基于動態(tài)濕度傳感的穿戴式呼吸功能檢測系統(tǒng):肺功能測量原理與實驗對照*

盧昌盛 蔣澤榮 王曉 李軻軼 林桂陽 楊瑛琦 林益華 鄭冠英 謝寶松 劉向陽?

1) (廈門大學海洋與地球?qū)W院,近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室,水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室,廈門 361102)

2) (廈門柯迪森科技有限公司,廈門 361015)

3) (廈門大學醫(yī)學院,廈門 361102)

4) (福建省立醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科,福建醫(yī)科大學省立臨床醫(yī)學院,福州 350001)

5) (廈門大學附屬第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科,廈門 361003)

1 引言

呼吸系統(tǒng)疾病是一類影響人們正常呼吸功能的疾病,包括新冠肺炎、慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)、支氣管哮喘、肺癌等[1–4].呼吸系統(tǒng)疾病的嚴重性不容小覷,除了在世界范圍內(nèi)大流行的對人類健康產(chǎn)生巨大沖擊的新冠肺炎,其他的呼吸系統(tǒng)疾病,同樣也給人類帶來了嚴重的影響,造成一系列社會經(jīng)濟負擔.如中國有超過1 億的慢阻肺病人,其死亡率占慢性病的第三位[5].在中國,肺癌的患病率與死亡率,占所有癌癥的首位,每年以120 萬的速度在增加[6,7].

肺功能測試在呼吸疾病的預防、診斷和治療過程中起著至關(guān)重要的作用[8–10].這種測試可以通過測量患者的呼氣量、肺活量、通氣功能等來評估肺功能的健康狀況.通過這些測試結(jié)果,醫(yī)生可以判斷患者是否存在呼吸問題,并確定病情的嚴重程度和進一步診療方案.同時,肺功能測試還可以監(jiān)測治療效果并評估疾病的發(fā)展情況.

傳統(tǒng)的肺功能檢測多使用機械式壓差傳感器或渦輪傳感器[9,11].機械式壓差傳感器是一種基于氣壓差的機械傳感器,通過測量氣道內(nèi)的流體壓差來評估肺功能.這種傳感器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、測量準確度合適.然而,現(xiàn)有機械壓差傳感器,需要較強的吹氣壓來啟動,并且需要定期進行校準和維護.渦輪傳感器則是一種基于氣體流量的傳感器,其通過測量氣道中氣體流動的速度來評估肺功能.這種傳感器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于使用,并且對患者的舒適度影響較小.然而,渦輪傳感器的測量精度可能受到氣體湍流等因素的影響,且在低流量范圍內(nèi)的測量準確度可能較低.此外,目前傳統(tǒng)的肺功能檢測儀還存在一些不足: 首先,其靈敏低,無法檢測微弱鼻子的呼吸活動.其次,其無法連續(xù)檢測.更重要的是,傳統(tǒng)的肺功能檢測儀測試的結(jié)果準確性受測試者配合程度以及操作準確性的影響.此外,用力呼氣這種常規(guī)檢測模式無法應(yīng)用于嚴重呼吸道疾病如COPD 等的診斷,因其檢測可能會造成患者肺泡破裂,引發(fā)氣胸.

近年來,隨著多種傳感器得到廣泛的開發(fā)與應(yīng)用[12–22],可穿戴數(shù)字醫(yī)療設(shè)備在人體健康監(jiān)測中的運用日益增加[23–27].結(jié)合云通訊技術(shù),可穿戴呼吸數(shù)字醫(yī)療設(shè)備可以實時監(jiān)測人體的呼吸狀態(tài)并對其進行評估,從而提供更全面、準確的肺功能數(shù)據(jù).此外,可穿戴數(shù)字醫(yī)療設(shè)備可以將傳感器與移動設(shè)備相結(jié)合,實現(xiàn)對患者肺功能的遠程監(jiān)測和記錄.值得注意的是,人體呼出的氣體具有顯著特點,包括呼氣溫度接近37 ℃、接近飽和水蒸氣的水含量以及較高的二氧化碳濃度等[28,29].為此,本研究針對人體呼出的氣體的溫度接近37 ℃和接近飽和水蒸氣的水含量特點,基于蠶絲-碳納米管介觀功能材料的柔性濕度傳感器和電容式的柔性濕度傳感器[30,31],開發(fā)出對人體呼吸進行實時傳感的可穿戴呼吸數(shù)字醫(yī)療設(shè)備.該濕度傳感器具有高靈敏度和快速響應(yīng)/恢復速度,能對呼吸潮氣引起的周圍動態(tài)濕度變化快速反應(yīng)[30,31].本文進一步發(fā)展出了基于動態(tài)濕度傳感的穿戴式呼吸波譜儀,用于實時監(jiān)測人體呼吸功能.該儀器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)呼吸功能檢測儀的功能,還能定量、實時分析人體連續(xù)、自由的呼吸過程,特別是自然的鼻呼吸狀態(tài).穿戴式呼吸波譜儀的應(yīng)用可使得肺功能的評估變得自由、快速和無感知.具體而言,將濕度傳感器嵌入穿戴式呼吸波譜儀中,以實時測量被測者的呼吸過程.該傳感器能夠準確地捕捉到穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部由人體呼吸引起的腔體內(nèi)的濕度變化,并將其轉(zhuǎn)化為電信號,傳輸?shù)綌?shù)字醫(yī)療設(shè)備或平臺中,進行處理和分析.需要指出的是,穿戴式呼吸波譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計將直接影響到電信號變化與人體呼吸的定量關(guān)系.特別地,高靈敏的動態(tài)濕度傳感器與可穿戴的穿戴式呼吸波譜儀和基于無線通訊的云技術(shù)的結(jié)合,將使得穿戴式呼吸波譜儀系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對正常呼吸的即時測量、分析與預警.

這里,將平靜狀態(tài)下人體自由、自然的鼻呼吸定義為自由呼吸(natural respiration).需要指出的是,自由呼吸量(natural respiration volume,NRV)與醫(yī)學術(shù)語潮氣量(tidal volume)主要的不同之處在于,自由呼吸量NRV 指的是鼻呼吸氣體體積.而“潮氣量”是嘴呼吸的氣體體積.醫(yī)學術(shù)語“潮氣量”中的“潮” (tidal)指代海洋潮汐的漲落,表明呼吸為具有規(guī)律的上升和下降的模式.本文所述的通過穿戴式呼吸波譜儀檢測的自然鼻呼吸“潮氣”(respiratory moisture)也是規(guī)律性的變換潮汐模式.

本文將著重對包含濕度傳感的穿戴式呼吸波譜儀在人體肺功能評估中的應(yīng)用進行理論分析,并通過模擬潮氣測試以建立基于穿戴式呼吸波譜儀的用力呼氣測試肺功能參數(shù)計算方法.更重要的是,通過穿戴式呼吸波譜儀可對人體的連續(xù)、自由呼吸進行定量評估.

