基于生物阻抗法的肺功能參數(shù)測(cè)量.pdf

1、嚴(yán)重的空氣污染和快速的老齡化，導(dǎo)致我國(guó)的呼吸道疾病發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)，如今慢性呼吸道疾病死亡率已占全國(guó)疾病死亡率的16.0％。隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)自身健康狀況的關(guān)注程度也迅速提升，對(duì)慢性呼吸道疾病的日常監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到個(gè)人和家庭的重視。肺功能檢查是慢性呼吸系統(tǒng)疾病的必要檢查之一，對(duì)于早期檢出肺、氣道病變，評(píng)估疾病的病情嚴(yán)重程度，評(píng)定藥物或治療方法的療效，鑒別呼吸困難的原因，診斷病變部位，評(píng)估肺功能對(duì)手術(shù)的耐受力或勞動(dòng)強(qiáng)度耐受力

2、及對(duì)危重病人的監(jiān)護(hù)等方面均有重要的指導(dǎo)意義。機(jī)體為維持生命活動(dòng)而攝取必需的O2，同時(shí)排出體內(nèi)物質(zhì)代謝所產(chǎn)生的CO2，這種機(jī)能活動(dòng)稱為呼吸(respiration)。肺泡內(nèi)的空氣與血液間的氣體交換稱為外呼吸或肺呼吸，血液與組織細(xì)胞間的氣體交換稱為內(nèi)呼吸或細(xì)胞呼吸。細(xì)胞呼吸也叫組織呼吸，組織呼吸多半是指細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝過(guò)程中的H+轉(zhuǎn)運(yùn)而言。歸根結(jié)底，呼吸就是以血液作為中間媒介，將空氣中的O2運(yùn)送到組織，將組織中的CO2排出體外的過(guò)程。當(dāng)肺中O

3、2少，CO2多時(shí)，呼出氣與外界空氣進(jìn)行交換，這個(gè)過(guò)程叫做通氣(ventilation)，通氣要靠呼吸運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。描記呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程的曲線的方法叫做呼吸曲線描記法(pneumogram)，本課題旨在研究有關(guān)肺呼吸（或外呼吸）測(cè)量的新方法。目前對(duì)肺功能的測(cè)量方法主要借助于各類流量計(jì):壓差式流量計(jì)、熱敏式流量計(jì)、葉輪式和渦輪式流量計(jì)和超聲音式流量計(jì)。雖然這些方法及其產(chǎn)品發(fā)展已比較成熟且測(cè)量精度也比較高，但相應(yīng)儀器產(chǎn)品價(jià)格昂貴，而且直接通過(guò)口腔對(duì)

4、流量計(jì)吸氣與呼氣進(jìn)行測(cè)量，在長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)護(hù)應(yīng)用上十分不便。故傳統(tǒng)肺功能的測(cè)量方法至今難于進(jìn)入社區(qū)和家庭，無(wú)法讓人們適時(shí)獲得自身的肺功能狀況及早做好預(yù)防措施，因此，研發(fā)適用于家庭和社區(qū)的、操作簡(jiǎn)便、低成本的肺功能測(cè)量方法與裝置，對(duì)慢性呼吸道疾病的預(yù)防和治療具有非常重要的意義。
　　 本文提出了應(yīng)用生物阻抗法的原理檢測(cè)肺功能的新方法，并以此為基礎(chǔ)研制了胸阻抗測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)以TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430為核心，輔以外圍

5、電路，即高頻激勵(lì)輸出模塊，壓控恒流源，包絡(luò)檢波、放大、濾波、電平轉(zhuǎn)換等電路共同組成，以實(shí)現(xiàn)胸阻抗的測(cè)量?；谏镒杩狗ǖ脑順訖C(jī)采用二電極方法，提取人體在呼吸過(guò)程中胸阻抗的變化以及變化率來(lái)檢測(cè)反映肺功能的主要參數(shù)。由于呼氣時(shí)胸腔的收縮使肺泡和氣路受到壓迫，使氣體進(jìn)入支氣管，同樣支氣管受到壓迫而塌陷，迫使氣體呼出體外，隨著支氣管的塌陷和氣路的阻力的增加，限制了氣流速率的進(jìn)一步增大。胸阻抗變化的曲線表明最大呼氣速率隨著肺容量的減小而減小，這

6、與已知的人體呼吸生理過(guò)程是相吻合的。樣機(jī)測(cè)量提取的主要參數(shù)是：①用力肺活量FVC:（forced vital capacity）:它是從最大吸氣位置（即TLC）用力迅速呼出時(shí)的總呼出量;②一秒率(FEV1/FVC,FEV1％:forced expiratory volume in one second):它是從最大吸氣位置用力呼出經(jīng)1s時(shí)間呼出的氣體量，與用力肺活量之比，即FEV1％=(FEV1/FVC)×100％;③峰值流量(PEF,

7、 peak expiratory flow):即最高呼氣流量，是指用力肺活量測(cè)定過(guò)程中，呼氣流量最快時(shí)的瞬間流速。測(cè)量的基本方法如下：利用極值加閾值的算法，經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，從波形里超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)中尋找極大值和極小值，完成對(duì)呼吸波的波峰及波谷的提取，再經(jīng)計(jì)算處理從而獲得用力肺活量和一秒率;利用差分法尋找前后阻抗差值的最大值并以此對(duì)應(yīng)呼吸波斜率的最大值，并加以計(jì)算處理獲得峰值流量。所研制的基于生物阻抗法原理的肺功能儀與基于流量計(jì)測(cè)量的傳統(tǒng)

8、肺功能儀相比有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴體積小，重量輕，便于攜帶，可在社區(qū)醫(yī)院與家庭有限的空間環(huán)境里有效使用;⑵價(jià)格低廉，與上萬(wàn)元的市售傳統(tǒng)肺功能儀相比更易于廣大民眾所接受;⑶使用方便，只需在胸前貼上電極便可進(jìn)行測(cè)量，而傳統(tǒng)肺功能儀測(cè)量時(shí)對(duì)流量計(jì)的使用要求十分嚴(yán)格，沒(méi)有專業(yè)人員指導(dǎo)難以完成。為驗(yàn)證所提新方法的有效性，利用本文所研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與基于傳統(tǒng)流量計(jì)法的MIR公司的spirolabⅢ肺功能儀，進(jìn)行了肺功能測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為23例健康人，所

9、測(cè)肺功能主要參數(shù)包括:用力肺活量（FVC: forced vitalcapacity）、一秒率（FEV1/FVC, FEV1: forced expiratory volume in one second）和峰值流量(PEF, peak expiratory flow)。本文最后采用了比較兩種測(cè)試方法一致性的Bland-Altman法，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，兩種測(cè)量方法數(shù)據(jù)的差值均落在其均值的正負(fù)2倍方差以內(nèi)，根據(jù)Bland-Alt