ICU病人生理參數監測技術的研究進展

【作 者】劉夢星 ，林藝文，肖科，孫白雷，何先梁，金星亮，孫澤輝，鐘荷仙，李燁，莊一渝

1 中國科學院深圳先進技術研究院，深圳市，518000

2 深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司，深圳市，518057

3 廈門大學附屬中山醫院，廈門市，361004

4 浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院，杭州市，310016

0 引言

重癥醫學（critical care medicine,CCM）是研究任何損傷或疾病導致機體向死亡發展過程的特點和規律，并基于這些特點和規律對重癥患者進行救治的學科[1]。重癥醫學科病房（intensive care unit,ICU）是監護、診斷和治療重癥患者的臨床單元，也被稱作加強護理病房、重癥監護室等[2]。生理參數監測是實施ICU臨床診療活動的重要組成部分，包括心電、血壓等基本生命體征的測量和分析，以及血流動力學、氧代謝等范疇的高級參數的獲取等[3]。倘若離開了監測，醫護人員對于重癥患者的診斷和治療將變得低效和盲目。因此，有必要理清ICU當前生理參數監測技術的研究現狀，分析現有技術存在的主要問題，提出未來可能采取的技術路線，為促進該領域的技術發展和臨床應用做出貢獻。

下面主要討論物理測量，而體外診斷和生化檢測等偏向化學測量的技術不在論述范圍內。首先明確監測對象，然后介紹ICU基礎參數監測的研究進展，再以循環代謝為中心，重點梳理常用高級參數的監測技術，最后從機器視覺與數據融合的角度討論病人狀態監測。

1 監測對象

一般而言，綜合ICU主要收治對象是各科急重癥患者和術后高危患者，動態、定量監測能幫助醫護及時捕捉患者病情變化，并對治療進行指導和反饋。如圖1所示，休克（shock）、急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）、多器官功能障礙（multiple organ dysfunction syndrome,MODS）是ICU患者的主要病癥類型，多種單發疾病都可能發展為這三類綜合征。

圖1 ICU主要病癥類型Fig.1 Main type of disease in the ICU

休克是機體以代謝和循環功能紊亂為主的一種綜合征，包括分布性、心源性、容量性和梗阻性四類。分布性休克占比約66%，其中絕大多數是感染性休克（又稱作膿毒性休克），主要表現為體循環阻力下降、肺循環阻力增加、心率改變以及循環高流量伴組織缺氧[4]。心源性休克占比約16%，機制是心臟泵功能衰竭，表現為中心靜脈壓和肺動脈楔壓升高、心輸出量下降、體循環阻力升高等[5]。容量性休克與心源性休克比例相當，特點是循環容量丟失，表現為中心靜脈壓下降、每搏輸出量減少、心率加快等[6]。梗阻性休克是血流的主要通道受阻導致，臨床上相對少見。無論哪種類型，休克治療的原則是減少進一步細胞損傷，維持最佳組織灌注，糾正缺氧。

ARDS是由肺內原因和/或肺外原因引起的，以頑固性低氧血癥為顯著特征的臨床綜合征。它是急性呼吸衰竭最常見的類型，常發生于嚴重感染、休克、創傷及重癥流感等疾病過程中。通常起病1～2 d內，發生呼吸頻速，呼吸率進行性加快，逐步呈現呼吸窘迫癥狀，進而缺氧癥狀也愈發明顯，患者表現為煩躁、心率增高、唇及指甲發紺[7]。肺氣體交換、呼吸力學、血流動力學等監測對于ARDS的診斷和治療具有重要價值。臨床治療的核心目標是糾正低氧血癥，改善組織細胞缺氧，保證全身氧輸送，同時避免液體負荷過高和氧中毒等醫源性并發癥。

MODS是機體受到嚴重感染、燒創傷等打擊后，序貫或同時發生兩個以上器官功能障礙的一種綜合征。隨著病情惡化，可進一步發展為多器官衰竭（multiple organ failure,MOF），病死率極高。膿毒性感染是導致MODS的首要誘因，特別是老年患者中占比高達73.1%，其中肺部感染最常見[8]。MODS臨床表現復雜，個體差異明顯，在很大程度上取決于器官受累范圍和程度，一般經歷休克、復蘇、高分解代謝和器官衰竭四個階段。MODS治療目標是改善氧代謝、糾正組織缺氧，基礎是積極控制感染、維持循環穩定，關鍵是控制原發病、盡早阻斷連鎖反應。

