使用呼气流量结合呼吸二氧化碳信号鉴定动态过度充气的制作方法

发明领域

本发明涉及一种用以鉴定因患者不能完全呼气，即动态过度充气或气体陷闭引起的肺部气体体积增加的方法。此方法对患者的呼气流量模式，以及呼吸模式，如呼气、二氧化碳水平，例如二氧化碳分析仪信号进行分析。这些信号的分析能够鉴定动态过度充气，以及鉴定指示患者状态改善或恶化的动态过度充气程度的变化。

发明背景

经常需要机械支持来呼吸的患有严重急性病的患者通常住在医院的重症监护室(icu)。他们在这里使用测量肺功能相关的生理变量的系列机器密切监护。这些机器包括可测量流量和压力的机械呼吸机，和可测量呼吸气中二氧化碳分压的二氧化碳监测仪。

机械换气在很多患者中是必需的技术。但是，用机械换气的治疗包含对患者的潜在风险。过多的压力或体积可能损伤肺(1；即下面所列的参考文献‘1’)。呼吸机的不当设置或特殊的呼吸模式可能导致呼气时间减少，意味着患者不能完全呼出吸气时吸入的体积(2,3,4)。这样可能导致肺的过度充气，造成肺体积和压力升高，反过来导致肺损伤或危及肺中的血液循环(2,3)。由此原因导致的体积增加称为动态过度充气或气体陷闭，由此原因导致的压力增加称为自动peep(呼气末正压)或内源性peep(2,3,4)。

动态过度充气或自动peep的鉴定不简单。机械换气中的呼气末暂停已被用于延长呼气时间，通过鉴定此期间显著的流量或压力变化提供这些作用的清晰鉴定(2,3,4)。呼气末屏气也已被应用，后随呼气末呼吸管闭塞情况下呼吸管中所测压力与肺中压力平衡并因此称为自动peep(2,3,4)。呼气流量特征分析也已被应用(5,6,7)。已用时间常数对流量特征进行表征来鉴定那些呼气流量中的潜在生理问题(7)。此外，呼气末流量信号不归零的分析已被用于指示可能存在动态过度充气或自动peep(5,6)。

所有这些测量遭遇的问题是它们通常只能应用于完全瘫痪、被高度镇静的患者，这些患者几乎没有或没有自主呼吸努力(3,6)。住在icu中的大多数机械换气的患者有自主呼吸努力。在这些患者中，延长呼气或闭塞呼吸管可能引起患者奋力呼吸，导致不适而且动态过度充气和自动peep无法测量。呼气流量信号的分析也是困难的，因在这些患者中在呼吸时由于有呼吸基础，呼吸明显变化(3)。呼气流量特征可能明显变化，意味着不可能评估持续描述患者流量模式的时间常数。此外，在某些呼吸中流量特征可归零，在其他可发生深呼气的情况中这意味着患者状态的阐释困难(3)。对于这些患者，动态过度充气或自动peep的测量通常仅与食管压测量一起进行(3)，这在icu中并不常规进行。

因此，鉴定动态过度充气的改进方法将有优势，特别是一种通过有自主呼吸努力的患者中所见的呼气中的呼吸变异性开发利用呼吸的方法。

发明目标

本发明的进一步目标是为现有技术提供另一种选择。具体地讲，本发明的目标可视为提供一种解决现有技术关于鉴别重症监护室(icu)患者中的动态过度充气的上述问题的方法。

发明概要

检测动态过度充气的现有技术策略，基于延长呼气、呼气闭塞或呼气流量信号的分析可能有弊端。

首先，延长呼气阻止患者开始新的吸气。在患者尝试开始新的吸气的情况下，肺中陷闭的任何残留体积将不被呼出而是因患者吸气努力而留于肺中。

其次，呼气末闭塞呼吸管阻止患者开始新的吸气。在此情况下，患者将经历吸气对抗闭合的呼吸回路的不适。患者用力所产生的负压将严重恶化用于测定自动peep水平的压力读数。

