用于确定食管压力的具有球囊探针的食管导管的校准系统的制作方法

本发明涉及用于确定食管压力的具有球囊探针的食管导管的校准系统。

背景技术：

1、具有用于确定食管压力的球囊探针的食管导管(下文也简称为球囊导管)特别地用于机械通气中，以便确定经肺压力。

2、在现今常见的机械通气形式中，患者以正压被供应呼吸气体。因此，在通气期间，至少在吸气阶段期间，气道压力或肺泡压力大于肺泡周围的胸膜腔或空隙中的压力。在呼气阶段期间，通气装置没有对气道加压，结果是肺组织松弛并且气道压力或肺泡压力降低。在某些情况下，这种正压通气可以导致气道中或肺泡中的压力状况在呼气阶段结束时变得如此不利，以致肺泡的部分塌陷。然后，肺体积的塌陷部分必须首先在随后的呼吸周期中再次展开。肺的功能剩余容量严重受损，使得氧饱和度降低，并且肺组织也遭受永久性损害。

3、为了防止肺泡在呼气阶段结束时塌陷，通常在正压机械通气期间设定所谓的呼气末正压力，通常简称为peep。利用这种措施，在许多情况下可以实现氧饱和度的改善。

4、当用peep通气时，通气装置将预定正压力(peep)永久地施加至气道——即，在吸气阶段期间和在呼气阶段期间两者。因此，在呼气阶段结束之后，peep仍然存在。

5、理想地，peep应设定得足够高，使得在呼气阶段期间，肺泡压力不低于或至少仅在一定程度上低于胸膜间隙中的压力，使得肺泡组织不会在胸膜间隙中的压力的作用下塌陷。换言之，peep防止经肺压力(即，肺泡压力和胸膜间隙中的压力之间的压力差)变得低于零或降低到低于肺泡部分开始塌陷的负下限值。

6、另一方面，peep的过高值可能具有负面影响，尤其是在吸气阶段期间。这是因为在吸气阶段期间，在非常高的气道压力下，肺组织可能变得过度紧张。许多研究还指示peep的高值可以阻止静脉血液回流至心脏，对心血管系统具有相应的负面作用。

7、自身而言，peep应与各自占主导的经肺压力匹配。然而，通气患者中的经肺压力不适于简单确定。为此，人们因此借助于食管导管测量放置在通气患者的食管中的球囊探针中的压力。通过球囊的适当定位和配置，在球囊中测量的压力可用于大致确定胸膜间隙中的压力。

8、wo 2014/037175 a1描述了基于由测量装置检测到的压力由换气装置指定的压力(具体地呼气末正压力(peep)和最大气道压力)的自动设置，该压力被视为经肺压力的指示，即，肺泡压力和胸膜间隙中的压力之间的压力差。当经肺压力被确定时，插入到食管中的球囊导管中的压力被测量为胸膜间隙中的压力的被测变量。

9、在实践中，插入到食管中的球囊导管中测量的压力与胸膜间隙中的压力之间的关系可以在通气期间改变。其原因可以是多种多样的并且通常不能详细地确定。

10、mojoli等人在期刊crit.care(2016)20：98描述了用于校准被设计为测量食管压力的球囊导管的程序。校准的目的是实现利用空气对球囊导管的最佳填充，其中，球囊导管对作用于食管的胸膜间隙中的压力的变化尽可能敏感，并且尽可能反映胸膜间隙中的压力。用插入到食管中的球囊导管在体内进行校准。通过将不同量的流体(空气)填充到球囊导管来相继测量在吸气阶段结束时由球囊导管测量的压力以及在呼气阶段结束时由球囊导管测量的压力，并确定这两个压力之间的差异。然后，获得最佳的球囊填充作为在测量范围内的压力差的最大值，其中，在吸气阶段结束时由球囊导管测量的压力和在呼气阶段结束时由球囊导管测量的压力都随着填充到球囊中的流体的量准线性地增加。为了在这种体内校准中能够实现可再现的结果，本研究中的每个球囊填充是根据相同的程序进行调整的，如下：从空的球囊导管开始，在与环境的压力平衡中，球囊导管首先被过度填充至高于测量范围的值，然后从球囊排出流体直到实现所期望的球囊填充。在记录新的测量点之前，必须始终注意允许足够的时间来补偿流体流、压力和/或在导管材料或食管组织中发生松弛过程，从而避免不稳定状况。因此，mojoli等人描述的测量程序相当复杂和灵敏，使得球囊导管的校准需要大约15min或甚至更长的相当量的时间。在实践中，这导致以下事实：在通气过程开始之前仅可以确定并且预设球囊探针的最佳填充。该最佳填充然后在通气期间维持并且不再改变。

