CN113712519A - 心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统及设备。包括：信号采集和指标测量子系统，用于采集被测者心电和呼吸信号，测量被测者血压、血氧和呼吸潮气量；信号处理和心肺系统系列指标计算子系统，用于处理和分析信号采集和指标测量子系统得到的心电、呼吸信号、血压、血氧和潮气量，计算心肺系统系列指标；试验报告生成和处方制定子系统，用于根据心肺系统系列指标，生成心肺呼吸试验报告，制定个性化深呼吸和氧疗处方；个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统，用于根据个性化深呼吸和氧疗处方，引导、监测和指导患者深呼吸训练和氧疗的实施；干预进展总结和处方优化子系统，用于根据多次深呼吸训练和氧疗的报告，评估进展、优化处方。从而形成完整的心肺代谢系统疾病的“评测、干预、优化”精准诊断和干预体系。

Description

心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统及设备
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸 和氧疗系统和设备。
背景技术
自主神经由交感神经和副交感神经组成，连接人体各器官和机体，以一定的 节律调控这些器官和机体，保证新陈代谢和正常运行。因此，自主神经是人体健 康和疾病的中心。评估和测量自主神经的调控状态，是诊断和治疗的关键；改善 自主神经调控状态，也是治疗和康复的目标。
在静息状态下，呼吸对心率的调制，医学界称为“呼吸窦性心率不齐 RespiratorySinus Arrhythmia(RSA)”。RSA定量评测具有非常重要的医学研 究和临床应用价值。首先，RSA的幅度表征自主神经调控下人体代谢系统的效率： 呼吸与心率变化同步，使肺血流量相匹配，氧气就可以更好地被吸收，通过血液 输送到器官和机体；其次，RSA是迷走神经张力的度量。迷走神经与下丘脑相连， 参与内分泌免疫系统的调节，也是人体内分泌和免疫系统状态的指标；再者，RSA 是内脏神经网络的索引，该网络有效地组织情绪、认知、生理和行为响应，服务 于基于目标的行为和自适应。这就是说，RSA也是心理健康的指标。
本申请的发明人的两个发明专利，即：中国专利，CN109620179A，“一种呼 吸对心率调制的定量分析方法及相关系统”，以及专利，CN110495862A，“一种心 肺和谐系列指标评测方法、装置及系”，建立了RSA的呼吸心率调制生理学数学 模型，实时同步采集心电和呼吸信号，求解该数学模型，获得心肺谐振函数，根 据心肺谐振函数，建立了RSA的数字度量“心肺谐振系列指标CRI”。心肺谐振 系列指标具有科学价值和临床应用意义。在临床应用中，也暴露了它的不足：只 给出了达到心肺谐振的程度的度量，尚不能全面地评价自主神经心肺调控状态和 功能。
另一方面，深呼吸训练在新冠病毒患者康复中的作用已经被临床证实，在呼 吸性疾病中的作用也有大量的临床验证。国内外大量的临床研究证明了深呼吸训 练可以改善副交感神活性、提升压力感受器灵敏度、降低实质性高血压患者的血 压。
近半个世纪来，国际上在“静心调息”上有下面几个方面的工作：
源于佛教坐禅、瑜伽和气功的“正念”和“冥想”。对于这些，我们不妨称 之为“修炼”，是“师父领进门、修行在个人”，缺乏明确的规范，更缺乏数字度 量。因此，难以作为一种治疗和疾病干预手段来推广。
医院呼吸科和其它相关科室的呼吸训练。以腹式呼吸为主，以锻炼呼吸肌、 增强呼吸功能为目标。但是，主要依靠医生或康复师的指导，见仁见智，缺乏规 范，更缺乏评估手段。
心率变异性生物反馈。由苏联学者Gevirtz于上世纪70年代提出，90年代 由美国罗格斯大学Lehrer教授发扬光大。心率变异性生物反馈在缓解压力和焦 虑，提高考试和比赛成绩，高血压和心衰病人的康复等，都有效果。
作为对心率变异性生物反馈的技术创新，本申请的发明人在其发明专利，CN105496377A“一种心率变异生物反馈锻炼系统方法和设备”中，提出了新的评 测指标和反馈打分方法，以及相应的穿戴设备和移动端软件。
本申请的发明人的另一项专利申请，201911362812.X，个性化深呼吸训练处 方的制定和实施方法、系统及装置，提出了个性化深呼吸处方，以规范化深呼吸 训练。
然而，心肺代谢系统疾病的精准诊断和有效干预的临床需求来说，到目前为 止，现有技术和专利，在心肺系统的评测方面，都只是从某一个侧面提出了心肺 系统的某个评测指标，缺乏全面的心肺系统功能，特别是从呼吸系统功能、心血 管系统功能和心肺交互功能三个方面的全面的评测。更缺乏个性化深呼吸和氧疗 处方，以及规范化、智能化的实施、监测和指导系统和设备。
发明内容
(一)要解决的技术问题
1、从呼吸系统功能、心血管系统功能和心肺交互功能三个方面的全面评测 自主神经调控下的心肺代谢系统功能，为心肺代谢系统疾病的精准诊断 提供数字指标和证据，为制定个性化干预处方提供依据。
2、规范化的个性化深呼吸和氧疗处方和智能化的实施、监测和指导方法和 系统。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明公开了一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系 统。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统，包括:
