手术切口远程监测的现状及研究进展

赵春林 李玲利 贺婷婷 王晶

(四川大学华西护理学院/四川大学华西医院胸外科,四川 成都 610041 )

手术切口愈合反应可分为4个阶段：止血期、炎症期、 肉芽组织形成期及组织重塑期，任何一个阶段的失败或延长都可能导致切口延迟愈合或不愈合[1]，切口愈合不良可给全球医疗服务造成巨大财政负担[2]，传统出院后手术切口管理方案是出院时医务人员告知患者切口异常的表现及处置方法，但有研究[3]表明，即使出院时对患者或家属进行手术切口的常规指导，仍有很多患者担心自己不知道如何处理手术后的切口问题，患者的主要担心在于切口并发症及切口感染的鉴别以及切口疼痛的处理等。将远程监测技术引入切口管理，通过智能手机APP以及嵌入微电子传感器、微处理器、无线通信和无线电等元素的智能敷料来对手术切口进行远程监测或治疗，可实时监测伤口愈合进展，及时识别和处置异常切口，从而帮助患者有效进行切口管理，提高手术切口的愈合率。笔者就远程监测技术在手术切口中的应用及进展综述如下。

1 智能手机移动应用程序在切口监测中的运用

利用智能手机和移动计算设备(如平板电脑)将高分辨率相机与强大的计算能力结合在一起作为切口移动诊断和监测的仪器，在切口远程监测的过程中发挥着重要作用。Gunter R.L等[4]于2018年开发了一种远程伤口监测程序用于手术后切口的监测，结果显示患者和医务人员均能很好地利用该程序完成切口管理，表明了移动应用程序的可行性。Zhang J等[5]对1 434例患者通过在线医疗交流和教育平台-ForceTherapeutics上发送的图像进行分析，结果显示对于伤口异常的患者，使用在线图像信息平台进行切口监测可使他们的切口问题得到更快速的评估和管理，证明了在线图像信息平台可以实时与图像提供者的沟通、管理潜在切口问题。目前，基于智能手机及移动应用程序的远程监测技术已经被广泛运用在外科手术切口管理中，如心血管外科[6]、骨科[5]、普外科术后切口及外科手术部位感染(SSI)[7]的预测，实践证明手机智能移动应用程序能够准确地替代书面伤口文档进行伤口评估，并且通过智能手机获取的图像和随后的评估代替面对面的现场评估。

尽管诸多临床案例显示手机智能应用程序可被准确地用作临床辅助工具，但大多数研究只纳入了单病种，且并发症基线率较低的病人群体，因此不能充分证明其有效性，被广泛应用于外科手术切口的远程监测还需要进一步验证。另一方面，由于患方拍摄技术水平的差异，通过应用程序收集到的数据的可靠性在一定程度上有所折损。因此，手机智能应用程序必须操作简单，不会增加患者及家属额外的负担。

2 可穿戴传感器设备在术后切口监测中的应用

2.1可穿戴传感器设备的工作原理 鉴于传统伤口内环境监测需去除辅料、采用侵入性方式进行检测，所以一种可穿戴传感器的智能敷料应运而生，该传感器可提供对伤口的实时分析和预警。切口监测穿戴传感器设备是一种将微电子传感器、微处理器、无线通信和无线电等元素的嵌入伤口敷料中，微电子传感器能对伤口愈合过程中伤口微环境中的pH值、酶、挥发性有机气体、温湿度、葡萄糖及乳酸等数据进行实时监测，以此为凭证来判断伤口愈合的进程和炎症的分期。

2.2常见可穿戴设备及应用

2.2.1pH传感器 伤口的pH值是一个动态因素，可以随着治疗干预而迅速改变[8]。因此可通过在传统敷料中引入 pH 指示剂，得到相应的pH值来判断伤口的微环境情况。Petar Kassala[9]、D.A.Jankowska等[10]基于pH指示剂染料，通过将切口渗出液中代谢产物和酶浓度的变化转化为光感信号，从而以监测切口中pH值的浓度来达到监测切口愈合的目的。D.A.Jankowska等[10]的监测系统因加入了以葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶为基础的代谢物敏感酶体系，所以不仅能监测pH值，还能监测葡萄糖浓度。此类型pH值监测系统不仅价格便宜，还具有模块化的优势，易集成到现有的伤口敷料衬板中，具有较高的成本效益。Rahim Rahimi等[11]提出了一种价格低廉的柔性pH传感器阵列，它是在一张涂有聚合物的商用纸(调色板纸)上制造的，每个传感器由两个丝网印刷电极、一个Ag/AgCl参比电极和一个涂有导电质子选择性聚合物(聚苯胺，PANI)膜的碳电极组成，该传感器阵列具有很好的灵活性，以及制作成本廉价等优势。另外Jo Hee Yoon等[12]研制了基于软光刻和电极沉积工艺制备的聚苯胺纳米柱阵列的电位pH传感器，该传感器能在其弯曲状态下也能保持较高的pH灵敏度。虽然很多技术还处于实验室样本阶段，但这些不同工艺的研究发现对伤口监测可穿戴设备应用于伤口的远程监测提供了理论及技术支撑。

