CN108685575A - 呼吸系统功能测试方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种呼吸系统功能测试装置，其包括:呼吸气路单元、振荡压力发生单元、压力和流量检测单元、氧气和氮气浓度控制单元、气体浓度传感器、单向阀或者气阻、脑氧代谢检测单元、数据采集和控制单元、计算单元；在测量呼吸系统力学特性同时评估心肺系统气体交换、氧代谢和储备能力，通过强迫振荡技术产生高频气体振荡，激励受试者呼吸系统，通过系统辨识算法获得呼吸系统力学特性，在强迫振荡激励检测的同时，控制受试者吸入的氧气和氮气的浓度和持续时间，确定脑氧饱和度上升曲线和下降曲线，确定时延和时间常数，据此来评估受试者心肺系统的气体交换、氧代谢效率和机体氧储备能力。

Description

呼吸系统功能测试方法和装置
技术领域
本发明涉及呼吸系统力学特性与心肺系统气体交换功能同步测量和评估，尤其涉及一种呼吸系统功能测试方法和装置。
背景技术
肺有多种功能，呼吸是其主要功能，目前临床上肺功能测定实质上是呼吸功能的测定。利用肺功能检测结果可对受试者呼吸功能进行评价，明确其呼吸功能是否减损、减损程度、减损类型等。呼吸运动本质上是一种机械运动，目前临床上的肺功能检测技术也多是将呼吸系统等效为力学模型来研究。目前临床上已经发展出多种形式的肺功能检测技术。
相对于传统肺功能仪(如spirometry和body plethysmography)，振荡肺功能仪是一种较新型的呼吸系统功能测试仪器，最早由DuBois及其同事提出，通过给呼吸系统一定激励(压力振荡)，观察系统响应(流量)的方法，运用系统辨识技术，研究呼吸系统的力学特性。该技术经过50多年的发展，由实验室原型技术，逐渐发展成可应用于临床疾病诊断的成熟技术。2005年欧洲呼吸协会(European Respiratory Society,ERS)针对强迫振荡技术(Forced Oscillation Technique,FOT)的临床应用提出了相应的技术规范，标志着该技术逐渐走向技术成熟期。相比于传统肺功能检测技术，FOT技术的最大优点是受试者配合少，在平静自主呼吸状态下，较短的时间内即可完成呼吸系统力学特性分析，适合老年人和儿童肺功能测试使用。FOT技术尤其对气道阻力变化更加敏感，通过选择不同的激励频率(通常是4～40Hz)，可以实现对呼吸气道不同部位和不同成分阻力变化的检测，且可以进一步分辨出吸气相和呼气相阻力变化，因此对慢性阻塞性肺疾病、哮喘以及急性肺损伤等病人的指导用药和疗效观察具有重要价值。
振荡肺功能的技术发展分为三个阶段：第一阶段为单频振荡，代表性的产品为20世纪70年代西门子的FDS-5，德国Custo也属于此类产品。由于单频振荡得到的信息比较有限，而且不能区分各种不同性质的呼吸阻力，所以就发展到第二阶段，多频振荡，如伪随机振荡或者伪随机噪声，如美国费迪思ROS，它们都是连续频谱的外加激励信号，能很好的反映呼吸阻抗，但是存在测试过程漫长的缺点(数十分钟)，难以被广泛接受。德国耶格公司等经过研究，取得突破性进展，进入第三阶段：脉冲振荡激励，它继承了多频振荡激励的连续频谱的有点，同时大大缩短了检测时间，且提供了丰富的呼吸力学信息，逐渐广泛用于临床，德国耶格公司的MasterScreen IOS和日本Chest公司的MostGraph产品都属于第三代振荡肺功能技术。
