摘要
振荡测量法(也称为强制振荡技术)通过应用振荡压力信号(输入或强制信号)(最常见的是在口腔)来测量安静潮汐呼吸期间呼吸系统(上和胸内气道,肺组织和胸壁)的机械特性。随着临床和研究使用的增加,硬件设计、信号处理和分析以及测试协议的所有技术细节都必须透明并清晰地报告,以实现临床和研究研究的标准化、比较和复制。由于这一需要,2003年欧洲呼吸学会(ERS)技术标准文件的更新由活跃于临床振荡研究的专188bet官网地址家组成的ERS特别工作组制作。
该工作组的目的是提供有关振荡测量的技术建议,包括硬件、软件、测试协议和质量控制。
与2003年ERS工作组文件相比,这次更新的主要变化是:1)新的质量控制程序,反映了“呼吸内”分析的使用,以及人工制品的处理方法;2)建议公开信号处理、质量控制、人工制品处理和呼吸协议(如。报告和出版物中的获取数量和持续时间),以允许设备和实验室之间的可比性和复制;3)对支持支气管扩张剂和支气管挑战试验阈值的新数据进行综述;4)成人和儿童的预测阻抗值更新列表。
摘要
随着临床和研究中越来越多地使用振荡法测量呼吸系统阻力和抗压,一个由国际专家组成的ERS工作组对2003年技术标准进行了更新http://bit.ly/2XBJ7PF
文件概述
振荡法的研究越来越多,临床应用的兴趣和可行性也越来越大。呼吸振荡测量在安静的潮汐呼吸期间,通过施加小的压力或流量振荡(输入或强迫信号),最常见的是在口腔,测量呼吸系统(上气道和胸内气道,肺组织和胸壁)的机械特性。
虽然振荡测量的基本原理对于所有设备基本上是相同的,但在硬件、数据采集、信号处理和分析以及呼吸协议方面存在差异,这可能会导致阻抗测量的差异。此外,振荡测量从根本上说与传统的肺功能测量不同,即。肺活量和肺容积。
振荡测量法已应用于广泛的临床和研究环境,但这些重要的主题不包括在本文件。本文件的目的是强调技术因素,硬件,软件和患者测试过程中可能影响振荡测量的因素。解决这些因素对于标准化和获得最高标准的精确振荡测量至关重要。因此,硬件设计、信号处理和分析以及测试协议的所有技术细节都必须透明并清晰地报告,以实现临床和研究研究的标准化、比较和复制。
该工作组文件包含有关振荡测量的一般建议,包括硬件、软件、测试协议和质量控制。考虑到可以应用振荡测量的广泛场景,许多建议都是一般性的,尽管有些建议在适当的情况下更具体。详细介绍了振荡法的技术建议和临床测试表1.与2003年欧洲呼吸学会(ERS)工作组文件相比,本次更新的主要区别[188bet官网地址1],详情见表2.
简介
振荡测量法(也称为强迫振荡技术或“FOT”)于1956年首次提出[2].通常,这种技术被用来被动地测量呼吸系统的机械特性,即。不需要像强制到期这样的操作。振荡可叠加在自发潮汐呼吸或呼吸支持通气之上,并可高度应用于常规临床试验无法实现的许多临床环境,包括在幼儿和机械通气期间。
在振荡测试中,刺激被施加到口腔的呼吸系统上。输入信号要么是压力振荡,要么是流量振荡,然后测量响应(分别以流量或压力为单位)。振荡压力与由振荡刺激产生的振荡流的比率用于计算输入阻抗,并表示呼吸系统的总机械性能。这种呼吸系统表现的局限性在于,它被假定为线性行为,而即使在健康的肺中(主要是在近端和上呼吸道)也可能存在非线性行为,在患病的肺中更是如此。此外,在健康的肺中,通气是不均匀的,在疾病中更是如此,这也影响了这种关系。将强制振荡应用于呼吸系统的最常见和实用的方法是通过气道开口。虽然还有其他方法可以对呼吸系统施加强制振荡(例如,振荡胸壁[2]),本文只讨论在气道开口处施加信号的振荡测量法,因为这是最常见的方法。
频率在4 - 50hz范围内的压力振荡通常由扬声器产生。较低频率(即。< 4hz,低至~ 0.5 Hz),通常由活塞式机械设备产生[3.]或气动比例电磁阀[4或扩音器。然而,较低的频率需要暂停自发呼吸[5],这在许多患者群体中可能是困难的或不可能的。因此,本文对低频技术的讨论很少。激励频率> 35hz很容易由低音扬声器或中断阀产生[6],并可在一定条件下使用,以评估大气道及其管壁的声学或机械特性。目前,这种高频率在临床环境中不常用,也没有进一步讨论。
虽然强制振荡在原则上很容易管理,但存在潜在的误差和变化来源,包括患者呼吸、细菌过滤器、人工气道、设备硬件和信号分析、数据处理和质量控制策略的变化。一份技术标准文件于2003年出版[1].从那时起,已有大量涉及振荡测量术的已发表研究,涉及改进测量技术以及临床研究,因此有必要进行这次更新。
呼吸系统振荡力学的关键概念
呼吸系统阻抗(Zrs)评估进出肺部的振荡流动时压力与流量变化之间的关系。Zrs有两个基本组成部分:阻力(Rrs)和电抗(Xrs): 的Xrs的组成部分Zrs可以进一步定义为: 在哪里我rs=呼吸系统惯性和Ers=呼吸系统弹性和 而且f是振荡频率。
Rrs很大程度上可以解释为气道口径。因此,更窄和更长的气道有更高的阻力,由于更大的摩擦压力损失,空气流经他们。此外,Rrs受气道树中阻力和电抗的非均匀分布(见后文)的影响,其中增加非均匀性会增加任何给定频率下的有效阻力[7].也有来自实质组织和胸壁的贡献有效Rrs.自Rrs反映逆流变化的,是逆流的组成部分Zrs在给定的压力输入下,增加的阻力会减少流量。它不会造成“时间延迟”(即。相位滞后)在流量变化中,与压力变化有关。
与抵抗相反,Xrs表示与流量不相但与体积变化相一致的压力变化。因此,Xrs也被称为“相外”分量或“虚数”分量,由于其数学描述的性质,前面已经描述过,涉及“j”,单位虚数。术语“阻抗的虚部”可能令人困惑,在临床环境中最好避免使用。因此,电抗是这个分量的首选术语Zrs.