信号采集和指标测量子系统，用于采集被测者心电和呼吸信号，测量被测者 血压、血氧和呼吸潮气量；
信号处理和心肺系统系列指标计算子系统，用于处理和分析信号采集和指标 测量子系统得到的心电、呼吸信号、血压、血氧和潮气量，计算心肺系统系列指 标；
试验报告生成和处方制定子系统，用于根据心肺系统系列指标，生成心肺呼 吸试验报告，制定个性化深呼吸和氧疗处方；
个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统，用于根据个性化深呼吸和氧疗处方， 引导、监测和指导患者深呼吸训练和氧疗的实施；
干预进展总结和处方优化子系统，用于根据多次深呼吸训练和氧疗的报告， 评估进展、优化处方。
优选地，所述信号处理和心肺系统系列指标计算子系统计算的心肺系统系列 指标包括：
呼吸系统指标RSI,具体包括：主呼吸频率MR、呼吸平稳度SRR、潮气量TV、 血氧饱和度OS，其中，呼吸平稳度SRR定义为
Figure BDA0003244791100000031
其中FResp(n)是呼吸信号的傅里叶变换功率谱，分母是整个功率谱的积分， 分子是主呼吸频率附近的积分；
心血管系统指标CSI，具体包括：平均心率MHR、心率变化标准差HRSD、心 率功率谱甚低频分量VLF，以及平均血压MBP、血压变化标准差BPSD、动态动脉 硬化指数AASI；
心肺交互指标CPII，具体包括；呼吸心率变化幅度AHR、呼吸心率调制度 RCM、呼吸心率相关系数CRH，分别定义为；
Figure BDA0003244791100000032
Figure BDA0003244791100000033
Figure BDA0003244791100000041
优选地，所述试验报告生成和处方制定子系统根据自由呼吸阶段和3个引导 节律呼吸阶段的心肺系统系列指标，生成心肺呼吸试验报告；
以4个呼吸试验阶段的呼吸系统指标评估被测者的呼吸系统功能以及实施呼 吸试验的水平；
以4个呼吸试验阶段的心血管系统指标中的心率变异性和血压变异性指标以 及在4个呼吸试验阶段的变化，评估被测者的心血管系统功能和危险系数；
以4个呼吸试验阶段的心肺交互指标中的呼吸心率调制度和呼吸心率相关系 数，以及在4个呼吸试验阶段的变化，评估心肺交互的协调和同步程度，以4 个呼吸试验阶段的呼吸心率变化幅度及其变化，评估迷走神经张力，以三个心肺 交互指标共同评估心理健康水平。
优选地，所述个性化深呼吸和氧疗处方包括：呼吸训练频次、训练时长、呼 吸频率、吸气与呼气时间比、呼吸类型、供氧的氧流量和吸入氧浓度FiO2；
以4个呼吸试验阶段的呼吸系统指标评估被测者的呼吸系统功能以及实施呼 吸试验的水平，设定个性化深呼吸和氧疗处方；具体包括：
以主呼吸频率偏离引导呼吸频率的程度和呼吸平稳度来判别被测者所能胜 任的深呼吸训练频率，并在其所胜任的深呼吸频率中，择其中心肺交互指标优者 为深呼吸处方频率；
以潮气量来判别被测者的呼吸功能，从而确定深呼吸处方中的吸气和呼气时 间比，以及呼吸类型；
以血氧和血压来判定被测者是否需要氧疗，以及评估氧疗效果。
优选地，所述个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统实现以下功能：
以语言和音乐引导患者跟随节奏，进行深呼吸训练和吸氧；
根据实时测量和计算的心肺系统系列指标中的主呼吸频率、呼吸平稳度、呼 吸心率调制度和呼吸心率相关系数的正常与否，提示患者放松心情，跟上引导节 奏；
根据实时测量和计算的心肺系统系列指标中的潮气量和呼吸心率变化幅度 值的幅度，提醒患者，加大吸气量；
根据实时测量和计算的心肺系统系列指标中血氧和血压值，提醒患者注意吸 氧量。
优选地，所述干预进展总结和处方优化子系统根据多次深呼吸训练和氧疗的 报告，评估深呼吸训练和氧疗的效果和进展，并使用案例大数据的案例推理，为 患者推荐优化处方。
一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗设备，其特征在于，包括：
组成专业用户端的信号采集模块和患者模块，用于专业医疗机构，用于对患 者进行心肺呼吸试验，采集患者的心电和呼吸信号，测量血压、血氧和潮气量， 以及引导、监测和指导患者实施专业水平的个性化深呼吸训练和氧疗；
医生工作站模块，用于接收来自专业用户端上传的心电和呼吸信号，血压、 血氧和潮气量，处理和分析之后，计算心肺系统系列指标，生成心肺呼吸试验报 告，制定个性化深呼吸和氧疗处方，向案例大数据模块上传数据、报告和处方； 向专业用户端下达深呼吸训练和氧疗实施计划，指导、监测和指导患者的深呼吸 训练和氧疗；
面向患者居家康复的普及版用户端，包括信号采集模块和患者模块，采集患 者指脉或腕脉的脉搏波光电容积描记PPG信号，自PPG信号计算出心率，分离出 呼吸信号，从PPG信号中提取血压特征、计算逐拍血压；使用由PPG信号计算出 的心率、呼吸、和逐拍血压，计算心肺系统系列指标中，除了潮气量和血氧饱和 度之外的各项指标；向上与案例大数据系统连接，接受处方和医嘱，同时与患者 交互，提醒和引导患者实施训练任务；同时，根据所述心肺呼吸试验和个性化深 呼吸和氧疗系统中的个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统中的方法和流程，给予 患者的深呼吸训练和氧疗实时提醒、指导和反馈；并向案例大数据系统上传训练 数据、指标、和报告；
