强迫振荡技术在无创正压通气中的应用研究

论文摘要

研究背景设置压力或流量参数是无创正压通气（NPPV）治疗的重要环节,合理的支持水平能最大限度地克服增高的气道阻力、减少呼吸做功。但如何界定合理的支持水平,目前并没有一个简便或客观的呼吸力学的评价标准。强迫振荡技术（forced oscillation technique, FOT）是无创检测呼吸阻力的方法,能够快速、直观地检测呼吸系统的阻抗（Rrs）和电抗（ Xrs）,Rrs能够反映中心气道阻力的大小, Xrs则反映了外周肺组织和胸廓的顺应性,在呼气流速受限（EFL）的条件下, Xrs也反映了EFL的程度,因此,Rrs和Xrs有可能作为评价无创通气吸气相正压（IPAP）和呼气相正压（EPAP）合理性的指标。但欲在NPPV条件下检测呼吸阻力,尤其是外周小气道阻力,还需要提高振荡发生器的稳定性,改进信号分析技术,使强迫振荡测量系统能抵抗机械通气和系统噪声等非线性因素的影响,提高FOT测量的准确性和可靠性。此外,在NPPV不同通气模式和压力水平下,Rrs与中心气道或肺阻力（RL）、Xrs与EFL的差异和相关性还需要进一步的论证,这些技术难题的解决,将大大拓展FOT在NPPV领域的应用。研究目的第一,构建强迫振荡发生器,优化配置,使之能够在NPPV不同通气模式和压力水平下稳定工作,发出的振荡信号频率和振幅稳定。第二,设计强迫振荡信号分析软件,最大限度消除机械通气和系统噪声等非线性因素的影响,能够准确、实时地计算或追踪呼吸阻力在呼吸周期内所发生的变化。第三,评价NPPV模式和压力水平对呼吸阻力测量的影响,对所设计的FOT测量系统的可靠性和准确性作出评价。第四,评价Rrs与RL、Xrs与弹性阻力（EL）的差异和相关性。实验仪器实验仪器包括振荡发生器、NPPV呼吸机、流量仪、压力传感器、数据采集系统和信号分析软件等。振荡发生器为实验室自制,由一个重低音喇叭、功率放大器和函数信号发生器组成。重低音喇叭（直径25cm,额定功率250W,最低频率响应20Hz）峰功率超过600W,以抵抗外加压力的影响,保持振动稳定。放置喇叭的箱体内部容积尽量减小至4.3L,所有缝隙用塑胶密封,以增大密闭气体的惯性作用。功率放大器最低工作频率3Hz,额定功率400W。在设计振荡发生器时,尽量降低了喇叭的谐振频率和功率放大器的低通频率,使之接近或涵盖低频振荡频率,以提高振荡发生器的做功效率,同时也尽量增大两者的功率输出并使放大器的功率保持在喇叭的1.5倍或以上,以进一步稳定使喇叭的振动,保证振荡信号频率和振幅恒定。函数正弦信号发生器（CALTEK,型号CA1640,台湾电子仪器有限公司）频率输出范围0.2～100KHz,输出正弦波形失真度小于2%,输出频率稳定性±5%。信号分析和呼吸阻力计算软件为自行编程设计,信号分析在时域上进行,采用移动平均滤波技术分离信号的振荡成分和呼吸成分,以振荡周期为单位,利用最优线性近似和互相干法,计算各个时刻点的呼吸阻力,获得的数据移动平滑滤波,以减少异常值的影响,对计算过程产生的相移给予相应的时间补偿,同时也计算相干函数r2。这样的信号分析方法在很大程度上消除了非线性因素的影响,保留了呼吸阻力的信息。其他实验仪器的型号和参数分别为:Fleish 2型流量仪（ML141型,ADInstruments,澳大利亚）、平台出气阀（Respironics,美国）、BiPAP synchrony无创呼吸机（Respironics,美国）、压力传感器（PB-300型,北京金三江）、生物信号放大器（PCLAB 3808型,广州）以及数据采集系统（包括Powerlab/16sp数据采集仪和Chart v5.2配套软件,ADInstruments,澳大利亚）等。食道测压囊管为实验室自制,长90cm,内径1.6mm,远端包裹在一个长10cm,周径2.5cm的橡胶囊内。实验对象包括一个呼吸系统一阶线性力学模型（R-I-E模型）和8名健康自愿者。1.R-I-E模型为实验室自制,由一个内置6层金属筛网（筛网目数600,网孔直径25μm）的阻力管（长5cm,内径2cm）,一条模拟惯性阻力的圆形长管（长20cm,内径2cm）和一个代表弹性阻力的带夹板的气囊组成,三者依次串连连接。2.健康自愿者8名自愿者来自广州市各行业,身体健康,男:女构成比5:3,平均年龄34.6±4.0岁,平均身高165.1±5.64cm,平均体重60±6.39Kg,两名男性自愿者现时吸烟。