脉冲震荡检测原理及意义

1、MasterScreen IOS 外观图文档第十四章Impulse Oscillometry for Early Diagnosis of Obstructive Airway Diseases 脉冲振荡肺功能新技术 (IOS) 原理及应用Hans Juang. Smith, J. Vogel, Cloud Shia简介在耶格的新一代产品 MasterScreen 系列中， IOS 因其测 试方便，容丰富，技术先进而倍受瞩目IOS 检查非常简单方便，仅需记录病人的几个自主呼吸 波，即可快速、 精确得到各种呼吸阻力在呼吸系统中的分布特 点，不受病人配合的影响， 有很好的重复性。 整个过程是无创

2、伤性的测量， 病人无痛苦，无禁忌症，适合所有病人，包括老 人、儿童和重症病人。IOS 的报告容非常丰富，完全反映了呼吸生理，与体描 相比， IOS 的阻力测定有很好的特异性， 能区分阻塞发生的部 位（中心或周边），严重程度以及呼吸动力学特征等等，所有 这一切都有助疾病的早期诊断。IOS 还提供了常规肺通气功能测试，包括流速容量环、 慢肺活量和每分最大通气量等等。 总之， IOS 非常适合于临床 和科研工作。发展简史五十年代， Dubois 同时提出了体积描计和强迫振荡的理论构想，体描首先由耶格公司转化为商业化 产品，并制订一整套行业标准，从此体描被公认为“金标准”，而振荡由于当时科学技术的限制

3、，进展非 常缓慢，经历三个发展阶段：第一阶段为单频振荡，代表性的产品为七十年代非常流行的西门子FDS-5，目前中国市场上的卡斯托 Custo 也属于此类产品。由于单频振荡得到的信息非常有限，而且不能区分各种不同性质的呼吸阻力， 所以就发展到第二阶段多频振荡， 如随机振荡和伪随机噪声， 它们都是连续频谱的外加激励信号，能很好 地反映呼吸阻抗，但由于测试过程的漫长（几十分钟以上）无法被广泛接受，直到耶格公司经过十年的艰 辛研究，取得突破性的进展，终于进入第三阶段脉冲振荡，它继承了多频振荡中连续频谱的优点，同时大 大加快了测试的速度，并提供前所未有的丰富的容，包括呼吸生理和呼吸动力学的信息。文档第二

4、节、 阻力的测定方法基本原理第一节、 呼吸阻抗及其分布特点呼吸阻抗 （Impedance ，简称 Zrs），俗称呼吸 阻力，是指呼吸的粘性阻力、弹性阻力和惯性 阻力的总和。粘性阻力 （ Resistance）分布在大、 小气道和 肺组织，但绝大部分来自于气道，也就是临床 上所指的气道阻力，在图中，用红色三角部分 （ Rz、 Rp）来表示；弹性阻力（ Capacitance）主要分布在肺、肺 组织、肺泡和可扩展性的细小支气管，临床上 习惯用顺应性来描述（顺应性Compliance ，她是弹性阻力的倒数） ，在这里用蓝色部分（ Ers） 来表示；惯性阻力（ Inertance ）主要存在于大气道和

5、 胸廓，我们用绿色部分（ Lz ）来表示。呼吸阻力 = 呼吸的压力差 / 呼吸的流速，就 象电路中电阻数值等于电压比电流一样，气管 的阻力等于气管两端的气压差除以该气压所产生的气流流速。所以实际上四种阻力测定方法（阻断法、食道测压法、体描法、强迫振荡法），共同点是要测量压差和流速。流速测量比较容易实现，而压差却比较困难，常规肺功能中阻力测定的三种方法，都采用测量肺泡 压的方法：“阻断法”用阻断后的口腔压代替阻断前的肺泡压；食道测压法”则用食道压代替胸压；“体描法”根据气态方程原理，先阻断呼吸通路，并让受试者继续保持呼吸动作，通过口腔压（代表肺泡压） 和箱压变化计算出胸腔气量， 然后呼吸的压差就

