CN110087540B

CN110087540B - 用于肺功能测试的方法和设备

Info

Publication number: CN110087540B
Application number: CN201780071600.9A
Authority: CN
Inventors: 禹应济; 吴东仁
Original assignee: Bailai
Current assignee: Bailai
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: KR101765423B1; EP3542718A1; US20190328276A1; EP3542718A4; WO2018093133A1; JP6993005B2; JP2020513287A; CN110087540A

Abstract

本发明涉及用于肺功能测试的方法和设备，其中，基于由呼吸参数表示的对象的肺活量和根据对象胸部的阻抗数据获得的胸部图像来诊断肺功能。相应地，本发明提出了“肺活量‑断层成像”，通过结合使用常规肺活量计和电阻抗断层成像(EIT)来处理和分析从对象口部获得的整体变量和通过对对象肺部内部进行成像获得的局部变量两者。

Description

用于肺功能测试的方法和设备

技术领域

本公开涉及用于肺功能测试的方法和设备，更具体地涉及基于根据对象的呼吸参数的肺活量和根据阻抗数据的胸部图像来诊断肺功能的用于肺功能测试的方法和设备。

背景技术

诊断性肺活量计指的是用于通过测量吸入或呼出对象肺部的气体的量(呼吸参数)来诊断对象的肺功能的医疗设备。为了测试肺功能，诊断性肺活量计通过电气地直接集成来自在遮盖病人鼻子之后连接到病人口部的气流转换器的输出来测量肺活量。

在该情况下，待通过对输出求积分而获得的诊断性变量包括用力肺活量(FVC)、1秒内用力肺活量(FEV)、呼气峰值流速(PEF)、用力呼气中段流速(FET)、FEV/FVC比值等。

现有诊断性肺活量计通过测量基于在遮盖对象鼻子的同时口部呼吸的空气流量和体积来测量肺活量。这样的方法是非侵入性测量，但存在不能获悉通过口部的空气有多少被分到每个肺部中的局限。

而且，存在不能获悉吸入对象的每个肺部中的空气在肺部中如何分布的局限。

换句话说，常规肺活量计测量对象口部处的空气的整体体积和整体流量，不提供关于在肺部内的某个区域处的局部容积和局部流量的信息，由此具有难以做出关于对象的肺功能的更准确的诊断的问题。

此外，简单肺活量计需要测量最大吸气和呼气之间的空气量变化，但年老和体弱和某些对象难以进行最大吸气和呼气。因此，存在降低测量和分析准确性的问题。

发明内容

【技术问题】

本公开旨在提供一种用于肺功能测试的方法和设备，其中，使用常规肺活量计和电阻抗断层成像(EIT)两者来集合地处理和分析在对象口部获得的整体变量和根据肺部内部图像获得的局部变量，由此提出肺活量-断层成像(spirotomometry)。

而且，本公开旨在提供一种用于肺功能测试的方法和设备，其中，基于肺活量-断层成像提供关于对象肺部内部的气流机制信息，由此改善肺活量测试的有用性。

而且，本公开旨在提供一种用于肺功能测试的方法和设备，其中，通过应用使用附接到对象胸部的电极的EIT，基于胸部图像测量肺部内的空气分布，并通过电气地对安装到对象口部的气流转换器的输出求积分来测量肺活量，由此基于所测量的肺部内的空气分布和所测量的肺活量来诊断肺功能。

而且，本公开旨在提供一种用于肺功能测试的方法和设备，其中，在监控器上一同显示由于对象呼吸造成的空气量实时变化的积分值和呼吸目标值，并且还基于阻抗图像测量肺部内的空气分布变化，由此提供关于肺部容积和肺功能的参数而不要求最大吸气和呼气的条件。

【技术方案】

一种用于肺功能测试的设备包括：设有用于注入电流和感测电压并且沿着待检查对象的胸围附接的多个电极的胸部电极元件；配置为接收根据对象呼吸的呼吸参数的呼吸测量器；配置为将电流选择性地提供给在多个电极中选择的至少一个电极对并通过由未选择的电极测量电压来基于阻抗数据生成胸部内部图像的控制器；配置为基于所输入的呼吸参数计算对象的肺活量的肺活量计算器；和，配置为结合由所计算的肺活量获得的整体变量和由所生成的胸部图像获得的局部变量对对象进行肺功能诊断的肺功能诊断器。

控制器可控制预设目标呼吸设定值基于根据所计算的肺活量获得的整体变量随时间变化，肺活量计算器可获得对象的呼吸参数并相对于所变化的目标呼吸设定值计算对象的肺活量。

肺活量计算器可通过基于与所输入的呼吸参数对应的空气流量对空气流量求积分来根据体积计算对象的肺活量。

肺功能诊断器可根据所计算的对象的肺活量获得整体变量，并通过基于所生成的胸部图像测量肺部内在时间上的空气分布变化、程度和模式中的至少一种来获得局部变量。

而且，肺功能诊断器可结合局部变量和整体变量进行肺功能诊断。

控制器可包括：配置为通过在附接到对象的胸部的多个电极中选择的至少一个电极对注入具有多个频率范围的电流的电流注入模块；配置为测量由通过多个电极中未选择的电极注入的电流引起的电压的电压测量模块；和，配置为通过基于所测量的电压测量胸部中的阻抗数据来生成胸部内部图像的图像生成模块。

