适于检伤机器人的失血性休克检测技术指标筛选研究

马结实，段傲文，颜乐先，张和华

（陆军军医大学大坪医院医学工程科，重庆400042）

0 引言

我国是全球自然灾害发生较为频繁的国家之一。汶川地震、玉树地震等大型自然灾害给我国造成了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。自然灾害往往涉及的地域广，可在短期内造成大量的人员伤亡，其中创伤导致的失血性休克的发生率高达90%[1]。失血性休克是指各种原因引起的循环容量丢失而导致的有效循环血量与心排出量减少、组织灌注不足、细胞代谢紊乱和功能受损的病理、生理过程，早期死亡率高达40%～50%[2]。失血性休克患者死亡的原因往往是组织低灌注等因素导致的多器官功能障碍综合征，是可有效救治的创伤早期最主要的死因之一。目前，现场的检伤分类流程是按照气道（Airway）、呼吸（Breath）、循环（Circulation），即A、B、C的顺序处理急救需求，将失血性休克的评估放在最后一个环节C，在某种程度上延误了失血性休克的诊治。并且由于院内失血性休克程度评估技术不适用于灾难现场，而目前灾难现场主要依赖专业人员的主观判断，无法实现对失血性休克程度的客观量化和快速评估。

随着传感器技术的发展，传感器的功耗降低，其逐步实现了微、小型化，使院内失血性休克检测技术具备了向院前应用的可能。但是单个检测指标在准确性和可靠性上难以保证，而且创伤伤员身体残缺可能会导致部分指标无法获取，所以对失血性休克程度进行多个指标联合检测和信息融合是实现失血性休克程度准确判断的有效途径。以人工智能和机器人技术为基础发展起来的检伤机器人为这一关键技术的实现提供了平台。检伤机器人可以搭载多个失血性休克程度检测传感器，并利用人工智能技术对多个传感器获得的多模态信息进行融合，综合性地判断失血性休克程度。虽然在院内用于失血性休克程度评估的检测技术有20多种，但由于机器人承重、电池续航能力和信息处理能力等方面的限制，不可能将所有的检测技术都搭载于检伤机器人，有必要对目前院内和研究中的失血性休克检测技术指标进行筛选。由于检伤机器人现场评估失血性休克是一个较新的研究领域，目前只检索到赵宇卓[3]报道的通过粗糙集算法对伤员生命体征、血常规、凝血功能、血生化、尿常规等指标数据集进行解析，进而用元胞遗传算法进行独立重复实验，根据指标被保留次数的多少判断其评估失血性休克程度能力的高低，而血生化、凝血常规等部分指标的获取时间较长，检伤机器人在灾难现场难以获得。目前在灾难现场能使检伤机器人“又准又快”评估失血性休克程度的研究非常少，故本研究首先从院前适用性出发筛选出符合要求的检测指标，然后根据文献报道从准确性和时效性方面对适于院前使用的指标进行综合评估，以得到满足“又准又快”需求的指标序列供检伤机器人选用。

1 方法

失血性休克程度评估指标来源于《创伤失血性休克诊治中国急诊专家共识》[4]（以下简称《急诊专家共识》）、《低血容量休克复苏指南》[5]和《无创技术检测失血性休克严重程度的现状与进展》[6]，包括院内评估指标和研究中的院前评估指标。失血性休克程度院内评估指标包括休克指数、无创血压、心率、呼吸频率、意识状态、脉率、体温、皮温、尿量、血氧饱和度、心脏功能、动脉血压、动脉血乳酸浓度、碱缺失、红细胞计数、红细胞压积、血小板计数、凝血功能、电解质、肝功能、肾功能21项指标。研究中的失血性休克程度院前评估指标包括外周组织灌注（激光多普勒血流测量）、脑血流灌注（磁感应相移谱测量）、肌氧饱和度、脉压、脉压差、R波振幅、舌下黏膜二氧化碳分压、口腔黏膜二氧化碳分压8项指标。

现场适用性、准确性和时效性是构建检伤机器人失血性休克程度评估指标体系需要考虑的3个最基础的评估角度。

（1）现场适用性评估。上述29项指标中个别在不同灾难场景下存在不同的测量形式，譬如地震废墟中伤员的呼吸频率采用生命雷达非接触式测量（以下称“呼吸频率（雷达）”），而头部暴露的伤员可以采用红外传感器测量口鼻处的呼吸（以下称“呼吸频率（红外）”）。采用排除法从这些指标中选出适于检伤机器人现场测量的指标，排除的标准是有创的指标、所需设备庞大的指标、检伤机器人无法完成测量或者测量较费时的指标。

