抽象的
测量最大强制呼气机动(MFEM)的第一秒的频率含量以确定20Hz的MFEM的当前接受的频率限制是否足以记录峰值呼气流(PEF)。
本文测量了24例肺功能实验室患者和26名正常志愿者的Fleisch气速仪(PT)的频率响应,并用于记录MFEM。前1.024秒的信号记录在1000hz的最大PEF打击,使用三角形窗口函数进行快速傅里叶变换,0.75秒后应用,以线性减少流量为零。所有高于设定极限的频率都被去除,然后进行逆变换以重建打击。频率截止的极限从100hz逐渐变化到15hz,将得到的PEF与没有频率降低的重构打击的PEF进行比较。
平均±sd年龄47±18岁,平均PEF 450±187 L·min-1当表示为标准化残留时,其为0.1±2.1,其范围为-4.5-3.9,表明围绕正常值差异。PEF的平均上升时间为83±38毫秒,停留时间> 90%PEF为45±25毫秒。截止> 20Hz将组的平均PEF减少8.5 L·min-1(95%可信限5.5-11.4 L·min-1),而截止>30 Hz使平均PEF降低4.4 L·min-1(2.6-6.2)。在本研究主题中,30Hz是在第95百分点的频率上,用于定义98%的功率光谱的上限,为第一秒打击。
已有研究表明,>20 Hz的频率有助于达到呼气流量峰值,足以影响使用传统手持式呼气流量峰值仪(如mini-Wright)所做的读数。因此,用于记录最大用力呼气动作的流量的设备应具有高达30hz的充分频率响应。
先前已经定义了最大强制呼气机动机动(MFEM)的频率内容,发现最大20 Hz的频率显着幅度内容对于最大呼吸能力的操作1用钟形肺活量计记录的潮汐呼吸和肺活量动作可达4hz。其他研究发现,在男性进行强迫呼气流量操作时,> 10hz占总频率含量的<5%2.因此,在测量整个MFEM时,20Hz被接受为适用于足够记录设备的限制3..可能受到频率内容变化影响的肺函数指数之一是峰值呼气流(PEF)。有助于PEF的MFEM开始的频率内容可能高于研究MFEM整体的建议。如果忽略此事实,肺功能的这一方面可能无法以足够的保真度记录。
因此,本研究旨在确定MFEM的第一秒的频率含量,以努力测试PEF记录设备的频率响应特性是否能够适当地匹配信号的要求。
方法
该研究使用了一种优化的气速仪(PT),包括Vitalograph PT头和上游几何结构,网状筛片插入PT头的上游,以提高其线性度4..PT头是不加热和热稳定,通过把它放在一个风扇之间的吹5..使用ScXL004DN型; Farnell Electronics Components Ltd,LEEDS,UK)的敏感差分低压传感器(Farnell Electronics Component Ltd,LEEDS,LEEDS,LEEDS,LED-PARD滤过200 Hz的Butterworth 4极过滤器。基于整个PT组件,包括换能器的全部PT组件将作为二阶系统的假设,使用步骤测试以下列方式测试其频率响应6..一股气流从爆炸减压系统中释放出来7.然后,然后使用计算机控制的快速响应直接驱动阀突然终止(D633-313A; Moog Inc.,NY,USA),从完全打开的闭合时间<12毫秒。换能器的输出以1,000 Hz采样,12位模拟 - 数字转换器并存储。换能器的频率响应也通过步骤测试来测试。将玻璃注射器连接到换能器的一个端口,并取出柱塞,使突然释放到大气压的强负压。输出以1,000Hz采样并储存。测量由这些记录的前两个振荡的幅度(AMP1和AMP2)稳定为零,确定振荡的周期性(TD S)。使用以下公式从这些测量计算自然共振频率(Fn)和阻尼系数(d)6.,它假定一个二阶系统响应:
在每次记录前使用3‐L注射器和Varene方法校准PTet al。8..注射器通过PT清空至少两次,其中流量在1-3 L·s的范围内-1,然后在4-6 l·s两次-1,其次是两次7-12 L·s-1.这些数据用于推导平均校准因子,从而避免对特定流量范围的任何偏差。通过在0.5-12 L·s之间提供恒定的已知流量来测量系统的线性度-1使用泵系统9..
