病人监测的呼吸测量方法及其有效性的评价

【作 者】叶继伦，邓云，黄燕

1 深圳大学医学院,，深圳，518060

2 深圳市华侨城医院，深圳，518053

0 概述

呼吸是人体生命体征的重要参数之一，也是危重病人被监测的必备参数，是多参数监护仪所配置的基本测量功能。呼吸的测量方法一般有阻抗法、热敏法、呼吸气体浓度和呼吸气体流量法。阻抗法是借用了心电监测的导联线和电极，无需额外的配置，以其简单、有效、无额外费用等特点而成为多参数监护仪的首选呼吸监测方法。但是，实际在应用中因为不同设计和评价，其性能差异很大，将会影响到临床的应用。本文将就基于呼吸阻抗监测的方法及其有效性验证进行讨论，并给出了关键的评价指标，希望它能对阻抗法的呼吸监测的设计、测试和应用有一定帮助，以提升呼吸监测的有效性。

1 呼吸测量方法

1.1 阻抗法

呼吸是人体胸腔自主的扩展和收缩，从引起胸部的阻抗变化，阻抗法的呼吸测量就是基于这个阻抗变化来实现的。通过一对贴在胸部的电极和心电导联线，引入一个高频（如80 KHz正弦波）的恒流式载波电流，再利用这些电极和导联线将经过呼吸特征调制的载波电压信号引入高频放大电路，在继续解调、滤波后恢复呼吸特征波形，从而得到呼吸信号。

图1 原理示意图Fig.1 The schematic diagram

式中IAC是由恒流源激励的高频载波电流，dZ是有呼吸引起的被测量部位胸部阻抗变化，dV则是在检测端获得的与dZ成正比的呼吸电压信号。

1.2 实现原理的关键参数

针对基于阻抗法的呼吸监测的实施方法，已经有很多研究报告[1-4]，本文提出大致的实施方案如图2所示。以下是针对在应用中会遇到的一些关键参数，是需要在具体的电路实现中进行考虑的，并且还需要结合到软件算法，才能获得预期的应用效果。

图2 阻抗法的实施框图Fig.2 The implementation frame of thoracic impedance method

1.2.1 基础阻抗及检测范围

人体是测量的信号源，是具有一定的基础阻抗，会影响呼吸检测电路的动态阻抗检测的。另外，为了保护、隔离的原因还要呼吸检测的连接电缆中增加数千欧姆的电阻，即增大了基础阻抗范围，这时对呼吸检测电路提出更高的要求，一般要求基础阻抗能达到3～4千欧的检测范围，这里的指标是反映阻抗检测电路对被检测信号源的适应能力，这项指标可以在模拟器的信号中的得到检验。

1.2.2 动态阻抗及检测范围

动态阻抗就是人体呼吸所引起的阻抗变化，这个变化范围的大小是反映呼吸电路的检测能力，最小值是反映针对弱呼吸的检测能力，一般要求不低于0.2Ω，动态阻抗监测上限范围不低于3欧（保持呼吸波形不失真）。这里的指标是反映阻抗检测电路对弱信号的检测能力及对信号范围的适应能力，这项指标可以在模拟器的信号中得到检验。

1.2.3 响应时间

呼吸监测中的呼吸率计算是最重要的测量与显示指标，往往在评估中只关注呼吸率的计算而忽略一个潜在的响应时间指标。响应时间是衡量呼吸率计算方法中针对呼吸率变化的跟踪速率的一个指标，需要在测试中体现。一般要求在呼吸率由高突变到低时，响应时间不大于 15 s；而由低突变到高时，响应时间不大于10 s。这项指标可以在模拟器的信号中得到检验。

