摘要
测量最大用力呼气动作(MFEM)第一秒的频率含量,以确定目前接受的MFEM 20 Hz的频率限制是否足以记录呼气峰值流量(PEF)。
测量了Fleisch气功记录仪(PT)的频率响应,并用于记录24名肺功能实验室患者和26名正常志愿者的MFEM。前1.024秒的信号记录在1000 Hz的最大PEF下,使用三角窗函数进行快速傅里叶变换,0.75秒后将流量线性降为零。所有高于设定限制的频率都被移除,然后进行逆变换以重新构成打击。频率截止的极限逐渐从100 Hz降低到15 Hz,并将产生的PEF与没有频率降低的重组打击产生的PEF进行比较。
平均±sd年龄为47±18岁,平均PEF为450±187 L·min−1,当表示为标准化残差时,其值为0.1±2.1,其范围为−4.5-3.9,表示在正常值附近有良好的分布。PEF平均上升时间为83±38 ms, 90% PEF的停留时间为45±25 ms。切断>20 Hz使组的平均PEF降低8.5 L·min−1(95%置信限5.5 ~ 11.4 L·min−1),而截止>30 Hz使平均PEF降低4.4 L·min−1(2.6 - -6.2)。在目前的研究对象中,30hz是第95百分位的频率,用于定义打击第一秒98%功率谱的上限。
研究表明,有> - 20 Hz的频率足以影响使用传统手持式呼气峰值流量计(如mini-Wright)所作的读数。因此,用于记录最大用力呼气动作流量的设备应具有高达30hz的适当频率响应。
最大用力呼气动作(MFEM)的频率含量之前已经有了定义,发现在最大呼吸能力动作频率高达20 Hz时振幅含量显著1以及高达4赫兹的潮汐呼吸和用钟形呼吸计记录的肺活量机动。其他研究发现,在进行用力呼气流动作的男性中,总频率含量小于5%为> 10hz2.因此,在测量整个MFEM时,20 Hz已被接受为足够的记录设备的极限3..呼气峰值流量(PEF)可能是最受频率含量变化影响的肺功能指标之一。有可能在MFEM开始时对PEF有贡献的频率含量可能高于从整体研究MFEM所建议的频率含量。如果忽略这一事实,肺功能的这一方面可能无法得到足够保真的记录。
因此,本研究旨在确定MFEM中第一秒的频率含量,从而努力测试PEF记录设备的频率响应特性,使其能够正确匹配信号要求。
方法
该研究使用了一种优化的气速记录仪(PT),它包括一个Vitalograph PT头和上游几何结构,网格屏幕插入PT头上游以提高其线性度4.PT头是不加热的,通过在两次击打之间将其放在风扇上进行热稳定5.Sensym低压差压传感器(SCXL004DN型;使用Farnell Electronics Components Ltd, Leeds, UK),用Butterworth 4极滤波器将信号放大和低通滤波设置为200hz。基于整个PT组件,包括换能器,将表现为一个二阶系统的假设,它的频率响应是用以下方式测试使用步进测试6.从爆炸减压系统中放出一股气流7,然后使用计算机控制的快速响应直接驱动阀(D633-313A型;Moog公司,NY, USA),从全开到关闭时间<12 ms。换能器的输出用12位模数转换器在1000hz下采样并存储。对换能器的频率响应进行了阶梯式测试。将玻璃注射器连接到换能器的一个端口上,然后将柱塞抽出,产生强烈的负压,然后突然释放到大气压力。输出以1000hz采样并存储。测量了这些记录的前两次振荡的振幅(amp1和amp2),当它们趋于零时,并确定了振荡的周期性(Td s)。自然谐振频率(Fn)和阻尼系数(D)由这些测量值计算,使用以下公式6,其中假设系统响应为二阶:
在每次记录前使用3‐L注射器和Varene法校准PTet al。8.通过PT排空注射器至少两次,流量范围为1-3 L·s−1,然后在4-6 L·s的速度下进行两次−1,其次为7-12 L·s两次−1.这些数据被用来推导一个平均校准因子,从而避免了对特定流量范围的任何偏差。通过在0.5-12 L·s之间传递恒定的已知流量来测量系统的线性度−1使用泵系统9.
