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摘要
背景:最近的证据表明，呼气峰值流量(PEF)仪的频率响应要求比最初认为的要高，而美国胸科学会(ATS)测试PEF仪的波形可能不足以满足这一目的。
方法:mini-Wright (MW)、Vitalograph (V)、TruZone (TZ)、MultiSpiro (MS)和气速记录仪(PT)流量计的动态响应是通过装有快速响应电磁阀的计算机控制的爆炸减压装置传递两种不同形状的流动时间剖面来测试的。这些剖面与种群第5和第95百分位在10%到90% PEF的上升时间和超过90% PEF的流动停留时间相匹配。在PEF条件下，在相同的腔室压力和螺线管孔径下，将剖面发送5次。两个剖面记录的PEF的任何差异都表明动态响应较差。
结果:对于V、MW和PT PEF流量计，在PEF≈500 l/min时，l/min内的绝对流量差(平均流量差的%)分别为25(4.7)、20(3.9)和2(0.3)，在PEF≈200 l/min时，分别为25(10.5)、20(8.7)和6(3.0)。在≈500 l/min时，TZ和MS仪表的差值分别为228(36.1)和257(39.2)，在≈200 l/min时，差值分别为51(23.9)和1(0.5)。所有仪表波形测试均满足ATS精度要求。
结论:一种用于测试流量计动态响应的改进方法检测了26种ATS波形未识别的TZ和MS响应的显着超调(欠阻尼)。这种错误可能会导致患者在使用哮喘指南时出现错误分类。
- 呼气流量峰值
- 峰值流量计
- 肺功能
数据来自Altmetric.com
为了准确记录最大用力呼气动作的流量，记录设备必须具有足够的动态响应特性，以及在其操作范围内的线性和准确。我们最近已经证明，用于记录呼气流量峰值(PEF)的呼气动作的频率内容包括高达30 Hz的重要信号成分。1我们还展示了美国胸科学会推荐的用于测试PEF仪表的型材面板2在PEF的10%到90%之间没有足够的上升时间(RT)范围，也没有超过90% PEF的流量停留时间(DT)范围，无法覆盖在客户群体中发现的数据的传播。3.由于泵系统不能准确地输出DT值非常短的剖面，4有必要考虑其他方法来测试流量计的动态响应是否足以达到目的。
爆炸性减压装置5它不受波动效应的影响，从而限制了泵系统提供高要求剖面的能力。4我们修改了一个爆炸减压系统，以确定它是否可以用于测试流量计的动态响应，这些流量计要么具有连续模拟输出，如气速记录仪(PT)，要么具有离散输出，如可变孔板流量计。
方法
一个快速响应直接驱动阀(D633-313A型，穆格公司，东奥罗拉，纽约，美国)连接到7.5升爆炸减压装置的室5这样螺线管的孔径就可以从计算机上快速控制。制造商表示，从全开到关闭的时间小于12毫秒。使用传感器(Sensortechnics HCX005D6V, 0-500 kPa)记录腔室中的压力，并附有一个模拟压力表(Nuova Fima，布宜诺斯艾利斯，阿根廷，0-160 kPa)，用于连续可视读数。室内充满了铜屑，以帮助确保气体放电时的绝热条件。螺线管的出口是一个内径为28毫米的管子，上面可以安装各种流量计。
一个微型莱特可变孔板仪表被密封在一个有机玻璃圆柱体中，这样所有通过仪表的气体被再次收集并引导到圆柱体的出口。6有机玻璃气瓶的入口连接到爆炸减压装置上，气瓶的出口连接到直径60毫米的Fleisch型PT (Vitalograph Ltd, Buckingham, UK)的上游扩散器上，配有Sensym低量程(0-1 kPa)差压传感器(SCXL004DN型，Farnell电子元件有限公司，Leeds, UK, part no: 320 -671)。所有信号都使用12位转换器进行A/D转换，并以1000 Hz采样。在测试PT的频率响应时，信号在200 Hz(四极Butterworth模拟滤波器)进行低通滤波，在130 Hz时增益为0.99，在200 Hz时增益为0.67，在300 Hz时增益为0.08。对于所有其他的记录，同样的滤波器被设置为低通50hz，这是我们通常用于记录主题的，这将分别在30hz, 50hz和90hz时获得相同的增益。
