監(jiān)測(cè)患者中的二氧化碳（CO₂）濃度是患者監(jiān)測(cè)，特別是在重癥護(hù)理情況中和/或在麻醉期間監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵方面。CO₂濃度提供關(guān)于患者酸度的信息，酸度是換氣和患者代謝之間的平衡的重要描述指標(biāo)。直接測(cè)定患者動(dòng)脈血CO₂分壓（PaCO₂）需要從患者抽取血液樣品并進(jìn)行離線實(shí)驗(yàn)室分析。這樣的血液采樣僅提供關(guān)于動(dòng)脈血CO₂濃度的延遲信息，并且這種信息僅間歇性地可用。例如，即使對(duì)于在高動(dòng)脈血CO₂濃度風(fēng)險(xiǎn)的ICU患者，血液樣品通常每天僅取一次或兩次。此外，動(dòng)脈取樣和血液分析是勞動(dòng)密集的，并且為人為錯(cuò)誤和樣品處理提供機(jī)會(huì)。

因此，當(dāng)前的醫(yī)療監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量由患者呼出的呼吸氣體中的CO₂濃度（EtCO₂）以評(píng)估動(dòng)脈CO₂濃度。用于麻醉遞送和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組規(guī)定當(dāng)患者正在進(jìn)行麻醉時(shí)使用呼出CO₂（EtCO₂）監(jiān)測(cè)。原理是在麻醉期間，EtCO₂是患者動(dòng)脈血CO₂分壓（PaCO₂）的替代或估算值。然而，EtCO₂和PaCO₂之間的關(guān)系并不總是直接或如預(yù)期的，特別是在涉及患有肺損傷或病癥的患者的情況下。

概要

本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，由于EtCO₂和PaCO₂之間的關(guān)系并不總是直接或如預(yù)期的，因此對(duì)于PaCO₂，EtCO₂不是理想的近似，并且需要更好的PaCO₂測(cè)量。在某些情況下，例如在具有肺分流或肺栓塞的患者中，EtCO₂可以比PaCO₂低得多，甚至達(dá)到PaCO₂值的三分之一或更少。此外，本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到通過血液取樣和實(shí)驗(yàn)室分析直接測(cè)定PaCO₂是低效的，并且不能提供在人員麻醉和重癥護(hù)理環(huán)境中所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明人開發(fā)了本文所述的方法和系統(tǒng)，其降低了EtCO₂和PaCO₂之間的差異并且提供了動(dòng)脈CO₂分壓的改進(jìn)的實(shí)時(shí)估算。

估算患者的動(dòng)脈血中的二氧化碳的分壓的方法包括測(cè)定患者的動(dòng)脈氧飽和度，測(cè)定呼吸氣體二氧化碳值和測(cè)定呼吸氣體氧值。所述方法還包括至少基于患者的動(dòng)脈氧飽和度值、呼吸氣體二氧化碳值和呼吸氣體氧值計(jì)算患者的動(dòng)脈血二氧化碳分壓。

患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案包括用于非侵入性測(cè)量患者的動(dòng)脈血紅蛋白氧飽和度值的設(shè)備、呼吸氣體分析儀和計(jì)算單元。呼吸氣體分析儀配置為測(cè)量由患者呼出的呼吸氣體中的峰值二氧化碳分壓并測(cè)量呼吸氣體氧值。計(jì)算單元配置為基于動(dòng)脈血紅蛋白氧飽和度值計(jì)算患者的動(dòng)脈氧飽和度值，并且至少基于患者的動(dòng)脈氧飽和度值和呼吸氣體氧值計(jì)算患者的動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值。

用于監(jiān)測(cè)患者的方法的實(shí)施方案包括通過以下過程估算患者的動(dòng)脈血中的二氧化碳的量：非侵入性測(cè)量患者的動(dòng)脈氧飽和度值，測(cè)定呼吸氣體氧值，測(cè)量由患者呼出的呼吸氣體的峰值二氧化碳分壓，以及至少基于患者的動(dòng)脈氧飽和度值、呼吸氣體二氧化碳值和呼吸氧值來(lái)計(jì)算患者的動(dòng)脈血二氧化碳分壓。所述方法還包括將動(dòng)脈血二氧化碳分壓與由患者呼出的峰值二氧化碳分壓比較，并且如果動(dòng)脈血二氧化碳分壓與由患者呼出的峰值二氧化碳分壓相差超過預(yù)定量，則產(chǎn)生警報(bào)。