1.2.4 呼吸波形识别率

呼吸率计算的准确性是取决于对呼吸波形的准确识别率，也就是对呼吸波形的波峰、波谷的准确识别。以下是两段呼吸波的实际采样值：

图3 基于阻抗法的呼吸波形Fig.3 The respiration wave based on thoracic impedance method

第一段是正常情况下的呼吸波，非常平稳，呼吸波的识别率可达100%，这时的呼吸率计算非常准确；第二段是干扰情况下的呼吸波，受扰严重，呼吸波的识别率很差，这时的呼吸率计算将受到影响，这在临床中会时常遇见，也是考验一台具有阻抗呼吸检测功能仪器针对呼吸波形监测性能的关键指标，需要借助于临床或临床数据库才能得到检验。

1.2.5 呼吸率的测量范围

一般需要根据预期的应用来设置不同的呼吸率测量范围，针对成人、小儿呼吸率的测量范围是0～120 RPM，而对于新生儿则上限需要达到150 RPM。这项指标可以在模拟器的信号中得到检验。

1.2.6 呼吸率的测量准确度

呼吸率的测量准确度，也需要针对不同的测量范围来限定，通常是0～60 RPM，±2 RPM；61～150 RPM，±3 RPM。这项指标可以在模拟器的信号得到的检验。需要说明这里的指标及精度，并不代表临床的准确性，而针对呼吸率的测量准确性评价还应再声明一项针对临床的指标。

1.3 呼吸率计算方法

1.3.1 呼吸波的识别方法

通常是采用微分及双阈值方法来判定呼吸波峰和波谷，并根据当前波峰和波谷的极值来刷新后续的双阈值的自适应阈值调整方法，在这个方法中的关键因素在于阈值的自适应调整，并能跟踪后续呼吸波的变化趋势，确保阈值始终是在下一个波峰和波谷之间，不出现漏检和误检呼吸波的问题。其中，上限阈值取当前波峰值40%+前一个波谷值10%；下限阈值取当前波谷值40%+前一个波谷值10%。同时取当前周期均值作为参考值来跟踪上述的检测窗口，并刷新可能漏检的极值。

1.3.2 心动干扰的去除

呼吸波的一个重要干扰源是来自心动的干扰，这是阻抗法不可回避的问题，特别是在弱呼吸下，心动干扰更是突出，要消除呼吸波中的心动干扰，需要从以下进行考虑：

一是考虑被检测的呼吸波的峰值信号与心电波形中R波的时间差，如果这个差值在预设的时间阈值内，可判定为出现心动干扰，阈值的设定将依据当前的心动周期；二是考虑所计算出呼吸率与心率的差值，如果所计算出的呼吸率与心率之差的绝对值是小于某个阈值，则可判定出现了心动干扰。

1.3.3 呼吸率的计算方法

呼吸率的计算一般是依据1.3.1中所检出的呼吸波波峰、波谷值及时间坐标位置。将相邻的波峰值（或波谷值）之间时间坐标差计作T，称为呼吸波的周期，取其倒数，并乘以60即为呼吸率（每分钟呼吸次数）。为了消除呼吸率计算的不稳定（因为受扰），通常再针对相邻的多个周期T进行适当的“平均”。这里的平均将是多样的，如根据与当前值远近采用不同的加权，对特别大差异的周期T进行剔除，对在不同的呼吸率进行分段，在不同段将取不同的周期T参与平均。这里需要注意的是要考虑呼吸率计算的稳定性和实时性，平均多了呼吸率计算的稳定性提高，但是实时性将降低，这需要平衡，并根据预期的应用进行优化，直接的反映就是上述的响应时间，当然并不排除采用其它更有效的计算方法。

2 验证方法

呼吸率的计算是完全依赖于呼吸波的周期性特征，也就是基于相邻波峰（波谷）之间时间差，是采用时间作为测量参考量，是属于直接测量方法范畴。相关的一些评价指标，如测量范围、基阻抗范围等是可以在实验室完成验证的。而其中波峰和波谷的识别准确度是影响呼吸率计算准确度的关键因素，是需要通过真实的临床或已经通过临床所建立的数据库进行验证的。以下将针对上述的两类验证方法分别介绍于后。

