用于胸部体液、空气滞留及通气的实时评估及监测的装置及方法与流程

本发明涉及医疗装置的领域，且更特定来说，涉及一种用于在重症护理环境中使用对宽带电刺激的组织响应性及机器学习组件同时实时评估及跟踪患者的胸部体液、滞留空气及通气状态的无创装置。

背景技术：

1、患有例如心力衰竭、慢性阻塞性肺疾病(copd)或肾衰竭的慢性疾病的患者有很高风险患上例如肺水肿、呼吸衰竭或循环休克的危及生命的疾病。除了临床症状监测外，还利用各种医疗装置以评估生命参数，包含(但不限于)心电图(ecg)、氧饱和度及血压。在一些情况下，可采用有创措施(例如血管插管)以进行连续监测。

2、此外，在监测如心率及呼吸速率的关键生命体征的同时，仅识别生命体征高于或低于一定水平变化并不足以指示何时需要临床干预。确切来说，当存在血液中的氧饱和度下降或显著血压波动时，在可提供适当的治疗之前可能需要进一步的测试。

3、另外，正确的体液平衡及充分的通气是重症护理患者的关键方面。取决于患者的病症，实现这一点所需的治疗可能会变化。例如，一些患者可能是高血容量，其需要利尿剂治疗以移除体液，而其他患者可能是低血容量，其需要静脉输液。在许多情况下，患有心肺疾病的危重患者可能由于例如通气受损或气体交换受损的若干因素而展示氧饱和度下降(低氧血症)。

4、在急性病症下，患者通常使用机械通气机进行插管并辅以氧气支持。机械通气改进气道通气，从而为患者提供缓解。然而，在为患者提供治疗之前，评估危急的确切原因是重要的。作为实例，患者可能由于通气不足、肺水肿或由于肺栓塞的存在而缺氧，所有这些都应展示脉搏血氧测定或动脉血气分析中的氧饱和度恶化。除非充分解决根本原因，否则增加吸入空气中的氧浓度或吸入氧分数(fio2)仅为此类患者提供暂时的缓解。如果长期服用，那么增加的fio2可能对人体有毒。因此，识别导致低氧血症的根本原因是至关重要的。

5、仅监测氧饱和度并不能提供足够的信息以确定低氧血症的原因；重要的是同时监测通气状态及体液过载状态以获得适当的诊断。还需要定期评估及跟踪肺的空气滞留，以监测各种情况下的患者恢复的进展，包含(但不限于)急性哮喘、肺气肿的加剧及慢性支气管炎。对于此类患者，无创或机械通气有时可能导致空气滞留的显著增加，这需要仔细的临床监测及压力设置的调整。此外，对患者进行机械通气通常是在复苏之前进行的，其中向患者输注生理盐水以维持足够的静脉压力，使得静脉回流不会由于通气机所施加的正压而受损。在这种情况下，重要的是在复苏阶段之前评估患者的体液状态(无论是高血容量还是低血容量)，并在复苏阶段期间跟踪体液状态。

6、传统上，体液水平评估涉及对血液标记(例如ntprobnp)及多种成像模态(例如x射线、超声心动图、ct扫描或肺超声)进行分类，从而导致高诊断成本，且需要放射科医生的解释，因此导致增加的费用及提供适当护理的长时间延迟。这些测试无法在通气之前对需要复苏的患者实时执行。类似地，将脱离通气支持的插管患者应通过服用利尿剂排出过多的体液。此外，除了呼吸速率监测外，当前的模态没有为非插管患者提供通气评估或分钟通气的监测。

7、在患者在icu或重症护理病房中处于恢复阶段的同时，患者也可能遭受复发性或新的继发性并发症，例如肺炎、胸腔积液或由于急性心力衰竭引起的肺水肿。因此，在此类患者的恢复阶段期间，使用简单的无创手段同时跟踪他们的体液状态及通气状态可更早地实现适当的治疗干预，例如改变利尿剂剂量或需要iv体液或无创通气等，以在死亡率、icu停留时间、机械通气支持的持续时间及总住院时长方面改进患者整体结果。

8、生物电阻抗或“生物阻抗”系统已知被用于跟踪身体及选定器官(例如肺及心脏)中的体液水平的改变。例如，阿拉德(arad) (艾堡德(abboud))的第7,907,998号美国专利描述一种用于使用利用植入起搏器或除颤器测量的生物阻抗来治疗肺水肿的生物阻抗设备，其中在导线与植入装置的外壳之间进行阻抗测量。第us 2005/0124908a1号美国专利申请公开案也描述一种使用植入装置监测胸部体液的系统。华莱士(wallace)等人的第6,292,689号美国专利描述一种经配置用于放置在患者的气管或食管中的插管，其包含多对电极，用于使用生物阻抗技术测量心输出量。

