树莓派驱动的丙泊酚监测系统

基于树莓派的丙泊酚监测系统

摘要

使用丙泊酚进行麻醉诱导是在医院环境中广泛采用的技术。正确给药剂量对于避免因用药不足或过量导致的严重副作用至关重要。因此，在临床环境中，对丙泊酚的长期监测具有重要意义。为此，本研究提出了一种基于电化学检测的定制化、低成本且便携式的床旁检测(PoC)系统的设计与验证，用于丙泊酚监测。通过采用3H型铅笔石墨电极（PGE）作为传感器，克服了由于丙泊酚酚类氧化引起的污染现象。系统的验证重点在于通过扫描速率分析测试测量速度，这对于快速清除的丙泊酚尤为重要；同时进行了与对乙酰氨基酚(APAP)的干扰研究，因为该镇痛化合物在临床实践中常与丙泊酚联合使用。

1. 引言

静脉注射（IV）是医疗应用中最常见的医疗程序之一[1]。如今，全身麻醉通过靶控输注（TCI）系统实现和维持，这些系统能够执行适当的药物注射程序，以保持患者所需的镇静深度[2,3]。TCI系统有助于输注由三种主要成分组成的麻醉混合剂：（i）麻醉剂，如丙泊酚；（ii）镇痛剂，如对乙酰氨基酚或阿片类药物；以及（iii）肌肉松弛剂，如咪达唑仑[4]。每种成分的输注速率由TCI泵中为每种输注药物实施的药代动力学（PK）/药效动力学（PD）数学模型评估得出[5]。然而，由于这些PK/PD模型仅基于患者的少数生理特征，例如性别、体重和年龄，因此无法重现患者间的代谢差异。另一种控制患者麻醉水平的方法依赖于对双频指数（BIS）的监测，该指数来自脑电图（EEG）信号[6]。然而，该值是间接评估的，无法提供血液中每种化合物的实际浓度[7]。此外，对于单一药物而言看似相关的单一临床测量参数，在药物联合使用时（如麻醉情况）可能并不适用[8]。因此，治疗药物监测系统具有更重要作用，以确保更安全的麻醉剂量[9]。

迄今为止，已使用各种方法进行丙泊酚监测[10–14]。然而，这些技术存在一些局限性，例如设备笨重、耗时，且不适用于流体应用。为了克服传统技术带来的局限性，电化学传感器被引入用于丙泊酚监测（[15–17]）。然而，由于丙泊酚会发生电聚合，导致传感器表面污染，从而在多次测量后灵敏度下降[18,19]。尽管目前已有一些电化学传感器被设计用于解决这一问题，但尚未通过包含传感器和电子平台的完整便携式系统实现连续或长期（长达数小时）的丙泊酚监测。

本研究旨在开发一种用于丙泊酚在线监测的定制构建即时检测系统，作为我们此前在参考文献[22]中工作的后续。该系统由基于树莓派（RPi）的便携式多通道恒电位仪组成，并连接专用的三电极构型电池，以实现稳定可靠的丙泊酚监测。针对丙泊酚因电氧化而引起的电极污染问题，采用PGE作为工作电极，其组成为58%石墨、36%粘土和5%蜡，可确保最佳性能[23]。该特定铅成分对应欧洲字母标度[24]中的“3H”。

已在丙泊酚的主要干扰药物对乙酰氨基酚溶液中对丙泊酚进行了干扰研究，该溶液被给予患者用于镇痛用于麻醉混合剂中的镇痛[25,26]。基于树莓派的传感平台因其三个并行独立通道，可实现最多三种药物的同时检测。本研究将重点放在丙泊酚传感平台的集成以及整个系统在不同电化学技术下对丙泊酚化合物的检测能力验证，并考察干扰药物存在时的检测效果。

