熱稀釋法的心排量監測系統的研制

葉繼倫，蔣蕓，羅塞，王凡，張旭

1 深圳大學醫學院生物醫學工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

熱稀釋法的心排量監測系統的研制

【作 者】葉繼倫1,2，蔣蕓1，羅塞1，王凡1，張旭2

1 深圳大學醫學院生物醫學工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

心排量監測是血液動力學監測中最重要的監測項目之一，熱稀釋法是臨床上被公認為監測心排量的標準方法，到目前為止仍然具有無可替代的優勢。該文主要介紹采用熱稀釋法搭建的測定心排量的監測平臺，包括硬件平臺，軟件設計和計算處理的介紹。在實驗室用心排模擬器進行了大量的測試和在醫院進行了初步的臨床測試，證明本系統具有非常好的準確性和可重復性。

心排量；熱稀釋法；有創性監測；血液動力學監測

0 引言

心排量（Cardiac Output, CO）是指心臟在單位時間內將血液泵至周圍循環的總血量[1]。它是臨床上反應循環系統和心臟功能的基本指標，是獲取全套血液動力學指標不可或缺的參數。在臨床麻醉、高風險外科手術和ICU中，常用于對危重病人和血液動力學不穩定的患者進行監測來指導臨床治療[1-3]，同時亦可用于治療效果的評價。

監測心排量的方法主要分為有創性監測和無創性監測兩大類[2]，臨床上多采用有創性監測。有創性監測主要有以下幾種測量方法：Fick法、染料稀釋法、鋰稀釋法、熱稀釋法、連續熱稀釋法、PiCCO法等[1,3]。其中熱稀釋法公認為臨床實踐監測心排量的金標準[3]，常以此為參考來對其他測量方法的準確性進行比對評估[2]。本文主要介紹基于熱稀釋的心排量監測系統的設計、分析和測試。

1 監測原理和方法

熱稀釋法是一種以溫度作為指示劑進行心排量測定的方法[1]。大量的研究資料和臨床實踐證明，利用這種方法測定心排量相當可靠，準確性和抗干擾性較其他方法具有明顯的優勢，因而迅速成為了一種重要的測定心排量的方法[2]。

熱稀釋法測定心排量的原理是在上腔靜脈或右心房處通過穿刺的方法插入漂浮導管到心臟內部[1]，在漂浮導管一端快速地注入一定量一定溫度的冰水到心臟內部，由此可帶來心臟內部能量的變化，導致血溫下降，由于循環的作用，血溫會迅速恢復到正常情況下血液的溫度，而血溫恢復的速度與心排量成正比，通過漂浮導管末端的高靈敏度熱敏電阻可以精確的監測出血溫的改變，這個血溫的變化可以描繪出一條曲線，被稱為時間—熱稀釋曲線。在已知注射液溫度和容積的情況下，通過分析這條曲線就可以推算出CO。依據Swan和Ganz等介紹的計算方法[2]，若令，則：

式中： VI為注射液的容量；A為熱稀釋曲線下方的面積；k為校正系數；TB、TI分別為血液溫度和注射液溫度；SB、CB、CT為血液的比熱和注射液相關常數；CT為操作過程中對溫度散失進行校正的系數[2]。

2 心排量監測系統設計

2.1 系統構架

心排量監測系統主要包括：監測模塊、通信模塊、顯示交互平臺、傳感器及其連接部分四大部分，系統架構如圖1所示。采用MFC開發的一個上位機PC軟件作為信息顯示和參數設置平臺。

圖1 系統構架圖Fig.1 System architecture diagram

2.2 硬件系統設計

心排量監測模塊的硬件系統組成部分主要包括單片機控制電路、采樣控制電路、信號放大電路、低通濾波電路、A/D轉換電路、串口通信模塊、系統電源及給ADC提供精準參考電壓的電源，硬件系統如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖Fig.2 Frame diagram of hardware system

系統采用以Cortex-M3為內核的STM32作為主處理器。為提高電路的抗干擾能力，系統采用低噪聲、低漂移和低零失調的高性能放大器對Ti、Tb的信號的放大，經過低通濾波器后進入A/D轉換器來對信號進行采集。由熱稀釋法的測量原理可以知道，要提高測量系統測量準確性，采集的數據必須能夠精確靈敏的反應出血溫變化和注射液溫度，因此系統采用一片高精度、中速的A/D轉換器來采集Ti、Tb的信號，確保對Tb高精度獲取。

