吳仲平，黃銳波，鐘麗萍，鄭勁平，高 怡

（廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，國家呼吸系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，呼吸疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州呼吸健康研究院，廣州 510120）

0 引言

肺量計(jì)是用于記錄在肺活量范圍內(nèi)生理肺容積的醫(yī)療設(shè)備，通過肺量計(jì)檢測(cè)人體最大呼氣容積是評(píng)價(jià)肺功能的可靠方法。隨著科技的發(fā)展，肺量計(jì)從過去的容量型肺量計(jì)發(fā)展到現(xiàn)代的流量型肺量計(jì)[1-4]，從臺(tái)式儀器發(fā)展到便攜式肺量計(jì)，品牌也多達(dá)十幾種，其中壓差式和超聲式是應(yīng)用最為廣泛的2種類型，但不同類型的儀器性能是否一致且性能是否達(dá)標(biāo)仍有待驗(yàn)證。

目前，國內(nèi)外肺量計(jì)的發(fā)展越來越重視質(zhì)量控制，儀器的質(zhì)控更是肺功能檢查的生命線[5]。國內(nèi)對(duì)肺量計(jì)準(zhǔn)確性的檢測(cè)和校準(zhǔn)大多數(shù)是通過儀器開機(jī)自檢和使用標(biāo)準(zhǔn)的定標(biāo)筒進(jìn)行，這些檢測(cè)方法操作簡單、方便，但只能檢測(cè)單一容積指標(biāo)且無法精確控制流量，無法對(duì)第1秒用力呼氣肺活量（forced expired volume in one second，F(xiàn)EV1）及其他指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用較為局限。2009年國際標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布了ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)[6]，其制定了13條不同的標(biāo)準(zhǔn)呼氣曲線，對(duì)應(yīng)不同的FEV1、第6秒用力呼氣肺活量（forced expired volume in six seconds，F(xiàn)EV6）、用力肺活量（forced vital capacity，F(xiàn)VC）等指標(biāo)，可通過模擬器產(chǎn)生相應(yīng)的氣源信號(hào)對(duì)肺量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，將肺量計(jì)多項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試值與模擬器實(shí)際值進(jìn)行比較，從而分析肺量計(jì)的性能。本研究擬通過使用標(biāo)準(zhǔn)模擬器進(jìn)行檢測(cè)，探究我國常用壓差式和超聲式便攜式肺量計(jì)的性能。

1 材料和方法

1.1 研究設(shè)備

研究設(shè)備是10臺(tái)國內(nèi)臨床上正在使用的便攜式或手持式流量型肺量計(jì)，其中超聲式3臺(tái)，分別為Easy on-PC便攜式肺功能儀（瑞士NDD）、曉酷肺功能儀（重慶安酷）、PowerCube肺功能儀（德國康訊）；壓差式7臺(tái)，分別為PC-10肺功能檢測(cè)儀（日本杰斯特）、HCY-02便攜式肺功能儀（上海朔茂）、X1便攜式肺功能檢測(cè)儀（廈門賽克）、MasterScope肺功能儀（德國耶格）、PF680手持式肺功能儀（浙江優(yōu)呼吸）、LA104醫(yī)用肺功能儀（深圳美好創(chuàng)億）、A1智能手持肺功能儀（廣州呼吸家）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

選用1120型標(biāo)準(zhǔn)流量/容積模擬器（美國Hans Rudolph）。模擬器相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氣源，可以精準(zhǔn)地模擬人體呼吸器官“肺”的基本運(yùn)動(dòng)模式。

1.3 測(cè)試波形

ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)定義的波形源自以時(shí)間函數(shù)為容積的指數(shù)曲線，總?cè)莘e值——肺活量（vitalcapacity，VC）為1.0～8.0 L，指數(shù)時(shí)間常數(shù)τ為0.5～2.5 s。依據(jù)在用力呼氣期間產(chǎn)生的波形源自肺收縮引起的容積變化，以及來自喉部和氣道潛在的噪聲信號(hào)，通過使用不同的容積指數(shù)以及不同開始和終止特性的時(shí)間指數(shù)來定義測(cè)試曲線，定義的測(cè)試曲線被認(rèn)為已覆蓋所有患者人群，其中C1~C13表示用于限時(shí)容積測(cè)量定義的曲線。

