基于RIP恒定比例校準(zhǔn)方法測(cè)量人體通氣量的可行性研究*

沙 杭 姬 軍 潘美玲② 蔣貝蘭② 黃增躍② 劉勇謀 韓 敏 蔣昌松②

肺功能檢查目前廣泛應(yīng)用于多種學(xué)科，如呼吸內(nèi)科、麻醉科、兒科、流行病學(xué)、潛水及航天醫(yī)學(xué)等。肺功能測(cè)量方法主要包括肺量計(jì)、氣體分析儀和壓力計(jì)。肺量計(jì)直接測(cè)量經(jīng)口鼻進(jìn)入肺部氣體的體積和流量；氣體分析儀分析進(jìn)出肺部的氣體成分；壓力計(jì)測(cè)量肺順應(yīng)性等壓力參數(shù)。但這些測(cè)量方法均需使用口鼻面罩，測(cè)量過程改變了人體正常的呼吸模式，且很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和便攜測(cè)量。

1 概述

呼吸感應(yīng)體積描記法(respiratory inductive plethysmography，RIP)是一種能通過監(jiān)測(cè)人體胸腹隨呼吸截面積變化來測(cè)量人體呼吸參數(shù)的測(cè)量技術(shù)，不需要直接測(cè)量進(jìn)出口鼻的氣體，故測(cè)量時(shí)不需佩帶口鼻面罩，可臨床動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)測(cè)呼吸運(yùn)動(dòng)，可便攜使用，是一種非侵入，不會(huì)給患者增加負(fù)擔(dān)的測(cè)量方法[1-2]。

使用RIP測(cè)量首先需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，且校準(zhǔn)技術(shù)的精確程度嚴(yán)重影響RIP測(cè)量呼吸參數(shù)，已經(jīng)被提出的校準(zhǔn)技術(shù)有：等容校準(zhǔn)技術(shù)(isovolume method, ISOVOL)、多元線性回歸(multiple linear regress, MLR)、診斷性定性校準(zhǔn)技術(shù)(pualitative diagnostic calibration,QDC)、最小二乘法(least squares method, LSQ)、方程聯(lián)立求解法(simultaneous equation method, SEQ)以及恒定比例校準(zhǔn)法等。這些方法均需要受試者配合，在校準(zhǔn)過程中存在一定問題。等容校準(zhǔn)技術(shù)過程復(fù)雜，未經(jīng)過訓(xùn)練的受試者不易實(shí)現(xiàn)；QDC方法需校準(zhǔn)5 min，時(shí)間較長(zhǎng)；最小二乘法、方程聯(lián)立求解法需要在兩種姿勢(shì)下完成校準(zhǔn)，增加了實(shí)驗(yàn)的難度。恒定比例校準(zhǔn)法只需選定一個(gè)適合大多數(shù)測(cè)試者的比例系數(shù)，在不需要測(cè)絕對(duì)通氣量值時(shí)不用校準(zhǔn)，是過程最簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)方法。人體在日常生活中的呼吸方式可簡(jiǎn)單分為平靜呼吸和用力呼吸，故本研究在人體平靜和用力兩種呼吸模式下，恒定比例校準(zhǔn)法用于測(cè)量人體通氣量值的可行性以及恒定比例系數(shù)K值的確定[3-7]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 RIP恒定比例校準(zhǔn)法

將人體呼吸運(yùn)動(dòng)看作胸腔運(yùn)動(dòng)和腹腔運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度之和，則進(jìn)出人體口鼻腔的氣體為胸腔和腹腔進(jìn)出的氣體之和(公式1)：

設(shè)a=M；b=M×K，則公式(2)可演變?yōu)椋?/p>

將K值設(shè)為一個(gè)固定的適合大多數(shù)受試者的數(shù)值，使用RIP測(cè)量呼吸參數(shù)即是使用恒定比例校準(zhǔn)法進(jìn)行校準(zhǔn)。

