重症监护中人工气道气囊压力智能管理系统的设计与应用

【作 者】金锦江，邹瞿超，刘红, ，曾妃，褚永华，陈星

1 浙江大学医学院附属第二医院，杭州市，310009

2 浙江大学生物传感器国家专业实验室，杭州市，310009

0 引言

医院在抢救急危重症患者时，往往需要气管插管或气管切开来建立人工气道，通过呼吸机进行机械通气，纠正患者缺氧状态，改善患者通气功能[1]。气管导管的前端外壁设有套囊，套囊充气后可以封闭气道，固定导管，保证密闭性。理想的气囊压力即为保持有效封闭气囊与气管间隙的最小压力，不仅能阻断气囊与气管壁间的漏气，保证潮气量的供给，还可以防止气囊对气管黏膜的压迫性损伤。参照《机械通气临床应用指南(2006) 》推荐高容低压套囊压的标准压力范围为25～30 cmH2O（1 cmH2O=98.1 Pa）[2]，当气囊压力小于25 cmH2O时，咽喉及口腔分泌物容易进入气道，导致患者误吸，造成吸入性肺炎，增加呼吸机肺炎的发生率[3]，还会在机械通气时造成漏气，导致通气不足。当气囊压力大于30 cmH2O时，则容易造成气管黏膜缺血性损伤，甚至出现气管壁穿孔等严重的并发症[4]。

目前国内临床最常用的测压方法为手指捏感法和专用气囊压力表测压法[5]，研究[6]显示，手指捏感法准确率较低，感觉的压力比实际测量值大；专用压力表测压法操作简单、精确度高，是监测气囊压力的理想选择，但需要每4 h监测1次，护士依从性不高，且无法实现连续监测和精确测量[7]。针对现有方法的不足，我们设计一种应用于重症监护中的人工气道气囊压力智能管理系统，实时监测和自动控制患者的气囊压力，为医护人员管理气囊压力提供一种更有效的技术手段[8]。

1 系统方案设计

本系统主要包括硬件设计和软件设计。系统的压力传感器与患者气囊相连，通过按键调节气囊压力阈值范围，在液晶屏上24 h连续监测，精确显示压力数值。当压力超过阈值时，系统会声光报警且分别控制气泵充气和电磁阀放气以保证气囊压力稳定在范围内，并通过串口将压力值实时传至计算机，在上位机上显示压力值及压力动态曲线。当压力持续超过阈值时，上位机软件会自动评估患者情况，提醒医护人员对患者进行干预，实现气囊压力智能化管理[9]。系统总体结构，如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure

2 系统硬件设计

系统选用智能的压力传感器MPX5050GP和高精度的AD7992芯片构造压力监测模块[10]，以STC89C52单片机系统为核心驱动气泵和电磁阀的压力控制模块，利用ULN2003达林顿管和反相器74LS04设计气泵驱动电路[11]，利用9013三极管设计电磁阀驱动电路，构建外围功能模块，并设计气路部分，完成仪器结构的搭建[12]。硬件设计结构图和实物图分别如图2（a）和2（b）所示。

图2 硬件设计图Fig.2 Hardware design diagram

3 系统软件设计

软件部分主要实现压力的显示、存储和临床预警，必要时提醒医护人员对患者进行干预，实现人工气道气囊压力的智能化管理。

3.1 下位机软件设计

系统下位机软件通过C语言进行开发，编写主程序、按键子程序、压力比较子程序等实现系统相应功能，图3为下位机软件流程图。

图3 下位机软件流程图Fig.3 Coil schematic diagram and slot schematic diagram

3.2 上位机软件设计

上位机软件采用VB6.0开发，利用MScomm控件实现仪器端与电脑端的串口通信，利用PictureBox控件实现实时压力曲线的显示，利用Access数据库实现数据的存储，利用DataGrid控件访问Access数据库，完成历史数据的回顾，并设计直观友好的用户界面，医护人员可以在电脑端实时监测患者的气囊压力[13]。图4为上位机软件流程图。

