一种实时可视化的分区评估肺功能的工具

1.本发明涉及一种实时的可视化的分区肺功能检查的工具，用于及时、精确、便捷、无创、可重复地评估肺功能，属于医疗检测辅助设备技术领域。


背景技术：

2.肺功能检查是指运用特定的手段和仪器对受检者的呼吸功能进行的检测和评估，明确呼吸功能是否异常、异常程度和类型等，为疾病诊断、治疗评估、病情发展进行评价，广泛地应用于呼吸内科、外科、麻醉科、儿科、流行病学、运动医学、潜水和航空等领域。
3.常见的检测仪器为肺量计型肺功能仪、体容积描记仪、脉冲震荡仪、运动试验仪、气道激发试验仪等。其中肺功能测量有重要临床价值的参数包括：潮气容积(tidalvolume，vt)、用力肺活量(forced vital capacity，fvc)、一秒量(forced expiratory volume in one second，fev1)、一秒率(forced expiratory volume in one second/forced vital capacity(fev1/fvc，fev1％))、fev1占预计值的百分比(fev1/fev1pred)等。通过对参数的分析，与正常值比较，判别肺通气功能是否受损以及受损类型、严重程度。如在慢性阻塞性肺病(chronicobstructive pulmonary disease，copd)的诊断标准之一为存在不完全可逆的气流受限，即吸入支气管扩张剂后，fev1/fvc《70％。此外，在copd的严重程度gold分级中，也将fev1/fev1pred作为判别标准，gold1级轻度：fev1/fev1pred≥80％、gold2级中度：50％≤fev1/fev1pred＜80％、gold3级重度：30％≤fev1/fev1pred＜50％、gold4级极重度：fev1/fev1pred＜30％(慢性阻塞性肺病全球倡议2022版)。此外，分叶/段/区的肺功能评估对于患者是否能够耐受胸外科肺叶/段切除手术，手术切除范围权衡，以及术后肺功能康复等具有重要意义。
4.常规的肺功能仪对总体的肺功能进行评估，无法实现可视化、分肺叶/段/区进行评估，对受检者的配合度要求高，可重复性较差，检查存在一定禁忌症，无法实现对存在气促、呼吸困难等危急重症患者肺功能的评估。对于需要使用呼吸机辅助通气、经鼻高流量湿化氧疗(high-flow nasal cannula，hfnc)等危重症患者，呼吸机常规只检测总潮气量，无法实现分区评估潮气量等肺功能参数。因此，亟需开发一种实时的可视化的分区肺功能检查的工具，用于及时、精确、便捷、无创、可重复地评估肺功能，为临床肺功能精准评估提供一种可靠的工具。


技术实现要素：

5.本发明的目的：提供一种无创的、可视化、可分区域、实时的、重复性好的新型肺功能的测量工具，便捷地供专业技术人员使用，扩大可接受肺功能评估的受众人群。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种肺功能检查的工具，包括：
7.数据采集子系统，用于采集患者的电阻抗数据；
8.数据处理子系统，用于实时地对电阻抗数据进行处理，其特征在于：
9.所述数据处理子系统进一步包括：
10.模型生成模块，用于基于电阻抗数据实时生成三维通气立体模型iv；
11.区域分割模块，用于将三维通气立体模型iv中的左肺分割为m
l
个区域、右肺分割为mr个区域，m
l
≥1，mr≥1；
12.实测肺功能计算模块，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的实测肺功能参数，进一步包括：
13.潮气量计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的潮气量vt；
14.用力肺活量计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的用力肺活量fvc；
15.一秒量计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的一秒量fev1；
