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脉冲震荡检测原理及意义

脉冲震荡检测原理及意义

第十四章

ImpulseOscillometry

forEarlyDiagnosisofObstructiveAirwayDiseases

脉冲振荡肺功能新技术（IOS）原理及应用

HansJuang.Smith,J.Vogel,CloudShia

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。

基本原理

第一节、呼吸阻抗及其分布特点

呼吸阻抗（Impedance，简称Zrs），俗称呼吸阻力，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，但绝大部分来自于气道，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），在这里用蓝色部分（Ers）来表示；

惯性阻力（Inertance）主要存在于大气道和胸廓，我们用绿色部分（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。

流速测量比较容易实现，而压差却比较困难，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”则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，否则就一无所获。

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分离，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。

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，这些部分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应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，呼吸阻抗就分成两部分：

实部R和虚部X，其中实部表示同相位的成分，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，其数值大小就反应粘性阻力的情况。

二、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Ｘ＜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较低时，弹性阻力表现地比较充分，虚部Ｘ负值比较大；随着频率的增加，弹性阻力逐渐变小，最后虚部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较低时，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，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，则在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，则在X中，弹性起主要作用，X<0，相位超前。

所以呼吸阻抗的复数表达式为：

Zrs=R+jX=R+j（-1/ωc+ωL）ω=2πf，f为频率

第五节、总结：

按物理性质的不同可分粘性阻力（主要来自气道）-->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：

在外加压力信号的激励下，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/ωc+ωL）ω=2πf

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，左边的纵坐标是R（粘性阻力部分），右边是X（弹性阻力和惯性阻力部分），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page5a）。

曲线R，当外加激励的频率低，波长长，能量大，同时被吸收的也少，振荡波能到达全肺各部分，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R5和R20很接近，也就是说周边气道的总阻力很小，这是因为周边气道数量很多，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，则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X5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0.5Kpa/l/s

R：

呼吸阻抗中的粘性阻力部分

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%以内为正常

R20：

中心气道阻力，在预计值的150%以内为正常

X5：

周边弹性阻力，X5<（预计值-0.2Kpa/l/s）为异常

Fres：

响应频率，即在该频率点弹性阻力与惯性阻力相互抵消，呼吸阻抗=粘性阻力

Fres偏大要考虑阻塞或限制

Rc：

中心阻力，（来自结构参数，不仅仅指粘性阻力）

Rp：

周边阻力，（来自结构参数，包括周边的小气道粘性阻力和弹性阻力）

第三节、结构参数图

用图解的方法显示中心气道阻力Rc、周边气道阻力Rp以及弹性阻力和惯性阻力的分布。

这样形象直观的图形就是IOS的结构参数图。

结构参数图是根据实测数据并结合频谱图而得到的计算分析结果。

其原理是将肺等价为七个元件组成的电学模型（见图），按该模型，不同激励信号下的流速改变，就可列出一系列的微积分方程组，对方程组求解，我们就得到了该模型下的肺结构参数：

Rc,Rp,Lz,Cm,Cb,Cw等。

Rc中心阻力

Rp周边阻力

Lz上呼吸道和胸壁的惯性阻力

Cm口腔的顺应性

Cl肺的顺应性

Cb支气管的顺应性

Cw胸壁的顺应性

Ru上呼吸道粘性阻力

Rw胸壁的粘性阻力

Lu为上呼吸道的惯性阻力

Lw为胸壁的惯性阻力

Ers肺和胸廓的弹性阻力

在结构参数图中，中心气道阻力和周边气道阻力分别用红三角的大小来表示，阻力越大三角也越大；肺和胸廓的弹性阻力用绿色的弧状物的厚薄来表示，越厚表示弹性阻力越大；右下角中间的黑色圆圈表示肺功能残气位，外面的大圆圈表示肺总量位置，里头的小圆圈表示残气位；右上角的黑色小方块表示惯性阻力（Lz），Lz越大黑方块也越大。

这样就形象直观地描述了呼吸过程中各阻力的分布。

典型中心阻塞结构参数图

⏹图上Rc>Rp

⏹阻塞的程度取决于R5

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分离的，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、Intrabreath

Intrabreath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。

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EO>IO，这是因为呼气时小气道关闭，阻力增加，吸气时，小气道打开，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，反映了呼气时阻力因流速而变化的情况，即流速依赖性（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测量时的质量控制。

IOS报告分析

IOS的报告分析步骤如下：

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；呼气流速严重限制表明存在严重的阻塞，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线表明这是典型的周边阻塞拌有中心阻塞疾病，X线上有平台表明存在胸外阻塞；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-0.24Kpa/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表明了周边阻塞；在阻抗容积图上非常清楚地表明了典型COPD的气体陷闭存在。

（H.J.SmithCloudShia）

附一、欧洲呼吸协会（ERS）推荐的IOS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：

●坐位测量，要求检查椅无靠背，这样病人不会斜靠着，要求坐直、坐正就可以了

●头保持自然，水平或稍微上仰，这样让气道打开

●一定要夹上鼻夹，避免外加压力信号被旁路

●用双手掌压住鳃帮，避免鳃部的振动而增加口腔的顺应性，从而影响测量的精确性

●用牙齿咬紧塑料口器，舌头应在塑料口器的下面，避免堵住呼吸通道而增加阻力，用嘴唇紧紧包住塑料口器，不能有漏气，让病人通过塑料口器用嘴呼吸

●避免过紧的腰带、胸带和衣服

对测量方面的要求

●自主平静呼吸，这点很重要，

1.病人要放松，不能紧张；

2.注意观察病人是否处于正确的功能残气位，呼吸曲线平稳；

3.呼吸频率正常（BF为20次/分左右），潮气量正常（男：

>450ml./min，女：

>350ml/min）；病人嘴角没有漏气，呼吸均匀；

●呼吸平稳后才开始记录，

✧至少记录三个呼吸周期，一般建议记录一分钟或45秒；

✧Intrabreath分析至少需记录30秒钟；

✧流行病学研究至少需记录三个自主呼吸波

●在病人松开塑料口器前停止记录，

质量控制

呼吸波曲线，看是否平稳，无上下漂移，潮气量正常，呼吸均匀

各参数是否正常

Z-V图

警告：

避免口和咽喉的伪动作，如咽口水、漏气、屏气、死腔通气等等

附二、脉冲振荡的优点

为了完整地描述呼吸阻抗，我们需要一个连续频率的外加激励信号，如何快速地在连续频率上测量呼吸阻抗，耶格公司采用了独特的脉冲振荡技术。

根据付立叶方程，单位脉冲信号可展开为无穷多个不同频率的正弦波的叠加，也就是说单位脉冲信号覆盖了连续频率。

我们只要采用FFT分析方法，使用脉冲激励，就没有必要再分别测量不同频率下的系统响应了，使分析测试非常迅速；同时使阻力的容积依赖性和流速依赖性分析（Intrabreath）成为可能。