基于RIP技术测量通气量的校准技术研究

论文摘要

研究背景呼吸系统疾病是我国的常见病、多发病。其死亡率在城市占第3位,在农村多年高居首位,肺功能检查在呼吸系统疾病的诊断、预防和治疗中有着重要作用,是呼吸系统疾病的必要检查之一,是评价胸、肺疾病及呼吸生理学的重要手段,对于早期筛查肺、气道病变,评估疾病的严重程度,评定药物或治疗方法的有效性,评估胸、肺手术的耐受性,鉴别呼吸困难的原因,评定呼吸哀竭以及危重病人的监护方面有重要的指导意义。肺功能检查目前已广泛应用于多种学科：呼吸内科、麻醉科、儿科、流行病学、潜水及航天医学等。目前肺功能检查方法主要有肺量计、气体分析仪和压力计,肺量计测量经口鼻进出肺部气体的容量或流速,气体分析仪分析进出肺部的气体成分,压力计主要测量压力来计算肺顺应性等参数。但这些肺功能的测量方法均需佩戴口鼻面罩或鼻夹,通过直接测量当前进出肺部的气体来计算相应参数,故肺功能测量仪应用于日常生活中的实时监测存在一定难度,且在测量过程中会改变人体正常的呼吸模式。呼吸感应体积描记法（Respiratory inductive plethysmography:RIP）通过监测人体胸腹部随呼吸的运动来测量人体呼吸参数,不直接经过口鼻测量,检测过程中不需要佩戴口鼻面罩,故可临床动态、连续监测呼吸运动变化,可便携使用,是一种非侵入式、无创、不会给病人增加负担、且可定量检测的测量方法。因为呼吸感应体积描记法的这些特点,利用RIP技术进行全天24小时肺功能监测有临床应用的可能性。利用RIP系统对人体呼吸进行定量监测时,能够测量的参数很多：潮气量、通气量值、呼吸频率、呼吸比、胸腹贡献、分钟通气量、胸腹呼吸贡献比、判断胸腹运动协调程度、监测睡眠呼吸障碍等,其中通气量值的测量至关重要,故本文选取了通气量值来作为监测日常呼吸运动的参数。而用RIP技术测量通气量时最关键也最难解决的问题是RIP校准方法,RIP校准技术的精确性严重影响RIP测量通气量的精确性。已经被提出的校准技术有很多：等容校准技术（Isovolume Method, ISOVOL）、多元线性回归（Multiple Linear Regress, MLR）、诊断性定性校准技术（Qualitative Diagnostic Calibration, QDC）、最小二乘法（Least Squares Method, LSQ）、方程联立求解法（Simultaneous Equation Method, SEQ）、恒定比例法等。研究目的人体肺功能检查或日常生活中,其呼吸模式有很多种类,本文主要取其中两种模式：平静呼吸和用力呼吸,平静呼吸是呼吸的一个常态,在对某些疾病的评定、药物效果的判定、呼吸衰竭的实时监测以及人体异常呼吸事件的监测时,用力呼吸的监测比较有临床意义。故临床上监测患者的呼吸事件时,需重点考虑用力呼吸模式,又因通气量值是呼吸参数中比较重要参数之一。故我们希望通过测量平静呼吸和用力呼吸的通气量值来监测日常生活中的一场呼吸事件。目前,呼吸感应体积描记法都是基于平静呼吸模式进行测量的,例如潮气量、呼吸比、睡眠呼吸暂停事件监测等,主要是因为RIP的校准方法都是基于平静呼吸模式提出的。RIP的校准方法较多,且各有特点：等容校准结果较精确但过程复杂、不易实现；最小二乘法适合运动状态测量,但不适合测量用力呼吸状态；诊断定性校准方法是基于等容校准提出的方法,虽精度较高,但需5min时间校准；恒定比例校准法校准过程简单,但恒定比例系数无法很好的确定。但这些校准方法也都有一个共同的特点,都是基于平静呼吸模式提出的。要进一步探讨RIP技术测量各种呼吸参数（如慢肺活量、流速容量环、对测试者实时监测等）,以及在日常生活中监测人体呼吸事件,均需要找到一种更加合适的校准方法。故本文主要探讨用力呼吸和平静呼吸方式下使用RIP测量通气量时,目前比较典型和常用的几种校准方法的适用性。研究方法1、实验材料（1）设计了RIP实验系统,包括硬件系统和软件系统。硬件系统可实现采集呼吸信号、放大处理、模数转换和串行通信等功能,主要用于呼吸信号的采集以及将信号传输给上位机；软件系统可实现硬件系统控制、数据分析和实时界面显示功能,用单片机C语言、LABVIEW软件和MATLAB软件编写程序。（2）用呼吸速度描记仪对RIP系统进行校准,并作为对比分析数据的测量仪器。呼吸速度描记仪：由Honeywell公司的差压型流量传感器DCOO5NDC4所组成的精密放大测量电路,并经过Fluke公司的气流分析仪（VT PLUS HF型）计量校准。（3）用三种统计学方法分析数据：①相对误差：比较RIP系统测得的数据与呼吸速度描记仪所测量的通气量的相对误差,相对误差百分比公式为：V（RIP-DC）%=|VRIP-VDC|*100/VDC%；②相关分析：比较RIP系统和呼吸速度描记仪所测量通气量的相似程度；③T检验：检验RIP系统和呼吸速度描记仪所测量通气量结果的差异性。