從測量常規(guī)肺功能角度出發(fā),本文首先由壓差式肺功能檢測儀的原理引出了穿戴式呼吸波譜儀對人體呼吸功能的測試原理,并對其肺功能測試相關(guān)參數(shù)的定量計算進行了理論分析;其次,通過呼吸波模擬器對該設(shè)備進行了模擬潮氣定量測試與分析.整個標定與測試,以行標《YY/T 1438-2016》[32](后文簡稱為: 行標)為準,進行模擬定量測試,并結(jié)合理論分析建立了基于該設(shè)備的用力呼氣測試肺功能參數(shù)的計算方法,并將結(jié)果與市售肺功能測試產(chǎn)品所測結(jié)果進行了對比;最后,對該設(shè)備的人體自由呼吸圖譜進行了定量分析,并將其結(jié)果與常規(guī)肺功能結(jié)果進行了比較,以說明穿戴式呼吸波譜儀是一種對肺功能自由、快捷、無感的有效評估手段,具有潛在的應(yīng)用價值.

2 測量原理與模型

2.1 測試參數(shù)

常規(guī)肺功能檢測儀測定通常包括一系列參數(shù),其中一些常見且重要的用力呼氣測試參數(shù)包括峰值呼氣流量(peak expiratory flow,PEF)、用力肺活量(forced vital capacity,FVC)[33–36].PEF 是指通過最大的努力進行呼氣后的最大流速,而FVC是指在最大的努力下在最大吸氣后進行的一次完全呼氣.按照肺功能檢測得出的呼氣流量-容積曲線和呼氣容積-時間曲線(如圖1 所示).呼氣流量-容積曲線橫軸為呼氣(或吸氣)容積,縱軸為呼氣(或吸氣)流量.呼氣過程氣流速度曲線在橫軸上方,如圖1(a)中的紅色曲線所示,其最大值為PEF,與橫坐標相交點的長度范圍為FVC.PEF 可以幫助評估氣道梗阻程度和治療效果.FVC 可以反映肺功能的變化,可以用來評估肺容積和流量的異常情況.如圖1(b)所示,呼氣容積-時間曲線的橫軸為時間,縱軸為呼氣(或吸氣)容積.通常,在一次用力呼氣測試中,曲線呈現(xiàn)出明顯的特征.呼氣階段通常呈現(xiàn)為一個斜下降的曲線,初期呈現(xiàn)出較大的斜率,隨著時間的增加,呼氣流量逐漸減小.在肺功能測試中,患者通常被要求用力吹氣或深吸氣,并通過可移動的嘴罩或呼吸管與肺功能監(jiān)測儀連接,如圖2(a)中(i)圖所示.與之對應(yīng)的,常用肺功能檢測儀如機械式壓差式傳感或渦輪傳感的肺功能檢測儀在結(jié)構(gòu)上都具有輸入和輸出的管道.相應(yīng)的傳感器通常在管道中安裝,用于測量氣體的流速或流量.而這種管式測量結(jié)構(gòu)容易導致設(shè)備大型化、流動阻力擴大化以及測試結(jié)果差異化等結(jié)果.渦輪傳感器具有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片,壓差傳感器則具有測量壓差的敏感元件.

圖1 用力呼氣測試獲取肺功能參數(shù)的曲線示意圖 (a)呼氣流量-容積曲線,用于描述個體在呼氣(或吸氣)過程中的氣流速度與容積變化之間的關(guān)系;(b)呼氣容積-時間曲線,通過測量個體在一段時間內(nèi)的呼氣(或吸氣)流量和相應(yīng)的容積來獲得Fig.1.Schematic diagram of the curve of pulmonary function parameters obtained by forced exhalation test: (a) The expiratory flow-volume curve is used to describe the relationship between the airflow velocity and volume changes of an individual during exhalation (or inhalation);(b) the expiratory volume-time curve is used to measure the individual’s time during a period of time.The expiratory or inspiratory flow rate and corresponding volume within the time period are obtained.

圖2 穿戴式呼吸波譜儀的呼吸功能檢測與測定原理及其全系統(tǒng)的示意圖 (a)肺功能檢測過程,其中(i)傳統(tǒng)肺功能檢測儀只能采取從嘴用力呼出氣的形式,同時需要專業(yè)醫(yī)護人員在場指導;(ii)基于動態(tài)濕度傳感技術(shù)的穿戴式呼吸波譜儀可以對嘴呼吸和鼻呼吸進行定量檢測和監(jiān)測,保證受測者正常呼吸的同時,設(shè)備也方便穿戴.(b)穿戴式呼吸波譜儀定量測定人體呼吸原理示意圖.以呼氣過程為例,呼氣過程人體呼吸潮氣進入穿戴式呼吸波譜儀,穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)潮氣含量與氣體壓力均增大.在此壓差下,穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)潮氣通過阻力棉離開其內(nèi)部.此過程符合達西定律,即潮氣的體積流速與穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)外水蒸氣的分壓差成正比;(c)基于動態(tài)濕度傳感技術(shù)的穿戴式呼吸波譜儀系統(tǒng),其中(i) 動態(tài)濕度傳感器,將人體呼吸過程的潮氣變化定量的轉(zhuǎn)化為的電信號;(ii)移動端應(yīng)用軟件,建立與穿戴式呼吸波譜儀的實時連接;(iii)云平臺,通過手機將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至云端后臺;(iv)服務(wù)器與(v)數(shù)據(jù)處理與分析,對原始電信號進行定量分析、計算以及儲存Fig.2.Respiratory function detection and measurement principle of the wearable respiratory spectrometer and the schematic diagram of the entire system.(a) Pulmonary function testing process: (i) Traditional pulmonary function testing instruments can only take the form of exhaling forcefully from the mouth,and require professional medical staff to be present for guidance;(ii) a wearable respiratory spectrometer based on dynamic sensing technology can mouth breathing and nasal breathing are quantitatively detected and monitored to ensure that the subject breathes normally while the device is also easy to wear.(b) Schematic diagram of the principle of quantitative measurement of human respiration by a wearable respiratory spectrometer.Take the exhalation process as an example.During the exhalation process,human respiratory moisture enters the wearable respiratory spectrometer,and the moisture content and gas pressure in the wearable respiratory spectrometer increase.Under this pressure difference,the moisture in the wearable respiratory spectrometer leaves its interior through the resistance cotton.This process complies with the Darcy’s law,that is,the volumetric flow rate of moisture is directly proportional to the partial pressure difference of water vapor inside and outside the wearable respiratory spectrometer.(c) The wearable respiratory spectrometer system based on dynamic humidity sensing technology includes.(i) Dynamic humidity sensor: Quantitatively converts the moisture changes during human breathing into electrical signals.(ii) Mobile application software: Established and worn real-time connection of respiratory spectrometer.(iii) Cloud platform: Send data to the cloud backend in real time through mobile phone.(iv) Server and (v) data analysis: Perform quantitative analysis,calculation and storage of original electrical signals.

