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如果接受重症监护或大手术的患者血压过高或过低,他们可能会遭受严重的器官功能障碍。护理团队仅仅知道压力异常是不够的,为了选择正确的药物来治疗问题,医生必须知道为什么血压会发生变化。
麻省理工学院发表在IEEE Transactions on Biomedical Engineering的一项新研究提出了准确、实时地得出这些关键信息所需的数学框架。
该研究描述了一种数学方法,通过实验数据验证,提供了一种快速、可靠和微创的方法,用于确定如何治疗手术或重症监护期间的严重血压变化。

该算法血压变化的两个关键因素进行了成比例的估计:心脏的血液输出率(心输出量)和动脉系统对血流的阻力(全身血管阻力)。通过将新方法应用于先前从动物模型中收集的数据(估计值来自外周动脉血压的微创测量值),研究人员表明,使用放置在主动脉上的侵入性流量探头的附加信息准确匹配了估计值。此外,这些估计准确地追踪了医生用来纠正异常血压的各种药物在动物中引起的变化。
“我们的方法对阻力和心输出量的估计提供了信息,这些信息可以很容易地应用于实时指导血流动力学管理决策,”该研究的作者写道。
作者说,随着进一步的测试导致监管部门的批准,该方法将适用于心脏手术,肝移植,重症监护病房治疗以及影响心血管功能或血容量的许多其他程序。
“任何正在接受心脏手术的患者都可能需要这个,”该研究的资深作者Emery N. Brown说,他是Picower学习与记忆研究所,医学工程与科学研究所以及麻省理工学院脑与认知科学系的Edward Hood Taplin医学工程和计算神经科学教授。他同时还是马萨诸塞州总医院的麻醉师和哈佛医学院的麻醉学教授。“任何接受更正常手术但心血管系统可能受损的患者也可能如此,例如缺血性心脏病。
该研究的主要作者是电气工程和计算机科学(EECS)研究生Taylor Baum。

算法进步
心输出量和全身阻力是血压的两个关键组成部分的想法来自 Windkessel 模型。这项新研究并不是第一个使用该模型从血压测量中估计这些成分的研究,但之前的尝试在快速估计更新和估计的准确性之间遇到了权衡问题;要么在每个节拍时提供更错误的估计值,要么在分钟时间尺度上更新更可靠的估计值。在Baum的领导下,麻省理工学院的团队通过一种应用统计和信号处理技术(如“状态空间”建模)的新方法克服了权衡。
“我们的估计值在每一个节拍时都会更新,而不仅仅是由当前节拍提供信息;但它们也融入了以前节拍中的位置,“Baum说。“正是过去历史和当前观察结果的结合,产生了更可靠的估计,同时仍然处于逐个节拍的时间尺度上。
值得注意的是,由此得出的心输出量和全身阻力的估计值是“成正比的”,这意味着它们在数学上都与另一个辅助因子有着千丝万缕的联系,而不是单独估计。但是,在一项来自六只动物的旧研究中收集的数据中,将新方法应用于一项较早的研究表明,使用微创导管记录的比例估计值为心血管系统管理提供了可比的信息。
一个关键发现是,根据插入心脏不同位置(例如腿部或手臂)的导管的动脉血压读数做出的比例估计值反映了从放置在主动脉内的更具侵入性的导管得出的估计值。这一发现的意义在于,在某些情况下,使用新估计方法的系统可以依赖于各种外周动脉中的微创导管,从而避免了将中心动脉导管或肺动脉导管直接放置在心脏中的风险较高的需要,这是心血管状态估计的临床金标准。
另一个关键发现是,当动物接受医生用来调节全身血管阻力或心输出量的五种药物中的每一种时,比例估计值正确地跟踪了由此产生的变化。因此,这一发现表明,每个因素的比例估计值准确地反映了它们的生理变化。
面向临床
Baum和Brown说,有了这些令人鼓舞的结果,目前的方法可以很容易地在临床环境中实施,以告知围手术期护理团队关于严重血压变化的根本原因。他们正在积极寻求监管部门批准在临床设备中使用这种方法。
此外,研究人员正在进行更多的动物研究,以验证使用这种方法的先进血压管理方法。他们开发了一个闭环系统,以此估计框架为依据,以精确调节动物模型中的血压。在完成动物研究后,他们将申请监管许可以在人体中测试该系统。
除了 Baum、Dahleh 和 Brown,该论文的其他作者还有 Elie Adam、Christian Guay、Gabriel Schamberg、Mohammadreza Kazemi 和 Thomas Heldt。
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T. E. Baum et al., “Dynamic Estimation of Cardiovascular State From Arterial Blood Pressure Recordings,” in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, doi: 10.1109/TBME.2024.3408808.
*作者水平有限,中文编译仅供参考,一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题,请联系我们删除。
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END
编辑 | 罗虎
参考 | MIT News
审核 | 医工学人理事会
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