电抗由惯性和弹性两部分组成。Ers,为1/顺应性,是整个系统(胸壁、肺和气道壁)刚度的衡量,在常用的振荡频率下,包括气道和肺泡内气体的压缩性。随着体积的变化,所产生的弹性力导致压力变化滞后于流量变化(时间延迟或相位滞后),因此弹性导致电抗为负。因此,更多的负电抗表明更大的弹性或刚度振荡(动态)条件下(根据Zrs方程)。此外,气道口径和肺顺应性在气道树中的不均匀分布也会影响阻力,即。时间常数(阻力×顺应性)[8,9].这通常发生在阻塞性呼吸道疾病中。(时间常数的)异质性使得有效弹性(因此Xrs)对频率非常敏感(依赖于频率)。非均质性增加会降低有效电抗(即。增加刚度/弹性)在任何给定的频率。
我rs是主要由于中央气道内气柱加速造成的压力损失的指标。除了由气体密度和气道长度与表面积之比决定的气道成分外,我rs也有一个肺-胸壁成分,这是由他们各自的质量比表面积的平方决定的。在正常情况下,肺胸壁的组成部分我rs与气道成分相比很小。我rs在更高的频率变得重要,肺中的大部分气体和结构以更高的速度振荡。惯性表示与这些加速力相反,这些加速力与弹性的作用方向相反(180°相外)。因此,惯性导致压力领先于流动振荡,并导致电抗为正。
当惯性和弹性大小相等时,弹性贡献正好等于惯性贡献。由于方向相反,它们相互抵消,电抗变为零。这一点称为共振频率(fres),其相应频率在健康成年人中通常为~ 8 - 12hz [10,且随年龄的减小而增加,其中fres在幼儿中可以达到30赫兹。因此当Xrs= 0,Zrs=Rrs.以上频率fres,Xrs值为正,因为它由气体和组织的表观惯性所支配。
气道和对着肺的阻力、弹性和惯性大小不同,在肺内的分布方式也不同,即。呼吸系统有固有的异质性。这种异质分布Rrs而且Ers肺的性质解释了振荡测量的一个重要力学特征;频率依赖性。
频率依赖性
Rrs,弹性和惯性(即电抗)随频率变化,即。它们与频率有关(图1).气道树的异质性、组织粘弹性、气道壁分流和气道垂都有助于频率依赖性。当频率下降到5赫兹以下时,Rrs由于肺(组织粘弹性)和胸壁(弹性)的机械性能占主导地位,迅速增加而电抗变得更负。当频率在常用频率范围(4-50 Hz)内增加时,肺和胸壁的贡献减小,并且Rrs在健康成人中,其频率不受影响,主要受气道特性的影响。在健康儿童中Rrs继续显示负频率依赖性。如前所述,随着频率的增加,表观弹性继续减小,即X。rs当惯性开始占主导地位时,消极情绪就会减少Xrs,即。正频率依赖性。
在婴儿,Zrs频率< 1-2 Hz时包含组织(肺和胸壁)的阻力和弹性特性的信息[11].胸壁的贡献Zrs随频率增加而减少,随年龄增加而增加[12].Rrs婴儿主要以鼻阻力为主,因为他们习惯用鼻子呼吸,因此测量时需要使用口罩[13].气道疾病引起的不均匀通气可能影响频率依赖性。在5到15赫兹的频率下,Zrs包含气道阻力的信息,频率为>50 Hz,Zrs主要由中央气道的声学特性以及气道壁的力学特性决定[14,15].
阻抗的负频率依赖性可以方便地表示为的高频值之间的差Rrs和一个低频值。然而,生理信息取决于所使用的频率。在正常潮汐呼吸频率及以下,阻抗的频率依赖性主要反映健康肺呼吸系统组织的粘弹性特性。在疾病中,频率依赖比正常潮汐呼吸频率更高,是由异质性增加而增强的Rrs而且Ers由于肺内气道结构的变化增加。的频率依赖性Rrs在无症状吸烟者中,肺活量测定正常与食道测压测量依从性的频率依赖相关[16].应用的流振荡分流到上呼吸道(脸颊,咽部,等.)由声门和声门下气道阻抗增加引起,并可增加阻抗的整体频率依赖性[3.,17- - - - - -21].模拟研究[19,22建议Rrs5 - 20可以反映肺作为一个单独的腔室(不涉及组织阻力)与上呼吸道结构相互作用的方式,气流振荡被分流到上呼吸道结构。因此,频率依赖的生理解释仍然不确定,尽管常见的说法参数,如Rrs5 - 20反映小气道口径。不幸的是,目前还没有发表将病理学与频率依赖相关的研究结果。因此,这仍然是一个需要进一步研究的领域。
应用振荡测量法的临床环境
振荡测量法可用于各种临床环境,包括临床肺功能实验室、现场测试、家庭监测和重症监护。振荡测量主要应用于气道疾病和儿童肺部疾病,在这些疾病中振荡测量可能具有最广泛的临床应用。有许多可用的商用设备,以及本地定制设备。不同的设备或硬件、振荡信号或数据分析方法的修改可能使它们更适合不同的应用,如。给孩子做检查或者在重症监护室。
低频阻抗(即。在包括典型呼吸频率的频率)可以在成人和婴儿中测量,尽管这通常需要呼吸暂停和胸壁肌肉放松[3.,5].然而,更新的设备和信号处理技术可能允许测量低频Zrs自发呼吸时[23].在婴儿中,呼吸暂停可以通过提供气道正压的黑灵-布洛反射诱发通过面罩。如果不需要呼吸暂停,振荡测量也可以在安静的睡眠中进行,如。当使用单频或更高频率激励时。婴儿出生后1-3天就可以使用波管技术[24- - - - - -26].