电流注入模块可选择所选择的电极对和频率，生成电压并将其转换成对应于所选择频率的电流，并通过所选择的电极对将所转换的电流注入对象的胸部。

而且，控制器可以还包括控制模块，其配置为控制从多个电极中选择至少一个电极对，控制选择未选择的电极，并控制基于由呼吸测量器输出的呼吸参数获得整体变量。

该多个电极可包括简单电极或复合电极中的至少一个，并布置在由柔性弹性材料制成并且附接到胸部的基板的一侧。

呼吸测量器可由一次性纸或塑料制成，成形为包括待与对象口部接触的入口和与入口相反的出口的管状，并根据对象从入口的呼吸来测量呼吸参数。

根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备可以还包括配置为显示从肺功能诊断器实时获得的整体变量和根据胸部图像获得的肺部内的局部空气分布变化的图和图像的显示器。

一种通过用于肺功能测试的设备来测试肺功能(例如对象的肺活量)的方法包括：通过测量根据对象呼吸的呼吸参数来计算对象的肺活量；将电流选择性地提供给在沿着对象胸围附接的多个电极中选择的至少一个电极对，和基于通过未选择的电极测量的电压的阻抗数据生成胸部内部图像；和结合根据所计算的肺活量获得的整体变量和根据所生成的胸部图像获得的局部变量来对对象进行肺功能诊断。

所述计算肺活量可包括通过基于与所测量的呼吸参数对应的空气流量对空气流量求积分来根据体积计算对象的肺活量。

所述进行肺功能诊断可包括根据所计算的对象的肺活量获得整体变量，和通过基于所生成的胸部图像测量肺部内在时间上的空气分布变化、程度和模式中的至少一种来获得局部变量。

而且，所述进行肺功能诊断可包括结合局部变量和整体变量进行肺功能诊断。

【有益效果】

根据本公开的一个实施例，使用常规肺活量计和电阻抗断层成像(EIT)两者来集合地处理和分析在对象口部获得的整体变量和由肺部内部图像获得的局部变量，由此提出肺活量-断层成像。

而且，根据本公开的一个实施例，基于肺活量-断层成像提供关于对象肺部内部的气流机制信息，由此改善肺活量测试的有用性。

而且，根据本公开的一个实施例，通过应用使用附接到对象胸部的电极的EIT，基于胸部图像测量肺部内的空气分布的实时相对变化，并通过电气地对安装到对象口部的气流转换器的输出求积分来测量肺活量，由此基于所测量的肺部内的空气分布和所测量的肺活量来诊断肺功能。

而且，根据本公开的一个实施例，在监控器上一同显示由于对象呼吸造成的空气量实时变化的积分值和呼吸目标值，并且还基于阻抗图像测量肺部内的空气分布的变化，由此提供关于肺部容积和肺功能的参数而不要求最大吸气和呼气的条件。

而且，根据本公开的一个实施例，能够基于在包括口腔、支气管和肺部的呼吸器官中的口腔处获得的整体呼吸变量和在肺部内获得的呼吸指数来分析支气管和肺功能。

而且，根据本公开的一个实施例，能够改善肺功能测试的准确性，该准确性因为例如老人和体弱者的某些对象不能做出最大吸气和呼气而已经降低。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备的框图。

图2A图示出根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备，图2B示意性地图示出胸部电极元件。

图3A和3B示意性地图示出在图2B中示出的用于肺功能测试的设备中使用的复合电极。

图4A至4C示意性地图示出电极带，图4D图示出电极带附接到对象身体的一个示例。

图5示出具有呼吸参数的肺呼吸曲线。

图6A图示出基于对象呼吸参数计算的呼吸量测量值，图6B图示出在对象胸部处测量的阻抗数据和胸部图像。

图7A图示出一个时段中的肺活量测量值，图7B图示出一个时段中的阻抗图像。

图8是示出通过根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备来测试对象的肺功能(例如肺活量)的方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图和附图所示内容说明本公开的实施例，本公开不限于这些实施例。

在本文中使用的术语仅用于说明实施例的目的，不旨在限制本公开。在本文中中使用的单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。还将理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”指存在所述元件、步骤、操作和/或构件，但不排除存在或添加一个或其它多个元件、步骤、操作和/或构件。

在本文中使用的“实施例”、“示例”、“面”、“图示”等中所公开的某个方面或设计不应解读为比其它方面或设计更好或更有利。

而且，术语“或者”旨在指示“包含性的或者”而不是“排他性的或者”。换句话说，除非另有说明或上下文清楚地另有指示，“x使用a或者b”旨在表示任何自然包含性布置。

而且，在本说明书和权利要求书中使用的冠词“一个”应一般性地解读为表示“一个或更多个”，除非另有说明或从上下文清楚地指示是单数形式。

而且，要理解的是，尽管在本文中可能会使用术语“第一”、“第二”等来说明各种元件，这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于彼此区分元件。