第三，用计算呼气流量时间常数来评估呼气流量特征在有自主呼吸努力的患者中严重受限。这些患者经常有异常呼吸，意味着呼气流量特征可能在呼吸之间剧烈变化。如果患者的呼气不是完全被动的，这可能更严重，意味着呼吸肌可能用来强制呼气。

第四，从检查吸气流量特征归零评价动态过度充气在有自主呼吸的患者中也可能受到限制。这些患者中所见的异常呼气模式可能意味着对动态过度充气程度的阐释可能随着用于分析的呼吸而显著变化。

因此，本发明的第一方面要实现上述目标和其他几个目标，其通过提供计算机实施的方法用于测定受试者有动态过度充气和/或受试者中自动呼气末正压(自动peep)增加的风险，该方法包括

a)提供第一输入，其指示受试者的呼气流量；和

b)提供第二输入，其指示受试者呼气中的二氧化碳水平；和

c)将所述第一和第二输入与一种或多种对应参照水平比较；和

d)如果所述第一和第二输入显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者有动态过度充气和/或自动peep增加的风险；或者如果所述第一和第二输入没有显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者没有动态过度充气和/或自动peep增加的风险。

第二方面，提供了用于测定受试者中动态过度充气和/或自动呼气末正压(自动peep)的变化的计算机实施的方法，该方法包括

a)提供指示受试者的呼气流量特征的第一输入；和

b)提供指示受试者呼气中的二氧化碳水平的第二输入；和

c)将所述第一和第二输入与由所述受试者从之前的时间点提供的对应输入比较；和

d)如果所述第一和第二输入显著偏离由所述受试者从之前的时间点提供的一种或多种对应输入，所述受试者有动态过度充气和/或自动peep增加的风险；或者如果所述第一和第二输入没有显著偏离由所述受试者从之前的时间点提供的一种或多种对应输入，所述受试者没有动态过度充气和/或自动peep增加的风险。

因此，本发明的方法提供一种指示动态过度充气的程度(第一方面)，以及与长时间临床实践相关的动态过度充气的变化(第二方面)，其可允许临床医师采取适宜的措施，如更改机械呼吸机的设置，例如压力支持的水平、呼气末正比(positiveendexipiratoryratio)；或在控制的呼吸机模式中，吸气：呼气比。

本发明特别地(但不限于)有利的是，流量数据和二氧化碳数据的测量和分析(即比较)被用来获取迄今无法获得的对患者动态过度充气和过度充气变化相关的深入了解。更具体地，以下将证明关于过度充气的患者状态和患者状态变化相关的有价值的深入了解，分别参照图4和5，可通过本发明获取。据本发明者所知，这是之前在本领域中无法获得的深入了解。

广义上，本发明可有利地用于以两种结果方式协助评估动态过度充气和/或自动peep增加的风险，即“有风险”或“无风险”，但本发明当然也可输出更多此风险的有细微差别的水平，既可以定性又可以定量方式。因此，以定量的方式指示风险可以是数字，如百分比，而如果风险以定性的方式表示，可以是例如三水平风险模式，例如“无风险”、“低风险”和“高风险”，四水平风险模式，等等。

风险可以任意类型的合适图示用户界面(gui)，通过声音/警报，或其他人机界面输出并显示给用户，例如临床医师，并且/或储存以备日后使用，例如被临床医师分析和评价。

可提及的是，本发明的上下文中，所述指示是为了协助或指导例如临床医师对治疗和/或诊断特点做出决定。因此，本发明不是为进行实际诊断而设计，仅提供智能信息，即可协助临床医师进行提供患者状态诊断的智能训练的随后步骤的指示，如果需要，诊断后可采取治疗特点的措施。因此，本发明不必要包括进行诊断的严格意义上的智能步骤而是协助提供有益于进行实际诊断的信息。一方面，本发明可作为参与受试者监测的医疗人员的决策支持系统(dss)实施，进行受试者(例如患者)的医疗评价和/或受试者的医疗计划。提供第一和/或第二输入的步骤不需要通过与受试者互动来进行，但可能通过接收与此相关的第一和/或第二输入来实施，即不对受试者进行实际测量。

