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(jì)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(guó)家專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310009

0 引言

醫(yī)院在搶救急危重癥患者時(shí)，往往需要?dú)夤懿骞芑驓夤芮虚_(kāi)來(lái)建立人工氣道，通過(guò)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(duì)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(shí)，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(huì)在機(jī)械通氣時(shí)造成漏氣，導(dǎo)致通氣不足。當(dāng)氣囊壓力大于30 cmH2O時(shí)，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(guó)內(nèi)臨床最常用的測(cè)壓方法為手指捏感法和專(zhuān)用氣囊壓力表測(cè)壓法[5]，研究[6]顯示，手指捏感法準(zhǔn)確率較低，感覺(jué)的壓力比實(shí)際測(cè)量值大；專(zhuān)用壓力表測(cè)壓法操作簡(jiǎn)單、精確度高，是監(jiān)測(cè)氣囊壓力的理想選擇，但需要每4 h監(jiān)測(cè)1次，護(hù)士依從性不高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)和精確測(cè)量[7]。針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)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(jì)

本系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的壓力傳感器與患者氣囊相連，通過(guò)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(cè)，精確顯示壓力數(shù)值。當(dāng)壓力超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)聲光報(bào)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(guò)串口將壓力值實(shí)時(shí)傳至計(jì)算機(jī)，在上位機(jī)上顯示壓力值及壓力動(dòng)態(tài)曲線。當(dāng)壓力持續(xù)超過(guò)閾值時(shí)，上位機(jī)軟件會(huì)自動(dòng)評(píng)估患者情況，提醒醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者進(jìn)行干預(yù)，實(shí)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(jì)

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(cè)模塊[10]，以STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心驅(qū)動(dòng)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(jì)氣泵驅(qū)動(dòng)電路[11]，利用9013三極管設(shè)計(jì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，構(gòu)建外圍功能模塊，并設(shè)計(jì)氣路部分，完成儀器結(jié)構(gòu)的搭建[12]。硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別如圖2（a）和2（b）所示。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)壓力的顯示、存儲(chǔ)和臨床預(yù)警，必要時(shí)提醒醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者進(jìn)行干預(yù)，實(shí)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(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)軟件通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)主程序、按鍵子程序、壓力比較子程序等實(shí)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(jì)

上位機(jī)軟件采用VB6.0開(kāi)發(fā)，利用MScomm控件實(shí)現(xiàn)儀器端與電腦端的串口通信，利用PictureBox控件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓力曲線的顯示，利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，利用DataGrid控件訪問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)，完成歷史數(shù)據(jù)的回顧，并設(shè)計(jì)直觀友好的用戶界面，醫(yī)護(hù)人員可以在電腦端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)壓力閾值設(shè)置、實(shí)時(shí)壓力顯示、壓力超限報(bào)警、壓力數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(cè)試及臨床試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)測(cè)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(wàn)用表測(cè)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(cè)量精度為0.1cmH2O。

針對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中患者可能出現(xiàn)的情況，模擬不同應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)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(kāi)，壓力低于5 cmH2O時(shí)，即壓力過(guò)低后系統(tǒng)壓力變化曲線圖，圖6（c）為患者輕微咳嗽時(shí)，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(shí)，壓力高于90 cmH2O時(shí)，即壓力過(guò)高后系統(tǒng)壓力變化曲線圖。

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

4.2 臨床試驗(yàn)

選取2019年6月—8月我院綜合ICU行氣管插管或氣管切開(kāi)的患者60例，隨機(jī)分為試驗(yàn)組和對(duì)照組[14]。試驗(yàn)組使用本系統(tǒng)，對(duì)照組使用氣囊壓力表測(cè)量[15]。試驗(yàn)組護(hù)士在使用前需要先啟動(dòng)系統(tǒng)，再連接管路到患者氣囊接口，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，但由于系統(tǒng)具有自動(dòng)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(cè)。對(duì)照組護(hù)士利用壓力表手動(dòng)充放氣至所需壓力，花費(fèi)一定時(shí)間，且需每隔4 h監(jiān)測(cè)1次，1 d按6次算，可算出護(hù)士1 d操作花費(fèi)時(shí)間，分別記錄兩組每次操作時(shí)間[16]。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，兩組患者均保持平靜，隨著時(shí)間推移，試驗(yàn)組上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄下壓力值，對(duì)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(gè)時(shí)刻壓力變化情況。由于臨床需要，護(hù)士還會(huì)對(duì)患者進(jìn)行一些護(hù)理操作，包括吸痰、插胃管、翻身等，試驗(yàn)組上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄下壓力值，對(duì)照組記錄每次護(hù)理操作時(shí)，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(wú)導(dǎo)管移位、氣囊破裂、誤吸等，觀察時(shí)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩組病人在操作時(shí)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(jiàn)，試驗(yàn)組的操作時(shí)間明顯少于對(duì)照組，兩組數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。隨著時(shí)間的推移，對(duì)照組壓力值緩緩下降，試驗(yàn)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(jì)學(xué)意義（P＜0.000 1）。對(duì)照組的護(hù)理操作對(duì)患者氣囊壓力的影響較大，使壓力在短時(shí)間內(nèi)快速上升到較高值，而試驗(yàn)組壓力始終維持在25～30 cmH2O之間，兩組比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。試驗(yàn)組未出現(xiàn)反流病人，出現(xiàn)1例誤吸病人，對(duì)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(jì)學(xué)意義（P＜0.000 1）。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)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(cè)模塊和壓力控制模塊，實(shí)現(xiàn)了氣囊壓力的實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、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(jiǎn)單，體積小巧，便于床邊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(cè)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(shí)現(xiàn)氣囊壓力的智能化管理，同時(shí)還可以探究與呼吸機(jī)的連接，將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成氣囊壓力監(jiān)測(cè)模塊，集成到呼吸機(jī)，使得能夠在呼吸機(jī)上實(shí)時(shí)顯示氣囊壓力，實(shí)現(xiàn)氣囊壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的多元化應(yīng)用。