使用该PT系统记录50名志愿者的MFEM。这些受试者中24人(11名男性)是到肺功能实验室进行常规检测的病人,26人(13名男性)是医院工作人员中的志愿者。三个符合美国胸科协(ATS)认可标准的MFEM10.对每个受试者进行了记录。以1‐ms的间隔采样流量并存储在计算机磁盘上。从三次打击,最大PEF,用力肺活量(FVC)和一秒用力呼气量(FEV)1)计算,并与预测值相关,使用欧共体钢铁和煤炭(ECSC)方程和标准化残差法3..具有最大PEF的吹气具有10-90%的PEF的上升时间和流量的停留时间>计算出90%的峰值。来自该打击的第一个1.024 S的数据进行了快速的傅里叶变换(FFT)分析,使用原点Version 6.1(OriginLab.,MA,USA),其中应用了三角形窗口功能,从0.75秒的流动线性地减少到零在1.024秒。这是为了避免杂散的高频含量,因为突然过渡到1.024秒的截断。然后,衍生的FFT系数然后接受逆变换以再生吹,没有变化系数。PEF来自这种重构的打击和称为PEFR..通过在> 100,90,80,70,60,60,50,40,30,20和15Hz的所有频率分量的所有频率分量之前依次重复重新转换对重构的逆变换的过程。计算这些再生频体的PEF计算并储存为PEFOne hundred.-Pef.15., 分别。PEF之间的比较R.每个减频PEF都通过配对t‐测试进行。
通过将FFT的振幅系数从流量/时间数据中除以每个频率的PT增益的传递函数,然后执行一个逆FFT来检查PT系统的频率响应对记录的PEF的任何可能的影响。这只是校正的近似,因为不能考虑相的变化。
结果
PT在0.5-12 l·s的范围内是线性的-1,来自0.04 L·S的回归线的残余SD-1.对整个PT系统进行三步测试,Td测量在5.6、5.7和7.7 ms(平均6.3 ms),振幅比为1.93、1.82、1.81(平均1.85)。平均自然共振频率为159赫兹,阻尼系数为0.1,3分贝(dB)点为87赫兹。图1⇓显示在这些测试之一的流动突然终止后沉降的信号和图2⇓显示了增益的情节与PT系统的频率整体。当换能器及其管道自身测试时,谐振频率为333Hz,阻尼因子为0.2。
![图。1。-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/19/3/530/F1.medium.gif)
在通过气压仪组件停止流动后凝固的换能器信号的曲线图。#:周期性;箭头断裂:幅度1;实心箭头:幅度2。
增益图与整个气速仪组件的频率。谐振频率:159 Hz;阻尼系数:0.1;3分贝(dB): 87hz是信号增益为3分贝的频率。
FVC, PEF和FEV1正常受试者和患者的数据如表1所示⇓.PEFR由记录数据的FFT和逆FFT推导而来,与原始PEF在L·s内相同-1到三个小数点。利用PT系统的已知增益的流量/时间数据的近似校正将PEF平均仅为0.32 L·min。-1(0.005 L·s-1),标准偏差为0.36升·分钟-195%置信限(CL)为0.22 ~ 0.43 L·min-1.图3⇓显示该组平均PEF的降低,具有标准误差栏,用于减少逐行频率内容。当除去所有频率> 60Hz时,平均PEF(95%CL)的第一次统计学显着降低为1.2升·分钟-1(0.2-2.1 l·min-1;P <0.01)。然而,临床上PEF的第一个相关降低是频率含量>20 Hz的降低,这导致PEF的平均降低8.5 L·min-1(5.5-11.4 l·min-1;p < 0.00001)。频率损失> 30 Hz导致PEF落下的平均值4.4升·分钟-1(2.6-6.2 l·min-1;p < 0.00001)。对于被测者来说,在频率含量的任何一个减少时,PEF的绝对下降与原始PEF没有显著的相关性。