16.一秒率计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域的一秒量与用力肺活量比值fev1％以及右肺mr个区域的一秒量与用力肺活量比值fev1％，其中，任一区域的一秒量与用力肺活量比值为同一区域的一秒量与用力肺活量的比值；
17.正常肺功能参数计算模块，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的正常肺功能参数参考值，进一步至少包括：
18.用力肺活量预计值计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的用力肺活量预计值fvc pred；
19.一秒量预计值计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的一秒量预计值fev1 pred；
20.一秒量占预计值百分比计算模块，用于计算通过一秒量计算单元得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的一秒量fev1与通过一秒量预计值计算单元得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的一秒量预计值fev1pred的比值fev1/fev1pred；
21.肺通气功能结果判断模块：
22.通过用力肺活量计算单元、一秒量计算单元、一秒率计算单元、一秒量占预计值百分比计算模块得到的肺通气功能参数，判别受试者肺功能有无异常、异常类型、异常程度；
23.肺通气量异常预警模块：
24.根据潮气量计算单元，获得任一区域或全局潮气量与正常人潮气量比较，判段患者该区域或总体有无低通气情况。
25.优选地，所述数据采集子系统包括环绕固定于患者胸部上端和下端的两条电极带，根据患者的体型、胸围选择对应尺寸的电极带，以确保电极带稳妥地环绕固定于患者胸部上端和下端，并确保电极带上的电极与患者皮肤接触良好。
26.优选地，设所述三维通气立体模型iv表示为iv＝{vi}，i＝1，2，...，n，其中，vi为三维通气立体模型iv中第i个像素点的阻抗值，n为像素点的总个数，则有：
27.所述潮气量计算单元能够计算每个像素点的像素潮气量pvt、全局潮气量gvt以及左肺m
l
个区域或者右肺mr个区域中任意一个区域的区域潮气量rvt，其中：
28.所述潮气量计算单元采用以下步骤计算像素潮气量pvt：
29.对于eit成像区域内的每个像素点，都能够得到像素阻抗-时间曲线。受试者进行正常潮气过程时，像素阻抗-时间曲线同步变化。经过筛选后，对肺部像素进行：
30.(1)潮气段识别：
31.识别并截取像素阻抗-时间曲线的准周期变化段zt；
32.(2)峰值识别：
33.识别准周期变化段zt中所有的极大值点和极小值点
34.计算均值zt
mmax
以及zt
mmin
，
35.(3)像素潮气量pvt计算：
36.pvt＝zt
mmax-zt
mmin
；
37.所述潮气量计算单元采用以下步骤计算全局潮气量gvt：
38.全局潮气量是指整个eit成像区域内肺部像素点的像素潮气量加权和。设第i个像素点的像素潮气量为pvti，权重为wi，则全局潮气量gvt可以表示为：
[0039][0040]
一般地，取wi＝1/n，也可根据实际情况灵活调整；
[0041]
所述潮气量计算单元采用以下步骤计算区域潮气量rvt：
[0042]
由于临床需要，我们需要对肺内局部区域单独计算潮气量。某个兴趣域内的潮气量是指整个兴趣域内肺部像素点的像素潮气量加权和。假设左肺m
l
个区域或者右肺mr个区域中任意一个区域内肺部像素点的总数为m，其中，第m个像素点的像素潮气量为pvtm，权重为wm，则区域潮气量rvt兴趣域潮气量可以表示为：
[0043][0044]
一般地，取wm＝1/m，也可根据实际情况灵活调整。
[0045]
所述用力肺活量计算单元能够计算每个像素点的像素用力肺活量pfvc、全局用力肺活量gfvc以及左肺m
l
个区域或者右肺mr个区域中任意一个区域的区域用力肺活量rfvc，其中：
[0046]