第三方面，提供了用于测定受试者有动态过度充气和/或受试者中自动呼吸末正压(自动peep)增加的风险的计算机实施的方法，该方法包括

a)提供第一输入，其指示受试者的呼气流量；和/或

b)提供第二输入，其指示受试者呼气中的二氧化碳水平；和

c)将所述第一和/或第二输入与一种或多种对应参照水平比较；和

d)如果所述第一和/或第二输入显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者有动态过度充气和/或自动peep增加的风险；或者如果所述第一和/或第二输入没有显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者没有动态过度充气和/或自动peep增加的风险。

第四方面，提供了用于测定动态过度充气和/或受试者中自动呼气末正压(自动peep)的变化的计算机实施的方法，该方法包括

a)提供指示受试者的呼气流量特征的第一输入；和/或

b)提供指示受试者呼气中的二氧化碳水平的第二输入；和

c)将所述第一和/或第二输入与由所述受试者从之前的时间点提供的对应输入比较；和

d)如果所述第一和/或第二输入显著偏离由所述受试者从之前的时间点提供的一种或多种对应输入，所述受试者有动态过度充气和/或自动peep增加的风险；或者如果所述第一和/或第二输入没有显著偏离由所述受试者从之前的时间点提供一种或多种对应输入，所述受试者没有动态过度充气和/或自动peep增加的风险。

第一输入可随时间积分。因此，在一个实施方案中，对于受试者的个体呼气，指示受试者的呼气流量的第一输入进一步随时间积分，如果积分面积低于某一阈面积则具体的呼气被归类为不完全，和/或如果积分面积高于某一阈面积则具体的呼气被归类为完全。

另一个实施方案中，所述具体呼气末的第一输入的时间导数值另外应用于分类具体的呼气归类为不完全还是完全。

又一个实施方案中，步骤c)将第一输入与对应参照水平比较包含将不完全呼气平均测量值同与有动态过度充气和/或自动peep增加的风险相关的不完全呼气平均测量值的对应参照水平比较。

第二输入也可进一步具体化。因此，在一个实施方案中，指示受试者呼气中二氧化碳水平的第二输入用于评估具体呼吸的呼气末二氧化碳水平(etco2)。技术人员会理解已经有发现etco2的多种方法。

又一个实施方案中，具体呼吸的呼气末二氧化碳水平(etco2)却用于数次呼吸以评估对所述受试者的呼气末二氧化碳水平变异性的测量值，这是特别地有利而且之前未见过。术语“变异性”可与诸如分散、扩散，和/或散布的术语同义地和/或相当地使用，如统计分析技术人员容易明白的那样，这些实质上测量给定的分布，或样品是怎样小或怎样扩展。变异性例如可通过诸如方差、标准偏差、四分位距等方法定量。

又一个进一步的实施方案中，步骤c)将第二输入与对应参照水平比较包含将对呼气末二氧化碳水平变异性的测量值同与有动态过度充气和/或自动peep增加的风险相关的呼气末二氧化碳水平变异性的对应参照水平比较。

根据本发明的方法可用于定义相关风险的进一步分类。因此，一个实施方案中，步骤c)比较第一和第二输入是否显著偏离所述参照水平另外用于将所述受试者分为三类或更多类有动态过度充气和/或自动peep增加的风险。例如图4和相关文本中，描述了三类的实例。须理解的是，分类可基于例如偏离阈水平的程度或例如基于分成不同类的几个阈水平来划分。

相似的实施方案中，步骤c)比较第一和第二输入是否显著偏离由所述受试者从之前的时间点提供的所述对应输入另外用于对受试者有动态过度充气和/或自动peep增加的风险的变化来分类。

