王 銳，鄧林紅，陳園園，麥克西蒙· 杰弗里

（1．重慶大學生物工程學院，重慶 400044;2．加拿大達爾豪西大學生物醫(yī)學工程學院，哈利法克斯 B3J3H5）

0 引言

呼吸系統(tǒng)疾病有很多種，其中哮喘是一種包含氣道感染和氣道重塑的慢性疾病，并和氣道過分收縮和過易緊縮聯(lián)系在一起。地球上總共有1～1．5億的人口遭受哮喘病的折磨，其中每年約有18萬人因為哮喘病而死亡［1］。因而，找到一種有效的診斷哮喘病的方法，并據(jù)此對疾病進行有效的控制治療顯得非常重要。

目前，最可靠的測定可逆氣道阻塞的方法就是肺活量測定法［2］，一種測量呼入氣體量和呼出后剩余氣體量的測試方法。由于肺活量測定法需要被測試者高度配合，所以，對于嬰幼兒、癱瘓病人、殘疾人和高齡人群實施起來不是很方便。因此，另外一種在測量過程中不需要被測者很費勁、適用于嬰兒、兒童和成年人的方法誕生了，這就是強迫振蕩技術（forced oscillation technique，F(xiàn)OT）。FOT于1956年首次被Dubois A B和他的同事用于呼吸系統(tǒng)力學研究中［3］。FOT提供了一種無創(chuàng)的、僅需被測試者被動合作地獲取肺部力學特性的方法，因而，被越來越多地應用于呼吸障礙的測試中［4］。它已經被成功應用于嬰兒［5］、睡眠中和機械通氣的病人中。

本文展示了一種新的FOT儀器，該儀器由加拿大Dalhousie大學生物醫(yī)學工程系的Maksym G教授開發(fā)。實驗表明:用這種FOT儀器測量的哮喘病人的阻抗明顯高于正常人。因此，這種新型的FOT儀器對于哮喘病的診斷提供了一種很好的手段，對于臨床診斷很有幫助。

1 實驗儀器與方法

1．1 被測試者

經過加拿大Capital Health Research Ethics Board，確認，總共征集了10位被測試者，其中包括5個哮喘病人和5個健康人。哮喘病人組要求病人被醫(yī)生診斷確認有哮喘病1年以上，年齡在16～70歲之間。健康人組同樣是年齡在16～70歲之間，但是要求沒有哮喘病或者其他的呼吸道疾病，并在近期（6個星期）沒有過患過呼吸道感染疾病。有吸煙史（每年的吸煙量大于10包）和孕婦都被排除在外，不適宜參加本實驗。

1．2 實驗儀器

本實驗所用的振蕩肺活量測定儀（oscillation spirometer，OS）是由加拿大 Dalhousie大學生物醫(yī)學工程系的Maksym G教授開發(fā)的一種新的FOT儀器。OS不但可以記錄傳統(tǒng)的肺活量測定法的測量結果，而且可以記錄FOT的測量結果。而且這種技術用自激的活塞取代了傳統(tǒng)大而笨重的揚聲器，因此，OS的體積會大大縮小，更加便攜化，不像傳統(tǒng)的FOT儀器體積大、笨重，而且實施起來不方便［6］。

1．3 實驗原理

這種技術是通過揚聲器產生一個特定頻率和振幅的壓力振蕩，振蕩波施加于受試者的口腔并疊加在呼吸氣流之上，隨氣流進入氣道和肺組織，測量經氣道和肺組織吸收并折射的壓力和流量，計算振蕩壓力和流量傅立葉變換（P（f）和V（f））的商即可獲得呼吸系統(tǒng)的呼吸系統(tǒng)總阻抗（Zrs）。Zrs是一個復數(shù)量，它的實部是呼吸系統(tǒng)阻抗（Rrs）代表了Zrs的同相部分，代表了氣道和肺組織的粘性阻力，是比較常用的反應呼吸道阻抗的參數(shù)之一，它的虛部是呼吸系統(tǒng)電抗（Xrs）。圖1為FOT的簡單示意圖。

圖1 FOT簡單示意圖Fig 1 Diagram of FOT set up

1．4 實驗方法

被測試者通過接口管呼吸到OS儀器，測量過程中要求被測試者坐著平靜地呼吸，并在測量過程中用雙手拖住自己的臉頰。由于漏氣會造成結果的不準確，所以，被測試者還要求在測量過程中用嘴盡量密封地包圍接口管。每次測量將持續(xù)1 min，每個人要被測量5次。哮喘病患者無需在測量之前停藥，也就是說整個測量過程是在患者病情被控制的情況下進行。輸入信號采用6Hz的正弦波。采集到的呼吸信號用256 Hz的頻率進行采樣，整個信號處理的過程在Matlab平臺下進行。后期使用t檢驗來進行統(tǒng)計學分析，來比較正常人和哮喘病人的結果。當p＜0．05時認為有顯著差異。