公式(2)可以演變?yōu)橐韵聝煞N格式(公式3、公式4)：

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的

設(shè)定兩種呼吸模式：平靜呼吸和規(guī)范用力呼吸。①用恒定比例校準(zhǔn)法在平靜呼吸方式下進(jìn)行校準(zhǔn)；恒定比例校準(zhǔn)法中設(shè)定KAB、KRC值分別為從0.1到2.5步長(zhǎng)為0.1的25個(gè)數(shù)據(jù)；②用QDC方法在平靜呼吸方式下進(jìn)行校準(zhǔn)；③用恒定比例校準(zhǔn)法的校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)量平靜呼吸和規(guī)范用力呼吸狀態(tài)下的通氣量值；④用QDC方法的校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)量平靜呼吸和規(guī)范用力呼吸狀態(tài)下的通氣量值；⑤比較恒定比例方法50組K值校準(zhǔn)平靜呼吸通氣量值時(shí)哪個(gè)K值相關(guān)性最高；⑥比較恒定比例方法50組K值校準(zhǔn)規(guī)范用力呼吸通氣量值時(shí)哪個(gè)K值相關(guān)性最高；⑦以QDC方法為比較對(duì)象，探討恒定比例校準(zhǔn)法是否可用于平靜呼吸和規(guī)范用力呼吸狀態(tài)下的通氣量值測(cè)量，探討在RIP系統(tǒng)中應(yīng)用恒定比例校準(zhǔn)法的可行性。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料及受試者

(1)呼吸速度描記儀：美國Honeywell公司的差壓型流量傳感器DCOO5NDC4所組成的精密放大測(cè)量電路，并經(jīng)過FLUKE公司的氣流分析儀(VT PLUS HF型)計(jì)量校準(zhǔn)。

(2)RIP系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)采用胸腹兩條傳感器線圈對(duì)胸腹信號(hào)采集放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行通信；軟件系統(tǒng)為PC機(jī)上用于數(shù)據(jù)接收的LABVIEW和數(shù)據(jù)分析的MATLAB軟件。

(3)受試者：無既往呼吸病史的成年人20名，其中男性12名，女性8名；年齡18～30歲，平均年齡為23歲，體重44～75 kg(平均為60 kg)，身高155～178 cm(平均為165 cm)，實(shí)驗(yàn)平均持續(xù)時(shí)間為10 min/人。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟及分析方法

2.4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)受試者以恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)，設(shè)定校準(zhǔn)系數(shù)KRC、KAB各以0.1為步長(zhǎng)，從0.1到2.5的25個(gè)數(shù)，測(cè)量人體平靜呼吸(在靜息狀態(tài)下自然呼吸)和規(guī)范用力方式(經(jīng)過指導(dǎo)以大于平靜呼吸氣量1倍以上值用力呼吸)下每次呼吸通氣量值。

(2)受試者以QDC方法校準(zhǔn)，測(cè)量人體平靜呼吸和規(guī)范用力呼吸方式下每次呼吸通氣量值。

2.4.2 分析方法

用以下3種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分別比較恒定比例校準(zhǔn)法的50組系數(shù)校準(zhǔn)的平靜呼吸和規(guī)范用力通氣量值，得到相關(guān)性最高的系數(shù)，再用這3種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法比較該系數(shù)所計(jì)算的通氣量值和QDC方法的計(jì)算的通氣量值：

(1)相對(duì)誤差：定義以QDC校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)得的每次呼吸通氣量為VRIP(QDC)、以恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)測(cè)得的每次呼吸通氣量為VRIP(K)RC或VRIP(K)AB、如KRC=0.1時(shí)，恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)得的每次呼吸通氣量為VRIP(0.1)RC，如KAB=0.1時(shí)，恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)得的每次呼吸通氣量為VRIP(0.1)AB，以RIP測(cè)得的每次呼吸通氣量簡(jiǎn)寫為VRIP，速度描計(jì)儀測(cè)量的數(shù)據(jù)為VDC。相對(duì)誤差百分比為(公式5)：

