密闭流动池脉冲流动液流速的电阻抗参数表征方法研究

2021-02-05马结实周德强张和华颜乐先种银保

中国医学物理学杂志 2021年1期

马结实，周德强，张和华，颜乐先，种银保

前言

失血性休克是一种常见的临床急重症［1］。静脉输液是一种院前失血性休克治疗的重要手段［2］。在静脉输液过程中，急救医生往往根据输注的药品和患者的休克程度而选择适当的输液速率，以防止输液过快或过慢而导致严重并发症［3］。为了解决院前失血性休克患者快速输血输液问题，本课题组前期基于微机电系统（MEMS）［4］和微细加工（LIGA）［5］理论开发了一种低功耗、便携式院前急救输血输液装置［6］，其系统包含输液袋、标准Luser连接器［7］、带单向阀的弹性泵管A/B、往复式微电磁直线电机、空气消除膜片、阻抗探测器及测控系统，弹性泵管、空气消除膜片和阻抗探测器集成在输液板上，如图1所示。

图1 输血输液装置输液板的结构组成Fig.1 Structure of transfusion plate for the transfusion device

输血输液装置的工作原理［8-9］：挤压输液袋，单向阀全部打开，液体充盈整个管路，挤压完毕后单向阀全部关闭，此时电阻抗电极探测的对象是单向阀2、4到Luser 连接器之间的流动液，密闭流动池流动液的体积为V1；当往复电机挤压A 泵管时，在挤压初期，单向阀2打开，其它单向阀关闭，泵管A容积为V2，此时密闭流动池流动液的体积为V1+V2，当电机挤压泵管A 到结束状态时泵管A 容积为V3，此时密闭流动池流动液的体积为V1+V3，V2大于V3，减少的流动液（V2-V3）从Luser连接器排出，密闭流动池流动液的体积变化量为V2-V3，导致其电阻抗发生变化；当往复电机挤压B 泵管时，单向阀4 打开，其它单向阀关闭，密闭流动池流动液的体积恢复到V1+V2，经过挤压后，密闭流动池流动液体积降低到V1+V3，流动液体积的变化导致测得电阻抗的变化。往复电机按照一定的频率交替挤压输液板上的泵管A、B，在输液板流动池内形成具有一定速率的脉冲流动液，挤压的频率越高，输出的流动液的流速（即每小时输出液体升数）越高，同时密闭流动池流动液的电阻抗变化波形的频率也越高。该设备在密闭流动池的内壁上镶嵌了两个不锈钢圆柱电极，用来测量流过密闭流动池的脉冲流动液的电阻抗变化Z（t），从而监测流动液的状态。密闭流动池脉冲流动液电阻抗测量的原理框图如图2所示。

图2 密闭流动池脉冲流动液的阻抗测量原理图Fig.2 Schematic diagram of impedance measurement of PFL through the CFC

基于电阻抗的测量原理，该输血输液装置能对流动池阻塞和其中有气泡的情况进行报警，能实现0.2、1、2、4、6 L/h 档位液体流速的控制和监测［10］。由于每位失血性患者的休克程度具有个性化差异，所以上述固定的5 个档位不能满足特定患者对特定输液速率的要求，譬如2.3 L/h 输液速率的测量和控制无法实现。考虑到院前失血性休克患者救治的个性化需求，课题组提出在原有输血输液装置的基础上实现一种输液速率连续可调和连续监测的功能［11］。通过前期研究，我们发现脉冲流动液速率的变化与其电阻抗波形的变化具有很好的对应关系，随着输液速率提升，脉冲流动液电阻抗波形变化频率会增加。但由于当时我们采用飞利浦监护仪的呼吸监测功能（电阻抗法）对流动液的电阻抗进行监测，监护仪监测到的数据无法保存和导出，使得无法获得准确的流动液电阻抗波形数据，从而无法建立流动液速率与其电阻抗波形参数的关系。目前用于测量管道中液体流速最常用的仪器是电磁流量计，它基于法拉第电磁感应定律，但该仪器对周围电磁环境有严格的要求，无法在强电磁干扰下工作［12］。还有研究者提出利用超声多普勒原理检测管道内的液体流速［13］，但该方法的实现会增加输血输液装置的硬件体积，不利于其院前应用。综合各方面的因素，我们近期采用电阻抗法，利用精密阻抗分析仪对不同流速流动液的电阻抗波形进行监测，获得了相应的电阻抗数据。本文拟通过建立密闭流动池流动液速率与电阻抗波形参数的方程式实现密闭流动池脉冲流动液速率的准确度量。

1 材料与方法

1.1 材料

精密阻抗分析仪MFLI（苏黎世仪器，瑞士），带鳄鱼夹式测量夹具1 套，院前急救输血输液装置1台，500 mL 生理盐水1 袋，静脉输液管路2 套。MATLAB R2014a软件1套，SPSS19.0软件1套［14］。

1.2 方法

1.2.1 快速输液回路建立借助于两条静脉输液管路将生理盐水两个密封口和输血输液装置的液体输入输出口分别相连［15］，启动输血输液装置的电源开关，选择5个输注速率中的某一档，实现生理盐水在输血输液装置密闭流动池和生理盐水袋之间的循环，从而建立快速输液回路，如图3所示。装置内电机反复交替挤压双泵管使得流动池内形成脉冲流动液。