此外，心跳呼吸驟停、重癥胰腺炎、急性腎臟損傷和嚴重顱腦損傷等也是ICU經常收治的對象。對于醫護人員，只有掌握必要的生理參數監測技術，才能及時、有效地救治重癥患者。

2 基礎參數監測

通常，心電（electrocardiogram,ECG）、血壓（blood pressure,BP）、血氧（pulse oxygen saturation,SpO2）、呼吸（respiration,Resp）和體溫（temperature,Temp）是ICU病人監測的基本生理參數，簡稱“基礎五參”。深圳邁瑞N系列監護儀的參數監測示例，如圖2所示。

圖2 基礎五參的監測示例Fig.2 An example of basic five parameters monitoring

心電是通過體表電極記錄心肌的電活動，用于監測患者的心臟異常。為提高測量舒適性，織物電極[9]、電容耦合[10]等技術被提出，然而信號穩定性和可靠度的問題仍難以解決。信號處理方面，主要研究熱點是心律失常檢測和急性心臟事件預測，例如短時房顫檢測[11]和急性心梗預測[12]等，人工智能及深度學習算法的運用有效提高了識別準確度。報警方面，多導同步分析[13]、多參融合分析[14]等策略的運用，能顯著減少心電誤報警，改善ICU報警疲勞。

血壓測量分無創血壓（non-invasive blood pressure,NIBP）和有創血壓（invasive blood pressure,IBP），此處IBP特指外周動脈的血管壓力，如橈動脈和足背動脈。無袖帶NIBP測量技術在舒適性、便捷性和連續性上具有顯著優勢[15]，然而個體差異等依然是模型構建中難以解決的問題。IBP能彌補NIBP點測的不足，但由于技術原理限制，IBP與NIBP之間存在數值差異，且差異大小受穿刺部位影響[16]，這給報警限管理帶來了一定困擾。此外，患者運動容易造成穿刺針管發生彎折或貼壁，該現象在監測足背動脈時尤為突出，因此有必要通過模式分析或多參數融合等技術來識別偽差，從而減少錯誤出值。

SpO2全稱脈搏血氧飽和度，監測部位主要是患者的手指或腳趾。由于機體和心理障礙，ICU患者常處于不同程度的組織低灌注、皮膚濕冷以及躁動等狀態下，這嚴重影響了血氧測量的準確度[17]。為解決該問題，大量研究聚焦于傳感器和算法創新兩個維度。傳感器結構優化使得佩戴的穩定性得到提升[18]，多波長技術為消除環境和個體差異提供了重要思路[19]。自適應濾波[20]、形態學分析[21]和加速度信號融合[22]等算法被不斷改進，有效提高了血氧監測的抗干擾性能。

呼吸率（respiration rate,RR）是表征呼吸功能的一個重要參數，通常采用胸阻抗法測量。由于皮膚阻抗干擾、電極黏貼不當等因素影響，RR監測經常導致誤報警產生，特別是呼吸窒息報警。為克服該問題，心電推呼吸、脈搏測呼吸、壓電薄膜、熱敏電阻、加速度計、視頻和超聲多普勒等技術被廣泛研究[23-26]，部分已轉化為創新產品而應用于臨床實踐。

體溫是ICU患者感染診斷和低溫治療的重要監測參數，分侵入式和非侵入式。侵入式包括血液、食管、鼻咽和膀胱溫度等，非侵入式包括腋窩、直腸、鼓膜和腹股溝溫度等[27]。侵入式具有較高的精度和靈敏度，如肺動脈血液溫度是體溫測量的金標準，但因其創傷性，在ICU極少使用。非侵入式是目前ICU體溫測量的主要方法，其中腋窩及鼓膜溫度應用最為廣泛[28]。無創連續體溫一直是ICU體溫監測的研究熱點，目前在ICU尚無完美的測溫手段，需根據臨床場景及患者病情選擇合適的測溫方法。