9、无创生物阻抗系统也是已知的，例如，用于跟踪遭受充血性心力衰竭的患者的体液水平改变，其中电极被放置在患者的四肢上，且使测量电流通过整个身体，例如u.s. 5,788,643中所描述。沃德(ward)等人的第8,744,564号美国专利描述一种安置在患者的手臂上以检测水肿的电极布置。博诺米(bonomi)等人的第9,955,916号美国专利描述用于使用一组经胸电极及受试者的胸部的周长的一或多个测量估计受试者的胸部体液量的设备及方法。第us 2005/0215918a1号美国专利申请公开案描述一种用于测量胸部生物阻抗以评估胸部体液水平的胸部安装电极的线性阵列。

10、所有先前已知的生物阻抗测量系统共同的一个缺点是缺乏测量的可重复性。明确来说，虽然先前已知的生物阻抗测量系统可被微调以提供特定受试者的满意结果，但此类系统无法用在具有实质性不同物理特性的患者上，且仍可产生定量准确的结果。另外，对于肺的部分中存在空气滞留与体液积聚两者的组合的患者，生物阻抗测量遭受较差的准确度。基于患者体重的体液评估缺乏准确度及特异性，而基于体液摄入及尿液输出测量体液平衡无法捕获例如急性肺水肿的事件，这需要立即进行临床干预。

11、例如ct扫描、超声心动图、x射线或超声波的成像方法提出如对专家的依赖、高昂的成本及常规使用的不切实际的挑战。此外，为了评估通气的充分性，除了仅使用定位在患者的皮肤上的传感器监测呼吸速率的装置外，不存在跟踪分钟通气或呼吸形态的无创工具。为了准确地测量空气量，须对患者进行插管(这承载很大的风险，除非患者病情危重，否则不会这么做)，或让患者对着肺活量计呼吸，这不适合需要于重症护理的患者。

12、对于已经辅以机械通气支持的患者，临床医生面临的关键挑战中的一些是(a)插管阶段期间必要的适量的体液复苏，(b)监测肺的空气滞留状态，(c)监测由于心源性或感染性病因引起的肺的体液积聚，(d)适当的拔管时间，因为过早或过晚拔管都可能导致拔管失败及预后不良，(e)拔管后监测，尽早发现体液状态或通气状态的任何恶化，以便进行正确的临床干预。这些挑战中的每一者需要对肺体液状态、空气滞留状态及通气状态进行连续且密切的监测。

13、如上文所提及，可用于估计身体中的体液量的无创装置分为全身体液评估设备或用于身体的特定部分的体液评估设备。全身体液评估通常基于手到腿测量的单频或多频生物阻抗，且根据测量的生物阻抗响应，使用经验模型以导出与体液状态相关的不同参数，例如全身水(tbw)、细胞外液(ecw)、细胞内液(icw)等。虽然此类技术已存在许多年，但由于准确度及可重复性问题，它们在重症护理环境中很少被接受。

14、多年来，已开发各种无创可穿戴装置及技术以评估胸部区域中的体液状态；它们中的大多数基于单频生物阻抗，用于跟踪体液水平从预定基线值的改变。例如，利布斯(libbus)等人的第8,374,688号美国专利描述一种经配置以放置在患者的皮肤上的贴片，其包含至少四个电极，用于测量生物阻抗以确定组织水合作用。特拉佩罗·马丁(traperomartin)等人的第11,116,448号美国专利描述一种贴片，其中可重用的电子模块可拆卸地耦合到一次性粘合贴片，用于测量上半身生物阻抗以确定体液水平。

15、生物阻抗性能在很大程度上也由皮肤电极接触的质量确定。例如，加内桑(ganesan)等人的第2021/0330212号美国专利申请公开案及阿诺(ano)等人的第11,047,821号美国专利描述校正皮肤-电极界面的非理想接触阻抗的方法。然而，此类技术仅适合于低频应用，且对于扩展到几mhz的宽带应用可能不是最优的。

16、鉴于前述内容，期望提供用于测量胸部区域中的体液水平的系统及方法，当跨具有实质性不同物理特性的患者群体使用时，所述系统及方法在定量上是准确且可重复的。

17、进一步期望提供能够在被观察到会混淆先前已知系统的各种情况下实现体液水平的定量准确评估的系统及方法，例如，用于机械通气或正在脱离机械通气的患者，他们经历与肺炎、胸腔积液或肺水肿相关联的空气滞留或呼吸困难，或他们正在经历透析或影响体液水平的其它过程。

