脉搏血氧仪测得的脉率:我们在测量什么?

Michael Vandenheuvel, MD;Patrick Wouters, MD, PhD;Luc De Baerdemaeker, MD, PhD

尊敬的快速答复栏目:

脉搏血氧仪:自 20 世纪 70 年代起,脉搏血氧仪 (PO) 已经能够通过无创方式持续评估动脉血氧饱和度和脉率。脉搏估计值获自体积描记波形,作为搏动灌注的替代指标。血氧仪发出的声音可让床旁临床医生在进行多任务期间监测脉率和节律,音调变化可反映血氧饱和度的情况。由于干扰可能会导致基于心电图的脉率监测不可靠,因此基于脉搏血氧仪的脉率监测可作为额外的信息来源。PO 监测的整体效用显而易见,但基础技术却很复杂。基于氧合和脱氧血红蛋白的不同吸收特性以及动脉搏动,有许多因素可能干扰 PO 测量,且需要处理大量信号才能获得有用信息。本报告重点介绍了动脉搏动发生显著变化而 PO 脉率测量及相关音调速率却并未充分变化的临床情况。

本文报告的观察结果发生在我中心对床旁患者监护仪进行重大更新之后。第一次观察发生在接受体外心肺循环 (CPB) 的患者中,第二次观察的对象是出现危及生命的心律失常的非 CPB 患者。监测装置包含 Masimo SET 脉搏血氧仪(集成 SpO2 版本 MS:DSP:V05:03.01.08),根据生产商(Masimo Corporation,美国加州尔湾市)的建议,将采集数据的平均时间设置为 2-4 秒或 4-6 秒,并使用光学探针 RD SET 传感器,应用于手指(在本文所述的心搏停止病例中为耳朵)。将 PO 集成至 Mindray N1 监测中,并将 PO 脉率设置为可听脉率的主要来源(Mindray Global,中国深圳市南山区)。Masimo PO 的 Smart Tone 功能已启用,且无法禁用。该功能旨在于低信噪比条件下维持音调可变的指示血氧饱和度的声音。然而,在 CPB 环境中,即使是在主动脉阻断期间,也至少有一半接受体外心肺循环的患者出现 PO 指示假脉率的情况。报告的脉率与 CPB 的泵设置无关。图 1 显示了无搏动期间的两个示例,其中 PO 在 60 秒中段报告脉率接近之前的基线。监测仪的声音保持规律稳定。我们向生产商报告了这一事件,而该公司的初步稽查并未发现任何故障。生产商手册指出,“在运动和低灌注期间,即使体积描记波形并非最佳,Masimo SET 也仍能报告准确的动脉血氧饱和度和脉率读数”,以及“需注意的是,即使在‘低信号 IQ’的情况下,测量值正确的概率也较高;否则系统不会显示数值”。1然而,在本文所述的 CPB 环境中,我们认为该算法无法正确反映最新脉率。

图 1:体外心肺循环 (CPB) 和主动脉阻断 (AoX) 期间,两名患者的动脉压、心电图生成的心率 (HR) 和脉搏血氧仪生成的脉率 (PR)。请注意,在第二个示例中,在松开主动脉夹钳后的室颤 (VF) 期间也保持 PR 检测。

图 1:体外心肺循环 (CPB) 和主动脉阻断 (AoX) 期间,两名患者的动脉压、心电图生成的心率 (HR) 和脉搏血氧仪生成的脉率 (PR)。请注意,在第二个示例中,在松开主动脉夹钳后的室颤 (VF) 期间也保持 PR 检测。

第二项观察涉及出现危及生命的心律失常患者,在这些患者中,Masimo PO 脉率错误地指示心率和心律稳定。我们注意到,一名患者在 CPB 终止后突然出现室颤 (VF),两名患者出现极端心动过缓。VF 发生在主动脉瓣置换术 CPB 后、胸骨仍然打开的手术止血期间(图 2,左图)。低血压和呼气末二氧化碳下降证实了由此导致的低心搏出量。23 秒后,成功除颤,血流动力学恢复。

图 2:心电图、动脉压、呼气末二氧化碳描记法和脉搏血氧测定法数据,以及心电图生成的心率 (HR) 和脉搏血氧仪生成的脉率 (PR)。突发性室颤(左图)和急性心搏停止(右图),具有血流动力学影响,但对脉搏血氧仪测得的脉率无显著影响。

图 2:心电图、动脉压、呼气末二氧化碳描记法和脉搏血氧测定法数据,以及心电图生成的心率 (HR) 和脉搏血氧仪生成的脉率 (PR)。突发性室颤(左图)和急性心搏停止(右图),具有血流动力学影响,但对脉搏血氧仪测得的脉率无显著影响。

