第十四章ImpulseOscillometryforEarlyDiagnosisofObstructiveAirwayDiseases脈沖振蕩肺功能新技術(IOS)原理及應用HansJuang、Smith,J、Vogel,CloudShia簡介在耶格得新一代產品MasterScreen系列中,IOS因其測試方便,內容豐富,技術先進而倍受矚目IOS檢查非常簡單方便,僅需記錄病人得幾個自主呼吸波,即可快速、精確得到各種呼吸阻力在呼吸系統中得分布特點,不受病人配合得影響,有很好得重復性。整個過程就是無創傷性得測量,病人無痛苦,無禁忌癥,適合所有病人,包括老人、兒童與重癥病人。IOS得報告內容非常豐富,完全反映了呼吸生理,與體描相比,IOS得阻力測定有很好得特異性,能區分阻塞發生得部位(中心或周邊),嚴重程度以及呼吸動力學特征等等,所有這一切都有助疾病得早期診斷。IOS還提供了常規肺通氣功能測試,包括流速容量環、慢肺活量與每分最大通氣量等等。總之,IOS非常適合于臨床與科研工作。 MasterScreenIOS外觀圖發展簡史五十年代,Dubois同時提出了體積描計與強迫振蕩得理論構想,體描首先由耶格公司轉化為商業化產品,并制訂一整套行業標準,從此體描被公認為“金標準”,而振蕩由于當時科學技術得限制,進展非常緩慢,經歷三個發展階段:第一階段為單頻振蕩,代表性得產品為七十年代非常流行得西門子FDS-5,目前中國市場上得卡斯托Custo也屬于此類產品。由于單頻振蕩得到得信息非常有限,而且不能區分各種不同性質得呼吸阻力,所以就發展到第二階段多頻振蕩,如隨機振蕩與偽隨機噪聲,它們都就是連續頻譜得外加激勵信號,能很好地反映呼吸阻抗,但由于測試過程得漫長(幾十分鐘以上)無法被廣泛接受,直到耶格公司經過十年得艱辛研究,取得突破性得進展,終于進入第三階段脈沖振蕩,它繼承了多頻振蕩中連續頻譜得優點,同時大大加快了測試得速度,并提供前所未有得豐富得內容,包括呼吸生理與呼吸動力學得信息。基本原理第一節、呼吸阻抗及其分布特點呼吸阻抗(Impedance,簡稱Zrs),俗稱呼吸阻力,就是指呼吸得粘性阻力、彈性阻力與慣性阻力得總與。粘性阻力(Resistance)分布在大、小氣道與肺組織,但絕大部分來自于氣道,也就就是臨床上所指得氣道阻力,在圖中,用紅色三角部分(Rz、Rp)來表示;彈性阻力(Capacitance)主要分布在肺、肺組織、肺泡與可擴展性得細小支氣管,臨床上習慣用順應性來描述(順應性pliance,她就是彈性阻力得倒數),在這里用藍色部分(Ers)來表示;慣性阻力(Inertance)主要存在于大氣道與胸廓,我們用綠色部分(Lz)來表示。第二節、阻力得測定方法呼吸阻力=呼吸得壓力差/呼吸得流速,就象電路中電阻數值等于電壓比電流一樣,氣管得阻力等于氣管兩端得氣壓差除以該氣壓所產生得氣流流速。所以實際上四種阻力測定方法(阻斷法、食道測壓法、體描法、強迫振蕩法),共同點就是要測量壓差與流速。流速測量比較容易實現,而壓差卻比較困難,常規肺功能中阻力測定得三種方法,都采用測量肺泡壓得方法:“阻斷法”用阻斷后得口腔壓代替阻斷前得肺泡壓;食道測壓法”則用食道內壓代替胸內壓;“體描法”根據氣態方程原理,先阻斷呼吸通路,并讓受試者繼續保持呼吸動作,通過口腔壓(代表肺泡壓)與箱內壓變化計算出胸腔氣量,然后呼吸得壓差就由箱壓得變化中求得。