呼出气监测静脉麻醉药血药浓度
董浩1，张冯江2，林丽泉1，
陈璟1，王福园1，王莹莹1，陈星11.浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州 310027；2.浙江大学医学院附属第二医院，浙江 杭州310005
[摘 要]丙泊酚静脉麻醉药约占70%的临床手术麻醉用药量。且随着全凭静脉麻醉临床应用的深入研究，精确闭环麻醉的需求日益凸显。精确闭环静脉麻醉需要对麻醉药用量，手术麻醉效果以及麻醉预后进行快速监测和综合评价。由于静脉麻醉药经由静脉注射给药，实时血药浓度难以精确监测，这成为了精确闭环麻醉的瓶颈。基于呼出气实时监测丙泊酚血药浓度的研究在近十年内快速发展，新的技术和方法不断涌现，有望在短期内突破上述瓶颈。本文结合实验室的新近研究，介绍了快速气相色谱（GC）联用声表面波（SAW）传感器的在线检测呼出气体中丙泊酚浓度的系统和方法。通过固相微萃取气质联用对GC-SAW系统进行标定和校正，从而验证本系统的可行性、可靠性、检测极限和线性。通过初步临床实验比较了靶控输注（TCI）被试者呼出气中与血液中的丙泊酚浓度，以及比较了呼出气中丙泊酚浓度与TCI计算的血药浓度，结果均显示了高度的一致性。因此，GC-SAW系统是一种临床在线监测呼出气中丙泊酚含量的较为可靠的途径，它提供了一种便捷、快速的方法来精确地监测丙泊酚的剂量，这种监测方法可以减少患者在静脉麻醉时的丙泊酚的副作用。
[关键词]呼吸检测；气相色谱联用声表面波；丙泊酚；靶控输注
丙泊酚是目前临床广泛使用的一种静脉麻醉药物，具有起效快、恢复时间短、术后不良反应少等优点[1]。然而，由于缺乏丙泊酚血药浓度的实时监测手段，当前在麻醉过程中，仍然存在由于患者血流不稳定以及麻醉不完全所导致的患者术中知晓或苏醒缓慢等情况。
在临床中，对丙泊酚用量的控制主要通过基于正常人群的药代动力学和药效学模型的靶控输注（Target-Controlled Infusion，TCI）结合临床麻醉医生的经验而实现的[2]。设定TCI血药浓度控制的目标值，TCI实时控制的血药浓度也可以通过TCI计算读出。但其并不是患者血药浓度的实测值，故与真实值存在一定的偏差。尤其对于特殊人群来说，TCI的偏差往往使所得的血药浓度值不具有临床指导意义而被麻醉医生忽视。故而，寻找一种有效的方法能够对丙泊酚的血药浓度进行精确的实时监测，显得尤为重要。
有报道显示，通过呼出气中丙泊酚浓度可以用来监测临床患者的血药浓度。最初这一想法被通过质子转移反应-质谱（PTR-MS）技术进行了验证[3]。其后，如气相色谱-质谱连用（GC-MS）[4]、离子-分子反应质谱（IMR-MS）[5]和集束毛细管柱-离子迁移谱（MCC-IMS）[6]，均验证了可用于呼出气中丙泊酚浓度的监测。但是，GC-MS、IMRMS、MCC-IMS等技术由于设备昂贵、体积庞大、噪声等原因均不适用于临床手术环境；PTR-MS虽然体积小便于携带，但缺乏在复杂气体背景下监测丙泊酚的能力，故而均不是合适的选择。
本文提出了一种基于气相色谱-声表面波传感器技术联用的平台用于临床监测呼出气中丙泊酚浓度。由于使用了直热式毛细管柱升温方式[7-8]，该平台的检测周期可压缩至约90 s，可以对呼出气中的丙泊酚浓度进行在线监测。同时，通过呼出气中丙泊酚浓度与把控灌输的比对实验，验证了本系统可用于临床丙泊酚麻醉药的实时血药浓度监测。
1 方法
1.1 系统设计
本系统通过气相色谱技术与声表面波传感器联用的方式，实现对呼出气中麻醉药物丙泊酚的实时监测，系统的整理气路结构见图1。
系统通过六通阀的转向实现进样与分析两种模式。如图1(a)所示，为进样状态，在该状态下，气泵抽气，样品在气体进样口被吸入Tenax TA[9]吸附管，吸附管中覆有10 mg的Tenax TA吸附剂，可实现对气体的预富集，提高系统的监测下限。在进样状态完成后，程序控制六通阀转向，切换状态如图1(b)所示。在该状态下，以氦气为载气，对Tenax TA吸附管进行瞬时加热，将管中此前吸附的气体吹出，进入金属毛细管柱进行成分分离后，依次进入传感器气室进行检测。至此，可对气体样品的成分进行分离与定量分析。
在传感器室中，使用声表面波传感器（Surface Acoustic Wave，SAW）作为检测器。本平台使用的SAW传感器为36°Y-X切型石英，中心频率约为500 MHz。在传感器计频的过程中，加入一个参比传感器，其中心频率略高于工作传感器。通过混频器对两个传感器的频率值进行差频，以得到由质量沉积引起的工作传感器的频率变化，同时，将原本500 MHz的信号降低到1 MHz左右，降低硬件电路计频的难度。
图1 GC-SAW系统气路结构
1.2 GC-SAW标定实验
1.2.1 丙泊酚标准浓度气体的配制
使用丙泊酚原液，分别配制0.4，0.5，1.0，2.0，4.0 nmol/L浓度的丙泊酚气体，并保存在容积为2 L的泰德拉（Tedlar）样品袋中。配气实验使用由中国国家计量技术开发有限公司的MF-3B型配气仪。
