基于一種新型強(qiáng)迫振蕩儀器的呼吸道阻抗測(cè)量研究*

王 銳，鄧林紅，陳園園，麥克西蒙· 杰弗里

（1．重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044;2．加拿大達(dá)爾豪西大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，哈利法克斯 B3J3H5）

0 引言

呼吸系統(tǒng)疾病有很多種，其中哮喘是一種包含氣道感染和氣道重塑的慢性疾病，并和氣道過分收縮和過易緊縮聯(lián)系在一起。地球上總共有1～1．5億的人口遭受哮喘病的折磨，其中每年約有18萬人因?yàn)橄《劳觯?］。因而，找到一種有效的診斷哮喘病的方法，并據(jù)此對(duì)疾病進(jìn)行有效的控制治療顯得非常重要。

目前，最可靠的測(cè)定可逆氣道阻塞的方法就是肺活量測(cè)定法［2］，一種測(cè)量呼入氣體量和呼出后剩余氣體量的測(cè)試方法。由于肺活量測(cè)定法需要被測(cè)試者高度配合，所以，對(duì)于嬰幼兒、癱瘓病人、殘疾人和高齡人群實(shí)施起來不是很方便。因此，另外一種在測(cè)量過程中不需要被測(cè)者很費(fèi)勁、適用于嬰兒、兒童和成年人的方法誕生了，這就是強(qiáng)迫振蕩技術(shù)（forced oscillation technique，F(xiàn)OT）。FOT于1956年首次被Dubois A B和他的同事用于呼吸系統(tǒng)力學(xué)研究中［3］。FOT提供了一種無創(chuàng)的、僅需被測(cè)試者被動(dòng)合作地獲取肺部力學(xué)特性的方法，因而，被越來越多地應(yīng)用于呼吸障礙的測(cè)試中［4］。它已經(jīng)被成功應(yīng)用于嬰兒［5］、睡眠中和機(jī)械通氣的病人中。

本文展示了一種新的FOT儀器，該儀器由加拿大Dalhousie大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的Maksym G教授開發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明:用這種FOT儀器測(cè)量的哮喘病人的阻抗明顯高于正常人。因此，這種新型的FOT儀器對(duì)于哮喘病的診斷提供了一種很好的手段，對(duì)于臨床診斷很有幫助。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1．1 被測(cè)試者

經(jīng)過加拿大Capital Health Research Ethics Board，確認(rèn)，總共征集了10位被測(cè)試者，其中包括5個(gè)哮喘病人和5個(gè)健康人。哮喘病人組要求病人被醫(yī)生診斷確認(rèn)有哮喘病1年以上，年齡在16～70歲之間。健康人組同樣是年齡在16～70歲之間，但是要求沒有哮喘病或者其他的呼吸道疾病，并在近期（6個(gè)星期）沒有過患過呼吸道感染疾病。有吸煙史（每年的吸煙量大于10包）和孕婦都被排除在外，不適宜參加本實(shí)驗(yàn)。

1．2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用的振蕩肺活量測(cè)定儀（oscillation spirometer，OS）是由加拿大 Dalhousie大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的Maksym G教授開發(fā)的一種新的FOT儀器。OS不但可以記錄傳統(tǒng)的肺活量測(cè)定法的測(cè)量結(jié)果，而且可以記錄FOT的測(cè)量結(jié)果。而且這種技術(shù)用自激的活塞取代了傳統(tǒng)大而笨重的揚(yáng)聲器，因此，OS的體積會(huì)大大縮小，更加便攜化，不像傳統(tǒng)的FOT儀器體積大、笨重，而且實(shí)施起來不方便［6］。

1．3 實(shí)驗(yàn)原理

這種技術(shù)是通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生一個(gè)特定頻率和振幅的壓力振蕩，振蕩波施加于受試者的口腔并疊加在呼吸氣流之上，隨氣流進(jìn)入氣道和肺組織，測(cè)量經(jīng)氣道和肺組織吸收并折射的壓力和流量，計(jì)算振蕩壓力和流量傅立葉變換（P（f）和V（f））的商即可獲得呼吸系統(tǒng)的呼吸系統(tǒng)總阻抗（Zrs）。Zrs是一個(gè)復(fù)數(shù)量，它的實(shí)部是呼吸系統(tǒng)阻抗（Rrs）代表了Zrs的同相部分，代表了氣道和肺組織的粘性阻力，是比較常用的反應(yīng)呼吸道阻抗的參數(shù)之一，它的虛部是呼吸系統(tǒng)電抗（Xrs）。圖1為FOT的簡(jiǎn)單示意圖。