本研究首次在文献中报道了一种完整的由树莓派驱动的丙泊酚监测便携式系统，这是迈向“可靠的静脉麻醉监测反馈系统”的重要一步。

2. 系统架构

图1描述了在麻醉过程中用于连续监测的整个系统的架构。该系统包括四个不同的主要模块：（i）与被分析溶液（患者血液）直接接触的传感平台，（ii）基于树莓派的核心电子系统以驱动测量，（iii）TCI泵用于输注麻醉药物，以及（iv）用于数据处理和药物浓度计算的笔记本电脑。本文重点研究传感平台与定制的印刷电路板(P)CB的完全集成，并通过丙泊酚作为基准麻醉药物对该系统进行验证。药物浓度在笔记本电脑上通过电化学工具进行评估，该值将在后续工作中用于控制输液泵，我们已通过串行通信将该泵连接至树莓派，并在之前的研究中进行了验证[27]。我们下一步的目标还包括在树莓派软件中集成自动电化学数据分析功能，以使整个过程更加便携。

传感平台为电化学池，每个电化学池均由参比电极、对电极和工作电极（RE、CE和WE）组成，并能够检测化合物。本例中，如图2.b所示，我们采用具有石墨、石蜡和粘土铅成分的PGE作为工作电极，该成分对应国际分类3H[28]，对电极为铂丝（Pt），参比电极为银/氯化银（Ag/AgCl），用于检测丙泊酚。

电子系统此前已进行过详细阐述和介绍[22]。简而言之，该系统由一个直接连接定制PCB的树莓派（RPi）组成。如图2所示，该PCB的原理图包含一个直接数字频率合成器（DDS）和一个读出电路。DDS由一个微控制器构成，该微控制器驱动数模转换器（DAC），通过控制放大器向电化学池施加稳定的电位。读出电路采集由于氧化还原反应在电化学池中产生的信号，经过两级放大（第一级为固定增益的跨阻放大器（TIA），第二级为可编程增益的可编程增益放大器（PGA））对信号进行放大，并在模数转换（ADC）前调整信号的偏移量。

树莓派在该架构中起着核心作用，负责执行和实现多种任务。它接收用户选择的设置参数，并根据这些参数（生成的激励波形和可编程增益放大器增益）配置印刷电路板，以适应不同的电化学实验。它通过印刷电路板电路驱动电化学测量，从前端印刷电路板采集测得的电流，并将数据发送至笔记本电脑进行后处理分析。最后，树莓派通过串行通信与输液泵连接，从而控制其注射操作。

总之，由于具有三个独立且并行的通道，该系统能够同时测量三种药物。

在我们之前的工作中，已成功将传感器和泵与印刷电路板[27]集成。在笔记本电脑上运行的数据处理用于自动评估药物浓度，并进一步计算为维持镇静水平所需注射的丙泊酚剂量[29,30]，但尚未将其集成到回路中。之后通过这种集成，我们将能够建立笔记本电脑与树莓派之间更快的通信，以便树莓派一旦从计算机接收到新的剂量注射指令，就会命令泵向患者输注相应剂量。

我们定制构建的印刷电路板（如参考文献[ 22 ] 中所述）。它包含三个并行通道，每个通道都有一个控制放大器、用于读出的两级放大以及偏置校正。b.) 电化学池：铂丝作为对电极，铅笔石墨电极（PGE）作为工作电极，银/氯化银作为参比电极。)

3. 材料与方法

3.1. 仪器设备

为了进行电化学丙泊酚检测，使用了Staedtler Mars Lumograph提供的木质PGE（2毫米直径）作为工作电极。其特定的铅成分为：®石墨，58%粘土和36%蜡，对应于3H标记。该PGE铅成分是在参考文献中测试的二十种不同成分中，因其在丙泊酚长期传感中的最佳性能而被选中。5% PGE的尖端已浸入溶液中，以获得∼2.6mm²的电化学活性表面积。

为构成完整的电化学池，使用了普林斯顿应用研究‐阿美特克的Ag/AgCl参比电极（K0265‐直径4毫米）和铂丝。

对乙酰氨基酚（APAP）由西格玛奥德里奇提供，2,6‐二异丙基苯酚（丙泊酚）由TCI化学品提供。5.4 mM丙泊酚储备液通过将其溶解于0.1 M氢氧化钠溶液中配制而成，30 mM APAP储备液通过将5毫克粉末溶解于1 ml 1 × Phosphate Buffer Saline (PBS)（pH值：7.4，10 mM）中配制而成。随后进行稀释，得到丙泊酚和APAP的浓度分别为：[9.9–19.6–38.5–56.6–80.5] μM 和 [50–100–150–200–250–300] μM。