與附圖一起，從以下描述中，本發(fā)明的各種其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。

附圖簡(jiǎn)述

附圖示出當(dāng)前設(shè)想的實(shí)施本公開的最佳模式。在附圖中：

圖1A-1C示出正常肺生理學(xué)和異常肺生理學(xué)的從呼吸空氣到靜脈血的氧和二氧化碳分壓變化。

圖2提供了使用非侵入性測(cè)量來(lái)計(jì)算患者的PaCO₂值的一種方法。

圖3提供了血液血紅蛋白氧解離曲線。

圖4提供了提供患者的二氧化碳和動(dòng)脈血的量的非侵入性估算的患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。

附圖詳述

換氣、循環(huán)和代謝的過程消耗氧（O₂）并產(chǎn)生二氧化碳（CO₂）。因此，存在從環(huán)境空氣到靜脈血的O₂的下降濃度梯度和對(duì)于CO₂的上升梯度。圖1舉例說(shuō)明了這些梯度。圖1表示在三個(gè)不同示例性患者的肺循環(huán)期間O₂和CO₂水平以千帕斯卡計(jì)的氣體分壓。圖1A示出涉及正常肺的O₂和CO₂梯度的變化，而圖1B和1C示出對(duì)于具有肺并發(fā)癥的示例性患者，那些梯度的情況。

針對(duì)六個(gè)不同的換氣室或階段描述O₂和CO₂水平，包括吸入氣體分壓（Pi）6-7、呼出呼氣末氣體壓力（Pet）8-9、肺泡氣體分壓（PA）10-11、末端毛細(xì)血管分壓（Pcap）12-13、動(dòng)脈氣體分壓（Pa）14-15和靜脈氣體分壓（Pv）16-17。組織代謝消耗氧（O₂）并產(chǎn)生二氧化碳（CO₂）。血液循環(huán)將O₂運(yùn)送到組織，而CO₂從組織運(yùn)出。該循環(huán)經(jīng)過肺，肺包含在血液和肺泡空氣之間的大面積薄膜。離開肺的血液的氣體含量代表動(dòng)脈血，而到達(dá)的氣體代表靜脈血液。膜允許毛細(xì)血管血液和肺泡空氣之間的氣體擴(kuò)散。肺泡是肺氣室，其中呼吸氣體通過擴(kuò)散膜與肺毛細(xì)血管中的血流連通，從而允許氣體和血液之間的氣體壓力平衡。由于代謝消耗O₂和產(chǎn)生CO₂，到達(dá)肺的血液與肺泡氣體相比具有低O₂和高CO₂濃度。因此，在肺中，CO₂從血液擴(kuò)散到肺泡，而O₂從肺泡擴(kuò)散到血液，以平衡氣體壓差。循環(huán)吸入和呼出（換氣）用環(huán)境氣體改變肺泡氣體，向肺泡提供新鮮的O₂并清除出積聚的CO₂。因此，末端毛細(xì)血管分壓（Pcap）12-13是血液離開肺泡氣體交換區(qū)的毛細(xì)血管點(diǎn)。

從圖1可以看出，在正常肺中，O₂分壓從吸入氣體（PiO₂ 6）至肺泡氣體（PAO₂ 10），至肺毛細(xì)血管（PcapO₂ 12），至動(dòng)脈血（PaO₂ 14）且最終至靜脈血（PvO₂ 16）下降。同樣，在起始于吸入分壓PiCO₂ 7（其假設(shè)為0）的CO₂分壓中，可以看到相應(yīng)的上升，從PetCO₂ 9至PACO₂11，至PcapCO₂ 13，至PaCO₂ 15且最后至PvCO₂ 17上升。

圖1B示出經(jīng)歷靜脈摻雜的患者的這種梯度，靜脈摻雜指部分血液循環(huán)進(jìn)入動(dòng)脈系統(tǒng)而不經(jīng)過肺的換氣肺泡區(qū)域，導(dǎo)致動(dòng)脈血的CO₂高于肺泡CO₂的情況。從圖1B中可以看出，當(dāng)富含CO₂的靜脈血液與肺泡平衡的毛細(xì)血管血液混合時(shí)，O₂貧化并且CO₂水平提高。因此，圖1B顯示與圖1A相比，PaCO₂ 15濃度提高和PaO₂ 14濃度降低。靜脈摻雜可以由萎縮的肺泡或環(huán)境空氣和肺泡之間的換氣通道的閉塞引起。