不同的输入可由不同的设备提供。因此，一个实施方案中，第一和/或第二输入由支持受试者的机械呼吸机提供，优选地所述受试者有自主呼吸努力。相似的实施方案中，第二数据由例如连接于机械呼吸机的二氧化碳监测仪提供。二氧化碳监测仪允许测量呼吸气中二氧化碳的分压。

在一个详细的实施方案中，所述受试者

-需要机械换气；和/或

-有自主呼吸努力；和/或

-未被完全镇静。

不同输入可取数次呼吸的平均值。因此，另一个实施方案中，第一输入和/或第二输入取数次呼吸的平均值，如在5-50次呼吸的范围内，如5-30次呼吸，如10-25次呼吸。然后第一输入可处理为数次不完全呼吸，以数字(低于最大范围)或分数值或频率值给出。第二输入可以分压给出(典型地在大约0-6kpa范围内而有时大约0-15kpa)，但在本上下文中，第二输入优选地处理为给出以百分数或相似方式表示的呼气二氧化碳(fco2)的分数，分数通常为大约0-5％取决于医疗条件，参见图4。图2-5和相关文本中，应用了20次呼吸的滚动窗口(rollingwindow)。

具体的实施方案中，指示患者呼气流量的第一输入是流量。

另一个具体的实施方案中，第二输入是潮气末二氧化碳。此潮气末值是经过计算的。又一个实施方案中，输入信号为呼吸气co2水平(分数、分压或质量)，进一步计算以提供潮气末二氧化碳。

第五方面，本发明涉及机械换气系统，优选地用于部分支持的换气，系统被设置用于测定受试者(p)中有动态过度充气和/或自动呼气末正压(自动peep)增加的风险，该系统包括

能够为所述患者机械换气空气和/或一种或多种医疗气体的换气装置，

控制装置，换气机装置可通过与其操作连接的所述控制装置来控制，

测量装置(m1,m2)，其被设置用于测量指示受试者的呼气流量的第一输入和指示受试者呼气中的二氧化碳水平的第二输入，测量装置能够传送

-第一输入(d1)，其指示受试者的呼气流量；和

-第二输入(d2)，其指示受试者呼气中的二氧化碳水平；和

设置用于将所述第一和第二输入与一种或多种对应参照水平(ref1,ref2)对比的控制装置；如果所述第一和第二输入显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者有动态过度充气和/或自动peep增加的风险；或者如果所述第一和第二输入没有显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者没有动态过度充气和/或自动peep增加的风险。

本发明的第六方面涉及计算机程序产品，其被配置成能够使计算机系统控制根据第五方面的机械换气系统，或控制和实施第一、第二、第三和/或第四方面的方法，所述计算机系统包含至少一台计算机，其具有与其连接的数据存储装置。

本发明的此方面特别地(但不限于)有利在于本发明可由计算机程序产品完成，其在下载或上传至计算机系统时能够使计算机系统分别执行机械换气系统的运行。这样的计算机程序产品可在任意类型的计算机可读媒介上，或通过网络提供。

本发明的每个方面可分别与任意的其他方面结合。这些和本发明的其他方面参照所述实施方案的下列说明将是明显的。

附图简要说明

本发明此处将参照附图进行更详细的说明。附图显示实现本发明的一种方式，并且不解读为限制其他可能的实施方案落入在所附权利要求的范围内。

图1

图1为根据本发明的方法的流程图。

图2

图2示出描述呼气流量的实施例数据的分析。a)随时间的呼气流量。b)同一患者的系列呼吸的流量特征。完全呼吸以星号(*)标记。c)对于图2b所示的数据，20次呼吸的滚动窗口内不完全呼吸的平均数。

图3

图3示出描述呼气末二氧化碳水平的实施例数据的分析。a)典型的呼气co2特征。此特征上co2的最高值代表呼气末值。b)同一患者系列呼吸中的呼气二氧化碳的变异性。c)两倍20次呼吸的滚动窗内潮气末co2水平的标准偏差，示出潮气末co2中的变异性。