2.2.2温度、湿度监测传感器 温度对人体每个系统的功能起着重要作用，机体细胞功能都会受到温度的影响，在切口的愈合过程中也是如此，虽然伤口温度升高与炎症有关，而炎症本身并不总是感染的迹象，但在未愈合的伤口中，温度持续升高>1.11°C可能是细菌感染的一个可能指标[13]。将持续的伤口温度监测与其他伤口生物标志物相结合，能更早地发现感染。Dong Lou等[14]通过将温度传感器STH21嵌入伤口敷料中，创建了一个监测切口温度的系统，借助智能手机APP可显示和分析实时伤口温度。该系统通过在猪的伤口模型中应用，很好地揭示了伤口愈合过程中温度的动态变化过程。Pang Q等[15]将温度传感器和紫外线发光二极管集成，辅以紫外线反应抗菌水凝胶。该敷料可通过集成传感器的实时伤口温度监测提供早期感染诊断，并且能通过原位紫外线照射从水凝胶中释放抗生素进行抗感染治疗。Tran Quang Trung等[16]还研究出了一种可贴身穿戴透明的、可伸缩的温度传感器，但如何将此技术运用于切口温度的监测还需进一步研究，另外Salvo等[17]探讨了用还原氧化石墨烯(RGO)和氧化石墨烯(GO)分别测量伤口温度和pH值的可能性，这些均表明了可穿戴设备在上伤口温度和pH值方面的巨大潜力。

湿度会影响伤口愈合，所以及时评估伤口的渗出率、敷料的饱和度等也非常重要。David McColl等[18]在2007年提出了一种可以放置在切口敷料界面能够实时监测水分水平的传感器，并在2009年设计了一种监测切口床上的水分含量，同时使敷料不受干扰，只有在必要时才会发生改变的伤口传感器[19]。Milne Stephen D等[20]将水分传感器安置于伤口表面，通过水分传感器来观察伤口在敷料变化时的水分状况，结果显示使用湿度传感器可以减少敷料更换，并且为临床医生伤口敷料类型的选择提供参考，以使伤口达到最佳愈合条件。但是由于伤口愈合最适宜的湿度至今仍无定论，所以这也增加了监测伤口湿度的传感器的研究的难度。

2.2.3压力监测传感器 切口的愈合需要适宜的压力，敷料贴附太紧或者切口受压时会限制切口处血液循环，造成切口局部缺血、缺氧，甚至组织坏死。实时测量敷料的压力，描绘压力随时间的变化曲线，有助于合理使用敷料，促进伤口愈合。Jawad Al Khaburi等[21]研发了压力映射绷带样机，对该系统传感器的敏感区施加力会使传感器的电阻降低，导电性增加，以便通过电导的变化来观察压力的变化，尽管该系统针对医用压迫绷带的压力监测的准确性有所欠缺，但初步测试的结果表明，可将其用于医用压迫绷带压力的定性反馈。Nasir Mehmood等[22]提出了一种可移动的遥测双模式传感系统，该系统能够在压缩绷带和伤口敷料内同时感知两个位置的压力和水分，并已在人体四肢和一位志愿者身上得到验证，但是在其他类型和部位的伤口的推广仍需要进一步验证。Muhammad Fahad Farooqui等[23]设计了一种连续无线监测系统，通过喷墨打印在绷带上来实现，可以对不规则出血、pH值变化和伤口部位外压等参数发出预警。但该系统的智能绷带含有可拆卸的部分，需要配备安装可拆卸部分的工具，操作较为繁复，另一方面可拆卸部分的重复使用存在一定安全隐患，如果能采用一次性装置，则安全性和便捷性会大幅提升。

2.2.4葡萄糖含量监测传感器 切口的葡萄糖浓度与愈合状态有关，对其监测可能判断创面愈合进程。Hyunjae等[24]提出了一种基于汗液的葡萄糖传感装置，这种监测血糖的方式对于手术后患者切口的葡萄糖含量的监测提供了方案。Amay J.Bandodkar等[25]提出非侵入性血糖监测的全印刷临时纹身血糖传感器的概念，这项研究初步表明此方法可以扩展到对间质液体中存在的其他生理相关分析物的非侵入性监测。Krismastuti等[26]研制的基于多孔硅(PSI)/聚合物复合材料葡萄糖检测平台，能够检测低至0.15 mm的缓冲液中的葡萄糖。另外Jankowska等[27]也研制出一种能同时检测出伤口中pH值及葡萄糖浓度的光学生物传感器。这些传感技术已在实验室得到验证，未来有望在切口监测中发挥重要作用。