（4）受试者：21名无既往呼吸病史的成年人（12男9女）,年龄18～30岁（平均23岁）,体重44～75kg（平均60kg）,身高155～178cm（平均165cm）。2、实验内容（1）选择4种比较典型和常用的校准方法：①诊断性定性校准技术（Qualitative Diagnostic Calibration, QDC）;②最小二乘法（Least Squares Method,LSQ）；③方程联立求解法（Simultaneous Equation Method, SEQ）;④恒定比例校准法,在平静呼吸方式下分别用这4种校准方法获得校准参数,分别比较这4种校准方法测量平静呼吸和用力呼吸通气量的精确性,这4种方法比较适合测量平静呼吸的通气量,不适合测量用力呼吸的通气量。故对其中两种校准方法：最小二乘法（Least Squares Method, LSQ）和方程联立求解法（Simultaneous Equation Method, SEQ）做改进处理,综合比较原有4种方法和现有2种方法测量用力呼吸通气量的精度：①诊断性定性校准技术（Qualitative Diagnostic Calibration, QDC）;②最小二乘法（Least Squares Method, LSQ）;③方程联立求解法（Simultaneous Equation Method, SEQ）;④恒定比例校准法；⑤改进最小二乘法；⑥改进方程联立求解法。在平静呼吸方式下分别使用这6种方法校准,来测量规范用力呼吸通气量值,比较这几种校准方法测量规范用力呼吸通气量的精确性。（2）设定50组恒定比例系数,分析这50组系数测量平静呼吸和规范用力呼吸通气量的精确性,以及应用于临床时如何确定恒定比例系数。①用恒定比例校准法在平静呼吸方式下进行校准；恒定比例校准法中设定KAB、KRc值分别为从0.1到2.5步长为0.1的25个数据；②用QDC方法在平静呼吸方式下进行校准；③用恒定比例校准法的校准参数测量平静呼吸和规范用力呼吸状态下的通气量值：④用QDC方法的校准参数测量平静呼吸和规范用力呼吸状态下的通气量值；⑤比较恒定比例方法50组K值校准平静呼吸通气量值时哪个K值相关性最高；⑥比较恒定比例方法50组K值校准规范用力呼吸通气量值时哪个K值相关性最高；⑦以QDC方法为比较对象,探讨恒定比例校准法是否可用于平静呼吸和规范用力呼吸状态下的通气量值测量,探讨在RIP系统中应用恒定比例校准法的可行性。结果与结论1、实验中只涉及到平静呼吸通气量值的测量时,用QDC方法校准,其相对误差,相关分析更占优势；若实验中更偏重于测量用力呼吸通气量值,则LSQ改进算法,更加适合；2、用恒定比例校准法校准,测量平静呼吸通气量值,KRC=1.3时其相关程度最高；测量规范用力呼吸通气量值,KRC=0.9时其相关程度最高；故可以证明平静呼吸和用力呼吸两种呼吸方式其胸腹贡献比KRC不同。且使用恒定比例方法测量时,恒定比例系数在一定范围内变化时,相关性差异较小,故使用恒定比例校准法校准,选择恒定比例系数时,选择最优胸腹贡献比或在最优的数据左右变化时,可将恒定比例校准法应用于精度要求不高的部分临床应用以及更偏重于测量用力呼吸通气量值的临床应用中。创新性呼吸感应体积描记技术是一种已经存在的技术,它具有独特的区别于现有肺功能检查的特点,有很广泛的应用前景,但到目前为止,关于它的研究还只是起步阶段,值得探索的地方有很多,本文的创新点有一下几点：（1）探讨RIP系统在平静呼吸状态下进行校准,测量用力呼吸方式下通气量值的应用；（2）研究出适用于测量用力呼吸模式通气量值的校准方法；（3）对现有的两种校准方法进行改进。成果相关论文[1]姬军,潘美玲,沙杭等.平静呼吸模式下RIP校准参数测量用力呼吸模式下通气量的可行性研究[J].航天医学与医学工程[2]沙杭,姬军,潘美玲等.基于RIP恒定比例校准法测量人体通气量的可行性研究[J].中国医学装备

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 呼吸感应体积描记法
• 1.3 呼吸感应体积描记技术校准方法
• 1.4 课题的目的和意义
• 第二章 RIP实验系统设计
• 2.1 硬件系统设计
• 2.2 软件系统设计
• 第三章 RIP校准方法研究
• 3.1 两种RIP校准方法改进
• 3.2 测量平静呼吸和规范用力呼吸通气量时校准方法的探讨
• 3.3 测量平静呼吸和规范用力呼吸通气量时恒定比例校准法的可行性研究
• 3.4 研究小结
• 3.5 探讨和展望
• 参考文献
• 附录 单片机控制程序
• 中英文缩略词
• 成果
• 致谢
• 统计学合格证明