摘要
无创性、低合作需求和详细生理特征的潜力促进了振荡测量法在肺功能评估中的应用。然而,人们对不同的振荡测量装置所提供的测量结果的可比性提出了担忧。本研究比较了振荡计在有和没有模拟呼吸的机械测试负载测量中的性能。
六种设备(五种是市售的,一种是定制的)用机械测试负载结合电阻(R)、符合气体标准(C)和管的惯性(l),以模拟呼吸阻力(Rrs)和电抗(Xrs)在临床实践中遇到的光谱。使用呼吸机模拟潮汐量为300和700毫升,频率为30和15分钟的呼吸−1,分别。测量值是用R,C,l,共振频率(fres),电抗面积(一个X)和电阻在5至20或19赫兹之间变化(R5 - 20 (19)).
不断增加的测试负荷导致了进行性偏差Rrs而且Xrs从不同振型计中不同程度的计算值。的平均值Rrs在可接受的恢复情况下,一些设备在频率依赖中表现出严重的失真Rrs而且Xrs,导致误差较大C,l,fres,一个X而且R5 - 20 (19).实验结果在很大程度上与模拟呼吸无关。
简单的校准程序和吹口校正,加上未知的仪器和信号处理因素,可能是导致振荡测量中存在巨大差异的原因。严格的测试和持续的协调努力是必要的,以更好地利用振荡测量的诊断和科学潜力。
摘要
振荡测量仪的临床应用受到设备缺乏标准化的限制。这项研究测试了六个振荡计,并揭示了儿童和成人肺病患者在较高机械阻抗下观察到的非常不同的表现。http://bit.ly/317sfjH
简介
振荡测量法,也被称为强制振荡技术,已越来越多地应用于肺功能的常规评估,因为要求受试者的合作水平较低。虽然最大呼气流量-容积(MEFV)测量仍然是肺功能测试中最广泛的诊断工具,但其使用仅限于合作年龄范围[1,2],在患有神经肌肉疾病的患者中作为肺功能测试是不可行的[1].相比之下,据报道,低至2岁的学龄前儿童都有很高的振荡测量成功率[2]以及无法进行可接受的MEFV动作的高龄受试者[3.,4].
振荡测量的潜力与结果的详细生理解释和低合作要求相关联,导致商业振荡测量设备的发展取代了各种定制的设置。这项技术的标准化已成为一项重要任务,有关测量条件和精度的建议已发表[2,5,6].由于这些装置在测量持续时间、频率含量、振荡波形和强度以及信号处理技术等方面存在差异,因此人们对它们在测量呼吸阻抗(Zrs).这一点尤其重要,因为正在为不同年龄组和种族的各种人口建立大量数据库[7],如果它们仍然是设备特定的,派生的参考值将是不切实际的。虽然已为肺活量测定建立了严格的标准和测试程序[8- - - - - -10],在振荡测量中还没有达到这一阶段。
器件兼容性的重要性早已被认识到,在同一课题中,比较两个或多个振荡测量器件性能的初步研究已经进行[11- - - - - -19],不同的研究人群[20.],或已知的机械试验载荷[14,16- - - - - -18,21,22].然而,据我们所知,目前市场上所有五种振荡测量装置的输出比较报告尚未发表。本研究的目的是通过对五个设备的输出和定制的振荡测量装置进行系统比较,通过使用代表典型范围的典型机械测试负载来填补这一知识空白Zrs临床实践中遇到的光谱。由于呼吸也被认为是设备性能多样性的潜在因素[20.]并已在部分设备上进行了测试[14],我们的测试负荷是在有和没有叠加模拟呼吸信号的情况下测量的。
方法
研究地点及设备
该研究在单一中心(加拿大蒙特利尔麦吉尔大学卫生中心研究所创新医学中心振荡测量单元)进行,使用MasterScreen IOS (Vyaire, lakefforest, IL, USA)、Quark i2m (Cosmed srl,罗马,意大利)、MostGraph-02 (Chest MI,东京,日本)、TremoFlo C-100 (Thorasys医疗系统公司,蒙特利尔,加拿大)和Resmon Pro (resech srl,米兰,意大利)。一种基于波管头(长度:17厘米,内径(ID): 1.4厘米)的定制设备,专为测量高Zrs值(23,24]也进行了测试。
机械试验载荷
六种不同的机械测试负载被组合在一起(图1)使用5种不同的堆叠网格电阻(1.8,4.5,8.4,11.8和14.0 hPa·s·L−1在50 mL·s的单向(dc)流量下−1)模拟呼吸阻力(R1,R2,R3.,R4而且R5),一根30.5厘米长的PVC管(内径1.9厘米),表示惯性(l),以及由4升和23升玻璃瓶组成的两种不同弹性载荷(C).每个瓶子的侧端口都连接到一个大型动物呼吸机(型号613;哈佛仪器,霍利斯顿,马萨诸塞州)提供正弦体积变化通过在23升的瓶子内,为100厘米和200厘米3.2毫米内径聚乙烯管(C1)和4升装瓶(C2),分别。这种管道的目的是在测试负载和通风机之间增加高阻抗,以防止可变泵量的动态贡献C.试验模型组合及通风参数见表1.在振荡测量过程中记录的信号显示在图2.
