適于檢傷機器人的失血性休克檢測技術指標篩選研究

馬結實，段傲文，顏樂先，張和華

（陸軍軍醫大學大坪醫院醫學工程科，重慶400042）

0 引言

我國是全球自然災害發生較為頻繁的國家之一。汶川地震、玉樹地震等大型自然災害給我國造成了大量的人員傷亡和巨大的經濟損失。自然災害往往涉及的地域廣，可在短期內造成大量的人員傷亡，其中創傷導致的失血性休克的發生率高達90%[1]。失血性休克是指各種原因引起的循環容量丟失而導致的有效循環血量與心排出量減少、組織灌注不足、細胞代謝紊亂和功能受損的病理、生理過程，早期死亡率高達40%～50%[2]。失血性休克患者死亡的原因往往是組織低灌注等因素導致的多器官功能障礙綜合征，是可有效救治的創傷早期最主要的死因之一。目前，現場的檢傷分類流程是按照氣道（Airway）、呼吸（Breath）、循環（Circulation），即A、B、C的順序處理急救需求，將失血性休克的評估放在最后一個環節C，在某種程度上延誤了失血性休克的診治。并且由于院內失血性休克程度評估技術不適用于災難現場，而目前災難現場主要依賴專業人員的主觀判斷，無法實現對失血性休克程度的客觀量化和快速評估。

隨著傳感器技術的發展，傳感器的功耗降低，其逐步實現了微、小型化，使院內失血性休克檢測技術具備了向院前應用的可能。但是單個檢測指標在準確性和可靠性上難以保證，而且創傷傷員身體殘缺可能會導致部分指標無法獲取，所以對失血性休克程度進行多個指標聯合檢測和信息融合是實現失血性休克程度準確判斷的有效途徑。以人工智能和機器人技術為基礎發展起來的檢傷機器人為這一關鍵技術的實現提供了平臺。檢傷機器人可以搭載多個失血性休克程度檢測傳感器，并利用人工智能技術對多個傳感器獲得的多模態信息進行融合，綜合性地判斷失血性休克程度。雖然在院內用于失血性休克程度評估的檢測技術有20多種，但由于機器人承重、電池續航能力和信息處理能力等方面的限制，不可能將所有的檢測技術都搭載于檢傷機器人，有必要對目前院內和研究中的失血性休克檢測技術指標進行篩選。由于檢傷機器人現場評估失血性休克是一個較新的研究領域，目前只檢索到趙宇卓[3]報道的通過粗糙集算法對傷員生命體征、血常規、凝血功能、血生化、尿常規等指標數據集進行解析，進而用元胞遺傳算法進行獨立重復實驗，根據指標被保留次數的多少判斷其評估失血性休克程度能力的高低，而血生化、凝血常規等部分指標的獲取時間較長，檢傷機器人在災難現場難以獲得。目前在災難現場能使檢傷機器人“又準又快”評估失血性休克程度的研究非常少，故本研究首先從院前適用性出發篩選出符合要求的檢測指標，然后根據文獻報道從準確性和時效性方面對適于院前使用的指標進行綜合評估，以得到滿足“又準又快”需求的指標序列供檢傷機器人選用。

1 方法

失血性休克程度評估指標來源于《創傷失血性休克診治中國急診專家共識》[4]（以下簡稱《急診專家共識》）、《低血容量休克復蘇指南》[5]和《無創技術檢測失血性休克嚴重程度的現狀與進展》[6]，包括院內評估指標和研究中的院前評估指標。失血性休克程度院內評估指標包括休克指數、無創血壓、心率、呼吸頻率、意識狀態、脈率、體溫、皮溫、尿量、血氧飽和度、心臟功能、動脈血壓、動脈血乳酸濃度、堿缺失、紅細胞計數、紅細胞壓積、血小板計數、凝血功能、電解質、肝功能、腎功能21項指標。研究中的失血性休克程度院前評估指標包括外周組織灌注（激光多普勒血流測量）、腦血流灌注（磁感應相移譜測量）、肌氧飽和度、脈壓、脈壓差、R波振幅、舌下黏膜二氧化碳分壓、口腔黏膜二氧化碳分壓8項指標。

現場適用性、準確性和時效性是構建檢傷機器人失血性休克程度評估指標體系需要考慮的3個最基礎的評估角度。

（1）現場適用性評估。上述29項指標中個別在不同災難場景下存在不同的測量形式，譬如地震廢墟中傷員的呼吸頻率采用生命雷達非接觸式測量（以下稱“呼吸頻率（雷達）”），而頭部暴露的傷員可以采用紅外傳感器測量口鼻處的呼吸（以下稱“呼吸頻率（紅外）”）。采用排除法從這些指標中選出適于檢傷機器人現場測量的指標，排除的標準是有創的指標、所需設備龐大的指標、檢傷機器人無法完成測量或者測量較費時的指標。

