CN117064339A - 一种肺水含量定量检测方法、装置和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于肺水检测技术领域，具体涉及一种肺水含量定量检测方法、装置和存储介质。本发明的方法包括如下步骤：步骤1，向受试者肺部发射脉冲电磁波信号；步骤2，采集受试者肺部产生的热声信号；步骤3，对所述热声信号进行数据处理，得到受试者肺部的血管外肺水含量的检测结果。本发明还进一步提供了实现上述方法的装置。本发明提供的方法和装置具有装置和检测成本低、检测结果准确、检测属于无创检测等优点，特别适用于床旁检测，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于肺水检测技术领域，具体涉及一种肺水含量定量检测方法、装置和存储介质。
背景技术
血管外肺水（extravascular lung water，EVLW）是指肺内血管外的水，包括间质、肺泡、细胞内和淋巴液（胸腔积液除外）的总和，和肺血管内液体共同构成肺的液体总量。EVLW量过大是危重症患者常见和严重的特征、且与死亡率相关，因此是急危重症患者需要监测的重要目标。
定量检测血管外肺水指数(EVLW index, EVLWI)最重要的用途在于早期识别及评估各种程度和类型的肺水肿，因为无论是心源性还是非心源性肺水肿其特征都是EVLW的集聚和增多。EVLW还能较临床表现更早提示病变，能提前22天预示慢性心衰的肺淤血、可比临床标准提前约2.6天预测患者进展为ARDS。EVLWI的第二大用途在于指导危重症患者的液体管理策略。很多危急重症患者既要保持足够的循环容量以保证心、脑、肾等重要脏器的血流，又要避免造成呼吸功能障碍的肺水肿风险，这是一个进退两难的问题；而EVLW可以做为液体风险管理的标志，指导临床医生根据患者病情选择液体种类、应用时机、用量及用法，能改善患者预后；EVLW的增加可被视为危险液体负荷的警报信号，如感染性休克中EVLW＞10mL/kg应采取限制性液体复苏策略。定量检测EVLW的第三个用途在于预测疾病严重程度及死亡。EVLWI≥15mL/kg可确定99%的弥漫性肺泡损伤患者，EVLW是心力衰竭管理和预后的一个关键变量，EVLW还能预测ARDS、脓毒血症、循环性休克、复杂手术围手术期或其他危重症患者的风险并被纳入其管理的当前标准。此外EVLW还与危重患者的死亡率相关，EVLWI＞21mL/kg的患者的死亡率为70%。
因此，床旁定量检测EVLW对危急重症患者有重要意义。
临床通过症状和体征评估肺水含量是主观和不可靠的。现有技术中，肺水含量检测方法可简单分为有创方法和无创方法，有创法主要包括重量法和基于热稀释的方法，无创法主要包括基于密度的影像方法、基于介电特性的检查方法、超声等。
有创法通常能够获得较为准确的结果，可以作为检测肺水含量的“金标准”。然而，由于有创、价格昂贵以及存在并发症等问题，有创法在床旁检测中的应用受到了限制。在无创法中，基于密度的影像方法存在设备庞大、价格昂贵等因素的限制，同样难以实现床旁的检测；而基于介电特性的检查方法和超声方法则存在检测准确性的问题。
因此，本领域亟需开发新的肺水含量无创检测方法，从而实现低成本、准确的肺水含量床旁检测。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供一种肺水含量定量检测方法和装置，目的在于提供低成本、准确的无创肺水含量定量检测方法和装置，实现肺水含量床旁检测。
一种肺水含量定量检测方法，包括如下步骤：
步骤1，向受试者肺部发射脉冲电磁波信号；
步骤2，采集受试者肺部产生的热声信号；
步骤3，对所述热声信号进行数据处理，得到受试者肺部的血管外肺水含量的检测结果。
优选的，步骤1中，所述脉冲电磁波信号的参数为：
发射机频率为10 MHz-10 THz；脉冲电磁波脉宽＜1 s，脉冲峰值功率＞10 dBm，脉冲重复频率＞1 Hz。