圖1C示出經(jīng)歷肺泡死區(qū)換氣的示例性患者的氧氣和CO₂梯度，其為吸入氣體體積不滿足肺泡中的血液循環(huán)并且因此經(jīng)歷血流之間的氣體交換的情況。吸入氣體返回到呼出，其將呼出濃度稀釋到環(huán)境濃度，即，與正常呼出濃度相比，提高O₂濃度和降低CO₂濃度。因此，PetO₂ 8將提高并且PetCO₂ 9將從正常值降低。同樣，PaO₂降低和PaCO₂ 15提高也將發(fā)生。肺泡死區(qū)由于血液灌注路徑的阻塞而發(fā)生，例如由于肺栓塞。最后，在長(zhǎng)的外科手術(shù)期間或在機(jī)械換氣下的重癥護(hù)理中，重力可能導(dǎo)致灌注，使某些肺區(qū)域優(yōu)于其它肺區(qū)域，這可導(dǎo)致靜脈摻雜和肺泡死區(qū)換氣兩者。

如圖1B和1C所示，換氣和灌注失配可以存在于患有肺損傷的患者中，提高呼出的PetCO₂ 9和PaCO₂ 15之間的差異。例如，通過比較圖1A和1B以及1A和1C之間的PetCO₂ 9和PaCO₂ 15值可以看出，肺損傷患者中的PaCO₂ 15值比PetCO₂值高得多，而PaCO₂ 15值更接近具有正常肺功能的患者中的PetCO₂ 9值。因此，用于評(píng)估動(dòng)脈CO₂水平的監(jiān)測(cè)PetCO₂值減小。此外，當(dāng)使用PetCO₂ 9作為控制參數(shù)自動(dòng)控制換氣時(shí)，PaCO₂ 15和PetCO₂ 9之間的失配的重要性或健康指示性提高。在這種情況下，與涉及手動(dòng)換氣控制的情況相比，臨床醫(yī)生對(duì)PetCO₂測(cè)量的有效性的注意可能降低。然而，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)PaCO₂ 15可以避免這樣的問題，PaCO₂ 15是患者血液中的CO₂濃度以及患者酸度的更好指示。

圖2示出用于非侵入性和連續(xù)估算患者的PaCO₂值的方法的一個(gè)實(shí)施方案。在步驟20例如用脈搏血氧計(jì)測(cè)量血紅蛋白氧飽和度。脈搏血氧計(jì)提供動(dòng)脈血血紅蛋白氧飽和度的非侵入性測(cè)量，并且通常取自患者的外周，例如從指尖或耳垂。這樣的外周血表示與離開肺的血液相同的氣室，即PaO₂。在步驟22中，根據(jù)在步驟20進(jìn)行的血紅蛋白氧飽和度測(cè)量來(lái)計(jì)算動(dòng)脈氧分壓。

血紅蛋白氧飽和度和PaO₂之間的關(guān)系在圖3中呈現(xiàn)。這種關(guān)系被稱為氧-血紅蛋白解離曲線。圖3呈現(xiàn)氧-血紅蛋白解離曲線44，其中垂直坐標(biāo)45表示血紅蛋白氧飽和度，而水平坐標(biāo)46表示PaO₂。線47描述具有正常身體pH的患者的血紅蛋白氧飽和度和PaO₂之間的關(guān)系。線48是具有高身體pH的患者的血紅蛋白氧飽和度和PaO₂之間的關(guān)系，而線49描述具有低身體pH的患者的血紅蛋白氧飽和度和PaO₂之間的關(guān)系。從適當(dāng)?shù)难跹t蛋白解離曲線44，根據(jù)測(cè)量的血紅蛋白氧飽和度值測(cè)定PaO₂。例如，在氧飽和度為90時(shí)，正常pH（7.4）的相應(yīng)PaO₂值為7.9kPa。另一方面，對(duì)于pH為7.0的酸性pH（高PaCO₂）的患者，氧飽和度為90的相應(yīng)PaO₂值為12.2kPa。對(duì)于pH為7.8（低PaCO₂）的堿性患者，氧飽和度為90的相應(yīng)PaO₂值為5.0kPa。

回到圖2，在步驟24，測(cè)定由患者呼出的呼吸氣體的PetCO₂水平。PetCO₂可以例如通過患者呼吸回路中的氣體分析儀測(cè)量并且表示在患者呼出期間的最大CO₂值。在步驟26，測(cè)定呼吸氣體O₂濃度。例如，氣體分析儀可以用于測(cè)量由患者吸入的呼吸氣體的氧分壓（PiO₂）。可替代地或另外，氣體分析儀可用于測(cè)定由患者呼出的氣體的呼氣末O₂測(cè)量值或最小O₂分壓（PetO₂）。