1.2.2 使用GC-MS与GC-SAW系统进行气体分析
对标准气体使用气相色谱-质谱仪(GC-MS)进行标定，本实验使用岛津公司GCMS-QP2010型号GC-MS，配备瑞思泰康RTX?-5系列毛细管，长度30 m，内径0.25 mm。样品通过SPME针萃取后进入GC-MS进行分析。进样口温度设置为260 ℃，进样时间1 min；毛细管从120 ℃以15 ℃/min程序升温至300 ℃，并保持2 min；离子源温度设置为250 ℃。
GC-MS分析完毕后，打开GC-SAW系统开关与气阀，并进行仪器预热。SAW传感器，毛细管，六通阀与进样口的温度分别设置为30 ℃、40 ℃、165 ℃、200 ℃。毛细管的升温速率为10 ℃/s，升温时间为3 s。设置完毕，等待仪器预热完成后，进样口保持空抽直至GC-SAW检测结果的基线消失。将泰德拉（Tedlar）样品袋中的气体，置于进样口，进行气体分析。
单个浓度的丙泊酚样品，使用GC-MS分析3次，使用GC-SAW分析5次。
1.3 临床监测丙泊酚
1.3.1 实验准备
本临床实验是在浙江大学第二附属医院的协助下完成，在实验准备室内，打开GC-SAW系统电源与气阀，并进行预热。确认系统软硬件连接完毕，按照丙泊酚标准气体标定实验中的参数对系统进行设置。预热完毕后，系统空抽3次，观察检测结果基线是否平稳。准备工作完成后，将载有GC-SAW系统的推车推入手术室。
1.3.2 实验过程
临床监测呼出气中丙泊酚实验过程，见图2。将GCSAW系统的进样口与呼吸机的出气管相连。采集麻醉状态下病人的呼出气体进行分析，设置抽气采样周期为90 s。整个实验过程持续约150 min，对呼出气中丙泊酚的含量进行监测，与TCI结果进行比对。在实验的过程中，连续抽取患者血液（单次1 mL），并编号记录采血时间。在采气实验结束后，使用GC-SAW系统测血液样品的顶空响应，与呼出气响应进行比对。
图2 临床监测呼出气中丙泊酚实验示意图
2 结果
2.1 GC-SAW标定结果
图3显示了GC-SAW标定实验的结果，通过配气仪配制了5种标准浓度的气体（0.4、0.5、1.0、2.0、4.0 nmol/L），使用GC-MS对其进行分析。
图3 GC-SAW标定实验结果
图3(a)是GC-SAW系统对标准浓度气体进行检测的结果，丙泊酚的出峰时间大致在7 s左右，且随着气体浓度的增加，峰高不断增高，峰面积不断增大。由此可见，本GCSAW系统可准确用于丙泊酚气体浓度的实时监测。SAW传感器响应与丙泊酚浓度的标定公式为：C=3.4X-0.5675，其中，C为丙泊酚气体浓度，单位nmol/L；X为SAW传感器的频率响应值，单位为kHz。
2.2 临床监测丙泊酚血药浓度及呼气浓度与TCI对比
图4为GC-SAW系统临床监测丙泊酚的监测结果。
图4 GC-SAW系统临床监测丙泊酚
参考患者的体重，以2 mg/kg的药量给病患注射丙泊酚，可看到丙泊酚的血药浓度与呼出气中丙泊酚的浓度存在明显的上升，约在2 min后，血药浓度达到峰值（呼出气中丙泊酚浓度达到峰值为3 min），随后浓度逐渐下降。实验进行到33 min时，以2 μg/mL为目标值进行TCI靶控，可见血药浓度与呼出气中丙泊酚浓度重新上升；在实验进行到第82 min，停止丙泊酚用药，血药浓度逐渐下降，随后，呼出气浓度也逐渐下降；在呼出气浓度下降的同时，记录了TCI通过模型计算显示的丙泊酚血药浓度值，并进行拟合。
比较图4中蓝线与红线可以发现，丙泊酚在呼出气中的浓度与其血药浓度在变化趋势上基本一致，这也证明了可通过监测呼出气中丙泊酚的浓度来推断患者在静脉麻醉过程中的血药浓度。同时，图中蓝线在变化趋势上比红线存在明显的滞后，这是由于静脉麻醉药物首先进入血液，经过肺部代谢之后才会从呼出气中排出。
对图中蓝线的后半段与绿线进行的相关性分析显示丙泊酚的呼出气浓度与TCI靶控输注结果存在强相关性（R2=0.9787）。同时，呼出气中丙泊酚浓度的下降是一个连续的过程，而TCI的计算结果为台阶式下降。显然，通过呼出气检测丙泊酚的血药浓度更为精确与可靠。
3 结论
本文提出了一种基于气相色谱——声表面波传感器联用的麻醉药物丙泊酚实时监测系统和方法，相比于传统的GC-MS、IMR-MS、MCC-IMS等设备，本系统具有便携性好、快速、无创、可实时在线监测等优势。通过丙泊酚的临床监测实验表明，本系统的监测结果与现有临床标准具有强相关性（R2=0.9787），可用于临床连续、无创监测麻醉药物丙泊酚。
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Breath Monitoring of Intravenous Anesthetics Concentration in Blood
DONG Hao1, ZHANG Feng-jiang2, LIN Li-quan1, CHEN Jing1, WANG Fu-yuan1, WANG Ying-ying1, CHEN Xing1