Rrs,Xrs,fres其他振荡指数提供了补充“传统”测量的数据,如肺活量、肺体积、比电导和扩散能力。振荡测量为无法进行肺活量测量的患者提供信息,如。他们不善于合作或身体虚弱。振荡测量法可替代肺活量测量法在成人中进行支气管挑战测试[9,27- - - - - -38].它可能对儿童特别有用,因为在年轻时进行肺活量测量有困难[39- - - - - -45],但仍需考虑其他技术问题[46,47].
振荡测量法已应用于职业健康筛查和大型成人及儿童人口研究[25,26,48].短的测试时间和易于管理的受试者是在这种设置下的潜在优势。在检测职业性暴露引起的呼吸道疾病时,振荡测量法比肺活量测量法更敏感[48- - - - - -55],但这一领域需要进一步研究。
对哮喘和慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者来说,在家中进行的自我管理、每日振荡测量已被证明是非常可行的[56- - - - - -58].大量的日常数据允许使用复杂的时间序列技术分析每天的变异性,这可能对哮喘的诊断、监测其对治疗的反应和临床表型具有潜在的临床价值[59].在一项COPD研究中,由振荡指数恶化引发的早期干预与住院或症状的任何差异无关。然而,重复住院人数大幅减少,医疗成本大幅降低[60].
振荡测量法的使用也有可能优化重症监护室或手术室的机械通风[61- - - - - -63],尽管这仍然是一个正在进行的研究领域。阻抗已从频谱增强的通风波形中测量,其中一些可能允许不间断通风[64- - - - - -68或通过修改通风机的硬件,而无需添加组件。
方法
该工作组由两位联合主席格雷戈里·金和艾丽·奥斯蒂文发起,他们制定了文件的目标和大纲,并召集了工作组的成员。所有的尝试都包括了主要研究小组的代表,他们一直积极发表涉及振荡测量学的研究。该工作组最初是美国胸科学会(ATS)/ERS联合项目,随后是ERS项目。由于进展缓慢,ATS于2018年底撤回了对该项目的支持。
工作组试图制作一份“最先进”的文件,汇集了振荡测量学的现有文献,以便以综合、连贯的方式呈现指导设备设计、质量控制和测量的证据。此外,我们还试图确定促进工作和填补知识空白所需的研究领域。
该工作组由21名国际成员组成,从他们在振荡测量学国际研究文献中的简介中确定。这些成员来自多个国家:澳大利亚、比利时、巴西、加拿大、法国、意大利、日本、荷兰、西班牙和美国。有儿科(GLH, EL, SJS, CT和EO)和成人(GGK, JB, KIB, PC, PLM, RLD, RF, II, CGI, DWK, DAK, HK, GNM, FM, BWO, CT, MvdB, EO)振荡测量研究人员的代表;成员包括医疗从业人员(GGK、KIB、PC、DWK、DAK、EL、BWO、MvdB);所有成员都有振荡测量法的实际应用经验。
所有成员都提交了签署的潜在利益冲突声明,这些声明根据ATS和ERS规则进行管理,并在项目结束时定期更新。没有成员因为潜在的和公开的利益冲突而被排除在外。
各个部分最初由GGK和EO概述,并由ATS和ERS大会上的工作组在面对面会议上商定。这些部分被分配给GGK和EO组织的工作组。每个部分的文献搜索由部分作者进行,他们使用PubMed、谷歌Scholar和MEDLINE,搜索仅限于英文出版物,但不受出版年份的限制。
章节草稿由GGK进行了整理、检查和编辑,以确保风格的一致性。所有章节都由工作队所有成员审查。与内容相关的具体问题通过电子邮件和面对面的会议进行了讨论。工作组在2015年至2018年期间定期在ATS和ERS大会上举行会议,会议由GGK和EO组织和主持,并得到ATS和ERS的支持。本文件的技术建议和标准是工作组对现有文献(包括以前的ERS技术标准(2003)或其他广泛使用和接受的参考值和技术文件)进行解释的结果。如果结论相互矛盾,技术建议和标准必须得到21个工作队成员中至少18人的同意,包括其主席。
系统设计与测试
输入信号
所包含的生理信息Zrs强烈依赖于它所测量的频率范围。例如,在健康的成年人中,肺和胸壁组织的粘弹性特性对肺和胸壁有重大影响Zrs频率< 2hz。相反,气道树的流动阻力和包含在其中的气体质量成为重要的决定因素Rrs而且Xrs,频率分别为> 2hz。因此,振荡频率用于测量Z年代必须与所研究的生理功能相适应。
在确定Zrs在自发呼吸的人类中,重要的是确保振荡压力和流量的测量不受来自呼吸肌活动的未知贡献的显著影响。这可以通过使应用振荡流信号中的最低频率大于呼吸频率及其谐波来实现。因此,在自主呼吸的成年人中,振荡信号频率的实际下限通常为4-5 Hz [1,69,70],尽管这可能会因呼吸频率的不同而有所不同。即便如此,与呼吸信号相关的噪音仍可能存在[71],可能发生在婴儿和幼儿的高呼吸频率,或在成人的呼吸急促。然而,没有数据表明呼吸频率对Rrs或Xrs在孩子。在成人中,呼吸频率增加已被证明是增加的Rrs而且Xrs在正常肺活量测定的健康和有症状的受试者中[72].