所有這些測定中病人就是被測試對象同時又就是測定所必不可少得信號源,這就決定了病人必須很好地配合,以產生我們要求得測試信號,否則就一無所獲。而IOS(脈沖強迫振蕩得英文縮寫)跳出了常規肺功能測量得思路,將信號源與被測試對象分離,信號源外置,由振蕩器產生外加得壓力信號,測量呼吸系統對該壓力得流速改變,這樣就測到了呼吸阻力,由于信號源不就是被測試者自己,所以病人不需配合,只要自主呼吸就可以了。圖中,左邊就是常規肺功能檢查,信號源就是被測試者,呼吸得壓差就是由自身呼吸而產生得,由于測量得就就是信號源本身得特點(內阻),所以就得讓信號源(即被測試者)很好地配合以表現出這些特點;右邊為IOS檢查,她跳出了常規肺功能測量得思路,將信號源外置,排除了病人配合等因素,所以重復性就特別好。外置得IOS信號源,一般從口腔給予,加到整個呼吸系統上,所以IOS所測得阻力就不僅僅就是氣道得粘性阻力了,而就是整個系統得呼吸阻力,即嚴格意義上呼吸阻抗。呼吸系統就是由氣道(包括大、小氣管)、肺組織與胸廓等組成得,這些部分所反映得呼吸阻力得性質就是不同得,例如氣道主要表現粘性與慣性、而肺組織主要表現為彈性等。第三節、阻力得物理性質三種不同性質得呼吸阻力,在外加壓力信號下,有著不同得表現。一、粘性阻力得物理性質如果呼吸系統完全就是由粘性阻力構成,那么外加壓力信號得情況下,其流速得改變總就是跟壓力信號就是同相位得,也就就是說流速跟壓力就是同步變化得,所以流速得曲線與壓力得曲線形態上相似,無相位差。粘性阻力這點物理性質跟電阻類似,它就是能量得消耗部件。由于外加壓力信號可以就是各種各樣得,其流速改變得曲線也就是各種各樣得,如果用常規時間域(橫坐標就是時間)得表示方法我們就得需要用許許多多不同得壓力與流速曲線來一一描述,而且要一一列舉出來簡直就是不可能得。所以我們就需要另一種表示方法,那就就是頻域得表示方法。頻域表示法得原理基于:任何一種曲線,不管其形態上多么復雜,都可由簡單得不同頻率得正弦函數代數上得疊加。這樣我們用橫坐標為頻率,描述每種頻率下系統得反應就完全描述了系統得性能。這就就是頻域得表示方法。從時域到頻域,需要頻譜分析技術──FFT(快速付立葉轉化)。經過FFT轉化后,呼吸阻抗就分成兩部分:實部R與虛部X,其中實部表示同相位得成分,虛部表示不同相位得成分(實際上就是指90度相位差得成分)。由于系統完全表現為粘性阻力,流速與壓力完全同相位,所以虛部X=0,實部R總就是存在,而且有一定數值,其數值大小就反應粘性阻力得情況。二、彈性阻力得物理性質如果呼吸系統完全就是由彈性阻力構成,那么外加壓力信號得情況下,其流速得改變總就是跟壓力得變化不一致,有90度得相位差,而且就是超前得。彈性阻力物理性質跟電容相似,它就是能量得儲存部件,它本身不消耗能量,只不過將壓力得變化轉化為容積上得改變。同樣由于時域上描述得困難與不方便,我們采用頻域得表示方法。由于彈性阻力沒有同相位成分,所以代表呼吸阻抗中同相位成分得實部R＝0;同樣由于彈性阻力流速超前,所以代表不同相位得成分得虛部Ｘ＜０,(如果以壓力信號得開始為時間得零點,那么負數就表示時間上得超前)而且有頻率依賴性:當外加壓力信號頻率比較低時,彈性阻力表現地比較充分,虛部Ｘ負值比較大;隨著頻率得增加,彈性阻力逐漸變小,最后虛部Ｘ趨于零。