CN115624324B - 心脏功能结合呼气末二氧化碳分压预测高原反应的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种心脏功能结合呼气末二氧化碳分压预测高原反应的系统，包括：左心室整体纵向应变获取装置，用于获取受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变；运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，用于获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压；急性高原反应预测设备，用于根据受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变和在平原地区的运动过程中呼气末二氧化碳分压，使用急性高原反应预测模型，预测受试人员急进高原发生急性高原反应的可能性；急性高原反应预测模型选用多层前馈神经网络神经网络训练得到。本发明可以解决现有技术中无法对急性高原反应进行早期预测或筛选易感人群的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及人体高原反应预测领域，具体涉及一种心脏功能结合呼气末二氧化碳分压预测高原反应的系统。
背景技术
在医学意义上，我国高原约占国土面积的1/6，高原面积大，高原长居人口众多。急性高原反应(AMS)是威胁急进高原人群的常见高发疾病，未经阶梯习服的平原居民急性暴露于海拔3000米及以上的高原时，AMS的发病率约为50％～75％，且随着海拔的增高，AMS的发病率也增加。AMS的症状主要有头晕、恶心、呕吐、心悸、胸闷、气短、口唇及指甲末端发绀、周身无力等。
随着旅游、设施建设等行业发展，人们对进入高原的需求也大大增加，有效预测AMS的发病率有着重要意义。但是，目前许多研究仅仅比较了各种情况下AMS症状或发生率，目前国内外研究仍然无法满足对AMS早期预警，实现早期预防或筛选易感人群的实际需求。
因此，亟需一种新的AMS发生率预测方案策略，用以早期筛选急进高原后发生急性高原反应的易感人群。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出心脏功能结合呼气末二氧化碳分压预测高原反应的系统，以解决现有技术中无法对急性高原反应进行早期预测或筛选易感人群的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种心脏功能结合呼气末二氧化碳分压预测高原反应的系统，包括：
左心室整体纵向应变获取装置，用于获取受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变；
运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，用于获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压；
急性高原反应预测设备，用于根据受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变和在平原地区的运动过程中呼气末二氧化碳分压，使用急性高原反应预测模型，预测受试人员急进高原发生急性高原反应的可能性。
进一步的，急性高原反应预测模型的构建方法包括：
获取受试者的基本信息；
获取受试者在平原地区的左心室整体纵向应变；
获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压；
将受试者转移到高原地区，记录受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的可能性；
将受试者的基本信息、在平原地区的左心室整体纵向应变、在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压构建的数据集作为人工神经网络的输入，将受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的可能性作为人工神经网络的输出，对人工神经网络进行训练；
将完成训练的人工神经网络作为急性高原反应预测模型。
进一步的，受试者的基本信息包括年龄、性别和身体质量指数。
进一步的，人工神经网络为多层前馈神经网络。
进一步的，左心室整体纵向应变获取装置包括超声心动图获取装置和超声心动图评估装置；
超声心动图获取装置为超声诊断仪，获取的超声心动图包括二维超声心动图、脉冲多普勒超声心动图、彩色组织多普勒超声心动图、斑点追踪超声心动图；
超声心动图评估装置用于根据超声心动图计算获得左心室整体纵向应变。
进一步的，斑点追踪超声心动图计算获得左心室整体纵向应变。
进一步的，在获取超声心动图时，让受试者休息至少10分钟，使受试者处于左侧侧卧位后开始采集。