案例大数据系统，用于与医生工作站模块、医生移动工作站、患者模块普及 版相连，接受上传的数据，以案例规范存入相应患者的案例库中；对所有案例进 行归类，并以基于案例推理的方法，提出处方优化方案，提醒方案执行和服务递 送；
医生移动工作站模块，用于为医生提供方便和实时的患者管理、评测和训练 监测。
优选地，所述医生工作站模块进一步包括：
信号处理和分析单元，用于处理和分析心电和呼吸信号，以及血压、血氧和 潮气量，根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统中的信号处理和心肺 系统系列指标计算子系统中的定义和算法，为当前被测者计算其心肺呼吸试验中 自由呼吸阶段和其它引导节律呼吸阶段的心肺系统系列指标；
处方制定和优化单元，用于根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系 统中的试验报告生成和处方制定子系统中所定义的个性化深呼吸和氧疗处方，以 及所述处方制定方法，使用心肺呼吸试验各呼吸阶段的心肺系统系列指标，为当 前患者制定或优化个性化深呼吸和氧疗处方；
评测和训练任务下达和实施监测单元，用于向上与案例大数据系统连接，管 理患者数据案例，向下与患者模块专业版连接，下达评测或训练任务，实时监测 任务的实施状况，根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统中的个性化 深呼吸训练和氧疗实施子系统中的方法和流程，给予患者的深呼吸训练和氧疗实 时指导和反馈。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、本申请提供的由心肺呼吸试验生成的“心肺系统系列指标CardioPulmonarySystem Indices CPSI”，从呼吸、心血管、心肺交互三大方面，给出了一组全面 的数字指标，是国际上迄今最完善的关于在迷走神经调控下心肺代谢系统和心理 健康的数字指标，其中4个心肺系统指标，即：呼吸平稳度SRR、呼吸心率变化 幅度AHR、呼吸心率调制度RCM、呼吸心率相关系数CRH是国际上首创。这为心 肺代谢系统疾病，包括：高血压、冠心病、心衰、糖尿病、慢阻肺、等，提供了 精准诊断的数字指标，精准干预的数字证据。
2、在新冠肺炎患者、慢阻肺患者、低血压患者的康复中，冥想、深呼吸有效， 但往往也需要氧疗。深呼吸和氧疗的目标都是提高氧代谢水平。因此，我们规范 并定义了个性化深呼吸和氧疗处方，这将成为临床精准干预及其智能化实施的基 础。
3、通过心肺呼吸试验和4个呼吸试验阶段的心肺系统系列指标来设定个性化深呼吸和氧疗处方的方法。
4、在深呼吸训练和氧疗中实时评估心肺系统系列指标，以此作为医生或系统指导和实时反馈的依据。
5、综合心肺呼吸试验和个性化深呼吸训练和氧疗两大部分，使用案例大数据智能管理，形成一个完整的“评测、干预、优化”体系，使之成为一个可以大规模 推广的心肺代谢系统疾病精准诊断和干预的全周期服务。
附图说明
图1为心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统逻辑方框图。
图2为个性化深呼吸和氧疗处方。
图3为心肺呼吸试验和个性化深呼吸训练和氧疗装置构成图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的 配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并 非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于 本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有 其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一 项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能 理解为指示或暗示相对重要性。
一、心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统
如图1，本发明第一实施例提供了一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗 系统，其可由本发明的第二实施例所提供的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗 设备来执行，并至少包括如下子系统：
S100，信号采集和指标测量子系统。