在步驟28，基于PaO₂、PetCO₂和呼吸氣體O₂濃度值計(jì)算PaCO₂。一旦在步驟28計(jì)算或估算PaCO₂值，就可以在步驟30將其與PetCO₂值進(jìn)行比較。如果PaCO₂值和PetCO₂值之間的差異大于預(yù)定量（步驟32），則患者可以經(jīng)歷高動(dòng)脈CO₂值，并且可能需要警告臨床醫(yī)生。另一方面，如果差異僅出現(xiàn)在單次測(cè)量中，則可能是由于測(cè)量誤差或認(rèn)為現(xiàn)象。因此，步驟34評(píng)估PaCO₂和PetCO₂值之間的差異是否已經(jīng)持續(xù)至少預(yù)定量的時(shí)間。如果不是，則所述方法在步驟20通過測(cè)量血紅蛋白氧飽和度再次開始，以確定PaCO₂和PetCO₂之間的差異是否為錯(cuò)誤。如果PaCO₂值和PetCO₂值之間的差異已經(jīng)持續(xù)至少預(yù)定時(shí)間段，則可以在步驟36產(chǎn)生警報(bào)以通知臨床醫(yī)生兩個(gè)CO₂值之間的差異。臨床醫(yī)生然后可以采取步驟來(lái)驗(yàn)證動(dòng)脈CO₂值是否高和/或可以調(diào)整患者護(hù)理以便解決高CO₂水平。在其它實(shí)施方案中，PaCO₂計(jì)算可以是自動(dòng)換氣和/或麻醉控制算法的一部分。例如，自動(dòng)換氣控制算法可以尋求維持用戶設(shè)置或用戶定義的目標(biāo)PaCO₂水平。

例如，如果PaCO₂值超過PetCO₂值大于2kPa，所述方法可以產(chǎn)生警報(bào)以向臨床醫(yī)生警告該差異?？商娲鼗蛄硗獾?，所述方法可以要求至少2kPa的差異維持至少預(yù)定時(shí)間段，例如設(shè)定量的呼吸循環(huán)或設(shè)定量的秒數(shù)等。在其它實(shí)施方案中，可以在PaCO₂和PetCO₂之間的差異每次超過預(yù)定值時(shí)產(chǎn)生警報(bào)。可替代地或另外，PaCO₂和PetCO₂之間的差異所要求的時(shí)間可以根據(jù)差異的大小或值而變化。

可以測(cè)定PaCO₂值，例如在圖2的步驟28，基于呼吸氣體O₂濃度和PaO₂值之間的差異。該差異代表或至少以已知的方式對(duì)應(yīng)于PetCO₂和PaCO₂值中的差異。換句話說(shuō)，氧值的差異由將導(dǎo)致CO₂值的差異的相同換氣和/或灌注問題引起。在一個(gè)實(shí)施方案中，PaCO₂可以通過將呼吸氣體氧值和動(dòng)脈氧飽和度值（PaO₂）之間的氧壓差與非侵入性測(cè)量的PetCO₂值相加來(lái)計(jì)算。具體地，在一個(gè)實(shí)施方案中，PaCO₂可以根據(jù)以下等式計(jì)算：

其中x表示由呼吸氣體測(cè)量的氧壓力（例如，PiO₂或PetO₂），且k是比例系數(shù)。比例系數(shù)k使用臨床測(cè)量憑經(jīng)驗(yàn)確定。更具體地，經(jīng)驗(yàn)測(cè)定可以包括收集在采集血液樣品以測(cè)定真實(shí)的PaCO₂值時(shí)患者呼吸氣體和動(dòng)脈氧飽和度的信息。這種經(jīng)驗(yàn)測(cè)定也可能需要對(duì)代表正常和損傷的肺功能并覆蓋真實(shí)PaCO₂值的范圍的大量患者進(jìn)行這種收集。計(jì)算真實(shí)的PaCO₂和估算的PaCO₂之間的差，并且該計(jì)算包括系數(shù)k。確定k系數(shù)的最佳值還可以包括，例如，計(jì)算所有實(shí)驗(yàn)測(cè)量的差，計(jì)算這些差的平方之和，以及選擇使該差最小的k系數(shù)。例如，如果PxO₂是PetO₂，則比例系數(shù)可以在0.05和0.06之間。如果PxO₂等于PiO₂，則比例系數(shù)可以在0.04和0.05之間。PiO₂的較小系數(shù)反映與PetO₂相比更高的PiO₂值。還可以針對(duì)測(cè)量值的范圍單獨(dú)地確定最佳k系數(shù)。例如，測(cè)量的呼吸氣體氧值大或小的情況可以具有不同的k系數(shù)。類似地，動(dòng)脈血紅蛋白氧飽和度值低和高可以具有不同的k系數(shù)。