除非另有定义，在本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域技术人员通常理解的相同的含义。还要理解的是，例如在常用字典中定义的那些的术语应解读为具有与它们在相关领域的背景中一致的含义，不解读为理想化或过于正式的意义，除非在此这样地明文定义。

同时，在以下说明中，为人熟知的功能或构造将不详细说明，这是因为它们可能会模糊本公开的要旨。而且，要在以下说明的术语是考虑到本公开的范围内的功能来定义的，可能随着使用者或操作者的意图或实践而改变。相应地，一些定义是基于本说明书中的内容暗示的。

参照图1，根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100基于由附接到对象的胸围的胸部电极元件测量的阻抗数据生成图像，并通过基于对象的呼吸参数计算肺活量从而诊断肺功能。

为此，根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100包括胸部电极元件110、呼吸测量器120、控制器130、肺活量计算器140和肺功能诊断器150。

根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100可以还包括配置为实时输出用于生物反馈的图像和信号的显示器160。

胸部电极元件110设有用于注入电流和感测电压并且沿着待检查对象的胸围附接的多个电极。

该多个电极可以是简单电极和复合电极中的至少一个，并可以由柔性弹性材料制成并且布置在附接到胸围的基板的一侧。

而且，该多个电极可以是沿着对象的胸部附接并且测量肺内部的阻抗数据的EIT电极。

EIT电极用于注入不能够被对象意识到的低电流，例如1mA或以下的高频电流，并测量所引起的电压。由EIT电极测量的电流-电压数据可用于通过成像算法检测当胸部(肺部)阻塞时的模式和导致该阻塞的结构性变化。

呼吸测量器120接收基于对象呼吸的呼吸参数。

例如，呼吸测量器120由一次性纸或塑料制成，并成形为包括待与对象口部接触的入口和与入口相反的出口的管状，其，由此测量基于对象呼吸的呼吸参数。

更详细地说，呼吸测量器120可由现有肺活量计基于对象的呼吸测量呼吸参数，并且来自肺活量计的呼吸参数可以与阻抗图像的读取几乎同时或同时地取样。呼吸参数一般同步地测量。

呼吸参数可以关于对象呼吸速率、对象呼吸压力、对象呼吸流量、对象呼气末CO₂、对象的舌下CO₂和对象的呼吸强度中的至少一个的测量。

根据一个实施例，呼吸参数可以关于对象呼吸曲线模式、对象呼吸曲线变化、基于对象的吸气能力的呼吸曲线、基于对象的呼气能力的呼吸曲线、基于对象的吸气压力的呼吸曲线、基于对象的呼气压力的呼吸曲线、基于对象的吸气流量的呼吸曲线、基于对象的呼气流量的呼吸曲线、对象的呼吸间隔变化和它们的组合中的至少一个的测量。

控制器130将电流选择性地提供给在多个电极中选择的至少一个电极对，通过未选择的电极测量电压，并根据阻抗数据制成胸部内部图像。

为了该目的，根据本公开的一个实施例的控制器130可包括电流注入模块131、电压测量模块132、图像生成模块133和控制模块134。

电流注入模块131可配置为通过在附接到对象胸部的多个电极中选择的至少一个电极对注入具有多个频率范围的电流。

根据一个实施例，电流注入模块131可配置为选择电极对和频率，基于所选择的生成电压信号，将电压转换成电流，并通过所选择的电极对将所转换的电流注入到对象的胸部。

根据一个替代实施例，电流注入模块131可配置为将电压信号转换成相位不同的两个电流，将两个电流修正为具有相同的幅值和频率，并通过所选择的电极对将两个电流注入到对象的胸部。

电压测量模块132可配置为测量由通过多个电极中未选择的电极注入的电流引起的电压。

例如，电压测量模块132可配置为基于所测量的电压的斜率去除包括在所检测的电压中的噪声，并当所检测的电压的斜率大于阈值时用预设电压替代高于预设阈值的时段的电压。

图像生成模块133可以配置为基于所测量的电压测量胸部处的阻抗数据，并生成胸部内部图像。

例如，图像生成模块133可配置为获得由通过多个电极中未选择的电极注入的电流引起的电压的差信号，并获得根据对象的胸围和电极位置的阻抗数据。

然后，图像生成模块133可配置为通过用所测量的胸部阻抗数据还原关于对象胸部的电导率和介电常数图像来生成胸部图像。

具体地说，图像生成模块133可配置为具有多个电极所具有的测量协议以制成对象胸部图像，由此根据胸部电极元件110的位置控制敏感度和分辨率。通过使用这样的多个测量协议或其组合的测量值和通过胸部电极元件110生成的三维(3D)建模图像中的改善的敏感度矩阵，可生成对应于对象上呼吸道和胸部内的电导率和介电常数图像(即胸部图像)作为阻抗图像。

控制模块134可配置为控制从多个电极中选择至少一个电极对，控制选择未选择的电极，并控制基于由呼吸测量器120输出的呼吸参数获得整体变量。

控制模块134可配置为控制电流注入模块131测量关于对象胸部的阻抗数据，并控制肺活量计算器140基于根据对象的呼吸的呼吸参数输入来计算对象的肺活量。

例如，控制器130的控制模块134可控制电流注入模块131和电压测量模块132与用于测量肺活量和肺活量计算器140的计算值的某些变化的预设的呼吸目标值图的特征点同步地测量阻抗图像以获得阻抗数据、图像信息和时间差信息中的至少一个或更多个。