所有实验均在PBS（10 mM，pH值：7.4）作为背景电解质的条件下进行，并在室温下完成。关于丙泊酚氧化还原反应如何随背景溶液条件（如pH值和温度）变化的深入研究，此前已有报道[31]。

系统采用RPi 3 Model B 主板作为核心单元，并在Qt Creator中开发了专用的图形用户界面（GUI），用于从RPi控制PCB测量。使用Matlab_R2016b和Igor Pro 6.22软件进行处理测量数据。

3.2. 实验步骤

我们通过进行多种不同的测试，验证了用于检测丙泊酚（作为模型麻醉剂）的自制系统。制备了一个PGE并用作工作电极。电极的制备包括剥离木质PGE的两个末端。一端用作电子接触点，如图2.b所示，另一端则被切割以获得一个平坦表面，并浸入分析物溶液中（电化学活性面积由平坦表面和浸入的侧面共同构成，保持在∼2.6 mm²）。

首先，差分脉冲伏安法(DPV)和循环伏安法(CV)电化学技术已用于通过绘制校准曲线（浓度 versus 氧化峰电流）来表征丙泊酚测量系统。

其次，我们对APAP进行了干扰研究，因为APAP是一种解热药和非阿片类镇痛药，可静脉注射用于重症和手术患者[32]。此外，APAP与丙泊酚一样，也是一种电活性酚类化合物，在黏土改性碳糊电极上其氧化峰约为500 mV[33]，处于与丙泊酚氧化相似的电位范围。因此，也对APAP进行了DPV校准，以表征其在PGE界面的行为。我们未对其他干扰物质，即抗坏血酸、半胱氨酸、尿酸进行研究，因为据报道这些物质的氧化峰不在丙泊酚的同一电位窗口内。事实上，抗坏血酸和尿酸的氧化峰分别出现在+0.1 V和+0.2 V[16]；而在改性石墨电极上，半胱氨酸的氧化峰出现在0 V[34]。

最后，我们进行了扫描速率分析，以评估系统在更快测量条件下的性能，并测试系统在CV和DPV两种模式下的响应时间。为此，在丙泊酚浓度保持恒定在36.5 μM的条件下，进行了CV和DPV测量，并设置了不同的扫描速率：CV为[0.16–0.11–0.09–0.08–0.07–0.06] V/s，DPV为[0.08–0.06–0.05–0.04–0.03–0.02] V/s，同时保持73.5%占空比不变。通过这种方式，两种技术完成一次测量所需的时间分别为[15–20–25–30–35–40] s。

数据后处理使用Matlab_R2016b和IgorPro 6.22软件进行。在Matlab_R2016b中编写的专用脚本用于评估各次校准中共用恒定基线下的峰高。对于干扰研究，引入了在IgorPro 6.22中的额外步骤，以识别两种药物的峰位置；其中对乙酰氨基酚通过高斯分解确定峰位置。在确定峰位置后，再次使用Matlab脚本评估峰高，以确保数据的一致性。

用户可通过树莓派上的专用Qt‐图形用户界面设置测量的系统参数。以下表1总结了这些数值。此外，在开始测量之前，需要通过图形用户界面设置所实现的印刷电路板的一些硬件参数。这些值列在表2中。这样可确保电路具有灵活性，能够通过使用相同的前端和不同的硬件参数来检测不同的药物。因此，读出放大器的电阻值和偏移量可根据应用由用户进行修改[22]。

电路的输入参考电流噪声在CV和DPV测量中分别评估为25.25 pA/Hz¹/²和8.18 pA/Hz¹/²。这些测试参数是在10毫赫兹至10千赫兹的频率范围内使用LTSpice获得的。电子板的功耗为160毫瓦。

表1 电化学测量参数

CV测量
起始电压 (mV)	200
终止电压 (mV)	1350
起始电压 (mV)	210
电压步长 (mV)	3.22
步长时间 (ms)	32
扫描速率 (V/s)	0.1

