CN108109697A - 一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统及方法 - Google Patents

一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统及方法，包括肺功能测试系统读取受试者的用力肺活量测试的呼气曲线；采用肺功能测试系统的数据处理模块对用力呼气曲线进行数据处理，系统的输出模块输出肺功能指标参数；所述的用力呼气曲线只需满足美国胸科协会/欧洲医学会建议的除呼气结束标准以外的测试质量控制标准，且用力呼气时间在3秒以上；所述肺功能指标参数主要包括用力肺活量、肺驱动压力、气道阻力、第一秒用力肺活量、一秒率。本发明解决了用力肺活量测试中呼气过早结束导致的肺功能测试质量降低的问题，实现准确的评估和诊断气道阻塞、限制障碍程度。

Description

一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统及方法
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，具体涉及一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统及方法。
背景技术
限制性通气功能障碍和阻塞性通气功能障碍是常见的肺部疾病。尤其是越来越多的人遭受慢性阻塞性肺疾病(COPD)的痛苦，或因此而丧生。据统计，COPD目前居全球死亡率原因的第四位，并预计未来十年可能越剧至第三位。而据我国卫生部统计，2001年呼吸系统疾病病死率列我国城市人口病死率第四位，近几年相关研究还表明目前我国COPD患病率已达到8％，预计未来30年接近6500万人死于COPD。
肺功能检查，尤其是用力肺活量测试已成为评估和诊断气道阻塞、限制障碍程度的基本工具。用力肺活量测试中的关键指标包括用力肺活量FVC、第一秒用力肺活量FEV1以及一秒率FEV1/FVC。如果FVC值偏小，而FEV1/FVC正常，可判定为限制性通气功能障碍；FEV1/FVC偏小，而FVC正常的话则判定为阻塞性通气功能障碍。由此可见，FVC是评估肺通气功能其中一个非常关键的指标。
为了获取准确的FVC，ATS/ERS用力肺活量测试质量控制和接收标准建议测试者必须先慢慢的吸足气，然后用力、快速的呼出气体，并且呼出足够长的时间以达到容量-时间曲线上出现平台，这时方可认为测试者已达到用力肺活量测试呼气结束(EOT)标准。EOT标准对仪器性能本身、操作者、受试者都提出了严格的要求，很多用力肺活量测试因未达到EOT标准而不能满足测试接收标准。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统及方法，以解决用力肺活量测试中呼气过早结束导致的肺功能测试质量降低的问题，实现准确的评估和诊断气道阻塞、限制障碍程度。
本发明技术解决方案：一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统，以降低当前用力肺活量测试难度，如图2所示，包括：输入模块、处理模块和输出模块；
所述输入模块读取受试者的用力肺活量测试的呼气曲线；
所系统处理模块基于呼气数学模型，通过系统辨识算法，估计模型参数，使得通过呼气数学模型构造的呼气曲线与输入模块读取的呼气曲线最为接近；根据模型参数和呼气曲线计算肺功能指标参数，以综合评估肺功能；
所述输出模块用于输出数学模型参数以及肺功能指标参数。
所系统处理模块基于呼气数学模型，通过系统辨识算法，计算估计模型参数，使得通过呼气数学模型构造的呼气曲线与输入模块读取的呼气曲线最为接近；根据模型参数和呼气曲线计算肺功能指标参数，以综合评估肺功能。
所述的呼气数学模型为：呼气流速Q(t)通过产生于肺部的驱动压力P(t)与气道阻力R的比值得到，P(t)表示为关于用力肺活量FVC的函数，呼气数学模型可用以下公式描述：
所述的模型参数包括肺驱动压力P(t)，气道阻力R，用力肺活量FVC。
所述肺功能指标参数包括用力肺活量、肺驱动压力、气道阻力、第一秒用力肺活量、一秒率。
本发明：一种基于呼气数学模型的肺功能测试方法，包括以下步骤：
(1)读取受试者的用力肺活量测试的呼气曲线；
(2)采用待测试的肺功能仪的数据处理模块对步骤(1)中的用力呼气曲线进行数据处理，获取肺功能的指标参数。
所述步骤(1)是由待测肺功能测试仪的数据输入模块读取受试者呼出的用力呼气曲线。
所述的用力呼气曲线满足用力呼气时间在3秒以上，且还需满足美国胸科协会/欧洲医学会建议的以下标准：
(1)达到满意的测试呼气起始标准；
(2)用力呼气第1秒无咳嗽，曲线平滑，且1秒后亦无影响结果的咳嗽；
(3)用力呼气过程中没有声门关闭；
(4)用力呼气过程中没有漏气；
(5)牙齿或舌头无堵塞咬口器；
(6)用力呼气期间没有再吸气。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明对受试者的用力呼气时间要求仅为3秒以上，相比传统用力肺活量测试要求受试者坚持6秒以上的用力呼气时间，大大降低了用力肺活量测试难度。
(2)本发明通过系统辨识方法，计算估计模型参数，并使得通过呼气数学模型构造的呼气曲线与系统输入模块读取的呼气曲线最为接近；根据模型参数和呼气曲线可计算肺功能指标参数，主要包括用力肺活量、肺驱动压力、气道阻力、第一秒用力肺活量、一秒率，尤其是肺驱动压力和气道阻力是传统用力肺活量测试无法直接获取的，传统的肺驱动压力和呼气阻力则是通过传感器获取的。
附图说明
图1为本发明第一实施例中的呼气波形曲线；
图2为本发明第二实施例中呼气波形曲线处理的测试系统。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
本发明一种基于呼气数学模型的肺功能测试方法，包括以下步骤：