2.2 測試原理

以壓差式傳感的肺功能檢測儀的測量原理為例,其利用在一定阻力的流通管道中氣流的壓力的變化與體積流速的依從關(guān)系測定流量.因此,壓差式肺功能檢測儀中的管道對氣體流動的阻力為其定量測定的關(guān)鍵參數(shù).具體來說,設(shè)某一瞬間的流體的體積流量為Q,流體在阻力為R的流通管道中的壓力降 ?P滿足(1)式:

也就是說,使流體通過已知阻力或阻力曲線的流通管道即可實現(xiàn)其流體流量與其在管道壓力降的換算.實際測量中,肺功能監(jiān)測儀中的壓差式傳感器將壓力降轉(zhuǎn)換成一定的電信號,經(jīng)上述換算處理后以數(shù)值或曲線圖形顯示結(jié)果.

實際上,穿戴式呼吸波譜儀對肺功能相關(guān)參數(shù)的定量測定同樣符合上述壓差式傳感的肺功能檢測儀的原理.根據(jù)物理原理,流體流速與壓差或壓力降可通過流體力學關(guān)系進行定量計算.達西定律(Darcy’s law)適用于穩(wěn)定滲流條件下,流體以層流通過均勻多孔介質(zhì)時流速與壓力降關(guān)系的計算[37,38].流體在單位時間內(nèi)通過多孔介質(zhì)的流量與路徑長度成反比,與流通面積和壓差成正比.類似地,穿戴式呼吸波譜儀的阻力棉對于潮氣的阻力可類比于多孔介質(zhì)對水阻力.因此,如圖2(b)所示,人體呼出的潮氣體積流速q與此壓力差成正比,呼氣體積V為體積流速在時間上的積分:

其中kR表示阻力棉對于潮氣的阻力系數(shù);S表示潮氣的流通面積;Pin和Pout分別為穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)、外側(cè)的氣體壓力.

實際上,(2)式和(1)式所描述的物理規(guī)律是相同的,即流體流量與流體流過區(qū)域的壓力降成正比.實際上,(1)式為壓差式傳感器的經(jīng)驗公式,而(2)式可以作為某一實際應(yīng)用條件下,如雨水滲流量和本文所述的穿戴式呼吸波譜儀流量的具體表現(xiàn).

需要說明的是,(2)式所描述的過程為穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部與外部的氣流交換過程,而穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部本身存在人體呼吸氣體的混合.由于人體呼吸為動態(tài)過程,其體積流速在呼氣過程中存在最大值即PEF,無法通過(2)式求取.因此,需要建立新的關(guān)系對呼氣流量特別是峰值呼氣流量進行測定.如圖1(a),通常呼氣流量快速達到峰值,穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部空間可認為相對封閉.則由理想氣體狀態(tài)方程和穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部質(zhì)量守恒方程,可得呼出潮氣流量q計算式:

式中,ηin為穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部的相對濕度;k1和k2均為常數(shù).

我們注意到,對潮氣的傳感器,主要可分為電阻式與電容式[31].可將潮氣中水蒸氣的分壓或相對濕度濕度與電阻R或電容C的關(guān)系寫為

式中,a1,b1,a2,b2和c1均為常數(shù).

進一步地,聯(lián)立(3)式、(4)式、(6)式可得呼氣體積V計算公式:

式中,ε0為常數(shù),其大小與阻力棉對氣流的阻力和穿戴式呼吸波譜儀通氣面積有關(guān); ?t為電信號變化過程所經(jīng)歷的時間.

綜上所述,通過佩戴穿戴式呼吸波譜儀,即可對呼吸流速和呼吸量進行定量計算.

2.3 穿戴式呼吸波譜儀模型

如圖2(a)中(ii)圖所示,本文所述穿戴式呼吸波譜儀的外形類似KN95 口罩.需要注意的是,為實現(xiàn)以上對肺功能的定量測量,該設(shè)備還必須具有以下特點.

1)恒定的內(nèi)部腔體容積: 這是定量測量呼吸量相關(guān)參數(shù)的前提.為此,穿戴式呼吸波譜儀的腔體應(yīng)為尺寸固定的硬殼,以保使用穿戴式呼吸波譜儀體積恒定不變,從而確立體積流速與壓力的定量關(guān)系.

2)固定通氣面積: 由(2)式達西定律,體積流速與流通面積成正比,穿戴式呼吸波譜儀通氣孔面積A,必須固定,以保證定量關(guān)系.

3)固定氣流阻力的阻力棉: 由(2)式達西定律,體積流速與阻力系數(shù)成正比.阻力棉是提供一固定阻力系數(shù)的薄膜,實現(xiàn)潮氣流量控制,從而實現(xiàn)測量的準確性.阻力棉的阻力應(yīng)保持穩(wěn)定,以確保測量結(jié)果的一致性.此外,按照呼吸功能檢測行標[39],阻力棉的氣流阻力應(yīng)小于0.35 kPa/(L·s–1).此外,由于穿戴式呼吸功能檢測儀中的阻力棉,在必要時,也往往兼有過濾病毒的作用.作為長期偑帶需要,給定的通氣口尺寸,也是平衡佩戴阻力與過濾效果的需要.對于國標要求的KN95 口罩,其顆粒物過濾效率(particle filtration efficiency,PFE) ≥ 95%[40].

4)良好的密封性: 穿戴式呼吸波譜儀的密封性,也是保證以上1)—3)要點的關(guān)鍵.因此,應(yīng)采用柔軟、具有較好彈性的材料如硅膠等,以確保穿戴式呼吸波譜儀與面部緊密貼合,防止外界空氣和潮氣的滲入.

5)高靈敏的動態(tài)濕度傳感器: 動態(tài)濕度傳感器通過測定穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)外壓力差的方式對人體呼吸過程進行傳感.其利用一定的潮氣量通過傳感器時所引起的電阻或電容的定量變化對潮氣的含量進行測定.

由于穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部容積一定,其內(nèi)部潮氣含量由人體呼吸體積流速q決定,即保證(4)式成立.而穿戴式呼吸波譜儀主體通氣面積即S固定,當阻力棉所提供的阻力即kR,ε0一定時,其內(nèi)、外氣體的壓力差即 (pin-pout) 與流速q成正比關(guān)系.也就是說,在外界大氣環(huán)境一定的情況下,可以通過基于動態(tài)濕度傳感器的穿戴式呼吸波譜儀對人體呼吸體積V進行定量計算,即(7)式.這種傳感器與所設(shè)計結(jié)構(gòu)的結(jié)合,一方面避免了傳統(tǒng)的管式結(jié)構(gòu)的缺點,使得測量裝置更加緊湊、便攜;另一方面其本身具有更小的阻力,能夠通過人體的自由呼吸對肺功能進行評估,結(jié)合云通訊可以同時對肺功能進行定量的、實時的評估和監(jiān)測.