该PT系统用于记录50名志愿者的MFEM。这些受试者中有24名患者(11名男性)到肺功能实验室进行常规检查,26名(13名男性)是医院工作人员的志愿者。3个符合美国胸科学会(ATS)接受标准的MFEM10对每个受试者进行记录。每隔1‐ms对流量进行采样并存储在计算机磁盘上。从三次打击,最大PEF,用力肺活量(FVC)和用力呼气量(FEV)在一秒钟1)采用欧洲钢铁和煤炭共同体(ECSC)方程和标准化残差方法计算并与预测值相关3..最大PEF的冲击对PEF的上升时间为10-90%,流量>的停留时间为计算峰值的90%。这次打击的前1.024秒的数据使用Origin版本6.1进行了快速傅里叶变换(FFT)分析。应用三角窗函数,使流量从0.75 s线性减少到1.024 s为零。这是必要的,以避免虚假的高频含量,由于在1.024秒截断突然转变为零流量。然后,推导出的FFT系数进行逆变换以重新产生打击,而不改变系数。PEF就是由这种重新组合的打击衍生出来的,称为PEFR.在>100、90、80、70、60、50、40、30、20和15 Hz处,先去除所有频率成分,然后依次重复这一重建打击的逆变换过程。这些再生打击的PEF被计算并存储为PEFOne hundred.pef15,分别。PEF的比较R每一个频率降低的PEF都进行配对t检验。
通过将来自流量/时间数据的FFT的幅值系数除以每个频率的PT增益的传递函数,然后执行反FFT,检查PT系统的频率响应对记录的PEF的任何可能影响。这只是校正的近似值,因为没有考虑相变。
结果
PT在0.5 ~ 12 L·s范围内呈线性变化−1,回归线的残差sd为0.04 L·s−1.对整个PT系统进行三步试验,测得Td分别为5.6、5.7和7.7 ms(平均6.3 ms),振幅比分别为1.93、1.82、1.81(平均1.85)。平均固有谐振频率为159 Hz,阻尼系数为0.1,3分贝(dB)点为87 Hz。图1⇓图2显示了其中一个测试的流量突然终止后的信号沉降情况⇓显示了增益图与频率的PT系统作为一个整体。换能器及其油管单独测试时,谐振频率为333 Hz,阻尼系数为0.2。
![图1. -](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/19/3/530/F1.medium.gif)
通过气速记录仪组件的气流停止后传感器信号稳定时的图。#:周期性;断箭头:振幅1;实线箭头:振幅2。
收益图与整个呼吸记录仪的频率。谐振频率:159 Hz;阻尼系数:0.1;3db: 87hz为信号增益为3db的频率。
FVC, PEF和FEV1正常人和患者的数据见表1⇓.由记录数据的FFT和逆FFT得到的PEFR与原始PEF在L·s内相同−1到小数点后三位。对PT系统已知增益的流量/时间数据进行近似修正后,PEF平均仅降低0.32 L·min−1(0.005 L·s−1),标准差为0.36 L·min−195%置信限(CL)为0.22 ~ 0.43 L·min−1.图3⇓显示了该组平均PEF的减少,标准误差条表示频率含量的逐步减少。当所有频率>60 Hz被移除时,平均PEF (95% CL)首次有统计学意义上的显著降低,为1.2 L·min−1(0.2 - -2.1 L·分钟−1;P <0.01)。然而,第一个临床相关的PEF降低是频率含量>20 Hz的降低,导致PEF平均降低8.5 L·min−1(5.5 - -11.4 L·分钟−1;p < 0.00001)。> ~ 30 Hz频率损失导致PEF平均下降4.4 L·min−1(2.6 - -6.2 L·分钟−1;p < 0.00001)。在频率含量的任何一个降低时,PEF的绝对下降与测试对象的原始PEF没有显著相关。