最佳信噪比Zrs测量从一个复合输入信号获得,该输入信号由离散正弦分量的和组成,其频率在整个感兴趣的频率范围内提供良好的覆盖。宽频波形可能由小幅度随机噪声组成[73]或多个正弦波[71,74].由相互素数频率组成的激励波形,其中没有一个频率是其他频率的整数倍[67,75],可能有利于尽量减少阻抗的非线性畸变[76].构造互素信号的一种方便方法是选择所需的基频(如。1hz),然后包括与这个基本面的质数对应的频率(如。2、3、5、7……Hz),而不包括基频本身即。2 - 26hz伪随机信号。一些输入信号由基频谐波组成,例如,在积家脉冲振荡测量系统(IOS) (5hz)和i2M (2hz)设备中。如果这些波形引起相对于基本呼吸量的较大体积波动,则可能出现谐波失真[64,65,76- - - - - -78],尤其是当呼吸系统的行为基本上是非线性的时候,即。存在严重气流阻塞或循环肺招募和取消招募。
振荡测量法与IOS的比较表明RrsIOS测得的频率高于2-26 Hz伪随机信号测得的频率,这与的大小直接相关Rrs[79].此外,在主观上也有相似的差异Rrs以及健康受试者中五种不同设备之间的频率依赖性,尽管这些差异可能是由于中心之间人群之间的差异[10].
复合振荡信号中正弦分量的大小应该在每个频率上都有足够的信噪比。峰间偏移≤0.3 kPa。一个方便的例子是在每个频率上都有相同的功率[77流量信号。应选择正弦分量的相位,以使振荡信号的峰峰间振幅最小化,再次使肺部非线性行为的影响最小化[74].所有振荡测量设备的信号组成细节,包括信噪比,都应该是公开的。
制造商的技术建议和标准
校准
尽管已经使用了各种各样的配置[69),Zrs最常用的测量方法是通过放置在吹口级的两个传感器的信号进行测量:一个是压力传感器,另一个是基于带有差压传感器的气压记录仪的流量计。传感器校准确保适当的校正,以弥补设备性能不足[80].首先,假设传感器是线性的,静态校准应确保正确的增益和零偏移(考虑到可能的温度和位置漂移)。其次,动态校准应通过数字补偿来补偿传感器的频率响应Zrs用于压力和流量传感器或其他仪器的动态响应测量[81].动态校准必须确保传感器信号不受所需振荡频率下机械振动的影响。气压记录仪上的压力传感器的共模抑制比(CMRR)应足够高,以尽量减少可能的误差[82].此外,动态校准程序可用于补偿振荡测量期间的仪器频率响应和CMRR [83].由于动态响应主要取决于传感器和油管的物理尺寸[84],它们的频率响应通常不随时间变化。因此,与增益和零偏的静态校准相比,动态校准不需要定期进行。
测试负载
实现精确的测量Zrs取决于所使用的硬件(传感器)和软件(数据处理)中的许多微妙细节。描述和校准传感器响应的程序有很好的定义,如果正确遵循,不应导致重大错误Zrs测量。相比之下,没有独特的数据处理程序(如。过滤,平均,频率分析,数据拒绝标准)是理想的。此外,有许多合适的数值算法来实现这些过程。制造商必须提供关于其测量静态测试负载的电阻和电抗的设备的准确性的文件。该负载阻抗的大小应高于的绝对值Zrs这是预期的任何给定的患者或受试者人群中使用的振荡测量装置,包括儿童和成人在支气管挑战测试中遇到的阻抗。因此,成人试验的试验负荷建议为~ 15 hPa·s·L−1儿童~ 40 hPa·s·L−1.阻抗不足的测试负载可能会导致测量误差[85].该测试负载应提供给最终用户进行日常验证。目前,大多数测试负载仅由机械电阻组件组成。理想情况下,测试负载还应包括阻抗的弹性和惯性分量。
测试和比较不同的振荡测量设备在实践中的表现,需要的不仅仅是确保它们满足一般建议以及它们如何测量静态负载。理想情况下,健壮和准确Zrs测量应要求病人模拟器具有良好控制的(但可变的)机械性能、呼吸模式和人工制品[86].模拟人体生理的设备在医疗设备测试中很常见,特别是用于呼吸和气体流量测量。例如,ATS/ERS提供了非常具体的建议,用于呼吸计设备的性能测试,使用设备模拟高保真流量的典型的用力呼气动作[87].对于评估自动持续气道正压通气装置,有等效的,尽管不太具体的建议[88]及机械呼吸机[89],其中需要使用具有良好特征的病人模拟器作为参考。因此,同样重要的是,开发这样的测试负载,以客观评估和比较现实条件下的振荡测量装置。
终端用户验证
商用设备的最终用户使用阻抗测试负载进行验证,而不是校准。因此,下列建议与核查有关。与其他肺功能设备一样,应每天或仪器使用时每天进行测试负荷验证,特别是用于临床测试时,这与肺功能实验室其他肺功能设备的常见做法相同[90].当环境条件可能发生变化时,在现场测试中可能需要更频繁的验证。研究论文应报告设备验证发生的频率、验证负载的机械特性以及验证的可接受公差。验证的推荐公差为≤±10%或±0.1 hPa·s·L−1,以先遇到的为准。如果要测量患者的体积变化,则应使用校准注射器验证体积测量的准确性,并符合ATS标准[87].