VF 开始后不久,尽管患者躺着不动,且医务人员并未对患者的手指或 PO 施加重大外部运动,但 PO 传感器却捕捉到不稳定的振荡,而在 VF 和后续除颤前后均不存在这种振荡。在该事件中,VF 开始后 15 秒,脉率仅出现中度下降,24 秒后降至每分钟 64 次。Mindray 监测仪的声音再次指示脉率中度下降。除颤后,心电图、动脉压和体积描记波形显示心率恢复至 VF 前的心率;然而,基于心电图的心率是重复计数的,而 PO 脉率准确恢复至 VF 前的数值。

在心搏停止病例(图 2,右图)中,获得了类似的观察结果。该结果出现在 CPB 前,在 ECMO 套管置放的颈静脉置管期间。PO 体积描记波形显示,心搏停止开始后不久出现不稳定的振荡信号。尽管突然出现心搏停止伴血流动力学塌陷,但最低点 PO 脉率却达到每分钟 67 次。虽然音调随着血氧饱和度的下降而降低,但持续的可听脉率与心搏停止事件并不相符。

讨论

患者运动和低灌注状态对血氧饱和度读数可靠性的影响已得到广泛研究,且正在得到解决。2,3然而,PO 脉率测量的可靠性仍有待研究,特别是在低脉搏或无脉搏状态下以及可听音不受影响的情况下。针对 PO 和 ECG 心率的大多数比较都是在新生儿照护环境中进行的,且已知脉搏血氧测定法会低估出生后最初几分钟的心率。4研究报告称,心动过缓读数有误发生率高达 35%,5检测每分钟低于 100 次的心率的总体灵敏度(仅)为 89%。6

我们向 Masimo 和 Mindray 公司报告了我们的观察结果和对临床后果的担忧。值得注意的是,Masimo 此前在 2007 年已收到类似的观察结果报告,7Masimo 据此调整了软件,允许禁用 Smart Tone (智能音调)设置。Smart Tone 最初是为最大程度减少运动伪影的影响而开发,但我们通过本文确认,该算法还可能被严重的节律干扰所误导。然而,在我们目前的 Mindray 监测仪中,Smart Tone 功能处于永久启用状态。这可能是导致具有误导性的可听脉率的原因,生产商正致力于解决这一问题,以在 Mindray 监测仪中遏制这一现象。同时,我们采取了高度警惕的态度,尽可能将脉率测量源调整至动脉管线。在该设置中,脉搏音调仍来自 PO 信号,但可听脉率可反映实际脉率。

 

Michael Vandenheuvel, MD 是根特大学医院(比利时)麻醉与围手术期医学科的麻醉医师。

Patrick Wouters, MD, PhD 是根特大学医院(比利时)麻醉与围手术期医学科的教授兼研究负责人。

Luc De Baerdemaeker, MD, PhD 是根特大学医院(比利时)麻醉与围手术期医学科的教授兼负责人。


作者没有利益冲突。


参考文献

  1. Masimo Inc. Masimo Signal I.Q. whitepaper. 2010. www.asa-abstracts.com. Accessed September 4, 2023.
  2. Louie A, Feiner JR, Bickler PE, et al. Four types of pulse oximeters accurately detect hypoxia during low perfusion and motion. Anesthesiology. 2018;128:520–530. PMID: 29200008.
  3. Giuliano KK, Bilkovski RN, Beard J, Lamminmäki S. Comparative analysis of signal accuracy of three SpO2 monitors during motion and low perfusion conditions. J Clin Monit Comput. 2023:1–11. PMID: 37266709.
  4. Anton O, Fernandez R, Rendon-Morales E, et al. Heart rate monitoring in newborn babies: a systematic review. Neonatology. 2019;116:199–210. PMID: 31247620.
  5. Khoury R, Klinger G, Shir Y, et al. Monitoring oxygen saturation and heart rate during neonatal transition. comparison between two different pulse oximeters and electrocardiography. J Perinatol. 2021;41:885–890. PMID: 33250516.
  6. Kamlin COF, Dawson JA, O’Donnell CPF, et al. Accuracy of pulse oximetry measurement of heart rate of newborn infants in the delivery room. J Pediatr. 2008;152:756–760. PMID: 18492509.
  7. Forde RER, DeBros FM, Guimaraes EL, Sandberg WS. Misleading behavior of Masimo pulse oximeter tone during profound bradycardia. Anesthesiology. 2007;107:1038–1039. PMID: 18043086.