2.4 穿戴式呼吸波譜儀全系統(tǒng)

如圖2(c)所示,基于動態(tài)濕度傳感技術(shù)的穿戴式呼吸波譜儀系統(tǒng)包括以下組成部分: 動態(tài)濕度傳感器、移動端應(yīng)用軟件、云平臺、服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理與分析.與手機無線連接的穿戴式呼吸波譜儀可在交互界面實現(xiàn)對人體呼吸的實時監(jiān)測,通過手機將信號傳輸至云平臺后,可使用內(nèi)置的算法和機器學習模型對信號進行實時分析和處理.這些算法可以識別異常呼吸狀態(tài),并及時發(fā)出警報,以便用戶及時采取行動或?qū)で筢t(yī)療幫助.此外,還可以根據(jù)呼吸信號的形態(tài)進行深度呼吸分析,了解呼吸的深度和呼氣流速等指標.實際上,通過在云平臺上儲存呼吸數(shù)據(jù),將其提供給醫(yī)生、研究人員或健康管理平臺,可用于評估呼吸狀況的長期變化、制定個性化的治療方案或進行流行病學研究.

3 實驗和測試系統(tǒng)

本章的實驗與測試主要基于肺功能檢測的行業(yè)標準[32],并根據(jù)第2 章的原理進行設(shè)計.

3.1 濕度傳感器電容值和環(huán)境相對濕度的關(guān)系測試

為測定傳感器與濕度的定量關(guān)系,我們通過恒溫恒濕試驗箱(DECCA-80 L,德卡精密量儀有限公司)控制實驗條件.恒溫恒濕箱腔體內(nèi)實際溫度、濕度采用工業(yè)級溫濕度計(TH22 R-EX,妙觀科技有限公司)進行實際測量,并作為環(huán)境溫度和相對濕度值.

恒溫恒濕箱腔體內(nèi)實際溫、濕度采用工業(yè)級溫濕度計進行實際測量,并作為環(huán)境溫度和相對濕度值.采用穩(wěn)態(tài)測試,即設(shè)置某一相對濕度后,等待至少5 min,并確認工業(yè)級溫濕度計讀數(shù)相對穩(wěn)定后,記錄穿戴式呼吸波譜儀電信號值和工業(yè)級溫濕度計所測溫度和相對濕度值.設(shè)置恒溫恒濕箱溫度25 ℃,相對濕度分別為35%,50%,55%,65%,75%,80%,85%,90%,95%,98%和99.8%.

3.2 呼吸波模擬器與呼吸定量測試

需要指出,即使在恒定外部條件下,人體的呼吸過程也是動態(tài)變化的.為準確模擬人體的呼吸過程,本研究采取呼吸波模擬器來定量模擬人體呼吸,所采用的呼吸波模擬器型號: Flow and Volume Waveform Generator (with BTPS simulator),PWG-33BT,Piston medical.

測試方法如圖3(a)所示,將穿戴式呼吸波譜儀佩戴在人體頭部模型上(頭部模型的外表面不透氣),以不漏氣為準.將呼吸波模擬器的連接器穿過頭部模型,連接器末端插上通用的咬嘴.咬嘴伸入到穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部,與濕度傳感器平齊,距離約2 cm.模擬潮氣的由加濕器加熱加濕,輸入呼吸波模擬器的模擬潮氣溫度約37 ℃,相對濕度95%以上.如圖3(b)所示,模擬潮氣依次通過加濕器、呼吸波模擬器、連接器和咬嘴,輸送至穿戴式呼吸波譜儀內(nèi).

圖3 呼吸波模擬器測試 (a)呼吸波模擬器測試系統(tǒng)照片;(b) 測試過程中,模擬潮氣的流通路徑示意圖;(c)呼吸波模擬器所輸出的波形為行標[32]所規(guī)定的A 波形和B 波形,模擬潮氣體積流速隨時間的變化關(guān)系Fig.3.Flow and volume waveform generator testing: (a) Photo of the flow and volume waveform generator test system;(b) schematic diagram of the flow path of simulated moisture during the testing process;(c) the waveform output by the flow and volume waveform generator is the A waveform and B waveform specified in the industry standard “YY/T 1438-2016”[32] to simulate the change of flow rate of respiratory moisture with time.

3.3 穿戴式呼吸波譜儀對模擬潮氣的電信號響應(yīng)的測試

如前所述,人體的呼出氣接近37 ℃,相對濕度接近100%.要對人體呼吸過程進行監(jiān)測,動態(tài)濕度傳感器需要對高濕度變化過程有高敏度與快速反應(yīng)的特點.因此,需要首先測定該傳感器對潮氣的電信號響應(yīng)程度.

電信號響應(yīng)測試所采用的呼吸波模擬器的波形為正弦波型.改變正弦波的氣體體積FVC 和峰值流速PEF,記錄穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)濕度傳感器電容值變化.正弦波型包含呼氣、吸氣兩個連續(xù)過程,其體積流速qsin(t) 在一個呼吸周期T內(nèi)與時間t成正弦關(guān)系:

設(shè)置FVC 為3—10 L (步進1 L),PEF 分別為400,450 和500 L/min 的模擬潮氣.此時,由于波形限制為正弦波,單次呼出、吸入所需時間也被確定.

3.4 電信號變化與模擬潮氣PEF 關(guān)系及其誤差的行標測試

PEF 是行標[32]嚴格要求的肺功能測試結(jié)果之一.因此,采取行標測試波形和要求[32]對穿戴式呼吸波譜儀的電信號變化與模擬潮氣的峰值呼氣流量PEF 的關(guān)系進行測試,并且按要求對PEF 的測試誤差(示值誤差、相鄰測試誤差和頻率響應(yīng)誤差)進行了計算.

設(shè)置呼吸波模擬器輸出的波形為行標[32]規(guī)定的A 波形 (A 波形如圖3(b)所示),FVC 為5.6 L,PEF 分別為180,360,540,600,720 和840 L/min,記錄穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)濕度傳感器電容值變化并計算穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度的最大變化率,即 Max(dη/dt) .同一條件下的5 次平行測試計算平均值作為該條件的 Max(dη/dt) .

1) 示值誤差: 在以上測試條件下,記錄穿戴式呼吸波譜儀電容值變化并計算穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度的最大變化率.同一條件下通過測得的Max(dη/dt)-PEF 工作曲線(圖5)可計算得到當次測試的 PEFtest.將其與實際值 PEFreal計算相對偏差即得到當次測試的示值誤差:

同一條件測試5 次,各次測試值直接計算示值誤差.行標[32]要求,示值誤差為10 L/min (0.17 L/s)或者讀數(shù)的10%,兩者取較大值.

2)相鄰測試誤差: 在以上測試條件下,記錄穿戴式呼吸波譜儀電容值變化并計算穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度的最大變化率.同一條件下通過測得的 Max(dη/dt) -PEF 工作曲線(圖5)可計算得到當次測試的 PEFtest.計算該條件每次測試結(jié)果PEFtest與該條件下多次測試的平均值 PEFave的相對偏差:

相鄰測試誤差的測試中,每個條件測試5 次,每次測試值與平均讀數(shù)計算平均誤差.行標[32]要求,任何呼氣峰值流量的讀數(shù)變化不超過10 L/min (0.17 L/s)或者平均讀數(shù)的 5%,兩者取較大值.