2.1 实验室验证

在实验室验证中，借助于模拟器所产生的呼吸信号，并针对信号幅度、节律、基础阻抗、某些理想的干扰等进行设置和选用，可以对呼吸的幅度、基阻抗测量范围、节律测量范围、响应时间等参数进行定量测试，并观测呼吸测量方法的有效性，其中包含对硬件的和软件方法的，通过这里的测试可以达到完整的验证，详细方法可参考文献[5]。

2.2 临床或临床数据库验证

临床数据库是根据预期的应用和验证的要求所建立的临床环境中的真实数据库，包含成人、小儿和新生儿，同时还应包含这些患者处在不同的状态下，如正常平稳情况、运动情况、哭闹情况（小儿和新生儿）、轻微呼吸情况、急促呼吸情况、心动干扰情况、手术中电刀干扰等。所建立包含30例一共60段（每段持续10分钟的呼吸波形数据）的数据库，针对这个数据库的验证是需要进行事先的手工标定，在验证平台软件的支持下，针对每个病人数据的逐段、逐波进行波峰、波谷的标定，并以此标定计算呼吸率，建立起评价的参考标准。再将呼吸算法的自动检测的波峰、波谷和呼吸率，与上述参考标准进行对比。其中对波峰、波谷统计出准确率、漏检率和误检率，对呼吸率计算出平均偏差和标准偏差，这些指标将客观地评价呼吸算法在特征波识别以及呼吸率计算上的有效性。图4给出三类受扰的呼吸波。

在这里利用上述数据库对新改进的呼吸算法（WitRespII）进行评价，30例数据统计结果，见表1。

图4 数据库中部分受扰呼吸波形及人为分类Fig.4 The disturbed respiration wave and classifications

表1 30例数据的统计结果Tab.1 The analysis results of database from 30 patients

本文是第一次采用这样的方法进行验证，并给出客观的定量统计参数来评价呼吸波识别和呼吸率计算的有效性，计算结果依赖于数据库和计算方法，因此，怎样的值才是最终的接受准则，怎样的数据库才能充分地验证呼吸测量方法等都需要进行研究，形成统一的准则。

3 小结

基于胸阻抗的呼吸监测方法是监护产品的一个必备的基础参数，如何提高监测的准确性，减少误判和漏判、提高灵敏度、提高呼吸率计算的准确性等都是值得努力的研究方向。无论是采取针对硬件的改进，还是针对软件的算法识别与计算方法改进都是可以尝试的，以提高中国制造监护产品的品质，推动高性能监护产品的发展。

上述提及的一些评价参数还不是目前针对呼吸监测的硬性要求，针对呼吸监测及评价也没有相关的标准可循，特别临床数据库更是空白。另外也没有对因为呼吸受扰所产生的误报警率进行评价，未来应在呼吸监测方法改进、数据库建设及标准化方面、评价的客观指标及接受准则等方面开展工作，建立针对呼吸监测的性能评价标准，推动针对生命信息监测设备的性能评价方法的应用，以及针对呼吸监测性能的提升。

[1] 曹细武, 邓亲恺, 罗丽辉. 阻抗式呼吸监护系统的研制[J]. 中国医学物理杂志; 2000, (4): 213-214.

[2] 席涛, 杨国胜, 等, 呼吸信号检测技术的研究进展[J]. 医疗卫生装备. 2004, (12): 26-28.

[3] 吴润泽, 高小榕, 欧阳婧. 多路独立人体阻抗测量和信号分析[J].航天医学与医学工程; 2001,（06）:429-433.

[4] 戚建新, 林原, 卞正. 一种阻抗法呼吸信号检测电路的设计[J]; 中国医疗器械杂志; 1998, (01): 9-11.

[5] 叶继伦. 监护产品监护参数的检验方法（二）—呼吸、体温参数[J]. 世界医疗器械杂志, 2004, 10(5): 68-69.