目前临床上使用的呼吸系统功能测量装置和方法，多是单一测量呼吸系统通气功能和力学性能，并没有把心肺系统作为一个整体来看待，并给予测试评估。虽然振荡肺功能技术已经发展到第三代，能够在较短的时间内完成肺功能检测，但是振荡肺功能检测技术本质上是呼吸力学特性检测，将呼吸系统等效为二阶的力学或者电学模型，通过系统辨识原理，获得呼吸系统的弹性阻力、粘性阻力以及肺顺应性等信息，以及不同病变部位的阻抗特性及其频率依赖特性。该技术无法获得心肺系统气体交换和氧代谢能力信息，以及机体氧储备能力等信息。呼吸系统的机能主要是与外界进行气体交换，呼出二氧化碳，吸进氧气。呼吸往往被分成两部分：肺脏外呼吸和细胞内呼吸。内呼吸是指细胞内线粒体氧化能源物质(营养物质)的过程，通常产生高能键、二氧化碳和水等。外呼吸是指细胞内线粒体与外环境之间交换气体的过程。振荡肺功能技术只能获得呼吸系统的力学特性，但无法获得与之力学性能相对应的心肺气体交换功能。如慢性阻塞性肺疾病患者或者哮喘患者，通过强迫振荡技术能够获得呼吸气道阻力情况，以及外周小气道的阻力情况，但并不清楚与之相应的心肺系统气体交换(氧代谢)情况，同样的外周气道阻力增加的不同患者，其心肺系统代谢功能可能存在差异，这些信息对于疾病诊断、用药治疗、康复训练都具有重要价值。
发明内容
鉴于上述问题，本发明旨在提出一种同时测量呼吸系统力学特性和心肺系统代谢能力的呼吸系统功能测试方法和装置。
本发明的呼吸系统功能测试装置，其包括:呼吸气路单元、振荡压力发生单元、压力和流量检测单元、氧气和/或氮气浓度控制单元、气体浓度传感器、单向阀或者气阻、脑氧代谢检测单元、数据采集和控制单元、计算单元；
其中，呼吸气路单元包括多个端，其中第一端设置有咬嘴，使得使用者可以经由呼吸气路单元进行呼吸；第二端设置有单向阀或者气阻，呼出气体经由第二端排出外部，且外部气体不能经由第二端进入呼吸气路单元；第三端设置有氧气和氮气浓度控制单元，其分别连接氧气源和氮气源，通过调节氧气与氮气的相对比例，由此控制经由呼吸气路单元吸入气体的氧气浓度；气体浓度传感器设置在呼吸气路单元中，用于测量经由第三端输入的气体中氧气的浓度；呼吸气路单元进一步包括压力和流量检测单元，以检测流经压力和流量检测单元的呼吸气流的压力和流量；
振荡压力发生单元设置于呼吸气路单元，通过呼吸气路驱动使用者的呼吸系统；
脑氧代谢检测单元设置在使用者的头部，以检测使用者的脑氧代谢变化；
压力和流量检测单元将压力和流量的检测结果送至数据采集和控制单元；气体浓度传感器将氧气浓度的检测结果送至数据采集和控制单元；脑氧代谢检测单元将脑氧代谢检测值送至数据采集和控制单元；
数据采集和控制单元控制氧气和氮气浓度控制单元工作，改变经由第三端输入呼吸气路单元的氧气浓度，以对使用者进行吸入氧气浓度调制，并将脑氧代谢检测单元所检测到的相应的脑氧代谢的变化数据送至计算单元；在执行氧气浓度调制的同时，数据采集和控制单元控制振荡压力发生单元的工作，以预定的高频压力振荡对使用者呼吸系统进行振荡调制，并将压力和流量检测单元所检测的变化的压力和流量检测值送至计算单元；
计算单元根据氧气浓度调制以及振荡调制的输入与输出，计算出使用者的呼吸系统力学参数特性以及心肺系统的气体交换、氧代谢以及机体氧储备能力。
优选地，所述脑氧代谢检测单元包括：双波长二极管，其能够发射红光以及近红外光；两个光学检测器，分别检测近端和远端的红光和近红外光的光强变化；滤光材料；探头基底材料；
双波长二极管、两个光学检测器设置在探头基底材料上侧，滤光材料覆盖在双波长二极管、两个光学检测器上。
优选地，所述呼吸气路单元进一步包括第四端，所述振荡压力发生单元设置在所述第四端。
优选地，振荡压力发生单元、氧气和/或氮气浓度控制单元、气体浓度传感器、单向阀或者气阻为并行关系。
本发明的呼吸系统功能测试的方法，其使用前述的呼吸系统功能测试装置进行；