根据一个实施例，控制器130可控制显示器160显示随着由肺活量计算器140计算的所获得的对象肺活量整体变量而变化的预设目标呼吸设定值的图，并且对象可根据所显示的目标呼吸值呼吸。

然后，呼吸测量器120可获得对象的呼吸参数，肺活量计算器140可通过获得关于变化的目标呼吸设定值的对象呼吸参数来计算实时肺活量。

替代地，控制器130的控制模块134可控制显示器160显示用于生物反馈的实时图像和信号，并通过输出随时间不同的呼吸目标值来引导对象的呼吸量匹配目标值。

而且，控制模块134可控制电压测量模块132和图像生成模块133中的至少一个模块以测量关于对象胸部的竖直和水平阻抗。

在用根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100来获得对象胸部图像中，EIT方法如下：

根据本公开的一个实施例的控制器130响应于命令选择频道和正弦频率，并选择胸部电极元件110中的与所选择的频道对应的一个电极对。所选择的电极对用于将电流注入到对应于对象胸部的上呼吸道，未选择的电极用于测量对象上的电压。

当选择频道和正弦频率时，控制器130输出用于控制现场可编程门阵列(FPGA，未示出)的控制信号。控制信号可包括关于所选择频率的信息。

FPGA配置为接收和存储控制信号，并基于所接收的控制信号生成正弦电压信号。特别地，FPGA配置为基于包括在控制信号中的频率信息生成电压信号，并将所生成的电压信号传输给两个16位D/A转换器(未示出)。在该情况下，FPGA控制8位D/A转换器(未示出)以调节传输给16位D/A转换器的电压信号的幅值。然后，通过电压-电流转换器(未示出)将输出到两个16位D/A转换器的电压信号转换成电流，并且两个电流被传输到校正器(未示出)。校正器(未示出)将两个电流调节为具有相同的幅值和频率。在此，在两个电流之间存在180°的相位差。

而且，控制器130的控制模块134通过电流注入模块131将电流注入对象的胸部，以使得经过校正器的两个电流能够被传输到在胸部电极元件110中选择的电极对。

注入到对象胸围的电流根据内部组织的电阻率或电导率使其表面产生水平不同的电压。当在胸部电极元件110中未选择的电极感测对象胸围的表面上的电压时，电压测量模块132接收对应于未选择电极的表面上的电压。

然后，电压测量模块132基于所感测的表面电压数据的斜率确定表面电压数据是否包括噪声，然后在表面电压数据包括噪声时用另一电压水平替代对应的电压数据。而且，控制模块134根据电压数据的最大水平调节电压放大器(未示出)的增益。例如，控制模块134在电压数据的最大水平达到A/D转换器(未示出)的最大输出的90％时不调节电压放大器的增益，但在电压数据的最大水平未达到A/D转换器的最大输出的90％时增大电压放大器的增益。

当从电压数据去除噪声并调节电压放大器的增益时，电压测量模块132根据调节后的增益放大电压数据，A/D转换器将电压数据转换成数字值。

然后，图像生成模块133基于频道信息和增益信息，考虑根据频道的增益信息来处理电压数据。当直接使用增益不同的检测电压数据时，难以准确地表示对象胸部内的电特性。因此，需要根据增益减小或增大对应的电压水平。例如，当增益值大于参考增益值时，对应的电压水平减小并且乘以增益值与参考增益值的比值。

由此，图像生成模块133可配置为考虑根据频道的增益信息来处理电压数据，然后基于电压数据获得阻抗数据。

然后，图像生成模块133基于阻抗数据生成对象胸部的内部图像。替代地，可以使用基于对象胸部表面上的电压数据生成测量目标(胸部)内部图像的多种方法。

而且，图像生成模块133可使用光学成像设备和长度测量设备来基于布置在电极处的标记获得外观信息，以根据对象胸部形状形成3D还原模型，由此提供还原算法。

在此，还原算法指的是还原3D图像的算法，并使用常用算法。

重新参照图1，根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100的肺活量计算器140基于输入的呼吸参数计算对象的肺活量。

例如，肺活量计算器140可通过基于与所输入的呼吸参数对应的根据呼吸的空气流量求积分来根据体积计算对象的肺活量。

根据一个实施例，肺活量计算器140可基于呼吸参数计算呼吸量、呼吸流量等，并由所计算的呼吸量和呼吸流量计算对象的肺活量。可使用公知的通用计算方法来计算肺活量。

而且，肺活量计算器140可计算呼气峰值流速(PEF)、1秒用力肺活量(FEV 1.0)、用力肺活量(FVC)和FEV 1.0/FVC等。

在此，FVC指的是在对象在稳定状况下尽可能缓慢且深沉地吸气之后尽可能快且用力地呼出的空气量，FEV 1.0指的是对象开始最大用力吸气(即尽可能地吸气)之后1秒用力呼出的空气量。

