呼气信号分析方法及其在肺功能检查中的应用研究

【摘要】慢性阻塞性肺疾病(Chronicobstructivepulmonarydisease,COPD)是一种具有持续气流受限特征的疾病,早期筛查并干预是预防和治疗COPD的有效途径。肺功能检测已被慢性阻塞性疾病防治全球倡议列为COPD的诊断金标准。然而目前COPD漏诊率仍然很高,主要原因是肺功能检查没有普及。一方面,市场上大型、价格昂贵的进口肺功能仪器只有二甲以上的医院才有经济能力配备,而国内自主研发肺功能仪测量精度和精确性与国外仪器仍存在较大的差距。另一方面,肺功能严格的测试质量控制标准要求10岁以上受试者用力呼气时间在6秒以上,且有呼气平台出现,这大大增加了获得高质量肺功能测试的难度。当前国内的现状造成了肺功能检查难以在社区医疗中推广。为了将肺功能检查在大众健康领域内普及,本论文围绕低成本肺功能仪器研发,将呼气信号分析方法应用于肺功能检查中以降低肺功能测试难度两个主要方面开展了相关研究工作。主要研究内容包括：1.基于双差压传感器法的用力呼气信号获取系统构建在充分分析用力呼气信号特征的基础上,凝炼出用于获取用力呼气信号的流量计性能需求,并确定用于评估肺通气功能所需要的功能指标。鉴于孔板流量计结构简单,制造、使用方便,造价低等优点,本研究提出一种基于双差压传感器的用力呼气信号获取系统设计方案。该系统中所采用的流量计克服了传统孔板流量计测量范围窄的缺点,其最大可测量呼气流量为12L/s,最小可识别的呼气流量可达到7mL/s。同时低成本保证本系统应用推广的可行性。2.用力呼气信号获取系统重复性研究通过两位操作者对35人连续两日开展的肺功能测试,评估操作者对肺功能检查结果的影响,以及该系统的短期重复性；通过统计六个月内使用3L定标筒对系统定标的结果,分析并评估该系统的中期重复性。结果表明只要受试者能够完全按照美国胸科协会/欧洲呼吸协会(AmericanThoracicSociety/EuropeanRespiratorySociety,ATS/ERS)建议的测试质量控制和接收标准完成肺功能检查,最终测试结果不是取决于操作者；短期和中期重复性研究证明了该系统具有很好的短期重复性和中期稳定性。3.基于用力呼气数学模型的用力呼气流量信号分析方法及其应用研究本研究将系统辨识中改进随机数直接搜索法(NewLuus-Jaakolaoptimizationprocedure,NLJ)结合用力呼气数学模型分析用力呼气流量-时间曲线,实现利用用力呼气前半部分的流量-时间曲线估计用力肺活量(forcedvitalcapacity,FVC)。通过对90个实测完全符合测试质量控制标准的流量-时间曲线分析,验证该方法可靠性。结果表明该方法估计的FVC(FVCest)与实测FVC(FVCmea)的差异随选取的流量-时间曲线长度增大而降低,当选取的曲线长度达到3秒时,FVCest和FVCmea已能够满足肺功能检查重复性标准。同时针对肺功能检查中常见的呼气过早结束现象,通过分析103个实测的呼气过早结束流量-时间曲线,评估该方法在实际应用的表现。研究结果证明这种方法可用于分析那些由于呼气过早结束没有达到ATS/ERS建议的用力肺活量测试质量控制要求的数据,也可以通过降低用力肺活量测试的呼气时间要求以帮助临床上无法完成整个用力肺活量测试的人群。4.肺功能与动脉弹性功能相关性研究近几年肺功能降低和心血管风险增加之间的关系越来越到关注,但是这种关系潜在的机制尚不清楚。本研究目的是探讨血管动脉弹性功能与肺功能指标之间的关联性。首先提出了一种基于二阶B样条小波的增长指数(Augmentationindex,AIx)计算方法,并通过60人脉搏波信号数据验证该方法的可靠性。结果表明该方法计算AIx过程简单,无需对脉搏波信号进行滤波处理,而且具有较强的抗噪能力。其次,通过对106名男性进行心血管弹性功能测试和肺功能测试,我们首次分析了男性桡动脉AIx(rAIx)与肺年龄的之间的相关性,结果显示男性肺年龄在70岁之前,rAIx会随着肺年龄的增加显著增长,随后增长趋势有所减缓,最后趋于平稳。研究结果证明了男性人群中肺年龄能够更好的反映出肺功能和心血管弹性功能之间的联系,这也进一步突出肺功能检查的重要性。
【作者】何子军；
【导师】孙怡宁；马祖长；
【作者基本信息】中国科学技术大学，信息获取与控制，2014，博士
【关键词】肺功能检查；慢性阻塞性肺疾病；肺量计；系统辨识；数学模型低通微分器；增长指数；

【参考文献】
[1]宋罕.民间借贷法律监管研究[D].兰州大学,经济法（专业学位）,2013,硕士.
[2]张旺福.基于正交铁心可控电抗器的研究和开发[D].浙江工业大学,2013.
[3]赵洪亮.种分槽机械搅拌的模拟研究[D].东北大学,无线电物理,2010,硕士.
[4]邵兴江.数据挖掘在教育信息化中的应用空间分析[J].浙江现代教育技术,2004,03:31-33.
[5]徐鹏鹏.高效光催化材料的设计及其在光解水制氢中的应用[D].上海师范大学,2014.