以预定高频振荡压力为输入，利用呼吸系统功能测试装置的振荡压力发生单元对使用者的呼吸系统进行振荡调制，并利用所述压力和流量检测单元检测振荡压力调制的调制结果；所述检测振荡调制的调制结果为所检测的呼吸气流的压力和流量；
以预定的变化的氧气浓度为输入，利用氧气和/或氮气浓度控制单元对使用者呼吸系统进行氧气浓度调制，并利用、脑氧代谢检测单元检测使用者的氧气浓度调制的调制结果；所述氧气浓度调制的调制结果为脑氧代谢变化；
其中，所述振荡调制与氧气浓度调制为同时进行；
所述计算单元根据氧气调制以及振荡调制的输入与输出，计算出使用者的呼吸系统力学参数特性以及心肺系统的气体交换、氧代谢以及机体氧储备能力。
优选地，所述脑氧代谢为脑氧饱和度水平。所述脑氧饱和度水平为脑深部的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白水平。
优选地，所述氧气浓度调制为：在振荡调制的过程中，主动改变呼吸气路的氧气浓度，通过近红外光谱检测技术，检测脑氧代谢水平、氧气浓度变化与脑氧饱和度变化之间存在时间差，并可算出时间常数，该时间常数用于评估心肺气体交换效率、氧代谢水平和机体氧储备能力。
优选地，上述时间常数包括上升时间常数和下降时间常数；其中，上升时间常数用于评估心肺系统气体交换和氧代谢能力，下降时间常数用于评估机体氧储备能力。
优选地，所述呼吸系统力学参数通过不同振荡频率下的阻抗值来判断。
优选地，计算振荡的压力信号和振荡的流量信号的快速傅里叶变换的比值作为所述阻抗值，其中，所述阻抗值的实部代表的是呼吸道粘性阻力，虚部代表的是肺顺应性和弹性阻力。
附图说明
图1为强迫振荡系统原理框图；
图2a、2b为呼吸功能测量系统原理框图；
图3a为近红外光谱脑氧代谢检测示意图；
图3b为脑氧代谢检测单元(传感器探头)结构示意图；
图3c为图3b的实现电路图；
图4a为振荡压力发生单元(强迫振荡单元)产生10Hz的正弦振荡压力信号时，压力和流量传感器采集到的呼吸压力和流量信号，同时可以看到调制在上面的高频振荡信号。
图4b为对呼吸压力信号进行分解，可以分解为呼吸压力波动信号以及调制在上面的高频振荡信号；
图4c为对呼吸流量信号进行分解，可以分解为呼吸流量波动信号以及呼吸系统的强迫振荡响应信号；
图5为氧气浓度变化与脑氧代谢水平变化之间的关系图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的呼吸系统功能测试方法和装置进行详细说明。
一种呼吸系统功能测试方法，将两种信息调制技术和系统辨识技术结合在一起，一方面，通过强迫振荡技术将高频振荡压力信号加载在呼吸系统上，通过解调出呼吸压力和流量信号上的高频激励和响应信号，采用系统辨识技术获得呼吸系统力学特性，另一方面，对呼吸气路的氧气和/或氮气浓度进行调制，按照一定的方式改变氧气和/或氮气的浓度，通过放置在头部的近红外光谱检测单元，获得脑深部氧饱和度变化信息。根据脑氧代谢变化曲线与氧/氮气浓度调制信号之间的关系，评估心肺系统气体交换、氧代谢和机体氧储备能力等的参数。
本发明的呼吸系统功能测试装置，其包括：
振荡压力发生单元41，包括扬声器和功放，外界控制信号(如D/A)输入到功放，经过功放信号调理放大后驱动扬声器，产生特定频率的高频振荡信号，通过呼吸气路驱动受试者呼吸系统。
压力和流量检测单元21、22，包括压力和流量传感器以及相应的信号调理电路，能够采集呼吸气路的压力和流量信号，包括叠加在呼吸运动上的高频振荡压力和流量信号。