 


脉搏血氧仪在无生理脉搏的情况下显示脉率并发出声音 – Masimo 的回复

回复:

Masimo 仔细阅读了 Vandenheuvel 等人的报告,并从中获得了重要见解,在此与读者分享。除向 APSF 提交报告外,UZ Ghent 还联系了 Masimo,报告了 Mindray 监测仪中 Masimo SET 板的脉率 (PR) 测量值和相关可变音调未在体外心肺循环 (CPB) 期间显示实际脉率的病例,以及两例涉及无脉性心律失常(室颤 [VF] 和心搏停止)的非 CPB 病例。Masimo 收到了心搏停止病例中使用的脉搏血氧仪 (PO) 传感器(RD SET E1 耳传感器)、Mindray 监测仪的数字数据集和报警信息(如图 3 上图所示)。对于 VF 和 CPB 病例,可用的 Mindray 数据集有限(但传感器并非如此)。APSF 报告中显示的压缩生理波形同样转发给了 Masimo。

图 3 图例:上图:心搏停止病例中 SpO<sub>2</sub>、PO PR 和 ECG HR 数据以及技术警报消息(描述、时间和持续时间)图。请注意,‘Poor signal quality SpO<sub>2</sub>’在整个数据集期间显示,心搏停止事件发生后 13-16 秒,显示‘!SpO<sub>2</sub> low <83’的警报,随后显示‘!SpO<sub>2</sub> desat <80’的警报(从心搏停止事件发生后 16 秒开始显示,一直持续至数据集结束)。<br />下图:Vandenheuvel 等人提供的心搏停止病例数据。标注有紫色矩形,突出显示心搏停止中期心跳(由压缩心电图波形中的同期“尖峰”和动脉线迹中的压力脉动证实)。

图 3 图例:上图:心搏停止病例中 SpO2、PO PR 和 ECG HR 数据以及技术警报消息(描述、时间和持续时间)图。请注意,‘Poor signal quality SpO2’在整个数据集期间显示,心搏停止事件发生后 13-16 秒,显示‘!SpO2 low <83’的警报,随后显示‘!SpO2 desat <80’的警报(从心搏停止事件发生后 16 秒开始显示,一直持续至数据集结束)。
下图:Vandenheuvel 等人提供的心搏停止病例数据。标注有紫色矩形,突出显示心搏停止中期心跳(由压缩心电图波形中的同期“尖峰”和动脉线迹中的压力脉动证实)。

Masimo 对耳传感器进行了检测,该传感器符合质量标准。对心搏停止病例的参数和报警数据与心电图、动脉压、EtCO2、SpO2 体积描记波形 (pleth) 的压缩波形以及基于心电图的心率 (HR) 和基于体积描记的 PR 的趋势图进行了比较。

主要发现:

  • UZ Ghent 团队表示,心搏停止始于 CPB 前(尝试将 ECMO 导丝/插管插入颈静脉期间),并在插管停止后 26 秒结束。
  • 压缩波形显示,心电图、动脉和体积描记波形上显示的心搏停止事件期间存在几次搏动。
  • Mindray 监测仪(搭配 Masimo SET)在事件发生前很久及发生后显示 SpO2 信号质量低。这一点至关重要,因为信号质量低可能影响及时、准确的测量。
  • 心搏停止开始后不久,体积描记图波形记录到一个振荡信号。考虑到 PO 传感器连接至耳部,在插入和取出 ECMO 导丝/插管期间,医生在头部/颈部/耳部附近的动作很可能导致意外运动,使体积描记图波形中出现伪影,对基于 PO 的 PR 测量值造成影响。Masimo SET 设计用于在没有运动伪影的情况下,于心搏停止后的 8 秒内触发警报。体积描记信号中的振荡伪影和心电图和动脉波形中的心搏停止中期心跳(见图 3 中的紫色框)可能阻碍 PO 及时识别心搏停止事件,从而影响 PR 估计值的准确性。
  • Mindray 数据显示,SpO2 从 85% 下降至 67%,心搏停止后约 13 秒出现低 SpO2 警报。

UZ Ghent 未向 Masimo 提供 VF 病例中使用的传感器。其发送了压缩参数波形和 1 Hz 参数数据,但并未提供警报消息数据。对这些数据进行审查后的主要发现包括:

  • 室颤持续约 24 秒,在除颤后结束。
  • 在室颤发作几秒钟后,当体积描记图上出现不稳定的振荡信号时,压缩波形才显示出明显伪影。
  • 不稳定的体积描记信号可能反映了临床医生在除颤准备和除颤过程中引起的运动伪影,因为这种伪影在室颤发作之前或之后并不存在。

众所周知,不同的生理监测参数具有各自的准确度、稳定性、可靠性和混杂因素特征。例如,VF 病例中的除颤后 HR 突显了基于信号心电图监测的局限性。心电图描记显示 HR 恢复至 VF 前 78-80 BPM 的心率。然而,除颤后心电图中可能明显的“T”或“P”波导致 HR 重复计数,而 PO 生成的 PR 准确恢复至 VF 前的心率。