（2）准确性评估。对上述满足现场适用性的指标进行准确性评估。方法是通过文献报道考察指标与失血性休克程度的对应关系。当指标能区分出4种失血性休克程度（轻度、中度、重度和极重度）时，准确性评分（A）计10分；当指标能区分出3种失血性休克程度，则A计7.5分；当指标只能区分出2种失血性休克程度或者尚处于探索中，A计5分。若指标的检测有明显干扰因素，则A减1分。将各指标按照准确性评分降序排列。

（3）时效性评估。在进行准确性评估的同时，对满足现场适用性的指标进行时效性评估。为了控制检伤机器人评估失血性休克程度的总体时间，本研究将检伤机器人检测失血性休克程度的时间限定为10 s。失血性休克检测指标时效性主要需要考虑传感器获得所需指标的检测时间。传感器的检测时间越短，则时效性越高；反之时效性越低。因此，可将指标的时效性评分（T）定义为10与检测时间（单位：s）的差值。将各指标按照时效性评分降序排列。

（4）综合性评分。综合性评分S=A+T，满分为20分，分值越大，说明指标的准确性和时效性的综合性能越高，反之综合性能越低。将各指标按照综合性评分降序排列。

2 结果

2.1 指标的现场适用性筛选结果

经过筛选，确定了呼吸频率（雷达）、呼吸频率（红外）、意识状态、脉率等16项指标符合灾难现场检伤使用。指标名称、使用的传感器类型和测量方式详见表1。

表1 适用于灾难现场的失血性休克程度检测指标

2.2 准确性评估结果

（1）呼吸频率。

4种失血性休克程度对应于4种不同的呼吸频率范围[4]：轻度失血性休克对应的呼吸频率范围为14～20次/min；中度失血性休克对应的呼吸频率范围为20～30次/min；重度失血性休克对应的呼吸频率范围为30～40次/min；极重度失血性休克对应的呼吸频率大于40次/min。头部暴露于地面上的伤员呼吸频率可以通过红外传感器测量呼吸导致的口鼻处温度的周期变化而得到，检测误差低于1次/min[7]；而被掩埋的伤员呼吸频率借助于生命雷达测量得到，检测误差也低于1次/min[8-9]。根据本文的评分方法，基于红外传感器和基于生命雷达的呼吸频率检测能区分出4种不同的休克程度，它们在评估失血性休克程度准确性上的评分均为10分。

（2）皮温。

皮温只能大概区分出3种休克程度[10]：在轻度失血性休克时，皮温无异常；在中度失血性休克时，肢体末端厥冷；在重度失血性休克时，肢体末端厥冷，范围向近端扩大。由于极重度失血性休克时的皮温与重度失血性休克的皮温无法区分，所以皮温在评估失血性休克程度准确性上评分为7.5分。

（3）意识状态。

利用机器人的语音和抓握手柄对伤员的意识状态进行检测。文献报道[4-5，11]，轻度失血性休克对声音有反应；中度失血性休克对疼痛有反应；重度和极重度失血性休克对疼痛均无反应。综上，意识状态可以区分3种休克程度，其在评估失血性休克程度准确性上评分为7.5分。

（4）脉率。

据文献报道[4]，轻度失血性休克对应的脉率低于100次/min；中度失血性休克对应的脉率范围为100～120次/min；重度失血性休克对应的脉率大于120次/min；极重度与重度失血性休克在脉率上无法区分。综上，脉率能区分3种休克程度，其在评估失血性休克程度准确性上评分为7.5分。

（5）无创血压。

据文献报道[4，10]，轻度失血性休克对应的收缩压范围为80～90 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）；中度失血性休克对应的收缩压范围为60～80 mmHg；重度失血性休克对应的收缩压低于60 mmHg或测不到；极重度失血性休克的收缩压测不到。综上，无创血压只能区分轻度、中度和重度3种休克程度，其在评估失血性休克程度准确性上评分为7.5分。

（6）休克指数。

休克指数是脉率与收缩压的比值。据文献报道[4]，轻度失血性休克对应的休克指数范围为1.0～1.5；中度失血性休克对应的休克指数范围为1.5～2.0；重度失血性休克对应的休克指数大于2.0；极重度与重度失血性休克无法区分。综上，休克指数能区分3种休克程度，其在评估失血性休克程度准确性上评分为7.5分。