而且，FEV 1.0/FVC(或FEV 1.0与FVC1的比值)指的是检查气管是否阻塞的有用指数，也称作“1秒用力呼气量”。正常的人能够在1秒内呼出超过自己FCV的70％，因此正常人的FEV 1.0/FVC等于或高于70％。

基于由控制器130引导以使得对象的呼吸量匹配目标值的呼吸，肺活量计算器140可通过对应于所引导的肺活量变化的整体呼吸量变化、肺部内部区域的空气分布变化和对应于为了在不需要对象的最大吸气和呼气的情况下匹配目标值的呼吸动作对应的时间响应来计算肺活量指数。

肺功能诊断器150结合根据所计算的肺活量获得的整体变量和根据所生成的胸部图像获得的局部变量诊断对象的肺功能。

例如，肺功能诊断器150可基于所计算的对象肺活量获得整体变量，并通过基于所生成的胸部图像测量肺部内在时间上的空气分布变化、程度和模式中的至少一种来获得局部变量。

然后，肺功能诊断器150可结合局部变量和整体变量诊断对象的肺功能。

更详细地说，肺功能诊断器150可根据所计算的对象肺活量获得关于气管是否阻塞、气管阻塞程度、肺部容积等整体变量，并通过基于胸部图像测量对象的肺部内的空气分布变化、程度和模式中的至少一种来获得局部变量。由此，肺功能诊断器150可通过结合整体变量和局部变量的集合处理和分析输出关于肺功能的诊断性信息，例如肺中的肺弥散图像。

而且，肺功能诊断器150可基于对肺部内的空气分布和整体呼吸量变量变化的时差分析，通过使用支气管收缩剂、支气管扩张剂等的反应试验，做出例如哮喘、慢性阻塞性肺病等肺功能诊断。

根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100可以还包括用于输出用于生物反馈的实时图像和信号的显示器160。

显示器160可配置为显示从肺功能诊断器150获得的实时整体变量和从胸部图像获得与肺部内局部空气变化对应的图和图像。

根据一个实施例，显示器160可实时显示信号和图像以引导对象使呼吸量与目标值匹配，并可替代地输出警告信号、警报、语音和图像变化中的至少一个。

根据一个替代实施例，显示器160可基于根据对象的呼吸的整体呼吸量变化、基于所生成胸部图像的肺部内部区域的空气分布变化和为了使呼吸与目标值匹配所采取的动作的时间来显示图像、波形和数值。

根据一个替代实施例，显示器160可包括触摸屏和按钮，以具有用户界面，用于接收对应于使用者(对象或管理人)选择的触摸输入和按钮输入中的至少一个。

参考图2A，根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100包括可附接到对象胸部的胸部电极元件110以及呼吸测量器120，对应于对象呼吸的呼吸参数被输入到该呼吸测量器。

附接到对象胸围的胸部电极元件110以规则间隔形成在基板上，并根据基于在附接到对象胸部时对象呼吸的胸部图像来测量阻抗。

根据一个实施例，胸部电极元件110上的多个电极可包括基于镀银(Ag)弹性纤维或聚合物纳米纤维网(PVDF)制成的导电纤维电极，但不限于此。替代地，电极可由即使长期测量也较少与皮肤反应的多种材料制成。

根据一个替代实施例，形成为具有根据本公开的一个实施例的胸部电极元件110的基板不一定限于带类型阵列电极的形状。替代地，基板可包括具有背心类型、带类型和补丁类型中的至少一种类型或结构的阵列的胸部电极元件110，在最小化对象感觉到的压力的同时考虑到接触强度以改善数据测量水平。

在图2A中，根据本公开的一个实施例的胸部电极元件110中的多个电极可以以规则间隔形成在基板上，或者可以布置为具有根据特征和目的位于目标检查部位(胸部)上的多种阵列和结构。而且，基板可具有一定长度和面积以在环绕目标检查部位(例如对象的胸部或腹部)时测量阻抗，但长度和面积没有限制。替代地，长度和面积可随着实施例而变化。

而且，根据本公开的一个实施例的胸部电极元件110可基于使得多个电极布置为附接到对象胸部的2D或3D阵列形式的电极阵列结构和测量结构中的变化来有效地测量胸部表面周围的电场的分布。

根据一个实施例，待形成在基板上的胸部电极元件110以3D阵列布置，并配置为测量对应于每个层的阻抗，由此导致比常规的仅提供某个位置处的2D横截面图像的方法更准确和有效的诊断。

在根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100中，呼吸测量器120包括由一次性纸或塑料制成的呼吸管，其可包括具有待与对象口部接触的入口和与入口相反的出口的柱形管。

柱形管可具有这样的结构：其中，待与对象口部接触的入口和连接到用于肺功能测试的设备100的出口是连接的。

换句话说，呼吸测量器120可通过与对象口部接触的柱形管根据对象呼吸来测量呼吸参数，并且呼吸参数可以与由胸部电极元件110测量的胸部阻抗数据和基于阻抗数据的胸部图像的读取几乎同时或同时地取样。一般来说，呼吸参数是同步测量的。

