有创血压测量技术的研究进展
2015-01-26余立君黄振王兢业罗宏
余立君,黄振,王兢业,罗宏
襄阳市中心医院(湖北文理学院附属医院), 湖北 襄阳 441021
有创血压测量技术的研究进展
余立君,黄振,王兢业,罗宏
襄阳市中心医院(湖北文理学院附属医院), 湖北 襄阳 441021
本文阐述了有创血压测量的实现过程、优点和测量的影响因素,综述了有创血压测量技术及其装置(包括有创血压监护仪和传感器)的研究进展,并对植入式测压装置和降压装置的临床试验前景进行了展望。
有创血压测量;监护仪;压力传感器
血压测量是评估血压水平、诊断高血压以及观察降压疗效的主要手段[1],在临床诊断和家庭保健中越来越重要。目前有多种方法来测定血压波形和血压值,但按技术常分为无创和有创两大类。无创法是一种基于心音、压力、血流量、时间和频率5种间接参数测量血压的方法[2],通过袖带、指套、体表压力或超声传感器提取动脉管壁脉搏振动、血管容积变化等信号,利用柯氏音或特定的算法(示波法、容积法、脉搏波法、超声法或其他改良方法)测量血压。有创法又称直接测量法,是将经体表插入的各种导管或压力传感器放置于心腔、动静脉血管内从而直接测量血压的方法。有创法具有响应时间快、结果准确、抗干扰强和应用范围广泛等特点,被国际学术界认定为血压监测的金标准[3]。
1 有创血压测量的实现
有创血压(Invasive Blood Pressure,IBP)测量的实现过程主要包括:① 信号传递通道的建立;② 传感器与信号的连接;③ 信号放大与压力波形的数字化处理(包括滤波、特征识别与参数计算);④ 测量参数和压力波形的动态显示与存储。
首先在患者的测量部位建立直接的通道,将导管、植入式无线压力传感器装置或皮下包埋的体内控制器经微电缆连接的传感器置于心脏或动静脉血管内,前者借助液体连通将血压传递到外部的压力传感器上,有创血压电缆将压电信号传输到多道生理记录仪或带有创血压模块的监护仪中,然后通过无线射频技术将测量的数据、压力波形传输到体外的接收控制装置,计算出相关的参数值。
有创动脉波形反映了心肌的收缩力、动脉弹性、瓣膜情况、心输出量、血容量等重要信息。一般情况下,有创法测得的收缩压比无创法要高,测得的舒张压比无创法要低[4]。有创法可实时、准确、动态地获取心血管血压的变化,在急救、心血管手术和重症监护病房得到了广泛的应用。此外,生命科学研究中常用有创血压验证电子血压计特征参数提取、软件算法的准确性[5],评价新型设备测量技术的有效性[6]。
2 有创动脉血压测量的优点
无创血压(Non-Invasive Blood Pressure,NIBP)测量具有局限性,多种因素均可影响血压测量的准确性,在运动后或低灌注情况下可能测不准或测不出,改进后的NIBP测量方法也无法达到IBP的测量精度[7]。而IBP除测量准确外,还具有以下优势:① 监测数据全面,不仅可测量多部位动脉血压,还可测量中心静脉压、肺动脉楔压、左房压、颅内压等10余项生理参数;② 连续动态测量,可获得连续的动脉血压波形和动态的数值变化,能及时发现危急重病患者的病情变化,是围手术期血流动力学监测的主要手段;③ 指导抢救,在严重烧伤病人休克期时,可通过有创法测量中心静脉压和肺动脉楔压,防止输液过多导致心脏前负荷过度,对液体复苏多指标的监测具有重要意义。IBP测量可以指导心肺复苏的按压深度和频率,不仅可控制按压效果,还可以评价复跳后的心脏功能,提高心肺复苏抢救成功率。
3 IBP测量的影响因素
IBP测量精度取决于传感器和监护仪的精度,影响IBP测量结果的的外部因素较少,仅与测量部位、系统校零、导管口方向、测压装置校验等有关[8]。为确保测量的准确性,保证动脉测压系统的稳定性、灵敏性、线性和适当的频率反应,在监测的过程中应规范操作,并对一次性压力传感器进行有效的管理,注意传感器和测压装置的谐频率和阻尼系数的匹配,使用充液导管测量动脉压。因阻尼过大和衰减造成不太理想的血压波形[9],可通过冲洗排气和校零解决。
4 有创血压测量技术的发展
