多参数心肺功能检测方法及应用研究
根据近年来中国心血管病报告显示,近六成中国居民死于心血管疾病和呼吸系统疾病。其中,运动猝死的人数逐年身高,猝死主要原因是缺乏对自身运动代谢功能的认知,早期诊断与预防心肺功能疾病可以有效防止此类悲剧的发生。心肺运动试验（Cardiopulmonary exercise testing,CPET）是一种可以使研究者同时观察受试者运动过程中心血管和呼吸系统功能的临床试验,其可以实现运动不耐受的判定并诊断导致运动不耐受的具体病因、实现心肺功能疾病的诊断。因此,向社会推广心肺运动试验具有非常重要的现实意义。然而,我国在运动心肺功能测试设备以及理论研究方面起步较晚,使用的均是国外厂家的设备,价格昂贵,而且该设备只存在大型医院,限制了国内心肺运动试验的发展。因此,结合实验室在生命体征领域多年的经验以及技术积累,本文设计并实现了一款多参数运动心肺功能测试系统,用于评价人体在受控条件下呼吸、心功能、循环代谢等功能,进而诊断呼吸、心功能相关疾病。本文主要研究内容如下:首先,基于人体运动生理学,提出了研制十二导联心电图、呼吸流量、二氧化碳、氧气以及血压五个生命体征信号相结合的多参数运动心肺功能测试系统。其次,完成呼吸流量测量方法研究、硬件设计、软件设计以及算法等工作。其中,呼吸流量测量方法部分对差压式、涡轮式以及热式三种流量测量方法进行研究。硬件部分实现五个生命体征信号的测量:采用ADI公司的ADAS1000以及ADAS1000-2实现了十二导联心电信号的测量;基于差压法的呼吸流量测量;基于红外光谱法的二氧化碳浓度测量;基于顺磁法的氧气浓度测量;采用实验室产品化的血压计实现了血压的测量。软件部分包含下位机和上位机,下位机实现了外围电路的驱动、数据的采集、预处理、存储、WIFI数据传输等功能,上位机实现了波形显示、存储、运动心肺参数趋势图绘制、数据回放、标定、参数计算、疾病诊断以及诊断报告输出等功能。算法部分针对十二导联心电数据、呼吸流量数据进行特征点识别、特征参数计算,并揉和流量、二氧化碳浓度以及氧气浓度实现运动心肺功能参数的计算,结合临床诊断原则,对运动不耐受原因进行有效的诊断与筛查。本文以所测量生命体征信号所涉及的相关标准和规范为依据,制定了十二导联心电和呼吸力学一体化模块、二氧化碳和氧气模块的验证方案。通过对硬件指标以及测量参数准确性的系统测试,结果显示心电检测部分关键指标已经达到国内标准要求,呼吸流量、气道压力、二氧化碳浓度以及氧气浓度的测量准确性均达到国内标准要求。经过验证,本系统在稳定性、准确性、重复性以及有效性方面均符合应用要求。采集11位志愿者心肺运动试验数据,分别采用心肺运动试验评测软件和人工手动标定计算运动心肺功能参数。以人工手动标定为参考,峰值每分钟摄氧量（VO2peak）、峰值每分钟二氧化碳排出量（VCO2peak）、无氧阈（AT）的平均误差分别为0.14、0.15、0.08,均方根误差分别为0.185、0.156、0.078,并且本系统对运动不耐受诊断准确率为95.4%。综上所述,本文所设计的多参数运动心肺功能测试系统能够实现运动不耐受的诊断以及运动不耐受大致病因的判定,进而输出受试者心功能、呼吸功能以及循环代谢功能的报告,可供临床医生诊断参考。
- 作者：
- 刘杰
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 叶继伦
- 中图分类号：
- R318.6
- 关键词：
- 心肺运动试验；十二导联心电图；呼吸力学；氧气；二氧化碳
-