在本实施例中，采用信号采集和指标测量子系统进行被测者心电、呼吸信号 采集和呼吸潮气量、血压、血氧的测量，这是被测者心肺呼吸试验的第一步。在 被测者佩戴好测量设备，做好静息状态准备之后，启动测量设备，进行信号采集 和测量。被测者在用户端的语言提示下，首先进行5分钟自由呼吸，随后被测者 在语言和音乐引导下进行每分钟12次、9次和6次的节律呼吸。上述心肺呼吸 试验的4个阶段，即：自由呼吸和3个引导节律呼吸，各分别进行5分钟。被测 者如应功能障碍不能完成，该心肺呼吸试验即终止。
信号采集和指标测量子系统由一个集成的信号采集、指标测量和传输模块完 成，其专业版实施例和普及版实施例将在后面的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和 氧疗设备中描述。
S200,信号处理和心肺系统系列指标计算子系统。
在本实施例中，信号处理和心肺系统系列指标计算子系统S200处理和分析信 号采集和指标测量子系统S100中采集的被测者的心电和呼吸信号，以及测量所 得的潮气量、血压和血氧值，对于自由呼吸和其它三个引导节律呼吸阶段，分别 计算它们的心肺系统系列指标CardioPulmonary System Indices(CPSI)，包 括：
1、呼吸系统指标(Respiratory System Indices，RSI)。评估被测者的呼吸功 能，以及在心肺呼吸试验中的表现，特别是在语言引导的节律呼吸中，是否 跟上节奏，吸气是否充分。
a)主呼吸频率(Main Respiration Rate，MRR)。在自由呼吸时，主呼吸频 率在0.2Hz到0.3Hz之间；在引导节律呼吸期间，主呼吸频率应该等于 或接近引导频率，否则表示被测者没有按要求进入测试状态。
b)呼吸平稳度(Stability of Respiration Rate，SRR)。呼吸平稳度定义 为呼吸频率在主频率附近变化的大小。以下述公式计算：
Figure BDA0003244791100000091
其中FResp(n)是呼吸信号的傅里叶变换功率谱。分母是整个功率谱的积分， 分子是主呼吸频率附近的积分。例如对每分钟12次节律呼吸时，MRR＝0.2， 取c＝0.02，在0.18Hz到0.22Hz(也即每分钟10.8次到13.2次)之间 积分。如果SRR接近1，则表示呼吸频率变化很小，呼吸平稳。
呼吸平稳度SRR表示被测者根据要求，进入静息状态；也表示被测者被 心理(情绪、压力等)和生理(炎症、疾病等)因素影响较小。
c)潮气量(Tidal Volume,TV)。是指呼吸时每次吸入或呼出的气量。每分 钟通气量(minute ventilation volume，MV)，指每分钟进或出肺的气 体总量，为潮气量与呼吸频率的乘积，又称肺通气量。正常成人潮气量 为400～500ml，呼吸频率为16～20次/分。在基础代谢情况下所测得的 每分钟通气量为6～8L/min。
频率较低的节律呼吸也称深呼吸，要求尽可能吸气，提高潮气量，降低 肺泡无效面积，提高氧代谢效率。
d)血氧饱和度(Oxygen Saturation，OS)。血氧饱和度OS是血液中血氧的 浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。正常人体动脉血的血氧饱和度为 98％，低于94％为异常。90％及以下为低血氧者。
2、心血管系统指标(Cardiovascular System Indices，CSI)。从心率和血压 两个方面，评估被测者在心肺呼吸试验中的心血管功能。通常，对于静息心 率高、血压高的被测者，在心肺呼吸试验中，随着引导节律呼吸频率的降低， 心率和血压液会趋向降低。
a)平均心率(Mean Heart Rate，MHR)。自由呼吸和节律呼吸状态下的平均 心率。静息心率是自主神经心脏调控的节律，正常值为60-80BPM。
b)心率变化标准差(HR Standard Deviation，HRSD)。是心率变异幅度的 主要度量，定义为：
Figure BDA0003244791100000101
在交感和副交感神经调控下，心率张弛有序，其变化幅度即为HRSD。
c)心率功率谱甚低频分量(Very Low Frequency Components in HR Spectrum)
VLF：
Figure BDA0003244791100000102
由于引导节律呼吸的频率分别在0.2Hz、0.15Hz、0.1Hz，影响了心率变 异性中高频(0.15-0.4Hz)和低频(0.04-0.15Hz)分布值。只有甚低频 分量未受影响，具有临床应用价值。在临床上，它与炎症、心理、体温 等因素有关。
d)平均血压(Mean Blood Pressure，MBP)。自由呼吸和节律呼吸状态下的 平均血压。在压力感受器、交感、副交感神经的调控下，平均血压的正 常值为60-90/100-135mmHg。
e)血压变化标准差(BP Standard Deviation，BPSD)。BPSD是血压变异幅 度的度量，定义为：
Figure BDA0003244791100000103
在静息自由呼吸和节律呼吸期间，与心率变异幅度相反，血压变异幅度 大表示自主神经失衡，迷走神经张力不够。
f)动态动脉硬化指数(AmbulatoryArterial Stiffness Index,AASI)。定义为：
Figure BDA0003244791100000111
