重癥監(jiān)護(hù)中人工氣道氣囊壓力智能管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

【作 者】金錦江，鄒瞿超，劉紅, ，曾妃，褚永華，陳星

1 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院，杭州市，310009

2 浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實驗室，杭州市，310009

0 引言

醫(yī)院在搶救急危重癥患者時，往往需要氣管插管或氣管切開來建立人工氣道，通過呼吸機(jī)進(jìn)行機(jī)械通氣，糾正患者缺氧狀態(tài)，改善患者通氣功能[1]。氣管導(dǎo)管的前端外壁設(shè)有套囊，套囊充氣后可以封閉氣道，固定導(dǎo)管，保證密閉性。理想的氣囊壓力即為保持有效封閉氣囊與氣管間隙的最小壓力，不僅能阻斷氣囊與氣管壁間的漏氣，保證潮氣量的供給，還可以防止氣囊對氣管黏膜的壓迫性損傷。參照《機(jī)械通氣臨床應(yīng)用指南(2006) 》推薦高容低壓套囊壓的標(biāo)準(zhǔn)壓力范圍為25～30 cmH2O（1 cmH2O=98.1 Pa）[2]，當(dāng)氣囊壓力小于25 cmH2O時，咽喉及口腔分泌物容易進(jìn)入氣道，導(dǎo)致患者誤吸，造成吸入性肺炎，增加呼吸機(jī)肺炎的發(fā)生率[3]，還會在機(jī)械通氣時造成漏氣，導(dǎo)致通氣不足。當(dāng)氣囊壓力大于30 cmH2O時，則容易造成氣管黏膜缺血性損傷，甚至出現(xiàn)氣管壁穿孔等嚴(yán)重的并發(fā)癥[4]。

目前國內(nèi)臨床最常用的測壓方法為手指捏感法和專用氣囊壓力表測壓法[5]，研究[6]顯示，手指捏感法準(zhǔn)確率較低，感覺的壓力比實際測量值大；專用壓力表測壓法操作簡單、精確度高，是監(jiān)測氣囊壓力的理想選擇，但需要每4 h監(jiān)測1次，護(hù)士依從性不高，且無法實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和精確測量[7]。針對現(xiàn)有方法的不足，我們設(shè)計一種應(yīng)用于重癥監(jiān)護(hù)中的人工氣道氣囊壓力智能管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測和自動控制患者的氣囊壓力，為醫(yī)護(hù)人員管理氣囊壓力提供一種更有效的技術(shù)手段[8]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)的壓力傳感器與患者氣囊相連，通過按鍵調(diào)節(jié)氣囊壓力閾值范圍，在液晶屏上24 h連續(xù)監(jiān)測，精確顯示壓力數(shù)值。當(dāng)壓力超過閾值時，系統(tǒng)會聲光報警且分別控制氣泵充氣和電磁閥放氣以保證氣囊壓力穩(wěn)定在范圍內(nèi)，并通過串口將壓力值實時傳至計算機(jī)，在上位機(jī)上顯示壓力值及壓力動態(tài)曲線。當(dāng)壓力持續(xù)超過閾值時，上位機(jī)軟件會自動評估患者情況，提醒醫(yī)護(hù)人員對患者進(jìn)行干預(yù)，實現(xiàn)氣囊壓力智能化管理[9]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)選用智能的壓力傳感器MPX5050GP和高精度的AD7992芯片構(gòu)造壓力監(jiān)測模塊[10]，以STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心驅(qū)動氣泵和電磁閥的壓力控制模塊，利用ULN2003達(dá)林頓管和反相器74LS04設(shè)計氣泵驅(qū)動電路[11]，利用9013三極管設(shè)計電磁閥驅(qū)動電路，構(gòu)建外圍功能模塊，并設(shè)計氣路部分，完成儀器結(jié)構(gòu)的搭建[12]。硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖和實物圖分別如圖2（a）和2（b）所示。

圖2 硬件設(shè)計圖Fig.2 Hardware design diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分主要實現(xiàn)壓力的顯示、存儲和臨床預(yù)警，必要時提醒醫(yī)護(hù)人員對患者進(jìn)行干預(yù)，實現(xiàn)人工氣道氣囊壓力的智能化管理。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機(jī)軟件通過C語言進(jìn)行開發(fā)，編寫主程序、按鍵子程序、壓力比較子程序等實現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)功能，圖3為下位機(jī)軟件流程圖。

圖3 下位機(jī)軟件流程圖Fig.3 Coil schematic diagram and slot schematic diagram

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用VB6.0開發(fā)，利用MScomm控件實現(xiàn)儀器端與電腦端的串口通信，利用PictureBox控件實現(xiàn)實時壓力曲線的顯示，利用Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，利用DataGrid控件訪問Access數(shù)據(jù)庫，完成歷史數(shù)據(jù)的回顧，并設(shè)計直觀友好的用戶界面，醫(yī)護(hù)人員可以在電腦端實時監(jiān)測患者的氣囊壓力[13]。圖4為上位機(jī)軟件流程圖。