11、hotz等人在期刊respir.care(2018)63(2)：177-186还建议对填充到球囊导管中的流体的量进行校准，以获得所测量的压力对胸膜间隙中的压力变化的最大敏感度，并提高测量的准确性。其中提出的体内校准类似于mojoli等人提出的校准，并且特别地是类似耗时的。

技术实现思路

1、本发明提供一种校准系统，该校准系统实现了由插入到食管中的球囊导管递送的压力测量值的准确度的改进。特别地，根据本发明的校准系统允许通过球囊导管更准确地再现胸膜间隙中存在的压力，并且允许测量值在正在进行的通气期间更快速地响应变化的环境条件。这使得能够在通气期间对球囊导管进行校准，而无需中断通气。即使当使用全自动通气模式(诸如闭环通气，如在本技术人开发的自适应支持通气(asv通气)中)进行通气时也是如此。

2、根据本发明，提出了一种校准系统，该校准系统被设计为自动设定具有球囊探针的食管导管的预期操作填充，球囊探针用于确定食管压力，该球囊探针可插入到食管中，特别是用于通气装置。该校准系统包括以下部件：

3、-填充装置，填充装置用于在将球囊探针放置于食管中之后用测量流体填充球囊探针，

4、-压力传感器，压力传感器用于检测在球囊探针中存在的食管压力，

5、-校准控制器，校准控制器被设计成递增地改变球囊探针中测量流体的量，校准控制器记录由压力传感器针对以这种方式递增地设置为测量点的球囊探针中的每个测量流体量检测的食管压力并且将食管压力分配给球囊探针中的相应的测量流体的设置量。

6、校准控制器被设计成使得，为了接近相应的测量点，校准控制器在至少两个步骤中从开始值开始单调地改变测量流体的量，直到达到结束值。

7、测量流体特别是空气。

8、具体地，校准系统还可以包括用于在将球囊探针放置在食管中之后从球囊探针抽出测量流体的装置(流体排放装置)。用于在将球囊探针放置在食管中之后用测量流体填充球囊探针的装置和用于在将球囊探针放置在食管中之后从球囊探针抽出测量流体的装置两者均可以包括被布置在用于测量流体的输送管线中的一个或更多个阀，输送管线与球囊探针流体连通。在球囊探针中的测量流体处于正压力下的情况下，流体排放装置可以简单地通过控制与球囊探针处于流体连通的流体管线中的阀来实施。

9、用于在将球囊探针放置在食管中之后用测量流体填充球囊探针的装置可以包括泵送装置，借助于泵送装置可以将测量流体泵送至球囊探针中。在这种情况下，泵送装置还可以被配置为从球囊探针抽出(泵出)测量流体。流体排放装置可包括泵送装置。

10、在进一步的实施例中，用于用测量流体填充球囊探针的装置和/或用于从球囊探针抽出测量流体的装置可以包括流量传感器，特别是质量流量传感器，流量传感器被设计成确定引入到球囊探针中的测量流体的量和/或从球囊探针抽出的测量流体的量。例如，通过在开始时间和终止时间之间的时间段内对由流量传感器测量的流量进行积分，可以确定引入到球囊探针中和/或从球囊探针中抽出的测量流体的相应的量。如果使用流量传感器基于压力差确定测量流体的流量，则流量传感器还可用于检测球囊探针中存在的食管压力。单独的压力传感器也是可能的。

11、校准控制器可以被实现为“在硬件中”的独立部件。可替换地，校准控制器可实现为计算机程序产品，即，通过在处理器(具体地，微处理器或微控制器)上执行的相应软件程序。在这种情况下，软件可以保持在合适的本地存储介质或可以经由网络检索的存储介质上。软件包含编码为计算机程序的指令，当将软件加载到处理器的ram存储器中并翻译成机器语言时，计算机程序使处理器执行本文更详细描述的过程。当然，也可以设想硬件实现和软件实现之间的混合形式。该微处理器或微型计算机可以是校准系统的控制系统的一部分。