1.4 測(cè)試流程

檢測(cè)前，對(duì)肺量計(jì)和模擬器均提前預(yù)熱15~20 min，之后進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的校準(zhǔn)，然后使用3 L標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)筒進(jìn)行容量校準(zhǔn)和線性驗(yàn)證。在正常環(huán)境溫度、壓力和相對(duì)濕度范圍內(nèi)，使用剛性滑膛連接器將待檢的肺量計(jì)與模擬器氣流源連接起來，保證其密閉性。使用模擬器在環(huán)境空氣條件下輸出定義的測(cè)試曲線C1～C11到肺量計(jì)中，并分別用10臺(tái)肺量計(jì)測(cè)量FEV1、FEV6和FVC，每個(gè)曲線測(cè)量3次。分別記錄連接和未連接肺量計(jì)（包括其附件和附帶的可拆卸部件）的情況下每個(gè)曲線的壓力，并測(cè)量容積輸出達(dá)到1.0 L時(shí)的峰值阻抗。再以定義的測(cè)試曲線C12和C13，輸出溫度為（34±2）℃、相對(duì)濕度＞90%的氣體到肺量計(jì)中，測(cè)量FEV1、FEV6和FVC，每個(gè)曲線測(cè)量3次。便攜式肺量計(jì)檢測(cè)流程與技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 便攜式肺量計(jì)檢測(cè)流程與技術(shù)路線

1.5 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.5.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）準(zhǔn)確度（Verr）：是指使用模擬器進(jìn)行肺量計(jì)檢測(cè)時(shí)，多次測(cè)量的平均值與模擬器標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異，其計(jì)算公式如下：

式中，Vi表示測(cè)量的容積；Vref表示模擬器輸出定義的測(cè)試曲線的參考值。

（2）重復(fù)度（Vspan）：是指在同一模擬器曲線信號(hào)下，多次測(cè)量值之間的差異，其計(jì)算公式如下：

式中，Vmax表示最大測(cè)量值；Vmin表示最小測(cè)量值。

（3）線性度（εn）：在肺量計(jì)的整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)通過計(jì)算得出平均誤差（Verr）后，以0.4~0.6 L為步進(jìn)，對(duì)每種指定定義的測(cè)試曲線的容積測(cè)量線性變化關(guān)系，其計(jì)算公式如下：

式中，Verrn表示使用公式（1）計(jì)算的第n個(gè)定義的測(cè)試曲線的平均誤差；n表示定義的測(cè)試曲線編號(hào)（1~13）；Vrefn表示從定義波形中得到的第n個(gè)定義的測(cè)試曲線的參考值。

（4）氣流阻抗（Zs）：即對(duì)于每組定義的測(cè)試曲線，當(dāng)輸出氣體容積為1 L時(shí)，記錄輸出時(shí)峰值壓力（kPa）和達(dá)到峰值壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，得出以kPa/（L·s-1）為單位的阻抗，其計(jì)算公式如下：

式中，ZT表示總的氣流阻抗；ZA表示由儀器設(shè)備（測(cè)試時(shí)無肺量計(jì)）產(chǎn)生的氣流阻抗。

1.5.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）準(zhǔn)確度：在測(cè)量范圍內(nèi)，肺量計(jì)容積讀數(shù)的最大允許誤差應(yīng)為讀數(shù)±0.05 L或者相對(duì)誤差±3%（兩者取大值），且要求標(biāo)準(zhǔn)波形產(chǎn)生所有指標(biāo)的平均誤差超過上述標(biāo)準(zhǔn)的例數(shù)控制在3個(gè)以內(nèi)。

（2）重復(fù)度：肺量計(jì)在C1~C11曲線下測(cè)得的33個(gè)容積指標(biāo)測(cè)試值的重復(fù)度均不能超過測(cè)試值±3%或者±0.05 L（兩者取大值）。

