沈謙益，文戈弋，宗力群

（1.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029；2.首都醫(yī)科大學(xué)，北京100069；3.中日友好醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，北京100029；4.北京化工大學(xué)校醫(yī)院，北京100029）

0 引言

CO2是人體代謝產(chǎn)物，主要經(jīng)由血液循環(huán)進入肺部進而通過呼氣排出[1]。呼氣末CO2分壓[pET（CO2）]在一定程度上反映呼吸功能等人體機能狀況，且pET（CO2）的監(jiān)測無創(chuàng)、高效，目前已廣泛應(yīng)用于重癥監(jiān)護、術(shù)后恢復(fù)、插管指導(dǎo)等眾多領(lǐng)域。pET（CO2）已經(jīng)被認為是除體溫、脈搏、呼吸、血壓、動脈血氧飽和度以外的第6個基本生命體征，被美國麻醉醫(yī)師協(xié)會（American Society of Anesthesiologists，ASA）列為麻醉期間的一項基本監(jiān)測指標(biāo)[2]。隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來針對提升pET（CO2）檢測精度的研究及相關(guān)醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)也有較大進展。本文對pET（CO2）的臨床應(yīng)用、檢測原理、精度提升、設(shè)備研發(fā)等進行綜述，并對其發(fā)展方向提出展望。

1 CO2的生理過程

呼吸是人體維持生命和身體機能所必需的生理過程。組織中產(chǎn)生的CO2通過毛細血管進入靜脈血后最終在肺泡完成氣體交換。由于CO2的彌散功能極其強大，動脈血中的CO2分壓[pa（CO2）]與肺泡中的CO2分壓[pA（CO2）]迅速達到平衡[2]，故在人體內(nèi)通常有pET（CO2）≈pA（CO2）≈pa（CO2）[3]。

2 pET（CO2）監(jiān)測的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀

pET（CO2）的測量無創(chuàng)、易行，因此通過監(jiān)測pET（CO2）來反映動脈血CO2體積分數(shù)以及呼吸情況已逐漸應(yīng)用到臨床實踐中。

2.1 pET（CO2）的波形圖及其應(yīng)用

2.1.1 正常pET（CO2）波形及其觀察指標(biāo)

利用現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備可以測得連續(xù)的pET（CO2）波形圖。正常人的單個pET（CO2）波形分為4相（如圖1所示）：Ⅰ相代表呼氣開始部分；Ⅱ相為肺泡和無效腔的混合氣；Ⅲ相呈水平形，為混合肺泡氣；Ⅳ相則表示新鮮氣體進入氣道。圖中α角和β角均與肺泡序慣性排空有關(guān)，α角隨Ⅲ相斜率增加而增加，β角隨Ⅲ相斜率增加而減小。在連續(xù)波形圖（如圖2所示）中，主要觀察指標(biāo)[4]包括基線（代表吸入CO2體積分數(shù)）、高度（代表呼出CO2的體積分數(shù)）、形態(tài)[pET（CO2）正常波形與不正常波形]、頻率（反映呼吸頻率）、節(jié)律（反映呼吸中樞或呼吸機的設(shè)置）等。

圖1 單個pET（CO2）監(jiān)測波形

圖2 連續(xù)pET（CO2）監(jiān)測波形

2.1.2 異常波形及其意義

臨床中患者實際波形的變化可用于輔助判斷病情或儀器故障?；€抬高提示可能發(fā)生重復(fù)呼吸、麻醉機活瓣障礙或者管路被阻塞等情況。Ⅱ相斜率降低，α角變鈍或消失則常見于哮喘等疾病[5]。Ⅲ相的變化情況最多，提供的信息也最為豐富。例如呼氣平臺升高或降低，常提示通氣不足或通氣過度；呼氣平臺溝裂，為肋間肌和膈肌運動不協(xié)調(diào)所致，常作為自主呼吸回復(fù)的標(biāo)志[2]。

2.2 pET（CO2）監(jiān)測的臨床應(yīng)用

2.2.1 指導(dǎo)插管

誤插食管在氣管插管操作過程中較為常見[6-7]，有研究總結(jié)了傳統(tǒng)辨識插管位置的方法及其局限性[8]，詳見表1。

表1 傳統(tǒng)監(jiān)測方法及其局限性[8]