12、术语“单调地”旨在表达球囊探针中测量流体的量在测量周期期间总是在相同方向上变化。这意味着，在测量周期期间，测量流体的量在用于到达每个另外的测量点的开始值与结束值之间继续减小或者继续增加。在此背景下，开始值与结束值之间的测量点的接近限定了测量周期。测量周期的开始值和结束值可以由引入到球囊探针中或从球囊探针排放的预定量的测量流体限定。可替代地，也可以设想通过球囊探针中检测到的压力的预定值来限定开始值和结束值。这同样适用于在测量周期的开始值与结束值之间接近的单独的测量点。已经发现，至少当接近开始值与结束值(其中可能不包括开始值和结束值)之间的连续测量点时，总是将预定量的测量流体从球囊探针排出或将其引入到球囊探针中是更简单且更快的。

13、如根据本发明提出的在测量周期内在开始值和结束值之间的测量范围的单调遍历极大地加速了校准。这具体是由于以下事实：在测量周期内，从开始值开始直到至少结束值，可以直接一个接一个地接近连续的测量点。具体地，在校准程序的过程中，不需要中间步骤来排空球囊探针和/或为单独的测量点设置精确可再现的初始条件。此外，不再需要等待压力平衡或松弛过程。令人惊奇的是，已经证明，对于每个测量点，在对于每个测量点的初始条件相同的情况下，省略了相同的程序，校准不会受到任何(至少不会不可接受的大)负面影响。具体地，滞后效应(如果有的话)似乎对测量周期内的所有测量点具有近似相同的影响并且因此不干扰校准。

14、本文提出的校准系统的特定实施例可以具有以下阐述的可选特征中的一个或更多个。在特征排他地涉及可替代实施例的情况下，这将在下文中明确指出。因此，除非明确排除，应当理解，以下特征可以任何方式与上文或下文阐述的相应特征组合。

15、如已经提及的，校准系统还可以包括流体排放装置，流体排放装置被设计成从球囊探针排放测量流体。校准控制器控制流体排放装置以用于接近对应的测量点，使得球囊探针中的测量流体的量从开始值开始以在至少两步骤中单调地减少直到达到结束值。该控制可以例如通过暂时打开与球囊探针处于流体连通的输送管线中的阀来进行。借助于相应的泵送装置的主动泵送也是可设想的。

16、校准控制器可以进一步被设计成控制用于至少在第一测量周期中用测量流体填充球囊探针的装置，第一测量周期用于用测量流体的量填充球囊探针，使得引入到球囊探针的测量流体的量大于分配给测量周期在开始值与结束值之间的测量范围的上限。在这种情况下，仅在已经从球囊探针排出第一量的测量流体之后接近限定测量周期开始的开始值。校准控制器可以控制用于填充球囊探针的装置，使得后者最初以比对应于开始值的测量流体的量更大的测量流体的量填充球囊探针。校准控制器然后可以控制流体排放装置，使得流体排放装置从球囊探针排出测量流体，直到球囊探针中存在对应于开始值的测量流体的量。

17、这些测量导致在即将到来的测量周期开始之前球囊探针的某些过度伸展。这确保了测量周期实际上覆盖了能够用作测量范围的整个范围，在该测量范围中，由球囊探针测量的压力随着球囊探针中测量流体的量近似线性地变化。因此，在所提出的在接近开始值之前球囊探针过度伸展的程序中，在测量周期中，至少在中间部分中，在球囊探针中测量的压力随着球囊探针中测量流体的量大致线性地减小。该线性减小决定了球囊探针内的测量流体的上填充量和球囊探针内的测量流体的下填充量之间的范围，其基本上能够用作食管导管的测量范围。

18、由于测量是在体内进行的，即，在将球囊探针放置在患者的食管中的情况下，用作测量范围的线性部分中的食管压力/测量流体曲线的量的斜率更多地由食管的扩张性确定，而更少地由球囊探针的扩张性确定。在线性部分中，食管随着被测量流体的量减少而伸展越来越少，并且其横截面随着被测量流体的量减少而减小，同时扩张性保持大致相同。