綜上，精準和抗干擾等一直是各技術致力于提高的參數性能目標。此外，為簡化床旁線纜和管路，更好地鼓勵病情穩定的患者開展早期下床活動[29]，針對基礎五參，無線化監測技術逐漸成為一種發展趨勢。

3 高級參數監測

休克、ARDS和MODS等是重癥患者死亡的主要原因，它們均以有效循環容量減少、氧代謝出現異常為共同特征。臨床上，為掌握病情的發展過程，明確干預的生理學位點，了解治療的反應性，除了基礎生命體征的定量監測之外，反映全身和局部組織灌注的高級參數監測技術得到了快速發展及應用。接下來，著重梳理血流動力學、氧代謝和微循環監測技術。

3.1 血流動力學

重癥血流動力學是研究血液及其組成成分在機體內運動特點和規律性的科學，相關監測可指導醫護合理制定治療方案和定量調整治療強度。如表1所示，常用監測指標包括壓力、流量和容積。

表1 血流動力學參數列舉Tab.1 A list of hemodynamic parameters

壓力參數應用較早，臨床意義明確。除基礎五參中的NIBP和IBP之外，還有CVP、PAP和PAWP等，測量途徑是采用經皮穿刺的方法放置特殊導管至中心靜脈或肺動脈的特定部位。近期臨床研究對Pmsf的關注不斷增加，Pmsf是反映體循環血管內血液充盈程度的指標，可用于評價容量反應性[30]，以及推算應激容量、血管順應性和靜脈回流驅動壓等重要而新穎的參數[31]。血管停流平衡法是床旁評估Pmsf的一項技術，具體做法是通過袖帶快速充氣后阻斷上臂血管，獲取動靜脈血流停止狀態下的血管內壓力Parm作為Pmsf的近似替代[32]。

流量參數主要指的是CO及其衍生值（如SV），能更精確地反映患者的血流動力學狀態。CO是每分鐘心臟泵出的總血量，是反映心泵功能的核心指標，CO監測有助于指導液體管理和心血管藥物的合理使用。基于熱稀釋原理的Swan-Ganz導管是CO監測的金標準，隨著臨床需求的發展，出現了一些改良型導管，包括右心室容量型、持續CO測量型和帶有起搏電極型等[33]。脈搏輪廓分析，是近幾年來臨床廣泛使用的一類CO測量技術，分校準型和未校準型。脈搏指示持續心輸出量（pulse indicator continuous cardiac output,PiCCO）監測技術，將熱稀釋法和脈搏波分析相結合，可相對快速全面地獲取各種血流動力學參數[34]，類似方法還有用鋰稀釋校準的LiDCO技術[35]。未校準型最常用的是Flotrac技術，該技術僅需外周動脈置管，采用特殊壓力傳感器，直接通過經驗模型分析脈搏波形態而計算CO，其最大優勢是創傷小和操作簡單，缺點是測量精度相對有限，因此未來的重要趨勢是如何構建更精準的測量模型[36]。無創CO監測技術，主要包括部分CO2重吸收法、生物阻抗法和經食道超聲法等[37]，其應用常受限于患者類型，需進一步臨床研究論證其準確性和安全性。

容積參數相對壓力參數，能更直接準確地反映心臟前負荷，不受胸膜腔內壓或腹內壓變化的影響。傳統容積測量是通過心室造影或核素放射等技術實現，較為復雜且難以實現床旁監測[38]。隨著PiCCO技術的發展和應用，ITBV和GEDV等容積指標能夠方便地獲取。

3.2 氧代謝監測

血液循環的主要目標之一就是保障各組織和器官的氧供。動脈氧供又稱為氧輸送（oxygen delivery,DO2），是單位時間內由左心室運往全身組織的氧總量，決定因素包括CO和動脈血氧含量。血液攜帶的一部分氧被組織細胞攝取，實際消耗的氧總量稱為氧消耗（oxygen consumption,VO2），這取決于組織氧需量和實際攝氧能力。孤立評估DO2的意義不夠確切，必須結合全身和局部氧合指標，來評估機體當前氧供是否滿足氧需[39]。