目前臨床上利用pET（CO2）監(jiān)測、辨識插管位置的方法較為常用且可靠。若插管在氣管內(nèi)，監(jiān)測儀上會顯示正常pET（CO2）連續(xù)波形且高度大于30 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）；若插管誤插入食道，將不會監(jiān)測到CO2排出[9]。根據(jù)pET（CO2）的波形變化，還可大致判斷導(dǎo)管在氣道內(nèi)所處位置[10]，如導(dǎo)管前端位于喉頭左側(cè)或右側(cè)時，pET（CO2）波形圖高度降低，呼氣平臺下降，呼氣上升支延長，斜率增大。

盡管pET（CO2）監(jiān)測法可指導(dǎo)氣管插管，但仍有諸多問題。在心輸出量偏低時，該方法易出現(xiàn)錯誤[11]。Bozeman等[12]發(fā)現(xiàn)在心臟停搏時此方法的錯誤率約為30%，故使用該法需結(jié)合實際經(jīng)驗或與其他方法聯(lián)合判斷。因此，有學(xué)者指出pET（CO2）和pa（CO2）聯(lián)合監(jiān)測可提高指導(dǎo)氣管插管、機械通氣等操作的準確性[13]。

2.2.2 反映肺部通氣功能

對于血液動力學(xué)正常且肺通氣與肺血流比正常的患者，pET（CO2）和pa（CO2）具有良好的相關(guān)性。在一定程度上，pET（CO2）可反映pa（CO2）[9]，而pa（CO2）可以反映肺部通氣狀況。若pET（CO2）逐漸升高則說明通氣不足，若低于35 mmHg則說明通氣過度[2]。

2.2.3 監(jiān)測麻醉恢復(fù)期身體機能

麻醉恢復(fù)早期病情易變化，加強此階段的觀察可以減少麻醉及手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率及死亡率[14]。pET（CO2）監(jiān)測能夠監(jiān)測呼吸、循環(huán)等身體機能情況，尤其在老年腹腔鏡手術(shù)患者的術(shù)后恢復(fù)中具有突出優(yōu)勢[14]。此外，在小兒非插管全麻中也能有效提高安全性[15]。還有研究指出，pET（CO2）監(jiān)測組術(shù)后蘇醒時間和麻醉后監(jiān)測治療室駐留時間明顯短于無pET（CO2）監(jiān)測的對照組[16]。

2.2.4 指導(dǎo)機械通氣

梅洪寶[17]將42例機械通氣患者分為采用pET（CO2）監(jiān)測的觀察組和無pET（CO2）監(jiān)測的對照組，并進行機械通氣不良事件比較，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生率、處理情況和治療效果方面觀察組均明顯優(yōu)于對照組。腹腔鏡手術(shù)建立氣腹，CO2經(jīng)過腹膜充分吸收，容易造成高碳酸血癥[14，18]，利用pET（CO2）的連續(xù)監(jiān)測可幫助醫(yī)生判斷體內(nèi)CO2潴留情況，及時調(diào)整呼吸機參數(shù)。pET（CO2）波形變化還可及時反映患者是否存在自主呼吸，避免患者和呼吸機出現(xiàn)人機對抗[19]。

2.2.5 診治呼吸疾病

pET（CO2）監(jiān)測在呼吸疾病的診治中起到一定輔助作用。在肺栓塞方面，由于存在肺通氣血流比失調(diào)，肺泡死腔明顯增加，而pET（CO2）波形圖可反映肺泡死腔的情況，為肺栓塞的診斷提供了相應(yīng)依據(jù)[9]。

在慢性阻塞性肺疾病方面，有學(xué)者探究呼氣過程中CO2體積分數(shù)隨呼出氣體體積增加的變化情況，結(jié)果表明呼出氣最大CO2體積分數(shù)等參數(shù)可用于評估肺功能、判斷慢性阻塞性肺疾病的嚴重程度[20]。另有研究表明慢性阻塞性肺疾病患者體內(nèi)的pa（CO2）與D-二聚體水平呈正相關(guān)[21-22]，而pET（CO2）在一定條件下可替代pa（CO2）[1]，故其也可成為監(jiān)測慢性阻塞性肺疾病患者體內(nèi)D-二聚體的指標(biāo)。此外，pET（CO2）監(jiān)測還被用于哮喘[23]、肺炎[24]等常見呼吸疾病的診治。

