摘要
慢性呼吸系统疾病患病率的增加导致家庭提供的保健服务增加。强迫振荡技术(FOT)被证明是一个有用的工具,当需要评估肺功能无创,特别是肺功能测定不能应用的患者。由于目前还没有便携式FOT设备,本研究的目的是设计和测试一种便携式FOT系统,用于移动和家庭护理应用。
该系统以微处理器为基础,可在线计算呼吸阻力(R卢比)和电抗(X卢比)和可靠性指标。利用14例慢性呼吸道疾病患者的信号,将便携式装置与传统FOT系统进行了比较。
该设备具有与传统的FOT系统相同的计算能力和灵活性,并满足家庭应用的要求。R卢比(14.2±6.0而言不啻2Ø·S·L−1,意味着±sd)和X卢比(−5.3±2.7 cmH2Ø·S·L−1)在5hz下由便携式系统测量的结果与参考传统FOT系统计算的结果基本一致:平均差值±sd分别为0.074±0.025和0.005±0.009 cmH2Ø·S·L−1,分别。
该便携式强制振荡技术装置可以是监测车身和家庭护理应用中呼吸力学的有用工具。
这项工作是由Comisión际德西恩西亚ŸTECNOLOGIA(CICYT,SAF99-0001),通过提高妇女地位总署德Enseñanza高级ËInvestigaciónCientífica(DGESIC,PM98-0027)和欧盟委员会(慢性,V计划,IST_DG第十三部分支持,1999-12158)。
由于医学进步和人口老龄化,对保健服务的需求不断增加,导致住院病人逐渐增加。这在慢性呼吸道疾病方面尤其重要,预计在不久的将来,这种疾病的流行率将大幅上升1.为了减轻使用家庭护理和后续计划的解决问题的解决问题2.这导致了便携式和家庭设备与远程医疗的进步的更频繁的使用3..在针对呼吸系统疾病的家庭护理规划中,肺活量测量是测量哮喘或慢性阻塞性肺病(COPD)患者肺功能的金标准。然而,由于肺活量测定法不适用,有一亚组患者的肺功能很难评估。事实上,在许多儿科或老年患者中4肺活量测定不能按照常规的质量标准进行5.此外,由于强制操作可能改变哮喘患者的支气管运动张力,因此在哮喘患者中很难进行重复的肺活量测定6.
在强迫振荡技术(FOT)是用于说明在肺活量测定是困难的或不可能的应用程序的情况下,评估肺功能的有用工具。佛T is a noninvasive method based on superimposing a high frequency (>2 Hz) and small amplitude (∼1 cmH2O)患者自主呼吸时口腔压力振荡7因此,不需要耐心的合作。呼吸系统总阻力(R卢比)和电抗(X卢比)从在嘴处记录的压力和流量信号的振荡部件计算。目前,大多数市售的FOT器件旨在肺功能实验室应用,并且由于其尺寸,复杂性和成本,它们不能在家中施加。然而,如果合适的便携式设备可用,则可以在家中或在动态应用中使用FOT。除了满足常规的FOT建议8,这样的文书应易于操作。此外,测量,鲁棒性和可靠性应该被增强。因此,这项工作的目的是设计和测试基于门诊和家庭护理应用微处理器的小巧便携FOT装置。
方法
便携式FOT设备(图1⇓)设计用于计算R卢比和X卢比实时。该系统由一个激励/换能器块和信号产生,数据采集和在线处理的基于微处理器的平台的。激励/换能器块被用于产生压力振荡基于小扬声器(TS-W161,6“,先锋,得梅因,IA,USA)。激励信号被存储在微处理器的内部存储器并且它与数字的模拟转换器(DAC)的输出声道生成。所得到的信号是模拟地低通滤波和驱动扬声器之前被放大。当pressure oscillation generated by the loudspeaker is transmitted to the patient through a flexible tube (1 m length, 2 cm internal diameter) with a transducer head at the end (fig. 1⇓).换能器头部包含一个fleisch型气速记录仪(0.35 cmH)2Ø·S·L−1)和两个压差传感器(SDXL005D4,±12.7 cmH2O, SenSym, Puchheim, Germany),共模抑制比为78 dB,在5 Hz。网状电阻(RSH.)的0.6 cmH2Ø·S·L−1并联连接在换能器头的入口处,以避免再剥离(图1⇓).流量和压力信号类似地是低通滤波,以防止混叠并适用于模拟到数字转换器(ADC)的输入要求。所有模拟低通滤波器都是8极,Butterworth型,截止频率为32 Hz。便携式设备包括网线参考电阻(3.3 CMH2Ø·S·L−1),用于校准,两个显示器用于显示附加数据,并且为不同的信号的可选的在线监测三个模拟输出。当core of the microprocessor-based platform (fig. 1⇓)是一种数字信号处理器(DSP)(TMS320C31,TEXAS Instruments(TI),Dallas,TX,USA),具有48 MHz的系统时钟,其执行存储在电子可编程只读存储器中的程序(EPROM,64千位).用12位ADC(TLC2543,TI,USA)采样滤波压力和流量信号,并通过串行端口传输到DSP。DSP实时计算患者阻抗,并将所需的输出值和激励信号发送到12位DAC(TLV5614,TI,USA),其产生相应的模拟信号。
