賁鴻偉,車波,周婷,劉磊,鄧林紅△

(1.常州大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與健康科學(xué)研究院,常州 213164;2.常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,常州 213164)

1 引 言

強(qiáng)迫振蕩技術(shù)(forced oscillation technique，F(xiàn)OT)作為氣道疾病(如慢性阻塞性肺疾病)評(píng)估中重要的檢測(cè)方法，具有快速、非侵入性及對(duì)患者配合要求少等特點(diǎn)[1-3]。自1956年首次引入氣道阻力的測(cè)定以來，經(jīng)過近60年的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于臨床肺功能檢查[4-8]。但如何提高和評(píng)估FOT測(cè)量系統(tǒng)的辨識(shí)精度，一直是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

FOT技術(shù)振蕩源的改進(jìn)對(duì)于拓展FOT系統(tǒng)的測(cè)量范圍和辨識(shí)精度具有決定性的意義。近年來，王華[9]、張楠等[10]、劉曉莉等[11]均設(shè)計(jì)研究了基于揚(yáng)聲器振蕩源的FOT測(cè)量系統(tǒng)。其中，張楠等設(shè)計(jì)的FOT可產(chǎn)生4～40 Hz的單頻或復(fù)頻振蕩信號(hào)，但基于揚(yáng)聲器振蕩源的系統(tǒng)體積較大，且控制精度較低。周垂柳[12]、Cao等[13]分別研發(fā)了基于揚(yáng)聲器振蕩源的便攜FOT儀。其中，Cao等利用超聲流量傳感器提高了呼吸信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確率(誤差小于10%)，但控制精度有限，且未討論系統(tǒng)辨識(shí)精度。Olarte等[14]采用了風(fēng)扇組作為振蕩源，通過復(fù)雜的信號(hào)控制技術(shù)，可產(chǎn)生穩(wěn)定的低頻(0.05～2 Hz)激勵(lì)信號(hào)，但該FOT裝置可產(chǎn)生的激勵(lì)頻帶較窄，適用于研究低頻激勵(lì)下的氣道阻抗測(cè)量，對(duì)于當(dāng)前臨床廣泛采用的5 Hz激勵(lì)信號(hào)沒有涉及。此外，在實(shí)際測(cè)量中，氣道阻抗的時(shí)間變異性對(duì)FOT測(cè)量系統(tǒng)辨識(shí)精度的評(píng)估帶來較大難度。僅見Soares等[15]利用3D打印的氣道模型對(duì)比了FOT和脈沖振蕩測(cè)量(impulse oscillomety，IOS)結(jié)果的差異性，但未進(jìn)一步研究氣道堵塞部位與阻抗的關(guān)系。

本研究采用音圈電機(jī)振蕩源的阻抗測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)3D打印的氣道模型測(cè)試，來評(píng)估該系統(tǒng)對(duì)堵塞孔徑的辨識(shí)精度，并統(tǒng)計(jì)分析了阻抗與堵塞端口數(shù)量的分布關(guān)系。最后，總結(jié)出該系統(tǒng)在氣道阻抗中的辨識(shí)精度及其在阻塞程度估計(jì)上的應(yīng)用。

2 阻抗測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)試方案設(shè)計(jì)

2.1 音圈電機(jī)振蕩源及阻抗測(cè)量系統(tǒng)

本研究在實(shí)驗(yàn)室原有裝置的基礎(chǔ)上，構(gòu)建并完善了基于音圈電機(jī)為振蕩源的FOT氣道阻抗測(cè)量系統(tǒng)[16]，見圖1。該系統(tǒng)主要由激勵(lì)源模塊、傳感器模塊和上位機(jī)處理模塊構(gòu)成。振蕩源模塊中，與傳統(tǒng)采用的揚(yáng)聲器相比，實(shí)驗(yàn)室的直線音圈電機(jī)振蕩源便攜可移動(dòng)、集成化高，采用光柵尺位移傳感器可控制較高的精度(1 μm)，可產(chǎn)生頻率(1～10 Hz)、壓力(2.5～10 cmH2O)和流量(7.5 L/min)的激勵(lì)信號(hào)。