3 pET（CO2）監(jiān)測原理、采樣方法、精度優(yōu)化與設(shè)備研究進展

pET（CO2）監(jiān)測在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用對CO2氣體體積分數(shù)監(jiān)測技術(shù)提出了更高要求。本部分將對臨床pET（CO2）的監(jiān)測原理、采樣方法、精度優(yōu)化及設(shè)備研究進展進行闡述。

3.1 CO2體積分數(shù)測量原理

3.1.1 非分散紅外光譜法

臨床上CO2體積分數(shù)測量原理多為非分散紅外氣體分析原理，即CO2在受到紅外光譜照射時會對4.26μm波長的紅外光有強烈的吸收作用而產(chǎn)生選擇性吸收峰，這一吸收關(guān)系遵循Lambert-Beer定律：

式中，I為透射光強度；I0為入射光強度；μ為吸收系數(shù)；L為透光的測量氣室長度；C為氣室中CO2的體積分數(shù)。由式（1）可知，氣室長度L一定時，CO2體積分數(shù)越高，對紅外光的吸收作用越強。通過測量氣體吸收前后的光強I0和I，便可反演出氣室中CO2的體積分數(shù)C，實現(xiàn)較高精度的測量[25]，其核心測量裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 非分散紅外氣體分析核心裝置結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 其他CO2體積分數(shù)測量方法

臨床上還有其他傳統(tǒng)CO2體積分數(shù)測量方法，且各有優(yōu)缺點，詳見表2。對比這些傳統(tǒng)測量方法，非分散紅外光譜法具有較好的綜合優(yōu)勢。

表2 常見CO2體積分數(shù)測量方法

3.2 CO2采樣方法

呼氣末二氧化碳（end-tidal CO2，ETCO2）的采樣方法主要分為主流式和旁流式，2種采樣方法各有優(yōu)缺點，現(xiàn)分別介紹如下。

3.2.1 主流式采樣

主流式采樣指將紅外氣體濃度傳感器直接安裝在患者呼吸管路上，患者呼出的氣體直接進入紅外氣體濃度傳感器進行檢測，如圖4所示，檢測結(jié)果經(jīng)處理后輸出波形圖，實時顯示在監(jiān)視器上。

3.2.2 旁流式采樣

旁流式采樣需在呼吸管路上引出一根采樣管，氣泵將呼出氣從呼吸管中經(jīng)采樣管抽入氣體過濾裝置，過濾掉水汽、細菌后呼出氣進入紅外氣體濃度傳感器進行檢測，再將檢測結(jié)果顯示在監(jiān)視器上，如圖5所示。

3.2.3 主流式采樣與旁流式采樣優(yōu)缺點對比

主流式采樣與旁流式采樣優(yōu)缺點對比詳見表3。

3.3 精度優(yōu)化方法與相關(guān)設(shè)備研究進展

目前，pET（CO2）監(jiān)測的相關(guān)理論研究和設(shè)備研發(fā)主要針對提高監(jiān)測精度、設(shè)備多功能化、設(shè)備小型便攜化及適配組件4個方面。下文將對這4個方面的研究進展分別進行概述。

圖4 主流式采樣方式

圖5 旁流式采樣方式

表3 主流式與旁流式采樣方法優(yōu)缺點對比

3.3.1 精度優(yōu)化方法

檢測使用的傳感器精度主要取決于傳感器廠家的制造技術(shù)，短期內(nèi)難以提升。目前主要依靠各種方法補償測量過程中的誤差以提高精度，主要集中在改進檢測系統(tǒng)、降低環(huán)境影響及過濾雜質(zhì)3個方面。

檢測系統(tǒng)作為氣體體積分數(shù)檢測的基礎(chǔ)，其優(yōu)劣將影響整個檢測過程，因此在設(shè)計檢測系統(tǒng)時運用各種電路算法增強穩(wěn)定性、補償誤差十分重要。有研究[1]利用電調(diào)制技術(shù)改進雙通道熱釋紅外傳感系統(tǒng)，以提高信噪比、避免零點漂移。該系統(tǒng)還采用信號分解法補償呼吸氣中的水蒸氣和氣流強度變化干擾，進一步提高了檢測精度。雙波長單光路的差分檢測法[30]則可實現(xiàn)抵消光源衰減、波動的影響，降低成本，減小體積。目前各種實現(xiàn)檢測系統(tǒng)優(yōu)化方法間的效果缺少對比，在實際應(yīng)用時難以決定最優(yōu)的優(yōu)化方法，仍需進一步研究。