可以根据应用程序使用不同的算法进行编程。具体实施集中在慢性呼吸道疾病或哮喘患者呼吸系统的家庭评估。对于此应用,选择了5 Hz励磁频率9.阻抗计算基于先前描述的传统算法10.简单地说,采样的(100hz)压力和流量信号被一个移动平均滤波器(20点)过滤,目的是分离呼吸噪声。压力和流量的强迫振荡分量是由原始信号减去移动平均滤波器的输出得到的。结果信号的5hz振荡分量由傅里叶分析确定。R卢比和X卢比进行在线计算用于从振荡压力和流量的傅立叶系数的激励频率处的商每一个新获取的值。由此产生R卢比和X卢比使用4极Bathtworth数字滤波器(2 Hz,3 dB)滤过低通滤波,以平滑输出信号。在激发频率下测量系统的频率响应被数字校正。输出范围R卢比和X卢比模拟信号(0-100和±50 CMH2Ø·S·L−1分别),以满足评估患者阻抗和检测高阻抗伪影(如声门关闭)所需的范围11.除了计算在线R卢比和X卢比信号该程序也计算了平均值R卢比和X卢比超过16秒,这是FOT测量中常用的参数8.使用相干功能(γ)评估测量可靠性(γ2),由压力(G页)和流动(GVV.)和压力和流量的交叉光谱(G光伏)12.为此,将16个滤波压力和流量信号分成7个4 s(重叠50%)的7个块。G页,GVV.和G光伏在激励频率下,如上所述在线计算每个块13和平均。相干函数>0.95,这是16秒测量的常规阈值,需要测量接受。的意思是R卢比和X卢比在两个显示器中显示了超过16秒的值。压力,流动和在线R卢比信号被发送到模拟输出进行可选监控。
设计系统包括在便携式设备中执行FOT测量所需的所有激励,传感器和计算能力。柔性管(图1⇑),使病人在坐卧位时,可以舒适地适应吹口。FOT激励子系统能够在整个预期患者电阻范围内(0.7-1.0 cmH)产生几乎恒定的压力振荡2O峰-峰为2-50 cmH2Ø·S·L−1病人抵抗)。考虑到分流电阻和气速仪电阻,该装置施加的总负载<1 cmH2Ø·S·L−1在患者的嘴。系统的死区(45厘米3.)足够低,以避免分数CO的增加2鉴于常规FOT测量的短暂持续时间(<30μ),嘴里的浓度。操作模式非常简单,包括两个步骤。解决该第一一个是可选的,以验证系统校准。为此,换能器头应连接到放置在设备的前面板中的参考电阻。根据该装置的稳定性,应将基准电阻上的测量值系统视为±5%公差,应视为系统故障的指示。在这种情况下,给予患者的说明要求他/她重复校准,如果差异持续,请致电医院工作人员负责家庭护理计划。作为患者测量的第二步仅需要患者按下“开始”按钮,并通过吹嘴呼吸20 s(4秒,用于主题适应和16秒R卢比和X卢比测量),同时握住他/她的脸颊。如果相干性低于接受阈值(0.95),结果将被拒绝,设备需要通过前面板上的红灯进行另一次测量。
当经过通常在临床应用中发现的信号时,评估便携式FOT装置的基于DSP的平台的性能。为此,压力,流量,R卢比和X卢比与先前的FOT研究相对应的信号9对14例严重慢性呼吸系统疾病患者进行了治疗。其中8例患者患有慢性阻塞性肺病,另外6例患者由于胸壁疾病出现限制性呼吸功能缺损。这些病人的人体测量和肺功能数据在其他地方有详细的描述9.患者在研究时处于稳定的临床状态,在正常呼吸时以坐姿进行测量。该研究获得了西班牙巴塞罗那省医院诊所伦理委员会的批准,并获得了每位患者的知情同意。为了对便携式FOT装置的dsp平台进行评估,对执行程序进行了轻微修改,以便在线发送R卢比和X卢比信号到模拟输出。先前存储的流量和压力信号分别模拟地由个人计算机(PC)与模拟 - 数字/数字 - 模拟(AD / DA)板再现并供入便携式FOT装置的AD转换器。相应的R卢比和X卢比利用PC机采集dsp平台计算的模拟信号,并与参考信号进行比较R卢比和X卢比信号存储。对于每个病人,时间进程R卢比和X卢比沿着呼吸循环进行比较,以及在16 S期间计算的平均值。将从便携式FOT设备获得的平均值与参考信号的相应平均值进行比较,使用线性回归和平坦和altman分析14(平均差异和一致限度定义为平均±2sd的差异)。
通过对参考电阻和COPD患者的测量来评估整个便携式仪器测量的重复性。首先,在21个不同的天进行一次校准测量。其次,使用该便携式仪器对8名重度COPD患者进行5次连续阻力测量(每个16秒)(1秒用力呼气量=30.4±26.7%预测)。根据5个测量值计算每个患者的耐药性变异系数。
结果
