CN115153465A - 一种心肺功能评估系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种心肺功能评估系统，包括：呼吸参数采集装置、心电信号采集装置及终端设备；呼吸参数采集装置接收终端设备发送的呼吸参数采集指令进行呼吸参数采集并发送至终端设备；心电信号采集装置接收终端设备发送的心电信号采集指令进行心电信号采集并发送至终端设备；终端设备发送用于心肺功能评估的测试对应的开始测试提示和测试方法提示，以使用户按照测试方法提示对应的测试方法在开始测试提示发出后进行测试，同时控制呼吸参数采集装置和/或心电信号采集装置采集呼吸参数和/或心电信号，根据接收的呼吸参数和/或心电信号进行心肺功能评估。本发明能够使患者在居家条件下自行、准确地评估自己的心肺功能。

Description

一种心肺功能评估系统
技术领域
本发明涉及心肺功能评估领域，尤其涉及一种心肺功能评估系统。
背景技术
心肺功能是评价人体健康状况的重要指标之一。相关研究表明，心肺功能水平和全因死亡率之间呈反比关系，也就是心肺功能水平越低，全因死亡率越高。同时，提高心肺功能水平可以降低多种慢性疾病的患病风险及死亡率。最大摄氧量是指人体在运动中每分钟能摄入氧气的最大体积，可以有效反映人体心肺功能水平，是心肺功能综合评估中最常用的指标。从最大摄氧量的定义可以看出其评估需要测试者运动且达到一定负荷，目前临床上为了客观准确地评估患者的心肺功能水平，一般有直接和间接两种方法。
直接法即心肺运动试验，是在特定运动过程中通过专业设备对受试者的血压、心电、血氧饱和度和气体交换等方面的数据进行实时监测，测出达到运动极限时的摄氧量。间接法是指在特定的运动中，在不测量通气量的情况下，通过某些相对容易获取的指标(如心率、运动距离等)，由经验公式推算出最大摄氧量等反映心肺功能指标。
上述心肺功能评估方法存在以下局限：(1)直接法相对准确，但是需要昂贵的仪器设备和专业人员的配合，患者无法在居家环境中单独完成，不适合连续、动态监测心肺功能；(2)直接法运动模式单一，可能因为受试者运动能力的不足而无法准确评估其心肺功能水平；(3)间接法可及性更强，但是其准确性依赖于受试者特征与预测模型的契合程度，同时运动能力较差的受试者可能无法完成间接法所对应的运动方式。相关产品单纯根据静息心率、心率变异度、个体特征等信息推算最大摄氧量，但是没有参考患者本身的肺功能情况，准确性有待提高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种便携式、居家使用的心肺功能评估系统。
具体方案如下：
一种心肺功能评估系统，包括：呼吸参数采集装置、心电信号采集装置及分别与呼吸参数采集装置和心电信号采集装置通讯连接的终端设备；
呼吸参数采集装置接收终端设备发送的呼吸参数采集指令进行呼吸参数采集，并将采集的呼吸参数发送至终端设备；
心电信号采集装置接收终端设备发送的心电信号采集指令进行心电信号采集，并将采集的心电信号发送至终端设备；
终端设备发送用于心肺功能评估的测试对应的开始测试提示和测试方法提示，以使用户按照测试方法提示对应的测试方法在开始测试提示发出后进行测试，同时控制呼吸参数采集装置和/或心电信号采集装置采集呼吸参数和/或心电信号，根据接收的呼吸参数和/或心电信号进行心肺功能评估。
进一步的，用于心肺功能评估的测试包括徒手活动肺功能测试，当终端设备控制发出开始测试提示后，终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户的呼吸参数，同时通知心电信号采集装置采集用户的心电信号；
终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算通气量，并绘制通气量随时间的变化曲线；终端设备根据接收到的呼吸参数中的氧浓度绘制氧浓度随时间的变化曲线；根据外界环境氧浓度、通气量随时间的变化曲线和氧浓度随时间的变化曲线，绘制耗氧量随时间的变化曲线；
终端设备根据接收到的心电信号绘制心率随时间的变化曲线；
终端设备根据心率随时间的变化曲线和耗氧量随时间的变化曲线，绘制心率随耗氧量的变化曲线，并根据心率随耗氧量的变化曲线拟合得到心率与耗氧量的函数模型，根据用户的最大心率和心率与耗氧量的函数模型，计算用户的最大耗氧量，将用户的最大耗氧量作为用户的最大摄氧量，根据用户的最大摄氧量评估用户的心肺功能。
进一步的，徒手活动肺功能测试的测试方法为进行20分钟的徒手运动。