进一步的，使用运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压，包括：让受试者戴上面罩，使用电子制动测功率踏车进行骑行，通过心肺运动测试系统测量运动过程中呼气末二氧化碳分压。
进一步的，循环测功方案包括第一时间段无负荷自由骑行，随后进行持续增加阻力的第二时间段自由骑行，直到测试完成。
由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
根据受试者在平原地区的左心室整体纵向应变，结合受试者在平原地区的运动过程中呼气末二氧化碳分压，能够预测该受试者急进高原后发生急性高原反应的可能性，用以早期筛选易感人群。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例的预测高原反应的系统框图；
图2为本发明实施例的急性高原反应预测模型的建模示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
AMS易感的原因众多，本申请的发明人通过研究发现，在高原低压低氧环境中，人体的机体动脉氧分压慢性下降，长期的低压缺氧将引起血液学、代谢、神经学、呼吸和心血管等系统的不可逆的改变。缺氧环境下，由于心血管对缺氧的适应不足，吸入的氧气不足以供应机体的活动，机体通过增加通气和心脏功能代偿来满足机体活动的需求。同时，由于交感神经兴奋增加、局部代谢产物增加等原因，会诱导机体血管收缩，尤其是肺血管和脑血管。在肺部，肺小动脉中膜增厚进而导致肺血管阻力增加、心脏心室负荷增加，从而产生呼吸困难、咳嗽、水肿等症状；在脑部，大脑缺血缺氧，脑血管舒张、血管源性水肿、颅内压升高和脑膜扩张，会产生头晕、失眠等症状，严重影响急进高原人们的行为能力。为了探索平原心脏、肺脏功能与AMS发生之间的关系及其预测价值，结合上述机体活动的原理，本申请的发明人采集了超声心动图和心肺运动实验参数。
超声心动图是评估心脏收缩和舒张功能的金标准，而肺功能检查是体现肺通气功能的金标准，有助于更好地了解心脏在氧供不足时的适应情况。基于目标一致，直接可测，客观可靠，简单易行，动态发展的预测原则，本申请的发明人在身体健康的低地人群中，利用平原超声心动图和平原肺功能检查，分别评估受试人群在平原地区的心肺功能，再与这一批受试人群急进高原后产生的急性高原反应症状进行多因素逻辑回归分析，探索与产生急性高原反应的主要相关参数，以期能有效预测AMS的发生。通过上述研究过程的逻辑回归数据分析发现：左心室整体纵向应变(LV GLS)结合运动过程中呼气末二氧化碳分压(PetCO2)与AMS的发生密切相关。
左心室整体纵向应变(LV GLS)的测量优选采用斑点追踪超声心动图，这是一种无创、可行的表示心室纵向功能的方法。LV GLS是代表左心室整体功能的重要指标，纵向应变能够准确、早期地检测出可能影响心内膜下纵向肌纤维的改变，测值稳定，且重复性好。LVGLS的降低，能够很好地反映左心房的功能障碍，在许多临床研究中，LV GLS被证明是许多心血管疾病的早期诊断、鉴别诊断、进展和治疗反应的敏感指标。这些证据能够从机理上解释本申请发明人的发现，即LV GLS对AMS的发病率提供了预测价值。通过研究数据得出以下结论，在平原地区LV GLS相对较低的受试者，急进高原后发生AMS的概率较大；这表明在平原地区左室纵向收缩功能相对较弱的人，急进高原后发生AMS的风险较高。
运动过程中呼气末二氧化碳分压(PetCO2)指呼气终末期呼出的混合肺泡气含有的二氧化碳分压值。从机理上分析，在平原地区LV GLS较低的受试者通过心率增加可能代偿相对较弱的左室纵向收缩功能，以维持心输出量和促进机体适应。机体在上述生理状态下，因代谢过程产生的二氧化碳会随体循环静脉经过肺动脉，在肺内弥散扩散到肺泡，最后随呼吸排出。机体的二氧化碳分压与pH、血管阻力变化等密切相关，维持适当的PaCO2(动脉血二氧化碳分压)对维持机体内环境稳定意义重大；反映肺部氧弥散功能、评估肺泡功能的重要指标是PaO2/FiO2(动脉血氧分压与吸入气氧浓度的比值)，维持合适的PaO2/FiO2对于保障机体用氧必不可少。然而在临床中PaCO2与PaO2/FiO2需要采集动脉血、进行血气分析检查才能得出，因为很难实时获得。并且，如果要实时采集动脉血会出现频繁穿刺抽取动脉进而造成感染、出血风险，在实际操作过程中存在弊端。在此种情况下，本申请的发明人考虑使用PetCO2，PetCO2是一种无创、连续、实时、简便、灵敏度高且非常重要的血流动力学监测指标，能反映循环功能和肺血流情况；无创实时得到的PetCO2与PaCO2高度相关，该数值与体内PaCO2数值相近，也可反映人体内PaCO2变化情况。
在上述研究机理下，本实施例提出了一种心脏功能结合呼气末二氧化碳分压预测高原反应的系统，包括：
左心室整体纵向应变获取装置，用于获取受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变；