2.3 算法處理和軟件設計

在測定心排量時，根據前文介紹的熱稀釋法的測定原理和計算公式(1)可知：S1、C1、CT、SB、CB這些參數根據注射液和血液的物理特性確定，屬于不變參數，令，則公式(1)可以簡化成如下形式：

式中：K為恒定常數，在實際計算時，K值依據不同廠家的漂浮導管的型號，以及注射液體積等參數進行設置；VI為注射液的容積，一般為(5～10) mL不等[2]；TB為測定開始時候的血液溫度；TI為注射液的溫度，一般為0oC或22oC左右，VI、TB、TI這三個參數的數值系統可以準確獲取。因此，參數A計算的準確與否直接影響到最終心排量測定結果。

在測定心排量時，通過漂浮導管可以獲取Ti、Tb的變化情況，根據Ti、Tb的變化情況可以繪制如圖4所示的一個時間—溫度稀釋曲線，如圖3所示，參數A的值即為這條曲線下方的面積，即。代入這些數值便可推算出心排量。

圖3 標準熱稀釋曲線描記圖（CO=2.5 L/min）Fig.3 Standard thermodilution curve（CO=2.5 L/min）

對于系統的底層軟件，主要流程為系統首先初始化，當接收到上位機發送的開始測量命令后，根據設置情況初始化相關參數變量；獲取測量開始時的TB、TI的值后，按特定頻率采集Ti、Tb信號然后進行處理，實時上傳波形數據，當完成一次測量后，計算測量結果，反饋測量狀態，上傳測量結果。軟件執行的基本流程如圖4所示。

在Ti、Tb數據處理環節的詳細處理流程如圖5所示，由于Ti、Tb的變化都是頻率非常低的信號，因此將采集到的數據進行了二階巴特沃思低通濾波，很好的濾掉了噪聲和高頻干擾，濾波后的數據就可以計算實際的溫度值，根據溫度值的變化可以繪制出時間-溫度稀釋曲線，并把曲線對應的數據存進數據緩沖區，待完成一次測量后便可進行計算。若Tb表示時間溫度曲線，Tb(i)表示緩沖區第i個數據，數據緩沖區共有N個數據，采樣間隔為Δt，則可得式(3)。通過存儲的曲線緩沖區的數據進行積分計算出A并可求出心排量。

圖4 數據采集基本流程圖Fig.4 Flowchart of data collection

圖5 Ti、Tb數據處理流程圖Fig.5 Flowchart of Ti, Tb data processing

3 心排量監測系統的測試和結果分析

在對本系統做了大量的改進后，為了檢測本系統的測定心排量的準確性和可重復性，進行了實驗室和臨床兩方面的測試，下面是測試的具體情況。

3.1 實驗室測試

(1) Ti 測試

Ti檢測是用于測定CO時測量注射液的溫度。傳感器反應出的不同電阻對應于不同的注射液溫度，檢測電阻值的變化就可以檢測出對應的注射液溫度。本設計中傳感器對應的電阻變化范圍為：60.41 kΩ～89.8 kΩ，對應于0～27oC溫度范圍。基于此原理進行Ti的準確性測試和重復性測試，精度測試的情況如表1所示。

表1 Ti 準確性測試Tab.1 Ti accuracy test

(2) Tb 測試

Tb檢測是用于測定CO時測量血液溫度的變化。在實驗室測試Tb時，在溫水水槽中，采用高精度的體溫探頭與不同型號的漂浮導管進行同步測量，選取6個點進行測量，表2是對不同型號的漂浮導管測試Tb的情況。

表2 Tb 準確性測試Tab.2 Tb accuracy test

(3) 心排量測試

在實驗室測試中，采用FLUKE的MPS450多參數模擬器對心排量監測系統做了準確性和重復性的測試，MPS450模擬器可模擬輸出心排量的電信號分別為2.5 L/min、5.0 L/min、10.0 L/min，圖6所示是對本監測系統的一個基本測試情況的記錄的曲線圖，一共3組，每組測試10次。

