基于RIP恒定比例校准方法测量人体通气量的可行性研究*

沙 杭 姬 军 潘美玲② 蒋贝兰② 黄增跃② 刘勇谋 韩 敏 蒋昌松②

肺功能检查目前广泛应用于多种学科，如呼吸内科、麻醉科、儿科、流行病学、潜水及航天医学等。肺功能测量方法主要包括肺量计、气体分析仪和压力计。肺量计直接测量经口鼻进入肺部气体的体积和流量；气体分析仪分析进出肺部的气体成分；压力计测量肺顺应性等压力参数。但这些测量方法均需使用口鼻面罩，测量过程改变了人体正常的呼吸模式，且很难实现实时和便携测量。

1 概述

呼吸感应体积描记法(respiratory inductive plethysmography，RIP)是一种能通过监测人体胸腹随呼吸截面积变化来测量人体呼吸参数的测量技术，不需要直接测量进出口鼻的气体，故测量时不需佩带口鼻面罩，可临床动态、连续监测呼吸运动，可便携使用，是一种非侵入，不会给患者增加负担的测量方法[1-2]。

使用RIP测量首先需要对其进行校准，且校准技术的精确程度严重影响RIP测量呼吸参数，已经被提出的校准技术有：等容校准技术(isovolume method, ISOVOL)、多元线性回归(multiple linear regress, MLR)、诊断性定性校准技术(pualitative diagnostic calibration,QDC)、最小二乘法(least squares method, LSQ)、方程联立求解法(simultaneous equation method, SEQ)以及恒定比例校准法等。这些方法均需要受试者配合，在校准过程中存在一定问题。等容校准技术过程复杂，未经过训练的受试者不易实现；QDC方法需校准5 min，时间较长；最小二乘法、方程联立求解法需要在两种姿势下完成校准，增加了实验的难度。恒定比例校准法只需选定一个适合大多数测试者的比例系数，在不需要测绝对通气量值时不用校准，是过程最简单的校准方法。人体在日常生活中的呼吸方式可简单分为平静呼吸和用力呼吸，故本研究在人体平静和用力两种呼吸模式下，恒定比例校准法用于测量人体通气量值的可行性以及恒定比例系数K值的确定[3-7]。

2 实验设计

2.1 RIP恒定比例校准法

将人体呼吸运动看作胸腔运动和腹腔运动两个自由度之和，则进出人体口鼻腔的气体为胸腔和腹腔进出的气体之和(公式1)：

设a=M；b=M×K，则公式(2)可演变为：

将K值设为一个固定的适合大多数受试者的数值，使用RIP测量呼吸参数即是使用恒定比例校准法进行校准。

公式(2)可以演变为以下两种格式(公式3、公式4)：

2.2 实验内容和目的

设定两种呼吸模式：平静呼吸和规范用力呼吸。①用恒定比例校准法在平静呼吸方式下进行校准；恒定比例校准法中设定KAB、KRC值分别为从0.1到2.5步长为0.1的25个数据；②用QDC方法在平静呼吸方式下进行校准；③用恒定比例校准法的校准参数测量平静呼吸和规范用力呼吸状态下的通气量值；④用QDC方法的校准参数测量平静呼吸和规范用力呼吸状态下的通气量值；⑤比较恒定比例方法50组K值校准平静呼吸通气量值时哪个K值相关性最高；⑥比较恒定比例方法50组K值校准规范用力呼吸通气量值时哪个K值相关性最高；⑦以QDC方法为比较对象，探讨恒定比例校准法是否可用于平静呼吸和规范用力呼吸状态下的通气量值测量，探讨在RIP系统中应用恒定比例校准法的可行性。

2.3 实验材料及受试者

(1)呼吸速度描记仪：美国Honeywell公司的差压型流量传感器DCOO5NDC4所组成的精密放大测量电路，并经过FLUKE公司的气流分析仪(VT PLUS HF型)计量校准。

(2)RIP系统：软件系统和硬件系统，硬件系统采用胸腹两条传感器线圈对胸腹信号采集放大、模数转换、串行通信；软件系统为PC机上用于数据接收的LABVIEW和数据分析的MATLAB软件。

