監測患者中的二氧化碳（CO₂）濃度是患者監測，特別是在重癥護理情況中和/或在麻醉期間監測的關鍵方面。CO₂濃度提供關于患者酸度的信息，酸度是換氣和患者代謝之間的平衡的重要描述指標。直接測定患者動脈血CO₂分壓（PaCO₂）需要從患者抽取血液樣品并進行離線實驗室分析。這樣的血液采樣僅提供關于動脈血CO₂濃度的延遲信息，并且這種信息僅間歇性地可用。例如，即使對于在高動脈血CO₂濃度風險的ICU患者，血液樣品通常每天僅取一次或兩次。此外，動脈取樣和血液分析是勞動密集的，并且為人為錯誤和樣品處理提供機會。

因此，當前的醫療監測技術測量由患者呼出的呼吸氣體中的CO₂濃度（EtCO₂）以評估動脈CO₂濃度。用于麻醉遞送和監測系統的國際標準組規定當患者正在進行麻醉時使用呼出CO₂（EtCO₂）監測。原理是在麻醉期間，EtCO₂是患者動脈血CO₂分壓（PaCO₂）的替代或估算值。然而，EtCO₂和PaCO₂之間的關系并不總是直接或如預期的，特別是在涉及患有肺損傷或病癥的患者的情況下。

概要

本發明人已經認識到，由于EtCO₂和PaCO₂之間的關系并不總是直接或如預期的，因此對于PaCO₂，EtCO₂不是理想的近似，并且需要更好的PaCO₂測量。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，甚至達到PaCO₂值的三分之一或更少。此外，本發明人認識到通過血液取樣和實驗室分析直接測定PaCO₂是低效的，并且不能提供在人員麻醉和重癥護理環境中所需的實時數據。因此，本發明人開發了本文所述的方法和系統，其降低了EtCO₂和PaCO₂之間的差異并且提供了動脈CO₂分壓的改進的實時估算。

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

患者監測系統的一個實施方案包括用于非侵入性測量患者的動脈血紅蛋白氧飽和度值的設備、呼吸氣體分析儀和計算單元。呼吸氣體分析儀配置為測量由患者呼出的呼吸氣體中的峰值二氧化碳分壓并測量呼吸氣體氧值。計算單元配置為基于動脈血紅蛋白氧飽和度值計算患者的動脈氧飽和度值，并且至少基于患者的動脈氧飽和度值和呼吸氣體氧值計算患者的動脈血二氧化碳指標值。

用于監測患者的方法的實施方案包括通過以下過程估算患者的動脈血中的二氧化碳的量：非侵入性測量患者的動脈氧飽和度值，測定呼吸氣體氧值，測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脈氧飽和度值、呼吸氣體二氧化碳值和呼吸氧值來計算患者的動脈血二氧化碳分壓。所述方法還包括將動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定量，則產生警報。

與附圖一起，從以下描述中，本發明的各種其它特征、目的和優點將變得顯而易見。

附圖簡述

附圖示出當前設想的實施本公開的最佳模式。在附圖中：

圖1A-1C示出正常肺生理學和異常肺生理學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量來計算患者的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脈血的量的非侵入性估算的患者監測系統的一個實施方案。

附圖詳述

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

針對六個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、末端毛細血管分壓（Pcap）12-13、動脈氣體分壓（Pa）14-15和靜脈氣體分壓（Pv）16-17。組織代謝消耗氧（O₂）并產生二氧化碳（CO₂）。血液循環將O₂運送到組織，而CO₂從組織運出。該循環經過肺，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脈血，而到達的氣體代表靜脈血液。膜允許毛細血管血液和肺泡空氣之間的氣體擴散。肺泡是肺氣室，其中呼吸氣體通過擴散膜與肺毛細血管中的血流連通，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和產生CO₂，到達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從血液擴散到肺泡，而O₂從肺泡擴散到血液，以平衡氣體壓差。循環吸入和呼出（換氣）用環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，末端毛細血管分壓（Pcap）12-13是血液離開肺泡氣體交換區的毛細血管點。