肺功能资料:平均第一秒用力呼气容积FEV1 2.91±0.39L,平均FEV1占预计值的百分比（FEV1 %Pre）95.38±10.48%,平均FEV1/用力肺活量（FVC）81.85±4.63%。所有自愿者均签署书面知情同意书,实验方案经广州医学院医学伦理委员会批准。实验方法1.R-I-E模型、流量仪、平台出气阀和NIIV呼吸机依次串联连接,振荡发生器通过连接管并联接入呼吸机与出气阀之间,开口压（Pao）的测量位于R-I-E模型的开口。2.对R-I-E模型进行NPPV通气,通气模式设为双水平气道正压通气（BiPAP,T模式）,呼吸频率20次/分,吸气时间1秒,压力上升时间:0.1秒。压力水平分别设为:IPAP 8、16和24cmH2O,EPAP保持4 cmH2O不变;振荡发生器产生频率为4Hz,振幅为～2 cmH2O的正弦压力振荡,经连接管进入呼吸通道。待通气平稳后,各通气模式和压力水平分别采集一套2min的流量（V’）和Pao信号。信号的采样频率为100Hz,低通滤波（FIR滤波器）截止频率为30Hz,通过数据采集仪采集并保。流量定标采用标准的3升筒和流量积分法,压力定标采用U型水柱测压管。3.将振荡频率分别设为8和16Hz,振荡幅度调为4和6 cmH2O,观察各种频率和振幅下振荡流量和压力的波形。4.健康志愿者实验:仪器连接同前,自愿者取坐位,通过鼻罩（容积80mL）连接呼吸机,经鼻放置食道测压囊管于食道中下段,采用闭合试验定位。5.每例自愿者依次给予BiPAP和持续气道正压（CPAP）通气,BiPAP压力水平依次设为:IPAP 8和12 cmH2O,EPAP保持4 cmH2O不变;CPAP压力水平依次设为4、8和12 cmH2O。强迫振荡的频率为5Hz,振幅为～2 cmH2O。在分别经10min的适应性通气后,每个通气模式和压力水平各采集一套2min的V’、Pn和食道压力（Pes）信号。采样频率等参数均同前,检测时注意固定志愿者双侧面颊以减少分流,检查鼻罩无漏气或漏气低于50mL/s。6.使用自行设计的信号分析软件,计算R-I-E模型振荡压力信号的频率和振幅（5个振荡波平均值）。计算R-I-E模型和自愿者呼吸系统输入（振荡压力）和输出（振荡流量）各16秒钟信号的相干函数γ2。计算每套信号各时刻点的Rrs和Xrs值并求8例自愿者在各通气模式和压力水平下的平均值及其变异系数。采用最小二乘多元回归和一阶运动方程式Pn– Pes = P0 + RL·V’+ EL·△V（P0为常数,△V为容积）,计算与Rrs和Xrs对应的肺阻力（ R L）和弹性阻力（ E L）的平均值和变异系数,同时参照多元回归的均方根差（RMSD）,剔除明显受呼吸肌活动影响的数据。比较不同通气模式和压力水平下Rrs与Xrs各自之间、Rrs与RL、Xrs与EL之间的差异和相关性。结果1.R-I-E模型和8名自愿者呼吸系统输入（振荡压力）和输出（振荡流量）各16秒钟信号的相干函数γ2均值均大于0.95。2.在最大压差为20cmH2O的气道压力波动下,振荡发生器能稳定地输出频率为4～16Hz,振幅为～6cmH2O的单频正弦振荡,系统长时间工作状态稳定,Rrs和Xrs时间曲线光滑、规则,反映了呼吸阻力在呼吸周期内所发生的变化。3.在BiPAP通气模式和IPAP/EPAP分别为12/4、8/4cmH2O的压力水平下,7名自愿者（第八名志愿者数据显著异常,远大于均数±2SD,故未纳入总体均数和变异系数的计算,以下均同）的Rrs平均值分别为6.37±1.63和5.84±1.12 cmH2O·s·L-1,Pearson相关系数r = 0.97,P<0.01,平均变异系数的差异无统计学意义,P>0.05。Xrs与此类似,在两种压力水平下测定的平均值分别为-3.16±1.36和-3.01±1.12 cmH2O·s·L-1,r=0.96,P<0.01。平均变异系数的差异也无统计学意义,P>0.05。4.在CPAP通气模式和4、8以及12cmH2O的压力水平下, Rrs的平均值分别为4.55±1.17、4.61±1.12和4.54±2.07 cmH2O·s·L-1,相互之间的Pearson相关系数r在0.77～0.98,P<0.05。相互之间变异系数的差异无统计学意义。Xrs与此类似,在各压力水平下测定的均值都十分接近,r在0.54～0.89,P<0.05。相互之间变异系数的差异无统计学意义,P>0.05。