脉冲震荡检测原理及意义

1、Impulse Oscillometryfor 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，内容丰富，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 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

2、人。IOS 的报告内容非常丰富，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。开展简史五十年代，Dubois 同时提出了体积描计和强迫振荡的理论设想，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，进展非 常缓慢，经历三个开展阶段：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

3、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， 所以就开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鼓励信号，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内容，包括呼吸生理和呼吸动力学的信息。第十四章MasterScreen IOS 外观图呼吸阻抗Impedance ,简称 Zrs,俗称呼吸 阻

4、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，但绝大局部来自于气道，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，在这里用蓝色局部Ers来表小；惯性阻力Inertance主要存在于大气道和 胸廓，我们用绿色局部Lz来表示。第二节、阻力的测定方法呼吸阻力=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

5、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。电阻阻力测量气香阳力测量流速测量比拟容易实现， 而压差却比拟困难， 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；食道测压法那么用食道内压代替胸内压；“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 压和箱内压变化计算出胸腔气量，然后呼吸的压差就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

6、,否那么就一无所获。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 对象别离，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。根本原理图中，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内阻，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；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

7、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， 这些局部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

8、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响就完全描述了系统的性能。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，呼吸阻抗就分成两局部：实部 R 和虚部 X,其中实部表示同相位

9、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，其数值大小就反响粘性阻力的情况。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阻力R常规肺功能检查振荡肺功能检查化不一致，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

10、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 XVXV 0,0,如果以压力信号的开始为时间的零点，那么负数就表示时间上的超前而且有频率依赖性：当外加压力信号频率比拟低时，弹性阻力表现地比拟充分，虚部 X X 负值比拟大；随着频率的增加，弹性阻力逐渐变小，最后虚部 X X 趋于零。三、惯性阻力的物理性质如果呼吸系统完全是由惯性阻力构成，那么外加压力信号的情况下，其流速的改变也是跟压力的变 化不一致，跟弹性阻力一样也有90 度的相位差，不过是滞后的。惯性阻力物理性质跟电感相似，它也是能量的储存部件。经过 FFT 转化后，在频谱图上，惯性阻力的实部 R 为零即无同相位成

11、分；由于惯性阻力流速上 的滞后，虚部 X 总是大于零，而且也有频率依赖性，不过与弹性阻力相反，当外加的压力信号频率比拟 低时，惯性阻力很小，几乎为零，随着频率的增加，惯性阻力才逐渐表现出来，X X 也越来越大。第四节、呼吸阻抗的数学表达下面归纳一下构成了呼吸阻抗的三种不同性质的呼吸阻力的频谱分布特点：从上面三张图中可知，呼吸阻抗中所有的同相位成分实部R,完全来自于粘性阻力；不同相位成分虚部X是弹性和惯性阻力的总和；在虚部X 中，频率低时，主要表现为弹性，随着频率的增加，慢慢地惯性就起主要作用了。在数学上，呼吸阻抗Z rs 是一个复数，用复频域上的有向矢量来描述：图中，水平轴上的投影就是实部R,

12、垂直轴上的投影就是虚部X;如果在垂直轴上的投影在水平轴的上方，那么在 X 中，惯性起主要作用，X 0,相位滞后；如果在垂 直轴上的投影在水平轴的下方，那么在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：在外加压力信号的鼓励下，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 , X= 0弹性阻力-流速超前于压力信号-FFT 转换后，R= 0, X 从负到零惯性阻力-流速滞后于压力信号-FFT 转换后，R= 0, X 从零到正IOS 正是利用各种阻力物

13、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 -1/3 c + 3 L =2 冗f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的内容IOS 检查报告的内容包括测试数据、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 图以及阻抗随潮气呼吸变化的趋势图Z-time。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

14、边的纵坐标是 R 粘性阻力局部，右边是 X 弹性阻力和惯性阻力局部，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 page 5a 。Impedance堇二R+JXComplex Airway ResistanceEnergy ConsumerReactance(X= J届C询I)/ Inertance/(n-lwF)(C)Parameters :RS TjotaLAirwav供R20Cwti泅梆a、ResisUin供Respiratory impedance consislitig of spectra erfgstanoe R(to) and rcactimc

15、c Xg) R5, RZ。 .X5 and kres are眠most important spectralar&n)eters.a . _cSmith.阳萨J 34-97/ NKim.pmy曲线 R,当外加鼓励的频率低，波长长，能量大，同时被吸收的也少，振荡波能到达全肺各局部，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，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R 钮 R2。艮接近，也就是说周边气道的总阻力很小，这是因为周边气道

16、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，贝 U R 全频段均匀抬高；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X

17、5 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Energy StorageX5丝血膈地1匚叩如3?碓Fres ft路oriHTit F也quenzFig2: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FEV1 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，R5 没有显著变化时，X5 却变化非常

18、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局部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 咐内为正常R20:中心气道阻力，在预计值的150 泅内为正常X5:周边弹性阻力，X5 Rp阻塞的程度取决于 R5Central Resistance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，纵坐标为呼吸阻 抗这里选用五赫兹

19、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 是别离的，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 是分析阻力的容积依赖性和流速依赖性关系的，大家知道阻力与功能残

20、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。volumevbhnii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，小气道翻开，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的斜边就 放映了容积依赖性dR/dV ,其数值在右上角方框 内，斜边越

21、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 dR/dV，其数值也在右上角方框内，第六节、阻抗的潮气呼吸图阻抗的潮气呼吸图对临床一般无多大诊断意义，主要用于IOS告分析IOS 的报告分析步

22、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；呼气流速严重限制说明存在严重的阻 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 线说明这是典型的周边阻塞拌有中心阻塞疾病，X 线上有平台说明存在胸外阻塞；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/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说明了周边阻塞；在阻抗容积图上非常清楚地说明了典型 COPD 的气体陷闭存在。H.J. Smith Cloud Shia 附一、欧洲呼吸协会ERSERS推荐的 IOSIOS 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