使用脉搏血氧计体积描记仪对哮喘严重程度的无创评估

出身背景

通过血氧计体积描记波(PEP)下面积的动态变化估计的似是而非的脉象可能为急性哮喘的严重程度提供一种测量方法。我们的主要目标是确定PEP与1秒用力呼气量(%FEV)的相关性_1.)(标准效度)及%FEV变化_1.(反应性)治疗期间的儿童哮喘急性加重。

方法

我们对患有哮喘加重的5至17岁的受试者进行了前瞻性研究。PEP, % FEV_1.，记录基线、开始皮质类固醇和支气管扩张剂治疗后2小时和4小时的气道阻力和副肌肉使用情况。统计关联用Pearson或Spearman秩相关检验，用广义估计方程logistic回归检验，或Wilcoxon秩和检验。

结果

我们研究了219名受试者（中位年龄9岁；男性62%；非裔美国人56%）_1.在2小时(r = - 0.31, 95% CI， - 0.50至- 0.09)和4小时(r = - 0.38, 95% CI， - 0.62至- 0.07)时，证明了标准效度(r = - 0.44, 95% CI， - 0.56至- 0.30)和响应性。PEP也与基线时的气道阻力相关(5 - 10岁的r = 0.28;R = 0.45(10 - 17岁)，但不随时间变化。PEP与副肌使用相关(OR 1.16, 95% CI, 1.11 ~ 1.21, P < 0.0001)。

结论

PEP与%FEV的相关性具有标准效度和响应性_1.．PEP与基线时的气道阻力相关，并与基线时以及治疗开始后2和4小时的副肌肉使用相关。将这项技术与现代脉搏血氧仪相结合，可以为临床医生提供更好的参数，用于对哮喘的严重程度和治疗反应进行临床评估，特别是对于因年龄小或病情严重而不能进行肺活量测定的患者。它还可能有助于早期识别和改善其他导致异脉升高的疾病的管理。

临床医生几乎没有客观的方法来评估急性哮喘的严重程度，并且可能对这些发作治疗不足[1.–6.]．严重程度测量应与可接受的标准标准(标准效度)相关，并量化该标准随时间的临床重要变化(响应性)[7.]．

肺活量测定是评估气道阻塞严重程度的标准(%预测FEV)_1.，%FEV_1.)，但依赖于努力，在大多数急性护理环境中无法获得[8.,9]．气道阻力是衡量肺功能的另一指标。可用于测量通过中断技术(Rint)的气道阻力的便携式设备是可用的，只需要潮汐呼吸。Rint已被证明与%FEV相关_1.体盒容积描记法测定气道阻力[10–13]．

副肌肉的使用已被证明与FEV%的临床意义降低相关_1.[14,15].然而，虽然副肌肉的使用可以显示呼吸的工作，但它不能提供气流限制的精确测量。

国家和国际指南目前推荐测量急性哮喘发作期间的异脉[16,17]然而，手动测定PP是困难的，尤其是在快速呼吸患者和嘈杂的临床环境中[18–21]．超过98%的提供者在床边没有使用这种测量方法[22]．

脉搏血氧计体积描记器的波形与径向动脉多普勒波形非常相似，以前的研究已经提供了证据支持使用血氧计体积描记器的波形数据来估计PP[23–28]．开发客观量化体积描记仪波形数据的方法与临床相关，因为它可能提供无创的、持续的气道阻塞或其他导致PP的生理紊乱的严重程度的评估。

客观的

我们的主要目标是确定一个数学模型，该模型用于容积描记器对肺反搏生理学（PEP）的估计与%FEV的相关性_1.（标准有效性）和该标准（反应性）在哮喘急性加重患儿治疗期间的变化。次要目标是确定PEP与气道阻力和副肌使用的相关性。

研究设计和研究人群

本研究招募了一组年龄在5 - 17岁、有医生诊断的哮喘、哮喘加重症状或体征(咳嗽、呼吸困难、气短、喘息和/或胸痛)的受试者。29]需要全身皮质类固醇（CCS）和吸入性沙丁胺醇治疗，由儿科急诊医师确定。设置为城市、学术、三级护理儿童医院急诊部（PED）.我们根据临床或影像学标准排除肺炎患者。登记时间为工作日上午7点至晚上10点，大约每3天一次^研发部周末的一天。范德比尔特大学机构审查委员会批准了研究方案和放弃立即知情同意，以便基线变量可以在知情同意过程之前获得。

