輕松測量肺功能

張政波 張楠 劉曉莉 梁洪 張楠 小恣

肺是我們重要的呼吸器官，我們時刻都在呼吸，吸入氧氣、排出二氧化碳是我們必不可少的生命活動。如果肺功能出了問題，將影響我們的健康，嚴重時甚至可能會危及生命。那么，我們要怎么才能及時了解肺部的健康狀況，盡早診斷和治療呢？這就需要我們進行肺功能檢測。

傳統的肺功能檢測

近年來，哮喘、慢性支氣管炎、肺氣腫等呼吸系統疾病發作率有不斷增加的趨勢。《“健康中國2030”規劃綱要》中指出慢性阻塞性肺疾病（COPD）是我國最常見的呼吸系統疾病之一，《國務院關于實施健康中國行動的意見》（國發〔2019〕13號）中也指出我國將實施包含慢阻肺在內的呼吸系統疾病防治行動。肺功能檢測作為胸肺疾病的重要檢查內容，對上述呼吸系統疾病診斷和治療效果評估有重要意義。

不過，到醫院檢測過肺功能的人可能知道，傳統的肺功能檢測其實很復雜，需要根據醫生的指令進行操作。傳統的肺功能檢測首先要平靜呼吸，然后聽從醫生指令把氣緩慢地一次性全部呼出;氣全呼出后，再用力猛吸氣，一定要吸到不能再吸為止;然后立刻用最大的力氣，爆發性地把剛吸進去的氣全部呼出，直到不能再呼為止，中間不能停頓和換氣;最后再吸一口氣，檢測才全部結 束。

所以說，傳統的肺功能檢測對醫生和受測者都有較高的要求。測試過程中，醫生需要針對不同的受測者采用靈活的溝通技巧和操作技巧，受測者也要準確理解醫生指令并及時作出反饋，才能保證測試高質量完成，確保檢測結果的準確性。而老人、兒童、聽障和智障患者等難以做到和醫生緊密配合，這可能加大醫生工作負擔并導致檢測結果不準確。此外，傳統肺功能儀也不能區分哮喘和慢性支氣管炎等患者阻塞發生的部位。

可以在自然呼吸狀態下進行肺功能檢測嗎？怎么才能讓肺功能檢測更簡單、更輕松 呢？

基于強迫振蕩技術的肺功能檢測

強迫振蕩技術是一種無創的呼吸系統力學特性測量技術，最早于1956年提出，經過60多年的研究和發展，其已由實驗室原型技術發展成為可用于呼吸力學方面測定的技術，廣泛應用于臨床呼吸系統疾病診斷。基于強迫振蕩技術的肺功能檢測，最大的優點就是不需要受測者的密切配合，在受測者平靜自主呼吸的狀態下，短時間內就可以完成呼吸系統力學特性的檢測和分析，特別適合老人和兒童在測量肺功能時使用。它可以測出氣道、肺和胸壁的黏性阻力、彈性阻力和慣性阻力，能夠反映氣道和肺順應性的改變，分辨吸氣相和呼氣相的阻力變化，區分氣道阻塞部位、嚴重程度和呼吸動力學等特征，對于哮喘、COPD等阻塞性通氣功能障礙的檢測具有明顯的優勢。此外，它還有可以辨識吸煙者的呼吸系統可能存在的病變，有助于對由吸煙導致的呼吸功能改變實現早期診斷。

強迫振蕩技術的核心是利用系統辨識的原理，通過外加不同類型的強迫振蕩氣體，測量呼吸系統在該外加振蕩氣體壓力下的響應，即在外加壓力下，測量人體呼吸系統氣流流量、壓力的改變，從而測得呼吸系統的阻抗值。同時，通過辨識在不同頻率的信號下呼吸系統的阻抗特性，來測得呼吸系統的性能。

經過半個多世紀的發展，基于FOT（強迫振蕩技術）的肺功能測量技術已經發展到了第三代，即寬頻振蕩技術，但是FOT的核心技術掌握在國外，典型的代表產品有德國JEAGER公司的MasterScreenIOS和日本Chest公司的MostGraph，價格昂貴。國內多靠從國外引進來開展臨床應用，相關研究也是基于國外產品的臨床應用研究和報告展開，對振蕩肺功能儀的研制還處于探索階段，缺少對關鍵技術的研究，尚未具有自主知識產權的產品問世。

自主探索研發振蕩肺功能儀

解放軍總醫院醫學人工智能中心的張政波、醫學工程科張楠以及北京航空航天大學生物與醫學工程學院的劉曉莉等在對振蕩肺功能儀原理研究理解的基礎上，先后研制了3代振蕩肺功能儀試驗樣機，最終研制出振蕩肺功能儀原理樣機，這一樣機能夠實現基于強迫振蕩的呼吸系統力學特性測量。

張政波等研制的振蕩肺功能儀的硬件系統包括振蕩氣體發生裝置、壓力傳感器、流量傳感器、數據采集器等。振蕩氣體發生裝置由D/A轉換器、功率放大器和揚聲器組成，其工作原理為上位機產生檢測所需的數字信號，經D/A轉換器編程模擬信號輸出，由功率放大器將信號放大到合適功率后，驅動揚聲器在短時間內產生足夠量的振蕩氣體。壓力傳感器和流量傳感器使4?40Hz的振蕩信號有效通過，振蕩信號再通過信號放大濾波到數據采集器，進行數據采集，實現動態流量測量。

該振蕩肺功能儀的軟件系統包括信號發生模塊、數據采集和存儲模塊以及信號分析模塊等。在測量時，信號發生模塊可以產生正弦波、周期性的方波、三角波、鋸齒波、脈沖波等，這些波的信號可以調制，產生豐富的頻率成分，還可以單獨設置信號的幅度和相位。此外，信號發生模塊產生的單頻率信號可以被合成為多頻率信號組合輸出，這就避免了使用單頻信號必須進行的多次測量，使其在臨床使用中更加便捷。數據采集及分析是肺功能檢查的重要環節，該系統可實現多通道數據同步實時采集、實時顯示、數據存儲、信號初步分析，及時顯示采集信號的各項數據，并對呼吸系統阻抗進行計算，三維實時動態顯示呼吸參數的測量結果。

在模擬試驗中，上述振蕩肺功能儀的性能得到了驗證。ASL5000主動模擬肺可以通過設置各種肺的參數，來模擬從新生兒到成人的各種呼吸情景。利用上述振蕩肺功能儀進行肺功能檢測，得到的測試結果和原始設置值較為接近，誤差很小。在綜合測試試驗中，實現了患者保持正常坐姿正常呼吸條件下，40秒內完成呼吸系統阻抗、容抗的測量，測量精度達到國外產品相當水平，并且呼吸參數測量結果可以通過三維實時動態圖像的方式展示出來，易于直觀判斷各頻率成分和各呼、吸氣相的阻抗，基本實現了和進口產品同樣的功能，具有較強的競爭力。目前項目組正在基于醫療大數據和人工智能算法，依托解放軍總醫院豐富的臨床研究資源，針對不同的疾病類型深入開展辨識模型研究。在后續的研究中，進一步完善和優化系統性能，并開展臨床試驗后，該振蕩肺功能儀器有望在臨床中進行廣泛應用。