ICU病人生理参数监测技术的研究进展

【作 者】刘梦星 ，林艺文，肖科，孙白雷，何先梁，金星亮，孙泽辉，钟荷仙，李烨，庄一渝

1 中国科学院深圳先进技术研究院，深圳市，518000

2 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司，深圳市，518057

3 厦门大学附属中山医院，厦门市，361004

4 浙江大学医学院附属邵逸夫医院，杭州市，310016

0 引言

重症医学（critical care medicine,CCM）是研究任何损伤或疾病导致机体向死亡发展过程的特点和规律，并基于这些特点和规律对重症患者进行救治的学科[1]。重症医学科病房（intensive care unit,ICU）是监护、诊断和治疗重症患者的临床单元，也被称作加强护理病房、重症监护室等[2]。生理参数监测是实施ICU临床诊疗活动的重要组成部分，包括心电、血压等基本生命体征的测量和分析，以及血流动力学、氧代谢等范畴的高级参数的获取等[3]。倘若离开了监测，医护人员对于重症患者的诊断和治疗将变得低效和盲目。因此，有必要理清ICU当前生理参数监测技术的研究现状，分析现有技术存在的主要问题，提出未来可能采取的技术路线，为促进该领域的技术发展和临床应用做出贡献。

下面主要讨论物理测量，而体外诊断和生化检测等偏向化学测量的技术不在论述范围内。首先明确监测对象，然后介绍ICU基础参数监测的研究进展，再以循环代谢为中心，重点梳理常用高级参数的监测技术，最后从机器视觉与数据融合的角度讨论病人状态监测。

1 监测对象

一般而言，综合ICU主要收治对象是各科急重症患者和术后高危患者，动态、定量监测能帮助医护及时捕捉患者病情变化，并对治疗进行指导和反馈。如图1所示，休克（shock）、急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）、多器官功能障碍（multiple organ dysfunction syndrome,MODS）是ICU患者的主要病症类型，多种单发疾病都可能发展为这三类综合征。

图1 ICU主要病症类型Fig.1 Main type of disease in the ICU

休克是机体以代谢和循环功能紊乱为主的一种综合征，包括分布性、心源性、容量性和梗阻性四类。分布性休克占比约66%，其中绝大多数是感染性休克（又称作脓毒性休克），主要表现为体循环阻力下降、肺循环阻力增加、心率改变以及循环高流量伴组织缺氧[4]。心源性休克占比约16%，机制是心脏泵功能衰竭，表现为中心静脉压和肺动脉楔压升高、心输出量下降、体循环阻力升高等[5]。容量性休克与心源性休克比例相当，特点是循环容量丢失，表现为中心静脉压下降、每搏输出量减少、心率加快等[6]。梗阻性休克是血流的主要通道受阻导致，临床上相对少见。无论哪种类型，休克治疗的原则是减少进一步细胞损伤，维持最佳组织灌注，纠正缺氧。

ARDS是由肺内原因和/或肺外原因引起的，以顽固性低氧血症为显著特征的临床综合征。它是急性呼吸衰竭最常见的类型，常发生于严重感染、休克、创伤及重症流感等疾病过程中。通常起病1～2 d内，发生呼吸频速，呼吸率进行性加快，逐步呈现呼吸窘迫症状，进而缺氧症状也愈发明显，患者表现为烦躁、心率增高、唇及指甲发绀[7]。肺气体交换、呼吸力学、血流动力学等监测对于ARDS的诊断和治疗具有重要价值。临床治疗的核心目标是纠正低氧血症，改善组织细胞缺氧，保证全身氧输送，同时避免液体负荷过高和氧中毒等医源性并发症。

MODS是机体受到严重感染、烧创伤等打击后，序贯或同时发生两个以上器官功能障碍的一种综合征。随着病情恶化，可进一步发展为多器官衰竭（multiple organ failure,MOF），病死率极高。脓毒性感染是导致MODS的首要诱因，特别是老年患者中占比高达73.1%，其中肺部感染最常见[8]。MODS临床表现复杂，个体差异明显，在很大程度上取决于器官受累范围和程度，一般经历休克、复苏、高分解代谢和器官衰竭四个阶段。MODS治疗目标是改善氧代谢、纠正组织缺氧，基础是积极控制感染、维持循环稳定，关键是控制原发病、尽早阻断连锁反应。