系统阻力和死区
振荡测量系统和额外的细菌过滤器会增加死亡空间和额外的呼吸阻力。重要的是要补偿细菌过滤器阻力和过滤器和连接器的组合死空间,以保证测量精度,建议保持较低的整体振荡系统阻力和死空间,以尽量减少对呼吸模式的潜在影响,这可能会根据测量持续时间增加潮汐量。没有细菌过滤器的振荡系统的电阻应小于1 hPa·s·L−1≤5hz。有许多细菌过滤器可用于振荡系统,这将有一系列的阻力。一项研究表明,在健康成年人中,IOS使用不同滤波器测量的阻抗存在差异[91].一项针对4-16岁哮喘儿童的单一研究发现,平均增加1.2 hPa·s·L−1差异较大,为±3.4 hPa·s·L−1[92].一般建议使用<1 hPa·s·L的低阻过滤器−1在≤5hz时,定期测量滤波器的电阻,并补偿振荡系统+滤波器的组合电阻。因此,振荡系统的总设备电阻应小于2 hPa·s·L−1≤5hz。
用于成人测试的振荡仪的推荐死区与用于肺容量测试的相同[90]: <100 mL,包括细菌过滤器。由于振荡流引起的混合,有效死区可以小于物理体积。对于学龄前儿童,含细菌滤器的量应<70 mL [93].
用于振荡测量的信号处理
振荡信号的处理对振荡测量的整体精度有重大影响。信号处理,无论是模拟,数字或两者的组合,解决了六个主要任务:1)估计呼吸系统阻抗(Zrs)源自原始流量及压力数据;2)滤波以减少信号中始终存在的噪声;3)对传感器等部件的频响特性进行补偿;4)计算仪器死区;5)阻抗参数的推导;6)测量质量控制指标的计算。
对振荡测量中用于推导阻抗参数的信号分析方法进行了描述补充材料.
综上所述,在现代振荡测量设备中,信号处理是对整个系统性能有重大影响的关键组件。考虑到所用算法的多样性和复杂性,制造商应使所列的信息表3可通过在研究出版物中报告或应要求提供给用户。此外,制造商还负责在各种条件下对振荡仪进行广泛验证,包括健康和患病条件的模拟,并公开验证设置和程序以及所使用的测试负载的值。
测试协议和程序
与肺活量测量不同,振荡测量可以使用不同的协议和在不同的呼吸条件下获得,这取决于感兴趣的机械特性。振荡测量最常在静息潮汐呼吸期间进行,但也在较大体积的远足期间进行,如。由功能剩余容量至总肺活量(TLC)或TLC至剩余容积[94- - - - - -96].与肺活量测量一样,振荡测量法也可能受到上呼吸道人为因素的影响,如吞咽、声带闭合、咳嗽、舌头不正确的位置和口腔泄漏(补充图E1).
对于所有的振荡测量采集,患者应以放松和稳定的方式呼吸,直立坐姿,正确的头部位置,脸颊支撑,口腔密封和舌头位置。因此,应提供仔细的指导,以便在采集过程中,患者以与稳定、放松条件下相同的潮气量和频率呼吸。在测量之前,快速检查口腔周围的泄漏情况,使用鼻夹是必不可少的,同时确保达到稳定的潮汐呼吸期。表4列出测试前应向患者提供的最少说明和信息。
考虑到人工制品可能影响最终结果,需要对临床工作人员和/或管理振荡测试的研究人员进行充分的培训。这对儿童尤其重要。
振荡测量测试协议将根据振荡测量适用的许多应用而有所不同,如。婴儿、学龄前儿童和学龄儿童、老年人、流行病学研究、职业筛查和家庭监测。然而,振荡测量采集协议应该基于以下一般原则。
技术上可接受的最小重复测量数
用于确定平均值的技术上可接受的测量值的数量将影响测试的可变性。在成人中的工作表明,两次技术上可接受的测量结果与三次或更多次重复测量结果相同,无论测量持续时间长短[97].目前还没有关于儿童重复次数影响的可比信息。但是,建议使用至少三个重复,在应用指定的质量标准(视觉检查、会话内变异系数(CoV)和自动化信号处理)后被认为是可接受的。用于得出指数的复制应完全不含人工制品。注意,在一些应用中,人工制品可能会在计算平均指数之前被移除(参见结果报告和质量控制部分)。
建议用于推导指数的三个重复的CoV应为Rrs的最低振荡频率,成人≤10%,儿童≤15%,尽管目前没有发表的数据支持这些临界值。使用任意CoV选择复制来计算指数将强制选择彼此接近的值,并将排除外围值。使用冠状病毒及其指定的阈值来选择重复,应在出版物的报告或方法部分声明。
虽然多次重复测量仍然是实验室测试的标准,但在现场测试或无监督的家庭监测中,一次测量的较长记录时间可能更实际和可行[56,58].
取得期限
婴儿时期习得的时间长短取决于所使用的方法。例如,在呼吸暂停期间测量低频振荡(通过因此不应超过合理的屏气时间(通常为5-8秒)。然而,在安静呼吸的睡眠婴儿中,建议的30或60秒收集时间(以最大限度地增加呼吸周期)也没有理由不能在这一人群中考虑。
在学龄儿童中,60 s的数据采集比30 s、16 s或8 s的数据采集具有更好的会话内和日间再现性[98].在较年轻的儿科人群中,较长时间的获取可能更具挑战性。在健康成年人和患有哮喘或慢性阻塞性肺病的成年人中,随着获得性持续时间从16秒、30秒和60秒增加,会话内变异性也降低了[97].此外,平均差异虽小,但有统计学意义Rrs或Xrs,在健康成人或哮喘或COPD患者的16秒、30秒和60秒三次重复测量之间[97].