（2）準確性評估。對上述滿足現場適用性的指標進行準確性評估。方法是通過文獻報道考察指標與失血性休克程度的對應關系。當指標能區分出4種失血性休克程度（輕度、中度、重度和極重度）時，準確性評分（A）計10分；當指標能區分出3種失血性休克程度，則A計7.5分；當指標只能區分出2種失血性休克程度或者尚處于探索中，A計5分。若指標的檢測有明顯干擾因素，則A減1分。將各指標按照準確性評分降序排列。

（3）時效性評估。在進行準確性評估的同時，對滿足現場適用性的指標進行時效性評估。為了控制檢傷機器人評估失血性休克程度的總體時間，本研究將檢傷機器人檢測失血性休克程度的時間限定為10 s。失血性休克檢測指標時效性主要需要考慮傳感器獲得所需指標的檢測時間。傳感器的檢測時間越短，則時效性越高；反之時效性越低。因此，可將指標的時效性評分（T）定義為10與檢測時間（單位：s）的差值。將各指標按照時效性評分降序排列。

（4）綜合性評分。綜合性評分S=A+T，滿分為20分，分值越大，說明指標的準確性和時效性的綜合性能越高，反之綜合性能越低。將各指標按照綜合性評分降序排列。

2 結果

2.1 指標的現場適用性篩選結果

經過篩選，確定了呼吸頻率（雷達）、呼吸頻率（紅外）、意識狀態、脈率等16項指標符合災難現場檢傷使用。指標名稱、使用的傳感器類型和測量方式詳見表1。

表1 適用于災難現場的失血性休克程度檢測指標

2.2 準確性評估結果

（1）呼吸頻率。

4種失血性休克程度對應于4種不同的呼吸頻率范圍[4]：輕度失血性休克對應的呼吸頻率范圍為14～20次/min；中度失血性休克對應的呼吸頻率范圍為20～30次/min；重度失血性休克對應的呼吸頻率范圍為30～40次/min；極重度失血性休克對應的呼吸頻率大于40次/min。頭部暴露于地面上的傷員呼吸頻率可以通過紅外傳感器測量呼吸導致的口鼻處溫度的周期變化而得到，檢測誤差低于1次/min[7]；而被掩埋的傷員呼吸頻率借助于生命雷達測量得到，檢測誤差也低于1次/min[8-9]。根據本文的評分方法，基于紅外傳感器和基于生命雷達的呼吸頻率檢測能區分出4種不同的休克程度，它們在評估失血性休克程度準確性上的評分均為10分。

（2）皮溫。

皮溫只能大概區分出3種休克程度[10]：在輕度失血性休克時，皮溫無異常；在中度失血性休克時，肢體末端厥冷；在重度失血性休克時，肢體末端厥冷，范圍向近端擴大。由于極重度失血性休克時的皮溫與重度失血性休克的皮溫無法區分，所以皮溫在評估失血性休克程度準確性上評分為7.5分。

（3）意識狀態。

利用機器人的語音和抓握手柄對傷員的意識狀態進行檢測。文獻報道[4-5，11]，輕度失血性休克對聲音有反應；中度失血性休克對疼痛有反應；重度和極重度失血性休克對疼痛均無反應。綜上，意識狀態可以區分3種休克程度，其在評估失血性休克程度準確性上評分為7.5分。

（4）脈率。

據文獻報道[4]，輕度失血性休克對應的脈率低于100次/min；中度失血性休克對應的脈率范圍為100～120次/min；重度失血性休克對應的脈率大于120次/min；極重度與重度失血性休克在脈率上無法區分。綜上，脈率能區分3種休克程度，其在評估失血性休克程度準確性上評分為7.5分。

（5）無創血壓。

據文獻報道[4，10]，輕度失血性休克對應的收縮壓范圍為80～90 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）；中度失血性休克對應的收縮壓范圍為60～80 mmHg；重度失血性休克對應的收縮壓低于60 mmHg或測不到；極重度失血性休克的收縮壓測不到。綜上，無創血壓只能區分輕度、中度和重度3種休克程度，其在評估失血性休克程度準確性上評分為7.5分。

（6）休克指數。

休克指數是脈率與收縮壓的比值。據文獻報道[4]，輕度失血性休克對應的休克指數范圍為1.0～1.5；中度失血性休克對應的休克指數范圍為1.5～2.0；重度失血性休克對應的休克指數大于2.0；極重度與重度失血性休克無法區分。綜上，休克指數能區分3種休克程度，其在評估失血性休克程度準確性上評分為7.5分。