19、在测量范围的线性部分之上的范围中——至少利用球囊探针的足够大的直径——达到食管的最大扩张性。然后，随着填充的流体量的进一步增加，球囊探针几乎不会进一步伸展。因此，食管球囊中的压力随着测量流体体积的增加而比在测量范围的线性部分中更急剧地增加。通常，至少在第一测量周期中，将选择测量流体的量的开始值，使得所测量的食管压力的开始值在测量范围的线性部分之上的范围内。

20、在进一步实施例中，校准控制器可以被设计成连续地执行至少两个测量周期。在这种情况下，至少两个连续的测量周期的测量范围可以是不同的。具体地，前面的测量周期可以确定后续测量周期的测量范围。

21、例如，在前面的测量周期中，可以遍历第一开始值和第一端值之间的第一测量范围，以便找到食管的扩张性保持近似相同的近似线性范围。然后，在后续测量周期中，可以在第二开始值和第二结束值之间进行测量点的较精细分级，第二开始值和第二结束值两者都在线性范围内。

22、校准控制器可以进一步被设计成针对前面的测量周期和针对后续测量周期不同地设定连续测量点之间的距离。在此上下文中，术语“测量点之间的距离”旨在指球囊探针中测量流体的关联量之间的差。

23、例如，在前面的测量周期中，可以设定连续测量点之间的相对宽的距离，以识别在食管导管中检测的食管压力随着球囊探针中测量流体的量近似线性地改变的范围。在随后的测量周期中，然后可以以较小的梯级宽度遍历关联的最大测量流体量和最小测量流体量之间的线性范围，以便找到食管导管的测量流体的最佳填充量。

24、此外，校准控制器可被设计成在测量周期中自适应地确定测量范围内的连续测量点之间的梯级宽度或增量。例如，可以使用梯度方法(诸如牛顿算法等)进行这种自适应增量确定。

25、在若干连续测量周期的情况下，可能有利的是，在开始时进行球囊探针的一定“过度伸展”，即，在每个测量周期之前，执行比对应于相应测量周期的开始值更大量的测量流体的初始引入。在这种情况下，校准控制器可以被设计成使得在前面的测量周期与随后的测量周期之间不发生测量流体从球囊探针的完全排空。在这种实施例中，特别地，不存在由球囊探针封闭的腔或体积的完全排空，甚至在连续的测量周期之间也不存在。相反，人们利用以下事实：如果从开始时的任意开始值开始，将比开始值所需的更大量的测量流体引入到球囊探针中，则在相应测量周期开始之前存在于球囊探针中的测量流体的精确量不重要，因为由此造成的过度伸展比从填充开始的初始状态更多地取决于引入到球囊探针中的测量流体的量。此外，球囊探针的过度伸展的精确程度通常根本不重要，因为当从球囊探针抽出测量流体时(这是达到后续测量周期的开始值所必需的)，可以从检测的食管压力识别相应测量周期的期望开始值。

26、然而，为了提高准确度，还可以设想在测量周期开始之前或在若干连续测量周期的情况下至少在第一测量周期开始之前将球囊探针设定为预定的“零状态”，例如通过从球囊探针泵送或以其他方式排放测量流体直到预定的负压(例如相对于环境压力的-20hpa)。以此方式，可以确保校准程序从球囊探针的预定初始状态开始，其中例如确定球囊探针具有完全塌陷的配置。从这个零状态开始，然后可以将测量流体引入或泵送到球囊探针中，直到球囊探针过度填充到高于第一测量周期的开始值的预定压力已经发生。从该状态开始，然后可以通过在开始值和结束值之间单调地连续接近多个测量点以上述方式执行校准程序。

27、在进一步实施例中，校准控制器可以被设计成使得对于每个测量点，即，针对测量周期的开始值和结束值(如果需要，包括开始值和结束值)之间的球囊探针中的测量流体的每个设置量，确定吸气阶段结束时的食管压力的测量值和呼气阶段结束时的食管压力的测量值，然后确定吸气阶段结束时的食管压力和呼气阶段结束时的食管压力之间的差。

28、就这一点而言，校准控制器可以被设计成确定在球囊探针中测量流体的量的开始值与球囊探针中测量流体的量的结束值之间的范围(如果需要，包括开始值和结束值)的吸气阶段结束时的食管压力与呼气阶段结束时的食管压力之间的差的最大值(最大压力)。然后，对应于最大压力的球囊探针中测量流体的量然后对应于球囊探针的最佳填充，即，应当执行通气的球囊探针中的测量流体的量。