靜脈氧飽和度能反映DO2和VO2間的平衡，混合靜脈氧飽和度（mixed venous oxygen saturation,SvO2）與中心靜脈氧飽和度（central venous oxygen saturation,ScvO2）已被廣泛應用于監測全身氧攝取的變化。SvO2的重要性在很多領域都得到了證實，但肺動脈導管的使用卻帶來了較高的安全風險和費用問題，因此用ScvO2替代SvO2的監測被臨床廣泛研究[40]。ScvO2相對易于檢測，可通過中心靜脈導管穿刺后，利用光導纖維連續測量上腔靜脈氧飽和度[41]。組織氧飽和度（tissue oxygen saturation,StO2）可用于監測人體局部組織的氧代謝狀況，通常采用特定波長的近紅外光譜技術，主要的測量部位是腦和肌肉組織[39]。近年來，StO2無創監測技術已成臨床研究熱點，除證明其有益的應用價值外[42]，主要問題包括如何克服骨骼、間質水腫等因素對測量的影響，以及如何構建金標準來定量比較不同的測量方法[39]。

組織二氧化碳分壓（partial pressure of carbon dioxide,PCO2）是早期反映局部組織灌注不足和缺氧的重要標志物，通常是對胃腸和舌下組織PCO2進行監測。胃腸黏膜對缺血缺氧高度敏感，自動空氣胃CO2張力測定是一種測量胃黏膜PCO2（gastric mucosa PCO2,PgCO2）的技術[43]，通過插入遠端帶有硅膠球囊的胃管實施，其局限性包括需要停止腸內營養和H2受體阻滯劑等。作為胃腸道的近端，舌下區域易被觸及。近年來，舌下黏膜PCO2（sublingual mucosa PCO2,PslCO2）被廣泛應用于ICU床旁監測[44]，主要原理仍是基于張力法測定。作為一種簡單的非侵入性技術，PslCO2監測有望成為評估重癥患者局部氧代謝的重要手段[39]，值得臨床繼續深入研究。

經皮O2和CO2監測，最早是作為有創動脈血氣分析的替代技術而被提出。首先對皮膚進行加熱，使血液中的氣體彌散至一個充滿液體的密閉腔中，然后O2和CO2通過半透膜彌散至放置特殊電極的空間，從而連續測得O2和CO2分壓，常用部位是耳垂[45]。經過多年發展，該技術逐步成熟，局部皮膚加熱已成為非必要環節[46]。當與氧負荷等功能性試驗結合時[47]，該技術可較好地用于評估局部氧代謝平衡，指導醫護進行器官導向的治療。

3.3 微循環監測

微循環是指微動脈與微靜脈之間的血液循環，其功能是實現血液和組織液之間的物質交換。近年來，國內外權威專家在多個學術場合宣稱：重癥血流動力學監測和治療已進入微循環時代。以膿毒性休克為例，休克發生時血液再分布最早被分流的器官是皮膚、胃腸道和肌肉，而心腦腎等重要臟器可通過血管調節功能代償性維持血流量，因此通過微循環監測指導臨床早期發現和糾正組織缺氧，可阻斷休克進一步發展成多器官衰竭，從而減少死亡率[48]。同理，對于治療終點，只有改善了微循環，才代表全身血管床的血流灌注得到了重建。

舌下微循環視頻檢測是一種手持式光學顯微成像技術，是目前ICU床旁監測的應用熱點[48]。正交偏振光譜成像（orthogonal polarization spectral,OPS）是1999年提出的第一代技術[49]，對活體微循環成像領域做出了重要貢獻。為提高圖像分辨率，改用經過獨立極化的發光二極管組作為光源的側流暗場成像（sidestream dark field,SDF）被提出[50]，并成為了第二代技術。近年來，作為SDF的改進，第三代的入射暗場成像（incident dark field,IDF）技術出現，進一步提升了圖像質量，使得更深處的毛細血管得以呈現[51]。SDF和IDF可獲取的生理參數主要包括血管直徑、血管密度、微血管血流速度以及灌注異質性指標等[49,51]。