便携式设备能够执行这些变化的在线跟踪R卢比和X卢比沿着呼吸循环,如图2所示⇓对应于慢性阻塞性肺病患者的FOT测量。R卢比呼气期间比灵感在呼气期间呈现更高的值,而X卢比在呼气期间比灵感显示出更多的负值。正如预期的那样,R卢比和X卢比由便携式系统在线计算的信号实际上与存储的参考信号重合(图2)⇓).本例的相干函数为0.99,表明数据的可靠性较好。因此,这种测量方法被接受。图3⇓说明在FOT测量期间工件的发生。在这种情况下,病人通过血流信号关闭声门。R卢比和X卢比在伪影过程中分别经历了巨大的增加和减少。由此产生的相干性(γ2= 0.76)低于接受阈值,因此,结果被自动拒绝并且该装置要求后续测量。
的16-s均值比较得到的结果R卢比和X卢比由DSP平台计算(RDSP,XDSP),以及所储存信号的相应平均值(R,X)如图4所示⇓.两个信号的线性回归(RDSP= 0.115 cmh.2Ø·S·L−1+ 0.997 * R, R2> 0.999;XDSP=−0.023 cmH2Ø·S·L−1+ 0.997 * X, r2> 0.999)符合身份几乎一致。布兰德和奥特曼分析显示两者具有良好的一致性R卢比和X卢比.平均差异R卢比和X卢比0.074和0.005 cmH2Ø·S·L−1,分别。协议的限制(cmH)2Ø·S·L−1)为0.024和0.124R卢比−0.033、0.023X卢比.这些平均差异和一致限度与平均值±标准差相比没有临床意义R卢比和X卢比(14.2±6.0 and −5.3±2.7 cmH2Ø·S·L−1在这些慢性呼吸系统患者中进行了测量。
当在21种不同的日子测量参考电阻时,便携式设备提供稳定的电阻值:平均值为3.35 cmh2Ø·S·L−1,变异系数为1.1%和范围:3.30-3.43 CMH2Ø·S·L−1.8例COPD患者测量的阻力平均变异系数为8%(范围3-15%),与文献中提供的相似。
讨论
本文研制并评价了一种可实时计算呼吸系统机械阻力和电抗的便携式FOT装置。该设备包括执行常规FOT测量所需的所有仪表,并满足FOT设备的一般建议8.此外,设备校准和操作很容易进行,并且自动拒绝人工术数据。
目前市面上大多数的FOT设备都是基于通用PC来控制励磁系统、采集信号和处理数据的。它们被编程与复杂的算法,如伪随机噪声激励,以同时评估R卢比和X卢比在多个频率下,用于计算共振的频率和差异化的灵感和到期。虽然这些设备在计算算法中具有相当大的设施,但它们的特性不会被寻址到所需简单和便携式测量系统的那些应用中,例如家庭护理和动态应用。其他更简单的FOT设备基于单数振荡或计算呼吸阻抗的幅度15.尽管这些系统对评估气道阻塞很有用,尤其是在睡眠期间16,17.,他们不能改变振荡频率或应用多频振荡,他们的计算算法没有提供选择性的信息R卢比和X卢比.
在这项工作中开发的FOT系统是针对家庭和移动应用,需要小型和紧凑的设备。该原型的核心是基于一个微处理器,以实现与商业FOT设备相同的软件功能(多频率、平均值、吸气/呼气阶段、可靠性指标、等)。修改软件,例如.to include the selection of different oscillation frequencies, would only require changing the programme stored in the memory (EPROM, fig. 1⇑).软件的灵活性有利于新应用的执行和更新未来的FOT标准或法规8.这种基于dsp的设备也可用于其他应用,如监测家庭通风18.或者简化的家庭多导睡眠描记术。在这些应用中,计算算法可以包括一个例行程序来补偿掩模中的泄漏9或通过将换能器头放置在远离患者的情况下简化FOT测量19..从呼吸监测的实际角度来看,值得注意的是,所设计的FOT装置包括了所有的仪器(气速仪、压力传感器和可编程处理器),用于实现传统的数字肺活量计,前提是肺活量计的性能与测量流量的范围保持一致。因此,FOT和强制肺活量测定可在同一便携式设备中结合使用,在家中进行更完整的肺功能评估。
总之,本研究表明,FOT可以在便携式系统中实现。开发的设备能够计算R卢比和X卢比在实时和联合计算能力和传统系统的灵活性和低成本和便携性的优势。鉴于其特性和性能该设备特别适合于家用护理和门诊应用监测呼吸力学。此外,这种基于微处理器的装置可以包括有网络功能的通信接口。这将提供病人在家和健康服务提供者之间的网上互动3.对他/她的疾病进行适当的随访。这一应用程序与在患者家中提供医疗保健的当前趋势保持一致。这对于日常监测哮喘患者气道梗阻的变异性和调整相应的治疗方法是有用的20..
致谢
笔者想感谢文学硕士罗德里格斯为他的技术援助。
- 收到了2001年5月16日。
- 接受2001年8月21日。
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