研究方案和测量

所有研究数据由首席研究员(DHA)或研究助理(DJR)收集。首席研究员对研究助理进行了研究方案的培训，两人都接受了由小儿肺功能技术人员进行的便携式肺活量测定的培训。在数据采集过程中，研究人员没有被掩盖以研究数据。

在入组时，我们记录了人口统计信息、病史、哮喘家族史、哮喘药物使用、哮喘症状史和全球哮喘倡议(GINA)慢性哮喘控制[16]．所有其他变量均在CCS(基线)和支气管扩张剂治疗前获得，如果受试者当时仍在PED中，则在CCS治疗后2和4小时再次获得。

在基线、2小时和4小时时间点测定PEP，如下所示（图1.)[30]首先，配置Novametrix oxypleth脉搏血氧仪（Respiritics Novametrix，Wallingford，CT），以输出从传感器940 nm红外（IR）信号导出的原始高分辨率波形。我们使用这种原始的、未滤波的、非平滑的信号来捕捉呼吸周期中波形形态的全部变化。该数字化红外信号通过串行电缆馈送至笔记本电脑，并使用图形测量和分析软件（LabVIEW 7.1，德克萨斯州奥斯汀国家仪器公司）为此目的构建的实时专用波形分析算法进行处理。其次，根据红外信号构建的体积描记器波形在100 Hz下进行询问。然后，软件算法将每个心动周期的曲线下面积（AUC）计算为波形下面积，该波形以从基线到恢复基线的偏转点为界。在每个连续3秒的时间间隔内，确定最小和最大的AUC，并计算AUC差异百分比（ΔAUC）。AUC超过180秒移动平均值2 SD的单个波形被视为伪影，并从进一步计算中排除。我们选择了3秒的询问时间间隔，试图包括一个完整的呼吸周期，因为我们预计我们的受试者会有呼吸频率≥ 20/分钟。最后，最近60个ΔAUC（180秒周期）的移动平均值提供了PEP的输出。

我们将血氧仪传感器应用于手指，以获取PEP数据。要求受试者保持手静止，不要说话。这是必要的，因为未处理的红外信号会受到运动伪影的影响。我们在至少5分钟内获取PEP数据，以使PEP的图形输出稳定。本研究结束时，PEP值期间已记录，并以百分比值表示。

结果测量

我们使用% FEV_1.作为评价PEP诊断准确性的标准，并以气道阻力和副肌用量作为二级严重程度的衡量指标。副肌的使用被定义为任何可见的斜角肌、胸锁乳突肌、胸骨上肌、肋间肌或肋下肌的使用。

我们使用MicroDirect MRT6000模块（英国肯特郡Micro Medical）测量气道阻力。该测量是在肺活量测量之前进行的，因为肺活量测量的强制肺活量操作可以暂时改变气道张力和气道阻力测量[31]．我们应用鼻夹，指导受试者舒适呼吸，同时支撑脸颊和颏下组织，并稍微延长颈部[32]．在呼气过程中进行五次测量并记录中值。该设备使用麦肯齐标准计算5 - 10岁受试者的%预测值(%Rint)，并输出11岁及以上受试者的绝对值(aRint)[33]．

我们使用微直接微环肺活量计测定%FEV_1.的决心。在应用鼻夹后，我们指导每位受试者按照美国胸科学会(美国胸科协会) 1994年肺活量测定标准。⁹% FEV_1.根据克努森标准计算[34,35]．

有些受试者由于急性哮喘的严重程度或年龄尚小，无法按照ATS标准在每个试验中进行3次强制肺活量操作。然而，其中一些试验包括一个或两个具有可接受的流量-体积和体积-时间曲线的机动。

肺功能测试监督委员会审查了这些非ATS试验，以确定是否应将任何数据纳入分析。该委员会包括一名肺生理学家和一名儿科肺功能实验室技术员（RRT）。每个成员根据流量-体积和体积-时间曲线记录其是否应保留非ATS试验进行分析的决定。委员会成员对所有其他主题数据和其他成员的决定一无所知。如果两位成员独立决定保留非ATS试验，则保留该试验进行数据分析。

样本大小

根据Wright及其同事的研究，我们认为0.30或更高的相关系数具有临床相关性，在该研究中，由手指动脉压监测波形的高度变化计算出的PP测量值与%PEF相关(r = - 0.31)[36]．82名受试者的样本量将使我们能够检测出PEP和%FEV之间的相关系数为0.35或更高_1.具有90%（β=0.010）幂次且双侧显著性水平为0.05（α=0.05）的值。为了解释不完整的数据，我们将样本量设置为该计算值的至少两倍。我们预计，我们将在12个月内获得必要的样本量，并选择该登记期，以最大限度地减少季节性哮喘病因学和严重度方面的光谱偏差。