圖4 上位機(jī)軟件流程圖Fig.4 Upper computer software flow chart

上位機(jī)軟件主要實現(xiàn)壓力閾值設(shè)置、實時壓力顯示、壓力超限報警、壓力數(shù)據(jù)的存儲和回顧、臨床預(yù)警，軟件界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件界面Fig.5 Upper computer software interface

4 系統(tǒng)測試及臨床試驗

4.1 系統(tǒng)測試

將VBM氣囊壓力表和20 mL針筒接入系統(tǒng)氣路，以壓力表顯示的壓力值作為傳感器輸入，用萬用表測量傳感器輸出端的電壓值，進(jìn)行傳感器定標(biāo)，得到傳感器傳輸特性為Vout=0.09P+0.214，系統(tǒng)整體測量精度為0.1cmH2O。

針對監(jiān)測過程中患者可能出現(xiàn)的情況，模擬不同應(yīng)用場景，對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。圖6（a）為患者導(dǎo)管與系統(tǒng)氣路接口處發(fā)生緩慢漏氣，壓力偏低后系統(tǒng)壓力變化曲線圖，圖6（b）為患者導(dǎo)管與系統(tǒng)氣路接口處突然脫開，壓力低于5 cmH2O時，即壓力過低后系統(tǒng)壓力變化曲線圖，圖6（c）為患者輕微咳嗽時，壓力偏高后系統(tǒng)壓力變化曲線圖，圖6（d）為患者劇烈咳嗽時，壓力高于90 cmH2O時，即壓力過高后系統(tǒng)壓力變化曲線圖。

圖6 系統(tǒng)性能測試Fig.6 System performance test

4.2 臨床試驗

選取2019年6月—8月我院綜合ICU行氣管插管或氣管切開的患者60例，隨機(jī)分為試驗組和對照組[14]。試驗組使用本系統(tǒng)，對照組使用氣囊壓力表測量[15]。試驗組護(hù)士在使用前需要先啟動系統(tǒng)，再連接管路到患者氣囊接口，需要花費較長時間，但由于系統(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)氣囊壓力的功能，只需操作1次即可完成連續(xù)監(jiān)測。對照組護(hù)士利用壓力表手動充放氣至所需壓力，花費一定時間，且需每隔4 h監(jiān)測1次，1 d按6次算，可算出護(hù)士1 d操作花費時間，分別記錄兩組每次操作時間[16]。

在監(jiān)測過程中，兩組患者均保持平靜，隨著時間推移，試驗組上位機(jī)實時記錄下壓力值，對照組每4 h記錄1次壓力值，兩組分別記錄100次壓力值，觀察每個時刻壓力變化情況。由于臨床需要，護(hù)士還會對患者進(jìn)行一些護(hù)理操作，包括吸痰、插胃管、翻身等，試驗組上位機(jī)實時記錄下壓力值，對照組記錄每次護(hù)理操作時，氣囊壓力瞬間最高值，兩組各記錄100次壓力值。最后觀察兩組患者氣管黏膜損傷情況，有無導(dǎo)管移位、氣囊破裂、誤吸等，觀察時間均為3 d，記錄兩組患者的并發(fā)癥發(fā)生情況及相應(yīng)例數(shù)[17]。具體試驗結(jié)果見表1。

表1 兩組病人在操作時間、壓力變化及并發(fā)癥例數(shù)方面的比較Tab.1 Comparison of operating time,pressure changes and number of complications between the two groups

由表1可見，試驗組的操作時間明顯少于對照組，兩組數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。隨著時間的推移，對照組壓力值緩緩下降，試驗組壓力均恒定在25～30 cmH2O范圍內(nèi)，兩組比較，差異有明顯統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.000 1）。對照組的護(hù)理操作對患者氣囊壓力的影響較大，使壓力在短時間內(nèi)快速上升到較高值，而試驗組壓力始終維持在25～30 cmH2O之間，兩組比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。試驗組未出現(xiàn)反流病人，出現(xiàn)1例誤吸病人，對照組出現(xiàn)15例反流病人，7例誤吸病人，兩組數(shù)據(jù)差異有明顯統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.000 1）。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計并實現(xiàn)了重癥監(jiān)護(hù)中人工氣道氣囊壓力智能管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，構(gòu)造壓力監(jiān)測模塊和壓力控制模塊，實現(xiàn)了氣囊壓力的實時采集、自動存儲、智能控制、臨床預(yù)警，大大減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作量，有效地減少了患者發(fā)生誤吸和返流的次數(shù)，降低呼吸機(jī)肺炎的發(fā)生率[18]。本系統(tǒng)操作簡單，體積小巧，便于床邊實時監(jiān)測。在后續(xù)的研究工作中，還將進(jìn)一步選用精度更高的傳感器和AD芯片，提高測量精度，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建中央氣囊壓力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)氣囊壓力的智能化管理，同時還可以探究與呼吸機(jī)的連接，將本系統(tǒng)設(shè)計成氣囊壓力監(jiān)測模塊，集成到呼吸機(jī)，使得能夠在呼吸機(jī)上實時顯示氣囊壓力，實現(xiàn)氣囊壓力監(jiān)測技術(shù)的多元化應(yīng)用。