（7）脉压。

脉压由动脉压力波计算得到，用于估计中心血容量的相对变化。脉压PP与实验中的下身负压LBNP具有下述关系[12-13]：

下身负压LBNP与失血百分比BL具有下述关系[14-15]：

由公式（1）和（2）可以得出脉压PP与失血百分比BL满足下述关系：

结合4种休克程度对应的失血百分比的范围[4-5]，可得出：轻度失血性休克对应的脉压大于48.662 mmHg；中度失血性休克对应的脉压范围为39.027～48.662 mmHg；重度失血性休克对应的脉压范围为32.603～39.027 mmHg；极重度失血性休克对应的脉压低于32.603 mmHg。综上，脉压能区分4种休克程度，其在评估失血性休克程度准确性上评分为10分。

（8）脉压差。

脉压差dPP与失血百分比BL具有良好的线性关系[16]：

结合4种休克程度对应的失血百分比的范围[4-5]，可得出：轻度失血性休克对应的脉压差低于28.85%；中度失血性休克对应的脉压差范围为28.85%～43.7%；重度失血性休克对应的脉压差范围为43.7%～53.6%；极重度失血性休克对应的脉压差大于53.6%。综上，脉压差能区分4种休克程度，在评估失血性休克程度准确性上评分为10分。

（9）体温。

《急诊专家共识》的一般监测中提到对患者体温的监测[4]，说明体温是急诊专家关注的指标，但未见文献报道体温与休克程度的对应关系，此关系有待进一步研究。对于能区分出2种休克程度的指标，本研究对这些指标评估休克程度的准确性的评分定为5分，而统一降低1分给待研究的指标评估休克程度的准确性赋分，因此将体温评估失血性休克程度准确性的评分定为4分。

（10）血氧饱和度。

有研究报道[11]，轻度失血性休克对应的血氧饱和度范围为91%～95%；中度失血性休克对应的血氧饱和度范围为86%～90%；重度失血性休克对应的血氧饱和度小于86%；极重度与重度失血性休克在血氧饱和度上无法区分。综上，血氧饱和度能区分3种休克程度，在评估失血性休克程度准确性上评分为7.5分。

（11）外周组织灌注。

组织低灌注是失血性休克的本质，《急诊专家共识》的一般监测中推荐监测患者的外血流灌注[4]，但尚没有研究披露外周组织灌注与失血性休克程度的关系，此关系有待进一步研究。参照研究中的指标在评估失血性休克准确性上赋分4分的规则，因此将外周组织灌注在评估失血性休克程度准确性上评分定为4分。

（12）肌氧饱和度。

在失血性休克中，肌氧饱和度SmO2与失血百分比BL具有下述关系[17]：

结合4种休克程度对应的失血百分比的范围[4-5]，可得出：轻度失血性休克对应的肌氧饱和度大于76.81%；中度失血性休克对应的肌氧饱和度范围为61.42%～76.81%；重度失血性休克对应的肌氧饱和度范围为51.16%～61.42%；极重度失血性休克对应的肌氧饱和度小于51.16%。综上，肌氧饱和度能区分4种休克程度，在评估失血性休克程度准确性上评分为10分。

（13）脑血流灌注。

休克的本质是组织低灌注[4，10]，有报道对利用磁感应相移谱评估失血性休克导致的脑血流低灌注进行了研究[18]，但脑血流低灌注与失血性休克程度的关系需进一步研究。参照研究中的指标在评估失血性休克程度准确性上赋分4分的规则，需进一步探索其评估失血性休克程度的可能性，因此脑血流灌注在评估失血性休克程度准确性上评分为4分。

（14）心率。

由《急诊专家共识》可知，失血性休克的4种程度对应于4个不同的心率范围[4]：轻度失血性休克对应的心率低于100次/min；中度失血性休克对应的心率范围为100～120次/min；重度失血性休克对应的心率范围为120～140次/min；极重度失血性休克对应的心率大于140次/min。综上，失血性休克的4种程度对应4个不同的心率范围，但受疼痛、体位、噪声等因素影响[6]，心率在评估失血性休克程度准确性上评分由10分降为9分。

（15）R波振幅。

R波振幅RA与下身负压LBNP满足下列关系[19]：

结合公式（2），可得到R波振幅RA与失血百分比BL的关系：

结合4种休克程度对应的失血百分比的范围[4-5]，可得出：轻度失血性休克对应的R波振幅小于0.998；中度失血性休克对应的R波振幅范围为0.998～1.047；重度失血性休克对应的R波振幅范围为1.047～1.080；极重度失血性休克对应的R波振幅大于1.080。综上，失血性休克的4种程度对应4种不同的R波振幅范围，但受疼痛、体位、噪声等因素影响，R波振幅在评估失血性休克程度准确性上评分由10分降为9分。