统计分析和数据管理

描述性统计以平均值（SD）或中位数（IQR）表示（视情况而定）。我们将我们的研究样本与研究期间PED中5至17岁的患者群体进行了比较，最终诊断代码为（ICD 493）哮喘恶化。该人群数据是从一个主要用于计费目的的数据库中提取的。虽然与我们的研究样本没有直接可比性，但该数据将提供我们的样本在满足研究纳入标准的总体人群中的代表性。

差异、比例和相关性以点估计的形式报告，以95%置信区间(CI)为边界。对5-10岁(%Rint)和11 - 17岁(aRint)的受试者分别进行气道阻力分析。PEP与%FEV的内部效度_1.使用皮尔逊积差相关系数评估基线时PEP与气道阻力的关系。PEP的比例变化与%FEV的比例变化之间关系的强度_1.或者使用斯皮尔曼秩相关系数评估气道阻力的比例变化。从两个方面研究了PEP与副肌使用（存在/不存在）之间的关系。首先，使用一个逻辑回归模型，使用广义估计方程来解释对受试者的重复测量，以评估PEP和副肌肉使用之间的关系，调整时间以及可能与PEP变化的任何交互作用。其次，在每个时间点使用Wilcoxon秩和检验，以确定使用副肌肉的患者与未使用副肌肉的患者之间PEP值的分布是否不同。

所有的分析都是在R版本2.8.1中执行的[37]．使用REDCap(研究电子数据采集)电子数据库管理研究数据[38]．我们已经报告了诊断准确性报告标准(standard)倡议的所有25项检查项目，并包括流程图(图)2.)明确学科招募和研究实施。此外，我们在统计分析中包含了所有的数据，包括可能的异常值。我们验证了所使用的统计方法的数据满足所有假设。

描述性统计

在登记期间(2008年6月8日至2009年6月7日)，我们招募了249名受试者参与这项研究，其中219名受试者被纳入分析(表)1.和图2.).没有受试者因参与研究而出现不良事件。受试者的年龄、性别和种族与研究期间出现哮喘恶化的所有5至17岁患者相似（表1）1.)中位呼吸频率（IQR）在基线检查时为24/min（21-29），在2小时时为24/min（20-27），在4小时时为24/min（21-26）。在2小时和4小时的时间点，受试者人数减少（表1）2.)受试者出院回家或住院。PEP在基线检查到2小时之间有所改善（中位数为38%和35%），同时FEV%也有所改善_1.（中位数分别为61%和69%），但这些改善在4小时后组中并不明显（PEP中位数为38%；%FEV）_1.中值63%)。类似的模式也见于气道阻力。这些肺功能的测量表明，在较晚的时间点仍留在PED中的受试者子集，要么改善得更慢，要么根本没有改善。

与成果计量的关联

PEP与%FEV之间的相关性_1.表中包括气道阻力3.并以图形方式显示3.．PEP与%FEV相关性的置信区间_1.在基线和随时间的比例变化不跨越0。这些相关性表明PEP值与一级标准的内在效度。在基线时，PEP和气道阻力之间存在显著的统计学相关性，但这些变量随时间的变化没有显著相关性。

采用广义估计方程的logistic回归模型评估副肌使用和PEP之间的关系，并根据时间进行调整。PEP增加与副肌使用有统计学意义(OR 1.16, 95% CI, 1.11至1.21,P < 0.0001)。此外，该模型表明，这种关联随时间而不同，从显著的交互项(P < 0.0001)可以看出。然而,这个结果应该被谨慎地考虑到少数受试者留在PED, 4小时测量PEP和附属肌肉都使用(n = 9)。Wilcoxon等级和测试也用于评估PEP附属肌肉使用之间的关系在每一个时间点。各组各时间点的检测结果在基线(P < 0.0001)和2小时(P = 0.006)有统计学意义，但在4小时(P = 0.28)无统计学意义。这种相关性在4小时时没有统计学意义，可能是由于当时的样本量小(n = 57)。