（3）線性度：肺量計(jì)所有測(cè)試指標(biāo)中有15個(gè)以上的線性度計(jì)算值不超過3%。

（4）氣流阻抗：肺量計(jì)（包括其附件和可拆卸部件）的氣流阻抗不能超過0.15 kPa/（L·s-1）。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料用±s描述，2種類型肺量計(jì)測(cè)量值之間的比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用GraphPad Prism軟件的Bland-Altman圖評(píng)價(jià)2種類型肺量計(jì)測(cè)量值與模擬器輸出的標(biāo)準(zhǔn)值之間的一致性，若95%的點(diǎn)處于一致性范圍內(nèi)和臨床可接受誤差范圍內(nèi)（±3%相對(duì)誤差），則說明儀器測(cè)量的一致性較好，反之則一致較性差。

2 結(jié)果

2.1 2種不同類型肺量計(jì)檢測(cè)性能分析

本研究通過模擬器輸出定義的13條曲線分別對(duì)10臺(tái)肺量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，在C6曲線測(cè)試時(shí)超聲式和壓差式肺量計(jì)各有1臺(tái)無流量容積信號(hào)，C8曲線測(cè)試時(shí)1臺(tái)超聲式和2臺(tái)壓差式肺量計(jì)無流量容積信號(hào)，測(cè)試數(shù)據(jù)缺失，最終共獲得381組測(cè)量數(shù)據(jù)。將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確度、重復(fù)度、線性度、氣流阻抗等指標(biāo)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲式和壓差式肺量計(jì)除FEV1在C4曲線和FEV6在C12曲線中差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其余均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。2種不同類型肺量計(jì)檢測(cè)指標(biāo)FEV1、FEV6及FVC的性能評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表1～4。超聲式肺量計(jì)的準(zhǔn)確度、重復(fù)度、線性度、氣流阻抗與ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)的符合率分別為33.33%（1/3）、100%（3/3）、100%（3/3）、100%（3/3），壓差式肺量計(jì)的準(zhǔn)確度、重復(fù)度、線性度、氣流阻抗與ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)的符合率分別為57.14%（4/7）、100%（7/7）、57.14%（4/7）、57.14%（4/7），30.0%（3/10）的肺量計(jì)指標(biāo)全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其余肺量計(jì)均部分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，其中1臺(tái)超聲式肺量計(jì)雖然準(zhǔn)確度、重復(fù)度、線性度、氣流阻抗均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但不能測(cè)量C6、C8曲線，因此未能完全符合ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)要求。2種不同類型肺量計(jì)符合ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)要求的分析結(jié)果詳見表5。

表1 不同測(cè)試曲線下2種不同類型肺量計(jì)FEV1性能評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 2種不同類型肺量計(jì)符合ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)要求的情況

表2 不同測(cè)試曲線下2種不同類型肺量計(jì)FEV6性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 2種不同類型肺量計(jì)的測(cè)量值一致性分析

所有儀器FEV1、FEV6、FVC的測(cè)量值與模擬器標(biāo)準(zhǔn)值比較結(jié)果如圖2所示，在一致性范圍內(nèi)的點(diǎn)占比分別為92.6%（350/378）、92.3%（349/378）、91.0%（344/378），在臨床可接受范圍誤差內(nèi)的點(diǎn)占比分別為81.7%（309/378）、79.9%（302/378）、76.5%（289/378）。其中超聲式肺量計(jì)FEV1、FEV6、FVC的測(cè)量值在一致性范圍內(nèi)的點(diǎn)占比分別為99.1%（110/111）、99.1%（110/111）、96.4%（107/111），在臨床可接受范圍內(nèi)的點(diǎn)占比分別為84.7%（94/111）、79.3%（88/111）、76.6%（85/111）。壓差式肺量計(jì)FEV1、FEV6、FVC的測(cè)量值在一致性范圍內(nèi)的點(diǎn)占比分別為89.9%（240/267）、89.5%（239/267）、88.8%（237/267），在臨床可接受范圍內(nèi)的點(diǎn)占比分別為80.5%（215/267）、80.1%（214/267）、76.4%（204/267）。

圖2 2種不同類型肺量計(jì)FEV1、FEV6、FVC測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的Bland-Altman圖