运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，用于获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压；
急性高原反应预测设备，用于根据受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变和在平原地区的运动过程中呼气末二氧化碳分压，使用急性高原反应预测模型，预测受试人员急进高原发生急性高原反应的可能性。
对于获取左心室整体纵向应变，在一些实施例中，左心室整体纵向应变获取装置包括超声心动图获取装置和超声心动图评估装置。超声心动图获取装置采用超声诊断仪，超声诊断仪的型号选择不做限定，以现有技术能实现的方式进行实施。在获取超声心动图时，均在受试者休息至少10分钟后使机体达到稳定状态，使受试者处于左侧侧卧位后开始采集，所有图像均根据美国超声心动图学会推荐的标准胸骨旁和心尖视图获得。超声心动图评估装置使用配备了2.5MHz变频传感器的超声波机(型号为CX50，Philips UltrasoundSystem,Andover，MA，USA)用于超声心动图评估，采集的超声心动图图像以数字方式保存下来，可保存为二维超声心动图、脉冲多普勒超声心动图、彩色组织多普勒超声心动图、斑点追踪超声心动图，随后使用QLAB软件(QLAB 10.5,Philips Healthcare,Andover，MA，USA)进行离线分析，评估得到受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变。纵向应变代表左心室心肌沿纵轴方向的缩短，选取心尖两腔、三腔、四腔心切面的图像，计算所有区域形变的平均值，获得整体纵向应变(global longitudinal strain，GLS)。
对于获取运动过程中呼气末二氧化碳分压，在一些实施例中，使用心肺运动测试系统(Metalyzer 3B，Cortex，德国)，通过面罩呼吸对PetCO2进行测量。运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，包括：心肺运动测试系统、电子制动测功率踏车(customedEC3000e，Customed，德国)和面罩。循环测功方案包括3分钟的无负荷自由骑行，随后时间段内进行持续增加阻力25W/min的自由骑行，直到测试完成。PetCO2由Metalyzer 3B系统自动检测，其原理根据受试者实际运动过程中体内二氧化碳产量(VCO2)和肺通气量(VA)计算，公式为PetCO2＝VCO2×0.863/VA，其中0.863是气体容量转换成压力的系数。心肺运动实验得到的参数不易受天气、时间、测量者误差等因素影响，因此数据具有稳定性；同时，心肺运动实验的操作培训难度不高，且运动中的数据是其它任何临床检查技术不能获得的，有其独特的优势。
对于急性高原反应预测设备，在一些实施例中为一终端，包括硬件和软件，比如台式电脑、平板电脑。急性高原反应预测设备中装有急性高原反应预测模型，将受试人员在平原地区的左心室整体纵向应变和在平原地区的运动过程中呼气末二氧化碳分压输入到急性高原反应预测模型中，可以得出受试人员急性进入高原地区暴露后，发生急性高原反应的可能性。LV GLS、PetCO2的输入方式不作限定，举例说明，在具体的实施方式中，可以将LVGLS获取装置、PetCO2获取装置与急性高原反应预测设备通信连接，急性高原反应预测设备自动接收LV GLS获取装置、PetCO2获取装置的数据；也可以是由操作人员人工手动录入LVGLS、PetCO2数据到急性高原反应预测设备，供急性高原反应预测模型调用。
在一些实施例中，急性高原反应预测模型的构建方法如下：
S1、获取受试者的基本信息
在具体的实施方式中，基本信息包括年龄、性别和BMI(身体质量指数，用来表征人体胖瘦程度)。
在具体的实施方式中，受试者的选取数量不作限定，举例说明为200-300位。
S2、获取受试者在平原地区的左心室整体纵向应变
在具体的实施方式中，采用本实施例中前文所述的左心室整体纵向应变获取装置，获取受试者在平原地区的左心室整体纵向应变。
S3、获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压
在具体的实施方式中，采用本实施例中前文所述的运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压。
S4、将受试者转移到高原地区，记录受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的可能性
在具体的实施方式中，受试者乘坐飞机从重庆转移到拉萨，飞行时间约2小时。受试者达到拉萨后12小时，采用2018年路易斯湖急性高原病评分系统，对受试者是否发生急性高原反应进行评估诊断，并将评估诊断结果作为受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的情况加以记录。
