儿童肺功能系列指南(三)：脉冲振荡

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脉冲振荡(impulse oscillometry,IOS)肺功能检测是基于强迫振荡技术(forced oscillation technique,FOT)的基础上发展起来的,FOT在1956年由Dubois等首先描述,经过单频振荡、多频振荡技术演化后,20世纪80年代Mtiller和Vogelc提出IOS法,IOS通过外部发生器产生矩形电磁脉冲,经扩音器转变为多频机械波迭加于受试者的平静呼吸上,连续记录外加振荡频率下的呼吸道压力和流量；经过计算和快速傅立叶转换(fast fourier transformation,FFT)得出一系列呼吸阻抗参考值。传统的肺功能测定以受试者本身作为信号源,需要受试者按照指令进行用力呼吸,而IOS法则利用外源振荡波为信号源,患者平静呼吸即可,不需特殊呼吸动作配合,适用于不能主动配合或无法进行传统肺功能检测的患者,如儿童、因身体原因或认知原因不能完成常规肺通气检测的年长儿和成人。学龄前儿童哮喘诊断较年长儿困难,缺乏该年龄段的客观检查是原因之一,IOS可作为幼龄儿童哮喘诊断的有效辅助方法。

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1.原理

将振荡源产生的矩形电脉冲振荡信号通过外置的扬声器经由呼吸速度描记器(pneumotachometer)叠加在受试者的自主呼吸上，通过呼吸速度描记器连续测定呼吸道的压力和流量，经过计算机记录并进行频谱分析，演算出不同频率、不同性质的呼吸阻抗值(respiratory impedance，Zrs)。常用振荡频率为5～35 Hz，不会干扰受试者呼吸。不需特殊呼吸动作配合，尤其适合儿童及高龄患者，亦可应用于睡眠中及使用呼吸机的患者。

2.适应证与禁忌证

2.1适应证

用于3岁及以上儿童各种喘息性疾病、慢性咳嗽、肺炎等呼吸道疾病及其他系统疾病累及呼吸道的诊断与鉴别诊断、严重度评估、病变部位的了解、药物治疗反应的监测及术前呼吸道状况的了解等。

2.2禁忌证

并呼吸衰竭、心力衰竭等病情危重者；同时并胃肠道疾病有保留胃管者；呼吸道传染性疾病的传染期如结核、流行性感冒、认知障碍无法配合等。相对禁忌证：用β受体兴奋剂及激素等可能会影响检测结果，免疫缺陷病易受感染者，癫痫正在用药治疗的患者。

3 质量控制

3.1机器的校准

每天开机时都要进行一次流量传感器的校正，每次更换流量传感器后再进行一次校正，从而保证流量和容积测试的精确性。每日开机后预热20min，然后机器定标。定标时先要进行环境参数的校准，肺功能测量的参数受环境影响很大，为使测量结果具有可比性，必须将测试环境校准为生理条件，即体温37℃，标准大气压(760 mmHg，1 mmHg=0．133 kPa)及饱和水蒸气状态(100％相对湿度)，即BTPS状态，然后用专用的容积定标筒进行容积定标，一般选用3 L定标筒，误差≤±3％，容积2980—3020 mL。定标系数有：呼气校正系数(CorrEx)，越接近1．0越好；吸气校正系数(Corrln)，越接近1．0越好；“呼气”质量(Qex)，合格<1．0％；“吸气”质量(Qin)，合格<1．0％。

3.2操作时的实时监控

患儿平静潮式呼吸，避免浅快及深大呼吸。注意避免口嘴阻塞／漏气、声门关闭、吞咽动作等。操作者用双手轻压受试者两侧面颊，以避免颊部振动影响测量的精确性。容积时间图上呼吸曲线平稳，测量次数3～5次，每次测量时间不少于30 S。

3.3检测可靠性的客观指标

Co值(一致性，Cohe—renee)，数值介于0—1，是反映检测结果可重复性的重要指标。为保证检测的精确性，5 Hz时Co值应>0．8cmH20 (1 cmH20=0．098 kPa)，20 Hz时Co值应在0．9～1．0H引。此为成人数值，目前尚无儿童Co值。操作方法不当、吞咽动作、声门关闭、舌阻塞气流、呼吸不平稳均可造成Co值下降。

3.4主要参数及结果判断

IOS报告内容主要包括参数部分、频谱分析图、结构参数图、阻抗容积图及频谱微分均值图(Introbreath图)。结构参数图、阻抗容积图及频谱微分均值图国内外参考文献极少，且目前没有儿童正常参考值，故只简单介绍。

