體體積增加的變化情況，結果表明呼出氣最大CO2體積分數等參數可用于評估肺功能、判斷慢性阻塞性肺疾病的嚴重程度[20]。另有研究表明慢性阻塞性肺疾病患者體內的pa（CO2）與D-二聚體水平呈正相關[21-22]，而pET（CO2）在一定條件下可替代pa（CO2）[1]，故其也可成為監測慢性阻塞性肺疾病患者體內D-二聚體的指標。此外，pET（CO2）監測還被用于哮喘[23]、肺炎[24]等常見呼吸疾病的診治。

3 pET（CO2）監測原理、采樣方法、精度優化與設備研究進展

pET（CO2）監測在醫學領域的廣泛應用對CO2氣體體積分數監測技術提出了更高要求。本部分將對臨床pET（CO2）的監測原理、采樣方法、精度優化及設備研究進展進行闡述。

3.1 CO2體積分數測量原理

3.1.1 非分散紅外光譜法

臨床上CO2體積分數測量原理多為非分散紅外氣體分析原理，即CO2在受到紅外光譜照射時會對4.26μm波長的紅外光有強烈的吸收作用而產生選擇性吸收峰，這一吸收關系遵循Lambert-Beer定律：

式中，I為透射光強度；I0為入射光強度；μ為吸收系數；L為透光的測量氣室長度；C為氣室中CO2的體積分數。由式（1）可知，氣室長度L一定時，CO2體積分數越高，對紅外光的吸收作用越強。通過測量氣體吸收前后的光強I0和I，便可反演出氣室中CO2的體積分數C，實現較高精度的測量[25]，其核心測量裝置結構圖如圖3所示。

圖3 非分散紅外氣體分析核心裝置結構圖

3.1.2 其他CO2體積分數測量方法

臨床上還有其他傳統CO2體積分數測量方法，且各有優缺點，詳見表2。對比這些傳統測量方法，非分散紅外光譜法具有較好的綜合優勢。

表2 常見CO2體積分數測量方法

3.2 CO2采樣方法

呼氣末二氧化碳（end-tidal CO2，ETCO2）的采樣方法主要分為主流式和旁流式，2種采樣方法各有優缺點，現分別介紹如下。

3.2.1 主流式采樣

主流式采樣指將紅外氣體濃度傳感器直接安裝在患者呼吸管路上，患者呼出的氣體直接進入紅外氣體濃度傳感器進行檢測，如圖4所示，檢測結果經處理后輸出波形圖，實時顯示在監視器上。

3.2.2 旁流式采樣

旁流式采樣需在呼吸管路上引出一根采樣管，氣泵將呼出氣從呼吸管中經采樣管抽入氣體過濾裝置，過濾掉水汽、細菌后呼出氣進入紅外氣體濃度傳感器進行檢測，再將檢測結果顯示在監視器上，如圖5所示。

3.2.3 主流式采樣與旁流式采樣優缺點對比

主流式采樣與旁流式采樣優缺點對比詳見表3。

3.3 精度優化方法與相關設備研究進展

目前，pET（CO2）監測的相關理論研究和設備研發主要針對提高監測精度、設備多功能化、設備小型便攜化及適配組件4個方面。下文將對這4個方面的研究進展分別進行概述。

圖4 主流式采樣方式

圖5 旁流式采樣方式

表3 主流式與旁流式采樣方法優缺點對比

3.3.1 精度優化方法

檢測使用的傳感器精度主要取決于傳感器廠家的制造技術，短期內難以提升。目前主要依靠各種方法補償測量過程中的誤差以提高精度，主要集中在改進檢測系統、降低環境影響及過濾雜質3個方面。

檢測系統作為氣體體積分數檢測的基礎，其優劣將影響整個檢測過程，因此在設計檢測系統時運用各種電路算法增強穩定性、補償誤差十分重要。有研究[1]利用電調制技術改進雙通道熱釋紅外傳感系統，以提高信噪比、避免零點漂移。該系統還采用信號分解法補償呼吸氣中的水蒸氣和氣流強度變化干擾，進一步提高了檢測精度。雙波長單光路的差分檢測法[30]則可實現抵消光源衰減、波動的影響，降低成本，減小體積。目前各種實現檢測系統優化方法間的效果缺少對比，在實際應用時難以決定最優的優化方法，仍需進一步研究。

修正環境因素產生的誤差也能有效提升測量精度。在實現方法上，既可綜合利用多種傳感器[31]將環境參數的變化實時引入測量過程并予以校正，也可通過預先封裝標準參考氣體[32]等方式將檢測系統與外界隔離，或保持環境參數穩定來避免不良影響的產生。有研究[33]使用半導體制冷器和溫度傳感器對測量氣室進行控溫，使其溫度穩定在25℃。測量完成后也可利用校正公式[34]進行一定程度的數據修正。對比而言，采集環境參數進行校正的方法較為復雜且校正算法的普適性和準確性仍待研究，而利用物理方法隔絕或控制環境因素則更易實施且成本較低，這也將成為今后研究的重要方向。

過濾掉可能會影響檢測或堵塞儀器的水蒸氣、黏液、雜質等也是降低測量誤差、提升設備可靠性的有效途徑之一。過濾裝置能設置在管路兩端[35]，也能以濾芯的形式設置在采樣管中[36]。傳統的濾紙、紗網等濾材在使用過程中易被浸濕或堵塞，因此該方向的研究應緊密結合新材料、新結構，設計出更為易用、耐用的過濾裝置。例如，已有一種開放式的含氟高分子離子交換管[37]，呼出氣進入管后由于管壁的強吸水性水蒸氣會集中在離子膜上并向管壁方向擴散，最終以高體積分數水蒸氣的形式排出，實現呼出氣的干燥。由于不會在管中產生冷凝水，故這種干燥管無需頻繁更換，性能也更為優越。