![图3.-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/19/3/530/F3.medium.gif)
具有不同截止值的峰值呼气流(PEF)的绝对变化曲线,用于快速傅里叶变换50个录制的吹扫的低通滤波。
图4⇓显示了频率的选定百分比图,定义了来自50个受试者的打击的功率谱的不同百分比。受试者的第95百分位是97%的功率谱的20 Hz和98%的功率谱的~ 30 Hz。
用于上频率的50个受试者的所选百分位数,其定义了用于第一秒的频率的各种百分比的功率谱。#:2.5百分位;¶:50百分位数:+第75个百分位:§: 95。
讨论
已经证明,从目前范围内的患者和正常受试者记录的PEF包含了一个显著的贡献频率以上的接受水平20赫兹。截止>20 Hz时的PEF平均降低幅度大于患者使用的常用PEF计的精度限制,因此会改变所获得的读数。以截止>30 Hz,平均差4.4 L·min-1这些仪表读数的精确度是有限的。这表明,为了准确地记录PEF,记录设备必须能够处理高达30hz的频率。PEF的减少与原始PEF的大小没有相关性。因此,这种降低的临床重要性可能在不同的受试者之间有所不同,但测量仪器的准确性将受到影响。
为了确保这些结论是正确的,原始信号的记录装置必须足以达到目的。PT的线性度之前已经通过使用适当的泵系统进行了验证9.,并采用可接受的方法进行校准,使其范围内的偏差最小。用阶跃试验对频率响应进行了测试,这是确定其特性的最佳方法之一。所述方法适用于任何具有连续模拟输出的设备。使用了装有快速响应螺线管的爆炸减压装置,但也可以使用其他流量产生装置。使用了一个“关闭”步骤测试,因为与突然为“打开”步骤响应生成一个恒定的流程相比,突然停止一个流程具有更少的潜在工件。
作者使用了欠阻尼的系统,但是具有自然谐振频率良好的频率超过感兴趣的频率内容。另一种方法将有一个具有较低谐振频率但严重阻尼的系统。作者认为PT系统足以用于从人类记录MFEM的目的。这是通过在为PT的频率响应特性进行近似校正时展示PEF的微不足道的变化来验证。当在临床环境中使用该PT系统进行受试者时,采用在50Hz处设定的低通模拟滤波器。对于这项研究,使用200 Hz低通滤波器的更高限制,以确保没有任何频率的影响可能会受到影响。
本研究具有代表性的第二个要求是受试者群体充分反映相关的客户群体。对50名受试者进行了抽样检查。一半的样本没有症状或已知疾病,因此被认为是正常的,另一半是有症状的受试者,气流受限。结果见表1⇑表明这些受试者从PEF预测到的-4.5-3.9 SD,平均值基本上如预测。虽然更大的样本可能表现出严格的这些发现中的置信限制,但据信该受试者足够代表被接受的结果。PEF变化的统计学意义是60 Hz的截止频率,但它是30 Hz,平均变化超过5升·分钟-1,这将是影响模拟仪表读数所必需的量,比如mini-Wright。
目前的发现对于验证流量计是否有足够的频率响应来记录呼气流量峰值和其他流量现象是重要的。对于像mini-Wright这样只有单个峰值流量输出的仪表,需要测试跨越感兴趣的输入信号范围的信号。这些信号的特性可能最好地用它们的上升和停留时间来描述11..这些具有不同频率内容但相同流量的信号可以被送到仪表,不管输入信号的频率内容如何,仪表都应该给出相同的读数。这样的测试可以通过使用气速记录仪记录血流来验证。本研究提出的证据表明,有关测量呼气流量峰值的频率响应测试要求应包括高达30赫兹的频率。
致谢
作者要感谢伯明翰大学电子与电气工程系的P. Atkins对这个项目的建议。
- 收到了2001年3月18日。
- 公认2001年8月22日。
- ©ERS期刊有限公司