三、慣性阻力得物理性質如果呼吸系統完全就是由慣性阻力構成,那么外加壓力信號得情況下,其流速得改變也就是跟壓力得變化不一致,跟彈性阻力一樣也有90度得相位差,不過就是滯后得。慣性阻力物理性質跟電感相似,它也就是能量得儲存部件。經過FFT轉化后,在頻譜圖上,慣性阻力得實部R為零(即無同相位成分);由于慣性阻力流速上得滯后,虛部X總就是大于零,而且也有頻率依賴性,不過與彈性阻力相反,當外加得壓力信號頻率比較低時,慣性阻力很小,幾乎為零,隨著頻率得增加,慣性阻力才逐漸表現出來,Ｘ也越來越大。第四節、呼吸阻抗得數學表達下面歸納一下構成了呼吸阻抗得三種不同性質得呼吸阻力得頻譜分布特點:從上面三張圖中可知,呼吸阻抗中所有得同相位成分實部R,完全來自于粘性阻力;不同相位成分虛部X就是彈性與慣性阻力得總與;在虛部X中,頻率低時,主要表現為彈性,隨著頻率得增加,慢慢地慣性就起主要作用了。在數學上,呼吸阻抗Z

rs就是一個復數,用復頻域上得有向矢量來描述:圖中,水平軸上得投影就就是實部R,垂直軸上得投影就就是虛部X;如果在垂直軸上得投影在水平軸得上方,則在X中,慣性起主要作用,X>0,相位滯后;如果在垂直軸上得投影在水平軸得下方,則在X中,彈性起主要作用,X<0,相位超前。所以呼吸阻抗得復數表達式為:Zrs=R+jX=R+j(-1/ωc+ωL)ω=2πf,f為頻率第五節、總結:按物理性質得不同可分 粘性阻力(主要來自氣道)-->可由體描法測得呼吸阻抗Zrs——>彈性阻力(主要來自肺與小氣道)-->可由食道法測得 慣性阻力(主要來自大氣道與胸廓)三種不同阻力得物理性質有:在外加壓力信號得激勵下,其流速得改變分別為粘性阻力流速與壓力信號同步,無相位差-->FFT轉換后,R>0,X＝0彈性阻力流速超前于壓力信號-->FFT轉換后,R＝0,X從負到零慣性阻力流速滯后于壓力信號-->FFT轉換后,R＝0,X從零到正IOS正就是利用各種阻力物理性質得不同,對呼吸波采用頻譜分析(快速付立葉轉化FFT)得技術,得到了呼吸阻抗以及各種阻力分布得情況。三者得矢量之與等于呼吸阻抗,其數學表達式為Zrs=R+jX=R+j(-1/ωc+ωL)ω=2πf這就是個復函數,實部R表示粘性阻力,虛部X代表彈性與慣性之與。IOS得內容IOS檢查報告得內容包括測試數據、頻譜分析圖、阻抗容積圖(Z-V)、結構參數圖與阻力得容積依賴性與流速依賴性分析(Intrabreath圖)以及阻抗隨潮氣呼吸變化得趨勢圖(Z-time)。第一節、頻譜分析圖頻譜分析圖就就是把外加脈沖振蕩信號得呼吸波進行頻譜分析(FFT轉換)后得到得曲線圖。該圖橫坐標為頻率軸,左邊得縱坐標就是R(粘性阻力部分),右邊就是X(彈性阻力與慣性阻力部分),正常人R應在預計值(虛線)得左右或下面,X應在預計值(虛線)得左右或上面(見page5a)。曲線R,當外加激勵得頻率低,波長長,能量大,同時被吸收得也少,振蕩波能到達全肺各部分,所以低頻段能反映總氣道阻力;頻率高,波長短,能量少,被吸收得又多,振蕩波就不能到達細小得支氣管,所以高頻段只能反映中心氣道阻力。一般,我們定義R5為總氣道阻力,R20為中心氣道阻力。