而且，根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100可以还包括与对象的目标检查部位接触并且感测生物信号的感测元件(未示出)。

感测元件(未示出)可接触对象的任何身体目标检查部位，并可以根据实施例包括在胸部电极元件110中。

根据一个实施例，感测元件可包括姿势传感器和ECG传感器中的至少一个，并可以是要附接到对象身体的基于纤维的传感器。

根据一个替代实施例，感测元件可通过光学传感器感测血氧饱和度(SpO₂)信号以测量对象的血氧饱和度，该光学传感器感测透射过手指尖或脚趾尖处的外周血管中流动的血液的红光量。

例如，感测元件可设置为布置在手指尖上的测量终端的形式，并可通过光学模块来实现，该光学模块包括作为光发射器的660nm的红光发光二极管(LED)和940nm的红外LED和作为光接收器的光电二极管和光电晶体管。

重新参照图2B，根据本公开的一个实施例的胸部电极元件110包括多个电极20，并能够沿着待检查对象的胸围安装。为了该目的，胸部电极元件110包括设有多个电极20的基板30(在下文中称作电极带)。

以下将参照图3A和3B详细说明具有多个电极20的电极带。

重新参照图2B，线缆带61连接到通过电极安装孔31暴露的按钮类型的连接器22，该电极安装孔31中安装有多个电极20(在下文中称作复合电极)。在该情况下，线缆带61可包括对应于复合电极20的用于注入电流的多个连接线缆终端61a。

由此，根据本公开的一个实施例的用于肺功能测试的设备100中的电压测量模块132测量由通过线缆带61注入到复合电极20的电流引起的电压。具体地说，通过线缆带61生成具有多个频率的电流并在经受幅值和相位控制的同时将其提供给布置在对象的胸部上的电极带30的多个电极20。在该情况下，具有多个频率的电流通过复合电极20的第一电极21注入，通过复合电极20的第二电极24获得由注入的电流引起的电压差信号。

参照图3A，复合电极20包括用于注入电流的由导电材料制成的第一电极21，用于测量电压的由导电材料制成的第二电极24，和形状像按钮的要连接到线缆带61的连接器22。第一电极21通过与第二电极24相比相对大的区域注入电流，第二电极24通过与第一电极21相比相对小的区域测量电压，并与线缆带61上的重复性复合电极20的第二电极24形成对。

在该情况下，第一电极21的形状像平板，形状像按钮的连接器22设置为在连接到第一电极21和第二电极24时凸起的凸起对的形式。多个复合电极20中每个的第一和第二电极21和24利用其间的由绝缘材料制成的绝缘体23安装在电极带30中。

前一示例示出多个电极20包括复合电极，但多个电极20不限于该示例。作为替代示例，如图3B所示的简单电极20’也是可行的。在简单电极20’的情况下，在支撑在绝缘体22’上的单个导电电极21’中实施电流注入或电压测量。

而且，电极20或20’可由柔性导电纤维或导电聚合物材料制成，并可以以干式电极的形式提供。

参照图4A，电极带30由诸如纤维、硅和类似的聚合物化合物之类的弹性材料制成，所设置的电极安装孔31的数量和所安装的复合电极20的数量可以是可变的。同时，电极带30在其相对的端部处设有成对的紧固件32，其紧固到彼此并维持电极带30缠绕对象身体。

本公开的该实施例示出电极带30缠绕对象的目标检查部位，即胸围，并通过设置在其相对的端部处的尼龙搭扣(Velcro)类型的紧固件32紧固。替代地，非限制性地，可使用例如钩子类型的各种紧固件中的一种作为紧固件32。

电极带30包括如图4B所示的待与对象接触并且具有多个复合电极20的接触表面33，和如图4C所示的要暴露于根据本公开的一个实施例的控制器130并且与接触表面33相反的暴露表面34。在该情况下，复合电极20的第一电极21和第二电极24暴露在电极带30的接触表面33上，连接到线缆带61的按钮类型的连接器22通过暴露表面34上的电极安装孔31暴露。而且，电极带30的暴露表面34包括多个指示器40(即标记)，分别对应于多个复合电极20并具有与多个复合电极20中每个的信息对应的多种颜色和模式。

根据一个实施例，指示器40(即标记)可以根据复合电极20而形状不同，并包括彼此不同的对应频道号或数据信息个数，以使得能够随着识别(感测)指示器40而辨识出电极的位置。

参照图4D，包括在电极带中的复合电极20沿着待检查对象1的身体周边以3D阵列的形式布置，由此能够获得某个位置(胸部)处的3D图像，这是因为能够通过利用所选择的电极对注入电流并测量由所注入的电流引起的电压来测量对应于每个层的阻抗。

图5图示出具有呼吸参数的肺呼吸曲线。

更详细地，图5示出了从根据对象呼吸的呼吸参数获得的肺呼吸曲线。

参照图5，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备可以从根据对象呼吸的呼吸参数获得肺呼吸曲线，并且从所获得的肺呼吸曲线获得各种呼吸指数。

更详细地，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备可以从肺呼吸曲线获得功能残余容量(FRC)、肺活量(VC)、呼气储备容积(ERV)和残余容积(RV)。