氧气和氮气浓度控制单元31，包括一定压力的纯氧气源33和纯氮气源34，以及气路控制阀，外界控制信号(如D/A或GPIO口)控制气路控制阀，按照特定的时序控制氧气和/或氮气气源开关时间，产生呼吸气道的氧气和或氮气浓度变化。
脑氧代谢检测单元60包括：双波长二极管62，其能够发射红光以及近红外光；两个光学检测器63、64，分别检测近端和远端的红光和近红外光的光强变化；滤光材料65；探头基底材料66，能够检测到脑深部S2的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的光强变化，用于判断脑深部的氧饱和度水平及其变化。图3c为相对应的实现电路。该电路可以与脑氧代谢检测单元60放在一起，也可以放在单独的记录盒内。图3c中的微控制器控制光强控制和频分多路复用电路，分别激励双波长二极管62的两个二极管，发射红光和红外光。红光和红外光穿透颅骨和脑深部组织后，分别被含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白以及其他成分吸收，经过“香蕉效应曲线”从头部表皮穿透出来，光强信号被两个光敏二极管检测到(分别是红光和红外光信号)，经过带通滤波，调制解调后，分离出4路信号，分别对应两个传感器的两路光强信号，4路信号经过低通滤波后，经过模数转换A/DC，进入微控制器，在微控制器实现含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的计算，从而获得脑氧代谢水平及其变化信息。
数据采集和控制单元70，通常为数据采集卡或者微处理器或者微控制器，具有D/A和A/D功能以及通用I/O(GPIO)，能够控制上述两种调制信号的发生(高频振荡激励信号，氧气和/或氮气气路控制开关)，并能同步采集上述两路调制信号产生的生理参数的变化信号(载波信号)，包括呼吸运动的压力和流量信号及其叠加的高频激励和响应信号，和红外以及近红外经过大脑氧代谢吸收后各自的光强度变化信号。
计算单元80，能够基于系统辨识原理，根据上述激励-响应信号，分别计算出呼吸系统力学性能参数以及心肺系统气体交换、氧代谢以及机体氧储备能力等心肺系统整体功能。
呼吸气路单元10，连接振荡压力发生单元41、氧气和氮气浓度控制单元31、压力和流量检测单元21、22和人体呼吸系统S1，上述高频振荡压力和气体浓度变化都通过呼吸气路单元10加载在呼吸系统上。在呼吸气路单元10末端还有单向阀或终端气阻51，便于呼吸气路单元与外界大气进行气体交换。理想的，振荡压力发生单元41、氧气和氮气浓度控制单元31、单向阀或终端气阻51三者之间为并联关系，使两种调制技术之间的干扰最小，各自能够获得准确的测量结果。
本发明在测量呼吸系统力学特性同时评估心肺系统气体交换、氧代谢和储备能力，通过强迫振荡技术产生高频气体振荡，激励受试者呼吸系统，通过系统辨识算法获得呼吸系统力学特性，在强迫振荡激励检测的同时，控制受试者吸入的氧气和氮气的浓度和持续时间，在受试者头部使用近红外光谱技术检测脑氧代谢情况，根据呼吸气路氧气和氮气浓度变化时刻与脑氧饱和度水平变化时刻之间的关系，确定脑氧饱和度上升曲线和下降曲线，确定时延和时间常数，据此来评估受试者心肺系统的气体交换、氧代谢效率和机体氧储备能力。该方法和装置能够获得呼吸系统力学特性，区分气道阻力增加的部位(中心或外周)，严重程度等(通过不同的激励频率，可以测出不同气道部位的阻力，如5总气道阻力是5Hz时气道阻力记为R5，中心气道阻力是20Hz时气道阻力记为R20，周围气道阻力是R5和R20的差值。严重程度就看阻力的大小)，同时获得心肺系统的气体交换效率、氧代谢以及机体氧储备能力等肺脏外呼吸和系统内呼吸的功能特性，评估心肺系统代谢功能。