DPV测量
起始电压 (mV)	0
终止电压 (mV)	1100
电压步长 (mV)	3.22
脉冲宽度 (ms)	50
脉冲幅度 (mV)	60
脉冲周期 (ms)	68

表2 印刷电路板硬件配置

测量类型	数字电位器增益	Rf 增益 (KΩ)	偏移量（毫伏）	通道
CV	186	2.98	285	2
DPV	186	9.28	333	1
## 4. 结果与讨论

为了实现成功的在线床旁检测丙泊酚监测，我们采用了与由树莓派驱动的电子硬件相连接的PGE 3H传感器。该架构不仅确保了系统的便携性，而且由于系统主要组件PGE和树莓派成本低廉，大幅降低了系统的制造成本。定制PCB电路通过其三个独立的通道，可支持最多三项独立的电化学测量。因此，还可同时运行不同的技术，如循环伏安法、差分脉冲伏安法和ChronoAmperometry（CA）。

4.1. 电化学表征

丙泊酚的循环伏安图，b) 丙泊酚的差分脉冲伏安图，c) 对乙酰氨基酚的差分脉冲伏安法校准。基于a) 循环伏安法和b)、c) 差分脉冲伏安法记录的氧化峰电流建立的丙泊酚和对乙酰氨基酚检测的校准曲线。)

图3.a和.b展示了使用循环伏安法和差分脉冲伏安法进行丙泊酚检测的对比。我们可以推断，循环伏安法和差分脉冲伏安法均适用于丙泊酚检测。事实上，两者获得了相当的灵敏度（S，通过图3.d和.e中的校准线斜率评估），分别为 3.02 × 10⁻⁷ ± 5.15 × 10⁻⁸ A/μM（循环伏安法）和 1.10 × 10⁻⁷ ± 1.43 × 10⁻⁸ A/μM（差分脉冲伏安法）。相反，如果我们关注r²以及标准误差参数，则可以注意到，与循环伏安法相比，差分脉冲伏安法获得的结果更稳定且线性更好。

此外，我们还对对乙酰氨基酚进行了差分脉冲伏安法校准，图3.c 和 3.f，以表征其行为，从而能够分析其对丙泊酚的干扰。该系统能够在与丙泊酚测量相同的电压范围内检测该化合物，具有灵敏度—灵敏度为 5.26 × 10⁻⁸ ± 2.34 × 10⁻⁹ A/μM，如图3.f所示。根据差分脉冲伏安法表征，丙泊酚的检测限（LOD）为 0.53 μM，相对标准偏差（RSD）%为0.03；对乙酰氨基酚的检测限为 3.22 μM，RSD%为 0.02。检测限计算公式为3×σb/S，其中 σb为空白测量的标准偏差（n = 3），S为校准线斜率所得的灵敏度。

在测量含有两种药物混合物的溶液时，会得到复杂的伏安图，需要额外进行高斯分解步骤以确定每种药物的峰位置。 38.5 μM 丙泊酚，b) 300 μM 对乙酰氨基酚，以及 c) 两种化合物的混合物（干扰研究）。)更具体地说，图4.a和.b分别显示了当分析溶液中单独存在丙泊酚和对乙酰氨基酚时，通过Igor Pro处理得到的各自贡献。图4.c是当两种化合物混合存在于分析溶液中时获得的伏安图。借助高斯分解，可以将测得的DPV曲线中的两个贡献分离开来。

因此，在确定了对乙酰氨基酚和丙泊酚的电流峰值后，可在Matlab中对这两种化合物进行传感器校准，如图5.a和.b所示。根据校准曲线，丙泊酚和对乙酰氨基酚的灵敏度值分别计算为 2.80 × 10⁻⁸ ± 1.06 × 10⁻⁹ A/μM 和 1.84 × 10⁻⁸ ± × 10⁻¹⁰ A/μM。