图4

图4示出了基于不完全呼吸和呼气末co2变异性的平均数的动态过度充气的三种分类。a)左侧的两个曲线显示没有动态过度充气的同一患者数次呼吸内的流量和co2特征。右侧的图显示同一患者中不完全呼吸的平均数图谱(实线)和co2变异性图谱(虚线)。b)左侧的两种曲线示出有中度动态过度充气的同一患者数次呼吸内的流量和co2特征。右侧的图显示同一患者中不完全呼吸的平均数图谱(实线)和co2变异性图谱(虚线)。c)左侧的两种曲线示出有重度动态过度充气的同一患者数次呼吸内的流量和co2特征。右侧的图显示同一患者中不完全呼吸的平均数图谱(实线)和co2变异性图谱(虚线)。

图5

图5示出鉴定从中度到没有的动态过度充气分类状态的变化。a)逐次呼吸co2特征。b)a)呼吸内的流量特征。完全呼气以星号标示。c)不完全呼吸的平均数(实线)和co2变异性(虚线)。垂直线示出患者呼吸模式中变化的开始。

图6

图6显示根据本发明的机械换气系统(100)，患者(p)完全地或部分地在换气中受到支持，和机械换气系统，其包含流量测量装置和受试者呼气中二氧化碳的测量装置。

实施方案详述

本发明是一种用于鉴定动态过度充气性质的程度和变化的方法/计算机系统。本发明的关键是应用描述呼气流量和/或呼气二氧化碳水平的信号，并且分析源自这些信号的变量中的变化趋势。

图1为本发明的方法的一个具体实施方案的示意图。图上示出的方法包括分别用于分析呼气流量(流量信号分支)和二氧化碳信号(碳信号分支)的两支，和它们的随后结合。流量信号分析(图1)的步骤1和2示于图2中。对于每次呼吸，呼吸末可被自动检测，这可通过数种方法完成，包括分析一段时间内流量信号的正性或负性。呼吸末检测后，此呼吸末之前的固定时间间隔的流量信号可积分给出此时间段内的体积(图2a)。此固定时间间隔既可测定为数值，或为呼气时间的百分比。如果此体积大于阈值则呼吸被认为不完全，否则被认为完全。测定不完全呼吸的阈既可是固定值，或呼气体积的百分比。图2b示出了同一患者的系列呼吸。完全呼吸以星号(*)标记，标绘在呼吸末。对于有自主呼吸努力的患者，呼吸可能高度不均一。这示于图2b中，只有一些呼吸是完全的。描述流量信号的第三步(图1，步骤3)因此是计算平均数。图2c示出了滚动窗口内的不完全呼吸的平均数。图(2c)中，滚动窗口设置为20次呼吸，意味着y轴代表从0到20的范围内的不完全呼吸的次数。

二氧化碳(co2)信号分析(图1)的步骤1和2示于图3中。典型的呼气co2特征显示于图3a中。此特征上co2的最高值代表呼气末值。典型地，这是在平台期末，此处气体从肺的最小单位，即肺泡呼出。此平台期常见于完全呼气。对于不完全呼气可能达不到平台期而且潮气末值可能因此更低。对于有不均一性的呼吸模式，即一些完全和一些不完全呼吸，技术人员可能看见一些呼吸达到平台期而一些不是，意味着潮气末值将有大量变异性。未达到平台期的那些可能指示患者动态过度充气风险增加。此变异性通过图3b中数次呼吸示出。此变异性可通过考虑呼吸的滚动窗口内的呼气末co2的平均值和呼气末co2中的变异性的标准偏差计算。co2信号的标准偏差反映呼气末co2的变异性和因此的呼吸模式的不均一性。图3c演示2倍20次呼吸的滚动窗口内的标准偏差的图，即co2信号分析分支的步骤2。

