脈沖震蕩檢測(cè)原理及意義

1、第十四章Impulse Oscillometry for Early Diagnosis of Obstructive Airway Diseases脈沖振蕩肺功能新技術(shù)(IOS)原理及應(yīng)用Hans Juang. Smith, J. Vogel, Cloud Shia簡(jiǎn)介在耶格的新一代產(chǎn)品MasterScreen系列中，IOS因其測(cè)試方便，內(nèi)容豐富，技術(shù)先進(jìn)而倍受矚目IOS檢查非常簡(jiǎn)單方便，僅需記錄病人的幾個(gè)自主呼吸波，即可快速、精確得到各種呼吸阻力在呼吸系統(tǒng)中的分布特點(diǎn)，不受病人配合的影響，有很好的重復(fù)性。整個(gè)過(guò)程是無(wú)創(chuàng)傷性的測(cè)量，病人無(wú)痛苦，無(wú)禁忌癥，適合所有病人，包括老人、兒童和重癥病人

2、。IOS的報(bào)告內(nèi)容非常豐富，完全反映了呼吸生理，與體描相比，IOS的阻力測(cè)定有很好的特異性，能區(qū)分阻塞發(fā)生的部位（中心或周邊），嚴(yán)重程度以及呼吸動(dòng)力學(xué)特征等等，所有這一切都有助疾病的早期診斷。IOS還提供了常規(guī)肺通氣功能測(cè)試，包括流速容量環(huán)、慢肺活量和每分最大通氣量等等?？傊?，IOS非常適合于臨床和科研工作。MasterScreen IOS外觀圖發(fā)展簡(jiǎn)史五十年代，Dubois同時(shí)提出了體積描計(jì)和強(qiáng)迫振蕩的理論構(gòu)想，體描首先由耶格公司轉(zhuǎn)化為商業(yè)化產(chǎn)品，并制訂一整套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從此體描被公認(rèn)為“金標(biāo)準(zhǔn)”，而振蕩由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的限制，進(jìn)展非常緩慢，經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段：第一階段為單頻振蕩，代表性的產(chǎn)品為

3、七十年代非常流行的西門子FDS-5，目前中國(guó)市場(chǎng)上的卡斯托Custo也屬于此類產(chǎn)品。由于單頻振蕩得到的信息非常有限，而且不能區(qū)分各種不同性質(zhì)的呼吸阻力，所以就發(fā)展到第二階段多頻振蕩，如隨機(jī)振蕩和偽隨機(jī)噪聲，它們都是連續(xù)頻譜的外加激勵(lì)信號(hào)，能很好地反映呼吸阻抗，但由于測(cè)試過(guò)程的漫長(zhǎng)（幾十分鐘以上）無(wú)法被廣泛接受，直到耶格公司經(jīng)過(guò)十年的艱辛研究，取得突破性的進(jìn)展，終于進(jìn)入第三階段脈沖振蕩，它繼承了多頻振蕩中連續(xù)頻譜的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)大大加快了測(cè)試的速度，并提供前所未有的豐富的內(nèi)容，包括呼吸生理和呼吸動(dòng)力學(xué)的信息。基本原理第一節(jié)、 呼吸阻抗及其分布特點(diǎn)呼吸阻抗(Impedance，簡(jiǎn)稱Zrs)，俗稱呼吸阻

4、力，是指呼吸的粘性阻力、彈性阻力和慣性阻力的總和。粘性阻力（Resistance）分布在大、小氣道和肺組織，但絕大部分來(lái)自于氣道，也就是臨床上所指的氣道阻力，在圖中，用紅色三角部分（Rz、Rp）來(lái)表示；彈性阻力（Capacitance）主要分布在肺、肺組織、肺泡和可擴(kuò)展性的細(xì)小支氣管，臨床上習(xí)慣用順應(yīng)性來(lái)描述（順應(yīng)性Compliance，她是彈性阻力的倒數(shù)），在這里用藍(lán)色部分（Ers）來(lái)表示；慣性阻力（Inertance）主要存在于大氣道和胸廓，我們用綠色部分（Lz）來(lái)表示。第二節(jié)、 阻力的測(cè)定方法呼吸阻力=呼吸的壓力差 / 呼吸的流速，就象電路中電阻數(shù)值等于電壓比電流一樣，氣管的阻力等于氣管

