基于一种新型强迫振荡仪器的呼吸道阻抗测量研究*

王 锐，邓林红，陈园园，麦克西蒙· 杰弗里

（1．重庆大学生物工程学院，重庆 400044;2．加拿大达尔豪西大学生物医学工程学院，哈利法克斯 B3J3H5）

0 引言

呼吸系统疾病有很多种，其中哮喘是一种包含气道感染和气道重塑的慢性疾病，并和气道过分收缩和过易紧缩联系在一起。地球上总共有1～1．5亿的人口遭受哮喘病的折磨，其中每年约有18万人因为哮喘病而死亡［1］。因而，找到一种有效的诊断哮喘病的方法，并据此对疾病进行有效的控制治疗显得非常重要。

目前，最可靠的测定可逆气道阻塞的方法就是肺活量测定法［2］，一种测量呼入气体量和呼出后剩余气体量的测试方法。由于肺活量测定法需要被测试者高度配合，所以，对于婴幼儿、瘫痪病人、残疾人和高龄人群实施起来不是很方便。因此，另外一种在测量过程中不需要被测者很费劲、适用于婴儿、儿童和成年人的方法诞生了，这就是强迫振荡技术（forced oscillation technique，FOT）。FOT于1956年首次被Dubois A B和他的同事用于呼吸系统力学研究中［3］。FOT提供了一种无创的、仅需被测试者被动合作地获取肺部力学特性的方法，因而，被越来越多地应用于呼吸障碍的测试中［4］。它已经被成功应用于婴儿［5］、睡眠中和机械通气的病人中。

本文展示了一种新的FOT仪器，该仪器由加拿大Dalhousie大学生物医学工程系的Maksym G教授开发。实验表明:用这种FOT仪器测量的哮喘病人的阻抗明显高于正常人。因此，这种新型的FOT仪器对于哮喘病的诊断提供了一种很好的手段，对于临床诊断很有帮助。

1 实验仪器与方法

1．1 被测试者

经过加拿大Capital Health Research Ethics Board，确认，总共征集了10位被测试者，其中包括5个哮喘病人和5个健康人。哮喘病人组要求病人被医生诊断确认有哮喘病1年以上，年龄在16～70岁之间。健康人组同样是年龄在16～70岁之间，但是要求没有哮喘病或者其他的呼吸道疾病，并在近期（6个星期）没有过患过呼吸道感染疾病。有吸烟史（每年的吸烟量大于10包）和孕妇都被排除在外，不适宜参加本实验。

1．2 实验仪器

本实验所用的振荡肺活量测定仪（oscillation spirometer，OS）是由加拿大 Dalhousie大学生物医学工程系的Maksym G教授开发的一种新的FOT仪器。OS不但可以记录传统的肺活量测定法的测量结果，而且可以记录FOT的测量结果。而且这种技术用自激的活塞取代了传统大而笨重的扬声器，因此，OS的体积会大大缩小，更加便携化，不像传统的FOT仪器体积大、笨重，而且实施起来不方便［6］。

1．3 实验原理

这种技术是通过扬声器产生一个特定频率和振幅的压力振荡，振荡波施加于受试者的口腔并叠加在呼吸气流之上，随气流进入气道和肺组织，测量经气道和肺组织吸收并折射的压力和流量，计算振荡压力和流量傅立叶变换（P（f）和V（f））的商即可获得呼吸系统的呼吸系统总阻抗（Zrs）。Zrs是一个复数量，它的实部是呼吸系统阻抗（Rrs）代表了Zrs的同相部分，代表了气道和肺组织的粘性阻力，是比较常用的反应呼吸道阻抗的参数之一，它的虚部是呼吸系统电抗（Xrs）。图1为FOT的简单示意图。

图1 FOT简单示意图Fig 1 Diagram of FOT set up

1．4 实验方法

被测试者通过接口管呼吸到OS仪器，测量过程中要求被测试者坐着平静地呼吸，并在测量过程中用双手拖住自己的脸颊。由于漏气会造成结果的不准确，所以，被测试者还要求在测量过程中用嘴尽量密封地包围接口管。每次测量将持续1 min，每个人要被测量5次。哮喘病患者无需在测量之前停药，也就是说整个测量过程是在患者病情被控制的情况下进行。输入信号采用6Hz的正弦波。采集到的呼吸信号用256 Hz的频率进行采样，整个信号处理的过程在Matlab平台下进行。后期使用t检验来进行统计学分析，来比较正常人和哮喘病人的结果。当p＜0．05时认为有显著差异。

2 结果

实验中对每个受试者测量5次，每次测量1 min。图3为一例哮喘患者的测量数据，数据中包含|Zrs|，Rrs和Xrs随时间变化的曲线。从数据中可以看到三者都随时间的变化而变化，其中，Rrs是最常用的、并且最能体现哮喘病的参数。Rrs的变化被认为是由呼吸过程中气道平滑肌的不断收缩和扩张引起的气道口径的变化引起。气道平滑肌的这种活跃性导致了Rrs的不断变化，周期内每秒可能不同，每分钟可能不同，每天不同甚至每个月不同［7］。Rrs反映了Zrs的同相部分，而Xrs代表Zrs的异相部分。这也和实验结果相吻合，在图3中可以看出:Rrs的变化趋势和|Zrs|类似，而Xrs和其相反，当|Zrs|最大时，Rrs也最大，Xrs最小。

图2 一例哮喘病患者的20 s的数据Fig 2 An example of an asthmatic subject’s data for 20 s

FOT在测量不同年龄、性别和高度的儿童与成人的Rrs时在一定频率下已经显示出较好的重复性［8］，Rrs的均值在健康儿童、哮喘病儿童和肺部囊性纤维化的儿童中也显示出良好的重复性。另外，这些测量结果还和能用肺活量测定法的儿童用FEV1的测量结果高度一致［9］。成年人FOT的学习研究指出Rrs的均值可以反映气道直径的区别，因此，可以被用于区别哮喘、慢性支气管炎、肺气肿、肺部囊性纤维化和睡眠窒息的诊断［10］。这里也比较了两组受试者的Rrs的均值（图4）。从图中可以看出:哮喘病人相对于正常人的Rrs较高。为了准确地分析其差异性，把两组数据做了t检验。检验的结果p=0．017，认为两组数据有显著性差异。

图3 OS测量的5位哮喘病人和5位正常人的Rrs值Fig 3 Rrsvalue of 5 asthmatic people and 5 healthy people measured by OS

3 结论

实验表明:新型的OS仪器测量的哮喘病人的呼吸系统阻抗（Rrs）明显不同于正常人，从而表明这种新型的仪器能运用到哮喘病人的诊断中，能为临床诊断提供有效的辅助手段。而且由于这种仪器本身的简单、易用和便携的特点必将使它成为强迫振荡呼吸机的主流产品之一，也为远程医疗创造了可能性。

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