修正環(huán)境因素產(chǎn)生的誤差也能有效提升測量精度。在實現(xiàn)方法上，既可綜合利用多種傳感器[31]將環(huán)境參數(shù)的變化實時引入測量過程并予以校正，也可通過預(yù)先封裝標(biāo)準參考氣體[32]等方式將檢測系統(tǒng)與外界隔離，或保持環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定來避免不良影響的產(chǎn)生。有研究[33]使用半導(dǎo)體制冷器和溫度傳感器對測量氣室進行控溫，使其溫度穩(wěn)定在25℃。測量完成后也可利用校正公式[34]進行一定程度的數(shù)據(jù)修正。對比而言，采集環(huán)境參數(shù)進行校正的方法較為復(fù)雜且校正算法的普適性和準確性仍待研究，而利用物理方法隔絕或控制環(huán)境因素則更易實施且成本較低，這也將成為今后研究的重要方向。

過濾掉可能會影響檢測或堵塞儀器的水蒸氣、黏液、雜質(zhì)等也是降低測量誤差、提升設(shè)備可靠性的有效途徑之一。過濾裝置能設(shè)置在管路兩端[35]，也能以濾芯的形式設(shè)置在采樣管中[36]。傳統(tǒng)的濾紙、紗網(wǎng)等濾材在使用過程中易被浸濕或堵塞，因此該方向的研究應(yīng)緊密結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)，設(shè)計出更為易用、耐用的過濾裝置。例如，已有一種開放式的含氟高分子離子交換管[37]，呼出氣進入管后由于管壁的強吸水性水蒸氣會集中在離子膜上并向管壁方向擴散，最終以高體積分數(shù)水蒸氣的形式排出，實現(xiàn)呼出氣的干燥。由于不會在管中產(chǎn)生冷凝水，故這種干燥管無需頻繁更換，性能也更為優(yōu)越。

3.3.2 檢測設(shè)備多功能化

在檢測設(shè)備上集成多種功能可避免不同設(shè)備間的沖突，減少設(shè)備數(shù)目，簡化檢測過程。供氧設(shè)備常集成pET（CO2）監(jiān)測功能，其形式可以是集成有采樣管和pET（CO2）監(jiān)測模塊的呼吸面罩[27]或鼻氧管[38-39]等。簡單功能的集成難以滿足愈發(fā)高標(biāo)準的護理需求，故相關(guān)研究向著更多功能的集成發(fā)展，如同時集成了呼吸頻率和pET（CO2）監(jiān)測功能的口咽通氣道[40]，可檢測CO2、笑氣、氧氣以及幾種麻醉氣體體積分數(shù)的醫(yī)用呼吸氣體測量機[41]等。此外，檢測設(shè)備的智能化、物聯(lián)化也十分重要。實時綜合多設(shè)備、多種類監(jiān)測數(shù)據(jù)并由計算機對患者狀況做出智能判斷既可及時應(yīng)對患者的突發(fā)狀況，也可大大減輕醫(yī)護人員的負擔(dān)。目前可智能監(jiān)測呼吸數(shù)據(jù)的呼吸機面罩[42]、織物傳感器[43]、可穿戴系統(tǒng)[44]等均有研究，該方向可以結(jié)合計算機技術(shù)、5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等熱點技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。

3.3.3 監(jiān)測設(shè)備小型化

監(jiān)測設(shè)備的小型化同樣是重點研究領(lǐng)域。目前已有諸多小型pET（CO2）監(jiān)測設(shè)備的研究和專利，如用于傷員轉(zhuǎn)運及現(xiàn)場急救中患者監(jiān)測的便攜pET（CO2）監(jiān)測儀[45]。圖6是一種可手持的旁流式呼氣末CO2檢測裝置[46]，類似的儀器中還可以集成用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤i-Fi和藍牙模塊[47]。圖7所示新型掌式呼氣末CO2監(jiān)護儀可通過適配接頭與pET（CO2）監(jiān)測模塊、血氧模塊相連[48]，大大方便了醫(yī)護人員使用。設(shè)備小型化也有利于患者使用，如某掌式pET（CO2）監(jiān)護儀小巧、靜音，可適應(yīng)患者睡眠時的監(jiān)測需求[49]。減小體積、降低質(zhì)量可通過使用輕質(zhì)材料和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)，如利用碳纖維、鋁合金、亞克力等材料，采取鏤空設(shè)計等。但氣體體積分數(shù)測量所用的電路板、控制芯片、傳感器等元件體積仍較大，集成度不夠高等問題阻礙了本方向的發(fā)展。對此可參考手機等設(shè)備的元器件和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行更為緊湊的集成電路設(shè)計，從而為呼吸氣體監(jiān)測儀器的小型化提供更多發(fā)展空間。