所述用力肺活量计算单元采用以下步骤计算像素用力肺活量pfvc：
[0047]
对于eit成像区域内的每个像素点，都可以得到像素阻抗-时间曲线。受试者进行正常潮气过程时，像素阻抗-时间曲线同步变化。经过筛选后，对肺部像素进行：
[0048]
(1)用力呼气段识别：
[0049]
识别并截取像素阻抗-时间曲线用力呼气段zf，相应确定用力呼气起点es与用力呼气终点ee，相应读取用力呼气起始阻抗值z
es
和用力呼气终末阻抗值z
ee
；
[0050]
(2)计算像素用力肺活量pfvc：
[0051]
pfvc＝z
es-z
ee
[0052]
所述用力肺活量计算单元采用以下步骤计算全局用力肺活量gfvc：
[0053]
全局参数值是指整个eit成像区域内肺部像素参数值的加权和。假设第i个像素点的像素用力肺活量pfvci，权重为wi，则全局用力肺活量gfvc可以表示为：
[0054][0055]
一般地，取wi＝1/n，也可根据实际情况灵活调整。
[0056]
所述用力肺活量计算单元采用以下步骤计算区域用力肺活量rfvc：
[0057]
由于临床需要，我们需要内肺内局部区域单独计算某些参数值。某个兴趣域内的用力肺活量是指整个兴趣域内肺部所有像素点的像素用力肺活量的加权和。假设左肺m
l
个区域或者右肺mr个区域中任意一个区域内肺部像素点的总数为m，其中，第m个像素点的像素用力肺活量为pfvcm，权重为wm，则区域用力肺活量rfvc可以表示为：
[0058][0059]
一般地，取wm＝1/m，也可根据实际情况灵活调整。
[0060]
所述一秒量计算单元能够计算每个像素点的像素一秒量pfev1、全局一秒量gfev1以及左肺m
l
个区域或者右肺mr个区域中任意一个区域的区域一秒量rfev1，其中：
[0061]
所述一秒量计算单元采用以下步骤计算像素一秒量pfev1：
[0062]
对于eit成像区域内的每个像素点，都可以得到像素阻抗-时间曲线。受试者进行正常潮气过程时，像素阻抗-时间曲线同步变化。经过筛选后，对肺部像素进行：
[0063]
(1)用力呼气段识别：
[0064]
识别并截取像素阻抗-时间曲线用力呼气段zf，相应确定用力呼气起点es与用力呼气终点ee，相应读取用力呼气起始阻抗值z
es
；
[0065]
(2)一秒量的计算：
[0066]
根据用力呼气起点es确定已呼气一秒时刻e1，相应读取已呼气一秒时的阻抗值z
e1
；
[0067]
(3)计算像素一秒量pfev1：
[0068]
pfev1＝z
es-z
e1
[0069]
所述一秒量计算单元采用以下步骤计算全局一秒量gfev1：
[0070]
全局参数值是指整个eit成像区域内肺部像素参数值的加权和。假设第i个像素点的像素一秒量pfev1i，权重为wi，则全局一秒量gfev1可以表示为：
[0071][0072]
所述一秒量计算单元采用以下步骤计算区域一秒量rfev1：
[0073]
由于临床需要，我们需要内肺内局部区域单独计算某些参数值。某个兴趣域内的一秒量是指整个兴趣域内肺部所有像素点的像素一秒量的加权和。假设左肺m
l
个区域或者右肺mr个区域中任意一个区域内肺部像素点的总数为m，其中，第m个像素点的像素一秒量为pfev1m，权重为wm，则区域一秒量rfev1兴趣域潮气量可以表示为：
[0074]
[0075]
一般地，取wm＝1/m，也可根据实际情况灵活调整。
[0076]
优选地，所述正常肺功能参数计算模块还包括：
[0077]
潮气量预计值计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的潮气量预计值vtpred；
[0078]
一秒率预计值计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域的一秒量预计值与用力肺活量预计值比值fev1％pred以及右肺mr个区域的一秒量预计值与用力肺活量预计值比值fev1％pred，其中，任一区域的一秒量预计值与用力肺活量预计值比值为同一区域的一秒量预计值与用力肺活量预计值的比值。
[0079]
优选地，所述肺通气功能结果判断模块的判断依据为：
[0080]