(2)相關(guān)分析：比較RIP系統(tǒng)和呼吸速度描記儀測(cè)量通氣量的相關(guān)程度；

(3)t檢驗(yàn)：檢驗(yàn)RIP系統(tǒng)和呼吸速度描記儀測(cè)量通氣量的差異性，P＜0.05時(shí)兩種方法差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 平靜呼吸

平靜呼吸方式下使用恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)RIP系統(tǒng)，KRC=0.1～2.5，KAB=0.1～2.5時(shí)，測(cè)量平靜呼吸方式下每次呼吸通氣量值。50組數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)結(jié)果P＞0.05，均通過t檢驗(yàn)，其相關(guān)分析系數(shù)和相對(duì)誤差如圖1、圖2所示，0.1～2.5表示KRC值，1.0.1～1.2.5表示KAB值。

圖1 平靜呼吸方式下測(cè)量每次呼吸通氣量值的相關(guān)系數(shù)

圖2 平靜呼吸方式下測(cè)量每次呼吸通氣量值的相對(duì)誤差

3.2 規(guī)范用力呼吸

在平靜呼吸模式下使用恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)RIP系統(tǒng)，KRC=0.1～2.5，KAB=0.1～2.5時(shí)，測(cè)量規(guī)范用力呼吸方式下每次呼吸通氣量值。50組數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)部分結(jié)果P＞0.05，如圖3、圖4所示，相關(guān)系數(shù)和相對(duì)誤差分析為去掉t檢驗(yàn)結(jié)果失敗后的數(shù)據(jù)值比較，0.1～2.5表示KRC值，1.0.1～1.2.5表示KAB值[8-13]。

圖3 規(guī)范用力呼吸方式下測(cè)量每次呼吸通氣量值的相關(guān)系數(shù)

圖4 規(guī)范用力呼吸方式下測(cè)量每次呼吸通氣量值的相對(duì)誤差

4 討論

4.1 平靜呼吸

平靜呼吸方式下，50組恒定比例校準(zhǔn)法系數(shù)，除了KRC=0.1～0.4及反向KAB=0.1～0.3計(jì)算的通氣量值的相關(guān)系數(shù)稍低，其他組數(shù)據(jù)差異較小；相對(duì)誤差除去KRC=0.1～0.4計(jì)算的通氣量值，其他數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均值差異均在5%～6%之間，差異不大，故K值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)其大小對(duì)于平靜呼吸通氣量值的精確度影響不大。當(dāng)KRC=1.3時(shí)RIP測(cè)量的平靜呼吸通氣量值與呼吸速度描記儀測(cè)得的平靜呼吸通氣量值比較其相關(guān)程度最高[14-18]。

4.2 規(guī)范用力呼吸

平靜呼吸方式下采用恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)，測(cè)量規(guī)范用力呼吸的每次通氣量值時(shí)50組數(shù)據(jù)中有27組數(shù)據(jù)通過了t檢驗(yàn)，相關(guān)分析系數(shù)均在0.9之上，74.07%組數(shù)據(jù)相關(guān)分析＞0.94；88%的相對(duì)誤差值低于0.16，其中37%的數(shù)據(jù)在0.13～0.14之間，29%的數(shù)據(jù)在0.14～0.15之間，22%的數(shù)據(jù)在0.15～0.16之間。即大多數(shù)比例系數(shù)的相關(guān)分析系數(shù)和相對(duì)誤差的數(shù)據(jù)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。當(dāng)KRC=0.9時(shí)RIP測(cè)量的規(guī)范用力呼吸通氣量值與呼吸速度描記儀測(cè)得的規(guī)范用力呼吸通氣量值比較其相關(guān)程度最高，且在平靜呼吸模式下用QDC方法校準(zhǔn)計(jì)算規(guī)范用力呼吸的通氣量值時(shí)，t檢驗(yàn)失敗，證明QDC方法測(cè)得的通氣量值與呼吸速度描記儀測(cè)得的通氣量值有差異。