在正常受试者中，收缩压和舒张压的变化是平行的。但在动脉僵硬、顺 应性较差的受试者中，动脉压的增加导致收缩压的增加比舒张压的增加 更剧烈。将一段时间内(如24小时)所有舒张压和收缩压测量值之间的 关系绘制成一个回归斜率。AASI确定为1减去回归斜率。研究表明，AASI 是心血管死亡率的独立预测指标，它预测中风更为有效。
3、心肺交互指标Cardiopulmonary Interactive Indices(CPII)
a)呼吸心率变化幅度(Amplitude of HR Variation within a Period ofRespiration，AHR)。在自由呼吸和引导节律呼吸阶段，对于每一个完整 的呼吸周期，找出其中心电信号的RR间期，换算成瞬时心率；其中最大 心率与最小心率之差即为呼吸周期内心率变化幅值，并在整个呼吸阶段 内求均值，写成如下公式：
Figure BDA0003244791100000112
AHR是呼吸窦性心率不齐(RSA)的时间域度量，也是迷走神经张力和代 谢系统功能的数字度量。
b)呼吸心率调制度Respiration-Cardio Modulation RCM。呼吸心率调整 度RCM定义为：
Figure BDA0003244791100000113
呼吸心率调制度RCM度量心率变异中由呼吸引起的部分，它是迷走神经 张力、代谢效率和心理健康的表征。而非呼吸引起的心率变异，如情绪、炎 症、血压等，是负面因素。
c)呼吸心率相关系数(Correlation of Respiration-HR，CRH)
Figure BDA0003244791100000114
呼吸信号与心率变化同步，相关系数高，是心肺达到谐振，氧代谢达到极致 的表示。
上述心肺系统系列指标总结如下表1所示：
Figure BDA0003244791100000121
表1
S300，试验报告生成和处方制定子系统。
首先，根据被测者在自由呼吸和其它三个引导节律呼吸阶段的心肺系统系列 指标，生成心肺呼吸试验报告。具体地，包括，但不限于：
1)被测者的呼吸系统功能。在引导节律呼吸阶段，主呼吸频率偏离引导频 率，呼吸平稳度低，潮气量和血氧临界或偏低。当引导频率降低时尤甚， 甚至无法完成每分钟6次的呼吸试验。表示被测者呼吸功能较差。
2)在被测者的呼吸系统参数均正常，且呼吸平稳度较好的情况下：
a)对于高血压、或静息心率偏高的被测者，随着引导呼吸频率的降低， 血压和心率也会趋向降低。
b)随着引导呼吸频率的降低，呼吸心率变化幅度AHR、呼吸心率调制度 RCM、呼吸心率相关系数CRH，都会上升。
c)呼吸心率变化幅度AHR是迷走神经张力的数字度量：当引导呼吸频 率在每分钟6次左右时，达到心肺谐振状态，AHR达到极值，迷走神 经张力也达到提升。
d)同样，当引导呼吸频率在每分钟6次左右，达到心肺谐振状态时， 呼吸心率调制度RCM高。此时，心率功率谱集中在引导呼吸频率附 近，甚低频分量变低。呼吸心率曲线的相关性高。
当上述指标都在正常范围，则迷走神经张力、代谢系统功能、心理健康水平 正常；反之，被测者的迷走神经张力不够，深呼吸没有能降低与炎症和心理相关 的甚低频分量。
如图2，本发明定义的个性化深呼吸和氧疗处方包含但不限于以下6个参数(TGFITO)：
(1)呼吸训练频次(Times per week or day)，例如每天1次或2次，缺 省值取每天一次；
(2)训练时长(Duration)，常取每次10-30分钟，缺省值20分钟；
(3)呼吸频率(Frequency)，深呼吸频率因人而异，以期达到心肺谐振状 态。可以取，但不限于，每分钟9次(0.15Hz)、6次(0.1Hz)、5次(0.083Hz)， 缺省值每分钟6次；
(4)吸气与呼气时间比(Inhalation-exhalation ratio)，简称吸呼比， 常采用的吸呼比包括：1、1.5、2、2.5等，缺省值取1.5；
(5)呼吸类型(Type)，深呼吸类型包括，但不限于：A、缩唇呼吸(Pursed LipBreathing)，用鼻子吸气，呼气时嘴呈缩唇状施加阻力，缓慢呼气，缩唇呼 吸加大通气量，增强活性；B、腹式呼吸(diaphragmatic breathing)，吸气时 自然地让腹部凸起以尽可能充满肺体，呼气时腹部自然凹进以达到排尽肺内废气 的目标。缺省参数为鼻息口呼的缩唇呼吸。
(6)供氧(Oxygen)：氧流量和吸入氧浓度FiO2。本实施例中以氧疗为目 标，属于低流量吸氧(FiO2<60％)。以每分钟20次的自由呼吸为例，吸呼比为 1:2，如采用鼻导管，每次吸气1秒，潮气量500ML。如氧流量取每分钟6升(6LPM)， 则1秒吸入100ML氧气。其余400ML吸入空气，空气中含氧气20％，即80ML。共 吸入氧气180ML，吸入氧浓度FiO2＝180ML/500ML＝36％。
具体的，根据被测者在自由呼吸和其它三个引导节律呼吸阶段的心肺系统系 列指标，制定个性化深呼吸和氧疗处方，有以下几步：
(1)确定呼吸频率。检查三个引导节律呼吸阶段的呼吸系统指标，以完成 该频率下的引导节律呼吸阶段，且各项呼吸系统指标正常为必要条件。 例如，有一些慢性阻塞性肺炎患者，完成不了每分钟6次节律呼吸测 试。在能够完成的引导节律呼吸阶段中，比较这几个阶段的心肺交互 指标，取其中三个心肺交互指标均优的节律呼吸阶段的呼吸频率为呼 吸训练频率。