通过评估丙泊酚和对乙酰氨基酚的RSE%（分别为 5.94%和 5.69%）来衡量测量精度。这些数值对于美国国家卫生统计中心（ε ≤ 30%）而言也基本可以接受。此外，还通过计算相对标准偏差RSD%来评估测量的准确性和可靠性。对于丙泊酚，我们获得了 ≤ 10.6 RSD%，对乙酰氨基酚为 ≤ 10.3 RSD%，均在美国食品药品监督管理局（FDA）对商业传感设备规定的准确性标准范围内[36]。因此，我们可以得出结论：即使灵敏度有所降低，在存在对乙酰氨基酚干扰的情况下，丙泊酚的成功监测仍然是可行且经过验证的。

丙泊酚（约0.4伏峰值）和 b) 对乙酰氨基酚（约0.85伏峰值）。底部为一般氧化反应 n 据报道，这两种药物的作用机制。)

4.2. 扫描速率分析

上次验证主要是通过改变扫描速率来加快测量速度， 事实上，由于丙泊酚具有快速的药代动力学特性，我们需要向系统提供快速的测量以实现其正确检测。因此，丙泊酚浓度保持在 36.5 μM 不变，同时调整CV和DPV测量以完成一次测量。

在[15–20–25–30–35–40]秒内进行测量。本测试旨在观察系统的时间响应，包括氧化还原反应的发生及其正确测量。

此外，通过CV扫描速率分析，可以将峰值电流对扫描速率的平方根作图。图6.c中的线性趋势表明，PGE界面上的丙泊酚氧化过程受扩散控制[37]，因此污染现象—现象被避免。

关于背景电解质的不同pH值和温度值引起的峰变化，我们已经在参考文献[31]中对不同条件下的传感系统进行了表征。

表3 使用不同电化学方法检测丙泊酚的比较表

Work	WE	完整系统	快速扫描	污染效应	LOD μM	线性范围 μM (治疗范围 [1–60] μM)
[20]	玻碳电极（GC）	聚氯乙烯涂层膜	无（商用恒电位仪）	每5分钟测量	通过聚氯乙烯克服膜	0.015 ± 0.3
[17]	涂有聚氯乙烯的玻璃碳	膜	无（商用恒电位仪）	–	通过聚氯乙烯克服膜	< 1
[16]	预阳极氧化碳电极	无（商用恒电位仪）	–	–	0.08	0.09–0.9
[15]	GC	无（商用恒电位仪）	–	–	3.2 ± 0.1	0–30
本研究	PGE 3H	是（传感平台集成在定制便携恒电位仪）	扫描速率分析以提供测量值，最高可达至15秒	通过PGE组成 [23]	0.53 ± 0.03 (RSD%)	0–80.5

从该表中我们可以清楚地注意到，目前尚无成熟的即时检测系统可用；并且进行单次测量所需的时间通常未被讨论。事实上，由于丙泊酚的药代动力学较快，需要快速测量才能提供可靠的数值。

5. 结论

本研究首次提出了一种完整的、自主构建的便携式树莓派驱动系统，通过快速扫描测量实现可靠的丙泊酚监测。作为一种典型的麻醉剂，丙泊酚在采用电化学方法检测时存在电聚合问题。然而，在本研究中，我们使用了一种具有特定组成（58%石墨、36%粘土和5%蜡）的PGE，实现了无污染的丙泊酚检测。本文的主要目标是通过将最优的抗污染传感器与自主研制的恒电位仪集成，构建一个用户友好的便携式电子系统。

我们已经证明，所设计的完整系统即使在存在对乙酰氨基酚（APAP）作为干扰化合物的情况下，也适用于丙泊酚的检测。更广泛地说，由于系统具有三个独立的并行通道，可通过差分脉冲伏安法（DPV）和循环伏安法（CV）等不同电化学技术同时测量最多三种药物。

由于基于RPi的系统具有灵活性以及开发出的用户友好的Qt GUI，我们的系统可被视为适用于通过反馈控制系统实现麻醉剂个性化剂量的麻醉监测。因此，我们通过改变扫描速率来挑战系统执行快速测量的能力。对于丙泊酚等快速清除药物而言，系统的快速响应时间至关重要。

通过CV扫描分析，我们还确认避免了污染效应，因为丙泊酚的氧化表现为扩散控制过程。这使得系统能够稳定可靠地进行麻醉监测，其中需给药的主要化合物有三种。таким образом, 可确保麻醉化合物的给药更安全且更具个性化。