傳感器模塊中，壓力傳感器采用硅微結(jié)構(gòu)壓差式傳感器SM5852-001-D-3-L(美國(guó)SMI公司)，量程為0～10.55 cmH2O，輸出經(jīng)放大、校準(zhǔn)后的模擬電壓(0.5～4.5 V)。流量傳感器采用呼吸機(jī)專用的雙向氣體流量傳感器FS6022B(美國(guó)矽翔公司)，其流量量程為0～±150 SLPM，輸出模擬電壓(0～5 V)。壓力和流量傳感器具有良好的線性度，非線性誤差均小于2%。借助NI USB-6211數(shù)據(jù)采集卡可快速實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣(1 kHz采樣率)和高精度采樣(16位ADC)。

上位機(jī)處理模塊中，本研究搭建的基于Labview的上位機(jī)界面，主要實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的頻率、信號(hào)幅度、采樣頻率等控制。在上位機(jī)Labview中，通過Matlab script節(jié)點(diǎn)對(duì)所測(cè)得的壓力和流量信號(hào)進(jìn)行濾波，并且計(jì)算Rrs和Xrs的頻譜分布。

圖1 FOT工作原理圖及實(shí)拍圖

呼吸總阻抗Zrs的計(jì)算是基于R-E-I呼吸力學(xué)模型，計(jì)算Fourier域上壓力和流量的比值，其實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)呼吸阻力Rrs(粘性阻力R)及呼吸電抗Xrs(彈性阻力E和慣性阻力I的疊加)：

=Rrs+jXrs

(1)

2.2 模擬氣道的測(cè)試方案

考慮到實(shí)際測(cè)量中氣道阻抗的時(shí)間變異性以及氣道組織彈性阻力對(duì)結(jié)果精度評(píng)估的影響，本研究采用3D打印氣道模型的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗辨識(shí)精度的量化評(píng)估。為便于分析氣道阻塞面積與阻抗的關(guān)系，設(shè)計(jì)測(cè)試對(duì)象為圓管模擬氣道模型。

見圖2(a)，該氣道模型通過三維軟件SolidWorks設(shè)計(jì)，其壁厚設(shè)置為1 mm,規(guī)定圓管的內(nèi)徑和外徑，1級(jí)氣道外徑為6 mm,內(nèi)徑為5 mm，2級(jí)至7級(jí)氣道的內(nèi)徑外徑依次減0.7 mm，最終在實(shí)驗(yàn)室3D打印機(jī)(MakerBot Replicator 2)上使用PLA材料打印出模型，其打印層厚為100 μm。圖2(b)為本研究所用的打印氣管模型，每一級(jí)的氣道從數(shù)字1開始依次對(duì)末端端口編號(hào)。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，為消除不同位置端口的差異，采用隨機(jī)選取端口編號(hào)的方法進(jìn)行堵塞并測(cè)量阻抗。

圖2 (a).氣道模型分級(jí)示意圖;(b).打印模型

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 氣道模型的阻抗測(cè)量及阻抗分布

為測(cè)試本系統(tǒng)對(duì)氣道模型不同堵塞的阻抗響應(yīng)，圖3(a)展示了氣道4級(jí)模型在25%～75%梯度堵塞程度的阻抗差異，與對(duì)照組(0%)相比，25%、50%和75%的實(shí)驗(yàn)組均具有顯著性差異。同時(shí)，為探究堵塞不同端口編號(hào)組合對(duì)阻抗值的影響，圖3(b)統(tǒng)計(jì)了非均勻采樣下，編號(hào)隨機(jī)組合的阻抗值。在25%和50%的堵塞程度下，不同組合的阻抗值無顯著性差異。該結(jié)果說明，同一級(jí)氣道中不同位置端口的阻抗差異較小，不影響實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖3(c)展示了對(duì)8個(gè)端口隨機(jī)采樣后測(cè)量的阻抗回歸分析結(jié)果，其多項(xiàng)式擬合曲線：

y=0.038+0.056x+0.011x2

(2)