若fvc＜80％，fev1％正常或升高，则所述肺通气功能结果判断模块判断结果为限制性通气功能障碍；
[0081]
若fev1％＜70％，fvc基本正常，则所述肺通气功能结果判断模块判断结果为阻塞性通气功能障碍；
[0082]
若同时存在阻塞性和限制性通气功能障碍，则所述肺通气功能结果判断模块判断结果为混合性通气功能障碍；
[0083]
若fvc、fev1％基本正常，则所述肺通气功能结果判断模块判断结果为肺功能基本正常。
[0084]
优选地，所述肺通气功能结果判断模块对阻塞性肺通气功能障碍严重程度分级的依据为：
[0085]
若70％≤fev1/fev1pred，则判断为轻度；
[0086]
若60％≤fev1/fev1pred＜70％，则判断为中度；
[0087]
若50％≤fev1/fev1pred＜60％，则判断为中重度；
[0088]
若35％≤fev1/fev1pred＜50％，则判断为重度；
[0089]
若fev1/fev1pred＜35％，则判断为极重度。
[0090]
优选地，所述肺通气量异常预警模块采用下式计算所述正常人潮气量vt
normal
(单位：ml)：
[0091]
vt
normal
＝(50
×
w)/7
[0092]
式中，w表示体重，单位为kg。
[0093]
优选地，所述一秒量预计值计算单元得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的一秒量预计值fev1 pred相同，则有：
[0094]
fev1 pred＝-1.653+0.564
×
sex一0.022
×
age+0.033
×
height
[0095]
式中，sex为性别参数，女性时，sex＝0，男性时，sex＝1；age为年龄参数，单位为岁；height为身高参数，单位为cm；
[0096]
所述潮气量预计值计算单元计算得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的潮气量预计值vtpred(单位：ml)相同，则有：
[0097]
vt pred＝(50
×
w)/7
[0098]
式中，w为体重参数，单位为kg；
[0099]
用力肺活量预计值计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域以及右肺mr个区域的用力肺活量预计值fvc pred(单位：l)相等，则有：
[0100]
fvc pred＝-3.091+0.702
×
sex-0.020
×
age+0.044
×
height
[0101]
式中，sex为性别参数，女性时，sex＝0，男性时，sex＝1；age为年龄参数，单位为岁；height为身高参数，单位为cm；
[0102]
一秒率预计值计算单元，用于计算通过区域分割模块得到的左肺m
l
个区域的一秒量预计值与用力肺活量预计值比值fev1％pred(单位：l)以及右肺mr个区域的一秒量预计值与用力肺活量预计值比值fev1％pred相等，则有：
[0103]
fev1％pred＝99.121-0.138
×
age-0.147
×w[0104]
式中，age为年龄参数，单位为岁；w为体重参数，单位为kg；
[0105]
优选地，所述肺功能检测工具还包括显示子系统，用于实现以下功能中的至少一项：
[0106]
第一、单独实时显示所述三维通气立体模型iv的二维图；
[0107]
第二、单独实时显示所述三维通气立体模型iv的三维立体图；
[0108]
第三、显示计算模块计算结果，包括潮气量vt、用力肺活量fvc、一秒量fev1、一秒率fev1％、一秒量占预计值百分比fev1/fev1pred。
[0109]
第四、显示肺通气功能障碍可能性及严重程度的判断模块的判断结论。
[0110]
本发明的工具使用操作便捷，在医疗相关工作人员在场时，通过本发明的工具，能够实现无创操作使用，不受限与受试者疾病状态、实时的分区精准化评估肺通气功能情况。对于需要使用呼吸机、高流量吸氧等辅助治疗的等危重症患者可实时可视化分区评估潮气量，对低潮气量的患者发出预警，易便医护人员及时发现和调整呼吸机等仪器参数。
