低血容量休克液体复苏的闭环控制装置

摘要

一种低血容量休克液体复苏的闭环控制装置，包括有用于采集人体生理信号的生理信号采集部分，接收生理信号采集部分所采集到的信息并根据所接收的信息控制输液的智能控制器，与智能控制器相连的显示与报警器，所述的智能控制器通过连接器连接高流量输液泵。生理信号采集部分有：由PCO2传感器和PCO2放大电路组成的口腔黏膜PCO2采集单元；由心电传感器和心电放大电路组成的心电采集单元；由压力传感器和血压测量电路组成的PWTT法血压采集单元。本发明可通过连续、无创监测患者血流动力学指标、微循环与组织灌注指标，对创伤休克、烧伤休克等低血容量休克患者实施液体复苏的闭环控制，在线优化调节补液的输注速率，改善患者的微循环灌注状况和临床预后。

说明书

技术领域

本发明涉及一种闭环控制装置。特别是涉及一种可通过连续、无创监测患者血流动力学指标、微循环与组织灌注指标，对创伤休克、烧伤休克等低血容量休克患者实施液体复苏闭环控制的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置。

背景技术

随着全球性局部战争、自然灾难和恐怖活动的日益频繁，院前急救和连续救治技术与装备已成为危重症医学及其相关学科研究的焦点，其中休克复苏理论与技术的研究倍受重视。近年来，有的国家利用现代复苏理论、智能控制技术和人工智能技术等研究成果，研究出了不同类型的循环复苏和呼吸复苏的自动化技术与装备，并应用于灾害医学救援、院前急救和院内救治等高度集成的综合急救医疗平台，尤其是液体复苏的闭环控制装置在面对批量创伤患者的出现和现场救治资源的有限时发挥了至关重要的作用。

目前，国内临床普遍使用的循环复苏和呼吸复苏装置在控制的自动化、智能化、集成化程度较低，无法满足对批量创伤患者实施快速有效的院前急救和连续救治的需求。然而，美国已基于自动化重症监护生命支持平台研制出了几种可提供循环复苏的闭环控制方法及装置，所述的闭环控制方法及装置一股分为两类，分别是基于计算机的决策辅助闭环复苏系统和智能控制闭环复苏系统，可在无人工干预的情况下，通过连续测量血压反馈调节静脉输液泵，非线性逼近目标血压，以有限的医药资源为大规模创休克伤患者提供有效的救治。但上述两种方法由于血流动力学监测和微循环与组织灌注监测的瓶颈在休克程度的判定、闭环控制的决策和复苏预后的效果等方面的影响，阻碍了其在临床的推广应用。

迄今为止，血压仍是休克早期判定的主要血流动力学监测指标和指导休克复苏的重要指标，无创血压的检测方法包括间歇式和连续式两大类，临床上主要采用间歇式袖带压力检测法，该技术在患者低血容量情况下，测量误差较大，且不能满足较长时间连续测量的要求；而连续式PWTT方法可提供每博血压或连续动脉压力波形，提高连续测量血压的准确性。同时，微循环和组织灌注状态也是评价液体复苏预后的重要指标。虽然很多生化指标广泛应用于临床用于评价微循环灌注状况，但是尚无法实现连续、无创的检测。目前据大量文献报道，通过检测口腔黏膜二氧化碳分压(PbuCO2)可替代舌下二氧化碳分压(PslCO2)连续、无创监测微循环和组织灌注，较准确地反映微循环和组织灌注的状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够通过在线调节输液速率，进行自动化液体复苏的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置。

本发明所采用的技术方案是：一种低血容量休克液体复苏的闭环控制装置，包括有用于采集人体生理信号的生理信号采集部分，接收生理信号采集部分所采集到的信息并根据所接收的信息控制输液的智能控制器，与智能控制器相连的显示与报警器，所述的智能控制器通过连接器连接高流量输液泵。

所述的生理信号采集部分包括有：由采集口腔黏膜信号的PCO2传感器和将PCO2传感器采集的信号放大后送入智能控制器的PCO2放大电路组成的口腔黏膜PCO2采集单元；由采集心率信号的心电传感器和将心电传感器采集的信号放大后送入智能控制器的心电放大电路组成的心电采集单元；由采集血压信息的压力传感器和将压力传感器采集的信号送入智能控制器的血压测量电路组成的PWTT法血压采集单元。

所述的PCO2传感器包括与智能控制器相连的CO2微电极和热电偶微型探针，所述CO2微电极和热电偶微型探针嵌于固定装置一端与口腔黏膜接触，所述固定装置另一端与面颊接触用于固定。