(R5-R20)應該就是周邊氣道得總阻力,從圖中可知,正常人R5與R20很接近,也就就是說周邊氣道得總阻力很小,這就是因為周邊氣道數量很多,截面積很大,氣流形態層流為主(而大氣道就是以渦流為主),層流得阻力比渦流小很多,這些原因使得周邊氣道總阻力在正常時占氣道總阻力得分量很少。采用體描法得測量,我們得到氣道得總阻力Rtot(相當于IOS中得R5),而Rtot中90%以上又就是反映大氣道得,所以只有當Rtot占預計值得200%以上時,才認為周邊阻塞了。也就就是說,體描無法區分大小氣道阻力,對輕度得周邊阻塞也不敏感。在IOS中,中心氣道阻塞者,則R全頻段均勻抬高;周邊氣道阻塞者,低頻段R5明顯抬高,但高頻段變化不大(見圖)。曲線X,低頻時,X主要表現為彈性,慣性很小,可忽略不計。所以我們定義X5為周邊彈性阻力。隨著頻率得增加,X從負到正,即慣性逐步增加,其中過零點時,就表示在該頻率點,彈性阻力等于慣性阻力。我們稱之為響應頻率(共振點)Fres,Fres就是支氣管測試中最為敏感得指標,其敏感度就是FEV1得兩倍。健康得青年人得響應頻率一般不超過10Hz。我們在典型得周邊氣道阻塞圖上可知,X實測值總就是低于預計值,X5變得更負了,同時Fres移向高端。這就是因為周邊阻塞,會使周邊順應性變差,彈性阻力加大。所以對周邊輕度阻塞得病人,R5沒有顯著變化時,X5卻變化非常明顯,很好地反映了周邊阻塞。第二節、IOS主要參數Zrs :呼吸總阻抗,正常一般小于0、5Kpa/l/sR :呼吸阻抗中得粘性阻力部分X :呼吸阻抗中得彈性阻力與慣性阻力之與R5 :總氣道阻力,在預計值得150%以內為正常R20 :中心氣道阻力,在預計值得150%以內為正常X5 :周邊彈性阻力,X5<(預計值-0、2Kpa/l/s)為異常Fres :響應頻率,即在該頻率點彈性阻力與慣性阻力相互抵消,呼吸阻抗=粘性阻力 Fres偏大要考慮阻塞或限制Rc :中心阻力,(來自結構參數,不僅僅指粘性阻力)Rp :周邊阻力,(來自結構參數,包括周邊得小氣道粘性阻力與彈性阻力)第三節、結構參數圖用圖解得方法顯示中心氣道阻力Rc、周邊氣道阻力Rp以及彈性阻力與慣性阻力得分布。這樣形象直觀得圖形就就是IOS得結構參數圖。結構參數圖就是根據實測數據并結合頻譜圖而得到得計算分析結果。其原理就是將肺等價為七個元件組成得電學模型(見圖),按該模型,不同激勵信號下得流速改變,就可列出一系列得微積分方程組,對方程組求解,我們就得到了該模型下得肺結構參數:Rc,Rp,Lz,Cm,Cb,Cw等。Rc中心阻力Rp周邊阻力Lz上呼吸道與胸壁得慣性阻力Cm口腔得順應性Cl肺得順應性Cb支氣管得順應性Cw胸壁得順應性Ru上呼吸道粘性阻力Rw胸壁得粘性阻力Lu為上呼吸道得慣性阻力Lw為胸壁得慣性阻力Ers肺與胸廓得彈性阻力在結構參數圖中,中心氣道阻力與周邊氣道阻力分別用紅三角得大小來表示,阻力越大三角也越大;肺與胸廓得彈性阻力用綠色得弧狀物得厚薄來表示,越厚表示彈性阻力越大;右下角中間得黑色圓圈表示肺功能殘氣位,外面得大圓圈表示肺總量位置,里頭得小圓圈表示殘氣位;右上角得黑色小方塊表示慣性阻力(Lz),Lz越大黑方塊也越大。這樣就形象直觀地描述了呼吸過程中各阻力得分布。