(2)选择呼吸训练时长。检查在所述确定了的呼吸频率引导下的节律呼吸 阶段的呼吸系统指标、心血管系统指标和心肺交互指标，如果都偏优， 则取呼吸训练时长为20分钟，否则取呼吸时长为10分钟。
(3)选择吸呼比。检查在所述已确定呼吸频率引导下的节律呼吸阶段的呼 吸系统指标中的潮气量，如果潮气量偏优，则选择吸呼比1:2，并推 荐使用腹式呼吸类型；否则选吸呼比1:1.5，缩唇呼吸类型。
(4)选择供氧参数。检查在所述已确定的呼吸频率引导下的节律呼吸阶段 的呼吸系统指标中的血氧饱和度。如果血氧饱和度小于90％，选择供 氧；在血氧饱和度小于94％，或收缩压小于100mmHg时，供氧作为选 项。供氧方式推荐鼻导管，氧流量6LPM，氧浓度40％左右。
(5)呼吸训练频次取缺省值，每天一次。
上述由系统推荐的个性化深呼吸和氧疗处方，须经医生核准，上传至案例大 数据该被测者案例中。
S400，个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统。
作为本发明的个性化深呼吸和氧疗实施例，在医疗和康复机构使用专业用户 端的患者佩戴信号采集和指标测量设备，使用患者移动端，经医生工作站注册， 从案例大数据下载该患者的个性化深呼吸和氧疗处方。患者移动端即启动训练流 程，以语音引导患者，实施处方所规定的深呼吸训练和氧疗。
医生工作站根据患者移动端上传的信号和指标，计算心肺系统指标，标注出 异常和有待改进的意见。医生选择实时指导或向患者移动端传送医嘱。实时指导 和反馈包括，但不限于：
主呼吸频率偏离引导呼吸频率时，提醒患者跟着患者端的语言节奏呼吸；
呼吸平稳度偏低时，提醒患者放松心情，保持呼吸节奏；
潮气量偏低时，提醒患者加大吸气量；
心率和血压指标趋向正常值时，鼓励患者，继续努力；
心肺交互指标向好时，鼓励患者。
S500，干预进展总结和处方优化子系统。
每一次深呼吸训练和氧疗，所有实测得信号和指标、以及计算出的心肺系统 系列指标，都上传到案例大数据系统，生成训练报告。系统将对比每一周、数周 的训练报告，生成进展报告和关键指标变化曲线。反馈给医生和患者。供医生进 行再评测和处方优化。
二、心肺呼吸试验和个性化深呼吸训练和氧疗设备
图3所示心肺呼吸试验和个性化深呼吸训练和氧疗设备的构成如下：
信号采集模块专业版110和患者模块专业版210组成专业用户端，用于专业 医疗机构，对患者进行心肺呼吸试验，以及实施专业水平的个性化深呼吸训练和 氧疗。
所述信号采集模块专业版110由穿戴式循环采集和生理参数测量硬件组成， 包括：心电呼吸信号采集单元111采用心电信号和呼吸信号采集、放大、采样和 数字化集成芯片，例如，但不限于，TI公司ADS1292R，采集被测者的心电和呼 吸信号；血压、血氧、潮气量检测单元112分别由独立的血压计、血氧计和潮气 量测量计组成，监测被测者的血压、血氧和潮气量；硬件模块管理单元113提供 信号采集模块的电源、心电和呼吸信号采集单元111和血压、血氧、潮气量检测 单元112的同步、与患者模块专业版210的通信协议和信号传输。
患者模块专业版210以患者智能终端，例如，但不限于，智能手机app的形 式，为患者提供心肺呼吸试验和深呼吸训练和氧疗的智能化功能。患者模块专业 版210由患者管理单元211、信号显示和传输单元212、评测、训练引导和监测 单元213组成，接受医生工作站模块310下达的患者信息和评测或训练指令，根 据指令，启动相应程序，以语言方式指导患者实施评测或训练的流程中的各个环 节。同时，接收来自采集模块专业版110的心电和呼吸信号，以及血压、血氧和 潮气量，在屏幕上显示，通过无线传输送往医生工作站。
医生工作站模块310是由信号处理和分析单元311、处方制定和优化单元312、 评测和训练任务下达和实施监测单元313组成。
信号处理和分析单元311接收来自患者模块专业版210上传的心电和呼吸信 号，以及血压、血氧和潮气量，处理和分析之后，根据所述心肺呼吸试验和个性 化深呼吸和氧疗系统中的信号处理和心肺系统系列指标计算子系统S200，中的 定义和算法，为当前患者计算其心肺呼吸试验中自由呼吸阶段和其它引导节律呼 吸阶段的心肺系统系列指标。
处方制定和优化单元312，根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系 统中的试验报告生成和处方制定子系统S300中所定义的个性化深呼吸和氧疗处 方，以及所述处方制定方法，使用信号处理和分析单元311传来的心肺呼吸试验 各呼吸阶段的心肺系统系列指标，为当前患者制定或优化个性化深呼吸和氧疗处 方。
评测和训练任务下达和实施监测单元313，向上与案例大数据系统400连接， 管理患者数据案例，向下与患者模块专业版210连接，下达评测或训练任务。同 时，实时监测任务的实施状况，根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系 统中的个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统S400中的方法和流程，给予患者的 深呼吸训练和氧疗实时指导和反馈。