3 討論

目前，國內(nèi)所有臨床使用的肺功能儀的質(zhì)量評(píng)價(jià)均是通過生物人或者患者驗(yàn)證2種不同肺量計(jì)的檢測(cè)值來進(jìn)行分析[7-8]，這種方法往往是將其中某一品牌的肺量計(jì)檢測(cè)值作為金標(biāo)準(zhǔn)，再通過另一肺量計(jì)檢測(cè)值來與其進(jìn)行比較。此方法因?qū)⑷梭w作為參照物，受人體主觀影響，呼氣數(shù)值變異較大，導(dǎo)致評(píng)估可靠性不足。本研究采用國際標(biāo)準(zhǔn)的模擬器來進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)照，通過計(jì)算機(jī)控制軟件精確控制驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)模擬氣筒中的活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓出模擬氣筒中的空氣或者把空氣吸入模擬氣筒，為肺量計(jì)檢測(cè)提供可以精確控制體積的氣體，能模擬肺量計(jì)測(cè)量時(shí)不同的呼吸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種呼吸波形輸出。因此，模擬器可作為肺量計(jì)質(zhì)量驗(yàn)證的參照物來檢驗(yàn)不同儀器之間的準(zhǔn)確度、重復(fù)度、線性度及氣流阻抗，其評(píng)估結(jié)果更客觀、可靠、全面。

在國外，Nelson等[9]、Jensen等[10]、Schermer等[11]均采用模擬器對(duì)不同地區(qū)常用的肺量計(jì)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和性能分析，發(fā)現(xiàn)不同品牌的便攜式肺量計(jì)的準(zhǔn)確度和重復(fù)度也存在偏差。他們使用美國胸科協(xié)會(huì)（American Thoracic Society，ATS）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)24條容積時(shí)間曲線[12]對(duì)肺量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，其中前4條是使用數(shù)學(xué)公式模擬呼氣動(dòng)作生成的曲線，其余20條曲線都是取自真實(shí)受試者的呼氣曲線，包括正常和各種異常的呼氣曲線[13]。但Lefebvre等[14]認(rèn)為在ATS規(guī)定的24條曲線中會(huì)有很多冗余重復(fù)出現(xiàn)的類似曲線，以及被漏掉的在陡峭上升時(shí)間或低呼氣流量要求時(shí)的曲線，而且ATS規(guī)定的24條曲線只能進(jìn)行準(zhǔn)確度和重復(fù)度的測(cè)試，僅作為儀器的誤差上限，不能作為儀器的通過標(biāo)準(zhǔn)[15]。在我國，國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JJF 1213—2008《肺功能儀校準(zhǔn)規(guī)范》[16]也要求定期對(duì)肺量計(jì)進(jìn)行質(zhì)檢。然而，這是我國第一版肺功能儀行業(yè)校正標(biāo)準(zhǔn)，其檢測(cè)指標(biāo)及方法均較為簡單，與國際標(biāo)準(zhǔn)差異較大，在我國肺功能儀器的開發(fā)及質(zhì)控研究中應(yīng)用不多。本研究采用ISO 26782：2009標(biāo)準(zhǔn)中新定義的13條曲線（C1~C13曲線），這些曲線使用不同的時(shí)間常數(shù)和容積，以及不同開始和終止特性的指數(shù)來定義，其近似人類呼氣容積-時(shí)間波形的主要特性。其中C13曲線被認(rèn)為是可覆蓋所有患者人群，且在患者中具有代表性而定義的測(cè)試曲線。在確定肺量計(jì)準(zhǔn)確度時(shí)，使用這些定義的測(cè)試曲線的平臺(tái)試驗(yàn)被認(rèn)為比患者試驗(yàn)更有效。

表3 不同測(cè)試曲線下2種不同類型肺量計(jì)FVC性能評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 2種不同類型肺量計(jì)氣流阻抗性能評(píng)價(jià)結(jié)果單位：kPa（/L·s-1）