3)頻率響應(yīng)誤差: 設(shè)置呼吸波模擬器輸出的波形為行標[32]規(guī)定的B 波形(B 波形見圖3(b)),呼出潮氣量為5.6 L,改變PEF 分別為180,360,540 L/min.其余與A 波形測試PEF 的方法相同,記錄穿戴式呼吸波譜儀電容值變化并計算穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度的最大變化率 Max(dη/dt),通過(4)式可計算得到B 波形測試的 PEFB,將其與同一條件下以A 波形測得的 PEFA進行相對偏差計算,得到該條件下的頻率響應(yīng)誤差:

頻率響應(yīng)的測試中,A,B 波形改變的三種PEF 均進行5 次測試,取5 次測試的平均值進行計算.行標[32]要求,頻率響應(yīng)誤差不超過15 L/min(0.25 L/s)或者12%,兩者取較大值.

3.5 電信號變化與模擬潮氣FVC 關(guān)系的行標測試

作為評估肺功能的重要參數(shù)之一,FVC 能夠?qū)υu估肺容積和流量的異常情況具有重要意義.因此,借鑒該行標的測試方法[32],進行了穿戴式呼吸波譜儀的電信號變化與模擬潮氣FVC 的關(guān)系的測試.

設(shè)置呼吸波模擬器輸出的波形為行標[32]所規(guī)定的A 波形.考慮用力呼氣測試,健康成年人FVC 范圍通常是2.5—4 L,PEF 范圍通常是400—600 L/min[41–43].因此,呼吸波模擬器輸出的FVC分別設(shè)置為3—6 L (步進1 L),PEF 分別為150,200,300,450,600 L/min.每個條件進行5 次測試,記錄或計算五次測試結(jié)果并取平均值.通過記錄濕度傳感器的電信號變化量 ?C及其所經(jīng)歷的時間 ?t,計算其乘積后對呼出潮氣量作圖.

3.6 與市售肺功能檢測儀的實驗對照

由于行標[32]對相關(guān)參數(shù)的要求僅是肺功能測試設(shè)備的最基本的條件,需要進一步說明穿戴式呼吸波譜儀的實用性和測試準確性.為了與穿戴式呼吸波譜儀的便捷測量對標,采用市售的便攜式肺功能檢測儀(肺活量計B1,廣州紅象醫(yī)療科技有限公司)進行了呼吸波模擬器的輸出測試.

設(shè)置呼吸波模擬器輸出的波形為行標[32]所規(guī)定的A 波形,FVC 分別設(shè)置為3—6 L (步進1 L),PEF 分別為300,450,600,720 L/min.分別將穿戴式呼吸波譜儀和市售便攜式肺功能檢測儀通過頭模接入呼吸波模擬器的輸出口進行測試,每個條件進行3 次測試,記錄或計算3 次測試結(jié)果并取平均值.該便攜式肺功能檢測儀測試完即可顯示PEF,FVC 數(shù)值,作為對比.記錄濕度傳感器的電信號變化,結(jié)合(4)式和(7)式的計算方法計算得到采用穿戴式呼吸波譜儀得到的以上用力呼氣肺功能測試的結(jié)果.

3.7 穿戴式呼吸波譜儀對自由呼吸體積NRV的模擬潮氣定量測試

穿戴式呼吸波譜儀中高靈敏度的濕度傳感器將賦予其對于微小鼻呼吸信號進行定量檢測的能力.因此,進一步地,在自由呼吸條件下進行了穿戴式呼吸波譜儀的電信號變化與NRV 的定量關(guān)系的測試.

一般來說,健康成年人潮氣量通常為0.5—0.7 L,相應(yīng)體積流量范圍為12—24 L/min[44].設(shè)置呼吸波模擬器輸出的波形為行標[32]規(guī)定的A 波形,呼出潮氣量分別設(shè)置為0.4—0.7 L (步進0.1 L),PEF 分別為12,18,24 L/min.通過記錄濕度傳感器的電信號變化量 ?C及其所經(jīng)歷的時間 ?t,計算其乘積后對呼出潮氣量作圖.

4 結(jié)果與討論

4.1 潮氣流速和體積與電信號變化的關(guān)系

由于電容式濕度傳感器具有優(yōu)異的可清洗性、耐久性、穩(wěn)定性以及較高的靈敏度[31],可以將其用于檢測人體呼吸過程中潮氣壓力的變化.圖4(a)為電容式濕度傳感器在不同相對濕度環(huán)境下的電容值.結(jié)果表明,即使在環(huán)境相對濕度高于80%的情況下,該傳感器具有相當高的電容響應(yīng)值,且隨著相對濕度的進一步增大,曲線斜率增大,說明其檢測靈敏度也同步增加.需要說明的是,由于人體呼吸道的調(diào)節(jié),呼吸潮氣的相對濕度近乎100%,因此對高濕度環(huán)境的高靈敏檢測是呼吸濕度傳感器的必然需求.此外,由于濕度傳感器電信號強度與環(huán)境相對濕度之間存在確定的冪函數(shù)關(guān)系,即(6)式,可通過獲取傳感器電信號強度對流通在穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)部的呼吸潮氣的流量進行實時監(jiān)測.圖4(a)中本文所采用的電容式濕度傳感器,(6)式中的參數(shù)為:a2= 4.268,b2=3.430×10-24,c1=12.382 (R2=0.9995).

圖4 基于電容型濕度傳感器的穿戴式呼吸波譜儀用于呼吸定量監(jiān)測 (a)濕度傳感器電容和環(huán)境相對濕度的關(guān)系.實驗結(jié)果表明,濕度傳感器電信號強度即電容值隨著濕度的增加而增加,符合(6)式冪函數(shù)關(guān)系;(b)使用呼吸波模擬器研究穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)濕度傳感器電容值與潮氣的峰值流速PEF 和呼氣體積FVC 的關(guān)系.實驗結(jié)果表明,電信號變化強度隨呼氣體積的增大而增大.不同PEF 下,同一FVC 電信號變化強度基本相同F(xiàn)ig.4.Wearable respiratory spectrometer based on the capacitive flexible moisture sensor is used for quantitative respiratory monitoring: (a) The relationship between the capacitance of the flexible moisture sensor and the relative humidity of the environment.Experimental results show that the electrical signal strength of the flexible moisture sensor,that is,the capacitance value,increases with the increase in humidity,consistent with the power function relationship of Eq.(6);(b) use a flow and volume waveform generator to study the capacitance value of the flexible moisture sensor in a wearable respiratory spectrometer relationship to PEF and FVC.Experimental results show that the intensity of changes in electrical signals increases with the increase in FVC.Under different PEF,the intensity of changes in the electrical signal for the same expiration volume is basically the same.