上述16个指标按照评估失血性休克程度准确性评分降序排列结果如图1所示。准确性评分排名前5的指标为呼吸频率（红外）、呼吸频率（雷达）、脉压、脉压差和肌氧饱和度。

图1 各指标按照评估失血性休克程度准确性评分降序排列图

2.3 时效性评估结果

16个指标评估失血性休克程度的时效性评分见表2。

表2 16个指标评估失血性休克程度的时效性评分

各指标按照评估休克程度时效性评分的降序排列，如图2所示。时效性评分排名前5的指标是脑血流灌注、皮温、呼吸频率（红外）、外周组织灌注和无创血压。

图2 各指标按照评估失血性休克程度时效性评分降序排列图

2.4 综合性评估结果

各指标按照评估休克程度综合性评分的降序排列，如图3所示。综合性排名前5的指标是呼吸频率（红外）、肌氧饱和度、脉压、脉压差和皮温。

图3 各指标按照评估失血性休克程度综合性评分降序排列图

3 讨论

本研究从检伤机器人失血性休克检测指标体系“又准又快”的构建需求出发，将《急诊专家共识》《低血容量休克复苏指南》等作为休克检测指标的来源，通过现场适用性评估对检伤机器人能现场测量的指标进行了筛选，选出了16项指标，然后借助于相关文献对这些指标评估失血性休克程度的准确性、时效性和兼顾两方面的综合性进行评分。最终研究结果确定综合性排名前5的指标为呼吸频率（红外）、肌氧饱和度、脉压、脉压差和皮温，这5个指标可以作为检伤机器人现场评估伤员失血性休克程度的指标。

赵宇卓[3]对失血性休克程度评估指标的筛选进行了研究，该文献基于智能筛选算法对创伤失血性休克关键指标进行了提取。本研究与文献[3]的研究有以下异同：（1）在指标的来源上，文献[3]的研究既包括院前可获得的生命体征，又包括院内实验室获得的指标，而本研究的初步指标集也涵盖了这些指标，但本研究从检伤机器人的现场检测需求出发，将有创的、机器人院前无法测量的指标进行了排除，最终保留了16项检测指标。（2）在指标评估休克程度准确性上，文献[3]的研究将评估休克程度的准确性作为核心评估指标，但未对指标的准确性采用量化评分，而是通过各指标在独立重复实验中被保留的次数来衡量其评估休克程度的准确性，而本研究根据指标识别4种休克程度的能力设计了准确性评分，评价将更精准。（3）在指标评估休克程度时效性上，由于文献[3]的研究并非为创伤的现场检伤而设计，所以并未研究各指标在检伤机器人上应用的时效性，而本研究从传感器测量方式、传感器检测时间等因素出发，设计了时效性评分，并对各指标的现场时效性进行了量化评估。（4）在指标筛选结果上，文献[3]的研究表明10次独立重复实验中呼吸频率是识别休克程度准确性最高的指标，而本研究在准确性评分和综合性评分中也得出了相同的结论。

本研究也存在一些不足，如在准确性评分中识别出4种休克等级则给予指标10分，每少识别出一级则减少2.5分，这样的评分方法略显粗糙。在下一步的研究中，应该进一步搜集文献和实验证据，将各指标与休克程度（譬如失血百分比）的相关系数作为相应指标评估休克程度准确性评分的一个重要参考，将会使得评分更加准确和细致。在指标时效性评估中，本研究力求追踪获取相应休克检测指标所需的最新传感器及其检测时间，但由于不可能做到全部参数最新，在搭建检伤机器人平台选择传感器时可进一步调研。

本研究主要从评估失血性休克程度的准确性、时效性和兼顾两者的综合性3个维度对《急救专家共识》和《低血容量休克复苏指南》中的指标进行量化评估和筛选，其中准确性评估立足于区分失血性休克程度的能力，时效性评估立足于检伤机器人的可操作性和检测耗时，这些性能指标的联合应用更有利于筛选出实用、量化和准确的失血性休克程度评估指标，为检伤机器人失血性休克程度的检测指标的筛选提供了实用的方法和结果。在未来检伤机器人的研发中，研究者可以根据自身采用的机器人平台的荷载能力选择本研究推荐的指标，从而实现检伤机器人在失血性休克程度评估方面“又准又快”的目标。