呼气信号分析方法及其在肺功能检查中的应用研究

摘要

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一种具有持续气流受限特征的疾病，早期筛查并干预是预防和治疗COPD的有效途径。肺功能检测已被慢性阻塞性疾病防治全球倡议列为COPD的诊断金标准。然而目前COPD漏诊率仍然很高，主要原因是肺功能检查没有普及。一方面，市场上大型、价格昂贵的进口肺功能仪器只有二甲以上的医院才有经济能力配备，而国内自主研发肺功能仪测量精度和精确性与国外仪器仍存在较大的差距。另一方面，肺功能严格的测试质量控制标准要求10岁以上受试者用力呼气时间在6秒以上，且有呼气平台出现，这大大增加了获得高质量肺功能测试的难度。当前国内的现状造成了肺功能检查难以在社区医疗中推广。为了将肺功能检查在大众健康领域内普及，本论文围绕低成本肺功能仪器研发，将呼气信号分析方法应用于肺功能检查中以降低肺功能测试难度两个主要方面开展了相关研究工作。主要研究内容包括:
　　1.基于双差压传感器法的用力呼气信号获取系统构建
　　在充分分析用力呼气信号特征的基础上，凝炼出用于获取用力呼气信号的流量计性能需求，并确定用于评估肺通气功能所需要的功能指标。鉴于孔板流量计结构简单，制造、使用方便，造价低等优点，本研究提出一种基于双差压传感器的用力呼气信号获取系统设计方案。该系统中所采用的流量计克服了传统孔板流量计测量范围窄的缺点，其最大可测量呼气流量为12 L/s，最小可识别的呼气流量可达到7 mL/s。同时低成本保证本系统应用推广的可行性。
　　2.用力呼气信号获取系统重复性研究
　　通过两位操作者对35人连续两日开展的肺功能测试，评估操作者对肺功能检查结果的影响，以及该系统的短期重复性;通过统计六个月内使用3L定标筒对系统定标的结果，分析并评估该系统的中期重复性。结果表明只要受试者能够完全按照美国胸科协会/欧洲呼吸协会(American Thoracic Society/EuropeanRespiratory Society, ATS/ERS)建议的测试质量控制和接收标准完成肺功能检查，最终测试结果不是取决于操作者;短期和中期重复性研究证明了该系统具有很好的短期重复性和中期稳定性。
　　3.基于用力呼气数学模型的用力呼气流量信号分析方法及其应用研究
　　本研究将系统辨识中改进随机数直接搜索法(New Luus-Jaakola optimizationprocedure，NLJ)结合用力呼气数学模型分析用力呼气流量-时间曲线，实现利用用力呼气前半部分的流量-时间曲线估计用力肺活量(forced vital capacity, FVC)。通过对90个实测完全符合测试质量控制标准的流量-时间曲线分析，验证该方法可靠性。结果表明该方法估计的FVC(FVCest)与实测FVC(FVCmea)的差异随选取的流量-时间曲线长度增大而降低，当选取的曲线长度达到3秒时，FVCest和FVCmea已能够满足肺功能检查重复性标准。同时针对肺功能检查中常见的呼气过早结束现象，通过分析103个实测的呼气过早结束流量-时间曲线，评估该方法在实际应用的表现。研究结果证明这种方法可用于分析那些由于呼气过早结束没有达到ATS/ERS建议的用力肺活量测试质量控制要求的数据，也可以通过降低用力肺活量测试的呼气时间要求以帮助临床上无法完成整个用力肺活量测试的人群。
　　4.肺功能与动脉弹性功能相关性研究
　　近几年肺功能降低和心血管风险增加之间的关系越来越到关注，但是这种关系潜在的机制尚不清楚。本研究目的是探讨血管动脉弹性功能与肺功能指标之间的关联性。首先提出了一种基于二阶B样条小波的增长指数(Augmentation index，AIx)计算方法，并通过60人脉搏波信号数据验证该方法的可靠性。结果表明该方法计算AIx过程简单，无需对脉搏波信号进行滤波处理，而且具有较强的抗噪能力。其次，通过对106名男性进行心血管弹性功能测试和肺功能测试，我们首次分析了男性桡动脉AIx(rAIx)与肺年龄的之间的相关性，结果显示男性肺年龄在70岁之前，rAIx会随着肺年龄的增加显著增长，随后增长趋势有所减缓，最后趋于平稳。研究结果证明了男性人群中肺年龄能够更好的反映出肺功能和心血管弹性功能之间的联系，这也进一步突出肺功能检查的重要性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 研究现状

1．3 用力肺活量测试质量控制标准

1．4 主要研究内容和结构

1．4．1 本文研究内容

1．4．2 本文的组织结构

第二章 用力呼气信号获取系统构建

2．1 用力呼气信号生物力学特征分析

2．1．1 用力呼气生理特征

2．1．2 用力呼气信号特征

2．1．3 肺功能指标计算方法

2．1．4 流量计性能要求

2．2 常用流量计

2．3 基于双差压传感器的流量计设计

2．3．1 差压式流量计基本原理

2．3．2 基于双差压传感器的流量计设计

2．3．3 差压传感器选型

2．3．4 呼气流量计标定

2．4 用力呼气信号获取系统构建

2．4．1 呼吸信号采集模块

2．4．2 下位机软件

2．4．3 上位机软件

2．4．4 测试质量控制模块

2．5 实测呼气曲线

2．5．1 流量-时间曲线

2．5．2 最大呼气流量-容积曲线和容积时间曲线

2．5．3 报表输出

2．6 本章小结

第三章 原型呼气信号获取系统的重复性研究

3．1 重复性评估方法

3．2 组间重复性研究

3．2．1 研究对象选取

3．2．2 研究方法

3．2．3 数据分析及结果

3．2．4 讨论

3．3 短期重复性研究

3．3．1 研究对象

3．3．2 研究方法

3．3．3 数据分析及结果

3．3．4 讨论

3．4 中期重复性研究

3．4．1 研究方法

3．4．3 数据分析及结果

3．4．4 讨论

3．5 本章小结

第四章 基于用力呼气数学模型的用力呼气流量信号分析方法研究

4．1 引言

4．2 研究方法

4．2．1 数据选择

4．2．2 模型选择

4．2．3 NLJ算法

4．2．4 数据统计与分析

4．3 实验结果

4．3．1 选取曲线时间段长度对FVC估计误差的影响

4．3．2 FVC3与FVCmea之间的效度

4．4 讨论

4．5 本章小结

第五章 基于模型分析法估算不完整用力呼气信号FVC研究

5．1 引言

5．2 研究方法

5．2．1 数据选择

5．2．2 数据统计分析

5．3 实验结果

5．4 讨论

5．5 本章小结

第六章 肺功能与动脉弹性功能相关性研究

6．1 引言

6．1．1 肺功能与动脉硬化相关性研究现状

6．1．2 AIx计算方法研究发展现状

6．1．3 本章节研究目的

6．2 基于二阶B样条小波计算AI方法研究

6．2．1 理论和算法描述

6．2．2 研究方法

6．2．3 实验结果

6．2．4 讨论

6．3 肺功能与动脉弹性功能相关性研究

6．3．1 研究方法

6．3．2 实验结果

6．3．3 讨论

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 研究工作的创新点

7．3 研究工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果