5 結(jié)論

平靜呼吸模式下測(cè)量每次呼吸通氣量值，當(dāng)KRC=1.3時(shí)采用恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)RIP系統(tǒng)的誤差較小，本實(shí)驗(yàn)雖然只在20名受試者的小范圍里進(jìn)行測(cè)試，但因?yàn)樗O(shè)定的50組數(shù)據(jù)測(cè)得通氣量值相關(guān)性都比較相似，故選擇比例系數(shù)K時(shí)，可以在一定范圍內(nèi)變動(dòng)；規(guī)范用力呼吸模式下測(cè)量每次呼吸通氣量值，當(dāng)KRC=0.9時(shí)，采用恒定比例校準(zhǔn)法校準(zhǔn)RIP系統(tǒng)的誤差較小。故基于RIP恒定比例校準(zhǔn)法可以應(yīng)用于臨床精度要求不高的潮氣量與規(guī)范用力呼吸通氣量的測(cè)定。

[1]朱元玨,陳文彬.呼吸病學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2002.

[2]鄭勁平,陳蓉昌,鐘南山.肺功能學(xué):基礎(chǔ)與臨床[M].廣州:廣東科技出版社,2007:8.

[3]張政波,俞夢(mèng)孫.用背心式呼吸感應(yīng)體積描計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通氣量無創(chuàng)測(cè)量[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2005,24(4):203-208.

[4]張勁農(nóng).非侵入性呼吸模式檢測(cè)的基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用[J].國外醫(yī)學(xué):呼吸系統(tǒng)分冊(cè),2005,25(8):630-633.

[5]Konno K, Mead J. Measurement of the separate volume changes of rib cage and abdom during breathing[J].J Appl Physiol,1967,22(3):407-422.

[6]Sackner MA, Watson H, Belsito AS, et al.Calibration of respiratory inductive plethysmograph during natural breathing[J].J Appl Physiol,1989,66(1):410-420.

[7]Poole KA, ThompsonJR, Hallinan HM, et al. Respiratory inductance plethysmography in healthy infants: a comparison of three calibration methods[J].Eur Respir J,2000,16(6):1084-1090.

[8]Chadha TS,Watson H,Birch S,et al.Validation of respiratory inductive plethysmography using different calibration procedures[J].Am Rev Respir Dis,1982,125(6):644-649.

[9]Sartene R, Dartus C, Bernard JL, et al. Comparison of thoracoabdominal calibration methods in normal human subjects[J].J Appl Physiol,1993,75(5):2142-2150.

[10]Revow MD, England SJ, Stogryn HA, et al. Comparison of calibration methods for respiratory inductive plethysmography in infants[J].J Appl Physiol,1987,63(5):1853-1861.

[11]Brown K, Aun C, Jackson E, et al. Validation of respiratory inductive plethysmography using the Qualitative Diagnostic Calibration method in anaesthetized infants[J].Eur Respir J,1998,12(4):935-943.

[12]De Groote A, Paiva M, Verbandt Y. Mathematical assessment of qualitative diagnostic calibration for respiratory inductive plethysmography[J].J Appl Physiol,2001,90(3):1025-1030.

[13]Poole KA, Thompson JR, Hallinan HM, et al. Respiratory inductance plethysmography in healthy infants: a comparison of three calibration methods[J].Eur Respir J,2000,16(6):1084-1090.

[14]張政波,俞夢(mèng)孫,畢亞瓊,等.穿戴式呼吸感應(yīng)體積描記用于睡眠呼吸事件檢測(cè)[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2008,25(2):318-322.

[15]彭思,陳淑玲,宋愛國,等.用于呼吸暫停綜合癥的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(8):1325-1328.

[16]吳丹,徐效文,王磊,等.穿戴式動(dòng)態(tài)睡眠呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(3):321-325.

[17]Bowers E J, Murray A, Langley P, el al. Respiratory rate derived from principal component analysis of single lead electrocardiogram[J]. Computer in Cardiology,2008,35(8):437-440.

[18]Wang B, Wang L, Huang B Y, el al. A body sensor networks development platform for pervasive healthcare[C]//Beijing:Proceeding of the 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering,2009:1-4.