轻松测量肺功能

张政波 张楠 刘晓莉 梁洪 张楠 小恣

肺是我们重要的呼吸器官，我们时刻都在呼吸，吸入氧气、排出二氧化碳是我们必不可少的生命活动。如果肺功能出了问题，将影响我们的健康，严重时甚至可能会危及生命。那么，我们要怎么才能及时了解肺部的健康状况，尽早诊断和治疗呢？这就需要我们进行肺功能检测。

传统的肺功能检测

近年来，哮喘、慢性支气管炎、肺气肿等呼吸系统疾病发作率有不断增加的趋势。《“健康中国2030”规划纲要》中指出慢性阻塞性肺疾病（COPD）是我国最常见的呼吸系统疾病之一，《国务院关于实施健康中国行动的意见》（国发〔2019〕13号）中也指出我国将实施包含慢阻肺在内的呼吸系统疾病防治行动。肺功能检测作为胸肺疾病的重要检查内容，对上述呼吸系统疾病诊断和治疗效果评估有重要意义。

不过，到医院检测过肺功能的人可能知道，传统的肺功能检测其实很复杂，需要根据医生的指令进行操作。传统的肺功能检测首先要平静呼吸，然后听从医生指令把气缓慢地一次性全部呼出;气全呼出后，再用力猛吸气，一定要吸到不能再吸为止;然后立刻用最大的力气，爆发性地把刚吸进去的气全部呼出，直到不能再呼为止，中间不能停顿和换气;最后再吸一口气，检测才全部结 束。

所以说，传统的肺功能检测对医生和受测者都有较高的要求。测试过程中，医生需要针对不同的受测者采用灵活的沟通技巧和操作技巧，受测者也要准确理解医生指令并及时作出反馈，才能保证测试高质量完成，确保检测结果的准确性。而老人、儿童、听障和智障患者等难以做到和医生紧密配合，这可能加大医生工作负担并导致检测结果不准确。此外，传统肺功能仪也不能区分哮喘和慢性支气管炎等患者阻塞发生的部位。

可以在自然呼吸状态下进行肺功能检测吗？怎么才能让肺功能检测更简单、更轻松 呢？

基于强迫振荡技术的肺功能检测

强迫振荡技术是一种无创的呼吸系统力学特性测量技术，最早于1956年提出，经过60多年的研究和发展，其已由实验室原型技术发展成为可用于呼吸力学方面测定的技术，广泛应用于临床呼吸系统疾病诊断。基于强迫振荡技术的肺功能检测，最大的优点就是不需要受测者的密切配合，在受测者平静自主呼吸的状态下，短时间内就可以完成呼吸系统力学特性的检测和分析，特别适合老人和儿童在测量肺功能时使用。它可以测出气道、肺和胸壁的黏性阻力、弹性阻力和惯性阻力，能够反映气道和肺顺应性的改变，分辨吸气相和呼气相的阻力变化，区分气道阻塞部位、严重程度和呼吸动力学等特征，对于哮喘、COPD等阻塞性通气功能障碍的检测具有明显的优势。此外，它还有可以辨识吸烟者的呼吸系统可能存在的病变，有助于对由吸烟导致的呼吸功能改变实现早期诊断。

强迫振荡技术的核心是利用系统辨识的原理，通过外加不同类型的强迫振荡气体，测量呼吸系统在该外加振荡气体压力下的响应，即在外加压力下，测量人体呼吸系统气流流量、压力的改变，从而测得呼吸系统的阻抗值。同时，通过辨识在不同频率的信号下呼吸系统的阻抗特性，来测得呼吸系统的性能。

经过半个多世纪的发展，基于FOT（强迫振荡技术）的肺功能测量技术已经发展到了第三代，即宽频振荡技术，但是FOT的核心技术掌握在国外，典型的代表产品有德国JEAGER公司的MasterScreenIOS和日本Chest公司的MostGraph，价格昂贵。国内多靠从国外引进来开展临床应用，相关研究也是基于国外产品的临床应用研究和报告展开，对振荡肺功能仪的研制还处于探索阶段，缺少对关键技术的研究，尚未具有自主知识产权的产品问世。

自主探索研发振荡肺功能仪

解放军总医院医学人工智能中心的张政波、医学工程科张楠以及北京航空航天大学生物与医学工程学院的刘晓莉等在对振荡肺功能仪原理研究理解的基础上，先后研制了3代振荡肺功能仪试验样机，最终研制出振荡肺功能仪原理样机，这一样机能够实现基于强迫振荡的呼吸系统力学特性测量。

张政波等研制的振荡肺功能仪的硬件系统包括振荡气体发生装置、压力传感器、流量传感器、数据采集器等。振荡气体发生装置由D/A转换器、功率放大器和扬声器组成，其工作原理为上位机产生检测所需的数字信号，经D/A转换器编程模拟信号输出，由功率放大器将信号放大到合适功率后，驱动扬声器在短时间内产生足够量的振荡气体。压力传感器和流量传感器使4?40Hz的振荡信号有效通过，振荡信号再通过信号放大滤波到数据采集器，进行数据采集，实现动态流量测量。

该振荡肺功能仪的软件系统包括信号发生模块、数据采集和存储模块以及信号分析模块等。在测量时，信号发生模块可以产生正弦波、周期性的方波、三角波、锯齿波、脉冲波等，这些波的信号可以调制，产生丰富的频率成分，还可以单独设置信号的幅度和相位。此外，信号发生模块产生的单频率信号可以被合成为多频率信号组合输出，这就避免了使用单频信号必须进行的多次测量，使其在临床使用中更加便捷。數据采集及分析是肺功能检查的重要环节，该系统可实现多通道数据同步实时采集、实时显示、数据存储、信号初步分析，及时显示采集信号的各项数据，并对呼吸系统阻抗进行计算，三维实时动态显示呼吸参数的测量结果。

在模拟试验中，上述振荡肺功能仪的性能得到了验证。ASL5000主动模拟肺可以通过设置各种肺的参数，来模拟从新生儿到成人的各种呼吸情景。利用上述振荡肺功能仪进行肺功能检测，得到的测试结果和原始设置值较为接近，误差很小。在综合测试试验中，实现了患者保持正常坐姿正常呼吸条件下，40秒内完成呼吸系统阻抗、容抗的测量，测量精度达到国外产品相当水平，并且呼吸参数测量结果可以通过三维实时动态图像的方式展示出来，易于直观判断各频率成分和各呼、吸气相的阻抗，基本实现了和进口产品同样的功能，具有较强的竞争力。目前项目组正在基于医疗大数据和人工智能算法，依托解放军总医院丰富的临床研究资源，针对不同的疾病类型深入开展辨识模型研究。在后续的研究中，进一步完善和优化系统性能，并开展临床试验后，该振荡肺功能仪器有望在临床中进行广泛应用。