毛細血管再充盈時間（capillary refill time,CRT）的測量，是一種評估患者微循環狀態和外周灌注的簡單方法。通常是對手指末端施加固定時長的固定壓力，然后計算手指恢復正常顏色所需要的時間[39]。該技術的最大挑戰是開發標準化的測量儀器，確保環境光線明亮和溫度統一，并實現自動計時、壓力控制和膚色評估等。其它可用于監測微循環的方法，還包括皮膚溫度梯度（skin-temperature gradient,Tskin-diff）、皮膚花斑評分（skin mottling score,SMS）等[52]。

4 病人狀態監測

4.1 機器視覺技術

患者行為狀態，雖然不是嚴格意義上的生理參數或指標，但在醫護人員眼中仍然屬于一種顆粒度較大的模式或類別。例如，若患者因休克而發生昏迷，其行為狀態表現為靜躺不動；若患者拔除胃管后自主進食，其行為狀態將出現咀嚼用餐；當患者病情穩定后開展早期康復運動，其行為狀態會出現床旁站立或緩慢行走。

隨著算法和算力水平的提高，計算機（機器）視覺技術已逐步向重癥監護領域滲透，使得患者行為狀態的自動監測成為可能。例如，HAQUE等[53]在Nature上的報道表明，視頻分析技術的應用可以動態、細微地感知ICU患者的各類行為，使用機器學習方法將行為活動進行分類，可獲得約90%的準確度。為推動該技術進一步落地，未來重點要解決隱私問題，這需要患者、家屬、醫護、行政管理和工程技術團隊等通力協作。同時，還要明確應用場景，這需要產學研醫交叉碰撞，從而充分挖掘臨床需求和價值。

4.2 數據融合技術

患者病情狀態，是指從全局視角評估病人當前病癥的嚴重程度和康復效果，以及未來產生某種并發癥和急危重事件的可能性。ICU醫護人員通常會根據患者病史記錄、生理指標和查體結果，結合臨床經驗和知識，綜合判斷出患者的病情狀態。由此可見，病情狀態的監測要求必須對多種生理數據進行融合分析。

人工智能與機器學習方法的運用，顯著推動了醫學數據融合技術的發展。例如，HYLAND等[54]發表在Nature Medicine上的一組研究表明，針對36 098例ICU病人的生理參數、檢驗結果和病歷資料等數據，通過構建梯度提升式決策樹模型，開發了一種早期識別循環衰竭的狀態監測系統，結果顯示，該系統可提早預測約90%的循環衰竭事件，其中82%的惡化事件可提前2 h被發現。如此看來，相比傳統單參數監測，多參數、多模態等數據融合分析，已成為臨床監測技術的重要發展趨勢。為促進該技術在ICU中應用，未來首先要解決多設備、多系統的互聯問題，具體包括網絡通訊、信息安全和數據庫構建等范疇。其次，重點要克服數據標注問題，臨床專家需在日常工作中的及時記錄和回顧病歷數據，對病人狀態的標志性節點進行交叉標注，從而為智能模型的建立提供專業參考。

5 總結與展望

ICU患者病情特點強調“急危重”，這對臨床監測技術和應用提出了更高要求。無論基于什么原理，參數監測技術的核心目標都是確保準確度和安全性。心電、血壓、血氧、呼吸和體溫已成為病人監測的基本配置，當前針對基礎五參的研究主要聚焦于提升舒適性、抗干擾和無線化等。血流動力學和氧代謝，是ICU病人監測的重要內容，針對這類高級參數的監測手段逐漸豐富，主要改進目標是減少創傷性和提高易用性等。微循環是近年來ICU重癥監測的研究熱點，特別是舌下微循環技術的發展，為休克等重癥患者的早期評估和治療帶來了幫助。此外，隨著機器視覺和數據融合技術的發展，涉及患者肢體活動的行為狀態監測和更逼近臨床智能評估水平的病情狀態監測，已成為學術研究的前沿熱點。

未來ICU建設和發展離不開病人監測技術。工程人員應當加強臨床合作，走出實驗室，深入臨床端發現和思考問題，才可能開發出安全、有效且實用的產品。醫護人員應該開放思想、克服困難，有意培養工程技術創新的意識，才更有利于提高重癥患者的救治水平。