根據(jù)肺功能峰值流量計行標[32],需要測量用力呼氣測試中的峰值流量PEF.此外,雖然FVC(用力肺活量)不是該行標[32]要求的測量指標,但它們在用力呼氣測試中也是評估肺功能的重要參數(shù).為進一步建立以上參數(shù)與穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)濕度傳感器電容響應(yīng)的定量關(guān)系,使用呼吸波模擬器產(chǎn)生不同呼氣量 (即用力肺活量FVC)和不同峰值呼氣流量(即PEF)的正弦波型潮氣,并將其輸送至含有濕度傳感器的穿戴式呼吸波譜儀內(nèi),記錄傳感器的電容信號變化情況.呼氣過程高濕度潮氣進入穿戴式呼吸波譜儀內(nèi),其內(nèi)部相對濕度會相應(yīng)增加,濕度傳感器的電信號強度會隨著呼氣量的增大而增大,如圖4(b)所示.反之,吸氣過程傳感器的電信號強度將降低.同理,最大呼吸流速一定時,呼氣體積越大,電信號變化幅度越大.值得注意的是,在不同的呼氣流速下,同等呼氣體積所引起的電信號變化幅度基本差異不大.然而,同等呼氣體積下,更高的呼氣流速將導致更短的測試周期與更快的內(nèi)部腔體濕度變化.這也側(cè)面表明,呼氣流速與穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度的一階導數(shù)正相關(guān)的推論,即(4)式.更重要的是,在人體所能達到的呼氣流速范圍內(nèi),這種電容式的濕度傳感器都能夠通過監(jiān)測穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)的潮氣含量來準確檢測呼吸的變化.

4.2 通過穿戴式呼吸波譜儀對常規(guī)肺功能參數(shù)PEF 進行測量

進一步地,通過標準方法建立穿戴式呼吸波譜儀電信號變化與峰值呼氣流量PEF 的關(guān)系.參考行標[32]測試方法,使用呼吸波模擬器輸出了所定義特定波形在相同呼氣體積下不同PEF 的模擬潮氣進行測試.通過傳感器電容與相對濕度的對應(yīng)關(guān)系計算得到了穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度的最大變化率,即一階導數(shù)的最大值 Max(dη/dt) .如圖5 所示,測試結(jié)果表明穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度的最大變化率 Max(dη/dt) 與實際PEF 呈線性正相關(guān),與(4)式相符.也就是說,可以通過測量穿戴式呼吸波譜儀腔體內(nèi)部相對濕度最大變化率 Max(dη/dt),即可對人體呼吸的體積流量進行測定:

圖5 穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度最大變化率與潮氣的體積流速的定量關(guān)系.結(jié)果表明,穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)相對濕度最大變化率與峰值呼氣流量PEF 呈線性相關(guān)(R2=0.9993)Fig.5.Quantitative relationship between the maximum change rate of relative humidity Max(dη/dt) in the wearable respiratory spectrometer and PEF.The results show that Max(dη/dt) is linearly related to PEF (R2=0.9993).

其中m,n均為常數(shù),m=0.237,n=6.717.

以圖5 為PEF 測定的工作曲線,分別進行示值誤差、相鄰測試誤差和頻率響應(yīng)誤差的測試.示值誤差為測試得到的 PEFtest與實際設(shè)置 PEFreal的相對偏差,其測試結(jié)果列于表1.測試結(jié)果表明,PEFtest與 PEFreal的誤差均在10%以內(nèi),符合行標[32]關(guān)于示值誤差的要求.相鄰測試誤差為當次測試結(jié)果 PEFtest與該條件下多次測試的平均值 PEFave的偏差.表1 中的相鄰測試誤差結(jié)果表明,多次測試 Max(dη/dt) 后通過(12)式關(guān)系計算得到該誤差均在5%以內(nèi).在頻率響應(yīng)誤差的測試中,A 和B 兩種波形在不同時刻達到相同的PEF.表1 中的頻率響應(yīng)測試結(jié)果表明,兩種波形所引起的Max(dη/dt)是基本一致的,經(jīng)計算得到的PEF 也符合行標[32]小于12%的要求.頻率響應(yīng)測試結(jié)果表明 Max(dη/dt) 僅與PEF 本身的大小有關(guān),而與PEF 出現(xiàn)的時刻無關(guān).

表1 示值誤差、相鄰測試誤差和頻率響應(yīng)誤差測試結(jié)果*Table 1. Indication error,adjacent test error and frequency response error test results*.

4.3 通過穿戴式呼吸波譜儀對常規(guī)肺功能參數(shù)FVC 進行測量

使用呼吸波模擬器進一步定量地對呼氣體積FVC 與穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)濕度傳感器電信號變化的關(guān)系進行了研究.通過記錄濕度傳感器的電信號變化量 ?C及其所經(jīng)歷的時間 ?t,計算其乘積后對FVC 作圖,結(jié)果如圖6 所示.結(jié)果表明FVC與電信號變化和呼氣時間的乘積成正比,與(7)式相符.該線性關(guān)系的斜率大小與阻力棉對呼吸潮氣的阻力和穿戴式呼吸波譜儀通氣面積有關(guān).此外,總體上,在相同F(xiàn)VC 情況下,PEF 越高,?C與?t的乘積即濕度傳感器的電信號隨時間變化曲線下的面積將越小,而這也與圖4(b)所顯示的規(guī)律相符.因此,確定PEF 后,可根據(jù)其值的大小,采用插值法確定 ?C與 ?t的乘積與FVC 的一次方程參數(shù),進一步對體積進行測定.

圖6 穿戴式呼吸波譜儀傳感電信號變化與潮氣的體積(FVC)的定量關(guān)系.結(jié)果表明,潮氣體積與電信號變化和呼氣時間的乘積成正比,因此可根據(jù)傳感器電信號變化確定呼吸量Fig.6.Quantitative relationship between the changes in electrical signals sensed by the wearable respiratory spectrometer and FVC.The results show that FVC is proportional to the product of the electrical signal change and the expiration time,so the respiratory volume can be determined based on the sensor electrical signal change.

4.4 穿戴式呼吸波譜儀的測量準確性評估

如上所述,穿戴式呼吸波譜儀可對常規(guī)的肺功能參數(shù)PEF 和FVC 進行定量測試,并且滿足行標[32]要求.為進一步評估其測量的準確程度,采用了市售便攜式肺功能檢測儀與穿戴式呼吸波譜儀的測試結(jié)果進行對比.如圖7 所示,穿戴式呼吸波譜儀所測量的結(jié)果都完全落在標準線(實線)上.其PEF的平均示值誤差約0.35%,FVC 約為0.23%.而作為對照的市售便攜式肺功能檢測儀,其測量結(jié)果(虛線)與標準線(實線)呈現(xiàn)出更大的偏差,PEF和FVC 的平均示值誤差分別約為6.5%和14.8%.以上測試結(jié)果表明,在所采取測試條件下,與市面上肺功能檢測儀相比,穿戴式呼吸波譜儀具有更加優(yōu)異的準確度.然而,如前所述,傳統(tǒng)的肺功能檢測儀存在使用時間和空間上的限制,且只能對嘴呼氣進行肺功能評估.而由于穿戴式呼吸波譜儀具有可穿戴的特點,其可以隨時隨地進行自我肺功能評估.更重要的是,穿戴式呼吸波譜儀可以感應(yīng)到微小的鼻呼吸信號,這也為其通過自由呼吸過程對肺功能進行評估提供了可行性.