3.4.1   Zrs

呼吸系统阻力由黏性组力(resistance，R)、弹性阻力(capacitance，C)及惯性阻力(inertance，I)组成，各阻力具有方向性，故其总和不是代数之和，而是向量之和，称为Zrs。根据欧姆定律，电流=电压／电阻，测量气管两端的压差及流速可计算出呼吸道阻力。人体呼吸道的压力及流速是随时变化的，常用时间域(横坐标是时间)的表示方法就需要无数不同时间的压力与流量关系曲线，显然是不可能的，所以需要频域的表示方法，即把横坐标换为频率，从时域到频域，需要频谱分析技术——FFT。经过FFr转化后，Zrs由两部分组成：实部R(抗或阻力，resistance)和虚部x(电抗，reactance)，其中实部表示同相位的成分，即黏性阻力，其特点为流量和压力完全同相位；虚部表示不同相位的成分，即弹性阻力和惯性阻力，这2种阻力流量的改变和压力都有90度的相位差，但方向相反。外加压力信号低频时，主要为弹性阻力，随着频率的增加，弹性阻力逐渐变小，而惯性阻力逐渐增加，高频时主要为惯性阻力。Z5为5 Hz时的Zrs。

3.4.2   RS

R5表示呼吸道总阻力。外加频率为低频(5 Hz)时，因为低频波的波长长、能量大，被吸收的少，振荡波能到达呼吸道的远端，因此反映呼吸道总阻力，R5实测值和预计值的比值与年龄相关，成人为150％，低龄儿童为120％，随年龄增大逐渐增加。R20表示中心呼吸道阻力。高频(20 Hz)时，因为波长短、能量小，被吸收的多，振荡波达不到细小的支气管，因此只能反映中心呼吸道阻力的变化，与R5相似，R20实测值和预计值的比值随年龄增大逐渐增加。R5一R20为R5与R20之差，即呼吸道总阻力与中心呼吸道阻力之差，表示周边呼吸道阻力。健康人小呼吸道总横截面积非常大，且以层流为主，阻力仅占整个呼吸道阻力的20％以下，故正常R曲线无频率依赖性，即低频与高频时的R值(R5和R20)很接近，提示周边呼吸道阻力很小。当中心呼吸道阻塞时，R5、R20等全频段均匀抬高；周边呼吸道阻塞时，低频时R值(R5)明显增高，随频率增加R值逐渐下降，高频时R值(R20)无明显变化，表现出负性频率依赖性(negative frequency dependence)。

3.4.3   X5

X5表示5 Hz时的电抗值。与正常R曲线无频率依赖陛不同，正常x曲线存在频率依赖性，即在低频时为负值，反映呼吸系统弹性阻力部分，随频率增加，弹性阻力逐渐减少，惯性阻力逐渐增加，直至高频时为正值，反映呼吸系统惯性阻力部分。由于低频时x主要表现为弹性阻力，惯性阻力很小，可忽略不计，且肺组织储存弹性能量主要在周边小呼吸道，所以定义X5为周边弹性阻力。X5能提供周边呼吸道的重要信息，小呼吸道的阻塞及肺顺应性减低的疾病如肺纤维化、肺气肿等可出现其负值明显增大。电抗面积(AX)又称“Goldman三角”，指5 Hz到共振频率(Fres)之间电抗x曲线下面积，反映电抗的综合指数，见图l。它与周边呼吸道的阻塞程度紧密相关，是反映呼吸系统顺应性的灵敏指标，随着年龄的增长，肺功能逐渐发育完善，AX值逐渐降低。

3.4.4   Fres

弹性阻力与惯性阻力是方向相反的一对力，当其绝对值相等而相互抵消时，此时的频率称之为Fres，也称之为响应频率。即电抗为零时的振荡频率，此时呼吸阻抗等于黏性阻力。随频率增加，x从负到正值，弹性阻力逐渐减少，惯性阻力逐渐增加。Fres是由弹性阻力主导的低频向惯性阻力主导的高频过渡的标志，阻塞性及限制性肺疾病时均可增高。Fres时弹性阻力与惯性阻力绝对值相等，方向相反，总和为零，此时呼吸道总阻力即为黏性阻力，故Fres是反映呼吸道黏性阻力增加的敏感指标，轻度周边呼吸道阻塞的患儿，R5没有显著变化时，Fres即可表现增高。

3.4.5   lOS

主要参数的正常值目前多数医院采用的正常值为：R5<120％预计值；R20<120％预计值；X5>预计值-0．2 kPa／(L•S)；Fres<预计值+10 Hz。AX尚无国内正常预计值。IOS主要参数示意图见图1，不同年龄儿童的阻力曲线，见图2。