5、兩端的氣壓差除以該氣壓所產(chǎn)生的氣流流速。所以實(shí)際上四種阻力測(cè)定方法（阻斷法、食道測(cè)壓法、體描法、強(qiáng)迫振蕩法），共同點(diǎn)是要測(cè)量壓差和流速。流速測(cè)量比較容易實(shí)現(xiàn)，而壓差卻比較困難，常規(guī)肺功能中阻力測(cè)定的三種方法，都采用測(cè)量肺泡壓的方法：“阻斷法”用阻斷后的口腔壓代替阻斷前的肺泡壓；食道測(cè)壓法”則用食道內(nèi)壓代替胸內(nèi)壓；“體描法”根據(jù)氣態(tài)方程原理，先阻斷呼吸通路，并讓受試者繼續(xù)保持呼吸動(dòng)作，通過(guò)口腔壓（代表肺泡壓）和箱內(nèi)壓變化計(jì)算出胸腔氣量，然后呼吸的壓差就由箱壓的變化中求得。所有這些測(cè)定中病人是被測(cè)試對(duì)象同時(shí)又是測(cè)定所必不可少的信號(hào)源，這就決定了病人必須很好地配合，以產(chǎn)生我們要求的測(cè)試信號(hào)，否則就一

6、無(wú)所獲。而IOS（脈沖強(qiáng)迫振蕩的英文縮寫）跳出了常規(guī)肺功能測(cè)量的思路，將信號(hào)源與被測(cè)試對(duì)象分離，信號(hào)源外置，由振蕩器產(chǎn)生外加的壓力信號(hào)，測(cè)量呼吸系統(tǒng)對(duì)該壓力的流速改變，這樣就測(cè)到了呼吸阻力，由于信號(hào)源不是被測(cè)試者自己，所以病人不需配合，只要自主呼吸就可以了。圖中，左邊是常規(guī)肺功能檢查，信號(hào)源是被測(cè)試者，呼吸的壓差是由自身呼吸而產(chǎn)生的，由于測(cè)量的就是信號(hào)源本身的特點(diǎn)（內(nèi)阻），所以就得讓信號(hào)源（即被測(cè)試者）很好地配合以表現(xiàn)出這些特點(diǎn)；右邊為IOS檢查，她跳出了常規(guī)肺功能測(cè)量的思路，將信號(hào)源外置，排除了病人配合等因素，所以重復(fù)性就特別好。外置的IOS信號(hào)源，一般從口腔給予，加到整個(gè)呼吸系統(tǒng)上，所以I

7、OS所測(cè)的阻力就不僅僅是氣道的粘性阻力了，而是整個(gè)系統(tǒng)的呼吸阻力，即嚴(yán)格意義上呼吸阻抗。呼吸系統(tǒng)是由氣道（包括大、小氣管）、肺組織和胸廓等組成的，這些部分所反映的呼吸阻力的性質(zhì)是不同的，例如氣道主要表現(xiàn)粘性和慣性、而肺組織主要表現(xiàn)為彈性等。第三節(jié)、阻力的物理性質(zhì)三種不同性質(zhì)的呼吸阻力，在外加壓力信號(hào)下，有著不同的表現(xiàn)。一、 粘性阻力的物理性質(zhì)如果呼吸系統(tǒng)完全是由粘性阻力構(gòu)成，那么外加壓力信號(hào)的情況下，其流速的改變總是跟壓力信號(hào)是同相位的，也就是說(shuō)流速跟壓力是同步變化的，所以流速的曲線與壓力的曲線形態(tài)上相似，無(wú)相位差。粘性阻力這點(diǎn)物理性質(zhì)跟電阻類似，它是能量的消耗部件。由于外加壓力信號(hào)可以是各種