1.College of Biomedical Engineering and Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China; 2.Second Affiliated Hospital of Medical College of Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China
Abstract：Propofol accounts for about 70% market share of intravenous anesthetics in clinical surgery. With further research and application of total intravenous anesthesia, precision closed-loop anesthesia is proved to be important in clinical practice. It is necessary to monitor anesthetic dose, assess anesthesia effect, and evaluate anesthesia prognosis in a rapid and comprehensive way during the closed-loop anesthesia. Due to intravenous injection of anaesthetic, the difficulty to precisely monitor anaesthetic dose in blood has become the main limit for development of precision closed-loop anesthesia. In recent ten years, propofol detection using real-time breath monitoring developed rapidly with novel techniques and methods, which might break through the barrier of the closed-loop anesthesia. This study presents systems and methods using synchronized applications of gas chromatograph (GC) and surface acoustic wave (SAW) sensor for on-line monitoring of propofol in exhaled gas. SPME-GC-MS was used to calibrate to GC-SAW sensor system for verifying feasibility, reliability, detection limit, and linearity. The propofol concentrations in exhaled gas was compared with concentrations in blood calculated by target-controlled infusion (TCI). The results showed a high degree of consistency. In conclusion, GC-SAW system was proved to be a reliable way for clinical monitoring of propofol concentration through patients’ exhaled gas. This detection system would reduce the side effects of propofol intravenous anesthesia during surgery.
[中图分类号]R318.6
[文献标志码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.02.004
[文章编号]1674-1633(2016)02-0018-03
收稿日期：2015-11-10
基金项目：国家自然科学基金项目（No.81201166，No.81571769）
通讯作者：陈星，副教授，博士生导师。
Abstract:: breath detection; gas chromatograph-surface acoustic wave; propofol; target-controlled infusion