监护仪和传感器技术的发展促进了有创血压测量技术的发展。当前,监护仪向着模块化、专业化、智能化以及信息网络化等方向发展,而传感器向着微小型化、集成化、智能化、网络化、微功耗及无源化方向发展,无线遥测、射频充电技术已用于IBP测量和高血压治疗试验中。
4.1 有创监护技术的发展
有创监护技术的发展体现在:
(1)生命信息的全方位监测。监护技术已扩展到血流动力学、麻醉深度、特殊麻醉气体、颅内压、胃黏膜pH值、经皮血气生化分析、除颤、母婴安全等生命信息的全方位监测,扩展了监护仪的临床应用范围。
(2)向专科化方向发展。功能模块和软件包可灵活配置,分别用于重症医学、心脑血管、母婴分娩、新生儿、麻醉手术、除颤监护、呼吸睡眠、运动医学等专科,为患者提供个性化监测以辅助诊断。
(3)监护设备软硬件的升级创新。算法及分析技术的优化,以及抗运动和低灌注功能的增强,使得测量响应速度更快;基于容积脉搏波的逆向式无创血压测量技术以及数字式血氧测量技术的应用,提高了参数测量的舒适性和准确性;柔薄质轻的压电薄膜和薄膜线缆开始替代传统元件,已应用于呼吸热电监测、睡眠监护床、航天员健康监测等领域[10];医用监护仪正逐步实现微型化、便携化、甚至可穿戴化[11],以适应野外、战地以及院内院外病人转运、航天医学和家庭监测的需求。
(4)有创血压模块研究。有创血压模块支持2~8通道有创血压测量,插件式血压模块多采用光电隔离技术,保证了测量的安全和精度。叶继伦等[12]认为,若要改进测量的准确性和及时性,需加强对各种类型的压力特征波形的自动准确识别,进而准确识别收缩压和舒张压,设置合理的响应时间,准确分析压力变化趋势。
(5)逐步实现网络中央监护、远程监护和家庭监护。监护仪与云计算技术相结合,可方便医院信息系统调阅患者信息,并与其他具有云计算功能的医疗设备组成新的医疗系统[13],甚至可把其他设备中的图像整合到监护仪上。监护仪、中央监护系统与临床信息系统(Clinical Information System,CIS)的信息共享与整合[14],可对全天数据进行智能汇总,自动生成医疗护理单、麻醉记录单,提升了电子病历系统的自动化水平。基于数字无线网络通讯技术(3G、4G、WiFi、WiMAX(802.16))的移动监护技术的应用,彻底打破了床旁监护设备与中央台的距离限制,实现了病人院前急救、院内转运中的连续监护,监护终端在病区的任意移动、随时随地的数据共享,方便了远程监护和远程会诊,促进了家庭监护的应用和发展。
总之,监护仪正逐步朝着智能化和多功能化方向发展[15],其研究方向是发展集成化、舒适化、方便化、穿戴式、非侵入性健康信息监测技术,完善生理信息连续监测方法,提高生理信息抗运动干扰的能力[16]。
4.2 医用压力传感器技术的发展
压力传感器在生物医学方面应用广泛。人体血压、颅内压、肺部压力、膀胱和尿道压力以及血流状况的测量,都需要微型、精确、耐用、可靠、对人体无害的压力传感器。一般选用医用级聚氯乙烯、聚碳酸脂作为体外医用压力传感器的测压连接管和主体的材料。常用的医用压力传感器有NPC、ICS系列、M4415、MPX2300DTI、Model1620(1630)、OPP-M、FOP-M等。
随着制作技术的成熟和器件性能的不断提高,传感器正朝着短、小、轻、薄的方向发展,从分立式元件向单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展[17]。
(1)单片集成化。微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)采用硅加工、LIGA加工等工艺,将压敏元件、电桥线路、前置放大器、A/D转换器、微处理机、接口电路、存储器等分层加工制作在一个硅单元器件或芯片上,形成微小型化的测量和控制系统。
(2)微小型化。微结构传感器的敏感元件尺寸为微米级,封装后的尺寸大多小于毫米级。微型压力传感器已经可以小到能放在注射器内,通过注入血管进行血液流动情况的监测[18]。2011年美国密歇根大学丹尼斯•西尔维斯特教授研制了大小只有1 mm3的植入式眼压监测计算机,其包括微型处理器、压力传感器、记忆卡、太阳能电池、太阳能蓄电池和无线收发装置等。