进一步的，终端设备在根据心率与耗氧量的函数模型计算出用户的最大耗氧量后，还包括根据金标准测量用户的实际最大耗氧量，通过实际最大耗氧量对心率与耗氧量的函数模型进行校准；之后测试时，直接使用校准后的心率与耗氧量的函数模型计算用户的最大耗氧量。
进一步的，用于心肺功能评估的测试包括肺活量测试，测试方法为进行平静呼吸后进行一次深呼吸；终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在深呼吸阶段的呼吸参数；终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算单次深呼吸的通气量，根据单次深呼吸的通气量评估用户的心肺功能。
进一步的，用于心肺功能评估的测试包括呼出气体容积测试，测试方法为先进行平静呼吸，之后快速用力吸气至最大吸气量后，用力快速呼气并坚持一段时间，重复上述过程；终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在用户快速呼气阶段的呼吸参数；终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算用力呼气过程中第一秒的气体容积及整个用力呼气过程中呼出气体的容积，根据用力呼气过程中第一秒的气体容积及整个用力呼气过程中呼出气体的容积评估用户的心肺功能。
进一步的，用于心肺功能评估的测试包括最大通气量测试，测试方法为在额定时间内快速吸气与呼气；终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在测试过程中的呼吸参数；终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算用户在额定时间内的通气容积，进而计算用户的最大通气量，根据最大通气量评估用户的心肺功能。
进一步的，用于心肺功能评估的测试包括心率测试，测试方法为静坐；终端设备控制心电信号采集装置采集用户在测试过程中的心电信号；终端设备根据接收到的心电信号计算心率平均值作为静息心率测量值，同时计算心率变异度作为静息心率变异度，根据静息心率测量值和静息心率变异度评估用户的心肺功能。
本发明采用如上技术方案，提出了一种便捷式、可居家使用的心肺功能评估系统，可以连续、动态的监测并记录患者心肺功能参数，以便康复治疗师通过监测结果指导患者康复运动方案，达到最佳的运动康复效果；可以使患者能够在居家条件下自行、准确地评估自己的心肺功能。
附图说明
图1所示为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明实施例提供了一种心肺功能评估系统，如图1所示，包括：呼吸参数采集装置、心电信号采集装置及分别与呼吸参数采集装置和心电信号采集装置通讯连接的终端设备。
呼吸参数采集装置接收终端设备发送的呼吸参数采集指令进行呼吸参数采集，并将采集的呼吸参数发送至终端设备。本实施例中设定呼吸参数收集装置为面罩形式，可覆盖在患者口鼻处，并通过脑后的橡皮绳固定。面罩上进气口和出气口处均安装有单向阀膜片，使得进气口和出气口的气体只能单向流动，从而既保证用户(受试者)的呼吸顺畅，又便于对用户呼出气体的流速进行检测。呼吸参数采集装置能够测算呼吸参数，如吸气/呼气时通过单向阀门的气体流速、呼出气体中的氧浓度、二氧化碳浓度等。呼吸参数采集装置通过其上安装的蓝牙信号传输模块将采集的呼吸参数发送至终端设备。
心电信号采集装置接收终端设备发送的心电信号采集指令进行心电信号采集，并将采集的心电信号发送至终端设备。本实施例中心电信号采集装置通过贴于胸壁的电极片采集体表生物电信号，并对采集的生物心电信号进行放大、滤波等预处理后，转换为心电信号。心电信号采集装置同样通过其上安装的蓝牙信号传输模块将采集的心电信号发送至终端设备。
终端设备发送用于心肺功能评估的测试对应的开始测试提示和测试方法提示，以使用户按照测试方法提示对应的测试方法在开始测试提示发出后进行测试，同时通过发送呼吸参数采集指令控制呼吸参数采集装置采集呼吸参数，和/或通过发送心电信号采集指令控制心电信号采集装置采集心电信号，根据接收的呼吸参数和/或心电信号进行心肺功能评估。
用户在开始评估前，首先需要将呼吸参数采集装置和心电信号采集装置按要求佩戴后，输入个人和环境参数，本实施例中为用户的最大心率和外界环境氧浓度。
需要说明的是，开始测试提示和测试方法提示可以采用常用的提示方法，与语音提示、显示屏幕文字提示、播放视频提示等等，在此不做限制。