优选的，步骤3中，所述数据处理的步骤包括：
步骤3a，信号放大、滤波和模数转换；
步骤3b，利用所述热声信号与血管外肺水含量的线性相关，通过线性模型计算得到血管外肺水含量。
本发明还提供一种肺水含量定量检测装置，包括：
脉冲电磁波发生器，被配制为通过天线向受试者肺部发射脉冲电磁波信号；
接收器，被配制为通过超声换能器接收受试者肺部产生的热声信号；
信号处理装置，被配置为对所述热声信号进行处理，计算得到受试者肺部的血管外肺水含量的检测结果。
优选的，所述脉冲电磁波信号的参数为：
发射机频率为10 MHz-10 THz；脉冲电磁波脉宽＜1 s，脉冲峰值功率＞10 dBm，脉冲重复频率＞1 Hz。
优选的，所述信号处理装置被配制为对所述热声信号进行如下处理：
步骤3a，信号放大、滤波和模数转换；
步骤3b，利用所述热声信号与血管外肺水含量的线性相关，通过线性模型计算得到血管外肺水含量。
优选的，所述天线选自喇叭天线或柔性天线。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有：用于实现上述肺水含量定量检测方法或肺水含量定量检测装置的计算机程序。
本发明采用一种新的原理进行肺水含量的定量检测，具体的：选取对水分含量变化敏感且具有较好穿透特性的电磁波进行激发，有助于实现对肺水含量的高对比度和高敏感性检测；肺部吸收脉冲电磁波信号能量，并基于电磁波热致声效应产生超声波信号(热声信号)，所产生的热声信号幅值大小与肺水含量相关，且由于超声传播速度远小于电磁波传播速度，因此可以轻易的区分出诸如胸腔壁的不同组织结构而获得来自肺部的热声信号；利用超声换能器接收热声信号，并经由信号处理可定量获取肺水含量。基于上述原理，本发明提供的方法和装置具有装置和检测成本低、检测结果准确、检测属于无创检测等优点，特别适用于床旁检测，具有很好的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为实施例2的肺水含量定量检测装置结构示意图；
图2为实施例2中肺水含量定量检测结果示例，其中，(a)为正常肺和肺水肿的微波热声信号，(b)为正常肺和肺水肿的两组微波热声信号的差值。
具体实施方式
需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。
实施例1 肺水含量定量检测方法
本实施例提供肺水含量定量检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1，采用脉冲电磁波发生器通过天线向受试者肺部发射脉冲电磁波信号；
具体包括以下三个步骤：首先对需要发射的电磁波信号进行脉宽及重复频率设置，然后对该电磁波进行脉冲峰值功率设置，最后进行脉冲电磁波发射。
具体参数设置为：发射机频率可选择低频射频信号(小于10 MHz)、微波频段(300MHz到300GHz)或太赫兹波段(0.3 THz到10 THz)；脉冲电磁波脉宽＜1 s，脉冲峰值功率＞10 dBm，脉冲重复频率＞1 Hz。
步骤2，采集受试者肺部产生的热声信号；
热声信号的采集方法可以采用现有技术实现，比如基于压电效应的采集方法等。
所述热声信号的产生过程为：不同肺水含量的肺部组织吸收脉冲电磁波能量，基于电磁波热声效应，不同肺水含量的肺部组织产生不同特性(幅相)的热声信号；该热声信号携带有肺部组织不同水含量的关联信息。
步骤3，对所述热声信号进行数据处理，得到受试者肺部的血管外肺水含量的检测结果。
具体的，对微弱热声信号进行放大、滤波后采集存储，并进一步通过模数转换处理获得血管外肺水含量。本方法基于标准水气混合体膜获得不同水气比例、不同胸腔厚度的热声信号(Thermoacoustic Signal: TAS)模型，将采集到的人体肺部热声信号以及通过皮肤对比得到的胸腔厚度带入上述模型即可获得血管外肺水含量。