所述的PCO2放大电路包括有与构成PCO2传感器的CO2微电极相连的放大滤波电路和与构成PCO2传感器的热电偶微型探针相连的放大电路构成。

所述的心电传感器由采用三导联的方式测量心电信号的三个心电电极组成。

所述的心电放大电路由放大电路和滤波电路构成，由心电传感器过来的心电信号经过前置放大电路、中级放大电路、滤波电路和陷波电路输出至智能控制器。

所述的智能控制器包括有微处理器、AD转换器、键盘、I/O接口和电源管理电路。

本发明的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置，可通过连续、无创监测患者血流动力学指标、微循环与组织灌注指标，对创伤休克、烧伤休克等低血容量休克患者实施液体复苏的闭环控制，在线优化调节补液的输注速率，改善患者的微循环灌注状况和临床预后。本发明以最优控制策略在线调节输液速率进行自动化液体复苏，可应用于灾难、战争和事故对批量休克患者的院前急救和连续救治。

本发明具有如下优点：

(1)具有休克程度自动化辨识功能，可准确判定患者休克的发生和程度，及时给予补液。

(2)具有智能控制功能，即使无足够的专业医务人员监护，也可自动、智能地进行液体复苏。

(3)具有复苏决策优化功能，可在医疗资源有限的情况下，达到以最少液体改善微循环和组织灌注。

(4)具有故障诊断排除功能，避免复苏过程中因控制故障造成对休克患者二次损伤。

(5)对微循环和组织灌注的监测，避免了发生过复苏或欠复苏和其他并发症的发生。

(6)对提高“黄金时间”内对重症患者院前急救的救治时效具有很重要的意义。

附图说明

图1是本发明的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置原理框图；

图2是本发明的智能控制器结构框图；

图3是本发明的智能控制器控制原理图；

图4是本发明的血压监测流程图。

其中：

1：PCO2传感器                2：心电传感器

3：压力传感器                4：PCO2放大电路

5：心电放大电路              6：血压测量电路

7：智能控制器                8：显示与报警器

9：连接器                    10：高流量输液泵

11：微处理器                 12：AD转换器

13：键盘                     14：IO接口

15：电源                     16：生理信号监测模块

17：休克程度辨识模块         18：复苏决策优化模块

19：输液监控模块             20：等待函数

21：数据读取函数             22：数据验证函数

23：验证终止函数             24：验证失败函数

25：血压数据及验证结果

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置做出详细说明。

本发明的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置，采用PCO2传感器结合热电偶微型探针通过圆环形支架固定于面颊一侧，引出导线连接PCO2放大电路组成口腔黏膜PCO2采集装置；采用心电传感器连接于心电放大电路组成心电采集装置；采用压力传感器构成脉搏波传感器，通过导线连接血压测量电路组成PWTT法血压采集装置；上述三种生理信号采集装置的输出端连接智能控制器的输入端；智能控制器的输出端连接数据显示与报警器输入端；高流量输液泵通过连接器与智能控制器相连。

图1以立体图的方式示意了本发明的闭环复苏原理。如图1所示，本发明的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置，包括有用于采集人体生理信号的生理信号采集部分，接收生理信号采集部分所采集到的信息并根据所接收的信息控制输液的智能控制器7，与智能控制器7相连的显示与报警器8，所述的智能控制器7通过连接器9连接高流量输液泵10。

所述的生理信号采集部分包括有：由采集口腔黏膜信号的PCO2传感器1和将PCO2传感器1采集的信号放大后送入智能控制器7的PCO2放大电路4组成的口腔黏膜PCO2采集单元；由采集心率信号的心电传感器2和将心电传感器2采集的信号放大后送入智能控制器7的心电放大电路5组成的心电采集单元；由采集血压信息的压力传感器3和将压力传感器3采集的信号送入智能控制器7的血压测量电路6组成的PWTT法血压采集单元。

所述的PCO2传感器1包括与智能控制器7相连的CO2微电极和热电偶微型探针，所述CO2微电极和热电偶微型探针嵌于固定装置一端与口腔黏膜接触，所述固定装置另一端与面颊接触用于固定。其结构是：将CO2微电极与热电偶微型探针相结合嵌于环形夹内，内嵌传感器的环形夹开口端夹于口腔黏膜，另一端与面颊一侧接触，固定环形夹，以保证传感器与口腔黏膜接触良好，并沿反方向引出传感器导线。

所述的PCO2放大电路4包括有与CO2微电极相连的放大滤波电路和与热电偶微型探针相连的放大电路构成。CO2微电极采用美国Microelectrodes公司的浸没式CO2微电极MI720，当CO2微电极与口腔黏膜接触时，黏膜表面的CO2扩散至CO2微电极前端的膜中达到相同浓度。测量时，根据CO2的浓度不同，CO2微电极输出不同的电信号，并经过放大滤波电路进行放大、滤波后输出。由于CO2在不同温度时溶解程度不同，必须利用热电偶微型探针测量实时温度，通过哈希表查取该温度对应的溶解系数，以便计算真实的PCO2。

所述的心电传感器2由采用三导联的方式测量心电信号的三个心电电极组成，按照三导联法分别将三个心电电极固定于相应的部位，并与心电放大电路5相连。

所述的心电放大电路5由放大电路和滤波电路构成，由心电传感器2过来的心电信号经过前置放大电路、中级放大电路、滤波电路和陷波电路输出至智能控制器7。

所述压力传感器的设置是：将压力传感器固定于装在平板基座上的电路板上，平板基座与气囊固定连接，压力传感器管脚引线从侧部引出，基座中部留有气孔，保持内外气压平衡，构成脉搏波传感器。