本发明具有以下进步：
1.将心肺系统作为一个整体来看待，突破现有检测技术仅单一检测肺通气功能或单一检测心肺系统气体交换功能的局限性，同时获得呼吸系统的力学特性信息以及与之相对应的心肺代谢(气体交换)功能，为疾病的诊断、治疗和愈后分析提供更丰富的决策支持信息；
2.将呼吸系统力学特性测量技术与心肺系统气体交换和代谢评估技术结合，在一个系统的一次测量中，同时获得呼吸系统的力学特性(外在特性)以及心肺系统代谢功能(内在生理病理特性)，包括气体交换、氧代谢和机体氧储备能力等特性；
3.基于系统辨识原理，将两种信号调制技术用于呼吸功能评估，一种是强迫振荡技术，在呼吸运动上调制高频激励压力信号，检测呼吸运动流量信号上的高频振荡相应信号，另一种是呼吸气路气体浓度调制信号，改变受试者呼吸气体的浓度，检测特定部位的氧代谢情况，基于上述两种调制-解调信号(激励-响应信号)，通过系统辨识算法，获得呼吸系统力学性能，同时获得心肺系统气体交换性能(代谢)。
4.在强迫振荡技术激励受试者呼吸系统的过程中，主动改变呼吸气路的气体浓度(氧气和氮气)，通过近红外光谱检测技术，检测脑氧代谢水平，气体浓度变化与脑氧饱和度变化之间存在时间差，据此可算出时间延时和时间常数，该时间延时和时间常数用于评估心肺气体交换效率、氧代谢水平和机体氧储备能力。
5.上述时间常数分为上升时间常数和下降时间常数，用于评估不同的能力，上升时间常数用于评估心肺系统气体交换和氧代谢能力，下降时间常数用于评估机体氧储备能力。
6.通过强迫振荡技术获得呼吸系统力学参数，通过时间延时和时间常数获得心肺系统气体交换和氧代谢能力，以及机体氧储备能力，同时获得呼吸系统的力学特性以及与之相应的心肺系统代谢功能信息，改变了以往孤立地检测和看待呼吸力学和心肺气体交换功能，极大丰富了呼吸系统功能测试内容和方法。

Claims (10)

1.一种呼吸系统功能测试装置，其包括:呼吸气路单元(10)、振荡压力发生单元(41)、压力和流量检测单元(21、22)、氧气和氮气浓度控制单元(31)、气体浓度传感器(32)、单向阀或者气阻(51)、脑氧代谢检测单元(60)、数据采集和控制单元(70)、计算单元(80)；
其中，呼吸气路单元(10)包括多个端，其中第一端设置有咬嘴，使得使用者可以经由呼吸气路单元(10)进行呼吸；第二端设置有单向阀或者气阻(51)，呼出气体经由第二端排出外部，且外部气体不能经由第二端进入呼吸气路单元(10)；第三端设置有氧气和氮气浓度控制单元(31)，其分别连接氧气源和氮气源，通过调节氧气与氮气的相对比例，由此控制经由呼吸气路单元(10)吸入气体的氧气浓度；气体浓度传感器(32)设置在呼吸气路单元(10)中，用于测量经由第三端输入的气体中氧气的浓度；呼吸气路单元(10)进一步包括压力和流量检测单元(21、22)，以检测流经压力和流量检测单元(21、22)的呼吸气流的压力和流量；
振荡压力发生单元(41)设置于呼吸气路单元(10)，通过呼吸气路驱动使用者的呼吸系统；
脑氧代谢检测单元(60)设置在使用者的头部，以检测使用者的脑氧代谢变化；
压力和流量检测单元(21、22)将压力和流量的检测结果送至数据采集和控制单元(70)；气体浓度传感器(32)将氧气浓度的检测结果送至数据采集和控制单元(70)；脑氧代谢检测单元(60)将脑氧代谢检测值送至数据采集和控制单元(70)；