实施例2 肺水含量定量检测装置
本实施例提供用于实现实施例1的肺水含量定量检测方法的装置，结构如图1所示，包括发射端和接收端，具体的：
发射端包括脉冲电磁波发生器，配制有天线，通过天线可向受试者肺部发射脉冲电磁波信号；所述天线可选择喇叭天线或柔性天线。
接收端包括：
接收器，配制有超声换能器，用于接收受试者肺部产生的热声信号；
信号处理装置，被配置为对所述热声信号进行处理，计算得到受试者肺部的血管外肺水含量的检测结果。
采用本实施例的装置和实施例1所述的方法，对肺水含量定量检测的示例如图2所示。图2（a）为正常(Normal)和肺水肿模型(pulmonary edema)兔肺部热声信号图，图2（b）为两者差值信号图，可见肺水肿后热声信号(TAS)幅值有明显的变大趋势，与理论分析一致。临床上血管外肺水指数 EVLWI＜7mL/kg 通常认为没有明显的肺水肿、EVLWI≥7ml/kg 提示可能存在肺水肿、EVLWI≥10ml/kg 是诊断肺水肿的合理指标、EVLWI≥15ml/kg 则提示存在严重的肺水肿。进一步基于实验数据构建出肺水含量与热声信号幅值之间模型后，可以根据热声信号幅值信息得出绝对肺水含量。如图2(a)所示肺水肿TAS峰峰值为2000，对应肺水含量为10%；正常肺部TAS峰峰值为200，对应肺水含量为1%，肺水含量与TAS峰峰值成线性相关，因此，可以根据热声信号幅值信息得出绝对肺水含量。注意：此处所述肺水含量1%和10%是指整个血管外肺水与整个肺部体重的比例。
通过上述实施例可以看到，本发明提供了一种新的肺水含量定量检测方法和装置，具有低成本、结果准确和无创检测等优点，适用于床旁检测，具有很好的应用前景。
Claims (8)
1.一种肺水含量定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，向受试者肺部发射脉冲电磁波信号；
步骤2，采集受试者肺部产生的热声信号；
步骤3，对所述热声信号进行数据处理，得到受试者肺部的血管外肺水含量的检测结果。
2.按照权利要求1所述的肺水含量定量检测方法，其特征在于，步骤1中，所述脉冲电磁波信号的参数为：
发射机频率为10 MHz-10 THz；脉冲电磁波脉宽＜1 s，脉冲峰值功率＞10 dBm，脉冲重复频率＞1 Hz。
3.按照权利要求1所述的肺水含量定量检测方法，其特征在于：步骤3中，所述数据处理的步骤包括：
步骤3a，信号放大、滤波和模数转换；
步骤3b，利用所述热声信号与血管外肺水含量的线性相关，通过线性模型计算得到血管外肺水含量。
4.一种肺水含量定量检测装置，其特征在于，包括：
脉冲电磁波发生器，被配制为通过天线向受试者肺部发射脉冲电磁波信号；
接收器，被配制为通过超声换能器接收受试者肺部产生的热声信号；
信号处理装置，被配置为对所述热声信号进行处理，计算得到受试者肺部的血管外肺水含量的检测结果。
5.按照权利要求4所述的肺水含量定量检测装置，其特征在于：所述脉冲电磁波信号的参数为：
发射机频率为10 MHz-10 THz；脉冲电磁波脉宽＜1 s，脉冲峰值功率＞10 dBm，脉冲重复频率＞1 Hz。
6.按照权利要求4所述的肺水含量定量检测装置，其特征在于：所述信号处理装置被配制为对所述热声信号进行如下处理：
步骤3a，信号放大、滤波和模数转换；
步骤3b，利用所述热声信号与血管外肺水含量的线性相关，通过线性模型计算得到血管外肺水含量。
7.按照权利要求4所述的肺水含量定量检测装置，其特征在于：所述天线选自喇叭天线或柔性天线。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有：用于实现权利要求1-3任一项所述的肺水含量定量检测方法，或用于实现权利要求4-6任一项所述的肺水含量定量检测装置的计算机程序。
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