建议适用于高中年龄的儿童和成人的最低习得时间为30秒,小于12岁的儿童为16秒。这将允许记录至少三次无人工制品的呼吸,但要足够短,以实用,并避免运动或疲劳。然而,已经使用了一系列的获取时间,这取决于临床应用和研究的人群,如。婴幼儿与成年人,研究与临床测量和疾病的严重程度。由于患者、疾病和实验室条件的组合而产生的广泛的测试情况,意味着振荡测量采集的持续时间将有所不同,以适应被测人群,其目标是实现前面所述的可重复测量。因此,所使用的测试时间应在实验室报告或研究出版物中说明,以便复制和比较结果。
体积历史的影响
容积史可能影响呼吸道疾病患者的阻抗测量[99- - - - - -101]和健康受试者在支气管挑战试验中[102].深吸气对肺功能的影响因疾病而异[99- - - - - -101,103- - - - - -106].
深呼吸(即。由于已知的哮喘患者深呼吸的支气管扩张剂作用,在测试过程中对TLC的膨胀可能会影响哮喘患者的结果[107- - - - - -109].因此,肺容积史的标准化是必要的。哮喘患者与非哮喘患者在支气管挑战试验时对深呼吸的反应也不同[99- - - - - -101].在非哮喘受试者中,吸入气道平滑肌激动剂前的深呼吸可防止气道狭窄,而吸入后的深呼吸可导致持续的气道扩张。在哮喘患者中,根据疾病状况或严重程度,深呼吸在防止支气管收缩后气道狭窄或扩张气道方面可能具有减弱但不同的作用[99- - - - - -101].事实上,深呼吸甚至会加重基线气道阻塞,无论是用肺活量测量法还是用肺活量测量法[110或振荡测量法[111].因此,使用振荡测量法的支气管挑战对检测气道高反应性可能更敏感,特别是当它是轻微的。由于振荡测量是在潮汐呼吸时测量的,没有深吸气,这种测试的灵敏度可能与使用肺活量测试的灵敏度不同。然而,这还需要进一步的研究。
在体积史对振荡测量参数和支气管挑战的影响得到更好的表征之前,建议在需要深呼吸(呼出一氧化氮、肺活量、扩散能力)的测试之前进行振荡测试,以及在进行振荡测量之前允许一个标准化的暂停深呼吸的时间长度。深度灵感的测试顺序和持续时间应在当地标准化,并记录在报告和出版物中。
质量控制:测试可接受性的标准
排除测试过程中出现的人为因素(咳嗽、声门闭合、漏水、等.)严重影响阻抗测量的准确性。这就需要质量控制程序来识别常见的人为因素,如泄漏、吞咽、咳嗽和不正确的舌头位置。实时显示体积、流量和压力轨迹,使操作人员能够识别人工制品的存在(补充图E1) [71,74],在大多数情况下,需要重复采集,直到至少记录了三次没有人工制品的测量。
鉴定人工制品
主观质量控制标准包括确保采集过程中的潮汐量和速率应稳定,并且在量信号中不存在伴随零流量的停顿、阻力和压力的突然变化或峰值,这些可能代表吞咽、憋气、声门关闭和口漏(补充图E1) [98].应为任何实验室或项目制定带有目视检查测试可接受性标准的方案,并免费提供,以确保按照方案规定捕获足够的、无人工制品的副本。潮汐率和体积一致性的不同可接受标准可能影响平均值Rrs而且Xrs价值及其可重复性,特别是在疾病方面[112),Rrs而且Xrs可能高度依赖于心流。需要研究不同的可接受性准则对阻抗值的影响。
含有负阻力的窗口应被排除,因为它们在生理学上是不可能的。它们可能是由于硬件设计或信号处理不佳,或噪音人为因素,如咳嗽[113].泄漏表现为|突然大幅下降Zrs|,尽管流量时间和体积时间痕迹的变化有时可能是微妙的。吞咽或短暂性气道阻塞表现为零流量时阻抗值大[98,114].人工制品的去除可基于对各个窗口阻抗值的统计滤波[20.,115]或以完整的呼吸为基础[98].后者反映了人们对呼气内指数的兴趣[116],并导致较低的测试变异性。
自动去除人工制品的策略,特别是当呼吸参数被导出时,仍然是一个热门的研究领域。这包括使用诸如流动形状指数等参数,它表示振荡流的时间过程的形状如何接近理论形状[117]或其他准则[113,118].实验室和研究研究可能会排除单个呼吸,只排除受影响的部分或整个录音。应报告或提供这种排除情况,以及所使用的排除标准。
连贯的使用
原来,当用交叉谱法进行计算Zrs采用了相干(γ2),通常用于确定一个测量值是否含有太多人工制品,因此应该丢弃。相干性可以解释为呼吸系统的输入(流量)与其“线性”依赖的输出(压力)之间的因果指数[119),或反之亦然.相干性值范围在0(完全没有因果关系)和1(完全因果关系)之间,但小于0.90或0.95的值通常被丢弃[3.,21,120,121],因为低相干值可能是由各种过程造成的,如低信噪比、非线性、心源性振荡或激励和自发呼吸波形之间的波段重叠。然而,以这种方式使用相干性存在潜在的问题,包括1)制造商使用不同的方法来计算其值;2)对于阻抗随时间的单频跟踪,相干性依赖于开窗[122];3)疾病中相干性常降低[36],因此,任意的分界点会对结果产生偏差;4)高相干值并不能保证没有人为干扰或测量误差。虽然低相干性通常表明噪声或人为因素,但由于设备之间和不同疾病之间的差异,相干性不再被推荐作为质量控制的标准。
生物防治措施的使用