6、由箱压的变化中求得。 所有这些测定中病人是被测试对象 同时又是测定所必不可少的信号源， 这就决定了病人必须很好地配合， 以产生我们要求的测试信号，否则 就一无所获。而 IOS（脉冲强迫振荡的英文缩写）跳出了常规肺功能测量的思路，将信号源与被测试对象 分离，信号源外置，由振荡器产生外加的压力信号，测量呼吸系统对该压力的流速改变，这样就测到了呼 吸阻力，由于信号源不是被测试者自己，所以病人不需配合，只要自主呼吸就可以了。文档图中，左边是常规肺功能检查，信号源是被测试者，呼吸的压差是由自身呼吸而产生的，由于测量 的就是信号源本身的特点（阻），所以就得让信号源（即被测试者）很好地配合以表现出这些特点；

7、右边 为 IOS 检查，她跳出了常规肺功能测量的思路，将信号源外置，排除了病人配合等因素，所以重复性就特 别好。外置的 IOS信号源，一般从口腔给予，加到整个呼吸系统上，所以IOS 所测的阻力就不仅仅是气道的粘性阻力了， 而是整个系统的呼吸阻力， 即严格意义上呼吸阻抗。 呼吸系统是由气道 （包括大、 小气管） 肺组织和胸廓等组成的， 这些部分所反映的呼吸阻力的性质是不同的， 例如气道主要表现粘性和惯性、而 肺组织主要表现为弹性等。第三节、阻力的物理性质 三种不同性质的呼吸阻力，在外加压力信号下，有着不同的表现。一、粘性阻力的物理性质如果呼吸系统完全是由粘性阻力构成，那么外加压力信号的情况下，其

8、流速的改变总是跟压力信号 是同相位的，也就是说流速跟压力是同步变化的，所以流速的曲线与压力的曲线形态上相似，无相位差。 粘性阻力这点物理性质跟电阻类似， 它是能量的消耗部件。 由于外加压力信号可以是各种各样的，其流速 改变的曲线也是各种各样的， 如果用常规时间域 （横坐标是时间）的表示方法我们就得需要用许许多多不 同的压力与流速曲线来一一描述， 而且要一一列举出来简直是不可能的。 所以我们就需要另一种表示方法， 那就是频域的表示方法。频域表示法的原理基于：任何一种曲线，不管其形态上多么复杂，都可由简单的不同频率的正弦函 数代数上的叠加。 这样我们用横坐标为频率， 描述每种频率下系统的反应就完全

9、描述了系统的性能。这就 是频域的表示方法。从时域到频域，需要频谱分析技术FFT（快速付立叶转化）。经过 FFT 转化后，呼吸阻抗就分成两部分：实部R 和虚部 X，其中实部表示同相位的成分，虚部表示不同相位的成分（实际上是指90 度相位差的成分）。由于系统完全表现为粘性阻力，流速和压力完全同相位，所以虚部 X=0 ，实部 R 总是存在，而且有一定数值，其数值大小就反应粘性阻力的情况。二、弹性阻力的物理性质如果呼吸系统完全是由弹性阻力构成，那么外加压力信号的情况下，其流速的改变总是跟压力的变文档化不一致，有 90 度的相位差，而且是超前的。弹性阻力物理性质跟电容相似，它是能量的储存部件，它 本身不

10、消耗能量， 只不过将压力的变化转化为容积上的改变。 同样由于时域上描述的困难和不方便，我们 采用频域的表示方法。由于弹性阻力没有同相位成分， 所以代表呼吸阻抗中同相位成分的实部R 0；同样由于弹性阻力流速超前， 所以代表不同相位的成分的虚部 0，相位滞后；如果在垂 直轴上的投影在水平轴的下方，则在 X 中， 弹性起主要作用， X 可由体描法测得呼吸阻抗 Zrs 弹性阻力 （主要来自肺和小气道） -可由食道法测得惯性阻力 （主要来自大气道和胸廓）三种不同阻力的物理性质有：在外加压力信号的激励下，其流速的改变分别为粘性阻力 流速与压力信号同步，无相位差 -FFT 转换后， R 0 ，X0弹性阻力