研究了1994年购买并仅用于后续实验室测试的以下PEF仪表:一个迷你Wright (MW)仪表(Clement Clarke International Lt, Harlow, UK)，一个Vitalograph (V)仪表(Vitalograph Ltd, Buckingham, UK)，一个MultiSpiro (MS)仪表(MultiSpiro Inc, Irvine, CA, USA)和一个TruZone (TZ)仪表(Trudell Medical, Ontario, Canada)。MW的读数根据这些仪表的已知非线性进行了校正7地点:
校正PEF (l/min) =(记录PEF)2× 0.0009 +记录PEF × 0.373 + 47.4
这是这些数据的最佳多项式拟合，残差为7.1 l/min。
如图1所示，计算机生成的两个流量剖面从爆炸减压装置中释放五次，以测试仪表。这些剖面是使用受试者记录的上升时间(RT)为89 ms，停留时间(DT)为15 ms的PEF两侧的流动时间数据构建的。对PEF前和PEF后的数据分别在时域内进行调整，以实现任意期望的RT或DT。当配置文件A交付时，输出配置文件应具有110-140 ms的RT和100-130 ms的DT。这些值的选择大致在人口值的第95百分位。3.当B型骨输出时，输出型骨的RT应为20-36 ms, DT为12-20 ms，这大约是在第5百分位。如果A、B两种剖面在PEF点的最大螺线管孔径相同，驱动压力相同，则在PEF表的阻抗与校准装置的内阻相比可以忽略不计的情况下，交付给给定仪表的PEF应相同。因此，当以这种方式交付时，如果仪表要为这两种配置文件产生重要不同的读数，则仪表的动态响应特性必须是不充分的。通过记录有机玻璃支架上游的PEF和压力来检查螺线管的输出阻抗是否超过流量计的阻抗，当减压装置通过有机玻璃支架和MW表放置在适当的位置时，然后重复600 cm2将国产通用清洁布(j布)松散地放置在支架中，以提供等效的流量信号平滑。
曲线A的上升时间(RT)为110 ~ 140 ms，停留时间(DT)为100 ~ 130 ms;曲线B的上升时间(RT)为20 ~ 36 ms，停留时间(DT)为12 ~ 20 ms。
由于该小体积爆炸减压系统的腔室压力随着流量的输送而下降，且A型线的上升时间较长，因此驱动压力从起始值衰减到PEF记录值是可以预期的。因此，针对两种剖面的不同启动压力，建立了启动压力与PEF之间的关系。由于一旦螺线管打开，减压系统中的驱动压力不断下降，因此适当增加输入信号的DT，以实现正确的输出DT。
在相同的PEF驱动压力下，A型和B型向每米放电5次，记录PEF记录。将MW仪表放在有机玻璃支架中，用PT记录整个交付的剖面，以确认剖面形状的准确性。每个仪表和PT也测试了26个ATS流量波形使用适当的泵系统。4
通过一种阶跃试验分别测试了PT的频率响应。5爆炸减压装置向PT系统输送了一股气流，然后通过关闭电磁阀突然终止了这一气流。PT记录的流量为1000hz，模拟低通滤波器设置为200hz，并存储数字化信号。对这种偏离响应进行了分析，验证了二阶特征假设的正确性。根据前两次离步振荡的振幅和周期性，可以用建立的公式计算出固有谐振频率(Fn)和阻尼系数(D)。5
这是我们之前研究中50名受试者(26名正常患者和24名气流受限患者)的吹击频率功率谱1使用商业数值例程计算(Quinn Curtis Inc, Version 2.5, Mass, USA)。
结果
26种ATS波形A和B的功率谱，RT和DT的完整数据可在胸腔网址为表E1。在26种ATS波形中，只有7种波形的功率谱的99分位数为5hz或更高，这表明大多数波形的频率含量非常低。在我们之前研究的50个受试者中，波形6的频率含量最高，其功率谱的99%定义为7.1 Hz，而剖面b的频率含量为17.2 Hz1功率谱的99%极限范围为2.2-16.0 Hz, 26名正常人的平均值(SD)为5.4 (1.4)Hz, 24名患者的平均值为6.8 (3.6)Hz。
图2显示了PT系统上的步进测试结果。对二阶特征的分析证实，这些假设与数据非常吻合，考虑到阀门快速关闭期间的一个小人工干扰，代表阀门的犹豫程度。这是通过在流的加速度中放置一个延迟来模拟的，以与我们观察到的犹豫相一致。PT系统的固有谐振频率为143 Hz，阻尼系数为0.1，信号上的5%增益点为30 Hz, 3 dB增益点为54 Hz。这表明PT的频率响应特征足以记录人体最大用力呼气动作的流量信号。
绘制气速记录仪(PT)在流量从7.6 l/s突然停止到零时的记录信号，二阶特征建模如图•所示。