此外，心跳呼吸骤停、重症胰腺炎、急性肾脏损伤和严重颅脑损伤等也是ICU经常收治的对象。对于医护人员，只有掌握必要的生理参数监测技术，才能及时、有效地救治重症患者。

2 基础参数监测

通常，心电（electrocardiogram,ECG）、血压（blood pressure,BP）、血氧（pulse oxygen saturation,SpO2）、呼吸（respiration,Resp）和体温（temperature,Temp）是ICU病人监测的基本生理参数，简称“基础五参”。深圳迈瑞N系列监护仪的参数监测示例，如图2所示。

图2 基础五参的监测示例Fig.2 An example of basic five parameters monitoring

心电是通过体表电极记录心肌的电活动，用于监测患者的心脏异常。为提高测量舒适性，织物电极[9]、电容耦合[10]等技术被提出，然而信号稳定性和可靠度的问题仍难以解决。信号处理方面，主要研究热点是心律失常检测和急性心脏事件预测，例如短时房颤检测[11]和急性心梗预测[12]等，人工智能及深度学习算法的运用有效提高了识别准确度。报警方面，多导同步分析[13]、多参融合分析[14]等策略的运用，能显著减少心电误报警，改善ICU报警疲劳。

血压测量分无创血压（non-invasive blood pressure,NIBP）和有创血压（invasive blood pressure,IBP），此处IBP特指外周动脉的血管压力，如桡动脉和足背动脉。无袖带NIBP测量技术在舒适性、便捷性和连续性上具有显著优势[15]，然而个体差异等依然是模型构建中难以解决的问题。IBP能弥补NIBP点测的不足，但由于技术原理限制，IBP与NIBP之间存在数值差异，且差异大小受穿刺部位影响[16]，这给报警限管理带来了一定困扰。此外，患者运动容易造成穿刺针管发生弯折或贴壁，该现象在监测足背动脉时尤为突出，因此有必要通过模式分析或多参数融合等技术来识别伪差，从而减少错误出值。

SpO2全称脉搏血氧饱和度，监测部位主要是患者的手指或脚趾。由于机体和心理障碍，ICU患者常处于不同程度的组织低灌注、皮肤湿冷以及躁动等状态下，这严重影响了血氧测量的准确度[17]。为解决该问题，大量研究聚焦于传感器和算法创新两个维度。传感器结构优化使得佩戴的稳定性得到提升[18]，多波长技术为消除环境和个体差异提供了重要思路[19]。自适应滤波[20]、形态学分析[21]和加速度信号融合[22]等算法被不断改进，有效提高了血氧监测的抗干扰性能。

呼吸率（respiration rate,RR）是表征呼吸功能的一个重要参数，通常采用胸阻抗法测量。由于皮肤阻抗干扰、电极黏贴不当等因素影响，RR监测经常导致误报警产生，特别是呼吸窒息报警。为克服该问题，心电推呼吸、脉搏测呼吸、压电薄膜、热敏电阻、加速度计、视频和超声多普勒等技术被广泛研究[23-26]，部分已转化为创新产品而应用于临床实践。

体温是ICU患者感染诊断和低温治疗的重要监测参数，分侵入式和非侵入式。侵入式包括血液、食管、鼻咽和膀胱温度等，非侵入式包括腋窝、直肠、鼓膜和腹股沟温度等[27]。侵入式具有较高的精度和灵敏度，如肺动脉血液温度是体温测量的金标准，但因其创伤性，在ICU极少使用。非侵入式是目前ICU体温测量的主要方法，其中腋窝及鼓膜温度应用最为广泛[28]。无创连续体温一直是ICU体温监测的研究热点，目前在ICU尚无完美的测温手段，需根据临床场景及患者病情选择合适的测温方法。