[6]何兵.关联规则数据挖掘算法的相关研究[D].西南交通大学,2004.
[7]卫凯凯.车载超稳平台主动控制技术研究[D].重庆大学,车辆工程,2014,硕士.
[8]王祥.中国房地产市场波动及其宏观调控效果研究[D].华侨大学,数量经济学,2014,硕士.
[9]曹蓓蓓.铁炭微电解法处理硝基苯废水的实验研究[D].华东理工大学,化学工艺,2014,硕士.
[10]何艳芳.SSH框架技术在超市管理系统中的应用研究[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.
[11]陈军素.电网企业ERP实施成功的关键因素研究[D].浙江工业大学,2009.
[12]高峰,潘双夏.液压挖掘机负流量负荷传感控制策略[J].农业机械学报,2005,07:111-113.
[13]王颖,陈莹莹.海外引进人才的基本特征研究——以国家“千人计划”入选者为例[J].甘肃广播电视大学学报,2014,05:67-72.
[14]刘明晶.二甲基乙酰胺废液的回收研究[D].东华大学,环境工程,2004,硕士.
[15]刘义伟.中国民间美术元素应用于平面设计的研究[D].沈阳理工大学,设计艺术学,2012,硕士.
[16]顾笑笑.诚在信仰确立中的作用[D].上海大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[17]王汝贵.甘蔗收割机圆盘式切割器工作参数优化研究[D].广西大学,农业机械化工程,2004,硕士.
[18]霍中广,吴坤达.信息技术对银行业的影响[J].价格理论与实践,2002,07:45-46.
[19]高立革.中美公司英文简介中的文化迁移现象初探[D].广东外语外贸大学,外国语言学及应用语言学,2004,硕士.
[20]田瑞云.基于Hadoop的CDN-P2P系统中内容预测机制研究与实现[D].北京邮电大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[21]张婷.反垄断执法和解制度研究[D].郑州大学,法律,2013,硕士.
[22]郑超.基于相位一致性的驾驶员疲劳检测算法[D].长春工业大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[23]王莹.中国期货市场套期保值功能分析[D].河南大学,国民经济学,2004,硕士.
[24]邓章保.农垦领导干部应具备“三性七力”素质[J].特区展望.1996(06)
[25]张国楚,凤鹏飞,李辉,丁金全,齐鲁梁.合宁高速公路部分路段改建优化方案[J].人类工效学,2014,04:70-73.
[26]戴力.教师话语的态度分析[D].浙江工商大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[27]张阳.基于资源栅格分配的异构无线网络节能接入选择算法研究[D].吉林大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[28]郭向金.基于可重构系统的任务放置与任务复制方法研究[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.
[29]何昌箐.顺应论视角下金融英语新闻标题的汉译研究[D].广东外语外贸大学,商务英语研究,2013,硕士.
[30]陈慧敏.高中生物科学史教学现状分析及策略优化的研究[D].曲阜师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[31]陈赟.房屋承租人优先购买权研究[D].宁波大学,民商法学（专业学位）,2014,硕士.
[32]阿西古丽·伊卜热伊木.维吾尔族传统陶碗手工艺研究[D].新疆师范大学,中国少数民族语言文学,2013,硕士.
[33]李玲利.农村人力资本投资对非农就业的影响及优化对策研究[D].湖南科技大学,管理学,2013,硕士.
[34]庞红波.对外汉语课堂的教学策略研究[D].苏州大学,教育管理（专业学位）,2014,硕士.
[35]张暖.酒店员工个人—组织契合度对薪酬满意度的影响研究[D].鲁东大学,应用心理学,2013,硕士.
[36]丁小荣.中国北部地区大气气溶胶中有机酸的污染特征研究[D].首都师范大学,分析化学,2014,硕士.
[37]何苗苗.基于相变调温原理的混纺纱线及面料的性能研究[D].浙江理工大学,纺织工程,2013,硕士.
[38]张天杰.带有某种断面的富足半群的研究[D].兰州理工大学,基础数学,2013,硕士.
[39]李欣.基于关联规则的图书馆图书智能查询系统研究[D].东北师范大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[40]盛晓庆.无线超宽带信道研究[D].南京邮电大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[41]汪靖.网络环境下版权间接侵权问题的探讨[D].中南民族大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[42]江晓莲,李翠华,李雄宗.基于视觉显著性的两阶段采样突变目标跟踪算法[J].自动化学报,2014,06:1098-1107.
[43]孙仁诚.基于单元的孤立点算法研究及客户忠诚度分析系统构建[D].青岛大学,2003.
[44]贾树强.摆动式球磨机振动分析及优化设计研究[D].吉林大学,机械电子工程,2013,硕士.
[45]李正.基于综合前置的银银通系统设计与实现[D].复旦大学,软件工程,2012,硕士.
[46]樊飞月.高校跨学科团队知识整合机制对创新绩效影响的实证研究[D].中北大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[47]李成平.高效液相色谱手性流动相添加剂法拆分药物对映体[D].浙江工业大学,化学工程,2004,硕士.
[48]刘毓.空间信息网拓扑故障诊断算法的研究与仿真[D].东北大学,通信与信息系统,2010,硕士.
[49]陈旸.GSM/EGPRS小区价值分析与评估方法研究[D].吉林大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[50]吐尔逊·艾迪力比克.S、Eu、Mn、Fe掺杂天然方钠石的制备及其光致发光特性研究[D].新疆师范大学,理论物理,2013,硕士.