5.在BiPAP通气模式下测定的Rrs值稍高于CPAP模式（CPAP模式仅比较了8和12cmH2O两个压力水平）,各通气模式下的平均值分别为6.10±1.42和4.62±1.52 cmH2O·s·L-1,r=0.63,P<0.01。平均变异系数则较为接近,差异无统计学意义,P>0.05。Xrs与此类似,平均值分别为-3.15±1.33和-2.00±0.62 cmH2O·s·L-1,r为0.87,P<0.01,变异系数的差异无统计学意义,P>0.05。6.在BiPAP通气模式的各压力水平下测定的Rrs与RL在数值上都十分的接近,CPAP模式下的结果也与此类似。Rrs在所有模式和压力水平下的平均值为5.25±1.69 cmH2O·s·L-1,RL为5.50±1.98 cmH2O·s·L-1,r = 0.66,P<0.01,平均变异系数的差异无统计学意义,P>0.05。Rrs与RL的直线回归方程式为:RL =1.40 + 0.77Rrs,决定系数R2=0.43,回归方程检验有统计学意义,P<0.01。7.Xrs在所有通气模和压力水平下的平均值为-2.48±1.12 cmH2O·s·L-1,EL为7.13±2.48 cmH2O/L,EFOT显著大于EL（EFOT = -2πfXrs）,P<0.01。两者存在低水平的相关,r = 0.40,P<0.01。结论:1.在NPPV不同通气模式和压力水平下,振荡发生器工作状态稳定,强迫振荡的频率和振幅恒定。2.信号分析软件能抵抗系统噪声和机械通气等非线性因素的影响,计算获得的r2均值大于0.95,在各种实验条件下测定的Rrs和Xrs各自之间大小接近,处于正常预计值范围。表明实验设计的FOT测量系统测量准确、可靠。3.NPPV的模式和压力水平对FOT测量无显著性影响。应用5Hz强迫振荡测定的Rrs能十分近似地反映R L的大小。研究背景和目的在慢性阻塞性肺疾病急性加重（AECOPD）患者进行无创正压通气（NPPV）时,一方面需要设置吸气相正压（IPAP）以克服增高的气道阻力,另一方面需要设置呼气相正压（EPAP）以保持呼气末小气道开放。合理的压力水平能最适当地满足患者的通气需,减少呼吸做功和改善通气的效果。目前还缺乏NPPV条件下检测气道阻力的方法,评价无创通气压力参数是否合理还限于使用一些在时间上滞后的临床或实验室的指标,不能准确反映肺部呼吸力学的异常。在呼气流量受限（EFL）的条件下,强迫振荡阻抗（Rrs）能反映肺阻力（RL）的大小,电抗（ Xrs）能反映EFL,因此,第二部分的研究拟在自行设计的强迫振荡测量系统的基础上,采用5Hz强迫振荡信号检测NPPV条件下COPD患者呼吸系统的Rrs和Xrs,分析吸气相阻抗（Rrs,in）与吸气相肺阻力（RL,in）、Xrs与RL、平均呼气与吸气电抗差（ΔX rs）与EFL之间的差异和相关性,以及ΔX rs、EFL与压力支持水平（CPAP）的相互关系,探索利用Rrs和Xrs优化COPD患者无创通气压力参数的可行性。研究对象为8例COPD患者,均合并2型慢性呼吸衰竭,分别来自广州医学院呼吸疾病研究所和广州医学院附属第三医院等2所三级甲等医院,诊断符合中华医学会呼吸病学分会慢性阻塞性肺疾病学组关于《慢性阻塞性肺疾病诊治指南（2007年修订版）》的诊断标准。患者均为男性,均有吸烟史,平均年龄77.38±3.25岁,平均动脉血氧分压（PaO2）75.88±13.4mmHg,平均动脉血二氧化碳分压（PaCO2）62.9±12.09mmHg,平均第一秒用力肺活量占预计值的百分比（FEV1%pre）25.38±7.09%,平均FEV1与用力肺活量（FVC）的比38.88±10.18%。患者病情相对稳定,无NPPV治疗禁忌症,并签署知情同意书。实验经广州医学院医学伦理委员会批准。研究方法患者取坐位,经鼻罩NPPV通气,通过振荡发生器产生频率为5Hz,振幅为～2cmH2O的正弦压力振荡,施加在患者的呼吸气流之上。检测的指标:流量（V’）、鼻腔压（Pn）和食道压力（Pes）。实验流程:每例COPD患者依次给与双水平气道正压（BiPAP）和持续气道正压（CPAP）通气,BiPAP压力水平分别设为:IPAP 8和12cmH2O,EPAP保持4cmH2O不变;CPAP水平分别设为4、8和12cmH2O。分别经10分钟的适应性通气后,每个通气模式和压力水平各采集一套2分钟的V’、Pn和Pes信号。