测试负载的输入阻抗(Z米)在4 - 38hz的频率范围内计算,如下所示。惰性管和气瓶的输入阻抗(Z信用证),作为管的负载阻抗,分别作为管和瓶的开端和闭端圆柱形导管,由Navier-Stokes方程的数值解计算[25].电阻器的阻抗由一个集总t型网络模拟,该网络由串联管阻抗和金属网屏组件前后气体体积的平行分流阻抗组成,所有计算方法如上[25],而筛网的电阻值则取自实际通风机设定的平均流量下的直流流量测量(表1).这个t型网络是由Z信用证获得Z米.细菌过滤器和吹口组件的阻抗由每个设备中使用的特定校准程序计算。
计算Z米这些测试负载的值与理想值有轻微偏差R- - - - - -l- - - - - -C由于以下机制:1)玻璃瓶中的气体经历了一个多元过程,这意味着在最低频率下,与严格的双曲虚数部分的过程略有不同,而存在一个较小的实部;后者在较小瓶子的情况下可以观察到,测试负载阻力有小幅下降(R米)为0.06 hP·s·L−1在4到10hz之间。2)相反的变化R米(0.13 hPa·s·L−1在10到38hz之间),是由惯性管中R的正频率依赖性引起的,这是抛物线速度剖面扭曲的结果[26].所有这些偏差导致的小(0.3-1.2%)误差R- - - - - -l- - - - - -C拟合计算阻抗谱。
振荡频率
测试设备采用不同的振荡信号(表2),频率值由5hz至35 - 37hz不等,但夸克i2m装置的最低频率为4hz,最高频率为48hz。为了计算电抗面积(一个X)在最低频率与共振频率(fres)时,电抗(X米)从4-Hz和6-Hz的数据中插值。如果fres超出了测量频率,积分在最高频率处被截断。一种常用的外周呼吸力学测量方法,差于Rrs介于5至20或19赫兹之间(以可用的频率为准)R5 - 20 (19)值。两个设备(MostGraph-02和Resmon Pro)分别提供两种不同的光谱信号类型(表2),两个版本的测试都完成了。振荡信号的振幅被设定为制造商实施或推荐的振幅。对于每个测试模型和设备,进行了五次测量,并对阻抗谱进行了集成平均。
统计分析
模拟呼吸对估计的影响R,l,C,fres,一个X而且R5 - 20 (19)采用双向重复测量(RM)方差分析(详见补充附录S1及表S1 - s2).
结果
使用Resmon Pro设备测量M1-M3和M1-M4测试模型,分别使用10分量和3分量测试信号,根据制造商指定的阻抗精度限制。在不同的器件和信号模式下,用最低阻抗(M1)和最高阻抗模型(M6)的测量结果说明了测试模型上获得的阻抗谱图3.在M1的最低测试负载下,大多数器件测得的电阻和电抗值略高于计算值;然而,除了单个略有不同的设备(MostGraph)外,性能是相似的(图3一),而在最高测试负载为M6的情况下,器件之间的差异显著(图3 b).M1到M6的所有模型,有或没有模拟呼吸的结果显示在图S1a-f.随着电阻值的增加,但不变C而且l在测试负载(M1, M2和M3)中,电阻的不同频率依赖性增强,一半的设备(IOS, i2m和MostGraph)的电抗过程明显偏离计算值。在测试负载M4、M5和M6的较高电阻和弹性值时,大多数器件产生了相似的电阻谱,但这与同一三个器件的电抗过程与预测结果进一步背离有关。除了计算值反映的电阻略有升高外,静态和动态测试模型测量的阻抗没有系统差异(即。使用或不使用任何设备进行模拟呼吸)(图S1a-f).