3.4.6   频谱分析图

频谱分析图是把外加脉冲振荡信号的呼吸波进行FFT转换的曲线图(图3)。横坐标为频率轴，左边的纵坐标是R，右边是X，正常预计值一般以虚线表示，实测值以实线表示。在频谱分析图中，中心呼吸道阻塞时曲线R从低频到高频全程抬高，没有频率依赖性，而外周呼吸道(小呼吸道)阻塞时低频R值明显增高，随着频率的增加R值逐渐降低，这种现象被称为黏性阻力的频率依赖性(frequency - dependence of resistance，fdR )。健康人无频率依赖性，即R5和R20很接近，提示周边呼吸道阻力很小，而健康低龄儿童可以表现出一定的fdR，应予注意。限制性病变时X5绝对值增大，Fres后移非常明显，而R5、R20基本正常。

3.4.7   阻抗容积图

阻抗容积图是表示阻抗与容积关系的曲线图(图4)，其横坐标为肺容积，纵坐标为呼吸阻抗，健康人在潮气呼吸时，呼气阻抗与吸气阻抗很接近，呼吸阻抗无容积和流量依赖性，形成一小团。当存在肺内气体陷闭时，如阻塞性肺病患者，吸气阻抗和呼气阻抗是分离的，且中间有空白，中间的空白区越大，就表示气体陷闭越严重。儿童可能由于肺气肿等慢性疾病的并发症较少，尤其是气体陷闭，故极少出现上述表现。

3.4.8   频谱微分均值图

频谱微分均值图是了解阻力R(呼吸系统的黏性阻力)和电抗X(呼吸系统的弹性阻力和喷性阻力)的容积依赖性和流量依赖性关系的图形(图5)。健康人平静呼吸时呼吸道阻力变化很小，几乎没有容积依赖性和流量依赖性。

3.4.9   结构参数图

结构参数图是用图解的方法直观显示各部分阻力的分布图(图6)。在结构参数图中，红三角表示中心阻力Rz(主要是中心呼吸道和胸廓的阻力)及周边阻力Rp(主要是周边呼吸道阻力)，阻力越大三角也越大；绿色的弧状物表示肺和胸廓的弹性阻力，越厚表示弹性阻力越大，弹性阻力与呼吸道顺应性成倒数关系，阻力越大、顺应性越低。右上角的黑色小方块表示惯性阻力(Lz)，Lz越大，黑方块也就越大。

4 正常预计值

目前国内多数仍采用国外的预计值公式，由于人种的不同，正常预计值肯定会存在差异。“天津市区3-14岁儿童脉冲振荡法呼吸阻抗正常值测定” 为目前国内外较大样本的参考值。

5 临床意义

5.1健康儿童呼吸阻抗特点

儿童处于生长发育阶段，肺功能也随其生长发育不断完善。随年龄、身高、体质量增加，肺容量增大，呼吸道管径增粗，呼吸道阻力也逐渐减低。其中身高与10S各参数具有最大的相关性，而几乎无性别差异。随年龄增长身高增加，儿童所有频率的R值均降低，另一方面随年龄增长，支气管平滑肌发育逐渐完善，使得肺弹性回缩力增加，故肺顺应性逐渐增加，X5的负值减小，而X20(振荡频率为20 Hz时的电抗值)的变化不明显，Fres逐渐减低。成人Fres正常值约10 Hz，而儿童则有很大波动。3岁时可高达24 Hz，随年龄增长逐渐动态递减，至14岁时为12 Hz，接近成人数值，因此，儿童时期不同于成人，不能用均值表示。

5.2阻塞性通气功能障碍

在曲线R，健康人无频率依赖性，即R5和R20很接近，提示周边呼吸道阻力很小。当中心呼吸道阻塞时，R5、R20等全频段均匀抬高；周边呼吸道阻塞时，低频时R值明显增高，随频率增加R值逐渐下降，即R5明显增高，R20无明显变化，表现出频率依赖性(图7)。IOS用于哮喘患儿特别是学龄前儿童检测具有较好的敏感性，尤其在发现小呼吸道阻塞方面具有很大优势。以哮喘为例，R5可增高，R20基本正常，R5与R20差值加大，X5绝对值增大，Fres后移，提示周边小呼吸道阻力增高，肺顺应性减低。说明哮喘发作时不仅有呼吸道阻力的增加，而且还影响到肺的弹性阻力。临床工作中发现哮喘发作缓解后，呼吸道阻力下降，R5、X5和Fres各指标即可有不同程度改善，其中X5和Fres最先恢复正常。一些哮喘患儿仅有呼吸道不适主诉，就诊时无明显症状，客观检测指标如常规肺功能、呼出气一氧化氮(FeNO)检测等均无异常发现，而lOS出现周边呼吸道阻力增高，提示哮喘控制不佳，未来2～3个月哮喘急性发作的风险增加。R5、R20可作为周边呼吸道阻力增高的标志，从而预测哮喘的可能发作风险。轻度阻塞性疾病IOS测定可基本正常或仅表现黏性阻力轻度增加或／和Fres轻度后移。中度阻塞性疾病可表现典型的黏性阻力数值增高，低频时R5增高为主，且随频率增加呈现明显的非线性下降。R20可正常或轻度增高。频谱分析图中R线为下凹形曲线。重度阻塞性疾病可表现典型的低频时X5降低，由于电抗明显降低，可造成Fres显著后移。频谱分析图中X为上凸性曲线。在呼吸过程中可表现明显的流量依赖性与容积依赖性。呼气末较吸气末R增高，X下降。Introbreath图中形成阻力-容积与电抗-容积特征性的三角图形。