综上，精准和抗干扰等一直是各技术致力于提高的参数性能目标。此外，为简化床旁线缆和管路，更好地鼓励病情稳定的患者开展早期下床活动[29]，针对基础五参，无线化监测技术逐渐成为一种发展趋势。

3 高级参数监测

休克、ARDS和MODS等是重症患者死亡的主要原因，它们均以有效循环容量减少、氧代谢出现异常为共同特征。临床上，为掌握病情的发展过程，明确干预的生理学位点，了解治疗的反应性，除了基础生命体征的定量监测之外，反映全身和局部组织灌注的高级参数监测技术得到了快速发展及应用。接下来，着重梳理血流动力学、氧代谢和微循环监测技术。

3.1 血流动力学

重症血流动力学是研究血液及其组成成分在机体内运动特点和规律性的科学，相关监测可指导医护合理制定治疗方案和定量调整治疗强度。如表1所示，常用监测指标包括压力、流量和容积。

表1 血流动力学参数列举Tab.1 A list of hemodynamic parameters

压力参数应用较早，临床意义明确。除基础五参中的NIBP和IBP之外，还有CVP、PAP和PAWP等，测量途径是采用经皮穿刺的方法放置特殊导管至中心静脉或肺动脉的特定部位。近期临床研究对Pmsf的关注不断增加，Pmsf是反映体循环血管内血液充盈程度的指标，可用于评价容量反应性[30]，以及推算应激容量、血管顺应性和静脉回流驱动压等重要而新颖的参数[31]。血管停流平衡法是床旁评估Pmsf的一项技术，具体做法是通过袖带快速充气后阻断上臂血管，获取动静脉血流停止状态下的血管内压力Parm作为Pmsf的近似替代[32]。

流量参数主要指的是CO及其衍生值（如SV），能更精确地反映患者的血流动力学状态。CO是每分钟心脏泵出的总血量，是反映心泵功能的核心指标，CO监测有助于指导液体管理和心血管药物的合理使用。基于热稀释原理的Swan-Ganz导管是CO监测的金标准，随着临床需求的发展，出现了一些改良型导管，包括右心室容量型、持续CO测量型和带有起搏电极型等[33]。脉搏轮廓分析，是近几年来临床广泛使用的一类CO测量技术，分校准型和未校准型。脉搏指示持续心输出量（pulse indicator continuous cardiac output,PiCCO）监测技术，将热稀释法和脉搏波分析相结合，可相对快速全面地获取各种血流动力学参数[34]，类似方法还有用锂稀释校准的LiDCO技术[35]。未校准型最常用的是Flotrac技术，该技术仅需外周动脉置管，采用特殊压力传感器，直接通过经验模型分析脉搏波形态而计算CO，其最大优势是创伤小和操作简单，缺点是测量精度相对有限，因此未来的重要趋势是如何构建更精准的测量模型[36]。无创CO监测技术，主要包括部分CO2重吸收法、生物阻抗法和经食道超声法等[37]，其应用常受限于患者类型，需进一步临床研究论证其准确性和安全性。

容积参数相对压力参数，能更直接准确地反映心脏前负荷，不受胸膜腔内压或腹内压变化的影响。传统容积测量是通过心室造影或核素放射等技术实现，较为复杂且难以实现床旁监测[38]。随着PiCCO技术的发展和应用，ITBV和GEDV等容积指标能够方便地获取。

3.2 氧代谢监测

血液循环的主要目标之一就是保障各组织和器官的氧供。动脉氧供又称为氧输送（oxygen delivery,DO2），是单位时间内由左心室运往全身组织的氧总量，决定因素包括CO和动脉血氧含量。血液携带的一部分氧被组织细胞摄取，实际消耗的氧总量称为氧消耗（oxygen consumption,VO2），这取决于组织氧需量和实际摄氧能力。孤立评估DO2的意义不够确切，必须结合全身和局部氧合指标，来评估机体当前氧供是否满足氧需[39]。