所述的血压测量模块6使用美国的Finometer MIDI无创血压测量模块，该模块采用PWTT法连续、动态无创检测手指动脉血压，通过重建血压波形，实现上肢动脉血压的无创测量。压力传感器将压电信号输入血压测量模块，进过放大处理后，输出血压模拟信号。PWTT法是利用心电图的R波到达肢体末端的脉搏波特征点的时间差脉搏波传导时间，PWTT来表征血压，获得逐拍的血压信息，经过校正后获得逐拍的血压信息，包括收缩压/舒张压、平均压。

所述的显示与报警器8包括有LCD显示屏和蜂鸣器，显示与报警器8的输入端与智能控制器7相连，接收显示数据和报警信号，通过人机交互界面软件显示控制状态，并对控制过程中的异常进行报警和故障诊断排除提示。

所述高流量输液泵是一种可编程的高速输液泵，通过连接器与智能控制器相连，接受控制输注速率的指令，反馈输出输注的液体容量。

图2以立体图的方式示意了本发明的智能控制器结构框图。如图2所示，智能控制器7包括有微处理器11、AD转换器12、键盘13、I/O接口14和电源管理电路15。其中微处理器可以是计算机、ARM、DSP等8位以上的微处理器。智能控制器7的控制软件部分是由LABVIEW8.2和MATLAB9.0开发的一个智能控制系统，包括生理信号监测模块、休克程度辨识模块、复苏决策优化模块和输液监控模块。其中，

a)所述智能控制系统针对控制性失血和非控制性失血提供两种模式，目标血压分别为60mmHg和90mmHg；

b)所述生理信号监测模块的初始以每5s记录一次生理参数，随着与复苏终止条件差值的减小，目标血压的逼近，分阶段调节采样频率f，并对无创血压检测结果进行验证，以确保测量血压的真实性；

c)所述休克程度辨识模块通过对生理信号监测器历史数据的在线学习，建立休克程度的数学模型，辨识休克的发生和程度，并为复苏决策优化模块提供可辨识的控制模型；

d)所述复苏决策优化模块根据休克程度，血压监测和输液监测的反馈，选择最优的控制策略进行决策，输出调节输液速率V(t)；

e)所述输液监控模块输出速率调节指令，可调范围最高达2-3L/h，并接收反馈的补液容量V。

图3是以立体图的方式示意了本发明的智能控制原理。如图3所示，生理信号监测模块16按照采集频率对生理信号进行采样，将生理数据传递给休克程度辨识模块17、复苏决策优化模块18和显示与报警接口，并随着与复苏终止条件目标血压的逼近，生理信号监测模块16不断调节采样频率f；休克程度辨识模块17根据生理数据建立休克模型，判定休克严重程度，将其传递给复苏决策优化模块18和显示与报警接口；复苏决策优化模块18根据上述生理数据、休克模型进行决策优化，输出调节输注速率，并传递给输液监控模块20和显示与报警接口；输液监控模块19将输注速率V(t)转化为速率调控指令输出，同时将接收的补液容量数据转化为时间t内以V(t)输注液体的总容量V(ml)，并传递至复苏决策优化模块18和显示与报警接口进行反馈调节和显示，从而形成闭环控制回路。

图4给出了本发明的血压监测流程图。如图4所示，按照采样频率，等待函数20计时等待读取血压信号；当满足设定的采样时间时，调用数据读取函数21获得血压数据，并将数据传递至数据验证函数22；数据验证函数22根据PWTT法对血压数据的有效性进行验证，若验证成功，则调用验证终止函数23；否则，则调用验证失败函数24重新验证，并调用验证终止函数23；验证终止函数23输出血压数据及验证结果25，并根据有效的血压数据设定采样频率f。

下面通过实施实例详细说明本发明的低血容量休克液体复苏的闭环控制装置的工作过程，其步骤是：

1.将PCO2传感器1、心电传感器2和压力传感器3分别固定于患者相应的部位与非控制失血性休克患者建立连接，监测其生理信号；

2.通过高流量输液泵10建立两条静脉通道，并在液体入口按照一定比例连接晶体液或胶体液；

3.通过键盘设定智能控制器7的目标血压为60mmHg；

4.智能控制器7初始以每5s记录一次生理参数，并对无创血压检测结果进行验证，随着液体复苏，分阶段调节采样频率f，当目标血压的逼近时，采样频率升高；

5.智能控制器7对生理信号历史数据的在线学习，建立休克程度的数学模型，辨识休克的发生和程度；

6.智能控制器7根据休克程度，血压监测和输液监测的反馈，选择最优的控制策略进行决策，设定采样频率f，调节输液速率V(t)；

7.高流量输液泵10按照调节指令调控输液速率，最高可达2～3L/h，同时反馈补液容量V(ml)进行进一步调节；

8.重复步骤4～7直到患者达到目标血压，闭环复苏终止。