生物防治措施的使用应成为研究和临床实验室的标准做法。生物控制是一个健康的非吸烟对象,如。肺功能科学家。首先,充足的Zrs数据(如。≥10次单独测量)应在相对较短的时间间隔内(如。的平均置信区间和置信区间Zrs是已知的。如果后续测量超出置信区间,则应仔细评估振荡测量系统。鼓励制造商开发自动化质量控制软件,以协助和提高生物控制的效用。对于定期使用的振荡测量设备,建议每周使用生物控制受试者。
报告结果
报告可接受性和可重复性标准
在满足拒绝标准和质量控制之后,报告用于计算阻抗的单个记录的数量(或范围)是很重要的。这将允许在实验室之间比较和复制结果。报告中还应包括冠状病毒,如果冠状病毒高于规定的上限,则应标记结果,以便考虑到这一点,并谨慎解释结果。制造商必须实时提供这些功能,以确保在测试过程中可以收集到足够的数据。实验室质量控制过程应记录在案,并列入研究出版物(表6).目前,关于基本报告中应包括哪些振荡参数的信息很少。这些参数应由用户确定,制造商应允许报告设计的灵活性。但是,测试方案、质量控制标准和验证程序应报告。因此图2只是说明报告中可能包含的内容的示例。注意,这不是推荐的报告模板。“技术说明”可以在实验室资源中提供,而不是出现在实验室报告中。
参考价值
在不同的人群中,儿童和成人都有许多公布的数值[123) (补充表E1).与所有肺功能测试一样,每个实验室应确定某一特定振荡测量装置的任何预测方程的适当性。需要使用标准化呼吸协议和信号分析,获得来自不同国家的儿童和成人的规范值,包括支气管扩张剂反应,从中获得与全球肺功能倡议的肺活量测量值相似的多种族规范值[124]可以被推导出来。设备之间可能存在的测量差异[10,79,125- - - - - -127也需要进一步研究。在没有这些数据的情况下,建议从与所使用的设备最相似的设备中获得参考值。建议将每个参数的z分数包括在输出中,其中有必要的统计数据。这避免了预测值接近于零的问题,当使用预测百分比在临床解释方面可能变得非常大且有问题时。
孩子们
站立高度是主要的预测因素Rrs[128],尽管在一份报告中,性别也是一个独立的预测因素[129]学龄前和学龄儿童,但其他儿童没有[130,131].大多数规范研究Rrs在学龄前儿童没有观察到体重或年龄的显著影响Rrs.在青少年中,与性别相关的差异Rrs已经观察到,但都很小,与预测Rrs女性比男性大<5% [129,132,133].除了一项研究[134),Xrs在学龄前儿童被描述为身高的线性函数(补充图E2,左面板)[128,134]以及身高和性别[129].的预测存在较大的散点Rrs而且Xrs在幼儿中频率较低,因此,应为任何给定的儿科人群确定适当的预测方程。在缺乏当地区域或地理数据的情况下,建议使用来自设备和人口最接近当地情况的研究的参考方程。
成年人
以前的研究是用市场上已经不再存在的设备进行的,很少有发表的研究是用目前可用的商业设备进行的。最全面和最新的研究涉及多个中心和多个目前可用的振荡测量设备[10].
支气管扩张器和支气管收缩器反应
支气管扩张剂反应
只要可能,基线数据应表示为z分数,因为原始值取决于身高和年龄。此外,应报告用于评估支气管扩张的沙丁胺醇剂量。支气管扩张剂的反应应该用相对变化还是绝对变化来表示仍有争议[135,136].在儿童和成人中,绝对变化在Rrs而且Xrs依赖于基线值[137],但使用绝对值的分离在患病受试者和对照受试者之间更大[138],与使用相对值时相比。因此,也有人提出了支气管扩张剂后的z评分变化[139),这将克服这些问题。这将需要确定健康人群中的支气管扩张剂反应,从中可以确定每个相关振荡参数的95%以上的百分比。响应的分布可能不是正态分布,而算术变换,如。支气管扩张剂使用后与支气管扩张剂使用前比值的对数变换[140可能使数据正常化。
Rrs而且Xrs都与体积有关[95,141].由于支气管扩张可以减少肺恶性膨胀,这也可能会增加Rrs并减少Xrs,这与支气管扩张剂对气道口径和气道闭合的直接影响相反。因此,对支气管扩张剂反应的解释Rrs而且Xrs可能不是直截了当的,可能会导致一些差异与肺量测定的反应。
补充表E2显示已发表的关于健康儿童支气管扩张剂反应的文章,这些文章是基于反应的第95百分位的存在而选择的,这允许确定阈值。支气管扩张剂反应的阈值非常相似,这对于Rrs在4-6 Hz的强迫频率下,学龄前儿童约为- 40%,40-60%为XrsA为−80%X.在年龄较大的儿童中,这一阈值可能略低Rrs大约为- 35%,但与Xrs和一个X,分别约为40%和- 80%。因此,对于成人和儿童,定义支气管扩张剂阳性反应的阈值为- 40%Rrs5, +50%的增长Xrs5A减少- 80%X.
补充表E3显示健康成人支气管扩张剂反应的已发表文献。只有三篇发表的关于健康成年人的文章,其中只有一篇有足够的数量来提供可信的阈值[135].因此,本文中的阈值可用于定义支气管扩张剂反应性阈值,但应认识到其局限性。因此,需要对健康儿童和成人的支气管扩张剂反应性进行更多研究,以提供更好的验证、人群之间和设备之间的比较,并允许根据z评分定义阈值。
支气管挑战试验
振荡测量法可替代肺活量测量法在成人中进行支气管挑战测试[9,27- - - - - -38]和儿童[39- - - - - -45].但是,特别是在儿童中,可能有低估的变化Rrs在挑战测试期间,由于上呼吸道人为物和壁分流[46].这种效应可以通过使用导纳(1/Zrs)而不是Rrs[47,142].
