肢體腫脹持續(xù)監(jiān)測的探索研究

王瑞,王蕊,孫信虎,陳德旗*

(1.徐州市中心醫(yī)院骨外科,江蘇 徐州 221009;2.徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院麻醉科,江蘇 徐州 221006;3.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214000)

急性骨筋膜室綜合征(acute compartment syndrome,ACS)及深靜脈血栓(deep venous thrombosis,DVT)是創(chuàng)傷外科常見的急癥,其早期診斷和持續(xù)監(jiān)測是臨床工作中的難題。ACS常因血腫和組織水腫使室間隔內容物體積增加或因外包扎過緊使室間隔容量減小,導致骨筋膜室內壓升高,多發(fā)生于前臂及小腿,也會發(fā)生于手、腳和臀部[1]。主要是由骨折或擠壓傷導致的組織嚴重損傷引起,也可由輕微的損傷或醫(yī)源性損傷引起,其他原因如橫紋肌溶解、血管損傷也可導致ACS[2-3]。ACS病情發(fā)展迅速,4 h即發(fā)生肌肉壞死,12 h就可導致神經不可逆性損傷[4]。如不及時處理會導致組織缺血壞死、肢體殘疾甚至威脅生命[5],一經確診需要立刻切開減壓[6]。

患肢腫脹作為ACS及下肢DVT的首發(fā)體征[7-8],對疾病的預警及早期診斷有重要意義,如果可以通過對腫脹的簡單監(jiān)測預防疾病的發(fā)生將對疾病的診斷有巨大幫助。傳統測量腫脹的方法是于患肢某一固定平面做標記后用簡單的測量工具如皮尺或棉線測量(見圖1a),這種測量方法存在操作誤差大、無法持續(xù)監(jiān)測、頻繁測量會引起醫(yī)患情緒過度緊張等問題。因此實際臨床工作中常用皮膚顏色、患肢硬度、有無皮紋等指標間接反映腫脹程度,很少進行患肢周徑的精確測量,傳統診斷標準亦并未將腫脹率納入參考指標。柔性傳感器是采用柔性材料制成的傳感器,具有良好的柔韌性、延展性,可以自由彎曲甚至折疊。柔性傳感器相較于傳統傳感器具有高靈活性和可伸縮性的特點,其部件重量輕、成本低、可彎曲,而且可以符合不同三維物體表面形態(tài)[9-12],因此廣泛應用于可穿戴領域的電子設備、電子皮膚、軟機器人、智能家居以及醫(yī)學診斷[13-15]等。本文即介紹應用同軸打印技術制作的個性化柔性傳感器實時監(jiān)測肢體周徑,為ACS及下肢DVT早期的診斷及病情發(fā)展的監(jiān)測提供不同于傳統診斷的新思路。

a 傳統腫脹測量法評估右下肢DVT患者的肢體腫脹程度 b 柔性傳感器制作流程圖

c 柔性傳感器外觀圖

d 電路模塊設計圖圖1 柔性傳感器的制作

1 實驗方法

本實驗分為柔性傳感器的制作和應用測試兩個部分。制作部分包括可穿戴式傳感器的制作及性能測試、輸出設備的制作及可信度驗證;應用部分包括模擬肢體膨脹監(jiān)測及正常人上肢肌肉收縮引起的臂圍變化監(jiān)測。

1.1 柔性傳感器制作及測試 柔性傳感器由江南大學機械工程學院設計并制作。本實驗電纜采用高純度鎵銦合金(重量比:75.5%鎵,24.5%銦)作為電纜內芯[16],聚二甲基硅氧烷(SE1700,Dow Corning Inc.)材料作為電纜外殼,以硅片作為打印基板,中國北京泰諾華科技有限公司生產的不銹鋼同軸噴嘴作為書寫頭,于3D打印機打印制作,制作過程參照Yan等[17]文章介紹。制作完成的電纜兩端插入導線并于接頭處固定,保護硅膠采用Ecoflex 00-20(Smooth-On Inc.America),按重量比1∶1混合Part A和Part B,倒入設計好的模具中,將電纜埋入其中一同固化。模具共有0.35 cm、0.7 cm、1.0 cm三種厚度,為比較硅膠條厚度與電阻變化關系,三種厚度分別制作柔性傳感器。固化完成后以不可伸縮的尼龍材料固定兩端,固定點超出電纜接頭處以保護接頭,完成柔性傳感器制作,流程示意圖見圖1b。