技术实现思路

1、本发明涉及一种无创系统，其能够同时监测患者的体液及通气状态，以使用对施加在胸部区域中的宽带电刺激的组织响应，在患者生理学的广泛范围内提供定量准确且可重复的结果。本发明系统包含经配置用于放置在患者的胸部的皮肤上的多电极贴片，其中所述贴片包含经配置以优选地与外部分析单元无线通信的电子单元。根据本发明的方面，所述外部分析单元包含在患者数据的大型数据库上使用机器学习技术训练的算法，以考虑广泛的患者生理特性，例如身高、体重、胸围、年龄、性别及其它生理特性。以此方式，通过将患者特定特性输入到所述外部分析单元中，可针对特定患者对所述分析算法进行个性化，从而改进结果的准确度及可重复性，使其超出先前已知系统及方法的能力。

2、本发明的所述多电极贴片优选地在多个频率下提供安全的电刺激，通过至少四个电极中的每一对同时施加，并在所述多个频率的每一者下同时测量多个响应。以此方式，根据本发明的原理构造的系统可适应患者的物理特性的差异。可使用为贴片配置先验确定的校准参数来针对已知寄生效应校正所述多个响应。所述多个经校正响应可用于连续地监测在所述多个频率中的每一者下身体组织的复合响应及所述至少四个电极中的每一者的接触阻抗。可进一步使用在所述多个频率中的每一者下所述接触阻抗的所获得的值来校正在所述多个频率中的每一者下所述身体组织的所述复合响应。所述身体组织的最终经校正复合响应可用于拟合包括模型参数的等效分布式电模型。

3、所述等效分布式电模型的所述模型参数的至少子集的值可指示所述患者的体液状态。由于所述等效分布式电模型的所述模型参数的至少子集的呼吸引起的调制可指示所述患者的通气状态。所述模型参数可选自包括以下的群组：血管外电阻及电容结构、血管内电阻及电容结构、分离血管外及血管内区域的电容膜，从其导出输出参数。所述输出参数包括以下中的至少一者：患者的体液评分及患者的呼吸参数。因此，根据本发明的原理构造的系统可有利地识别及区分血管外及血管内体液水平的改变的影响。

4、所述电子单元可经配置以可拆卸地耦合到所述贴片，且可包括一或多个发射器、一或多个接收器、非易失性存储装置及通信构件，其中所述多个响应可对多个频率下体液水平及空气量的改变灵敏。所接收的响应可拟合到等效频率响应的分布式电子电路模型中。基于电路模型参数拟合，可通过将所提取的参数与从健康队列收集的数据提取的对应参数作为参考来生成体液评分。

5、在替代实施例中，所述至少四个电极及电子壳体可经配置为单个单元。所述电子壳体可能够通过所述至少四个电极附接到可穿戴一次性贴片或从其拆卸。所述可穿戴一次性贴片可包含至少四个生物相容性凝胶电极，且进一步包含对准标记，以辅助将装置靠近患者的身体定位。所述可穿戴贴片可包含可连接到所述多个电极的卡扣式电极，其优选地是生物相容的且可更换的。所述无创可穿戴装置可为便携式且电池供电的，且所述外部分析单元也可为便携式且电池供电的。

6、来自所述外部分析单元的至少一个响应可在至少一个相关联的显示器屏幕上输出。所述至少一个响应可选自包括所述模型参数、至少一个输出参数及所述模型参数中的至少一者的调制中的至少一者的群组。在一个优选实施例中，可在所述相关联的显示器屏幕上呈现时变响应。输出可包含例如高级输出，例如体液评分(例如血管内体液评分及血管外体液评分)及通气状态(包含(但不限于)呼吸速率、分钟通气、潮气量、快速浅呼吸指数、吸气及呼气时间及其比率、呼气时间常数)。所述输出还可包含从拟合所述响应获得的所述等效电模型的瞬时参数值。替代地，所述输出可为两种类型的信息的组合。所述至少一个显示器可集成到所述外部分析单元中，但更优选地可为移动电话、平板计算机、外部患者监测器及/或形成现存医疗装备的部分的显示器。指示所述患者的体液状态及通气状态的输出参数可选自包括以下的群组：体液评分、呼吸速率、分钟通气指数、快速浅呼吸指数及/或呼气时间常数。

7、参考以下描述及附图，本发明系统及方法的其它特征将是显而易见的。