其中，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.994。

圖3 氣道4級(jí)模型的阻抗測(cè)試

為進(jìn)一步探究阻抗與端口堵塞數(shù)量的關(guān)系，圖4(a)為5級(jí)氣道模型阻抗的二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果，其回歸方程為式(3)，擬合優(yōu)度為0.923?？紤]到高次多項(xiàng)式擬合的過擬合問題以及在堵塞程度較高時(shí)的阻抗飽和，圖4(b)采用了logistics模型回歸，回歸方程為式(4)，擬合優(yōu)度為0.997，其擬合效果較多項(xiàng)式擬合結(jié)果更優(yōu)。圖4(c)和圖4(d)分別展示了6級(jí)、7級(jí)氣道模型阻抗的回歸分析結(jié)果。擬合結(jié)果表明，氣道阻抗與堵塞端口數(shù)量近似呈logistics曲線的指數(shù)分布關(guān)系，其阻抗在堵塞程度較大時(shí)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

y=0.018+0.017x+0.003x2

(3)

(4)

圖4 不同分級(jí)氣道模型阻抗的回歸分析

3.2 阻抗測(cè)量系統(tǒng)的辨識(shí)精度分析

由于不同分級(jí)氣道的阻抗與堵塞端口數(shù)量的近似指數(shù)關(guān)系，即在堵塞數(shù)量較少時(shí)，氣道的阻抗變化平緩，影響分析系統(tǒng)的辨識(shí)精度。為較好地評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的辨識(shí)精度，需考慮選取合適的堵塞區(qū)間和氣道分級(jí)。

實(shí)驗(yàn)中選取了氣道阻抗變化較明顯的堵塞程度范圍，即該分級(jí)細(xì)支氣管端口總數(shù)的25%～75%。為探究不同分級(jí)氣道的阻抗對(duì)端口堵塞的敏感性，選取了孔徑差異較大的1級(jí)與6級(jí)、7級(jí)氣道模型作比較分析。

圖5統(tǒng)計(jì)了1級(jí)與6級(jí)、7級(jí)氣道模型分別在25%、50%和75%總截面積堵塞程度下的阻抗差異。在三種堵塞程度下，1級(jí)氣道的阻抗均高于6級(jí)和7級(jí)氣道阻抗，且在50%和75%總截面積堵塞程度下具有顯著性差異?？紤]到不同分級(jí)的氣道末端數(shù)量差異較大，該結(jié)果在一定程度表明，在本研究氣道模型中，孔徑小且數(shù)量眾多的細(xì)支氣管因其總的通氣截面積較大，對(duì)氣流的總阻力較小，故氣道的總阻抗較小。

圖5 不同截面積氣道的阻抗差異

考慮氣道總面積對(duì)阻抗的影響，圖6統(tǒng)計(jì)了7級(jí)氣道在25%～75%堵塞程度的觀察范圍內(nèi)，通過差分得到增量為1到3個(gè)堵塞端口數(shù)的阻抗差異性。由一階差分得到增量1的阻抗值與增量0的阻抗值無顯著性差異，增量2與增量0的阻抗值開始出現(xiàn)顯著性變化。該結(jié)果表明，本研究的阻抗測(cè)量系統(tǒng)能夠區(qū)分兩個(gè)0.8 cm孔徑截面積堵塞的阻抗變化，具備對(duì)于小氣道(孔徑小于2 cm)阻抗測(cè)量的辨識(shí)精度要求。

圖6 不同截面積增量的阻抗統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

以強(qiáng)迫振蕩技術(shù)為基礎(chǔ)的阻抗測(cè)量方法在臨床肺功能評(píng)估中具有重要意義，但也存在系統(tǒng)辨識(shí)精度低及量化評(píng)估較難等問題。鑒于此，本研究利用基于音圈電機(jī)為振蕩源的阻抗測(cè)量系統(tǒng)，通過測(cè)試不同分級(jí)氣道模型的阻抗，分析了氣道阻抗隨堵塞程度改變的敏感性和分布規(guī)律。阻抗測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠反映兩個(gè)小孔徑(0.8 cm)截面積堵塞引起阻抗的顯著性變化，并且不同分級(jí)的氣道模型阻抗隨堵塞端口的數(shù)量變化大致呈指數(shù)分布。此外，氣道模型的測(cè)試分析結(jié)果表明，相比大氣道，細(xì)支氣道的數(shù)量較多，總橫截面積較大，因而總阻抗較小，并且這種小氣道的阻抗變化在患者的早期氣道病變中不易被發(fā)現(xiàn)。本研究得出的阻抗測(cè)量系統(tǒng)辨識(shí)精度的量化評(píng)估結(jié)果，對(duì)于進(jìn)一步推進(jìn)小氣道阻塞程度及阻塞部位的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。