我们发现，定量脉搏血氧计体积描记仪波形数据(PEP)是一种连续、实时和不依赖于体力的测量方法，其使用与%FEV相关_1.(标准效度，r = -0.44)，并与%FEV的变化成比例_1.(反应性，r = - 0.31和- 0.38)。这一发现与Wright和他的同事的发现相比较，Wright和他们的同事根据波形高度的变化来估计PP，并发现PP与%PEF相关(r = - 0.31)[36].在我们的调查中，我们使用了%FEV_1.我们注意到，在基线检查时PEP与气道阻力（而非随时间变化）之间，以及在基线检查时和随时间变化的PEP与副肌肉使用之间，存在统计学显著相关性。

本研究也有局限性。首先，这三种结果指标可能不能完全反映肺功能，特别是在严重呼吸窘迫的患者中。肺活量测定是高度依赖努力的。尽管我们通过ATS标准和流量回路检查确定了每个测试的有效性，但有些受试者可能由于呼吸窘迫或年龄太小而表现不佳。此外，5至10岁儿童Rint预测值的百分比来自4个种族的健康儿童的小样本(n = 236)，可能不是有效的结果测量[33]第二，必须使用原始、未过滤、未平滑的红外光信号进行波形分析，以便完全捕获AUC可变性，从而估计PP。运动伪影是可能的，可以使用信号稳定方法来最小化该伪影。第三，注意到异常值（图1）3.)可能是运动伪影或影响PEP的生理事件的个体差异。这些异常值的作用是降低PEP与结果指标的相关性。第四，我们编制了软件，通过识别连续3秒时间间隔内的最小和最大AUC来计算ΔAUC。如果该间隔短于呼吸周期，计算的PEP将低估PP；如果间隔时间长于呼吸周期，则相反。前者似乎适用于整体，因为中位呼吸频率在基线时为25/min，在2小时和4小时时为24/min。我们认识到有必要在这项不断发展的技术中纳入一种呼吸频率检测方法，该方法将允许根据呼吸周期更精确地选择询问间隔。最后，PEP和FEV的变化很小_1.打印时间从0到2到4小时。这可能是因为那些在2小时和4小时仍留在PED中的受试者作为不出院的原因得到了最低限度的改善，因此，作为一个群体，PEP几乎没有变化。

本研究结果表明，PEP对小儿哮喘急性加重患者具有标准效度和反应性。将这项技术与现代脉搏血氧仪相结合，可以为临床医生提供更好的参数，用于对哮喘的严重程度和治疗反应进行临床评估，特别是对于因年龄小或病情严重而不能进行肺活量测定的患者。它还可能有助于早期识别和改善其他导致异脉升高的疾病的管理。

阿诺德博士是范德比尔特小门罗·卡雷尔儿童医院儿科和急诊医学副教授。詹金斯女士是生物统计系的三级生物统计学家。Hartert博士是过敏、肺和重症监护医学部医学系副教授。所有作者均来自美国田纳西州纳什维尔范德比尔特大学医学院。

这项研究得到了美国国立卫生研究院[Grant K23 HL80005-01A2] (Dr. Arnold)、[NCRR UL1 RR024975] (Vanderbilt CTSA/REDCap数据库)和NIAID [K24 AI77930] (Dr. Hartert)的支持。

隶属关系

1. 美国田纳西州纳什维尔范德比尔特大学医学院儿科和急诊医学系

   唐纳德·H·阿诺德

2. 美国田纳西州纳什维尔范德比尔特大学医学院生物统计学系

   凯西·詹金斯

3. 美国，田纳西州，纳什维尔，范德比尔特大学医学院，过敏，肺和重症医学科

   蒂娜V Hartert

4. 美国田纳西州纳什维尔范德比尔特大学医学院哮喘研究中心

   唐纳德·H·阿诺德和蒂娜·V·哈特

通讯作者

给唐纳德·阿诺德的信件。

竞争利益

DHA持有一项与本研究中描述的异脉估计方法有关的专利。

CAJ不需要披露任何利益冲突。第三电视台没有利益冲突需要披露。

作者的贡献

DHA设计了这项研究，登记了受试者，是手稿的主要作者。CAJ进行了统计分析，并协助撰写了研究报告统计分析和数据管理，结果和讨论部分。twhh协助研究设计和撰写文稿。所有作者都已阅读并批准了最终稿。

本文经BioMed Central Ltd.许可发布。这是一篇根据知识共享署名许可条款发布的开放获取文章(188滚球软件http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)，允许在任何媒介上无限制地使用、分发和复制，但必须正确引用原作。

再版和权限