信号采集模块普及版120是面向患者居家康复的微型穿戴式硬件，包括PPG 信号采集单元121和硬件模块管理单元123。作为可能的实施例，PPG信号采集 单元121以指套的形式，或以手表形式，用红外传感器采集指脉或腕脉的脉搏波 光电容积描记(photoplehysmography，PPG)信号，并将PPG信号无线传送到患 者模块普及版220。
患者模块普及版220由信号处理和指标计算单元221和训练引导和监测单元 223组成。信号处理和指标计算221处理和分析来自信号采集模块普及版120的 PPG信号，做以下三方面的处理：
1)自PPG信号计算出心率，分离出呼吸信号，计算方法见中国发明专利：2020109474371，一种高鲁棒性呼吸信号自动测量系统。
2)从PPG信号中提取血压特征、计算逐拍血压，计算方法见中国发明专利：202110986591.4，基于光电容积脉搏波描记的逐拍血压测量系统和方法。
3)使用由PPG信号计算出的心率、呼吸、和逐拍血压，计算心肺系统系列指 标中，除了潮气量和血氧饱和度之外的各项指标。
训练引导和监测单元223向上与案例大数据系统400连接，接受处方和医嘱， 同时与患者交互，提醒和引导患者实施训练任务。同时，根据所述心肺呼吸试验 和个性化深呼吸和氧疗系统中的个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统S400中的 方法和流程，给予患者的深呼吸训练和氧疗实时提醒、指导和反馈。并向案例大 数据系统400上传训练数据、指标、和报告。
案例大数据系统400包括案例存储和管理单元410、案例归类和推理单元420、 数据规范接口单元430，与医生工作站模块310、医生移动工作站320、患者模 块普及版220相连，接受上传的数据，以案例规范存入相应患者的案例库中。案 例归类和推理单元420对所有案例进行归类，并以基于案例推理的方法，提出处 方优化方案，提醒方案执行和服务递送。详细描述见中国发明专利： 201710608728.6，一种医疗案例大数据智能管理系统。
医生移动工作站模块320包括患者管理和应急单元321和评测和训练监测单 元323。是医生工作站模块310的简化版。
如计算机、人工智能、数字医疗健康领域人员的共识，作为一实施例，本发 明中的信号采集和生理指标测量是穿戴式硬件和嵌入式软件组成；患者智能终端 由智能手机及其中的APP组成；医生工作站由计算机系统以及其中的可执行程序 组成；案例大数据系统是存在于云端的数据库和智能数据处理、分析和推理软件。

Claims (8)

1.一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统，其特征在于，包括：
信号采集和指标测量子系统，用于采集被测者心电和呼吸信号，测量被测者血压、血氧和呼吸潮气量；
信号处理和心肺系统系列指标计算子系统，用于处理和分析信号采集和指标测量子系统得到的心电、呼吸信号、血压、血氧和潮气量，计算心肺系统系列指标；
试验报告生成和处方制定子系统，用于根据心肺系统系列指标，生成心肺呼吸试验报告，制定个性化深呼吸和氧疗处方；
个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统，用于根据个性化深呼吸和氧疗处方，引导、监测和指导患者深呼吸训练和氧疗的实施；
干预进展总结和处方优化子系统，用于根据多次深呼吸训练和氧疗的报告，评估进展、优化处方。
2.根据权利要求1所述的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统，其特征在于，所述信号处理和心肺系统系列指标计算子系统计算的心肺系统系列指标包括：
呼吸系统指标RSI,具体包括：主呼吸频率MR、呼吸平稳度SRR、潮气量TV、血氧饱和度OS，其中，呼吸平稳度SRR定义为
Figure FDA0003244791090000011
其中FResp(n)是呼吸信号的傅里叶变换功率谱，分母是整个功率谱的积分，分子是主呼吸频率附近的积分；
心血管系统指标CSI，具体包括：平均心率MHR、心率变化标准差HRSD、心率功率谱甚低频分量VLF，以及平均血压MBP、血压变化标准差BPSD、动态动脉硬化指数AASI；
心肺交互指标CPII，具体包括；呼吸心率变化幅度AHR、呼吸心率调制度RCM、呼吸心率相关系数CRH，分别定义为；
Figure FDA0003244791090000012
Figure FDA0003244791090000021
Figure FDA0003244791090000022
3.根据权利要求1所述的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统，其特征在于，所述试验报告生成和处方制定子系统根据自由呼吸阶段和3个引导节律呼吸阶段的心肺系统系列指标，生成心肺呼吸试验报告；
以4个呼吸试验阶段的呼吸系统指标评估被测者的呼吸系统功能以及实施呼吸试验的水平；
以4个呼吸试验阶段的心血管系统指标中的心率变异性和血压变异性指标以及在4个呼吸试验阶段的变化，评估被测者的心血管系统功能和危险系数；
以4个呼吸试验阶段的心肺交互指标中的呼吸心率调制度和呼吸心率相关系数，以及在4个呼吸试验阶段的变化，评估心肺交互的协调和同步程度，以4个呼吸试验阶段的呼吸心率变化幅度及其变化，评估迷走神经张力，以三个心肺交互指标共同评估心理健康水平。