数据采集和控制单元(70)控制氧气和氮气浓度控制单元(31)工作，改变经由第三端输入呼吸气路单元(10)的氧气浓度，以对使用者进行氧气浓度调制，并将脑氧代谢检测单元(60)所检测到的相应的脑氧代谢的变化数据送至计算单元(80)；在执行氧气浓度调制的同时，数据采集和控制单元(70)控制振荡压力发生单元(41)的工作，以预定的高频振荡压力对使用者呼吸系统进行振荡调制，并将压力和流量检测单元(21、22)所检测的变化的压力和流量检测值送至计算单元(80)；
计算单元(80)根据氧气浓度调制以及振荡调制的输入与输出，计算出使用者的呼吸系统力学参数特性以及心肺系统的气体交换、氧代谢以及机体氧储备能力。
2.如权利要求1所述的呼吸系统功能测试装置，其特征在于：
所述脑氧代谢检测单元(60)包括：双波长二极管(62)，其能够发射红光以及近红外光；两个光学检测器(63、64)，分别检测近端和远端的红光和近红外光的光强变化；滤光材料(65)；探头基底材料(66)；
双波长二极管、两个光学检测器设置在探头基底材料上侧，滤光材料覆盖在双波长二极管、两个光学检测器上。
3.如权利要求1所述的呼吸系统功能测试装置，其特征在于：
所述呼吸气路单元(10)进一步包括第四端，所述振荡压力发生单元(41)设置在所述第四端。
4.如权利要求3所述的呼吸系统功能测试装置，其特征在于：
振荡压力发生单元(41)、氧气和/或氮气浓度控制单元(31)、气体浓度传感器(32)、单向阀或者气阻(51)为并行关系。
5.一种呼吸系统功能测试的方法，其使用权利要求1-4任一项所述的呼吸系统功能测试装置进行；
以预定高频压力振荡为输入，利用呼吸系统功能测试装置的振荡压力发生单元(41)对使用者的呼吸系统进行振荡调制，并利用所述压力和流量检测单元(21、22)检测振荡调制的调制结果；所述检测振荡调制的调制结果为所检测的呼吸气流的压力和流量；
以预定的变化的氧气浓度为输入，利用氧气和/或氮气浓度控制单元(31)对使用者呼吸系统进行氧气浓度调制，并利用、脑氧代谢检测单元(60)检测使用者的氧气浓度调制的调制结果；所述氧气浓度调制的调制结果为脑氧代谢变化；
其中，所述振荡调制与氧气调制为同时进行；
所述计算单元(80)根据氧气浓度调制以及振荡压力调制的输入与输出，计算出使用者的呼吸系统力学参数特性以及心肺系统的气体交换、脑氧代谢以及机体氧储备能力。
6.如权利要求5所述的呼吸系统功能测试的方法，其特征在于：
所述脑氧代谢为脑氧饱和度水平；所述脑氧饱和度水平为脑深部的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白水平。
7.如权利要求1所述的呼吸系统功能测试的方法，其特征在于：
所述氧气浓度调制为：在振荡调制的过程中，主动改变呼吸气路的氧气浓度，通过近红外光谱检测技术，检测脑氧代谢水平、氧气浓度变化与脑氧饱和度变化之间存在时间差，并可算出时间常数，该时间常数用于评估心肺气体交换效率、氧代谢水平和机体氧储备能力。
8.如权利要求7所述的呼吸系统功能测试的方法，其特征在于：
上述时间常数包括上升时间常数和下降时间常数；其中，上升时间常数用于评估心肺系统气体交换和氧代谢能力，下降时间常数用于评估机体氧储备能力。
9.如权利要求5所述的呼吸系统功能测试的方法，其特征在于：
所述呼吸系统力学参数通过不同振荡频率下的阻抗值来判断。
10.如权利要求9所述的呼吸系统功能测试的方法，其特征在于：
计算振荡的压力信号和振荡的流量信号的快速傅里叶变换的比值作为所述阻抗值，其中，所述阻抗值的实部代表的是呼吸道粘性阻力，虚部代表的是肺顺应性和弹性阻力。
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