3.3.2 檢測設備多功能化

在檢測設備上集成多種功能可避免不同設備間的沖突，減少設備數目，簡化檢測過程。供氧設備常集成pET（CO2）監測功能，其形式可以是集成有采樣管和pET（CO2）監測模塊的呼吸面罩[27]或鼻氧管[38-39]等。簡單功能的集成難以滿足愈發高標準的護理需求，故相關研究向著更多功能的集成發展，如同時集成了呼吸頻率和pET（CO2）監測功能的口咽通氣道[40]，可檢測CO2、笑氣、氧氣以及幾種麻醉氣體體積分數的醫用呼吸氣體測量機[41]等。此外，檢測設備的智能化、物聯化也十分重要。實時綜合多設備、多種類監測數據并由計算機對患者狀況做出智能判斷既可及時應對患者的突發狀況，也可大大減輕醫護人員的負擔。目前可智能監測呼吸數據的呼吸機面罩[42]、織物傳感器[43]、可穿戴系統[44]等均有研究，該方向可以結合計算機技術、5G通信技術、物聯網技術等熱點技術，具有良好的應用前景。

3.3.3 監測設備小型化

監測設備的小型化同樣是重點研究領域。目前已有諸多小型pET（CO2）監測設備的研究和專利，如用于傷員轉運及現場急救中患者監測的便攜pET（CO2）監測儀[45]。圖6是一種可手持的旁流式呼氣末CO2檢測裝置[46]，類似的儀器中還可以集成用于無線數據傳輸的Wi-Fi和藍牙模塊[47]。圖7所示新型掌式呼氣末CO2監護儀可通過適配接頭與pET（CO2）監測模塊、血氧模塊相連[48]，大大方便了醫護人員使用。設備小型化也有利于患者使用，如某掌式pET（CO2）監護儀小巧、靜音，可適應患者睡眠時的監測需求[49]。減小體積、降低質量可通過使用輕質材料和輕量化結構設計實現，如利用碳纖維、鋁合金、亞克力等材料，采取鏤空設計等。但氣體體積分數測量所用的電路板、控制芯片、傳感器等元件體積仍較大，集成度不夠高等問題阻礙了本方向的發展。對此可參考手機等設備的元器件和結構設計進行更為緊湊的集成電路設計，從而為呼吸氣體監測儀器的小型化提供更多發展空間。

3.3.4 適配組件的發展

圖6 一種旁流式呼氣末CO2檢測裝置[46]

圖7 一種新型掌式呼氣末CO2監護儀[48]

圖8 一種用于呼氣末CO2監護儀的適配器[52]

除以上3個方面，在CO2檢測儀器的適配組件領域也有相關研究。如針對嬰兒呼出氣易受新鮮氣流影響而進行改良設計的呼氣末CO2氣管導管[50]、內置采樣管的氣管插管[51]等。不僅是管路，在檢測設備的內部組件上也有創新。如圖8所示的用于呼氣末CO2監護儀的適配器[52]，將傳統機內光學測量室移入適配器中，發生液態水和雜質堵塞時只需更換適配器，避免了對主機內部造成影響。適配組件的設計應當充分聽取醫護人員的意見，針對現有儀器使用過程中的問題和缺陷進行改進或創新，以簡化操作流程、優化使用體驗。同時還應注重與已有儀器的兼容性，這既有利于適配組件的推廣，又可避免不必要的資源浪費。

4 結語

pET（CO2）監測在臨床領域具有很高的應用價值。在合適的條件下，它能反映呼吸、代謝、循環機能，指導插管和機械通氣，輔助疾病診治或發現不良事件。利用pET（CO2）監測進行患者護理安全無創、成本低廉，在國內外都得到大大推廣和普及，具有十分廣闊的應用前景。

目前pET（CO2）監測設備最常用的原理是非分散紅外光譜吸收技術，這種技術相比傳統檢測法更加準確且易于實施。呼出氣采樣方法分為主流式和旁流式，旁流式雖目前應用更為廣泛，但由于主流式具有響應快、低延遲的優點，未來相關技術研究應會向著主流式發展。

當前pET（CO2）監測相關器械設備朝著高精度、微型化、高可靠的方向發展。校正誤差、提高檢測精度的方法多種多樣，但各研究之間往往相互獨立，缺少綜合利用各種方法實現檢測精度全方面提高的方案。儀器設備的多功能化、小型化以及適配組件設計也是熱門研究方向，這對推廣pET（CO2）監測技術在我國的發展應用具有十分積極的意義。

未來pET（CO2）監測技術與應用的發展既需要廣大醫護工作者結合實際經驗與臨床研究以開創更多pET（CO2）監測的應用領域，也需要相關器械設計人員針對現有儀器的問題進行改良與創新。在設計新型器械時應當綜合利用各種理論研究和方法提升精度，結合材料科學、電子科學、工業設計等專業知識，并與人工智能、物聯網等領域緊密結合，設計出高精度、智能化、人性化的pET（CO2）監測設備。隨著醫療需求逐年增加，相關電子、材料、通信技術的不斷進步，這一領域無論是市場還是技術都具備十分廣闊的發展前景，該領域的進步也將為我國醫療護理水平的提升做出重要貢獻。