8、各樣的，其流速改變的曲線也是各種各樣的，如果用常規(guī)時(shí)間域（橫坐標(biāo)是時(shí)間）的表示方法我們就得需要用許許多多不同的壓力與流速曲線來(lái)一一描述，而且要一一列舉出來(lái)簡(jiǎn)直是不可能的。所以我們就需要另一種表示方法，那就是頻域的表示方法。頻域表示法的原理基于：任何一種曲線，不管其形態(tài)上多么復(fù)雜，都可由簡(jiǎn)單的不同頻率的正弦函數(shù)代數(shù)上的疊加。這樣我們用橫坐標(biāo)為頻率，描述每種頻率下系統(tǒng)的反應(yīng)就完全描述了系統(tǒng)的性能。這就是頻域的表示方法。從時(shí)域到頻域，需要頻譜分析技術(shù)FFT（快速付立葉轉(zhuǎn)化）。經(jīng)過(guò)FFT轉(zhuǎn)化后，呼吸阻抗就分成兩部分：實(shí)部R和虛部X，其中實(shí)部表示同相位的成分，虛部表示不同相位的成分（實(shí)際上是指90度相位

9、差的成分）。由于系統(tǒng)完全表現(xiàn)為粘性阻力，流速和壓力完全同相位，所以虛部X=0，實(shí)部R總是存在，而且有一定數(shù)值，其數(shù)值大小就反應(yīng)粘性阻力的情況。二、 彈性阻力的物理性質(zhì)如果呼吸系統(tǒng)完全是由彈性阻力構(gòu)成，那么外加壓力信號(hào)的情況下，其流速的改變總是跟壓力的變化不一致，有90度的相位差，而且是超前的。彈性阻力物理性質(zhì)跟電容相似，它是能量的儲(chǔ)存部件，它本身不消耗能量，只不過(guò)將壓力的變化轉(zhuǎn)化為容積上的改變。同樣由于時(shí)域上描述的困難和不方便，我們采用頻域的表示方法。由于彈性阻力沒(méi)有同相位成分，所以代表呼吸阻抗中同相位成分的實(shí)部R0；同樣由于彈性阻力流速超前，所以代表不同相位的成分的虛部，（如果以壓力信號(hào)的開(kāi)

10、始為時(shí)間的零點(diǎn)，那么負(fù)數(shù)就表示時(shí)間上的超前）而且有頻率依賴性：當(dāng)外加壓力信號(hào)頻率比較低時(shí)，彈性阻力表現(xiàn)地比較充分，虛部負(fù)值比較大；隨著頻率的增加，彈性阻力逐漸變小，最后虛部趨于零。三、 慣性阻力的物理性質(zhì)如果呼吸系統(tǒng)完全是由慣性阻力構(gòu)成，那么外加壓力信號(hào)的情況下，其流速的改變也是跟壓力的變化不一致，跟彈性阻力一樣也有90度的相位差，不過(guò)是滯后的。慣性阻力物理性質(zhì)跟電感相似，它也是能量的儲(chǔ)存部件。經(jīng)過(guò)FFT轉(zhuǎn)化后，在頻譜圖上,慣性阻力的實(shí)部R為零（即無(wú)同相位成分）；由于慣性阻力流速上的滯后，虛部X總是大于零，而且也有頻率依賴性，不過(guò)與彈性阻力相反，當(dāng)外加的壓力信號(hào)頻率比較低時(shí)，慣性阻力很小，幾乎

11、為零，隨著頻率的增加，慣性阻力才逐漸表現(xiàn)出來(lái)，也越來(lái)越大。第四節(jié)、 呼吸阻抗的數(shù)學(xué)表達(dá)下面歸納一下構(gòu)成了呼吸阻抗的三種不同性質(zhì)的呼吸阻力的頻譜分布特點(diǎn)：從上面三張圖中可知，呼吸阻抗中所有的同相位成分實(shí)部R，完全來(lái)自于粘性阻力；不同相位成分虛部X是彈性和慣性阻力的總和；在虛部X中，頻率低時(shí)，主要表現(xiàn)為彈性，隨著頻率的增加，慢慢地慣性就起主要作用了。在數(shù)學(xué)上，呼吸阻抗Zrs是一個(gè)復(fù)數(shù)，用復(fù)頻域上的有向矢量來(lái)描述：圖中，水平軸上的投影就是實(shí)部R，垂直軸上的投影就是虛部X；如果在垂直軸上的投影在水平軸的上方，則在X中，慣性起主要作用，X 0，相位滯后；如果在垂直軸上的投影在水平軸的下方，則在X中，彈性