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），至肺毛細血管（PcapO₂ 12），至動脈血（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（其假設為0）的CO₂分壓中，可以看到相應的上升，從PetCO₂ 9至PACO₂11，至PcapCO₂ 13，至PaCO₂ 15且最后至PvCO₂ 17上升。

圖1B示出經歷靜脈摻雜的患者的這種梯度，靜脈摻雜指部分血液循環進入動脈系統而不經過肺的換氣肺泡區域，導致動脈血的CO₂高于肺泡CO₂的情況。從圖1B中可以看出，當富含CO₂的靜脈血液與肺泡平衡的毛細血管血液混合時，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境空氣和肺泡之間的換氣通道的閉塞引起。

圖1C示出經歷肺泡死區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并且因此經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提高也將發生。肺泡死區由于血液灌注路徑的阻塞而發生，例如由于肺栓塞。最后，在長的外科手術期間或在機械換氣下的重癥護理中，重力可能導致灌注，使某些肺區域優于其它肺區域，這可導致靜脈摻雜和肺泡死區換氣兩者。

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，用于評估動脈CO₂水平的監測PetCO₂值減小。此外，當使用PetCO₂ 9作為控制參數自動控制換氣時，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，與涉及手動換氣控制的情況相比，臨床醫生對PetCO₂測量的有效性的注意可能降低。然而，通過連續監測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估算患者的PaCO₂值的方法的一個實施方案。在步驟20例如用脈搏血氧計測量血紅蛋白氧飽和度。脈搏血氧計提供動脈血血紅蛋白氧飽和度的非侵入性測量，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，根據在步驟20進行的血紅蛋白氧飽和度測量來計算動脈氧分壓。

血紅蛋白氧飽和度和PaO₂之間的關系在圖3中呈現。這種關系被稱為氧-血紅蛋白解離曲線。圖3呈現氧-血紅蛋白解離曲線44，其中垂直坐標45表示血紅蛋白氧飽和度，而水平坐標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之間的關系。從適當的氧血紅蛋白解離曲線44，根據測量的血紅蛋白氧飽和度值測定PaO₂。例如，在氧飽和度為90時，正常pH（7.4）的相應PaO₂值為7.9kPa。另一方面，對于pH為7.0的酸性pH（高PaCO₂）的患者，氧飽和度為90的相應PaO₂值為12.2kPa。對于pH為7.8（低PaCO₂）的堿性患者，氧飽和度為90的相應PaO₂值為5.0kPa。

回到圖2，在步驟24，測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量并且表示在患者呼出期間的最大CO₂值。在步驟26，測定呼吸氣體O₂濃度。例如，氣體分析儀可以用于測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定由患者呼出的氣體的呼氣末O₂測量值或最小O₂分壓（PetO₂）。

在步驟28，基于PaO₂、PetCO₂和呼吸氣體O₂濃度值計算PaCO₂。一旦在步驟28計算或估算PaCO₂值，就可以在步驟30將其與PetCO₂值進行比較。如果PaCO₂值和PetCO₂值之間的差異大于預定量（步驟32），則患者可以經歷高動脈CO₂值，并且可能需要警告臨床醫生。另一方面，如果差異僅出現在單次測量中，則可能是由于測量誤差或認為現象。因此，步驟34評估PaCO₂和PetCO₂值之間的差異是否已經持續至少預定量的時間。如果不是，則所述方法在步驟20通過測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誤。如果PaCO₂值和PetCO₂值之間的差異已經持續至少預定時間段，則可以在步驟36產生警報以通知臨床醫生兩個CO₂值之間的差異。臨床醫生然后可以采取步驟來驗證動脈CO₂值是否高和/或可以調整患者護理以便解決高CO₂水平。在其它實施方案中，PaCO₂計算可以是自動換氣和/或麻醉控制算法的一部分。例如，自動換氣控制算法可以尋求維持用戶設置或用戶定義的目標PaCO₂水平。