1.2 輸出顯示及報警裝置的制作及測試 本設計根據比例法電阻測量原理,以STC89C52單片機作為主控芯片,由時鐘電路、復位電路、電源模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、電阻測量模塊、模數轉換器(analog-to-digital converter,ADC)模塊、發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)模塊組成。單片機上電自動復位,電阻測量模塊工作原理是由10 Ω標準電阻和3路待測電阻在6 V的恒壓電源下分壓,然后由ADC 0809將采集的3路待測電阻兩端電壓值模擬量轉化得到數字量,傳遞給單片機,最后將結果按函數關系計算出對應電阻值并輸出到LCD 1602液晶屏依次顯示,達到設定的閾值時,LED燈亮報警。輸出裝置制作完畢后,分別外接5 Ω和10 Ω固定電阻,重復3次,觀察顯示屏顯示數字及LED燈顯示情況判斷輸出顯示和報警裝置是否制作成功。

閾值報警的設計旨在減輕臨床護理工作的工作量,對有危險因素的病例設置危險值報警可在第一時間監(jiān)測到疾病的發(fā)生并采取相關治療措施,將疾病的危害降至最低,不同個體危險值變化規(guī)律還需大量臨床實驗總結,下文暫定10 Ω(拉伸度約為25%)為報警閾值進行相關測試。

1.3 柔性傳感器性能測試

1.3.1 拉伸度-電阻變化測定 將制作完成的三組柔性傳感器固定于拉力機上,以固定速度延長拉伸度,拉伸度由0%變化至200%,觀察拉伸度-電阻變化關系。將單個傳感器重復1 000次測量,每組使用3個以上傳感器進行重復驗證,觀察柔性傳感器的數據可靠性及材料耐久性。

1.3.2 拉伸度-LED顯示電阻變化測定 將制作完成的柔性傳感器與輸出顯示和報警裝置相連接,將柔性傳感器置于拉力機上勻速拉伸,拉伸度由0%變化至200%,觀察拉伸度與電阻顯示數值變化關系,并比較前一部分中拉伸度-電阻變化關系曲線,觀察電阻測量數據可信度。

1.3.3 報警模塊可信度測定 設置10 Ω為報警閾值,將顯示器與傳感器連接,于拉力機緩慢拉伸材料,拉伸度由0%變化至200%,重復多次觸發(fā)報警時的拉伸度數值及電阻顯示數值,驗證LED報警模塊可信度。

1.4 氣球膨脹模擬肢體膨脹監(jiān)測 本設計尚未應用于臨床病例,故選擇替代物模擬肢體腫脹進行試驗。因氣球充放氣簡單快捷,且長條形的氣球的圓柱體外形與肢體相似,故實驗選擇長條形氣球模擬四肢膨脹進行實驗。將氣球充氣以獲得適當的初始膨脹率(符合傳感器尺寸且有足夠的后續(xù)膨脹空間),將傳感器貼合初始弧度固定于氣球表面,設置10 Ω為報警閾值,緩慢充氣使氣球膨脹,直至超過報警值,重復3次,觀察記錄顯示器讀數變化及觸發(fā)報警時的拉伸度。

1.5 肢體運動膨脹率測量 在受試者前臂完全放松時,將傳感器于實驗者肘關節(jié)下方約4.0 cm處固定,使傳感器有輕微的初始拉力,隨后先后進行握拳、屈肘活動依次使上臂屈指、屈腕、屈肘肌群收縮,從而引起前臂周徑變化,記錄傳感器讀數;同樣在上臂完全放松(肘關節(jié)微屈)時將傳感器固定于腋窩下方4.0 cm處,給予傳感器輕微的初始拉力,隨后肘關節(jié)運動至完全伸直位再緩慢屈曲引起上臂伸、屈肘肌群先后收縮,從而引起上臂臂圍變化,記錄傳感器讀數,參照電纜拉伸度-電阻變化曲線繪制運動過程中傳感器電阻及拉伸度變化曲線。

2 結 果

2.1 傳感器和報警裝置的制作 制作完成的電纜內徑0.4 mm,外徑1.3 mm,長度5.0 cm,管徑粗細均勻。傳感器長7.0 cm,寬3.5 cm,電纜平行于保護硅膠長軸且相互平行,無明顯彎曲,有效拉伸區(qū)域長4.0 cm(見圖1c)。電路設計見圖1d,根據電阻串聯分壓原理[UOUT=U0(R1x)/(R00+R1x)]可測得目標電阻。傳感器量程0～99.9 Ω,通過5.0 Ω和10.0 Ω固定電阻測定傳感器準確度良好(見表1)。