FRC指正常呼气后肺内剩余空气量，VC指最大吸气后最大呼气时呼出的最大空气量，ERV指正常呼气后最大用力呼气时呼出的额外空气量，RV是指最大呼气后肺内剩余的最小空气量。

可以计算VC，包括吸气储备容积(IRV)、潮气量(VT)和ERV。

IRV指的是尽可能吸入的额外空气量，VT指的是对应于呼吸的吸气和呼气的空气量，ERV指的是在正常呼气后最大用力呼气时呼出的额外空气量。

换句话说，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备可以从基于呼吸参数的肺呼吸曲线获得包括对象的肺活量的各种呼吸指数。

图6A图示出基于对象的呼吸参数计算的呼吸量测量值，图6B示出了在对象的胸部处测量的阻抗数据和胸部图像。

参考图6A，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备可以基于呼吸测量器根据对象的呼吸测量的呼吸参数来计算对象的肺活量，并获得整体空气体积的相应变化。

因此，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备将与获得的对象的整体空气量的变化对应的呼吸量测量值与预设的目标呼吸设定值(或呼吸目标值)进行比较，并引导对象呼吸量达到呼吸目标值。

呼吸目标值指的不是对象的最大吸气和呼气，而是指空气预设量的变化。空气预设量可以指一般的平均呼吸量，或者可以由对象设置。

参考图6B，可以通过基于沿着对象胸围附接的电极测量的阻抗数据的胸部图像，根据肺内部的空气分布，检查关于整体肺活量和呼气和吸气的针对区域的空气分布。

因此，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备通过与引导的肺活量的变化相对应的整体呼吸量的变化、肺内区域的空气分布变化和与为了在不需要对象的最大吸气和呼气的情况下匹配目标值的呼吸动作对应的时间响应来获得肺活量指数。

参照图6A和6B，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备基于根据由胸部电极元件测量的电压的阻抗数据识别肺内的胸部图像，并根据测量的呼吸参数测量呼吸量，从而基于对象的肺活量更准确地诊断肺功能。

此外，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备可以分离和分析肺内功能和支气管功能，并通过使用支气管收缩剂、支气管扩张剂等反应测试进行肺功能诊断，例如哮喘，慢性阻塞性肺病等。

更详细地，图7A和7B图示了根据在对象的口腔处测量的整体肺活量的变化，肺区域的空气分布在时间Ta处的变化的示例，由此可以与肺容积一起估计肺扩散容量。

此外，图7A和7B图示出在同一时间Ta测量的肺活量测量值和阻抗图像。

参考图7A，整体肺活量测量值在时段Ta处具有最大肺活量值。

图7B示出了对应于最大肺活量值的时段Ta处的胸部图像。参考图7B，可以通过基于阻抗数据计算胸部图像上的像素值来检查区域的吸气分布程度。

例如，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备可以通过以下[表达式1]根据像素阻抗变化与整体阻抗变化的比率和整体肺活量测量值计算胸部图像上的像素值。

[表达式1]

这样，根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备可以计算胸部图像上的区域(A)、(B)和(C)的像素值，并且基于计算的像素值获得随时间变化的区域整体吸气分布程度。

区域(A)、(B)和(C)的像素值可以基于肺内局部空气分布变化来实时变化和提供，并且可以用1％、3％、5％、7％、10％等数值来显示空气分布变化程度。

图8是示出通过根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备测试诸如对象的肺活量之类的肺功能的方法的流程图。

参考图8，在操作810，测量根据对象呼吸的呼吸参数以计算对象的肺活量。

操作810可以包括通过对对应于测量的呼吸参数的空气流量求积分来根据体积计算对象的肺活量的操作。

在操作820时，将电流选择性地提供到沿着对象的胸围附接的多个电极中选择的至少一个电极对，并且基于通过未选择的电极测量的电压阻抗数据生成对应于胸部内部的图像。

操作820可以包括获得由通过多个电极中的未选择电极注入的电流引起的电压的差信号并且通过根据对象胸围和电极的位置获得阻抗数据来生成胸部内部图像的操作。

在操作830，结合根据计算的肺活量获得的整体变量和根据生成的胸部图像获得的局部变量来诊断对象的肺功能。

操作830可以包括根据计算出的对象的肺活量获得整体变量以及通过基于所生成的胸部图像测量肺内部在时间上的空气分布变化、程度和模式中的至少一种来获得局部变量。

操作830可以包括结合局部变量和整体变量进行肺功能诊断的操作。

通过根据本公开的实施例的用于肺功能测试的设备测试肺功能(例如对象的肺活量)的方法可以进一步包括以不同的目标呼吸设定值引导对象呼吸的操作(未示出)。

根据实施例的方法可实现为通过各种计算装置实施并且记录在计算机可读介质中的程序指令的形式。计算机可读介质可以单独地包括程序指令、数据文件、数据结构或包括其组合。记录在介质中的程序指令可以是针对实施例专门设计和配置的，或者可以使用计算机软件领域的技术人员所公知的程序指令。计算机可读介质可以例如包括硬盘、软盘、磁带等磁性介质；CD-ROM、DVD等光学介质；光盘等磁光介质；和ROM、RAM、闪存等专门配置为存储和实施程序指令的硬件设备。程序指令可以例如不仅包括由编译器产生的机器代码，而且还包括通过解释器等由计算机实施的高级语言。硬件设备可配置为作为一个或更多个软件模块来操作以执行实施例的操作，反之亦然。