图3显示了输入流量信号、记录的流量信号以及输送到MW仪表的A型和B型型材的驱动压力。A型和B型腔室启动压力(pStart)和PEF压力(pPEF)之间的关系是线性的，因此pPEF(单位为bar)为:
(a)剖面a和(B)剖面B通过迷你莱特表和气速记录仪(PT)输入流量数据、记录流量和减压装置排放的腔室压力(8.3升/秒)。右手的纵坐标刻度表示室压，单位为巴(大气压=1巴)。输入上升时间(RT)=126 ms，停留时间(DT)=160 ms， (A)记录的RT=127 ms, DT=122 ms;输入RT=30 ms, DT=14 ms， (B)中记录RT=31 ms, DT=16 ms。
配置文件A: pPEF = 93%的pStart，r=0.9999, RSD=0.011 l/s
配置文件B: pPEF = 97%的pStart，r=0.9999, RSD=0.009 l/s
当用有机玻璃支架内的MW测试流量计阻抗对放电廓形的可能影响时，平均(SD) PEF为8.98 (0.02)l/s，上游压力峰值为2.4 (0.01)kPa(估计阻抗为0.27 kPa/l.s)。当在高于大气压的1.6 bar下通过有机玻璃支架(里面只有一小块布而不是MW计)放电时，平均PEF在8.90 (0.07)l/s (p=0.08，两个样品)无显著差异t上游压力为1.1 (0.04)kPa(估计阻抗为0.12 kPa/l.s)。这证实了电磁阀阻抗，从图3A中的数据估计为18.9 kPa/l。s，远远超过了仪表(70的因素)，螺线管设备的输出不受PEF仪表的外部阻抗的影响。
表1的结果表明，对于A型线，无论驱动压力如何，输出RT都在输入的测量误差范围内。对于流量约为500 l/min的A型截面，我们发现输入DT必须为160 ms才能实现约100ms的交付DT，而对于流量为200 l/min的区域，输入DT必须为230 ms才能实现约100ms的交付DT。对于剖面B，无论输送流量如何，输出RT和DT均在输入RT和DT的测量误差范围内。
在两种不同的腔室压力下，分别用A型和B型对各种设备进行五次测试的结果如表2所示。TZ和MS的读数表明，这些仪表明显是欠阻尼的，也就是说，在短暂的流动冲击下，读数明显超调。V计也有轻微的欠阻尼，MW有非常轻微的过阻尼——也就是说，当这是一个短暂的流动脉冲时，MW略微低估了真实的流量。然而，无论是V表还是MW表在这方面的误差都没有超过ATS对精度的要求。为了分别探讨RT和DT对质谱仪超调量的影响，生成了RT为70 MS(正常受试者的中值)的剖面3.)和DT从50毫秒下降到15毫秒，减少了6次。每个电极向质谱计放电三次，PEF随DT无显著变化(方差分析，F=0.499, p=0.79)。在PEF驱动压力相同的情况下，将DT恒定为50 ms(正常受试者的中值)、RT从70 ms降低到20 ms的剖面放电到质谱仪，超调量如图4所示。当RT为50 ms时，超调量为12% (52 l/min)，这是慢性气流受限患者的中位RT值，3.在慢性气流受限患者，当RT为30 ms (RT的第10百分位)时，为39% (172 l/min)。
在剖面压力为2巴，停留时间(DT)恒定为50 MS，上升时间(RT)变化的情况下，MS计记录的三次放电的平均PEF(带SD)图。
表3显示了PEF仪表和PT在泵系统和26种ATS波形下进行5次测试的结果。此表显示了五个读数的平均流量的绝对误差，单位为l/min，括号中为百分比误差。所有5个流量计都符合ATS的精度标准，允许多达3个误差超过真值的12%或25升/分钟(以较大的为准)，当两个流量计分别测试26个波形时。2每个设备读数的可重复性表示为每个剖面的五个读数的跨度，即记录的最高读数和最低读数之间的差值。PT、MW和V在任意剖面上的5个读数的最大跨度分别为4、5和5升/分，MS和TZ分别为30和20升/分(均为剖面26)。剖面25的PEF超出了TZ和MS仪表的工作范围。
讨论
我们已经证明，当使用足够的设备测试动态响应特性时，一些仪表不满足测试人体PEF的必要精度要求，但似乎符合当前的ATS标准。临床医生已经认识到，使用某些PEF仪，受试者可能会吐舌或吐痰8因为他们为了获得更高的成绩而记录他们的PEF。具有足够动态响应特性的仪表不容易受到这种操纵的影响。此外，由于气流受限患者的RT和DT较短，气流受限患者使用欠阻尼仪表可能会在气流受限恶化时获得错误的高读数。3.