在年龄较大的儿童和成人中,通过参考肺活量测定的标准临界值,确定了所谓的支气管挑战测试中振荡测量的临界值(补充表E4).然而,定义正常性的潜在更好的临界值可能来自于对一般人群样本的研究,而不参考肺活量测定金标准。与基于肺活量测定的测试相比,这样的截止点可能有更好的临床应用。用振荡测量法测量气道高反应性是可重复的[28,30.,41,143],并与1 s用力呼气量(FEV)测定的反应性相关1).
敏感性和特异性的建议切断阳性挑战试验使用Rrs,Xrs,呼吸系统电导和剂量-反应斜率,可根据已发表的研究计算(补充表E4).各研究之间存在很大的变异性,这可能是由于所使用方法的差异和研究人群的差异所解释的。不同设备之间的测量差异不太可能显著影响气道高反应性的测量,但直接比较(即。使用不同的振荡测量设备进行重复测试)。鉴于这种可变性,目前建议应制定局部阈值,以适用于使用特定设备的特定人群。
用振荡法进行的支气管挑战在检测气道高反应性方面存在一些不一致与用肺活量测定法进行挑战,在这种情况下,振荡指数的变化可能为肺活量测定法提供额外的信息。例如,一些受试者在挑战测试中报告症状,但没有伴随FEV的变化1但是有变化Rrs和一个X,表示气道狭窄和闭合[144,145].肺活量和阻抗变化之间的差异可能与体积历史的差异有关(体积历史切片的影响)。在肥胖哮喘患者和非哮喘患者中,支气管挑战与更大的呼气流量限制相关Xrs.与FEV相比,这一测量结果与症状的相关性更好1[146].
改进振荡测量技术性能的未来研究
对振荡参数的质量控制方法及其对不同年龄范围、不同呼吸道疾病和临床环境的可重复性的影响进行更多研究,如。重症监护环境和人群筛查将进一步提高测量的质量和标准化。这可能包括潮汐量和速率的研究、人工制品的自动检测、冠状病毒切断的影响以及气体混合物和重症监护病房通风硬件的影响。大型研究以确定多种族人群的正常值,相当于全球肺部倡议的肺活量测定值[124都是需要的。应该开发动态阻抗,类似于用于肺活量测定验证的波形,并可用于标准化振荡测量装置。
提高振荡测量设备的性能标准,规范和改进其管理方式,并改进最终测量的质量控制,将提高临床和研究环境中阻抗测量的整体质量。因此,作者坚信,这将使振荡测量在医学上的好处得以实现。
补充材料
补充材料
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图E1。振荡测量痕迹显示了由(A)舌头阻塞口器,(B)吞咽和(C)由于嘴唇没有密封口器而造成的嘴漏。阻塞引起流量的明显变化,可能伴随着呼吸时体积-时间曲线的变化。当泄漏发生时,流量和体积-时间曲线的变化可能更加微妙,很难通过目测检测到。erj - 00753 - 2019。Figure_E1
图E2。从学龄前儿童到青春期儿童的研究中,5或6 Hz下的Rrs(左面板)和Xrs(右面板)作为身高函数的预测方程。右图中灰色阴影部分是根据奥斯蒂文的标准,年轻人Rrs5和Xrs5正常值的上限和下限et al。[50]。erj - 00753 - 2019。Figure_E2
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脚注
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利益冲突:G.G. King在研究期间报告了来自美国胸科学会和欧洲呼吸学会的资助;188bet官网地址与Restech的合作研究协议和知识产权协议,阿斯利康、勃林格殷格翰、葛兰素史克、美纳里尼、蒙迪制药和Cyclomedica的讲座资助和个人费用,NH&MRC、慈善协会、悉尼大学的资助,在提交的工作之外。
利益冲突:J. Bates是小股东,在提交的工作之外,他从oscavent, LLC的顾问委员会工作中收取个人费用;并拥有专利(专利申请US 20160007882 A1;建议在通气患者中使用振荡测量法)未决至无,PCT专利申请WO2015127377 A1(建议在通气患者中使用可变潮气量通气作为进行振荡测量的一种手段)未决至无。
利益冲突:K.I.伯杰没有什么可透露的。
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利益冲突:P.L. de Melo拥有28727号专利。
利益冲突:R.L. Dellacà拥有FOT检测EFL的专利,专利使用费支付给飞利浦呼吸器和Restech srl, FOT监测肺容量招募的专利,专利使用费支付给Vyaire,通过家庭监测FOT早期发现加重的专利,专利使用费支付给Restech,并且是Restech srl的联合创始人和股东,resech srl是米兰理工大学的一个衍生公司,生产基于FOT的肺功能测试医疗设备。
利益冲突:R. Farré报告来自Resmed和ANTADIR的CPAP设备台架评估合同,在提交的工作之外。
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利益冲突:D.W. Kaczka报告了来自美国国防部(W81XWH-16-1-0434)和美国国立卫生研究院(R01-HL112986, R01-HL126838和R41-HL140640)的资助,并且在研究期间是OscillaVent, Inc.的联合创始人和股东;来自ZOLL Medical Corporation的资助,并且是Monitor Mask, Inc.的股东和顾问委员会成员,在提交的工作之外;拥有一项多频振荡器通气系统和方法专利(US20160339191A1),一项使用靶向输送治疗呼吸疾病的专利(US20150290418A1),一项基于动态肺功能的机械通气过程中设置呼气末正压的专利(US20070240717A1,已废弃),一项增强通气波形装置专利(US 6,435,182 B1),一种用于呼吸阻抗测量和高频通气的伺服控制气动压力振荡器(US20070006924A1,已废弃)。
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支持声明:这项工作由欧洲呼吸学会和美国胸科学会资助。188bet官网地址
- 收到了2019年4月14日。
- 接受2019年10月15日。
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