图4而且5说明Z米所有测试负载和设备的测量方法。阻力,R的平均值R米在测量频率范围内,所有器件的直流电阻计算值(图4一),在最高测试负载下,MostGraph设备的偏差最大。的理论值C在所有测试负载下,除MostGraph外的所有设备都能准确地恢复,其中弹性阻抗的系统低估导致C(图4 b)所示的光谱结果图3而且S1a-f.的值敏感地反映了不同器件的显著不同的高频行为l,随着测试负载的增加,理论值逐渐被高估(MostGraph)或低估(IOS和i2M)图4 c).试验负载的阻抗谱计算结果与理想阻抗谱基本一致R- - - - - -C- - - - - -l表现为拟合误差的行为(F)大多<1%,一些设备引入的光谱失真导致极大的高F值(图4 d).
设备性能也被描述为常用的Zrs措施,例如fres,一个X而且R5 - 20 (19)(图5).的理论值fres被一些设备(Wave Tube, TremoFlo和Resmon Pro)很好地恢复,而其他设备则明显错误地估计甚至没有被检测到(图5一个).估算不准确fres的值导致较大的错误一个X,在低遵从性测试模型中最为显著(图5 b).尽管在所有测试模型中,电阻的频率依赖关系可以忽略不计,人为的高值R5 - 20 (19)用一些设备观察(图5 c).
按照显示Z米光谱(图S1a-f)的双向RM方差分析显示了系统而微小的变化R由模拟呼吸引起的;其余阻抗参数未受影响(表S1和S2).
讨论
目前的工作旨在促进“振荡测量的标准化”,这是1979年为肺活量测量发起的一项行动[27]并于2005年落成[9].这项研究独特地受益于商业振荡测量设备制造商对比较研究的开放和一致态度,以解决25年前暴露的标准化问题[6,22].
所提出的结果揭示了已知的呼吸系统力学模型的阻抗估计的实质性差异,并突出了振荡测量装置兼容性的局限性。一个典型的发现是,在一些设备中,测量阻抗的偏差随着测试负载的大小而增加,这些偏差主要表现在电抗值的过程中。虽然几乎所有的设备在较低频率下测量电抗都相对准确,但在较高频率下的性能较差,导致电抗的值变化很大fres而且一个X,这是描述呼吸系统弹性和肺周围不均匀性的常用指标[5,28,29].在过程中观察到较小的差异R米;然而,这些被放大的散射值R5 - 20 (19),这是一种常用的衡量外周气道梗阻的指标[29].虽然这些振荡测量的生理有效性尚未得到证实,但由于振荡测量设备的不同性能而产生的巨大偏差降低了它们在临床实践中的实用性;事实上,设备间的比较[16- - - - - -19对这些衡量方法的系统性差异提出了担忧。这些发现亦强调标准化标准[5的单个值Zrs(或Rrs,Xrs和|Zrs|)单独是不够的,因为上面提到的衍生指数越来越重要。
由于缺乏关于每个设备的硬件和软件细节的公开信息,包括流量计的线性度和共模特性,以及信号处理的细节,无法阐明不同性能背后的原因。一些设备中使用的低阻抗校准设备引起了人们的关注,尽管很久以前就发布了方法建议[5,6],与。相比,它们太小了Zrs在临床实践中遇到的价值观。另一个值得关注的问题是对过滤器-吹口组件的简单修正,它没有考虑到相关死区对测量结果的分流效应Zrs[15,30.].
目前研究的一个局限性是纳入的经验值R在试验负载拼装时,在没有理论计算的情况下进行了堆叠网格电阻的计算。的测量R直流电流显示轻微非线性(数据未显示)。的确,就像在图2通过流量相关的波动R(和X),测试负载的阻性成分表现不理想(这也可能导致传递不同出厂设定信号振幅的振荡测量设备之间存在差异)。除了实际值的不确定性之外R(在较小的程度上,对l)试验负载阻抗的流变性与R-C-L模型相当一致,其参数敏感地反映了振荡测量装置性能的差异。
最后,这里应该提到设备-受试者交互的一些方面。在早期的一项比较研究中,用五种不同的振荡测量装置对五组健康受试者进行测量[20.的组间差异Zrs在10 hPa·s·L测试负载阻抗恢复相当均匀的基础上,比预期的要大−1这表明这些设备在呼吸过程中的性能发生了改变。目前的研究并没有证实这一建议,因为模拟呼吸在频率依赖性中引入了不重要的差异Zrs模型参数,虽然使用正弦模拟呼吸是一个方法上的限制。设备阻抗、死区、振荡波形和测量持续时间可能会发生变化Zrs通过呼吸方式的改变[14].虽然这在目前的研究中没有解决,但这些因素不太可能产生与在不同设备的频率响应中观察到的失真相当的影响。值得注意的是,一个设备(MostGraph-02)在脉冲和伪随机信号模式下进行了测试,结果基本相似。目前的研究没有解决在上呼吸道和限流支气管段存在的显著非线性,导致呼吸内波动较大Rrs而且Xrs[31- - - - - -35],这个因素可能会影响设备与受试者的交互,从而影响设备的性能。然而,振荡测量法的新模式拓宽了该方法在肺功能测试中的实用性[33,34]及监察[36],对平均值的准确性提出了进一步的要求Rrs而且Xrs.