5.3限制性通气功能障碍

X5绝对值增大，Fres后移非常明显，而R5、R20基本正常，提示病变以肺顺应性减低为主，是限制性通气功能障碍的主要特征(图7)。轻度限制性疾病黏性阻力基本正常，可无X5降低，仅有轻度Fres后移或均正常。重度限制性疾病可见X5降低，Fres后移，频谱图中x曲线呈上凸图形，黏性阻力增加或仍可正常。在Introbreath图中的典型特征为：吸气末R值增高，x值降低；而呼气末变化不明显，形成特有的吸气末、呼气末R与x表示点的反向，阻力容积曲线成倒置的三角形。

5.4呼吸道外肿物

肿物位于呼吸道外，对呼吸道无压迫或压迫较轻，呼吸道管径未发生改变，所以代表周边呼吸道阻力的参数R5、R20无增高，周边弹性阻力X5也无明显降低，由于肿物对胸廓与上呼吸道惯性阻力的影响，故以R20、R35增高为主。

5.5其他

IOS已被应用于哮喘、慢性阻塞性肺疾病、囊性纤维化、支气管发育不良、阻塞性睡眠呼吸障碍、间质性肺疾病或环境刺激物暴露等疾病或病理状态。IOS与传统的肺功能测量法有很好的一致性，可以用于呼吸道阻塞|生病变的辅助诊断，敏感性更强。IOS不仅可以用于反映呼吸道阻力，而且可以反映呼吸道阻塞的部位，另外，也可用于间质性肺疾病的诊断。IOS也可应用于支气管激发试验和支气管舒张试验(图8)，而且较肺量测定法更为敏感，使用IOS指标时，激发试验时诱导产生显著的支气管收缩所需的激发剂往往较低。X5是检测呼吸道高反应的敏感指标。舒张试验时，吸人支气管舒张剂后，阻抗和电抗各指标即可有不同程度改善，其中X5和Fres最先好转。但无论IOS用于支气管激发试验还是舒张试验，目前均尚未形成国际上金标准。

6 检测方法

患儿放松，取坐位，两腿不能交叉，以减少外部胸内压，头保持水平位或微微向上，含住咬13，双唇裹紧，夹鼻夹，检测者双手轻压患儿两颊，以保证限制颊部顺应性的影响，并防止脉冲信号自上呼吸道分流。患儿作均匀平静呼吸，待基线平稳后进入数据采集，每次采样时间30～60 s。

交叉感染预防与控制措施：加强实验室通风、手卫生、仪器消毒与干燥，应用呼吸过滤器。提高医务人员及受试者对交叉感染防范意识。检查前，肺功能室医师应仔细了解受试者的病史，对于有交叉感染风险的患者，做好防护措施，并对检查地点、所用仪器和检查顺序进行合理安排。

7 注意事项

7.1对患者的要求

测定前稳定患儿情绪，不能紧张。教好要领，机器准备完毕后含口嘴，夹鼻，注意不要漏气，年龄较大儿童双手轻压两侧面颊，头稍上倾，保持呼吸道通畅。检测过程中避免咳嗽、发声、吞咽等动作；患儿舌应放在咬口之下，避免堵住呼吸道而增加阻力；避免穿过紧的衣服。

7.2对技术员的要求

对年幼儿童，操作者用双手轻压受试者两侧面颊，以防面颊随振荡信号振动，产生误差。注意观察患者呼吸是否处于真正的功能残气位，呼吸曲线是否平稳。呼吸频率正常，潮气量正常，呼吸均匀，待基线平稳后进人数据采集，每次采样时间30～60 s。如果同时检测IOS及用力通气肺功能，需先进行IOS检测，因用力呼吸会对IOS的参数造成影响。IOS参数的准确意义需要仔细解读，特别是应用于一些少见情况时，如儿童间质性肺疾病、ICU中的患者，使用参考值时也应注意人种的影响。相对而言，IOS更适用于阻塞性通气功能障碍，对限制性通气功能障碍可能不能提供准确信息。虽然Ios测量时不需要患者用力呼吸，但测量时需要避免口、咽和喉部的伪动作，头部和颈部要保持合适位置，潮式呼吸是要求平稳，这些要求对于低龄儿童较难控制，因此，IOS要求更加严格的质量控制。