我们的发现和26种ATS波形的使用之间的不一致意味着，要么我们现在提出的方法是不正确的，要么ATS建议对测试PEF仪表不够严格。我们所使用的改进炸药减压装置，在使用足够频率响应的PT测量时，已显示出具有指定精度的剖面。表E1中的数据表明，26个波形不包含足够高的频率内容，以匹配在客户群体中发现的频率。一个仪表允许26个ATS剖面中的3个失效，如果这些剖面包括频率含量最高的剖面，那么下一个最高频率含量(6 Hz作为功率谱的99%限制)小于我们之前测试的24个气流限制患者的平均值。
如果ATS采用RT和DT足够短的型材，泵系统的输送将特别困难。4提出了一种方法来克服泵系统固有的限制，以满足苛刻的剖面要求。9该方法使用具有足够频率响应的PT来检查系统的输出是否准确，然后迭代地调整输入轮廓，直到达到所需的输出。然而，当改变泵系统的输出阻抗时，整个设备的特性会发生变化，因此不能指望它在任何新的操作环境下都是相同的。因此，迭代方法必须分别对每个设备进行，并假设PT具有理想的记录特性。此外，PT不应放置在任何其他流量装置的上游，除非PT差压传感器的共模抑制特性已被证明在被测仪表上游的更高压力条件下运行令人满意。
对于爆炸性减压装置，我们已经证明了流量计提供的输出阻抗10与电磁阀提供的阻抗相比是微不足道的，因此这种爆炸性减压装置的输出不受此类仪表的影响。爆炸减压装置的一个限制是它们的真实输出只能通过外部参考校准程序来知道5用另一个流量计。然而，这里提出的方法是独立于任何其他流量记录设备的校准，因为它只依赖于驱动压力和放电孔径相同，而有一个变化的轮廓形状。一旦确定了两种剖面的启动室压力和PEF压力之间的关系，就可以以可靠的方式进行快速重复测试。这种简单性比任何使用泵在不同测试条件下调整仪表轮廓的更复杂的迭代过程都有相当大的优点。9自从这项工作开始后，几种新型的快速响应电磁阀已经可用，因此这种设备现在可以相对便宜地生产。此外，我们通过修改先前验证的系统，使用了约8升的小体积压缩室5；然而，通过使用更大的腔室，在剖面输送过程中压力衰减会更小，这将是一个优势。
爆炸减压装置可与两种提出的剖面一起使用，以测试具有离散模拟输出的流量计的动态响应特性，也可以测试具有连续模拟输出(如PT)的流量计的动态响应特性。然而，该装置还有一个额外的优点，即它也可用于提供偏离测试，以确定具有连续输出的设备的完整频率响应特性。这种设施不容易从泵系统中获得，因为气流的突然停止是不容易获得的。
有人可能会说，PEF表只是趋势测量设备，因此其精度不是很重要。我们之前已经证明了一些米的曲线误差7会显著扭曲任何PEF变化的记录，11所以仪表的精度很重要。更重要的是，所有关于哮喘管理的主要指导方针12 -14通过参考PEF相对于先前的最佳值或预测值，确定哮喘的严重程度和适当的分级治疗水平。这些指南还包括使用PEF作为以前最佳或预测值的百分比从急诊室出院的哮喘患者的标准。我们已经证明，一些米的短RT到PEF患者可能获得错误的高读数，因此可能不恰当地从急诊室出院。如果用于急诊室测量的仪表类型与用于记录以前最佳值的仪表类型不同，即使参考患者以前的最佳读数也可能发生这种错误。
人们可以使用表2中的数据来估计不良频率内容对患者管理的影响。考虑对一名年龄40岁、身高1.56米(预测PEF 480 l/min)的哮喘妇女的评估，其临床加重时PT记录的真实PEF为190 l/min(预测的39%)。这个病人属于应该考虑从急诊科入院的类别。12如果这个PEF是在非常短的RT下实现的，就像在气流限制的情况下发现的那样，3.那么她使用TZ仪表的PEF将被错误地记录为240 l/min(预测值的50%)。这个读数现在在可能的出院类别中，所以她的临床管理，根据BTS指南，12只会因为使用的仪表类型而改变。我们已经证明，对于其中一个仪表，超过10%的PEF读数可能发生在一半的气流受限患者中，PEF可能超过40%，对于10个这样的患者中有一个患者。因此，医院在急诊室使用的仪表的选择对哮喘患者出院的临床治理和风险评估有影响。在英国，我们发现频率响应最差的两个仪表不太可能在这种情况下使用，因为与V和MW不同，它们不能在英国药物关税下用于处方;在其他国家可能就不是这样了。
我们已经证明了廉价和广泛使用的PEF仪表可以满足我们提出的更严格的动态响应测试。这种新的测试对仪表没有过多的技术要求，而是将仪表的要求与患者产生的输入信号相匹配。我们建议使用爆炸性减压装置使用这种方法测试流量计的动态响应特性，这样患者和临床医生都可以确定PEF流量计的读数真实地反映了任何气流限制的程度。目前正在建立一个针对PEF仪表性能的新欧盟标准，以解决这些问题，15因此，未来欧盟所有可用的仪表都将没有我们已经证明的错误。
补充材料
脚注
资助:EC合同MAT1-CT-930032。