(3)受试者：无既往呼吸病史的成年人20名，其中男性12名，女性8名；年龄18～30岁，平均年龄为23岁，体重44～75 kg(平均为60 kg)，身高155～178 cm(平均为165 cm)，实验平均持续时间为10 min/人。

2.4 实验步骤及分析方法

2.4.1 实验步骤

(1)受试者以恒定比例校准法校准，设定校准系数KRC、KAB各以0.1为步长，从0.1到2.5的25个数，测量人体平静呼吸(在静息状态下自然呼吸)和规范用力方式(经过指导以大于平静呼吸气量1倍以上值用力呼吸)下每次呼吸通气量值。

(2)受试者以QDC方法校准，测量人体平静呼吸和规范用力呼吸方式下每次呼吸通气量值。

2.4.2 分析方法

用以下3种统计学方法分别比较恒定比例校准法的50组系数校准的平静呼吸和规范用力通气量值，得到相关性最高的系数，再用这3种统计学方法比较该系数所计算的通气量值和QDC方法的计算的通气量值：

(1)相对误差：定义以QDC校准参数测得的每次呼吸通气量为VRIP(QDC)、以恒定比例校准法校准测得的每次呼吸通气量为VRIP(K)RC或VRIP(K)AB、如KRC=0.1时，恒定比例校准法校准参数测得的每次呼吸通气量为VRIP(0.1)RC，如KAB=0.1时，恒定比例校准法校准参数测得的每次呼吸通气量为VRIP(0.1)AB，以RIP测得的每次呼吸通气量简写为VRIP，速度描计仪测量的数据为VDC。相对误差百分比为(公式5)：

(2)相关分析：比较RIP系统和呼吸速度描记仪测量通气量的相关程度；

(3)t检验：检验RIP系统和呼吸速度描记仪测量通气量的差异性，P＜0.05时两种方法差异有统计学意义。

3 实验结果

3.1 平静呼吸

平静呼吸方式下使用恒定比例校准法校准RIP系统，KRC=0.1～2.5，KAB=0.1～2.5时，测量平静呼吸方式下每次呼吸通气量值。50组数据t检验结果P＞0.05，均通过t检验，其相关分析系数和相对误差如图1、图2所示，0.1～2.5表示KRC值，1.0.1～1.2.5表示KAB值。

图1 平静呼吸方式下测量每次呼吸通气量值的相关系数

图2 平静呼吸方式下测量每次呼吸通气量值的相对误差

3.2 规范用力呼吸

在平静呼吸模式下使用恒定比例校准法校准RIP系统，KRC=0.1～2.5，KAB=0.1～2.5时，测量规范用力呼吸方式下每次呼吸通气量值。50组数据t检验部分结果P＞0.05，如图3、图4所示，相关系数和相对误差分析为去掉t检验结果失败后的数据值比较，0.1～2.5表示KRC值，1.0.1～1.2.5表示KAB值[8-13]。

图3 规范用力呼吸方式下测量每次呼吸通气量值的相关系数

图4 规范用力呼吸方式下测量每次呼吸通气量值的相对误差

4 讨论

4.1 平静呼吸

平静呼吸方式下，50组恒定比例校准法系数，除了KRC=0.1～0.4及反向KAB=0.1～0.3计算的通气量值的相关系数稍低，其他组数据差异较小；相对误差除去KRC=0.1～0.4计算的通气量值，其他数据相对误差均值差异均在5%～6%之间，差异不大，故K值在一定范围内变化时其大小对于平静呼吸通气量值的精确度影响不大。当KRC=1.3时RIP测量的平静呼吸通气量值与呼吸速度描记仪测得的平静呼吸通气量值比较其相关程度最高[14-18]。

4.2 规范用力呼吸

平静呼吸方式下采用恒定比例校准法校准，测量规范用力呼吸的每次通气量值时50组数据中有27组数据通过了t检验，相关分析系数均在0.9之上，74.07%组数据相关分析＞0.94；88%的相对误差值低于0.16，其中37%的数据在0.13～0.14之间，29%的数据在0.14～0.15之间，22%的数据在0.15～0.16之间。即大多数比例系数的相关分析系数和相对误差的数据在一个较小的范围内。当KRC=0.9时RIP测量的规范用力呼吸通气量值与呼吸速度描记仪测得的规范用力呼吸通气量值比较其相关程度最高，且在平静呼吸模式下用QDC方法校准计算规范用力呼吸的通气量值时，t检验失败，证明QDC方法测得的通气量值与呼吸速度描记仪测得的通气量值有差异。