圖7 穿戴式呼吸波譜儀與市售肺功能檢測儀(肺活量計B1,廣州紅象醫(yī)療科技有限公司)的用力呼氣測試結(jié)果 (a) PEF 和(b) FVC 的對比.結(jié)果表明,在所采取測試條件下,穿戴式呼吸波譜儀具有與市面上肺功能檢測儀相當?shù)?甚至更加優(yōu)異的準確度Fig.7.Comparison of forced expiration test results: (a) PEF and (b) FVC between a wearable respiratory spectrometer and a commercial pulmonary function tester (Vitality Meter B1,Guangzhou Hongxiang Medical Technology Co.,Ltd).The results show that under the test conditions adopted,the wearable respiratory spectrometer has an accuracy comparable to or even better than that of lung function testers on the market.

4.5 穿戴式呼吸波譜儀對自由呼吸功能的測定

與傳統(tǒng)肺功能檢測儀不同,穿戴式呼吸波譜儀可采用連續(xù)、自由呼吸方式來測試肺功能,可以不采取用力呼吸來測定肺功能.這種測試方式具有以下優(yōu)勢: 首先,它的操作簡單,能夠連續(xù)進行呼吸測量;其次,可以避免呼吸系統(tǒng)疾病患者因用力呼吸而引發(fā)氣泡破裂導致氣胸等問題的發(fā)生.

通過自由呼吸,可以獲取一系列關(guān)鍵的呼吸狀態(tài)指標,包括呼吸周期TR、呼吸頻率fR、呼吸幅度AR、吸呼比R以及自由呼吸量NRV 等.本節(jié)將討論通過穿戴式呼吸波譜儀對NRV 的分析與測定,并將該測定結(jié)果與用力呼吸測試的參數(shù)FVC 進行對比,以期獲得有意義的結(jié)論.

4.5.1 自由呼吸的定量分析與NRV 的測定

人體自由呼吸過程通過呼與吸的潮氣產(chǎn)生縱波.通過穿戴式呼吸波譜儀(圖2(a)中(ii)圖),可以將該縱波轉(zhuǎn)化為橫波電信號(圖8(a)),從而得到呼吸波的圖譜.換而言之,呼吸圖譜是指通過傳感器采集到的呼吸信號的波譜.對自由呼吸過程的監(jiān)測可通過自由呼吸圖譜及其定量分析完成.在呼吸圖譜中,橫坐標為時間,縱坐標為電信號的幅值大小.通過對自由呼吸圖譜進行定量分析,可以獲得自由呼吸的呼吸周期TR、呼吸頻率fR、呼吸幅度AR、吸呼比R等至關(guān)重要的呼吸狀態(tài)的基本指標.如圖8(a)所示,具體來說,吸氣時間tins和呼氣時間texp的比例為吸呼比R,兩者相加得到自由呼吸周期TR.自由呼吸頻率fR可以表示為周期TR的倒數(shù).一個呼吸周期TR內(nèi),呼吸圖譜的最高點與最低點之間的差異可定義為呼吸幅度AR,數(shù)值上等于電信號的變化量 ?C.這里,可使用自由呼吸圖譜的 ?C與 ?t的乘積來估算呼吸波曲線的呼氣階段與曲線的最低點之間形成的區(qū)域的面積Sexp.由(7)式可知,可認為Sexp的數(shù)值正比于單次呼吸時呼出的氣量.

圖8 穿戴式呼吸波譜儀通過自由呼吸對肺功能進行監(jiān)測 (a)通過穿戴式呼吸波譜儀獲得的自由呼吸圖譜及其相關(guān)物理量的定量定義.吸氣時間tins 和呼氣時間texp 之比為吸呼比R,兩者之和為一個自由呼吸周期TR.自由呼吸周期TR 內(nèi),呼吸波的波峰和波谷的差值定義為呼吸幅度,其值在數(shù)值上等于電信號變化量 ?C,自由呼吸頻率fR 為呼吸周期TR 的倒數(shù).呼吸波曲線呼氣段與曲線最低點所圍成的面積定義為Sexp,其值可用 ?C 與 ?t 的乘積估計;(b) 模擬自由呼吸情況下,Sexp 與NRV 成線性關(guān)系;(c)通過穿戴式呼吸波譜儀獲得的自由呼吸過程和用力呼氣過程的呼吸量與時間的變化曲線(右上插入圖為呼吸圖譜,即電信號隨時間的變化曲線);(d) 穿戴式呼吸波譜儀獲得的健康志愿者的NRV 與FVC 的關(guān)系,結(jié)果表明NRV 與FVC 基本成正相關(guān),可作為肺功能評估的重要指標Fig.8.Wearable respiratory spectrometer monitors lung function through natural respiration: (a) Quantitative definition of the natural respiration spectrum obtained by the wearable respiratory spectrometer and its related physical quantities.The ratio of the inhalation time tins and the expiration time texp is the inhalation-to-exhalation ratio (R),and the sum of the two is a natural respiration cycle time (TR).During the natural respiration period TR,the difference between the peak and the trough of the respiratory wave is defined as the respiratory amplitude,and its value is numerically equal to the electrical signal change amount ΔC.The natural respiration frequency (fR) is the reciprocal of TR.The area enclosed by the expiratory segment of the respiratory wave curve and the lowest point of the curve is defined as Sexp,and its value can be estimated by the product of ΔC and Δt;(b) under simulated natural respiration,Sexp has a linear relationship with NRV;(c) the expiratory volume-time curve of the natural respiration process and the forced exhalation process obtained through the wearable respiratory spectrometer (inserted is the respiratory spectrum,that is,the change curve of the electrical signal with time);(d) the relationship between the natural respiration volume(NRV) and FVC measured by the wearable respiratory spectrometer of healthy volunteers.The results show that NRV and FVC are basically positively correlated and can be used as an important indicator for lung function assessment.

類比4.3 節(jié)中的定量分析可得到Sexp與NRV的關(guān)系,從而達到通過自由呼吸對肺功能進行實時監(jiān)測的目的.考慮人體自由呼吸過程,降低模擬潮氣的體積和流速,采用呼吸波模擬器以4.3 節(jié)中相同的測試方法對穿戴式呼吸波譜儀傳感電信號變化與潮氣體積的定量關(guān)系進行測試.如圖8(b)所示,測試結(jié)果表明,呼吸圖譜呼氣段與曲線最低點所圍成的面積Sexp與自由呼吸的呼出氣體量NRV成線性關(guān)系.該線性關(guān)系的斜率大小與阻力棉對自由呼吸潮氣的阻力和穿戴式呼吸波譜儀通氣面積有關(guān).穿戴式呼吸波譜儀可對微弱鼻呼吸的定量測定,是歸因于濕度傳感器具有較高的靈敏度,且貼近面部,可以獲取更準確的信號變化.然而,常規(guī)的肺功能檢測儀在直接測試自由呼吸方面存在盲區(qū).常規(guī)的肺功能檢測儀在設(shè)計之初就應(yīng)用于測量嘴呼氣的肺功能指標,無法直接對鼻呼吸進行測試.此外,常規(guī)檢測儀器的傳感器靈敏度也限制了其對更微弱鼻呼吸量的準確測定.因此,可以通過自由呼吸圖譜對自由呼吸狀態(tài)下的呼氣量進行定量測定.