实验前,每例COPD患者也分别采集一套自然呼吸状态下的V’、Pn和Pes信号（CPAP为0cmH2O）,用于分析呼气流量受限。计算的指标:使用自行设计的信号分析软件,分析并计算各通气模式和压力水平下COPD患者的Rrs、Xrs、Rrs,in的平均值及其变异系数。计算CPAP通气模式各压力水平下的呼气电抗（ X rs, ex）、吸气电抗（ X rs, in）和ΔX rs的平均值和变异系数。利用最小二乘多元线性回归（MLR）和一阶线性运动方程,计算在不同通气模式和压力水平下COPD患者的RL和RL,in的平均值和变异系数。以RL和RL,in作为实际肺阻力的参比值,比较不同通气模式和压力水平下Rrs与RL、Xrs与RL、Rrs,in与RL,in的差异和相关性。取CPAP模式各压力水平和自然呼吸状态下的V’、Pn和Pes信号,以M-W法作为标准,分析每一个呼吸周期的EFL情况。比较CPAP水平与ΔX rs的关系,比较CPAP水平与EFL呼吸周期数的关系。参照Dellacà的方法,分析ΔX rs与EFL的关系,计算检测EFL的最佳ΔXrs阈值（敏感性和特异性最高）。结果1.在NPPV不同通气模式和压力水平下测定的Rrs在数值上互为接近,相互之间的相关程度高（r均大于0.90,P<0.01）。RL与此类似,但数值普遍高于Rrs,两者总的平均值分别为9.46±4.37和6.13±1.40 cmH2O·s·L-1,r为0.52,P<0.01,变异系数差异无统计学意义。Xrs与RL的关系与此类似,但Xrs的数值更小,r更低（0.28）。2.在NPPV不同通气模式和压力水平下,8例COPD患者的吸气相Rrs,in总的平均值为6.52±1.61 cmH2O·s·L-1。吸气相RL,in总的平均值为9.37±4.61 cmH2O·s·L-1,两者存在中等程度的相关（r = 0.64,P<0.01）。利用线性回归计算得到RL,in的预计方程式为RL,in = -1.62 + 1.69Rrs,in,回归方程t检验有统计学意义（P<0.01）。3.CPAP水平从4增高至8cmH2O时,除X rs, in外,Xrs、X rs, ex、和ΔX rs的绝对值显著降低,其中又以ΔX rs最为突出。当CPAP水平进一步增高,各电抗参数值无显著性降低。4.按照M-W法的要求分析CPAP模式4、8和12cmH2O下的105个呼吸周期,34.3%（36/105）的呼吸周期显示为EFL,显著低于CPAP为0cmH2O时的水平（85.7%,标化后分别为22.4% vs 29.8%）,P<0.01。36个EFL呼吸周期在CPAP水平分别为4、8和12cmH2O各压力水平下的分布分别为16（15.2%,标准化率,下同）、13（12.4%）和7（6.7%）个。5.EFL呼吸周期的ΔX rs均值显著大于无EFL（NFL）的呼吸周期,分别为5.95±2.53和-0.05±0.62 cmH2O·s·L-1,P<0.01。区分有或无EFL的最佳ΔX rs阈值为1.83 cmH2O·s·L-1时,敏感性为94%,特异性为97%。结论1.NPPV模式和压力水平对COPD患者呼吸阻力的测量无显著性影响。2. 5Hz强迫振荡测定的COPD患者的Rrs平均值低于RL,但两者存在中等程度的相关,相关性极显著。Rrs,in可用于无创评估RL,in的大小,RL,in的预测方程式为RL,in = -1.62 + 1.69Rrs,in。若RL,in用于优化NPPV压力参数,能使IPAP正好克服增高的肺阻力。3.ΔX rs反映了EFL呼吸周期的清除程度。ΔX rs为1.83 cmH2O·s·L-1是区分有或无EFL的最佳阈值。调节EPAP或呼气末正压（PEEPe）使ΔX rs等于或低于其最佳阈值,则可消除绝大部分呼吸周期的EFL。

论文目录

• 中英文名词对照
• 第一部分 无创通气条件下应用强迫振荡技术检测呼吸阻力的基础研究
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 理论基础
• 实验对象和方法
• 结果
• 讨论
• 结论
• 参考文献
• 第二部分 应用强迫振荡技术优化慢性阻塞性肺疾病无创通气压力参数的实验研究
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 实验对象与方法
• 结果
• 讨论
• 结论
• 参考文献
• 致谢