11、流速超前于压力信号 -FFT 转换后， R0，X从负到零惯性阻力 流速滞后于压力信号 -FFT 转换后， R0，X从零到正IOS正是利用各种阻力物理性质的不同，对呼吸波采用频谱分析（快速付立叶转化FFT）的技术，得到了文档呼吸阻抗以及各种阻力分布的情况。 三者的矢量之和等于呼吸阻抗，其数学表达式为 Zrs=R + jX = R + j （ -1/c + L） =2f 这是个复函数，实部 R表示粘性阻力，虚部 X 代表弹性和惯性之和。IOS 的容IOS检查报告的容包括测试数据、频谱分析图、阻抗容积图（Z-V ）、结构参数图和阻力的容积依赖性和流速依赖性分析（ Intrabreath 图）以及阻抗

12、随潮气呼吸变化的趋势图（Z-time ）。page 5a）。第一节、 频谱分析图 频谱分析图就是把外加脉冲振荡信号的呼吸波进行频谱分析（ FFT 转换）后得到的曲线图。该图 横坐标为频率轴，左边的纵坐标是 R（粘性阻力部分），右边是 X （弹性阻力和惯性阻力部分），正常 人 R应在预计值（虚线）的左右或下面，X 应在预计值（虚线）的左右或上面（见曲线R，当外加激励的频率低，波长长，能量大，同时被吸收的也少，振荡波能到达全肺各部分，所以 低频段能反映总气道阻力；频率高，波长短，能量少，被吸收的又多，振荡波就不能到达细小的支气 管，所以高频段只能反映中心气道阻力。一般，我们定义R5 为总气道阻力，

13、 R20为中心气道阻力。（ R5-R20）应该是周边气道的总阻力，从图中可知，正常人R5和 R20很接近，也就是说周边气道的总阻力很小，这是因为周边气道数量很多，截面积很大，气流形态层流为主（而大气道是以涡流为主），层 流的阻力比涡流小很多，这些原因使得周边气道总阻力在正常时占气道总阻力的分量很少。采用体描 法的测量，我们得到气道的总阻力 Rtot（相当于 IOS中的 R5），而 Rtot中 90%以上又是反映大气道的， 所以只有当 Rtot占预计值的 200% 以上时，才认为周边阻塞了。也就是说，体描无法区分大小气道阻力， 对轻度的周边阻塞也不敏感。在 IOS 中，中心气道阻塞者，则 R全频

14、段均匀抬高；周边气道阻塞者，低 频段R5明显抬高，但高频段变化不大（见图）。曲线X，低频时， X主要表现为弹性，惯性很小，可忽略不计。所以我们定义X5为周边弹性阻力。随着频率的增加， X 从负到正，即惯性逐步增加，其中过零点时，就表示在该频率点，弹性阻力等于惯 性阻力。我们称之为响应频率（共振点）Fres，Fres是支气管测试中最为敏感的指标，其敏感度是FEV文档1的两倍。健康的青年人的响应频率一般不超过10Hz。我们在典型的周边气道阻塞图上可知，X 实测值总是低于预计值， X5 变得更负了，同时 Fres移向高端。这是因为周边阻塞，会使周边顺应性变差，弹 性阻力加大。所以对周边轻度阻塞的病人

15、，R5没有显著变化时， X5 却变化非常明显，很好地反映了周边阻塞。第二节、 IOS主要参数Zrs: 呼吸总阻抗，正常一般小于 0.5 Kpa/l/sR：呼吸阻抗中的粘性阻力部分X：呼吸阻抗中的弹性阻力和惯性阻力之和R5：总气道阻力，在预计值的 150% 以为正常R20：中心气道阻力，在预计值的 150%以为正常X5：周边弹性阻力， X5 Rp 阻塞的程度取决于 R5中心阻塞结构参数图 图上 Rc Rp 阻塞的程度取决于 R5典型周边阻塞结构参数图 图上 Rp Rc 阻塞的程度取决于 R5第四节、 阻抗容积图（ Z-V 图）阻抗容积图实际上是分析阻抗与容积依赖性 的关系曲线，其横坐标为肺容积，