2 結果

實驗中對每個受試者測量5次，每次測量1 min。圖3為一例哮喘患者的測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含|Zrs|，Rrs和Xrs隨時間變化的曲線。從數(shù)據(jù)中可以看到三者都隨時間的變化而變化，其中，Rrs是最常用的、并且最能體現(xiàn)哮喘病的參數(shù)。Rrs的變化被認為是由呼吸過程中氣道平滑肌的不斷收縮和擴張引起的氣道口徑的變化引起。氣道平滑肌的這種活躍性導致了Rrs的不斷變化，周期內每秒可能不同，每分鐘可能不同，每天不同甚至每個月不同［7］。Rrs反映了Zrs的同相部分，而Xrs代表Zrs的異相部分。這也和實驗結果相吻合，在圖3中可以看出:Rrs的變化趨勢和|Zrs|類似，而Xrs和其相反，當|Zrs|最大時，Rrs也最大，Xrs最小。

圖2 一例哮喘病患者的20 s的數(shù)據(jù)Fig 2 An example of an asthmatic subject’s data for 20 s

FOT在測量不同年齡、性別和高度的兒童與成人的Rrs時在一定頻率下已經顯示出較好的重復性［8］，Rrs的均值在健康兒童、哮喘病兒童和肺部囊性纖維化的兒童中也顯示出良好的重復性。另外，這些測量結果還和能用肺活量測定法的兒童用FEV1的測量結果高度一致［9］。成年人FOT的學習研究指出Rrs的均值可以反映氣道直徑的區(qū)別，因此，可以被用于區(qū)別哮喘、慢性支氣管炎、肺氣腫、肺部囊性纖維化和睡眠窒息的診斷［10］。這里也比較了兩組受試者的Rrs的均值（圖4）。從圖中可以看出:哮喘病人相對于正常人的Rrs較高。為了準確地分析其差異性，把兩組數(shù)據(jù)做了t檢驗。檢驗的結果p=0．017，認為兩組數(shù)據(jù)有顯著性差異。

圖3 OS測量的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 結論

實驗表明:新型的OS儀器測量的哮喘病人的呼吸系統(tǒng)阻抗（Rrs）明顯不同于正常人，從而表明這種新型的儀器能運用到哮喘病人的診斷中，能為臨床診斷提供有效的輔助手段。而且由于這種儀器本身的簡單、易用和便攜的特點必將使它成為強迫振蕩呼吸機的主流產品之一，也為遠程醫(yī)療創(chuàng)造了可能性。

［1］ Sharpe H M，Sin D D，Andrews E M，et al．Alberta strategy to help manage asthma:A provincial initiative to improve outcomes for individuals with asthma［J］．Healthc Q，2004，7:54 －60．

［2］ Larsson M．Valuable methods for lung function measurements:Spirometry at ambulatory centers is excellent for early diagnosis［J］．Lakartidningen，1995，92:4427 －4430，4435．

［3］ Dubois A B，Brody A W．Oscillation mechanics of lungs and chest in man［J］．J Appl Physiol，1956，8:587 －594．

［4］ Oostveen E，MacLeod D．The forced oscillation technique in clinical practice:Methodology，recommendations and future developments［J］．Eur Respir J，2003，22:1026 －1041．

［5］ Delacourt C，Lorino H．Use of the forced oscillation technique to assess airway obstruction and reversibility in children［J］．Am J Respir Crit Care Med，2000，161:730 －736．

［6］ Talebi V．Development of a noval forced oscillation device for pulmonary function measurement［D］．Halifax，Canada:Dalhousie University，2007．

［7］ Miller M R，Crapo R，Hankinson J，et al．General considerations for lung function testing［J］．Eur Respir J，2005，26:153 －161．

［8］ Ducharme F M，Davis G M，Ducharme G R．Pediatric reference values for respiratory resistance measured by forced oscillation［J］．Chest，1998，113:1322 －1328．

［9］ Delacourt C，Lorino H，F(xiàn)uhrman C，et al．Comparison of the forced oscillation technique and the interrupter technique for assessing airway obstruction and its reversibility in children［J］．Am J Respir Crit Care Med，2001，164:965 －972．

［10］ Farre R，Rigau J，Montserrat J M，et al．Evaluation of a simplified oscillation technique for assessing airway obstruction in sleep apnoea［J］．Eur Respir J，2001，17:456 －461．