（7）脈壓。

脈壓由動脈壓力波計算得到，用于估計中心血容量的相對變化。脈壓PP與實驗中的下身負壓LBNP具有下述關系[12-13]：

下身負壓LBNP與失血百分比BL具有下述關系[14-15]：

由公式（1）和（2）可以得出脈壓PP與失血百分比BL滿足下述關系：

結合4種休克程度對應的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應的脈壓大于48.662 mmHg；中度失血性休克對應的脈壓范圍為39.027～48.662 mmHg；重度失血性休克對應的脈壓范圍為32.603～39.027 mmHg；極重度失血性休克對應的脈壓低于32.603 mmHg。綜上，脈壓能區分4種休克程度，其在評估失血性休克程度準確性上評分為10分。

（8）脈壓差。

脈壓差dPP與失血百分比BL具有良好的線性關系[16]：

結合4種休克程度對應的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應的脈壓差低于28.85%；中度失血性休克對應的脈壓差范圍為28.85%～43.7%；重度失血性休克對應的脈壓差范圍為43.7%～53.6%；極重度失血性休克對應的脈壓差大于53.6%。綜上，脈壓差能區分4種休克程度，在評估失血性休克程度準確性上評分為10分。

（9）體溫。

《急診專家共識》的一般監測中提到對患者體溫的監測[4]，說明體溫是急診專家關注的指標，但未見文獻報道體溫與休克程度的對應關系，此關系有待進一步研究。對于能區分出2種休克程度的指標，本研究對這些指標評估休克程度的準確性的評分定為5分，而統一降低1分給待研究的指標評估休克程度的準確性賦分，因此將體溫評估失血性休克程度準確性的評分定為4分。

（10）血氧飽和度。

有研究報道[11]，輕度失血性休克對應的血氧飽和度范圍為91%～95%；中度失血性休克對應的血氧飽和度范圍為86%～90%；重度失血性休克對應的血氧飽和度小于86%；極重度與重度失血性休克在血氧飽和度上無法區分。綜上，血氧飽和度能區分3種休克程度，在評估失血性休克程度準確性上評分為7.5分。

（11）外周組織灌注。

組織低灌注是失血性休克的本質，《急診專家共識》的一般監測中推薦監測患者的外血流灌注[4]，但尚沒有研究披露外周組織灌注與失血性休克程度的關系，此關系有待進一步研究。參照研究中的指標在評估失血性休克準確性上賦分4分的規則，因此將外周組織灌注在評估失血性休克程度準確性上評分定為4分。

（12）肌氧飽和度。

在失血性休克中，肌氧飽和度SmO2與失血百分比BL具有下述關系[17]：

結合4種休克程度對應的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應的肌氧飽和度大于76.81%；中度失血性休克對應的肌氧飽和度范圍為61.42%～76.81%；重度失血性休克對應的肌氧飽和度范圍為51.16%～61.42%；極重度失血性休克對應的肌氧飽和度小于51.16%。綜上，肌氧飽和度能區分4種休克程度，在評估失血性休克程度準確性上評分為10分。

（13）腦血流灌注。

休克的本質是組織低灌注[4，10]，有報道對利用磁感應相移譜評估失血性休克導致的腦血流低灌注進行了研究[18]，但腦血流低灌注與失血性休克程度的關系需進一步研究。參照研究中的指標在評估失血性休克程度準確性上賦分4分的規則，需進一步探索其評估失血性休克程度的可能性，因此腦血流灌注在評估失血性休克程度準確性上評分為4分。

（14）心率。

由《急診專家共識》可知，失血性休克的4種程度對應于4個不同的心率范圍[4]：輕度失血性休克對應的心率低于100次/min；中度失血性休克對應的心率范圍為100～120次/min；重度失血性休克對應的心率范圍為120～140次/min；極重度失血性休克對應的心率大于140次/min。綜上，失血性休克的4種程度對應4個不同的心率范圍，但受疼痛、體位、噪聲等因素影響[6]，心率在評估失血性休克程度準確性上評分由10分降為9分。

（15）R波振幅。

R波振幅RA與下身負壓LBNP滿足下列關系[19]：

結合公式（2），可得到R波振幅RA與失血百分比BL的關系：

結合4種休克程度對應的失血百分比的范圍[4-5]，可得出：輕度失血性休克對應的R波振幅小于0.998；中度失血性休克對應的R波振幅范圍為0.998～1.047；重度失血性休克對應的R波振幅范圍為1.047～1.080；極重度失血性休克對應的R波振幅大于1.080。綜上，失血性休克的4種程度對應4種不同的R波振幅范圍，但受疼痛、體位、噪聲等因素影響，R波振幅在評估失血性休克程度準確性上評分由10分降為9分。