附图说明
[0111]
图1为实施例公开的一种肺功能测定工具的操作示意图；
[0112]
图2a至图2b为实施例公开的肺部区域示意图，图2a为肺部分割区域示意图，图2b为肺功能测定工具显示的12分区平面视图成像示意图；
[0113]
图3为使用实施例公开的一种肺功能检查工具的流程图。
具体实施方式
[0114]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0115]
本发明公开了一种肺功能检查工具。适用于可接受常规肺功能检查的人群，进行更为精确的肺功能评估工具，亦可用于无法配合常规肺功能检查的危重症人群，进行vt等肺通气功能检测。如图1所示，本实施例公开的一种肺功能检查工具包括显示器及触屏操作系统1、电源线、电极带和导电糊收纳筐2、两条电极带3。
[0116]
本实施例中，显示器及触屏操作系统1上设置有操作按钮，包括总开关按钮、模式选择按钮、参数选择按钮字符输入按钮。内设有中央控制器、数据储存器、集成芯片、散热器、信号输入线和信号输出线。通过散热器实现散热，中央控制器连接数据存储器以及集成芯片，集成芯片连接信号输入线和信号输出线，信号输出线与显示器及触屏操作系统1相
连，信号输入线经由导线以及连接头连接两条电极带3。信号输入线还连接显示器及触屏操作系统1上的操作按钮。
[0117]
按照图1右半部分所示，电极带3上均匀分布电极片，电极片涂抹导电糊后，电极带3分别为上电极带及下电极带，上电极带环绕固定于患者腋下皮肤，下电极带环绕固定于剑突位置皮肤，对应于患者胸部上端和下端。电极带3通过导线、连接头与信号采集端相连，通过电极片采集电阻抗数据，并将采集的电阻抗数据存储于数据存储器内。
[0118]
电极带3具有不同的尺寸，可根据患者的体型、胸围进行选择，确保电极带稳妥地环绕固定于患者胸部上端和下端，并确保电极与患者皮肤接触良好，保证采集到的电阻抗数据稳定可靠。
[0119]
使用本发明时，电源线插入插座，随后打开显示器及触屏操作系统1上的总开关按钮，显示器及触屏操作系统1开机。测量患者胸围，选择两条具有合适尺寸的电极带3，将导电糊均匀涂抹于电极带3上的每一个电极片与患者皮肤相接触的面，随后将两条电极带3稳妥地环绕固定于患者胸部上端和下端，并确保电极片与患者皮肤接触良好，所获得的电阻抗数据稳定可靠。其中，固定于患者胸部上端的电极带位于患者腋窝水平，固定于患者胸部下端的电极带位于患者剑突水平。通过连接头将电极带3与导线连接，随后将导线与显示器及触屏操作系统1连接。
[0120]
在显示器及触屏操作系统1上运行有肺功能检查及结果判读的软件系统，肺功能检查及结果判读软件系统利用通过电极带获得的电阻抗数据分别实时建立三维通气立体模型iv。
[0121]
通过显示器及触屏操作系统1上的模式调节按钮可以调节肺功能检查及结果判读软件系统的工作模式：
[0122]
当将肺功能检查及结果判读软件系统的工作模式设置为开始模式时，可以通过显示器上的字符输入按钮，输入患者姓名、住院号、年龄、身高、体重等信息；
[0123]
当将肺功能检查及结果判读软件系统的工作模式设置为肺功能测定模式时，可选择本次操作需测量的肺功能参数(选项为vt、fvc、fev1)、三维肺功能参数模型iv的象限分割模式；
[0124]
当将肺功能检查及结果判读软件系统的工作模式设置为结果输出模式时，可获得本次操作肺功能参数数值(vt、fvc、fev1、fev1％、fev1/fev1pred)、肺功能初步判读结果(基本正常、限制性通气功能障碍、阻塞性通气功能障碍、混合型通气功能障碍)；
[0125]
当将肺功能检查及结果判读软件系统的工作模式设置为连续监测预警模式时，可连续监测受试者的潮气量vt，通过显示器操作按钮可设置vt报警阈值，低于所设定阈值时发出蜂鸣音报警提示；
[0126]
当将肺功能检查及结果判读软件系统的工作模式设置为主视图模式时，通过显示器1显示三维通气蓝色立体模型iv的分区二维图像；
[0127]
当将肺功能检查及结果判读软件系统的工作模式设置为三维视图模式时，显示器及触屏操作系统1显示三维通气蓝色立体模型iv的三维立体图。