S5、将受试者的基本信息、在平原地区的左心室整体纵向应变、在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压构建的数据集作为人工神经网络的输入，将受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的可能性作为人工神经网络的输出，对人工神经网络进行训练；将完成训练的人工神经网络作为急性高原反应预测模型。
在具体的实施方式中，人工神经网络选用BP(back propagation)神经网络，BP神经网络是一种按误差反向传播训练的多层前馈神经网络，采用BP算法，利用梯度搜索技术，以期使网络的实际输出值和期望输出值的误差均方差为最小。BP神经网络的结构分为输入层、隐藏层和输出层，将受试者的基本信息、在平原地区的左心室整体纵向应变、在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压构建的数据集写进输入层中，经隐藏层的计算，由输出层输出受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的可能性，作为BP神经网络的计算结果。计算出来发生急性高原反应的可能性分为3种：较低、一般，较高。
通过采用本实施例的技术方案，根据受试者在平原地区的左心室整体纵向应变，结合受试者在平原地区的运动过程中呼气末二氧化碳分压，能够预测该受试者急进高原后发生急性高原反应的可能性，用以早期筛选易感人群。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (8)
1.一种心脏功能结合呼气末二氧化碳分压预测高原反应的系统，其特征在于，包括：
左心室整体纵向应变获取装置，用于获取受试者在平原地区的左心室整体纵向应变；
运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，用于获取受试者在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压；
急性高原反应预测设备，用于根据受试者在平原地区的左心室整体纵向应变和在平原地区的运动过程中呼气末二氧化碳分压，使用急性高原反应预测模型，预测受试者急进高原发生急性高原反应的可能性；所述急性高原反应预测模型的构建方法包括：获取受试者的基本信息；获取受试者在平原地区的左心室整体纵向应变；获取受试者在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压；将受试者转移到高原地区，记录受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的可能性；将受试者的基本信息、在平原地区的左心室整体纵向应变、在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压构建的数据集作为人工神经网络的输入，将受试者在急进高原地区后发生急性高原反应的可能性作为人工神经网络的输出，对人工神经网络进行训练；将完成训练的人工神经网络作为急性高原反应预测模型。
2.根据权利要求1所述的预测高原反应的系统，其特征在于，所述受试者的基本信息包括年龄、性别和身体质量指数。
3.根据权利要求1所述的预测高原反应的系统，其特征在于，所述人工神经网络为多层前馈神经网络。
4.根据权利要求1所述的预测高原反应的系统，其特征在于，所述左心室整体纵向应变获取装置包括超声心动图获取装置和超声心动图评估装置；
所述超声心动图获取装置为超声诊断仪，获取的超声心动图包括二维超声心动图、脉冲多普勒超声心动图、彩色组织多普勒超声心动图、斑点追踪超声心动图；
所述超声心动图评估装置用于根据超声心动图计算获得左心室整体纵向应变。
5.根据权利要求4所述的预测高原反应的系统，其特征在于，选用斑点追踪超声心动图计算获得左心室整体纵向应变。
6.根据权利要求4所述的预测高原反应的系统，其特征在于，在获取超声心动图时，让受试者休息至少10分钟，使受试者处于左侧侧卧位后开始采集。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用运动过程中呼气末二氧化碳分压获取装置，获取受试人员在平原地区运动过程中的呼气末二氧化碳分压，包括：让受试者戴上面罩，使用电子制动测功率踏车进行骑行，通过心肺运动测试系统测量运动过程中呼气末二氧化碳分压。
8.根据权利要求7所述的预测高原反应的系统，其特征在于，使用电子制动测功率踏车进行骑行时，循环测功方案包括第一时间段无负荷自由骑行，随后进行持续增加阻力的第二时间段自由骑行，直到测试完成。
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