上述16個指標按照評估失血性休克程度準確性評分降序排列結果如圖1所示。準確性評分排名前5的指標為呼吸頻率（紅外）、呼吸頻率（雷達）、脈壓、脈壓差和肌氧飽和度。

圖1 各指標按照評估失血性休克程度準確性評分降序排列圖

2.3 時效性評估結果

16個指標評估失血性休克程度的時效性評分見表2。

表2 16個指標評估失血性休克程度的時效性評分

各指標按照評估休克程度時效性評分的降序排列，如圖2所示。時效性評分排名前5的指標是腦血流灌注、皮溫、呼吸頻率（紅外）、外周組織灌注和無創血壓。

圖2 各指標按照評估失血性休克程度時效性評分降序排列圖

2.4 綜合性評估結果

各指標按照評估休克程度綜合性評分的降序排列，如圖3所示。綜合性排名前5的指標是呼吸頻率（紅外）、肌氧飽和度、脈壓、脈壓差和皮溫。

圖3 各指標按照評估失血性休克程度綜合性評分降序排列圖

3 討論

本研究從檢傷機器人失血性休克檢測指標體系“又準又快”的構建需求出發，將《急診專家共識》《低血容量休克復蘇指南》等作為休克檢測指標的來源，通過現場適用性評估對檢傷機器人能現場測量的指標進行了篩選，選出了16項指標，然后借助于相關文獻對這些指標評估失血性休克程度的準確性、時效性和兼顧兩方面的綜合性進行評分。最終研究結果確定綜合性排名前5的指標為呼吸頻率（紅外）、肌氧飽和度、脈壓、脈壓差和皮溫，這5個指標可以作為檢傷機器人現場評估傷員失血性休克程度的指標。

趙宇卓[3]對失血性休克程度評估指標的篩選進行了研究，該文獻基于智能篩選算法對創傷失血性休克關鍵指標進行了提取。本研究與文獻[3]的研究有以下異同：（1）在指標的來源上，文獻[3]的研究既包括院前可獲得的生命體征，又包括院內實驗室獲得的指標，而本研究的初步指標集也涵蓋了這些指標，但本研究從檢傷機器人的現場檢測需求出發，將有創的、機器人院前無法測量的指標進行了排除，最終保留了16項檢測指標。（2）在指標評估休克程度準確性上，文獻[3]的研究將評估休克程度的準確性作為核心評估指標，但未對指標的準確性采用量化評分，而是通過各指標在獨立重復實驗中被保留的次數來衡量其評估休克程度的準確性，而本研究根據指標識別4種休克程度的能力設計了準確性評分，評價將更精準。（3）在指標評估休克程度時效性上，由于文獻[3]的研究并非為創傷的現場檢傷而設計，所以并未研究各指標在檢傷機器人上應用的時效性，而本研究從傳感器測量方式、傳感器檢測時間等因素出發，設計了時效性評分，并對各指標的現場時效性進行了量化評估。（4）在指標篩選結果上，文獻[3]的研究表明10次獨立重復實驗中呼吸頻率是識別休克程度準確性最高的指標，而本研究在準確性評分和綜合性評分中也得出了相同的結論。

本研究也存在一些不足，如在準確性評分中識別出4種休克等級則給予指標10分，每少識別出一級則減少2.5分，這樣的評分方法略顯粗糙。在下一步的研究中，應該進一步搜集文獻和實驗證據，將各指標與休克程度（譬如失血百分比）的相關系數作為相應指標評估休克程度準確性評分的一個重要參考，將會使得評分更加準確和細致。在指標時效性評估中，本研究力求追蹤獲取相應休克檢測指標所需的最新傳感器及其檢測時間，但由于不可能做到全部參數最新，在搭建檢傷機器人平臺選擇傳感器時可進一步調研。

本研究主要從評估失血性休克程度的準確性、時效性和兼顧兩者的綜合性3個維度對《急救專家共識》和《低血容量休克復蘇指南》中的指標進行量化評估和篩選，其中準確性評估立足于區分失血性休克程度的能力，時效性評估立足于檢傷機器人的可操作性和檢測耗時，這些性能指標的聯合應用更有利于篩選出實用、量化和準確的失血性休克程度評估指標，為檢傷機器人失血性休克程度的檢測指標的篩選提供了實用的方法和結果。在未來檢傷機器人的研發中，研究者可以根據自身采用的機器人平臺的荷載能力選擇本研究推薦的指標，從而實現檢傷機器人在失血性休克程度評估方面“又準又快”的目標。