图4 上位机软件流程图Fig.4 Upper computer software flow chart

上位机软件主要实现压力阈值设置、实时压力显示、压力超限报警、压力数据的存储和回顾、临床预警，软件界面如图5所示。

图5 上位机软件界面Fig.5 Upper computer software interface

4 系统测试及临床试验

4.1 系统测试

将VBM气囊压力表和20 mL针筒接入系统气路，以压力表显示的压力值作为传感器输入，用万用表测量传感器输出端的电压值，进行传感器定标，得到传感器传输特性为Vout=0.09P+0.214，系统整体测量精度为0.1cmH2O。

针对监测过程中患者可能出现的情况，模拟不同应用场景，对系统进行性能测试。图6（a）为患者导管与系统气路接口处发生缓慢漏气，压力偏低后系统压力变化曲线图，图6（b）为患者导管与系统气路接口处突然脱开，压力低于5 cmH2O时，即压力过低后系统压力变化曲线图，图6（c）为患者轻微咳嗽时，压力偏高后系统压力变化曲线图，图6（d）为患者剧烈咳嗽时，压力高于90 cmH2O时，即压力过高后系统压力变化曲线图。

图6 系统性能测试Fig.6 System performance test

4.2 临床试验

选取2019年6月—8月我院综合ICU行气管插管或气管切开的患者60例，随机分为试验组和对照组[14]。试验组使用本系统，对照组使用气囊压力表测量[15]。试验组护士在使用前需要先启动系统，再连接管路到患者气囊接口，需要花费较长时间，但由于系统具有自动调节气囊压力的功能，只需操作1次即可完成连续监测。对照组护士利用压力表手动充放气至所需压力，花费一定时间，且需每隔4 h监测1次，1 d按6次算，可算出护士1 d操作花费时间，分别记录两组每次操作时间[16]。

在监测过程中，两组患者均保持平静，随着时间推移，试验组上位机实时记录下压力值，对照组每4 h记录1次压力值，两组分别记录100次压力值，观察每个时刻压力变化情况。由于临床需要，护士还会对患者进行一些护理操作，包括吸痰、插胃管、翻身等，试验组上位机实时记录下压力值，对照组记录每次护理操作时，气囊压力瞬间最高值，两组各记录100次压力值。最后观察两组患者气管黏膜损伤情况，有无导管移位、气囊破裂、误吸等，观察时间均为3 d，记录两组患者的并发症发生情况及相应例数[17]。具体试验结果见表1。

表1 两组病人在操作时间、压力变化及并发症例数方面的比较Tab.1 Comparison of operating time,pressure changes and number of complications between the two groups

由表1可见，试验组的操作时间明显少于对照组，两组数据差异有统计学意义（P＜0.05）。随着时间的推移，对照组压力值缓缓下降，试验组压力均恒定在25～30 cmH2O范围内，两组比较，差异有明显统计学意义（P＜0.000 1）。对照组的护理操作对患者气囊压力的影响较大，使压力在短时间内快速上升到较高值，而试验组压力始终维持在25～30 cmH2O之间，两组比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。试验组未出现反流病人，出现1例误吸病人，对照组出现15例反流病人，7例误吸病人，两组数据差异有明显统计学意义（P＜0.000 1）。

5 结论

本研究设计并实现了重症监护中人工气道气囊压力智能管理系统，系统以单片机为核心，构造压力监测模块和压力控制模块，实现了气囊压力的实时采集、自动存储、智能控制、临床预警，大大减轻了医护人员的工作量，有效地减少了患者发生误吸和返流的次数，降低呼吸机肺炎的发生率[18]。本系统操作简单，体积小巧，便于床边实时监测。在后续的研究工作中，还将进一步选用精度更高的传感器和AD芯片，提高测量精度，并利用物联网技术，搭建中央气囊压力监护系统，实现气囊压力的智能化管理，同时还可以探究与呼吸机的连接，将本系统设计成气囊压力监测模块，集成到呼吸机，使得能够在呼吸机上实时显示气囊压力，实现气囊压力监测技术的多元化应用。