(3)智能化。智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用的微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起,并具有诊断、数字双向通信等新功能的传感器[19]。在外科手术领域,将封装尺寸极小(一般为0.4 mm)的MEMS传感器整合到内窥镜手术器械内部,增加其触觉功能,可帮助医生监测和控制手术中的穿孔和穿刺力,提高手术的准确性。
(4)微功耗及无源化。微功耗、无源化将提高系统寿命,是传感器的必然发展方向。
(5)网络化。新一代智能传感器包含数字传感器、网络接口和处理单元,可实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享,在更换传感器时“即插即用”,无须进行标定和校准。
压力传感器按照使用类别可分为植入式、暂时植入体腔(或切口)式、体外式和用于外部设备的传感器。本文就植入式和体外式压力传感器进行介绍。
4.2.1 植入式压力传感器
压力传感器的直径<0.5 mm时即可植入到人体的重要器官中而不影响正常生活。美国Entran公司生产的植入式压力传感器直径仅为1.27 mm,适用于心血管疾病的诊断和治疗;瑞典学者采用微硅机械加工技术研制的光纤压力传感器,其外径为0.49 mm[20]。主流的植入式压力传感器包括压电陶瓷、复合压电材料、光纤传感器等。光纤压力传感器可在强电磁、射频及高频电刀、核磁共振的干扰下,获得高保真、高精确的压力测量。当前,光纤传感器在医学中已用于至少8种人体压力参数的测量[21]。其中全光纤结构压力传感器技术比较成熟,主要用于介入式血压测量、植入材料内部进行的应力监测、油井内的压力监测等[22]。植入式压力传感器的供电方案包括:① 采用压电薄膜传感器进行无源工作;② 使用射频电磁耦合技术供电。
4.2.2 体外式压力传感器
体外式压力传感器由流量控制器、传感器芯片、三通等组成。体外式IBP传感器的发展趋势:① 研发出更高性能的芯片,使测量参数更精确;② 改进封装材料和结构,减少突发事件对测量的影响,方便医务人员操作,减少废弃物污染;③ 加强压力传感器在中心静脉压、肺动脉压、左房压、颅内压中的应用研究[23]。
4.3 植入式测压装置
利用植入式测压装置可长期、实时地测量生理参数,对心血管疾病的治疗和疗效评价具有十分重要的意义。本文主要介绍以下3种植入式测压装置的研究和应用进展。
(1)德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer Institute)与Dr. Osypka GmbH公司合作,共同研发出了“高血压患者血管内检测系统”(Intravascular Monitoring System for Hypertension Patients,Hyper-IMS)。该系统由植入式传感器、信号发射单元和体外接收器组成。此装置使用了特殊的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor,CMOS)器件,系统的能耗低至300 μ W。
(2)美国食品药品监督管理局(FDA)已批准了一种集成医用支架的无线心血管压力监护装置[24],该装置由基于MEMS的微型硅元件和德州仪器的可编程专用集成电路组成,可实现电容式传感器的压力测量,压力分辨率可达0.5 mmHg。该系统采用无线供电,并可实现电压调节和无线遥测等功能,传输距离约为10 cm,数据速率为42.2 kb/s。
(3)2014年5月28日,美国FDA批准了CardioMEMS HF系统。该系统用于III级心衰患者心率和肺动脉压的测量,可准确反映舒张期左心室充盈压力的变化,从而监测心衰。小规模的临床试验证实了该装置具有安全性和有效性[25],并可减少心衰患者30%的住院治疗时间。
4.4 植入式降压装置
植入式血压调节装置由体外控制仪和体内调节装置组成,体内调节装置包括体内控制器、脉冲发生器和可伸进血管壁用于刺激颈动脉窦的电极、内部电源等。其工作原理如下:体外控制仪根据程序或用户设定的参数向体内控制器发出指令,然后动态调节脉冲信号的频率和强度,利用电极激活颈动脉减压反射,通过负反馈机制抑制交感神经、兴奋迷走神经,作用于心脏、血管和肾脏等部位,通过减慢心率、扩张血管和利尿等作用使血压下降[26]。