不完全呼吸的平均数和潮气末co2信号中的平均变异性均提供与动态过度充气程度有关的信息，此事实意味着这些信号可一起考虑并用于评价患者的状态，即图1所示的方法的步骤5。具体地讲，方法可将动态过度充气的程度分为3类或更多类。图4示出3种这样分类的实例。图4a示出没有动态过度充气的患者中流量和co2特征(左侧)以及不完全呼吸的平均数图谱(实线)和co2变异性图谱(虚线)(右侧)。不完全呼吸次数接近零，而且co2变异性非常低。图4b示出有中度动态过度充气的患者中流量和co2特征(左侧)以及不完全呼吸的平均数图谱(实线)和co2变异性图谱(虚线)(右侧)。不完全呼吸次数于20次呼吸窗口内在5-11次范围中，而且co2变异性高。co2变异性高说明呼吸不均一，有一些达到完全而且高呼气co2水平，而其他过早结束而且达到低呼气co2水平。图4c示出有重度动态过度充气的患者中流量和co2特征(左侧)以及不完全呼吸的平均数图谱(实线)和co2变异性谱图(虚线)(右侧)。不完全呼吸次数每20次呼吸约有19次，而且co2变异性非常低。此图谱说明呼吸均一，如co2信号中缺少平台期所指示的，所有呼气过早结束，而且导致呼气co2值中几乎没有变化。

如此方法中描述的，分析不完全呼吸的次数和呼气co2变异性也可用来鉴定患者状态中与动态过度充气有关的变化。图5示出患者从中等程度过度换气到极少或没有的状况。图5a示出逐次呼吸co2特征，图5b示出这些呼吸内的流量特征，完全呼气以星号标示，图5c不完全呼吸的平均数(实线)和co2变异性(虚线)。垂直线示出患者呼吸图谱中变化的开始，潮气末co2变异性降低，不完全呼吸的次数减少。这些平均值，见图5c，清楚地显示患者从类似于图4b即中度动态过度充气的图向类似于4a即极少或没有动态过度充气的图移动。

图6显示根据本发明的机械换气系统100，优选地用于部分支持的换气。系统被特别地设置用于测定受试者p,1有动态过度充气和/或自动呼气末正压(自动peep)增加的风险。

该系统包含能够为所述患者机械换气空气和/或一种或多种医疗气体(未显示)的换气装置，以及控制装置10，该换气装置可通过与其操作连接的所述控制装置来控制。

同样测量装置m1和m2被设置用于测量指示受试者的呼气流量的第一输入，例如典型地存在于机械换气系统中的流量测量设备，和指示受试者呼气中的二氧化碳水平的第二输入，例如二氧化碳监测仪，允许测量呼吸气中二氧化碳的分压。

测量装置特别地能够传送

-第一输入d1，其指示受试者的呼气流量，指示为“流量”；和

-第二输入d2，其指示受试者呼气中的二氧化碳水平，指示为“co2”；

和

另外地，控制装置10设置用于将所述第一和第二输入与一种或多种对应参照水平ref1,ref2比较；如果所述第一和第二输入显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者有动态过度充气和/或自动peep增加的风险；或者如果所述第一和第二输入没有显著偏离所述一种或多种参照水平，所述受试者没有动态过度充气和/或自动peep增加的风险。一个特别有利地实施方案中，第一输入d1经过处理给出在合适的滚动时间窗口例如20次呼吸内不完全呼吸的平均数，以<#incbrea>显示，第二输入d2经过处理给出潮气末二氧化碳的平均变异性，以<varco2>显示，参照图4和5以及相关的上述内容。

控制装置10可特别地安装计算机程序产品，其被配置成使计算机系统能够控制如图6所示的机械换气系统，所述计算机系统包含至少一台具有与其相连的数据存储装置的计算机。合适的用户界面例如图示用户界面gui可与以备日后使用和/或患者p的连续监测的适宜存储store一并提供。

词汇表

icu重症监护室

etco2潮气末co2

自动peep自动呼气末正压

参考文献

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所有上述专利和非专利文献此处整体引入作参考文献。