本实施例中设定心肺功能评估包括静息肺功能评估、静息心律评估及徒手活动心肺功能评估三个阶段。
(一)静息肺功能评估包括三种测试，分别为：
1.肺活量(VC)测试：测试方法为进行2-3次平静呼吸(即人在安静状态下的呼吸运动)(次数可以适当调整)后进行一次深呼吸。终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在深呼吸阶段的呼吸参数。终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算单次深呼吸的通气量(即肺活量)，根据单次深呼吸的通气量评估用户的心肺功能。
2.呼出气体容积测试：测试方法为进行3-5次平静呼吸(次数可以适当调整)，之后快速用力吸气至最大吸气量后，用力快速呼气并坚持6秒(坚持时间可以适当调整)以上，重复上述过程3次以上(重复次数可以适当调整)。终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在用户快速呼气阶段的呼吸参数。终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算用力呼气过程中第一秒的气体容积(FEV1)及整个用力呼气过程中呼出气体的容积(FVC)，根据用力呼气过程中第一秒的气体容积及整个用力呼气过程中呼出气体的容积评估用户的心肺功能。
3.最大通气量(MVV)测试：测试方法为在额定时间(本实施例中设定为15秒)内快速吸气与呼气。终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在测试过程中的呼吸参数。终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算用户在额定时间内的通气容积，进而计算用户的最大通气量(15秒内的通气容积乘以4)，根据最大通气量评估用户的心肺功能。
(二)静息心律评估包括心率测试，测试方法为静坐(本实施例中设定静坐时间为5分钟)。终端设备控制心电信号采集装置采集用户在测试过程中的心电信号；终端设备根据接收到的心电信号计算心率平均值作为静息心率测量值，同时计算心率变异度作为静息心率变异度，根据静息心率测量值和静息心率变异度评估用户的心肺功能。
(三)徒手活动心肺功能评估包括徒手活动心肺功能测试，测试方法为进行20分钟的徒手运动(即不依靠器械进行运动)。当终端设备控制发出开始测试提示后，终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户的呼吸参数，同时通知心电信号采集装置采集用户的心电信号。
终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算通气量(单位时间内呼出的气体体积)，并绘制通气量随时间的变化曲线。终端设备根据接收到的呼吸参数中的氧浓度绘制氧浓度随时间的变化曲线。根据外界环境氧浓度、通气量随时间的变化曲线和氧浓度随时间的变化曲线，绘制耗氧量随时间的变化曲线。
终端设备根据接收到的心电信号绘制心率随时间的变化曲线。
终端设备根据心率随时间的变化曲线和耗氧量随时间的变化曲线，绘制心率随耗氧量的变化曲线，并根据心率随耗氧量的变化曲线拟合得到心率与耗氧量的函数模型，根据用户的最大心率和心率与耗氧量的函数模型，计算用户的最大耗氧量，将用户的最大耗氧量作为用户的最大摄氧量，根据用户的最大摄氧量评估用户的心肺功能。
进一步的，为了保证函数模型的准确性，本实施例中还包括在根据心率与耗氧量的函数模型计算出用户的最大耗氧量后，还包括根据金标准测量用户的实际最大耗氧量，通过实际最大耗氧量对心率与耗氧量的函数模型进行校准；之后再进行徒手活动肺功能测试时，直接使用校准后的心率与耗氧量的函数模型计算用户的最大耗氧量。
本发明实施例在受试者徒手活动肺功能评估中通过特定预测模型预测受试者的最大摄氧量。由于徒手活动对受试者运动能力要求较低，因此对于部分因非心肺能力限制的原因(运动能力)无法进行传统心肺运动试验的受试者提供了评估心肺功能的工具。
本发明实施例中受试者无需进行高强度体力活动，对于罹患严重心肺系统疾病，如严重呼吸衰竭、心力衰竭而无法完成传统心肺运动试验的受试者提供了评估心肺功能的工具；同时对于罹患运动可诱发疾病，如心绞痛、心肌梗死、LQT综合症、儿茶酚胺敏感性室速等疾病的患者更为安全。
