基于生物阻抗法的肺功能參數(shù)測量.pdf

1、嚴(yán)重的空氣污染和快速的老齡化，導(dǎo)致我國的呼吸道疾病發(fā)病率呈逐年上升趨勢，如今慢性呼吸道疾病死亡率已占全國疾病死亡率的16.0％。隨著人民生活水平的提高，人們對自身健康狀況的關(guān)注程度也迅速提升，對慢性呼吸道疾病的日常監(jiān)測越來越受到個人和家庭的重視。肺功能檢查是慢性呼吸系統(tǒng)疾病的必要檢查之一，對于早期檢出肺、氣道病變，評估疾病的病情嚴(yán)重程度，評定藥物或治療方法的療效，鑒別呼吸困難的原因，診斷病變部位，評估肺功能對手術(shù)的耐受力或勞動強(qiáng)度耐受力

2、及對危重病人的監(jiān)護(hù)等方面均有重要的指導(dǎo)意義。機(jī)體為維持生命活動而攝取必需的O2，同時排出體內(nèi)物質(zhì)代謝所產(chǎn)生的CO2，這種機(jī)能活動稱為呼吸(respiration)。肺泡內(nèi)的空氣與血液間的氣體交換稱為外呼吸或肺呼吸，血液與組織細(xì)胞間的氣體交換稱為內(nèi)呼吸或細(xì)胞呼吸。細(xì)胞呼吸也叫組織呼吸，組織呼吸多半是指細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝過程中的H+轉(zhuǎn)運(yùn)而言。歸根結(jié)底，呼吸就是以血液作為中間媒介，將空氣中的O2運(yùn)送到組織，將組織中的CO2排出體外的過程。當(dāng)肺中O

3、2少，CO2多時，呼出氣與外界空氣進(jìn)行交換，這個過程叫做通氣(ventilation)，通氣要靠呼吸運(yùn)動來實現(xiàn)。描記呼吸運(yùn)動過程的曲線的方法叫做呼吸曲線描記法(pneumogram)，本課題旨在研究有關(guān)肺呼吸（或外呼吸）測量的新方法。目前對肺功能的測量方法主要借助于各類流量計:壓差式流量計、熱敏式流量計、葉輪式和渦輪式流量計和超聲音式流量計。雖然這些方法及其產(chǎn)品發(fā)展已比較成熟且測量精度也比較高，但相應(yīng)儀器產(chǎn)品價格昂貴，而且直接通過口腔對

4、流量計吸氣與呼氣進(jìn)行測量，在長時間監(jiān)護(hù)應(yīng)用上十分不便。故傳統(tǒng)肺功能的測量方法至今難于進(jìn)入社區(qū)和家庭，無法讓人們適時獲得自身的肺功能狀況及早做好預(yù)防措施，因此，研發(fā)適用于家庭和社區(qū)的、操作簡便、低成本的肺功能測量方法與裝置，對慢性呼吸道疾病的預(yù)防和治療具有非常重要的意義。
　　 本文提出了應(yīng)用生物阻抗法的原理檢測肺功能的新方法，并以此為基礎(chǔ)研制了胸阻抗測量儀實驗樣機(jī)。樣機(jī)以TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430為核心，輔以外圍

5、電路，即高頻激勵輸出模塊，壓控恒流源，包絡(luò)檢波、放大、濾波、電平轉(zhuǎn)換等電路共同組成，以實現(xiàn)胸阻抗的測量?；谏镒杩狗ǖ脑順訖C(jī)采用二電極方法，提取人體在呼吸過程中胸阻抗的變化以及變化率來檢測反映肺功能的主要參數(shù)。由于呼氣時胸腔的收縮使肺泡和氣路受到壓迫，使氣體進(jìn)入支氣管，同樣支氣管受到壓迫而塌陷，迫使氣體呼出體外，隨著支氣管的塌陷和氣路的阻力的增加，限制了氣流速率的進(jìn)一步增大。胸阻抗變化的曲線表明最大呼氣速率隨著肺容量的減小而減小，這

6、與已知的人體呼吸生理過程是相吻合的。樣機(jī)測量提取的主要參數(shù)是：①用力肺活量FVC:（forced vital capacity）:它是從最大吸氣位置（即TLC）用力迅速呼出時的總呼出量;②一秒率(FEV1/FVC,FEV1％:forced expiratory volume in one second):它是從最大吸氣位置用力呼出經(jīng)1s時間呼出的氣體量，與用力肺活量之比，即FEV1％=(FEV1/FVC)×100％;③峰值流量(PEF,

7、 peak expiratory flow):即最高呼氣流量，是指用力肺活量測定過程中，呼氣流量最快時的瞬間流速。測量的基本方法如下：利用極值加閾值的算法，經(jīng)過多次檢測實驗，從波形里超過閾值的數(shù)據(jù)中尋找極大值和極小值，完成對呼吸波的波峰及波谷的提取，再經(jīng)計算處理從而獲得用力肺活量和一秒率;利用差分法尋找前后阻抗差值的最大值并以此對應(yīng)呼吸波斜率的最大值，并加以計算處理獲得峰值流量。所研制的基于生物阻抗法原理的肺功能儀與基于流量計測量的傳統(tǒng)

8、肺功能儀相比有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴體積小，重量輕，便于攜帶，可在社區(qū)醫(yī)院與家庭有限的空間環(huán)境里有效使用;⑵價格低廉，與上萬元的市售傳統(tǒng)肺功能儀相比更易于廣大民眾所接受;⑶使用方便，只需在胸前貼上電極便可進(jìn)行測量，而傳統(tǒng)肺功能儀測量時對流量計的使用要求十分嚴(yán)格，沒有專業(yè)人員指導(dǎo)難以完成。為驗證所提新方法的有效性，利用本文所研制的實驗樣機(jī)與基于傳統(tǒng)流量計法的MIR公司的spirolabⅢ肺功能儀，進(jìn)行了肺功能測量對比試驗。試驗對象為23例健康人，所

9、測肺功能主要參數(shù)包括:用力肺活量（FVC: forced vitalcapacity）、一秒率（FEV1/FVC, FEV1: forced expiratory volume in one second）和峰值流量(PEF, peak expiratory flow)。本文最后采用了比較兩種測試方法一致性的Bland-Altman法，對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，兩種測量方法數(shù)據(jù)的差值均落在其均值的正負(fù)2倍方差以內(nèi)，根據(jù)Bland-Alt