例如，如果PaCO₂值超過PetCO₂值大于2kPa，所述方法可以產生警報以向臨床醫生警告該差異?？商娲鼗蛄硗獾?，所述方法可以要求至少2kPa的差異維持至少預定時間段，例如設定量的呼吸循環或設定量的秒數等。在其它實施方案中，可以在PaCO₂和PetCO₂之間的差異每次超過預定值時產生警報?？商娲鼗蛄硗?，PaCO₂和PetCO₂之間的差異所要求的時間可以根據差異的大小或值而變化。

可以測定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應于PetCO₂和PaCO₂值中的差異。換句話說，氧值的差異由將導致CO₂值的差異的相同換氣和/或灌注問題引起。在一個實施方案中，PaCO₂可以通過將呼吸氣體氧值和動脈氧飽和度值（PaO₂）之間的氧壓差與非侵入性測量的PetCO₂值相加來計算。具體地，在一個實施方案中，PaCO₂可以根據以下等式計算：

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

然而，氧和二氧化碳的動脈和呼吸氣體分壓之間的關系不是如等式表示那樣恒定的，而是可以根據肺病癥的水平和類型而變化。通過用血液采樣時確定的附加差項補償，可以改進動脈二氧化碳估算精度。該項確定真實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可校準對特定肺病癥的估算。

在另一個實施方案中，可以作為PaCO₂值的替代或補充，計算動脈血二氧化碳指標值。例如，這樣的動脈血二氧化碳指標值可以是呼吸氣體氧值和動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k)可以用于確定或估算患者動脈血中的CO₂水平是否高。換句話說，如果這樣的動脈血二氧化碳指標值（例如PxO₂-PaO₂）大于預定量，則可以知道PaCO₂以大于期望或可容忍的限度超過PetCO₂。因此，這樣的動脈血二氧化碳指標值可以提供用于PaCO₂值的完全確定的簡單表達或替代，并且可以收集關于患者的動脈CO₂值的信息，而不實際計算PaCO₂并將其與PetCO₂值進行比較。例如，如果氧壓差（PxO₂-PaO₂）高，則可以確定CO₂壓差（PaCO₂-PetCO₂）也高，而不實際計算該差。

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，并且由此產生的誤差為0.24kPa（0.055×4.3）。這種誤差通常對于大多數監測目的是可容忍的，并且遠小于PetCO₂和PaCO₂值之間的潛在差，其可以高達5-7kPa。

圖4描述監測動脈血二氧化碳的不同監測系統2的實施方案。系統2包括脈搏血氧計55，以測量患者中的血紅蛋白氧飽和度。脈搏血氧計55連接到手指探針56以進行這種測量。示例性系統2還包括將呼吸氣體遞送到患者的呼吸機57，其可以包括或可以不包括麻醉。呼吸機可以具有氣體分析儀59，其可以配置為測量由患者53吸入和/或呼出的呼吸氣體，以便測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，或任何相關的氣體值，例如氣體濃度。在其它實施方案中，脈搏血氧計55和/或氣體分析儀59各自可以是分離的獨立設備，或者它們可以集成到呼吸機中或換氣或麻醉提供系統的任何部分中。

示例性系統2還包括計算單元61，以計算表示動脈血中二氧化碳濃度的值，例如上述動脈血二氧化碳分壓值和/或動脈血二氧化碳指標值。此外，示例性患者監測系統2可以包括用戶界面63。用戶界面63可以配置為向臨床醫生顯示數值，例如PaCO₂、PetCO₂和/或動脈血二氧化碳指標值。用戶界面63還可以配置為產生警報以警告臨床醫生患者中的二氧化碳濃度過高，例如如果PaCO₂超過PetCO₂大于預定量，或者動脈血二氧化碳指標值超過預定值。

本書面描述使用實例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使得本領域的任何技術人員能夠進行和使用本發明。本發明的可專利范圍由權利要求限定，并且可以包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這樣的其它實例具有與權利要求的字面語言沒有不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質差異的等同結構要素，則這些其它實例預期在權利要求的范圍內。