静脉氧饱和度能反映DO2和VO2间的平衡，混合静脉氧饱和度（mixed venous oxygen saturation,SvO2）与中心静脉氧饱和度（central venous oxygen saturation,ScvO2）已被广泛应用于监测全身氧摄取的变化。SvO2的重要性在很多领域都得到了证实，但肺动脉导管的使用却带来了较高的安全风险和费用问题，因此用ScvO2替代SvO2的监测被临床广泛研究[40]。ScvO2相对易于检测，可通过中心静脉导管穿刺后，利用光导纤维连续测量上腔静脉氧饱和度[41]。组织氧饱和度（tissue oxygen saturation,StO2）可用于监测人体局部组织的氧代谢状况，通常采用特定波长的近红外光谱技术，主要的测量部位是脑和肌肉组织[39]。近年来，StO2无创监测技术已成临床研究热点，除证明其有益的应用价值外[42]，主要问题包括如何克服骨骼、间质水肿等因素对测量的影响，以及如何构建金标准来定量比较不同的测量方法[39]。

组织二氧化碳分压（partial pressure of carbon dioxide,PCO2）是早期反映局部组织灌注不足和缺氧的重要标志物，通常是对胃肠和舌下组织PCO2进行监测。胃肠黏膜对缺血缺氧高度敏感，自动空气胃CO2张力测定是一种测量胃黏膜PCO2（gastric mucosa PCO2,PgCO2）的技术[43]，通过插入远端带有硅胶球囊的胃管实施，其局限性包括需要停止肠内营养和H2受体阻滞剂等。作为胃肠道的近端，舌下区域易被触及。近年来，舌下黏膜PCO2（sublingual mucosa PCO2,PslCO2）被广泛应用于ICU床旁监测[44]，主要原理仍是基于张力法测定。作为一种简单的非侵入性技术，PslCO2监测有望成为评估重症患者局部氧代谢的重要手段[39]，值得临床继续深入研究。

经皮O2和CO2监测，最早是作为有创动脉血气分析的替代技术而被提出。首先对皮肤进行加热，使血液中的气体弥散至一个充满液体的密闭腔中，然后O2和CO2通过半透膜弥散至放置特殊电极的空间，从而连续测得O2和CO2分压，常用部位是耳垂[45]。经过多年发展，该技术逐步成熟，局部皮肤加热已成为非必要环节[46]。当与氧负荷等功能性试验结合时[47]，该技术可较好地用于评估局部氧代谢平衡，指导医护进行器官导向的治疗。

3.3 微循环监测

微循环是指微动脉与微静脉之间的血液循环，其功能是实现血液和组织液之间的物质交换。近年来，国内外权威专家在多个学术场合宣称：重症血流动力学监测和治疗已进入微循环时代。以脓毒性休克为例，休克发生时血液再分布最早被分流的器官是皮肤、胃肠道和肌肉，而心脑肾等重要脏器可通过血管调节功能代偿性维持血流量，因此通过微循环监测指导临床早期发现和纠正组织缺氧，可阻断休克进一步发展成多器官衰竭，从而减少死亡率[48]。同理，对于治疗终点，只有改善了微循环，才代表全身血管床的血流灌注得到了重建。

舌下微循环视频检测是一种手持式光学显微成像技术，是目前ICU床旁监测的应用热点[48]。正交偏振光谱成像（orthogonal polarization spectral,OPS）是1999年提出的第一代技术[49]，对活体微循环成像领域做出了重要贡献。为提高图像分辨率，改用经过独立极化的发光二极管组作为光源的侧流暗场成像（sidestream dark field,SDF）被提出[50]，并成为了第二代技术。近年来，作为SDF的改进，第三代的入射暗场成像（incident dark field,IDF）技术出现，进一步提升了图像质量，使得更深处的毛细血管得以呈现[51]。SDF和IDF可获取的生理参数主要包括血管直径、血管密度、微血管血流速度以及灌注异质性指标等[49,51]。