![图3. -](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/19/3/530/F3.medium.gif)
对50次记录的呼气流量峰值(PEF)进行快速傅立叶变换低通滤波的不同临界值的绝对变化图。
图4⇓显示了选定的频率百分比图,该频率定义了来自50个受试者的打击功率谱的各种百分比。第95百分位的功率谱97%为20hz, 98%为~ 30hz。
为50名受试者选择的百分比图,用于定义打击的第一秒功率谱的不同百分比的高频限制。#: 2.5%;¶:第50百分位:+: 75百分位:§: 95%。
讨论
已证明,目前范围内患者和正常受试者的PEF记录中包含了高于可接受的20 Hz水平的频率的显著贡献。截止>20 Hz时PEF的平均下降幅度大于患者使用的常用PEF仪表的精度极限,因此会改变所获得的读数。以截止>为30 Hz时,平均差值为4.4 L·min−1是这些仪表读数的精度极限。这表明,为了忠实地记录PEF,记录设备必须能够处理高达30 Hz的频率。PEF的减少与原始PEF的大小无相关性。因此,这种减少的临床重要性可能因受试者而异,但测量设备的准确性将受到影响。
为了确保这些结论是正确的,原始信号的记录设备必须足够满足这一目的。PT的线性度之前已经通过适当的泵系统进行了验证9,其校准已通过一种公认的方法进行,该方法可使其范围内的偏差最小化。采用阶跃试验对其频率响应进行了测试,这是确定其特性的最佳方法之一。所述方法适用于具有连续模拟输出的任何设备。使用了装有快速响应螺线管的爆炸减压装置,但也可以使用其他流量产生装置。使用了“关闭”步骤测试,因为与突然生成恒定流的“打开”步骤响应相比,突然停止流具有更少的潜在人工制品。
作者使用了一个欠阻尼的系统,但其固有谐振频率远远超过感兴趣的频率含量。另一种选择是有一个共振频率较低但严重阻尼的系统。作者认为PT系统对于记录人类的MFEM的目的是足够的。当对PT的频响特性进行近似修正时,PEF的变化并不显著,从而验证了这一点。当在临床环境中对受试者使用该PT系统时,使用了设置为50 Hz的低通模拟滤波器。在这项研究中,使用了200 Hz低通滤波器,以确保任何感兴趣的频率都不会受到影响。
本研究具有代表性的第二个要求是受试者群体充分反映了相关的客户群体。对50名受试者进行了抽样检查。一半的样本没有症状或已知疾病,因此被视为正常,另一半是有症状的对象,气流受限。结果见表1⇑表明这些受试者的PEF与预测的相差为−4.5-3.9 sd,其平均值基本上与预测的一致。虽然更大的样本可能会显示出这些发现的更严格的置信极限,但相信受试者具有足够的代表性,可以接受这些发现。在截止频率为60 Hz时,PEF的变化有统计学意义,但在30 Hz时,PEF的平均变化超过5 L·min−1,这将是影响模拟仪表(如mini-Wright)读数所必需的量。
目前的发现对于验证流量计是否有足够的频率响应来记录呼气流量峰值和其他流动现象是重要的。对于像mini-Wright这样只有单一峰值流量输出的仪表,需要跨越感兴趣的输入信号范围的测试信号。这些信号的特征可以用它们的上升时间和停留时间来最好地描述11.这些频率含量不同但流量相同的信号可以传递给仪表,无论输入信号的频率含量如何,仪表都应该给出相同的读数。这些测试可以通过使用气功记录仪记录流量来验证。本研究提供的证据表明,有关测量呼气流量峰值的频率响应测试的要求应包括高达30 Hz的频率。
致谢
作者要感谢P. Atkins,伯明翰大学电子与电气工程系,为这个项目提供建议。
- 收到了2001年3月18日。
- 接受2001年8月22日。
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