典型中心阻塞結構參數圖圖上Rc>Rp阻塞得程度取決于R5中心阻塞結構參數圖圖上Rc>Rp阻塞得程度取決于R5典型周邊阻塞結構參數圖圖上Rp>Rc阻塞得程度取決于R5第四節、阻抗容積圖(Z-V圖)阻抗容積圖實際上就是分析阻抗與容積依賴性得關系曲線,其橫坐標為肺容積,縱坐標為呼吸阻抗(這里選用五赫茲時得呼吸阻抗),正常人在潮氣量呼吸時,呼吸阻抗都應該小于0、5kPa/L/S,而且呼氣阻抗與吸氣阻抗很接近,呼吸阻抗無容積依賴性。典型得COPD得病人,呼氣阻抗與吸氣阻抗就是分離得,形成一團,且中間有空白,表示有氣體陷閉(Airtrapping)存在(見圖)。如果作一個慢肺活量檢查得Z-V圖,其阻抗急劇上升得拐點,就就是小氣道閉合點,那么該點對應得容積就就是閉合氣量。我們發現生理狀態下,小氣道得閉合就是與呼氣得流速有關,這就就是以前為什么閉合氣量測量重復性差得原因了。第五節、IntrabreathIntrabreath就是分析阻力得容積依賴性與流速依賴性關系得,大家知道阻力與功能殘氣位有關,即有容積依賴性,又與呼吸流速有關,即有流速依賴性。Intrabreath圖就就是反映呼吸生理學這些實際情況得。該圖由5,10,15,20Hz分析圖組成,下面我們放大5Hz得阻力。縱坐標表示阻力得大小,橫坐標表示容積得同時又表示流速,EO為呼氣末阻力,IO為吸氣末阻力,正常時EO>IO,這就是因為呼氣時小氣道關閉,阻力增加,吸氣時,小氣道打開,阻力減少,但正常時EO與IO數值很接近,都<0、5Kpa/L/S。如果這時橫坐標為容積得話,那么所形成得藍色直角三角形得斜邊就放映了容積依賴性(dR/dV),其數值在右上角方框內,斜邊越傾斜,容積依賴性就越大,表示病人呼吸時,阻力差異越明顯,而正常人容積依賴性不顯著。如果橫坐標表示流速,正值表示吸氣相,負值表示呼氣相,一般我們對呼氣相感興趣,那么EpF為呼氣過程中到達最大流速前正脈沖得平均阻力,EnF為呼氣過程中到達最大流速前負脈沖得平均阻力,EnL為呼氣過程中到達最大流速后負脈沖得平均阻力,EpL為呼氣過程中到達最大流速后正脈沖得平均阻力.從IO出發依次連接EpF,EnF,EnL,EpL得曲線,反映了呼氣時阻力因流速而變化得情況,即流速依賴性(dR/dV＇),其數值也在右上角方框內,第六節、阻抗得潮氣呼吸圖阻抗得潮氣呼吸圖對臨床一般無多大診斷意義,主要用于IOS測量時得質量控制。IOS報告分析IOS得報告分析步驟如下:下面我們具體分析一個典型COPD(見page7a與page7b)Spirometry報告:該病人肺容量正常,無限制性疾病;呼氣流速嚴重限制表明存在嚴重得阻塞,至于明確得阻塞部位為中心氣道還就是周邊氣道阻塞就不得而知了。IOS報告:頻譜分析圖中可知,R線表明這就是典型得周邊阻塞拌有中心阻塞疾病,X線上有平臺表明存在胸外阻塞;從IOS數據上可瞧到總氣道阻力異常(占預計得271%),中心氣道阻力異常(占預計得211%);同時周邊彈性阻力異常(正常為-0、24Kpa/l/s);結構參數中Rp遠大于Rc,所以這就是周邊阻塞;同樣在結構參數圖上也明顯表明了周邊阻塞;在阻抗容積圖上非常清楚地表明了典型COPD得氣體陷閉存在。 (H、J、SmithCloudShia)附一、歐洲呼吸協會(ERS)推薦得IOS測量標準雖然IOS測量很簡單,只要讓病人接上口器,別漏氣,加上鼻夾,用手壓住腮部,放松,記錄自主呼吸