热稀释法的心排量监测系统的研制

叶继伦，蒋芸，罗塞，王凡，张旭

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

热稀释法的心排量监测系统的研制

【作 者】叶继伦1,2，蒋芸1，罗塞1，王凡1，张旭2

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

心排量监测是血液动力学监测中最重要的监测项目之一，热稀释法是临床上被公认为监测心排量的标准方法，到目前为止仍然具有无可替代的优势。该文主要介绍采用热稀释法搭建的测定心排量的监测平台，包括硬件平台，软件设计和计算处理的介绍。在实验室用心排模拟器进行了大量的测试和在医院进行了初步的临床测试，证明本系统具有非常好的准确性和可重复性。

心排量；热稀释法；有创性监测；血液动力学监测

0 引言

心排量（Cardiac Output, CO）是指心脏在单位时间内将血液泵至周围循环的总血量[1]。它是临床上反应循环系统和心脏功能的基本指标，是获取全套血液动力学指标不可或缺的参数。在临床麻醉、高风险外科手术和ICU中，常用于对危重病人和血液动力学不稳定的患者进行监测来指导临床治疗[1-3]，同时亦可用于治疗效果的评价。

监测心排量的方法主要分为有创性监测和无创性监测两大类[2]，临床上多采用有创性监测。有创性监测主要有以下几种测量方法：Fick法、染料稀释法、锂稀释法、热稀释法、连续热稀释法、PiCCO法等[1,3]。其中热稀释法公认为临床实践监测心排量的金标准[3]，常以此为参考来对其他测量方法的准确性进行比对评估[2]。本文主要介绍基于热稀释的心排量监测系统的设计、分析和测试。

1 监测原理和方法

热稀释法是一种以温度作为指示剂进行心排量测定的方法[1]。大量的研究资料和临床实践证明，利用这种方法测定心排量相当可靠，准确性和抗干扰性较其他方法具有明显的优势，因而迅速成为了一种重要的测定心排量的方法[2]。

热稀释法测定心排量的原理是在上腔静脉或右心房处通过穿刺的方法插入漂浮导管到心脏内部[1]，在漂浮导管一端快速地注入一定量一定温度的冰水到心脏内部，由此可带来心脏内部能量的变化，导致血温下降，由于循环的作用，血温会迅速恢复到正常情况下血液的温度，而血温恢复的速度与心排量成正比，通过漂浮导管末端的高灵敏度热敏电阻可以精确的监测出血温的改变，这个血温的变化可以描绘出一条曲线，被称为时间—热稀释曲线。在已知注射液温度和容积的情况下，通过分析这条曲线就可以推算出CO。依据Swan和Ganz等介绍的计算方法[2]，若令，则：

式中： VI为注射液的容量；A为热稀释曲线下方的面积；k为校正系数；TB、TI分别为血液温度和注射液温度；SB、CB、CT为血液的比热和注射液相关常数；CT为操作过程中对温度散失进行校正的系数[2]。

2 心排量监测系统设计

2.1 系统构架

心排量监测系统主要包括：监测模块、通信模块、显示交互平台、传感器及其连接部分四大部分，系统架构如图1所示。采用MFC开发的一个上位机PC软件作为信息显示和参数设置平台。

图1 系统构架图Fig.1 System architecture diagram

2.2 硬件系统设计

心排量监测模块的硬件系统组成部分主要包括单片机控制电路、采样控制电路、信号放大电路、低通滤波电路、A/D转换电路、串口通信模块、系统电源及给ADC提供精准参考电压的电源，硬件系统如图2所示。

图2 硬件系统框图Fig.2 Frame diagram of hardware system

系统采用以Cortex-M3为内核的STM32作为主处理器。为提高电路的抗干扰能力，系统采用低噪声、低漂移和低零失调的高性能放大器对Ti、Tb的信号的放大，经过低通滤波器后进入A/D转换器来对信号进行采集。由热稀释法的测量原理可以知道，要提高测量系统测量准确性，采集的数据必须能够精确灵敏的反应出血温变化和注射液温度，因此系统采用一片高精度、中速的A/D转换器来采集Ti、Tb的信号，确保对Tb高精度获取。

2.3 算法处理和软件设计

在测定心排量时，根据前文介绍的热稀释法的测定原理和计算公式(1)可知：S1、C1、CT、SB、CB这些参数根据注射液和血液的物理特性确定，属于不变参数，令，则公式(1)可以简化成如下形式：

式中：K为恒定常数，在实际计算时，K值依据不同厂家的漂浮导管的型号，以及注射液体积等参数进行设置；VI为注射液的容积，一般为(5～10) mL不等[2]；TB为测定开始时候的血液温度；TI为注射液的温度，一般为0oC或22oC左右，VI、TB、TI这三个参数的数值系统可以准确获取。因此，参数A计算的准确与否直接影响到最终心排量测定结果。

在测定心排量时，通过漂浮导管可以获取Ti、Tb的变化情况，根据Ti、Tb的变化情况可以绘制如图4所示的一个时间—温度稀释曲线，如图3所示，参数A的值即为这条曲线下方的面积，即。代入这些数值便可推算出心排量。

图3 标准热稀释曲线描记图（CO=2.5 L/min）Fig.3 Standard thermodilution curve（CO=2.5 L/min）

对于系统的底层软件，主要流程为系统首先初始化，当接收到上位机发送的开始测量命令后，根据设置情况初始化相关参数变量；获取测量开始时的TB、TI的值后，按特定频率采集Ti、Tb信号然后进行处理，实时上传波形数据，当完成一次测量后，计算测量结果，反馈测量状态，上传测量结果。软件执行的基本流程如图4所示。