12、起主要作用，X 可由體描法測(cè)得呼吸阻抗Zrs- 彈性阻力(主要來(lái)自肺和小氣道）-可由食道法測(cè)得 慣性阻力(主要來(lái)自大氣道和胸廓）三種不同阻力的物理性質(zhì)有：在外加壓力信號(hào)的激勵(lì)下，其流速的改變分別為粘性阻力-流速與壓力信號(hào)同步，無(wú)相位差-FFT轉(zhuǎn)換后，R 0 ，X0彈性阻力-流速超前于壓力信號(hào)-FFT轉(zhuǎn)換后，R0，X從負(fù)到零慣性阻力-流速滯后于壓力信號(hào)-FFT轉(zhuǎn)換后，R0，X從零到正IOS正是利用各種阻力物理性質(zhì)的不同，對(duì)呼吸波采用頻譜分析（快速付立葉轉(zhuǎn)化FFT）的技術(shù)，得到了呼吸阻抗以及各種阻力分布的情況。三者的矢量之和等于呼吸阻抗，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Zrs=R + jX = R + j ( -1

13、/c + L) =2f這是個(gè)復(fù)函數(shù)，實(shí)部R表示粘性阻力，虛部X代表彈性和慣性之和。IOS的內(nèi)容IOS檢查報(bào)告的內(nèi)容包括測(cè)試數(shù)據(jù)、頻譜分析圖、阻抗容積圖(Z-V )、結(jié)構(gòu)參數(shù)圖和阻力的容積依賴性和流速依賴性分析（Intrabreath圖）以及阻抗隨潮氣呼吸變化的趨勢(shì)圖（Z-time）。第一節(jié)、 頻譜分析圖頻譜分析圖就是把外加脈沖振蕩信號(hào)的呼吸波進(jìn)行頻譜分析（FFT轉(zhuǎn)換）后得到的曲線圖。該圖橫坐標(biāo)為頻率軸，左邊的縱坐標(biāo)是R（粘性阻力部分），右邊是X（彈性阻力和慣性阻力部分），正常人R應(yīng)在預(yù)計(jì)值（虛線）的左右或下面，X應(yīng)在預(yù)計(jì)值（虛線）的左右或上面（見(jiàn) page 5a）。 曲線R，當(dāng)外加激勵(lì)的頻率低

14、，波長(zhǎng)長(zhǎng)，能量大，同時(shí)被吸收的也少，振蕩波能到達(dá)全肺各部分，所以低頻段能反映總氣道阻力；頻率高，波長(zhǎng)短，能量少，被吸收的又多，振蕩波就不能到達(dá)細(xì)小的支氣管，所以高頻段只能反映中心氣道阻力。一般，我們定義R5為總氣道阻力，R20為中心氣道阻力。（R5-R20）應(yīng)該是周邊氣道的總阻力，從圖中可知，正常人R5和R20很接近，也就是說(shuō)周邊氣道的總阻力很小，這是因?yàn)橹苓厷獾罃?shù)量很多，截面積很大，氣流形態(tài)層流為主（而大氣道是以渦流為主），層流的阻力比渦流小很多，這些原因使得周邊氣道總阻力在正常時(shí)占?xì)獾揽傋枇Φ姆至亢苌?。采用體描法的測(cè)量，我們得到氣道的總阻力Rtot（相當(dāng)于IOS中的R5），而Rtot中90

15、%以上又是反映大氣道的，所以只有當(dāng)Rtot占預(yù)計(jì)值的200%以上時(shí)，才認(rèn)為周邊阻塞了。也就是說(shuō)，體描無(wú)法區(qū)分大小氣道阻力，對(duì)輕度的周邊阻塞也不敏感。在IOS中，中心氣道阻塞者，則R全頻段均勻抬高；周邊氣道阻塞者，低頻段R5明顯抬高，但高頻段變化不大（見(jiàn)圖）。曲線X，低頻時(shí)，X主要表現(xiàn)為彈性，慣性很小，可忽略不計(jì)。所以我們定義X5為周邊彈性阻力。隨著頻率的增加，X從負(fù)到正，即慣性逐步增加，其中過(guò)零點(diǎn)時(shí)，就表示在該頻率點(diǎn)，彈性阻力等于慣性阻力。我們稱之為響應(yīng)頻率（共振點(diǎn)）Fres，F(xiàn)res是支氣管測(cè)試中最為敏感的指標(biāo)，其敏感度是FEV1的兩倍。健康的青年人的響應(yīng)頻率一般不超過(guò)10Hz。我們?cè)诘湫偷?/p>