2.2.5氧气传感器、气味传感器 切口愈合需要氧气，在持续性炎症期间，伤口渗出液中溶解氧的分压在5～20 mmHg(1 mmHg≈0.133 kPa)，而健康组织的溶解氧分压在30～50 mmHg[28]，所以可以通过伤口中氧气的监测以达到对伤口的监测。M.Ranieri等[29]首次将经皮氧通量测量应用于术后创面监测，结果显示经皮氧通量成像是评估术后创面愈合的可靠工具。Tavakol等[30]用氧感应纳米粒子(BNPs)制成一种双层薄膜，应用于猪伤口愈合模型中验证薄膜在感应伤口氧合中的效用，证明了一种新型低成本氧感应薄膜对伤口氧合的连续评估的用途，使之能监测伤口愈合轨迹。

人工嗅觉系统，通常称为电子鼻，长期以来一直被用于检测细菌产生的挥发性化学物质。2011年徐姗等[31]提出了基于一种由6个金属氧化物半导体传感器组成的人工鼻和独立分量分析 (ICA) 的方法来检测常见的伤口感染病原菌。吕博等[32]针对细菌代谢产生的不同产物，选择合适的传感器构建传感器阵列，完成电子鼻气味采集平台的设计与构建，并通过智能算法构建感染识别模型。将此传感技术与切口相结合，将更有利于早期发现切口感染，实现对切口的更好管理。

2.2.6尿酸监测 由于伤口内的组织重塑，伤口内尿酸盐浓度的增加，能有效地促进和延长炎症，并阻碍愈合过程，从而导致慢性伤口的发展，因此可以通过检测尿酸水平或白蛋白中一种或多种尿酸前体的水平来监测伤口的严重程度[33]。Jolene Phair等[34]将一种碳复合聚合物掺入可集成到传统伤口敷料中的碳颗粒，结果显示聚合物中的聚乙烯网能够监测伤口中的尿酸含量，为伤口的评估提供客观依据。

2.2.7C反应蛋白传感器 C反应蛋白是最常用的急性期反应物，在炎症过程中，受损组织产生渗出液含有大量C反应蛋白，一些研究已经表明了反应蛋白的产生与伤口感染的关系。尽管反应蛋白浓度与疾病严重程度之间没有明显的相关性，但高浓度的反应蛋白比血浆粘度、血沉等其他因素更能反映炎症和/或组织损伤[35]，最近的一项研究表明，糖尿病足感染级别越高，反应蛋白水平就越高[36]，也有研究表明反应蛋白可用于监测局部感染的治疗反应[37]，最常见的测定反应蛋白水平的方法是基于免疫分析的，例如酶联免疫吸附试验(ELISA)，这些方法需要在专门的实验室进行，并且检测过程费时，试剂盒昂贵。现有大量测量反应蛋白的生物传感器试图达到与ELISA检测相似或更好的性能，Celine I.L.Justino等[38]设计了一种基于碳纳米管场效应晶体管的一次性C反应蛋白免疫传感器，该传感器能监测到的C反应蛋白浓度范围使其用于多种应用，如心血管疾病和切口炎症/感染的监测。目前大量涉及反应蛋白的研究工作大多数是针对心血管应用的，虽然其中一些生物传感器也适用于伤口状态的监测，但要将C反应蛋白传感器应用于伤口的实时监测还需要进一步研究。

3 远程监测技术在切口管理中的展望

在“互联健康”的背景下，切口管理的趋势是向智能化、便携式或可穿戴传感器发展，这种智能化设备和传感器可以在不需要患者住院的情况下连续监测伤口愈合情况。但是由于智能应用程序的图像质量以及手术切口大小及特征的提取等问题，使得智能应用程序在切口监测方面还有一定不足，令人振奋的是针对这些问题Jiang Z[39]、Lucas Y等[40]使用机器学习和医学图像分析技术，使得非专业的临床医疗领域的患者拍摄的低质量切口图像映射到由专业人员收集的切口图像数据创建的高质量的切口图像模板中，让这些低质量的图像可以被自动校准、增强、归位等。Virginia Mamone等[41]用立体摄影测量法建立精确的创面三维模型，提供对伤口愈合状态的增强现实(AR)视觉反馈。这些快速和非侵入性的成像技术在革新伤口感染诊断和监测方面具有巨大的潜力。

然而，到目前为止，这些智能化设备和新型传感器的商业化还不成熟。特别是切口可穿戴传感器的商业化，大多数传感器是单参数传感器，很少有文献描述使用压力、水分、温度及pH等传感器来生成完整的伤口监测系统。并且在将这些生物传感器投入实际使用之前，除了扩大检测范围外，还应对实际样品进行更多的测试，并充分验证传感器的生物兼容性、选择性、敏感性以及传感器的寿命。与获得更可靠的伤口愈合传感器相关的另一个挑战是数据管理、处理，特别是伤口关键指标问题，会产生大量的数据，如何对这些数据进行综合处理分析，以得到对伤口愈合过程的的阶段、以及出现的问题进行综合分析，还需要进一步的研究。