(1)读取受试者的用力肺活量测试的呼气曲线；
(2)采用待测试的肺功能仪的数据处理模块对步骤(1)中的用力呼气曲线进行数据处理，获取肺功能的评估指标值；
本实施例中的步骤(1)所述的呼气曲线为图1中所示的虚线，其满足用力呼气时间在3秒以上，且还满足美国胸科协会/欧洲医学会建议的以下标准：
(1)达到满意的测试呼气起始标准；
(2)用力呼气第1秒无咳嗽，曲线平滑，且1秒后亦无影响结果的咳嗽；
(3)用力呼气过程中没有声门关闭；
(4)用力呼气过程中没有漏气；
(5)牙齿或舌头无堵塞咬口器；
(6)用力呼气期间没有再吸气。
本实施例中的步骤(2)由待测试的肺功能仪的数据处理模块对步骤(1)中的用力呼气曲线进行数据处理：选取步骤1中的用力呼气曲线0-3秒部分作为局部观测值，通过系统辨识算法，估计呼气数学模型参数，使得通过呼气数学模型构造的呼气曲线如图1中的实线与输入模块读取的呼气曲线最为接近(如图1中的虚线0-3秒部分)。本实施例中的肺功能测试系统通过输入模块读取受试者的用力肺活量测试的呼气曲线，仅将0-3秒段的曲线作为系统的局部观测值，降低了受试者坚持用力呼气的时间要求。
本实施例中的步骤(2)中所用的呼气数学模型为：
其中，Q(t)为t时刻的呼气流速，P(t)为t时刻肺部的驱动压力，Ve为te时刻呼出容积，R为气道阻力，可标识为关于Ve的分段函数R(Ve)，Emax为收缩的最大水平，描述为压力-容积率，单位为mmHg/mL，为时间收缩因子，取值范围通常为0～1，单位为s，FVC为用力肺活量；P(t)和R(Ve)的表达式分别如下：
P(t)＝Emax(1-e-t/τ)(FVC-Ve(t)) (2)
其中q表示将呼气容积Ve按照1升分段的数目，ai为气道阻力R在Vi段的系数。
本实施例中肺功能测试系统的处理模块利用系统辨识的方法，结合用力呼气数学模型，获得模型参数，使得用力呼气数学模型构造的曲线与观测曲线最接近。
本实施例中肺功能测试系统的输出模块根据模型参数和呼气曲线计算肺功能指标参数综合评估肺功能。
进一步的，所述的呼气数学模型参数包括用力肺活量FVC、Emax、时间收缩因子、气道阻力系数(a0,a1,…aq,)，由模型参数计算出的肺功能指标参数有FVC、肺驱动压力P、气道阻力R。再结合实测的呼气曲线可计算出其它肺功能指标参数，包括第一秒用力肺活量FEV1(公式4)、一秒率FEV1％(公式5)。
FEV1＝图1中实测呼气曲线0到1秒种对应的列之间的积分面积(4)
FEV1％＝FEV1/FVC (5)
总之，本发明解决了用力肺活量测试中呼气过早结束导致的肺功能测试质量降低的问题，实现准确的评估和诊断气道阻塞、限制障碍程度。
以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同和替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统，其特征在于：包括输入模块、处理模块和输出模块；
所述输入模块读取受试者的用力肺活量测试的呼气曲线；
所系统处理模块基于呼气数学模型，通过系统辨识算法，估计模型参数，使得通过呼气数学模型构造的呼气曲线与输入模块读取的呼气曲线最为接近；根据模型参数和呼气曲线计算肺功能指标参数，以综合评估肺功能；
所述输出模块用于输出数学模型参数以及肺功能指标参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统，其特征在于：所述系统处理模块是基于呼气数学模型，通过系统辨识算法，估计模型参数，使得通过呼气数学模型构造的呼气曲线与输入模块读取的呼气曲线最为接近；根据模型参数和呼气曲线计算肺功能指标参数，以综合评估肺功能。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统，其特征在于：所述呼气数学模型为：呼气流速Q(t)通过产生于肺部的驱动压力P(t)与气道阻力R的比值得到，P(t)表示为关于用力肺活量FVC的函数，呼气数学模型用以下公式描述：
<mrow> <mi>Q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>R</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mi>V</mi> <mi>C</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>R</mi> </mfrac> </mrow>
所述的模型参数包括肺驱动压力P(t)，气道阻力R，用力肺活量FVC。
4.根据权利要求1所述的一种基于呼气数学模型的肺功能测试系统，其特征在于：所述肺功能指标参数包括用力肺活量、肺驱动压力、气道阻力、第一秒用力肺活量、一秒率。
5.一种基于呼气数学模型的肺功能测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)读取受试者的用力肺活量测试的呼气曲线；
(2)采用待测试的肺功能仪的数据处理模块对步骤(1)中的用力呼气曲线进行数据处理，获取肺功能的指标参数。
6.根据权利要求5所述的一种基于呼气数学模型的肺功能测试方法，其特征在于：所述步骤(1)是由待测肺功能测试仪的数据输入模块读取受试者呼出的用力呼气曲线。
7.根据权利要求5所述的一种基于呼气数学模型的肺功能测试方法，其特征在于：所述用力呼气曲线满足用力呼气时间在3秒以上，且还需满足美国胸科协会/欧洲医学会建议的以下标准：
(1)达到满意的测试呼气起始标准；
(2)用力呼气第1秒无咳嗽，曲线平滑，且1秒后亦无影响结果的咳嗽；
(3)用力呼气过程中没有声门关闭；
(4)用力呼气过程中没有漏气；
(5)牙齿或舌头无堵塞咬口器；
(6)用力呼气期间没有再吸气。
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