表1 報警裝置準確度測試結果

2.2 柔性傳感器性能測試 拉伸度-電阻變化曲線平穩(wěn),變化率隨拉伸度增加緩慢上升,不同傳感器間測量值略有差異,同一傳感器重復1 000次測量結果相似。硅膠材料拉力值隨拉伸度升高而升高,一定范圍內變化趨勢接近線性,曲線斜率隨著保護硅膠厚度增加而增加(見圖2)。結果顯示該傳感器可信度較高,重復性好,拉伸張力可通過保護硅膠厚度調節(jié)。另外,因為傳感器電阻值與拉伸度變化相關,所以縮短可拉伸區(qū)域長度可增加傳感器的靈敏度。

a 傳感器拉伸度-電阻變化曲線 b 傳感器拉伸度-電阻變化率曲線

c 單個傳感器重復1 000次拉伸電阻變化率曲線 d 不同厚度保護硅膠拉力-長度變化曲線圖2 柔性傳感器性能及準確率評估

為進一步測定傳感器的測量值可信度及重復測量時是否導致損耗及誤差,將輸出設備連接電纜后于拉力機測量拉伸度-電阻輸出值變化關系,輸出值與前文拉伸度-電阻曲線變化關系基本一致。將傳感器進行拉伸,觸發(fā)報警時記錄當時的拉伸度(%),10 Ω報警閾值下,重復100次試驗觸發(fā)報警,各次觸發(fā)報警的拉伸度均無統計學差異(n=3,P>0.05,見圖3)。結果顯示輸出設備測量值可信,可實現精確報警。

圖3 觸發(fā)報警時的拉伸度作

2.3 氣球模擬肢體腫脹實驗結果 傳感器易于貼合氣球表面,隨著氣球膨脹電纜可拉伸區(qū)域逐漸拉長。將同一柱形氣球由小周徑充氣至大周徑,同時記錄周徑變化對應傳感器讀數,6 V穩(wěn)定電壓下顯示器讀數隨著氣球充氣膨脹而增加,在增加值到達報警閾值(10 Ω)時報警燈即閃爍(見圖4),重復充放氣實驗顯示器讀數變化趨勢與氣球外徑變化一致。以氣球膨脹簡單模擬病理情況下肢體膨脹,實驗結果滿意,多次重復充放氣顯示器讀數變化與氣球外徑變化趨勢一致,可初步滿足病理條件下肢體周徑監(jiān)測的要求。

圖4 氣球模擬肢體腫脹測量實驗示意圖

2.4 肢體運動情況下腫脹測量效果觀察 本文作者作為受試者試戴柔性傳感器,硅膠材質傳感器佩戴無不適感,通過綁帶調節(jié)可以使傳感器很好地貼合手臂弧度,隨著肢體運動,顯示器讀數隨之變化,變化趨勢與肌肉收縮規(guī)律符合(見圖5a)。前臂及上臂傳感器電阻-時間變化與測量部位肌肉收縮引起的肢體膨脹變化規(guī)律相同,對比拉伸度-電阻變化曲線可以得到相應的拉伸長度(見圖5b～c)。通過相關性分析得出,前臂傳感器電阻值與測量部位肢體周徑變化具有線性正相關性(r=0.977 8,P<0.000 1,擬合曲線方程y=0.115 4 x+0.003 454),上臂傳感器電阻值與測量部位肢體周徑變化同樣具有線性正相關性(r=0.904 5,P<0.000 1,擬合曲線方程y=0.136 1 x+0.0146 3)。實驗結果表明,本實驗設計的傳感器可快速準確反映出受試者肢體周徑的變化,精度較高,有良好的應用前景。

a 前臂肌群收縮周徑測量實驗示意圖

b 前臂運動-傳感器電阻-拉伸長度關系三次重復測量結果

c 上臂運動-傳感器電阻-拉伸長度關系三次重復測量結果圖5 健康人試戴觀察傳感器在肢體運動情況下腫脹測量效果

3 討 論

本傳感器可以準確監(jiān)測肢體膨脹率并實現閾值報警功能。通過不同保護硅膠厚度可以調節(jié)袖套張力大小,避免對肢體產生壓迫從而加重遠端缺血;通過縮短傳感器可拉伸部分的長度,可增加拉伸度變化率,提高監(jiān)測靈敏度。此外,材料制作過程簡單,保護材料可根據不同的實際情況優(yōu)化(如透氣材料、抑菌材料等),適宜的穿戴張力于臨床工作中亦有利于減輕患肢腫脹及預防血管疾病的發(fā)生。