同样,测量传感器路径中光密度变化的体积描记波形也存在基于信号来源的局限性。具体而言,在无真实动脉压脉搏的情况下,可能模仿真实体积描记图形状的混杂振荡信号(无论是临床医生/运动还是设备引起的信号)可能会呈现无法代表心电图所生成 HR 的 PR。

应注意的是,Masimo 的体积描记波形反映了其光学传感器记录的原始信号;因此,波形形状代表光信号的真实变化。Masimo SET 独特的信号处理算法旨在准确估计运动和低灌注期间的脉率和氧合血红蛋白饱和度;然而,在心搏停止病例中,并没有真实的动脉压脉搏,只有混杂因素引起的振荡体积描记信号,这表明脉搏血氧测定技术总体上存在局限性。

在 CPB 案例中,两例病例均显示 CPB 期间平均动脉压具有较大可变性。在第一例病例中,当心脏不泵血时,心电图生成的 HR 和 PO 生成的 PR 均会升高。非生理性体积描记波形可能是由 CPB 滚轴泵产生的小脉压所致,这是心脏麻醉医师熟知的一种现象。1Masimo SET 通常能够检测到这些脉动,1但 CPB 期间的 PO 并不可靠。事实上,Reich 等人报告称,对于那些 PO 数据不可靠且持续时间至少 10 分钟的病例中,30% 为 CPB 病例。2

最后,在 Vandenheuvel 等人的讨论中,作者提出了 Masimo 的“Smart Tone 最初是为最大程度减少运动伪影的影响而开发”这一错误言论。Masimo 的 SmartTone 功能仅负责确定是否在低信噪比条件下启用可变音调。如启用 SmartTone,将发出反映 PR 频率的音调和反映 SpO2% 的音高。如禁用 SmartTone,将不会在低信噪比条件下发出音调。在伪影常见且需持续观察患者的护理区域,在低信号条件下听到可变血氧饱和度音调和 PR 频率的能力通常很受欢迎,而在这些条件不常见的护理区域,这一能力则不太适用。

SmartTone 功能是 Masimo 监测仪中一项可配置的设置,默认处于关闭状态,这是为了在用户不了解其工作原理,也不知道如何打开或关闭 SmartTone 的情况下,最大程度降低 SmartTone 被启用的可能性。然而,在 Mindray 监测仪的当前设置中,SmartTone 默认为启用,且无法关闭。在了解 UZ Ghent 报告的情况后,Mindray 以开放态度认真思考了其中的临床和技术问题,并同意将 SmartTone 调整为默认处于“关闭”状态的可配置设置。

综上所述,UZ Ghent 医生强调的病例针对可能影响基于 PO 的 PR 和基于 ECG 的 HR 测量值的混杂条件,为临床医生提供了见解和警告,并阐明了在多参数监测仪中设置SmartTone 功能在某些临床应用中的潜在缺点。Masimo 和 Mindray 将客户反馈视作重要意见,是我们提高用户对产品满意度的潜在机会,与 UZ Ghent 医生合作促成的 Mindray 监测仪中配置 SmartTone 的计划正好印证了这一点。

此致,

 

Vikrant Sharma, PhD
Vice President, Optical Sciences, Masimo Corp, Irvine, CA

Steven J. Barker, PhD, MD
Chief Science Officer, Masimo Corp., Irvine, CA

Rick Fishel
President, World Wide OEM and Strategic Business Development Masimo Corp.,
加州尔湾

Daniel Cantillon, MD
Chief Medical Officer, Masimo Corp., Irvine, CA

William C. Wilson, MD, MA
Executive Vice President, Clinical Operations, Masimo Corp., Irvine, CA


公开信息:Vikrant Sharma、Rick Fishel、Daniel Cantillon 和 William C. Wilson 是 Masimo 的全职员工。Steven J. Barker is a part-time Masimo employee. 


参考文献

  1. Irita K, Kai Y, Akiyoshi K, et al. Performance evaluation of a new pulse oximeter during mild hypothermic cardiopulmonary bypass. Anesth Analg. 2003;96:11–14. PMID: 12505915.
  2. Reich DL, Timcenko A, Bodian CA, et al. Predictors of pulse oximetry data failure. Anesthesiology.
    1996;84:859–64. PMID: 8638840.

本专栏内提供的信息仅可用于与安全相关的教育,不作为医学或法律建议。个人或团体针对提问给出的回复仅作为评论信息,仅可用于教育或讨论目的,不得作为 APSF 的声明、建议或意见。APSF 并非旨在针对问题答复提供任何具体意见或建议,或提供具体的医学或法律建议。在任何情况下,APSF 均不对因任何人依赖任何此类信息而造成或声称造成的任何损害或损失承担任何直接或间接责任。