本发明实施例中患者在居家环境下即可实现，无需专业器械及专业人士，成本低廉，简单易行，方便受试者通过本方案定期评估心肺功能，并进一步指导运动训练。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种心肺功能评估系统，其特征在于，包括：呼吸参数采集装置、心电信号采集装置及分别与呼吸参数采集装置和心电信号采集装置通讯连接的终端设备；
呼吸参数采集装置接收终端设备发送的呼吸参数采集指令进行呼吸参数采集，并将采集的呼吸参数发送至终端设备；
心电信号采集装置接收终端设备发送的心电信号采集指令进行心电信号采集，并将采集的心电信号发送至终端设备；
终端设备发送用于心肺功能评估的测试对应的开始测试提示和测试方法提示，以使用户按照测试方法提示对应的测试方法在开始测试提示发出后进行测试，同时控制呼吸参数采集装置和/或心电信号采集装置采集呼吸参数和/或心电信号，根据接收的呼吸参数和/或心电信号进行心肺功能评估。
2.根据权利要求1所述的心肺功能评估系统，其特征在于：用于心肺功能评估的测试包括徒手活动肺功能测试，当终端设备控制发出开始测试提示后，终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户的呼吸参数，同时通知心电信号采集装置采集用户的心电信号；
终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算通气量，并绘制通气量随时间的变化曲线；终端设备根据接收到的呼吸参数中的氧浓度绘制氧浓度随时间的变化曲线；根据外界环境氧浓度、通气量随时间的变化曲线和氧浓度随时间的变化曲线，绘制耗氧量随时间的变化曲线；
终端设备根据接收到的心电信号绘制心率随时间的变化曲线；
终端设备根据心率随时间的变化曲线和耗氧量随时间的变化曲线，绘制心率随耗氧量的变化曲线，并根据心率随耗氧量的变化曲线拟合得到心率与耗氧量的函数模型，根据用户的最大心率和心率与耗氧量的函数模型，计算用户的最大耗氧量，将用户的最大耗氧量作为用户的最大摄氧量，根据用户的最大摄氧量评估用户的心肺功能。
3.根据权利要求2所述的心肺功能评估系统，其特征在于：徒手活动肺功能测试的测试方法为进行20分钟的徒手运动。
4.根据权利要求2所述的心肺功能评估系统，其特征在于：终端设备在根据心率与耗氧量的函数模型计算出用户的最大耗氧量后，还包括根据金标准测量用户的实际最大耗氧量，通过实际最大耗氧量对心率与耗氧量的函数模型进行校准；之后测试时，直接使用校准后的心率与耗氧量的函数模型计算用户的最大耗氧量。
5.根据权利要求1所述的心肺功能评估系统，其特征在于：用于心肺功能评估的测试包括肺活量测试，测试方法为进行平静呼吸后进行一次深呼吸；终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在深呼吸阶段的呼吸参数；终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算单次深呼吸的通气量，根据单次深呼吸的通气量评估用户的心肺功能。
6.根据权利要求1所述的心肺功能评估系统，其特征在于：用于心肺功能评估的测试包括呼出气体容积测试，测试方法为先进行平静呼吸，之后快速用力吸气至最大吸气量后，用力快速呼气并坚持一段时间，重复上述过程；终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在用户快速呼气阶段的呼吸参数；终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算用力呼气过程中第一秒的气体容积及整个用力呼气过程中呼出气体的容积，根据用力呼气过程中第一秒的气体容积及整个用力呼气过程中呼出气体的容积评估用户的心肺功能。
7.根据权利要求1所述的心肺功能评估系统，其特征在于：用于心肺功能评估的测试包括最大通气量测试，测试方法为在额定时间内快速吸气与呼气；终端设备控制呼吸参数采集装置采集用户在测试过程中的呼吸参数；终端设备根据接收到的呼吸参数中的气体流速和时间计算用户在额定时间内的通气容积，进而计算用户的最大通气量，根据最大通气量评估用户的心肺功能。
8.根据权利要求1所述的心肺功能评估系统，其特征在于：用于心肺功能评估的测试包括心率测试，测试方法为静坐；终端设备控制心电信号采集装置采集用户在测试过程中的心电信号；终端设备根据接收到的心电信号计算心率平均值作为静息心率测量值，同时计算心率变异度作为静息心率变异度，根据静息心率测量值和静息心率变异度评估用户的心肺功能。
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