前文已提及,人們的自由呼吸是一波動.原則上,波上能夠傳遞呼吸過程的能量,同時呼吸波在產(chǎn)生和傳播過程,能攜帶肺部與呼吸道的各種結(jié)構(gòu)及變化的信息(例如肺部或呼吸道的病變信息).因此,呼吸波的特征參數(shù)對今后與肺部疾病相關(guān)的波譜分析至關(guān)重要.除了上述提到的頻率和幅度之外,對呼吸波的波長進行評估也是非常重要的.通過呼吸頻率和自由呼吸潮氣的流速,我們能夠估算呼吸波的波長λ:

其中fR為呼吸頻率,v為濕度傳感器所測定自由呼吸潮氣的流速.考慮健康成年人自由呼吸體積流量范圍為12—24 L/min[44],呼吸頻率fR為0.2—0.33 次/s[45,46].穿戴式呼吸波譜儀內(nèi)側(cè)通氣面積約為4000 mm2,可知自由呼吸流速v的范圍為0.05—0.1 mm/s,則由(13)式所計算得到的自由呼吸波波長λ為0.15—0.6 mm.值得指出的是,較小的呼吸波波長有助于通過呼吸波所傳遞的信息來檢測肺部微小病變.較小的波長意味著呼吸波能更好地反映呼吸系統(tǒng)的微小結(jié)構(gòu)和功能變化,從而提供更敏感的肺部疾病檢測和評估手段.

4.5.2 自由呼吸量和用力肺活量的相關(guān)性的臨床表現(xiàn)

為研究自由呼吸與常規(guī)呼吸功能檢測結(jié)果的相關(guān)性,對7 名成年志愿者(男性4 名,女性3 名,年齡23 至28 歲)進行基于穿戴式呼吸波譜儀的NRV 測試和FVC 測試.以一名男性志愿者測試結(jié)果為例,在穿戴呼吸波譜儀狀態(tài)下,首先進行一段時間連續(xù)、自由呼吸,然后深吸氣并盡可能呼出肺部所有氣體.記錄此過程的電信號變化(圖8(c)中的插圖),可分別計算自由呼吸過程的Sexp(圖8(a)、圖8(b))用力呼吸過程的 ?C與?t及其乘積(圖6)隨時間的變化情況,從而定量轉(zhuǎn)化成呼氣容積-時間曲線,如圖8(c)所示.也就是說,基于4.3 和4.5.1 節(jié)中的定量關(guān)系,可對受測者的呼吸圖譜進行定量轉(zhuǎn)換,得到NRV 和FVC 的定量測試結(jié)果.

為直接觀察NRV 和FVC 的相關(guān)性,以上述測試7 位志愿者的NRV 和FVC 結(jié)果分別為橫軸和縱軸進行作圖.如圖8(d)所示,可觀察到NRV與FVC 基本呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系.這說明,FVC 較大的個體,NRV 也較大,表明NRV 和FVC 在肺功能評估中具有相似性與可比性.因此,通過穿戴式呼吸波譜儀對肺功能進行方便、實時的定量監(jiān)測,而不僅局限于用力呼吸測試的方式.

我們注意到,圖8(d)中的點的離散性比圖8(b)中呼吸波模擬器測量的結(jié)果要大.這是因為在測量傳統(tǒng)肺功能參數(shù)如FVC 時,個體吹氣的方式存在差異,從而導致較大的測試誤差.相比之下,個體的自由呼吸量沒有太大的差異,這些差異也可以通過測試誤差來觀察到.在圖8(d)測試結(jié)果中,FVC測量產(chǎn)生的誤差比NRV 的誤差要大.

NRV 反映了正常的、自然鼻呼吸狀態(tài)下的人體呼吸功能,在臨床上可能作為肺功能一個重要指標,具有重要意義.尤其是對于不能很好應(yīng)用用力肺活量測試的人群,NRV 的測量能夠提供一個簡便、連續(xù),又不傷及自身的安全的肺功能評估方式.

5 結(jié)論

綜上所述,依據(jù)物理定律,穿戴式呼吸波譜儀對呼吸過程的傳感符合壓差式傳感的原理.呼氣流量與腔體內(nèi)部濕度變化的一階導數(shù)成正比,而呼氣體積與傳感電信號在時域上的積分有關(guān).以此為基礎(chǔ)可合理設(shè)計穿戴式呼吸波譜儀結(jié)構(gòu),結(jié)合其中的動態(tài)濕度傳感器對人體呼吸過程進行定量檢測.通過呼吸波模擬器進行模擬潮氣測試和結(jié)果分析,首先建立了基于穿戴式呼吸波譜儀的用力呼氣測試PEF 的測定方法.誤差測試結(jié)果表明,PEF 的示值誤差小于10%,相鄰測試誤差小于5%,頻率響應(yīng)測試誤差小于12%.進一步地,通過模擬潮氣測試建立了穿戴式呼吸波譜儀測定呼氣體積FVC 的定量關(guān)系.此外,進行了穿戴式呼吸波譜儀與市面產(chǎn)品的模擬潮氣測試對比.波譜儀所測PEF 和FVC 的平均示值誤差分別約為0.35%和0.23%,均遠遠小于便攜式肺功能檢測儀,說明了穿戴式呼吸波譜儀用于用力呼氣測試的準確性和可靠性.

更重要的是,在模擬自由呼吸條件下,波譜儀的電信號變化與自由呼吸體積仍呈線性關(guān)系.因此,其還可對更微弱的自然鼻呼吸進行定量檢測,從而可以通過人體自由呼吸對肺功能進行實時的監(jiān)測和評估.而這將為嚴重呼吸道疾病或慢性呼吸道疾病患者提供方便可行的評估手段.結(jié)合移動設(shè)備和云技術(shù)可將其進一步擴展至家庭以及遠程監(jiān)護等領(lǐng)域.

總的來說,本文對基于濕度傳感器的穿戴式呼吸波譜儀在人體肺功能評估中的應(yīng)用進行了理論分析和模擬測試,分析并驗證了穿戴式呼吸波譜儀對呼氣流量與呼氣體積的定量檢測方法,特別說明了其對自由呼吸過程評估的可行性,為穿戴式呼吸波譜儀在肺功能實時評估與監(jiān)測提供了理論和實驗基礎(chǔ).