在Ti、Tb数据处理环节的详细处理流程如图5所示，由于Ti、Tb的变化都是频率非常低的信号，因此将采集到的数据进行了二阶巴特沃思低通滤波，很好的滤掉了噪声和高频干扰，滤波后的数据就可以计算实际的温度值，根据温度值的变化可以绘制出时间-温度稀释曲线，并把曲线对应的数据存进数据缓冲区，待完成一次测量后便可进行计算。若Tb表示时间温度曲线，Tb(i)表示缓冲区第i个数据，数据缓冲区共有N个数据，采样间隔为Δt，则可得式(3)。通过存储的曲线缓冲区的数据进行积分计算出A并可求出心排量。

图4 数据采集基本流程图Fig.4 Flowchart of data collection

图5 Ti、Tb数据处理流程图Fig.5 Flowchart of Ti, Tb data processing

3 心排量监测系统的测试和结果分析

在对本系统做了大量的改进后，为了检测本系统的测定心排量的准确性和可重复性，进行了实验室和临床两方面的测试，下面是测试的具体情况。

3.1 实验室测试

(1) Ti 测试

Ti检测是用于测定CO时测量注射液的温度。传感器反应出的不同电阻对应于不同的注射液温度，检测电阻值的变化就可以检测出对应的注射液温度。本设计中传感器对应的电阻变化范围为：60.41 kΩ～89.8 kΩ，对应于0～27oC温度范围。基于此原理进行Ti的准确性测试和重复性测试，精度测试的情况如表1所示。

表1 Ti 准确性测试Tab.1 Ti accuracy test

(2) Tb 测试

Tb检测是用于测定CO时测量血液温度的变化。在实验室测试Tb时，在温水水槽中，采用高精度的体温探头与不同型号的漂浮导管进行同步测量，选取6个点进行测量，表2是对不同型号的漂浮导管测试Tb的情况。

表2 Tb 准确性测试Tab.2 Tb accuracy test

(3) 心排量测试

在实验室测试中，采用FLUKE的MPS450多参数模拟器对心排量监测系统做了准确性和重复性的测试，MPS450模拟器可模拟输出心排量的电信号分别为2.5 L/min、5.0 L/min、10.0 L/min，图6所示是对本监测系统的一个基本测试情况的记录的曲线图，一共3组，每组测试10次。

图6 模拟器测试Fig.6 Simulator test

一般情况下，在临床中测定血液动力学的参数时，测定的结果允许出现20%以内的测量误差[2]。根据测试的情况，用模拟器测试的结果中，误差最大为0.6%，平均误差为0.2%，测试结果具有非常好的准确性和可重复性，当然，基于模拟器的评估重点就是观察测量系统的重复性，这里的准确性仅供参考。

3.2 初步临床测试

(1) 评估方案说明

心排量测量系统完成并通过了实验室的准确性和可重复性测试后，必须通过临床评估来进行比对研究进一步的检验系统的实用性。由于监测心排量的特殊性，在测定心排量时，和对比设备需要用到同一根漂浮导管，每一次测量，只能一个设备与之连接，因此医院的对比设备（国外某知名品牌的在线产品）和本监测系统并不是测定的同一时刻的数据，是有先有后的，两个设备测量的时间差大约在一个测量周期加间隔时间，所以测定的结果会有一定的偏差。

(2) 临床评估说明

考虑到临床测试的创伤性大的问题，目前只做了初步的临床测试，还没有大量地做临床验证。表4为一位65岁的男性患者的监测数据，根据从医护人员了解到，该位患者身体情况比较稳定。6组数据分为两次测试，每次3组数据，两次测试时间间隔约为1.5 h左右。测量时注射的冰水是温度为23oC的生理盐水。

表4 临床测试数据Tab.4 The clinical test data

根据表4可知，本监测系统对该患者测定的CO数据较为稳定，和了解到的患者的身体情况基本相符合；从测量的数据可以看到本监测系统测定的数值会比医院的对比设备测定的数据略低一些，但是更为稳定。

4 小结与展望

本文主要介绍了采用热稀释法搭建的测量平台硬件设计、软件设计、计算处理、实验室的模拟器测试、初步的临床测试等。根据测试的结果可以初步证明该监测系统具有良好的准确性和可重复性，说明整个系统方案的设计具有相当的应用价值。为了进一步验证本系统的可靠性和准确性，还需要进一步的临床测试。

随着我国医疗监测仪器及其临床应用技术的发展和社会对医疗设备要求的提高，热稀释法也不可避免的露出了某些不足，如不能连续性监测，不能动态的掌握患者的血液动力学指标，不利于医护人员对患者诊治的状态连续观察，而国外这方面的技术已经相当成熟。因此，为了提高我国血液动力学连续性监测的医疗水平，发展连续性监测系统具有十分重要的意义，这也正是我们后期的目标，本监测系统的研究和实现，为后期的连续性监测系统的设计奠定了理论和实践基础。

[1] 余守章, 岳云, 于布为, 等. 临床监测学[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2005.

[2] 游卫华, 陈哲林, 李宗文, 等. 临床血液动力监测学[M]. 广东: 广大人民出版社, 2004.

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

[4] 于金贵, 舒雅. 各种心输出量测定方法评价[C]. 第七次华东六省一市麻醉学学术会议暨浙江省麻醉学术年会论文汇编, 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

深圳市科创委项目(SW201110039，SDSY20120612094855904)；广东省科技厅项目（2012A032200025)

叶继伦，教授，E-mail: yejilun@126.com

张旭，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.