毛细血管再充盈时间（capillary refill time,CRT）的测量，是一种评估患者微循环状态和外周灌注的简单方法。通常是对手指末端施加固定时长的固定压力，然后计算手指恢复正常颜色所需要的时间[39]。该技术的最大挑战是开发标准化的测量仪器，确保环境光线明亮和温度统一，并实现自动计时、压力控制和肤色评估等。其它可用于监测微循环的方法，还包括皮肤温度梯度（skin-temperature gradient,Tskin-diff）、皮肤花斑评分（skin mottling score,SMS）等[52]。

4 病人状态监测

4.1 机器视觉技术

患者行为状态，虽然不是严格意义上的生理参数或指标，但在医护人员眼中仍然属于一种颗粒度较大的模式或类别。例如，若患者因休克而发生昏迷，其行为状态表现为静躺不动；若患者拔除胃管后自主进食，其行为状态将出现咀嚼用餐；当患者病情稳定后开展早期康复运动，其行为状态会出现床旁站立或缓慢行走。

随着算法和算力水平的提高，计算机（机器）视觉技术已逐步向重症监护领域渗透，使得患者行为状态的自动监测成为可能。例如，HAQUE等[53]在Nature上的报道表明，视频分析技术的应用可以动态、细微地感知ICU患者的各类行为，使用机器学习方法将行为活动进行分类，可获得约90%的准确度。为推动该技术进一步落地，未来重点要解决隐私问题，这需要患者、家属、医护、行政管理和工程技术团队等通力协作。同时，还要明确应用场景，这需要产学研医交叉碰撞，从而充分挖掘临床需求和价值。

4.2 数据融合技术

患者病情状态，是指从全局视角评估病人当前病症的严重程度和康复效果，以及未来产生某种并发症和急危重事件的可能性。ICU医护人员通常会根据患者病史记录、生理指标和查体结果，结合临床经验和知识，综合判断出患者的病情状态。由此可见，病情状态的监测要求必须对多种生理数据进行融合分析。

人工智能与机器学习方法的运用，显著推动了医学数据融合技术的发展。例如，HYLAND等[54]发表在Nature Medicine上的一组研究表明，针对36 098例ICU病人的生理参数、检验结果和病历资料等数据，通过构建梯度提升式决策树模型，开发了一种早期识别循环衰竭的状态监测系统，结果显示，该系统可提早预测约90%的循环衰竭事件，其中82%的恶化事件可提前2 h被发现。如此看来，相比传统单参数监测，多参数、多模态等数据融合分析，已成为临床监测技术的重要发展趋势。为促进该技术在ICU中应用，未来首先要解决多设备、多系统的互联问题，具体包括网络通讯、信息安全和数据库构建等范畴。其次，重点要克服数据标注问题，临床专家需在日常工作中的及时记录和回顾病历数据，对病人状态的标志性节点进行交叉标注，从而为智能模型的建立提供专业参考。

5 总结与展望

ICU患者病情特点强调“急危重”，这对临床监测技术和应用提出了更高要求。无论基于什么原理，参数监测技术的核心目标都是确保准确度和安全性。心电、血压、血氧、呼吸和体温已成为病人监测的基本配置，当前针对基础五参的研究主要聚焦于提升舒适性、抗干扰和无线化等。血流动力学和氧代谢，是ICU病人监测的重要内容，针对这类高级参数的监测手段逐渐丰富，主要改进目标是减少创伤性和提高易用性等。微循环是近年来ICU重症监测的研究热点，特别是舌下微循环技术的发展，为休克等重症患者的早期评估和治疗带来了帮助。此外，随着机器视觉和数据融合技术的发展，涉及患者肢体活动的行为状态监测和更逼近临床智能评估水平的病情状态监测，已成为学术研究的前沿热点。

未来ICU建设和发展离不开病人监测技术。工程人员应当加强临床合作，走出实验室，深入临床端发现和思考问题，才可能开发出安全、有效且实用的产品。医护人员应该开放思想、克服困难，有意培养工程技术创新的意识，才更有利于提高重症患者的救治水平。