16、周邊氣道阻塞圖上可知，X實(shí)測(cè)值總是低于預(yù)計(jì)值，X5變得更負(fù)了，同時(shí)Fres移向高端。這是因?yàn)橹苓呑枞?，?huì)使周邊順應(yīng)性變差，彈性阻力加大。所以對(duì)周邊輕度阻塞的病人，R5沒(méi)有顯著變化時(shí)，X5卻變化非常明顯，很好地反映了周邊阻塞。第二節(jié)、IOS主要參數(shù)Zrs: 呼吸總阻抗，正常一般小于0.5 Kpa/l/sR：呼吸阻抗中的粘性阻力部分X：呼吸阻抗中的彈性阻力和慣性阻力之和R5：總氣道阻力，在預(yù)計(jì)值的150%以內(nèi)為正常R20：中心氣道阻力，在預(yù)計(jì)值的150%以內(nèi)為正常X5：周邊彈性阻力，X5 Rpn 阻塞的程度取決于R5中心阻塞結(jié)構(gòu)參數(shù)圖n 圖上 Rc Rpn 阻塞的程度取決于R5典型周邊阻塞結(jié)構(gòu)參數(shù)

17、圖n 圖上 Rp Rcn 阻塞的程度取決于R5第四節(jié)、 阻抗容積圖（Z-V圖）阻抗容積圖實(shí)際上是分析阻抗與容積依賴性的關(guān)系曲線，其橫坐標(biāo)為肺容積，縱坐標(biāo)為呼吸阻抗（這里選用五赫茲時(shí)的呼吸阻抗），正常人在潮氣量呼吸時(shí)，呼吸阻抗都應(yīng)該小于0.5kPa/L/S，而且呼氣阻抗與吸氣阻抗很接近，呼吸阻抗無(wú)容積依賴性。典型的COPD的病人，呼氣阻抗和吸氣阻抗是分離的，形成一團(tuán)，且中間有空 白，表示有氣體陷閉（Airtrapping）存在（見(jiàn)圖）。 如果作一個(gè)慢肺活量檢查的Z-V圖，其阻抗急劇上升的拐點(diǎn)，就是小氣道閉合點(diǎn)，那么該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的容積就是閉合氣量。我們發(fā)現(xiàn)生理狀態(tài)下，小氣道的閉合是與呼氣的流速有關(guān)，這

18、就是以前為什么閉合氣量測(cè)量重復(fù)性差的原因了。第五節(jié)、 IntrabreathIntrabreath是分析阻力的容積依賴性和流速依賴性關(guān)系的，大家知道阻力與功能殘氣位有關(guān)，即有容積依賴性，又與呼吸流速有關(guān)，即有流速依賴性。Intrabreath圖就是反映呼吸生理學(xué)這些實(shí)際情況的。該圖由5，10，15，20Hz分析圖組成，下面我們放大5Hz的阻力?？v坐標(biāo)表示阻力的大小，橫坐標(biāo)表示容積的同時(shí)又表示流速，EO為呼氣末阻力，IO為吸氣末阻力，正常時(shí)EOIO，這是因?yàn)楹魵鈺r(shí)小氣道關(guān)閉，阻力增加，吸氣時(shí)，小氣道打開(kāi)，阻力減少，但正常時(shí)EO和IO數(shù)值很接近，都 450ml./min，女： 350ml/min）；病人嘴角沒(méi)有漏氣，呼吸均勻；l 呼吸平穩(wěn)后才開(kāi)始記錄， 至少記錄三個(gè)呼吸周期，一般建議記錄一分鐘或45秒； Intrabreath分析至少需記錄30秒鐘； 流行病學(xué)研究至少需記錄三個(gè)自主呼吸波l 在病人松開(kāi)塑料口器前停止記錄，質(zhì)