圖1 FOT簡(jiǎn)單示意圖Fig 1 Diagram of FOT set up

1．4 實(shí)驗(yàn)方法

被測(cè)試者通過接口管呼吸到OS儀器，測(cè)量過程中要求被測(cè)試者坐著平靜地呼吸，并在測(cè)量過程中用雙手拖住自己的臉頰。由于漏氣會(huì)造成結(jié)果的不準(zhǔn)確，所以，被測(cè)試者還要求在測(cè)量過程中用嘴盡量密封地包圍接口管。每次測(cè)量將持續(xù)1 min，每個(gè)人要被測(cè)量5次。哮喘病患者無需在測(cè)量之前停藥，也就是說整個(gè)測(cè)量過程是在患者病情被控制的情況下進(jìn)行。輸入信號(hào)采用6Hz的正弦波。采集到的呼吸信號(hào)用256 Hz的頻率進(jìn)行采樣，整個(gè)信號(hào)處理的過程在Matlab平臺(tái)下進(jìn)行。后期使用t檢驗(yàn)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，來比較正常人和哮喘病人的結(jié)果。當(dāng)p＜0．05時(shí)認(rèn)為有顯著差異。

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中對(duì)每個(gè)受試者測(cè)量5次，每次測(cè)量1 min。圖3為一例哮喘患者的測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含|Zrs|，Rrs和Xrs隨時(shí)間變化的曲線。從數(shù)據(jù)中可以看到三者都隨時(shí)間的變化而變化，其中，Rrs是最常用的、并且最能體現(xiàn)哮喘病的參數(shù)。Rrs的變化被認(rèn)為是由呼吸過程中氣道平滑肌的不斷收縮和擴(kuò)張引起的氣道口徑的變化引起。氣道平滑肌的這種活躍性導(dǎo)致了Rrs的不斷變化，周期內(nèi)每秒可能不同，每分鐘可能不同，每天不同甚至每個(gè)月不同［7］。Rrs反映了Zrs的同相部分，而Xrs代表Zrs的異相部分。這也和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，在圖3中可以看出:Rrs的變化趨勢(shì)和|Zrs|類似，而Xrs和其相反，當(dāng)|Zrs|最大時(shí)，Rrs也最大，Xrs最小。

圖2 一例哮喘病患者的20 s的數(shù)據(jù)Fig 2 An example of an asthmatic subject’s data for 20 s

FOT在測(cè)量不同年齡、性別和高度的兒童與成人的Rrs時(shí)在一定頻率下已經(jīng)顯示出較好的重復(fù)性［8］，Rrs的均值在健康兒童、哮喘病兒童和肺部囊性纖維化的兒童中也顯示出良好的重復(fù)性。另外，這些測(cè)量結(jié)果還和能用肺活量測(cè)定法的兒童用FEV1的測(cè)量結(jié)果高度一致［9］。成年人FOT的學(xué)習(xí)研究指出Rrs的均值可以反映氣道直徑的區(qū)別，因此，可以被用于區(qū)別哮喘、慢性支氣管炎、肺氣腫、肺部囊性纖維化和睡眠窒息的診斷［10］。這里也比較了兩組受試者的Rrs的均值（圖4）。從圖中可以看出:哮喘病人相對(duì)于正常人的Rrs較高。為了準(zhǔn)確地分析其差異性，把兩組數(shù)據(jù)做了t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的結(jié)果p=0．017，認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)有顯著性差異。

圖3 OS測(cè)量的5位哮喘病人和5位正常人的Rrs值Fig 3 Rrsvalue of 5 asthmatic people and 5 healthy people measured by OS

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明:新型的OS儀器測(cè)量的哮喘病人的呼吸系統(tǒng)阻抗（Rrs）明顯不同于正常人，從而表明這種新型的儀器能運(yùn)用到哮喘病人的診斷中，能為臨床診斷提供有效的輔助手段。而且由于這種儀器本身的簡(jiǎn)單、易用和便攜的特點(diǎn)必將使它成為強(qiáng)迫振蕩呼吸機(jī)的主流產(chǎn)品之一，也為遠(yuǎn)程醫(yī)療創(chuàng)造了可能性。

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