16、纵坐标为呼吸阻 抗（这里选用五赫兹时的呼吸阻抗），正常人在潮 气量呼吸时， 呼吸阻抗都应该小于 0.5kPa/L/S ，而且 呼气阻抗与吸气阻抗很接近，呼吸阻抗无容积依赖 性。典型的 COPD 的病人，呼气阻抗和吸气阻抗是 分离的，形成一团，且中间有空 白，表示有气体陷 闭（ Airtrapping ）存在（见图）。如果作一个慢肺活量检查的 Z-V 图，其阻抗 急剧上升的拐点，就是小气道闭合点，那么该点 对应的容积就是闭合气量。我们发现生理状态 下，小气道的闭合是与呼气的流速有关，这就是 以前为什么闭合气量测量重复性差的原因了。第五节、 IntrabreathIntrabreath是分析阻力的

17、容积依赖性和流速依赖性关系的，大家知道阻力与功能残气位有关，即 有容积依赖性，又与呼吸流速有关，即有流速依赖性。Intrabreath 图就是反映呼吸生理学这些实际情况的。该图由 5， 10，15，20Hz分析图组成，下面我们放大 5Hz的阻力。文档呼气时阻力因流速而变化的情况，即流速依赖性（纵坐标表示阻力的大小，横坐标表示容积的同 时又表示流速， EO为呼气末阻力， IO为吸气末阻力， 正常时 EOIO ，这是因为呼气时小气道关闭， 阻力增 加，吸气时，小气道打开，阻力减少，但正常时 EO 和IO数值很接近，都 0.5Kpa/L/S 。如果这时横坐标 为容积的话， 那么所形成的蓝色直角三角形

18、的斜边就 放映了容积依赖性 （dR/dV ），其数值在右上角方框， 斜边越倾斜，容积依赖性就越大，表示病人呼吸时， 阻力差异越明显，而正常人容积依赖性不显著。 如果横坐标表示流速， 正值表示吸气相， 负值表示呼 气相，一般我们对呼气相感兴趣，那么 EpF为呼气过程中到达最大流速前正脉冲的平均阻 力， EnF为呼气过程中到达最大流速前负脉冲的平均阻 力， EnL为呼气过程中到达最大流速后负脉冲的平均阻 力，EpL为呼气过程中到达最大流速后正脉冲的平均 阻力从IO 出发依次连接 EpF,EnF,EnL,EpL 的曲线，反映了 dR/dV ），其数值也在右上角方框，第六节、 阻抗的潮气呼吸图 阻抗的

19、潮气呼吸图对临床一般无多大诊断意义，主要用于IOS测量时的质量控制。IOS报告分析IOS的报告分析步骤如下：下面我们具体分析一个典型 COPD （见 page7a 和 page7b ）Spirometry 报告：该病人肺容量正常，无限制性疾病；呼气流速严重限制表明存在严重的阻 塞，至于明确的阻塞部位为中心气道还是周边气道阻塞就不得而知了。IOS 报告：频谱分析图中可知， R线表明这是典型的周边阻塞拌有中心阻塞疾病，X 线上有平台表明存在胸外阻塞；从 IOS数据上可看到总气道阻力异常（占预计的271% ），中心气道阻力异常（占预计的 211%）；同时周边弹性阻力异常（正常为-0.24 Kpa/l

20、/s ）；结构参数中 Rp远大于 Rc，所以这是周边阻塞；同样在结构参数图上也明显表明了周边阻塞；在阻抗容积图 上非常清楚地表明了典型 COPD 的气体陷闭存在。（ H.J. Smith Cloud Shia ）附一、欧洲呼吸协会（ ERS ）推荐的 IOS 测量标准虽然 IOS 测量很简单，只要让病人接上口器，别漏气，加上鼻夹，用手压住腮部，放松，记录自主呼吸一 分钟即可，而且测量的数据排除了病人配合因素的干扰，重复性很好，但为了使测量更加标准化，以便于 全世界的 IOS测量结果都可以互相交流，故 ERS 建议如下：对病人方面的要求：坐位测量，要求检查椅无靠背，这样病人不会斜靠着，要求坐直、坐正就可以了 头保持自然，水平或稍微上仰，这样让气道打开文档一定要夹上鼻夹，避免外加压力信号被旁