4.根据权利要求1所述的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统，其特征在于，所述个性化深呼吸和氧疗处方包括：呼吸训练频次、训练时长、呼吸频率、吸气与呼气时间比、呼吸类型、供氧的氧流量和吸入氧浓度FiO2；
以4个呼吸试验阶段的呼吸系统指标评估被测者的呼吸系统功能以及实施呼吸试验的水平，设定个性化深呼吸和氧疗处方；具体包括：
以主呼吸频率偏离引导呼吸频率的程度和呼吸平稳度来判别被测者所能胜任的深呼吸训练频率，并在其所胜任的深呼吸频率中，择其中心肺交互指标优者为深呼吸处方频率；
以潮气量来判别被测者的呼吸功能，从而确定深呼吸处方中的吸气和呼气时间比，以及呼吸类型；
以血氧和血压来判定被测者是否需要氧疗，以及评估氧疗效果。
5.根据权利要求1所述的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统，其特征在于，所述个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统实现以下功能：
以语言和音乐引导患者跟随节奏，进行深呼吸训练和吸氧；
根据实时测量和计算的心肺系统系列指标中的主呼吸频率、呼吸平稳度、呼吸心率调制度和呼吸心率相关系数的正常与否，提示患者放松心情，跟上引导节奏；
根据实时测量和计算的心肺系统系列指标中的潮气量和呼吸心率变化幅度值的幅度，提醒患者，加大吸气量；
根据实时测量和计算的心肺系统系列指标中血氧和血压值，提醒患者注意吸氧量。
6.根据权利要求1所述的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统，其特征在于，所述干预进展总结和处方优化子系统根据多次深呼吸训练和氧疗的报告，评估深呼吸训练和氧疗的效果和进展，并使用案例大数据的案例推理，为患者推荐优化处方。
7.一种心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗设备，其特征在于，包括：
组成专业用户端的信号采集模块和患者模块，用于专业医疗机构，用于对患者进行心肺呼吸试验，采集患者的心电和呼吸信号，测量血压、血氧和潮气量，以及引导、监测和指导患者实施专业水平的个性化深呼吸训练和氧疗；
医生工作站模块，用于接收来自专业用户端上传的心电和呼吸信号，血压、血氧和潮气量，处理和分析之后，计算心肺系统系列指标，生成心肺呼吸试验报告，制定个性化深呼吸和氧疗处方，向案例大数据模块上传数据、报告和处方；向专业用户端下达深呼吸训练和氧疗实施计划，指导、监测和指导患者的深呼吸训练和氧疗；
面向患者居家康复的普及版用户端，包括信号采集模块和患者模块，采集患者指脉或腕脉的脉搏波光电容积描记PPG信号，自PPG信号计算出心率，分离出呼吸信号，从PPG信号中提取血压特征、计算逐拍血压；使用由PPG信号计算出的心率、呼吸、和逐拍血压，计算心肺系统系列指标中，除了潮气量和血氧饱和度之外的各项指标；向上与案例大数据系统连接，接受处方和医嘱，同时与患者交互，提醒和引导患者实施训练任务；同时，根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统中的个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统中的方法和流程，给予患者的深呼吸训练和氧疗实时提醒、指导和反馈；并向案例大数据系统上传训练数据、指标、和报告；
案例大数据系统，用于与医生工作站模块、医生移动工作站、患者模块普及版相连，接受上传的数据，以案例规范存入相应患者的案例库中；对所有案例进行归类，并以基于案例推理的方法，提出处方优化方案，提醒方案执行和服务递送；
医生移动工作站模块，用于为医生提供方便和实时的患者管理、评测和训练监测。
8.根据权利要求7所述的心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗设备，其特征在于，所述医生工作站模块进一步包括：
信号处理和分析单元，用于处理和分析心电和呼吸信号，以及血压、血氧和潮气量，根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统中的信号处理和心肺系统系列指标计算子系统中的定义和算法，为当前被测者计算其心肺呼吸试验中自由呼吸阶段和其它引导节律呼吸阶段的心肺系统系列指标；
处方制定和优化单元，用于根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统中的试验报告生成和处方制定子系统中所定义的个性化深呼吸和氧疗处方，以及所述处方制定方法，使用心肺呼吸试验各呼吸阶段的心肺系统系列指标，为当前患者制定或优化个性化深呼吸和氧疗处方；
评测和训练任务下达和实施监测单元，用于向上与案例大数据系统连接，管理患者数据案例，向下与患者模块专业版连接，下达评测或训练任务，实时监测任务的实施状况，根据所述心肺呼吸试验和个性化深呼吸和氧疗系统中的个性化深呼吸训练和氧疗实施子系统中的方法和流程，给予患者的深呼吸训练和氧疗实时指导和反馈。
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