圖6 模擬器測試Fig.6 Simulator test

一般情況下，在臨床中測定血液動力學的參數時，測定的結果允許出現20%以內的測量誤差[2]。根據測試的情況，用模擬器測試的結果中，誤差最大為0.6%，平均誤差為0.2%，測試結果具有非常好的準確性和可重復性，當然，基于模擬器的評估重點就是觀察測量系統的重復性，這里的準確性僅供參考。

3.2 初步臨床測試

(1) 評估方案說明

心排量測量系統完成并通過了實驗室的準確性和可重復性測試后，必須通過臨床評估來進行比對研究進一步的檢驗系統的實用性。由于監測心排量的特殊性，在測定心排量時，和對比設備需要用到同一根漂浮導管，每一次測量，只能一個設備與之連接，因此醫院的對比設備（國外某知名品牌的在線產品）和本監測系統并不是測定的同一時刻的數據，是有先有后的，兩個設備測量的時間差大約在一個測量周期加間隔時間，所以測定的結果會有一定的偏差。

(2) 臨床評估說明

考慮到臨床測試的創傷性大的問題，目前只做了初步的臨床測試，還沒有大量地做臨床驗證。表4為一位65歲的男性患者的監測數據，根據從醫護人員了解到，該位患者身體情況比較穩定。6組數據分為兩次測試，每次3組數據，兩次測試時間間隔約為1.5 h左右。測量時注射的冰水是溫度為23oC的生理鹽水。

表4 臨床測試數據Tab.4 The clinical test data

根據表4可知，本監測系統對該患者測定的CO數據較為穩定，和了解到的患者的身體情況基本相符合；從測量的數據可以看到本監測系統測定的數值會比醫院的對比設備測定的數據略低一些，但是更為穩定。

4 小結與展望

本文主要介紹了采用熱稀釋法搭建的測量平臺硬件設計、軟件設計、計算處理、實驗室的模擬器測試、初步的臨床測試等。根據測試的結果可以初步證明該監測系統具有良好的準確性和可重復性，說明整個系統方案的設計具有相當的應用價值。為了進一步驗證本系統的可靠性和準確性，還需要進一步的臨床測試。

隨著我國醫療監測儀器及其臨床應用技術的發展和社會對醫療設備要求的提高，熱稀釋法也不可避免的露出了某些不足，如不能連續性監測，不能動態的掌握患者的血液動力學指標，不利于醫護人員對患者診治的狀態連續觀察，而國外這方面的技術已經相當成熟。因此，為了提高我國血液動力學連續性監測的醫療水平，發展連續性監測系統具有十分重要的意義，這也正是我們后期的目標，本監測系統的研究和實現，為后期的連續性監測系統的設計奠定了理論和實踐基礎。

[1] 余守章, 岳云, 于布為, 等. 臨床監測學[M]. 北京: 人民衛生出版社, 2005.

[2] 游衛華, 陳哲林, 李宗文, 等. 臨床血液動力監測學[M]. 廣東: 廣大人民出版社, 2004.

[3] Lavdaniti M. Invasive and non-invasive methods for cardiac output measurement[J]. Int J Car Sci, 2008, 1(3): 112-117.

[4] 于金貴, 舒雅. 各種心輸出量測定方法評價[C]. 第七次華東六省一市麻醉學學術會議暨浙江省麻醉學術年會論文匯編, 2008.

Development of Cardiac Output Monitoring System Based on Thermodilution Method

【Writers】Ye Jilun1,2, Jiang Yun1, Luo Sai1, Wang Fan1, Zhang Xu2
1 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical Signal Detection and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

CO, thermodilution method, invasive monitoring, hemody namic status monitoring

R197.39；R654.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.007

1671-7104(2014)05-0337-04

2014-05-12

深圳市科創委項目(SW201110039，SDSY20120612094855904)；廣東省科技廳項目（2012A032200025)

葉繼倫，教授，E-mail: yejilun@126.com

張旭，副教授，Email: zhangxu729@hotmail.com

【 Abstract 】Cardiac output (CO) monitoring is a crucial part of the hemodynamic status monitoring. So far, thermodilution method, which is clinically recognized as the gold standard method to monitor cardiac output, still has irreplaceable advantages. This paper mainly introduces the use of platform for cardiac output measurement based on thermodilution method, mainly including three parts: the hardware platform, software design and algorithm process. A large amount of test data of this system has been got by CO simulator testing in the laboratory and preliminary clinical tests in the hospital. The testing result showed that using the proposed system can achieve good accuracy and repeatability.