尽管用有限示例和图描述了几个的实施例，本领域技术人员可在实施例中做出众多改动和变化。例如，即使所描述的技术以不同的顺序来实施，和/或所描述的系统、架构、设备或电路中的部件以不同的方式组合和/或由其他部件或其等同替代或补充，也可能实现合适的结果。

因此，其他实现、其他实施例和权利要求的等同也可属于所附权利要求的范围。

Claims

1.一种用于肺功能测试的设备，包括：

胸部电极元件，配置为具有用于电流注入和电压检测的多个电极，并且围绕待检查对象的胸围附接；

呼吸测量器，配置为测量根据对象呼吸的呼吸参数；

控制器，配置为将电流选择性地提供给从所述多个电极中选择的至少一个电极对，并且根据通过未选择的电极测量的电压来基于阻抗数据生成胸部图像；

肺活量计算器，配置为基于测量的呼吸参数计算对象的肺活量；以及

肺功能诊断器，配置为结合与生成的胸部图像上的像素值和肺部容积的随时间的集合处理来提供用于诊断肺功能的信息，

其中，所述肺部容积包括在或不在最大用力吸气和呼气的情况下的肺活量。

2.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，其中：

所述控制器还配置为控制预设目标呼吸设定值根据肺部容积随时间变化。

3.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，其中所述肺活量计算器还配置为根据通过对与呼吸参数对应的空气流量求积分获得的体积来计算对象的肺活量。

4.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，其中所述肺功能诊断器还配置为基于所生成的胸部图像获得肺部内在时间上的空气分布变化。

5.根据权利要求4所述的用于肺功能测试的设备，其中所述肺功能诊断器还配置为通过对肺部内的空气分布和肺部容积的变化的时差分析来提供用于诊断哮喘或慢性阻塞性肺病的信息。

6.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，其中所述控制器配置为包括：

电流注入模块，配置为通过在附接到对象胸部的多个电极中选择的至少一个电极对注入具有多个频率范围的电流；

电压测量模块，配置为测量由通过所述多个电极中未选择的电极注入的电流引起的电压；以及

图像生成模块，配置为通过基于所测量的电压测量胸部中的阻抗数据来生成胸部图像。

7.根据权利要求6所述的用于肺功能测试的设备，其中所述电流注入模块配置为选择电极对和频率，生成电压信号并将电压信号转换成对应于所选择频率的电流，并通过所选择的电极对将所转换的电流注入对象的胸部。

8.根据权利要求5所述的用于肺功能测试的设备，其中所述控制器配置为还包括控制模块，该控制模块配置为控制从所述多个电极中选择至少一个电极对，控制选择未选择的电极，并控制基于由所述呼吸测量器输出的呼吸参数获得整体变量。

9.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，其中所述多个电极包括简单电极或复合电极中的至少一个，并且布置在由柔性弹性材料制成并且附接到胸部的基板的一侧。

10.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，其中所述呼吸测量器由一次性纸或塑料制成，成形为包括待与对象口部接触的入口和与所述入口相反的出口的管状，并且根据对象从入口的呼吸来测量呼吸参数。

11.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，还包括显示器，该显示器配置为显示从肺功能诊断器实时获得的包括肺部容积的整体变量和从胸部图像获得的肺部内的局部空气分布变化的曲线图。

12.根据权利要求1所述的用于肺功能测试的设备，还包括显示器，该显示器配置为显示从肺功能诊断器实时获得的包括肺部容积的整体变量和从胸部图像获得的肺部内的局部空气分布变化的图像。

13.根据权利要求4所述的用于肺功能测试的设备，其中所述空气分布变化包括空气分布变化的程度和空气分布变化的模式中的至少一种。

14.一种通过用于肺功能测试的设备来测试肺功能的方法，所述方法包括：

由所述设备通过测量根据对象呼吸的呼吸参数来计算对象的肺活量；

由所述设备将电流选择性地提供给从围绕对象的胸围附接的多个电极中选择的至少一个电极对，并且根据通过未选择的电极测量的电压来基于阻抗数据生成胸部图像；以及

由所述设备结合与生成的胸部图像上的像素值和肺部容积的随时间的集合处理来提供用于诊断肺功能的信息；

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述肺活量的计算包括：根据通过对与呼吸参数对应的空气流量求积分获得的相应体积来计算对象的肺活量。

16.根据权利要求14所述的方法，其中提供用于诊断肺功能的信息还包括：通过基于所生成的胸部图像获得肺部内在时间上的空气分布变化。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法还包括通过对肺部内的空气分布和肺部容积的变化的时差分析来提供用于诊断哮喘或慢性阻塞性肺病的信息。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述空气分布变化包括空气分布变化的程度和空气分布变化的模式中的至少一种。

19.一种计算机可读记录介质，其中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序配置为执行根据权利要求14至18中任一项所述的方法。