DVT常發(fā)生在下肢,可自發(fā)形成,也可由手術、外傷或長期臥床等臨床條件引起,長途飛行也是誘因之一[18-19]。下肢DVT又稱股白腫,該病發(fā)病急驟,數小時內整個患肢即出現明顯腫脹[20-21],部分患者會有疼痛、壓痛,少數患者無明顯不適癥狀。靜脈血栓如不及時處理,很容易脫落并引起嚴重并發(fā)癥,有數據顯示90%的急性肺栓塞由DVT引起[22-24]。肺栓塞發(fā)病兇險,是外科常見的死亡原因,因此早期診斷治療可顯著降低DVT患者死亡率[25],對改善疾病預后有重要意義。

對于ACS及下肢DVT早期診斷至關重要,但往往難度較大。目前對于ACS的診斷主要依靠“5P”(pain,paresthesia,pallor,paralysis and pulselessness)癥狀,難以做到早期診斷,且受醫(yī)務人員主觀性影響較大。筋膜室壓力(intracompart-mental pressure,ICP)測量是目前診斷的金標準,一般認為ICP高于30 mm Hg為手術指征[26]。目前常用的ICP檢測手段包括傳統有創(chuàng)測量及無創(chuàng)測量。傳統有創(chuàng)測量包括Whiteside法及其改良方法,需要將注射器刺進筋膜間隙,利用液壓平衡原理于血壓計或傳感器上顯示筋膜室內壓。傳統的ICP測量手段屬于有創(chuàng)檢查,有加重損傷的可能,一般僅用于高危患者,另外,連續(xù)監(jiān)測ICP往往會引起醫(yī)護人員及患者對臨界值的緊張情緒從而導致過度治療[27]。無創(chuàng)ICP測量手段有近紅外光譜超聲設備和激光多普勒流量計[28]等,受設備局限性的影響,臨床應用較少。對于下肢DVT,多普勒超聲血管檢查是診斷的常用手段,下肢血管造影是診斷的金標準,這兩者都是在發(fā)現患肢明顯腫脹或出現癥狀后作為診斷或排除的手段。

無論是ACS還是DVT,診療的關鍵都是一個“早”字。然而患者常因為癥狀被原發(fā)疾病掩蓋,或者根本無癥狀而缺乏警覺性,再加上衣物的遮擋,病情很容易被忽視,從而貽誤治療時機。實際上,對于ACS及DVT患肢腫脹往往是最早出現的體征,對早期診斷有重要意義。例如,對于ACS而言,當ICP明顯升高、疼痛出現、患肢遠端動脈搏動消失、膚色皮紋發(fā)生改變、肢體硬度明顯增加時往往意味著腫脹程度已經超過肢體代償極限,“5P”癥狀出現時疾病更是已經發(fā)展至不可逆轉的程度。對于DVT而言,預防性監(jiān)測肢體腫脹率則可以將大部分患者的診斷提前,早期采取治療措施以預防并發(fā)癥的發(fā)生,改善預后。

不同患者四肢周徑及腫脹程度差異較大,應用腫脹程度預防及診斷ACS及四肢DVT要求對腫脹率進行實時監(jiān)測、對比,其高拉伸性、高敏感性、良好的循環(huán)重復特性、簡單的制作工藝及個性化定制的特點同樣極好地適應于四肢周徑的實時監(jiān)測。同軸打印技術制備柔性傳感器的制作步驟之前的文章已作詳細介紹[17],本實驗采用同軸打印制作的柔性傳感器,制作工藝簡單,精確度高,靈活性強,使其不僅適用于ACS及下肢DVT的臨床預防及診斷,還可用于其他不同臨床應用需求,例如局部急性血腫病情監(jiān)測、腹水患者腹圍監(jiān)測、水腫治療療效觀察等。

本設計處于初步階段,顯示器大小、連接方式及其他材料設計需要改進,相關動物及臨床試驗有必要在隨后開展,以嘗試尋找ACS及下肢DVT患者患肢膨脹率隨病情發(fā)展的變化規(guī)律,為相關臨床診療提供新方案。

綜上所述,應用同軸打印技術制作的柔性傳感器可實現肢體周徑的實時監(jiān)測,為ACS及下肢DVT高危人群或病程早期患者提供患肢膨脹率的精準測量,為相關疾病的監(jiān)測提供新思路及手段。