29、此外，校准控制器可以被设计成使得其在正在进行的通气期间确定用于在开始值和结束值之间的相应测量点的在吸气阶段结束时食管压力的测量值和在呼气阶段结束时食管压力的测量值。

30、因此，不需要中断正在进行的通气周期或呼吸周期，以明确或确定食管压力的测量值。特别地，为了确定这些测量值，没有必要设定气道被关闭的死区时间，使得通气气体或呼吸气体的流停止。因此，在执行食管导管的校准或重新校准时，患者的通气可继续不变。这是极大的优势，不仅因为从患者的角度来看，要避免通气的任何中断或干扰，而且因为食管导管的校准可以在尽可能接近生活的条件下以这种方式进行。

31、此外，校准控制器可以被设计成使得，校准控制器比较吸气阶段结束时的食管压力与呼气阶段结束时的食管压力之间针对各个测量点确定的差值，然后，如果针对各测量点确定的压力差相对于横跨多个连续测量点之间的压力差的最大值位于预定波动范围内，将与球囊探针的最佳填充相对应的测量流体的量确定为与球囊探针中的最小测量流体量(下边缘)和/或与球囊探针中的最大测量流体量(上边缘)具有预定距离的测量流体的量，在最小测量流体量(下边缘)和/或最大测量流体量(上边缘)处所检测的压力差仍位于波动范围内。

32、例如，可以指定与球囊探针的最佳填充相对应的测量流体的量比上边缘更靠近这种具有在最大值附近具有大致相等的压力差的范围的下边缘。例如，对应于球囊探针的最佳填充(“最佳填充”)的球囊探针中测量流体的量可以比对应于大致相等的压力差范围的下边缘的测量流体的量大于对应于大致相等的压力差范围的上边缘的球囊探针中测量流体的量与对应于大致相等的压力差范围的下边缘的球囊探针中测量流体的量之间的距离的1/3。

33、具体地，校准控制器可以被设计成使得其针对开始值与结束值(可能包括开始值和结束值)之间的每个测量点确定多个测量值，具体地，针对吸气阶段结束时的食管压力和针对呼气阶段结束时的食管压力的多对测量值。这通常在连续的通气周期中完成。然后，校准控制器可以基于每个测量点的多个测量值确定测量值或由其衍生的变量的平均值和统计离散度或离差，特别是吸气阶段结束时的食管压力和呼气阶段结束时的食管压力之间的差(压力差)，并且可以确定每个测量点的测量次数，使得所获得的平均值可以被认为是统计上显著的。

34、作为一般规则，所获得的测量值的统计变化越大，就呼吸周期越多被用作确定分配给相应测量点的压力差的测量值的基础。例如，心源性振荡或移动可在此起作用。通过增加每次测量的呼吸周期次数可以更好地区分这样的效果。特别地，算术平均值可以用作平均值。然而，也可以设想其他类型的平均，例如几何平均。

35、统计离散度可以具体地由高斯标准差表示。然后可以设想将2-sigma水平定义为统计上显著的，即，将95％或更好的高斯标准差评定为显著的。另一变体可以自适应地进行用于确定离散度，例如通过使用在每个新的测量值之后的平均值的变化作为对于相应的测量点的重要性的测量。在各个测量值之后平均值的变化越小，显著性越高。可以针对相应的测量点重复测量，直到最后测量之后的平均值的变化变得小于预定的阈值。然后进行到下一测量点，诸如通过从球囊探针抽出预定量的测定流体等。