5 结论

平静呼吸模式下测量每次呼吸通气量值，当KRC=1.3时采用恒定比例校准法校准RIP系统的误差较小，本实验虽然只在20名受试者的小范围里进行测试，但因为所设定的50组数据测得通气量值相关性都比较相似，故选择比例系数K时，可以在一定范围内变动；规范用力呼吸模式下测量每次呼吸通气量值，当KRC=0.9时，采用恒定比例校准法校准RIP系统的误差较小。故基于RIP恒定比例校准法可以应用于临床精度要求不高的潮气量与规范用力呼吸通气量的测定。

[1]朱元珏,陈文彬.呼吸病学[M].北京:人民卫生出版社,2002.

[2]郑劲平,陈蓉昌,钟南山.肺功能学:基础与临床[M].广州:广东科技出版社,2007:8.

[3]张政波,俞梦孙.用背心式呼吸感应体积描计系统实现通气量无创测量[J].生物医学工程研究,2005,24(4):203-208.

[4]张劲农.非侵入性呼吸模式检测的基础和临床应用[J].国外医学:呼吸系统分册,2005,25(8):630-633.

[5]Konno K, Mead J. Measurement of the separate volume changes of rib cage and abdom during breathing[J].J Appl Physiol,1967,22(3):407-422.

[6]Sackner MA, Watson H, Belsito AS, et al.Calibration of respiratory inductive plethysmograph during natural breathing[J].J Appl Physiol,1989,66(1):410-420.

[7]Poole KA, ThompsonJR, Hallinan HM, et al. Respiratory inductance plethysmography in healthy infants: a comparison of three calibration methods[J].Eur Respir J,2000,16(6):1084-1090.

[8]Chadha TS,Watson H,Birch S,et al.Validation of respiratory inductive plethysmography using different calibration procedures[J].Am Rev Respir Dis,1982,125(6):644-649.

[9]Sartene R, Dartus C, Bernard JL, et al. Comparison of thoracoabdominal calibration methods in normal human subjects[J].J Appl Physiol,1993,75(5):2142-2150.

[10]Revow MD, England SJ, Stogryn HA, et al. Comparison of calibration methods for respiratory inductive plethysmography in infants[J].J Appl Physiol,1987,63(5):1853-1861.

[11]Brown K, Aun C, Jackson E, et al. Validation of respiratory inductive plethysmography using the Qualitative Diagnostic Calibration method in anaesthetized infants[J].Eur Respir J,1998,12(4):935-943.

[12]De Groote A, Paiva M, Verbandt Y. Mathematical assessment of qualitative diagnostic calibration for respiratory inductive plethysmography[J].J Appl Physiol,2001,90(3):1025-1030.

[13]Poole KA, Thompson JR, Hallinan HM, et al. Respiratory inductance plethysmography in healthy infants: a comparison of three calibration methods[J].Eur Respir J,2000,16(6):1084-1090.

[14]张政波,俞梦孙,毕亚琼,等.穿戴式呼吸感应体积描记用于睡眠呼吸事件检测[J].生物医学工程研究,2008,25(2):318-322.

[15]彭思,陈淑玲,宋爱国,等.用于呼吸暂停综合症的呼吸检测系统的研制[J].传感器技术学报,2008,21(8):1325-1328.

[16]吴丹,徐效文,王磊,等.穿戴式动态睡眠呼吸检测系统的设计[J].传感器技术学报,2010,23(3):321-325.

[17]Bowers E J, Murray A, Langley P, el al. Respiratory rate derived from principal component analysis of single lead electrocardiogram[J]. Computer in Cardiology,2008,35(8):437-440.

[18]Wang B, Wang L, Huang B Y, el al. A body sensor networks development platform for pervasive healthcare[C]//Beijing:Proceeding of the 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering,2009:1-4.