然而，氧和二氧化碳的動(dòng)脈和呼吸氣體分壓之間的關(guān)系不是如等式表示那樣恒定的，而是可以根據(jù)肺病癥的水平和類型而變化。通過用血液采樣時(shí)確定的附加差項(xiàng)補(bǔ)償，可以改進(jìn)動(dòng)脈二氧化碳估算精度。該項(xiàng)確定真實(shí)和估算的二氧化碳分壓之間的差。將此差添加到等式的右側(cè)可校準(zhǔn)對(duì)特定肺病癥的估算。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以作為PaCO₂值的替代或補(bǔ)充，計(jì)算動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值。例如，這樣的動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值可以是呼吸氣體氧值和動(dòng)脈氧飽和度值之間的氧壓差（PxO₂-PaO₂）。該值(可以或可以不乘以比例系數(shù)k)可以用于確定或估算患者動(dòng)脈血中的CO₂水平是否高。換句話說(shuō)，如果這樣的動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值（例如PxO₂-PaO₂）大于預(yù)定量，則可以知道PaCO₂以大于期望或可容忍的限度超過PetCO₂。因此，這樣的動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值可以提供用于PaCO₂值的完全確定的簡(jiǎn)單表達(dá)或替代，并且可以收集關(guān)于患者的動(dòng)脈CO₂值的信息，而不實(shí)際計(jì)算PaCO₂并將其與PetCO₂值進(jìn)行比較。例如，如果氧壓差（PxO₂-PaO₂）高，則可以確定CO₂壓差（PaCO₂-PetCO₂）也高，而不實(shí)際計(jì)算該差。

如上所述，氧解離曲線取決于身體pH。因此，氧-血紅蛋白解離曲線的使用具有將一些誤差引入計(jì)算中的可能性。具體地，在正常和酸性患者之間，PaO₂差為4.3kPa，并且由此產(chǎn)生的誤差為0.24kPa（0.055×4.3）。這種誤差通常對(duì)于大多數(shù)監(jiān)測(cè)目的是可容忍的，并且遠(yuǎn)小于PetCO₂和PaCO₂值之間的潛在差，其可以高達(dá)5-7kPa。

圖4描述監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血二氧化碳的不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2的實(shí)施方案。系統(tǒng)2包括脈搏血氧計(jì)55，以測(cè)量患者中的血紅蛋白氧飽和度。脈搏血氧計(jì)55連接到手指探針56以進(jìn)行這種測(cè)量。示例性系統(tǒng)2還包括將呼吸氣體遞送到患者的呼吸機(jī)57，其可以包括或可以不包括麻醉。呼吸機(jī)可以具有氣體分析儀59，其可以配置為測(cè)量由患者53吸入和/或呼出的呼吸氣體，以便測(cè)定呼吸氣體二氧化碳值和呼吸氣體氧值。例如，呼吸氣體二氧化碳值可以是PetCO₂，而呼吸氣體氧值可以是PiO₂或PetO₂，或任何相關(guān)的氣體值，例如氣體濃度。在其它實(shí)施方案中，脈搏血氧計(jì)55和/或氣體分析儀59各自可以是分離的獨(dú)立設(shè)備，或者它們可以集成到呼吸機(jī)中或換氣或麻醉提供系統(tǒng)的任何部分中。

示例性系統(tǒng)2還包括計(jì)算單元61，以計(jì)算表示動(dòng)脈血中二氧化碳濃度的值，例如上述動(dòng)脈血二氧化碳分壓值和/或動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值。此外，示例性患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2可以包括用戶界面63。用戶界面63可以配置為向臨床醫(yī)生顯示數(shù)值，例如PaCO₂、PetCO₂和/或動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值。用戶界面63還可以配置為產(chǎn)生警報(bào)以警告臨床醫(yī)生患者中的二氧化碳濃度過高，例如如果PaCO₂超過PetCO₂大于預(yù)定量，或者動(dòng)脈血二氧化碳指標(biāo)值超過預(yù)定值。

本書面描述使用實(shí)例來(lái)公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使得本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠進(jìn)行和使用本發(fā)明。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這樣的其它實(shí)例具有與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言沒有不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)要素，則這些其它實(shí)例預(yù)期在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。