36、在进一步实施例中，校准控制器可以被设计成针对开始值与结束值之间的每个测量点来监测相应测量值(在每个这种测量值处每个测量点的压力差的多次测量的情况下)是否受外部环境影响，并且如果检测到这种外部环境则丢弃相应测量值。外部环境可以是例如患者的吞咽努力。可以提供的是，不丢弃或中止整个校准，而仅丢弃受外部情况影响的测量值。特别地，此后可以立即确定针对相应测量点的新测量值。此后，校准程序可以正常继续。因此“实时地”消除假的测量值，而不必中止或中断持续更长时间段的校准程序。在检测到外部环境之后重新开始整个校准程序将花费显著更长的时间，并且例如在一次或多次测量期间经患者吞咽努力的情况下，还可能导致在患者中触发再次发生的吞咽努力。与已知方法相比，这是巨大的进步，因为使用已知方法，要么需要操作员的决定，这使得任何自动化不可能，要么必须在不考虑外部环境的情况下执行自动化校准。如果对数据的分析揭示流入所讨论的校准中的至少一个或一些测量值可能受到外部影响(诸如吞咽努力等)的影响，则校准只能在之后被完全丢弃。因此，不可能肯定地并且在开始校准之前已经说出这种校准是有效的还是可能必须被丢弃。

37、例如，通过监测食管压力的时间进程，特别是如果在机器指定的吸气阶段结束时和/或在机器指定的呼气阶段结束时出现压力信号的变化，可以检测诸如经患者的吞咽努力等不常见的外部环境。

38、校准控制器可以被设计为使得当这种干扰出现时中断校准，并且仅当根据检测到的食管压力和/或气道中的压力能够确定没有另外的干扰出现时恢复校准。

39、此外，校准控制器可被设计成基于在校准程序期间获取的数据来计算质量指数。质量指数可以表示不同因素的影响的加权概要。在这些实施例中，质量指数可以用于基于食管压力数据来决定是否允许换气参数的变化。与质量指数相关的标准可以包括测量数据的统计离散度或者食管压力的异常进程/所测量的流体曲线的量。作为质量指数的测量，可以使用测量值的离差，例如表示为高斯标准差。此外，可以确定包括在质量指数中的某些规则。这种规则的示例可以是：如果在校准程序期间检测到患者吞咽，则质量指数降低。如果在测量点处在吸气结束时检测到的食管压力与呼气结束时检测到的食管压力之间的差的最大值在食管压力与球囊探针中测量流体的量之间的关系的曲线的线性范围之外，尤其是高于线性范围，则质量指标降低。如果基线压力(即，呼气阶段结束时的食管压力)不保持相同或在连续测量的过程中稳定变化，但是跳跃变化，则质量指数减小。如果在球囊探针中的流体量的较高值处检测到的食管压力小于在球囊探针中的流体量的较低值处的值，则质量指标降低。

40、此外，校准控制器可以被设计为使得食管压力必须不超过预定的最大压力。例如，可以提供的是，在换气期间，最大食管压力必须不大于最大气道压力的两倍。当达到该压力时，不再有流体被引入到球囊探针中或流体从球囊探针排放。这是为了避免食管组织的过多地过度伸展。同样，以此方式，可以避免可能导致球囊探针损坏的球囊探针的过多地过度伸展。

41、最后，可以提供的是，校准控制器控制上面已经提及的排放装置，当接近相应的测量点时，通过排放装置可以从球囊探针排放测量流体，使得球囊探针中测量流体的量从开始值开始进一步递增地减少，直到达到结束值为止，此时达到或低于预定的最低呼气末食管压力(例如-5hpa)。

42、本发明进一步涉及自动校准具有球囊探针的食管导管的预期操作填充的方法，球囊探针用于确定食管压力，球囊探针可插入到食管中，特别是用于通气装置。

43、该方法包括以下步骤：

44、-在将球囊探针放置在食管中之后，用测量流体填充球囊探针，以及

45、-检测在球囊探针中存在的食管压力，以及

46、-递增地改变球囊探针中测量流体的量，其中，针对以这种方式作为测量点的球囊探针组中的每个测量流体的量，检测食管压力，并且将食管压力分配至球囊探针中的相应的测量流体的设置量。

47、在根据本发明的方法中，测量流体的量从开始值开始以至少两个步骤单调地改变直到达到结束值，以便接近相应的测量点。

48、在进一步实施例中，根据本发明的方法可以包括以上参考校准系统的形成而隐含提及的进一步的方法步骤中的至少一个、特别是若干个。为了避免重复，明确参考关于校准系统(特别是校准控制器)的功能特征的这些方法步骤的详细说明。

49、此外，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含程序指令，在数据处理系统上、特别是在用于控制具有球囊探针的食管导管的微处理器或微控制器上执行程序指令期间，执行根据本发明的校准方法或者实施根据本发明的校准系统。