2004年高兴亚等[27]在国内首次报道了芯片植入式血压控制系统,通过即时改变刺激主动脉神经的脉冲频率从而调控血压,结果表明,血压降低的幅度>20 mmHg,且可保持平稳。2006年,美国罗切斯特大学医学中心John Bisognano博士与美国CVRx公司公布了Rheos压力反射高血压治疗系统的初步临床结果。该系统由电池供电的植入式发生器和两根颈动脉窦导线组成,发生器包埋在锁骨附近的皮下,而两根导线分别由发生器连接到左右颈动脉分叉处。临床研究结果表明,采用Rheos系统能连续4年降低患者的收缩压,并能长期保持压力反射的敏感性。目前该系统已经发展到Barostim neo版本,其采用单侧导线,颈动脉窦刺激器直径仅为1 mm,脉冲发生器电池容量更大。软件方面也进行了更新,可以关闭压力反射激活系统,使低血压或休克病人的自主神经系统重新产生正常的生理应激反应;可依据病人临床状况的变化调节刺激强度,并在不同时段依据病人不同的治疗效果设置相应的刺激参数。采用Barostim neo系统的降压效果与Rheos系统无差异。德国弗莱堡大学工程师Dennis Plachta提出了另外一种解决方案[28],刺激器采用长约20 mm的微型机械式细带电极,该电极环绕在迷走神经周围,通过刺激颈部神经来降低血压。总而言之,植入式智能血压调节装置将有望替代降压药物,为顽固性高血压的治疗提供同步的解决方案,具有巨大的潜在应用价值。
5 小结
综上所述,有创血压测量技术不断发展,今后的研究方向是开发经济、高效、微功耗的自动化测压器件,优化软件算法设计,提升抗运动干扰和抗复杂电磁环境的能力,创新自主降压治疗技术,从而提高患者的生存质量,提高其应用的安全性和可靠性,降低制造和使用成本。
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Research Progress on Invasive Blood Pressure Measurement Technology
YU Li-jun, HUANG Zhen, WANG Jing-ye, LUO Hong
Central Hospital of Xiangyang (Affiliated Hospital of Hubei College of Arts and Sciences), Xiangyang Hubei 441021, China
This paper describes the implementation process and advantages of invasive blood pressure measurement as well as the factors a ff ecting the accuracy of the results. The research progress on invasive blood pressure measurement technology and equipment such as invasive monitors and invasive pressure sensor are also reviewed in this paper. And clinical trials of implantable pressure measuring devices and therapy device is prospected.
invasive blood pressure measurement; monitor; pressure sensor
R443+.5
A
10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.019
1674-1633(2015)03-0067-04
2014-07-22
2014-11-18
黄振,襄阳市中心医院设备处副主任。
通讯作者邮箱:hzdqqmail@qq.com