肺功能儀器的臨床應(yīng)用越來越廣泛，在多中心研究等方面的科研需求也日益增多[17]。為了保證臨床檢查及科研數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，肺功能儀器的技術(shù)狀態(tài)及質(zhì)控顯得更為突出與重要。本研究在進(jìn)行模擬器質(zhì)量檢測(cè)性能分析后發(fā)現(xiàn)，只有50%（5/10）的肺量計(jì)符合準(zhǔn)確度測(cè)試要求，其中1臺(tái)為超聲式，4臺(tái)為壓差式，符合率分別為33.33%（1/3）、57.14%（4/7）。所有肺量計(jì)的重復(fù)度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，證明肺量計(jì)自身的儀器誤差均在臨床可接受范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較好。在線性度和氣流阻抗方面，有2臺(tái)壓差式肺量計(jì)均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而3臺(tái)超聲式肺量計(jì)全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。超聲式肺量計(jì)是近年來出現(xiàn)的新型流量型肺量計(jì)，具有靈敏度高、重復(fù)性好、阻力低等特點(diǎn)。目前國內(nèi)超聲式肺量計(jì)品種較少，而且本研究發(fā)現(xiàn)超聲式肺量計(jì)在準(zhǔn)確度方面還有待進(jìn)一步提升。壓差式肺量計(jì)是最早出現(xiàn)的流量型肺量計(jì)，國內(nèi)多數(shù)肺量計(jì)均屬于壓差式肺量計(jì)，其準(zhǔn)確度相對(duì)較高、穩(wěn)定性較好、不易受干擾，但因?yàn)槠鋫鞲衅鲀啥诵枰a(chǎn)生一定的壓力差，容易對(duì)肺量計(jì)的線性度和氣流阻抗產(chǎn)生一定的影響。本研究發(fā)現(xiàn)部分壓差式肺量計(jì)在準(zhǔn)確度、線性度和氣流阻抗方面的性能還有待提升。均有超聲式和壓差式肺量計(jì)在曲線C6、C8中無法檢測(cè)到數(shù)據(jù)，考慮可能因這2條曲線的指數(shù)容積（單一指數(shù)的容積）低至0.5 L，甚至FEV1只有0.26 L，如此低的流量和容積通過傳感器時(shí)，某些肺量計(jì)傳感器自動(dòng)進(jìn)行呼氣曲線模擬和調(diào)整，把低容積、低流量曲線默認(rèn)成潮氣呼吸曲線，從而屏蔽該次呼氣容積，故而無數(shù)據(jù)顯示。無數(shù)據(jù)顯示的肺量計(jì)廠家應(yīng)重新調(diào)整儀器算法和更新設(shè)備硬件，以達(dá)到不同流速和容積的曲線均能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。本研究還發(fā)現(xiàn)，所有品牌肺量計(jì)的一致性范圍和臨床可接受范圍均尚可，但在進(jìn)行2種類型肺量計(jì)的一致性比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，超聲式肺量計(jì)的一致性范圍優(yōu)于壓差式肺量計(jì)，而2種類型肺量計(jì)的臨床可接受范圍接近。

本研究的不足之處在于對(duì)每種品牌型號(hào)的肺量計(jì)只測(cè)試了1臺(tái)儀器，沒有對(duì)同一品牌型號(hào)、同一批次的多臺(tái)儀器之間或不同批次的儀器之間進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，且未進(jìn)行長時(shí)間重復(fù)測(cè)試，無法評(píng)估儀器因長時(shí)間使用而產(chǎn)生的損耗和變異度。因此，本研究的結(jié)果不能作為臨床選擇肺量計(jì)的唯一參考。

本研究通過實(shí)踐證實(shí)，我國臨床上使用的便攜式肺量計(jì)的準(zhǔn)確度存在一定偏差，但2種類型肺量計(jì)測(cè)量值的重復(fù)度和一致性范圍均符合要求，說明超聲式和壓差式肺量計(jì)的質(zhì)量性能和臨床測(cè)量價(jià)值差異不大。我國應(yīng)加強(qiáng)肺功能設(shè)備的質(zhì)控管理，及時(shí)更新肺功能設(shè)備的質(zhì)檢規(guī)范，建議肺量計(jì)生產(chǎn)廠家采用模擬器進(jìn)行出廠前儀器質(zhì)檢，醫(yī)療機(jī)構(gòu)也對(duì)肺功能設(shè)備定期采用模擬器進(jìn)行質(zhì)檢，以確保肺功能設(shè)備計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。