总之,目前对商业振荡测量设备的测试显示,随着阻抗值的增加,测量性能逐渐出现差异,这排除了使用不同设备的研究结果的可比性,并禁止形成大型设备无关的振荡测量数据库。协调,包括使用严格的测试程序,如果有必要,修订个别设备类型的技术解决方案,以开发肺功能武器库中振荡测量的诊断潜力。在传达这项比较研究结果方面达成的共识,表达了所有相关制造商和研究人员对这一迫切需求的认识。
补充材料
确认
我们感谢振荡测量协调研究小组(按字母顺序排列):Anurag Agrawal (cir -基因组学和综合生物学研究所,新德里,印度),Michela Bullone(都灵大学,都灵,意大利),Dorottya Czövek (Semmelweis大学,布达佩斯,匈牙利),Marie-Pier Dumas(麦吉尔大学,蒙特利尔,加拿大),Rachel Eddy(西安大略大学,伦敦,加拿大),Raúl San José Estépar(哈佛医学院,波士顿,美国),Francesco Ferrucci(米兰大学,米兰,意大利),Diane Gray(开普敦大学,南非开普敦),Gergely Makan(塞格德大学,塞格德,匈牙利),Geoffrey N. Maksym(达尔豪西大学,哈利法克斯,加拿大),Grace Parraga(西安大略大学,伦敦,加拿大),Bence Radics(塞格德,塞格德,匈牙利),Petra Reinhold (Friedrich Loeffler研究所,格雷夫斯瓦尔德,德国),Claire Shackleton(昆士兰大学,布里斯班,澳大利亚),Salman Siddiqui(莱斯特大学,莱斯特,英国),Marcia Soares(莱斯特大学,英国),Luca Stucchi(米兰大学,米兰,意大利),Omar Usmani(帝国学院,伦敦,英国)。我们感谢日本东京的Chest MI (Hajime Kurosawa)提供的技术支持和建议;Cognita Labs, LLC,休斯顿,德克萨斯州,美国(Gaurav Patel和Ashutosh Sabharwal);老宇宙,罗马,意大利(马里奥·布鲁尼奥利,保罗·布鲁尼奥利和汤姆·卡朋特);Restech srl,米兰,意大利;加拿大蒙特利尔Thorasys医疗系统公司(Marc Baeumle, Yvan Beaudoin, Guy Drapeau, Leslie Gold, Sebastien Jutras, Lennart Lundblad和Thomas Schuessler);Vyaire, lakefforest, IL, USA (Juergen Reinstaedtler, Nadia Stachowicz和Hans-Jürgen Smith); and the Small Airways and Technologies Working Groups of the Respiratory Effectiveness Group. Meeting venues were provided courtesy of Boehringer Ingelheim, the Canadian Thoracic Society and the Respiratory Effectiveness Group.
脚注
这篇文章有补充资料可从openres.ersjournals.com.
利益冲突:R.J. Dandurand报告称,他是SpiroTech Medical Inc. 15%的股东,该公司拥有一种用于家庭监测呼吸系统阻力的新型设备的专利;阿斯利康(AstraZeneca)、勃林格殷格翰(Boehringer Ingelheim)、诺华(Novartis)、辉瑞(Pfizer)和梯瓦制药(Teva Pharma)在提交的作品之外提供无限制的教育资助。
利益冲突:J-P。拉沃伊没什么可透露的。
利益冲突:L.C.兰兹没有什么可透露的。
利益冲突:Z. Hantos报告称,他是Telethon儿童研究所拥有的一项专利的发明人,该专利名为“一种诊断呼吸道疾病或疾病或监测其治疗的方法以及用于其中的设备”(澳大利亚专利申请号为2005903034)。本研究中使用的技术与本专利大体一致。在这项专利下,他没有从Telethon儿童研究所获得任何版税,也没有与之签订任何版税协议。他还与Thorasys医疗系统公司(Thorasys Medical Systems, Inc.)签订了咨询协议,该协议与本研究的主题无关,是在本研究完成后建立的。
支持声明:Z. Hantos获得匈牙利科学研究基金K 128701资助。本文的资助信息已存入交叉参考基金注册.
- 收到了2019年6月21日。
- 接受2019年10月7日
- 版权所有©ERS 2019
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