图3 快速输液回路Fig.3 Rapid infusion circuit

1.2.2 流动池流动液电阻抗数据采集在阻抗测量前，阻抗分析仪经过短路、开路和电阻负载3种校正。为了测量流动池流动液电阻抗数据，从输血输液装置输液板上的两个阻抗测量电极上分别引出一条长20 cm 的铜导线，然后接阻抗分析仪的两个测量端口（鳄鱼夹），如图4所示。

图4 利用阻抗分析仪采集流动液的电阻抗数据Fig.4 The PFL′s impedance data collected by using an impedance analyzer

在测量中，阻抗分析仪工作在二电极测量方式，电压激励，激励信号频率为50 kHz，幅度为300 mV［16］。由于泵挤压泵管的频率为低频信号，所以将电阻抗数据采样率设为1.83 kHz（仪器最低采样率档位）。针对每一档位的流动液电阻抗的测量，均将档位调好后过5 min 再采集并记录电阻抗模值。对每一档位而言，单次数据采集时间至少包含2个完整的电阻抗变化周期。每一档位重复测量10次。

1.2.3 电阻抗波形频率参数的提取与分析在MATLAB 软件中，对测得的每种档位流动液的电阻抗模值数据进行频谱分析，找到频谱中功率最大的点对应的频率值（主频值）［17］。采用SPSS 19.0 软件，将每一档位10 次重复测量的主频值进行统计分析，利用Wilcoxon 秩和检验［18］对不同档位之间主频值的差异进行假设检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

1.2.4 脉冲流动液流速与电阻抗波形参数的相关性分析在SPSS19.0 软件中，将每个档位10 次测得的电阻抗波形数据的频谱主频值的均值作为变量，将档位对应的流速值作为因变量，进行Pearson 相关分析和曲线估计［19］。在曲线估计中根据“变量-因变量”散点图的趋势依次选择合适的数学模型作为拟合模型［20］，计算出估计值的标准误，标准误最小的数学模型是最终选定的拟合模型，该模型对应的回归方程是最优的曲线方程。

2 结果

2.1 不同档位对应的电阻抗模值的波形

初步测量发现，就0.2 L/h 档位对应的流动液而言，60 s 数据采集时间可捕获2 个完整的电阻抗变化周期，如图5所示。而对其它4个档位而言，10 s数据采集时间足以包含2个以上的电阻抗变化周期，如图6所示。这4个档位流动液电阻抗数据采集时间统一为10 s。由图5和图6可知，流动液流速越快，则对应的电阻抗波形的频率越高。

2.2 不同流速流动液电阻抗波形频谱分析结果

经过频谱分析，得到5个档位流动液电阻抗波形频谱的主频，如表1所示。Wilcoxon秩和检验，流动液流速越高，则其电阻抗波形频谱的主频值越高（P=0.003）。

2.3 脉冲流动液流速与电阻抗波形参数相关性分析结果

图5 0.2 L/h流动液在60 s内的电阻抗波形Fig.5 The electrical impedance waveform of the PFL at 0.2 L/h within 60 s

经过Pearson相关性分析，脉冲流动液流速与其电阻抗波形频谱主频值之间具有相关性（r=0.99,P=0.001）。以流动液流速作为变量，流动液电阻抗波形频谱的主频均数作为因变量，绘制“变量-因变量”散点图，发现变量与因变量有可能符合线性、二次项、对数和幂函数等4个数学模型，将它们依次作为拟合模型计算出的估计值的标准误分别为0.389、0.824、0.049和0.213，所以二次项是最优的数学模型。经过该模型拟合得到的方程为：y=-0.001 2x2+0.176 9x-0.134，R2=0.999 8。此方程与原始数据具有很好的接近度，如图7所示。

3 讨论

本研究重点探讨了密闭流动池脉冲流动液流速与电阻抗波形参数之间的关系。最终这一关系以一个二次式方程的形式表达出来。这一关系的建立使得利用电阻抗技术准确地测量密闭流动池脉冲流动液的流速成为可能。基于上述关系，在院前急救用输血输液装置的升级设计中，我们可将流动液流速的监测精度进一步提升。本研究中没有采用液体流量传感器直接测量某一档位下流动液的实际速率，因为前期研究表明本研究使用的输血输液装置输出流动液的速率误差不超过5%，这对于初步的探索研究而言已经足够。在未来的研究中，要建立贴近实用关系式，就必须在临床开展大量的输血输液实验，在测量流动池流动液电阻抗数据的同时利用成熟的液体流量传感器准确测量流动液的流速。

图6 4个档位流动液在10 s内的电阻抗波形Fig.6 The electrical impedance waveforms of the PFL at the other four flow rates within 10 s

表1 不同流速流动液电阻抗波形频谱的主频Tab.1 The dominant frequencies in spectrums of the electrical impedance waveforms of PFL at different velocities

图7 流动液流速与其电阻抗波形频谱主频的拟合曲线Fig.7 The fitting curve of flow rates of PFL and the corresponding dominant frequencies in spectrums of the electrical impedance waveforms

本研究的输血输液装置中，电磁泵反复挤压弹性泵管使得密闭流动池中流动液的体积发生周期性变化，从而导致测得的电阻抗也发生周期性变化。在人体血液循环中，血管壁直径会发生周期性变化，其内血液体积也会发生周期性变化，导致测得的人体外周组织的电阻抗发生周期性变化［21］，所以密闭流动池流动液体积的周期变化特性使得其电阻抗具有周期性的变化特征。本文建立的密闭流动池流动液流速与电阻抗波形参数之间关系成立的前提条件是密闭流动池流动液的体积发生周期性变化。在密闭流动池流动液体积不变的情况下，上述关系不成立。