3.3.4 適配組件的發(fā)展

圖6 一種旁流式呼氣末CO2檢測裝置[46]

圖7 一種新型掌式呼氣末CO2監(jiān)護儀[48]

圖8 一種用于呼氣末CO2監(jiān)護儀的適配器[52]

除以上3個方面，在CO2檢測儀器的適配組件領(lǐng)域也有相關(guān)研究。如針對嬰兒呼出氣易受新鮮氣流影響而進行改良設(shè)計的呼氣末CO2氣管導(dǎo)管[50]、內(nèi)置采樣管的氣管插管[51]等。不僅是管路，在檢測設(shè)備的內(nèi)部組件上也有創(chuàng)新。如圖8所示的用于呼氣末CO2監(jiān)護儀的適配器[52]，將傳統(tǒng)機內(nèi)光學(xué)測量室移入適配器中，發(fā)生液態(tài)水和雜質(zhì)堵塞時只需更換適配器，避免了對主機內(nèi)部造成影響。適配組件的設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分聽取醫(yī)護人員的意見，針對現(xiàn)有儀器使用過程中的問題和缺陷進行改進或創(chuàng)新，以簡化操作流程、優(yōu)化使用體驗。同時還應(yīng)注重與已有儀器的兼容性，這既有利于適配組件的推廣，又可避免不必要的資源浪費。

4 結(jié)語

pET（CO2）監(jiān)測在臨床領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。在合適的條件下，它能反映呼吸、代謝、循環(huán)機能，指導(dǎo)插管和機械通氣，輔助疾病診治或發(fā)現(xiàn)不良事件。利用pET（CO2）監(jiān)測進行患者護理安全無創(chuàng)、成本低廉，在國內(nèi)外都得到大大推廣和普及，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

目前pET（CO2）監(jiān)測設(shè)備最常用的原理是非分散紅外光譜吸收技術(shù)，這種技術(shù)相比傳統(tǒng)檢測法更加準確且易于實施。呼出氣采樣方法分為主流式和旁流式，旁流式雖目前應(yīng)用更為廣泛，但由于主流式具有響應(yīng)快、低延遲的優(yōu)點，未來相關(guān)技術(shù)研究應(yīng)會向著主流式發(fā)展。

當(dāng)前pET（CO2）監(jiān)測相關(guān)器械設(shè)備朝著高精度、微型化、高可靠的方向發(fā)展。校正誤差、提高檢測精度的方法多種多樣，但各研究之間往往相互獨立，缺少綜合利用各種方法實現(xiàn)檢測精度全方面提高的方案。儀器設(shè)備的多功能化、小型化以及適配組件設(shè)計也是熱門研究方向，這對推廣pET（CO2）監(jiān)測技術(shù)在我國的發(fā)展應(yīng)用具有十分積極的意義。

未來pET（CO2）監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展既需要廣大醫(yī)護工作者結(jié)合實際經(jīng)驗與臨床研究以開創(chuàng)更多pET（CO2）監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域，也需要相關(guān)器械設(shè)計人員針對現(xiàn)有儀器的問題進行改良與創(chuàng)新。在設(shè)計新型器械時應(yīng)當(dāng)綜合利用各種理論研究和方法提升精度，結(jié)合材料科學(xué)、電子科學(xué)、工業(yè)設(shè)計等專業(yè)知識，并與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域緊密結(jié)合，設(shè)計出高精度、智能化、人性化的pET（CO2）監(jiān)測設(shè)備。隨著醫(yī)療需求逐年增加，相關(guān)電子、材料、通信技術(shù)的不斷進步，這一領(lǐng)域無論是市場還是技術(shù)都具備十分廣闊的發(fā)展前景，該領(lǐng)域的進步也將為我國醫(yī)療護理水平的提升做出重要貢獻。