专利名称：电脑控制膈肌功能测定装置的制作方法
技术领域：
本发明为检查呼吸器官疾病，以诊断为目的，用微电脑控制采集和记录数据并计算结果的装置。
膈肌是呼吸的主要动力来源，其功能的好坏直接反映病人的呼吸功能及病情的轻重，膈肌功能的测定对某些呼吸系统疾病的诊断、治疗和康复效果的评价可提供重要的依据;对呼吸衰竭发病机制的探讨亦有重要的意义。1977年，Roussos等人用自制的仪器测定了人的膈肌功能，提出和证实了人在生理或病理状态下、呼吸过程中会出现膈肌疲劳的理论。此后，很多医学工作者对膈肌疲劳的测定方法和发病机制进行了研究，近年的研究结果表明慢性阻塞性肺疾患、呼吸衰竭病人的膈肌功能明显下降，极易出现疲劳，使呼吸无力。由于动力不足使呼吸功能进一步恶化。膈肌疲劳可引起呼吸衰竭。
对于膈肌功能的测定，目前在世界范围内未见有厂商生产完整的专用仪器装置。在期刊“美国呼吸疾病述评”(Am.Rev.Respir.Dis.)1989;139641-647报导的用吸鼻法测定食道内、鼻咽部内和口腔内压判断吸气肌肉力量。文章报导测定了食道内压(Pes)、鼻咽内压(Pnp)、口腔内压(Pmo)、最大吸气压(Plmax)、最大呼气压(PEmax)、通过人工计算求出跨膈压(Pdi)、最大跨膈压(Pdimax)。这些膈肌功能指标的测定是采用一种由五个部分的仪器组成的装置来完成的。(1)压力传导部分由末端带乳胶囊的聚乙烯管及接头构成，其功能是将食道内压、胃内压、鼻咽内压、口腔内压传导到压力传感器上;(2)压力传感器将压力讯号变成电讯号;(3)电讯号放大器;把压力传感器的讯号放大以便记录;(4)讯号记录部分用墨水笔记录仪，把呼吸压力波形记录以便分析和计算时用;(5)定标部分用U型水柱或水银柱压力计组成，作为参考标准压力。
采用上述这种装置来测定膈肌功能虽可测得跨膈压、最大跨膈压及膈肌张力时间指数等指标，但存在下述缺点(1)在每次使用前必须用U型水柱或水银压力计对上述装置进行调零和定标，对所测数据要进行人手计算，计算时又需根据与定标振幅的比例来推算，这样既费时、繁琐、又易出现误差，仪器使用前的准备工作多、时间长。(2)由于记录仪量程上的限制，通常不能同时满足量程＞20KPa和敏感度＜0.03KPa的要求。(3)一般只适用于在人体静态下测定，这与在动态下测定的数据有很大不同，对判断呼吸系统疾病的准确程度会有差异。(4)如需在动态下测定膈肌张力时间指数时，必须控制被检者的呼吸保持在一种特定方式(使压力波形为方波)这在临床实践中是很难应用的。
根据临床医学的需要及上述膈肌功能测定装置所存在的缺点，本发明目的是研制一种电脑控制的膈肌功能测定装置，用微机自动调零，自动定标，采集和贮存讯号，进行计算和输出结果，使操作简便并提高准确性;既能检测被检者在静态下的膈肌功能指标，也能在动态下(如运动过程中)进行实时测定膈肌功能指标，为临床诊断和防治呼吸系统疾病提供一种理想的仪器装置。
本发明的膈肌功能装置是由可插于胃和食道的囊管、带阻断阀的接口器、压力传感器、一个高倍和低倍两路输出的放大器组作为电讯号放大用、A/D转换卡、计算机中央处理器(CPU)、显示器、含64K以上的RAM、计算机磁盘驱动器、打印机及一组软件组成。
下面结合附图详细说明。
图1为本发明电脑控制膈肌功能测定装置结构框图。
图中标号[1A]食道囊管、[1B]胃囊管、[2]阻断器和接口器、[3A]和[3B]压力传感器、[4]放大器组、[5]A/D转换卡、[6]计算机中央处理器(CPU)、[7]显示器、[8]计算机内存(RAM)、[9]计算机磁盘驱动器、[10]打印机。和[1B]囊管均是采用一种长120cm左右，外径0.20～0.25cm，壁厚0.03～0.04cm的聚乙烯管，前端封有乳胶泡囊，囊长5～6cm，周长3.5±0.5cm，囊两端与管密封连接，在囊内的管有多个小孔使管腔与囊之间保持通畅。[2]接口器是一个带凸缘的半硬塑料材料制成的(有市售)，接口器连接有一个阻断阀，它是一个金属接头，含有一个三通开关和一个用于预防颊面部肌肉收缩影响压力测定的小漏气孔、[3A]和[3B]是二个相同的压力传感器，采用张丝型压力传感器，其性能应达到敏感度0.03KPa;量程-160～+200KPa;线性±0.5;频率响应性0～10Hz。[4]是由二个相同的有高倍和低倍两路输出的放大器组成的;与压力换能器配合作检测胃内压及食道内压之用。由于有二个放大器，则可同时接受两通道输入，而输出端则有四个通道，这便可满足同时以不同的放大倍数输出，供检测最大跨膈压、最大呼气压及最大吸气压之用，亦可满足在运动试验期间测定自然呼吸的跨膈压的同时测定最大跨膈压。[5]A/D转换卡由4个A/D转换器1＃至4＃组成。[6]、[7]、[8]、[9]、[10]部件均采用市售通用仪器按常规安装操作使用。软件用6502及BASIC编写，采用模块结构，由一个主程序模块调用各子程序模块。将上述部件按图1示意连接并接通电源便可测定被检者在静态或动态下的膈肌功能。
A、自动测定基线零点和定标通过接口器[2]上的三通开关使压力传感器[3A]和[3B]分别与大气相通，CPU[6]在设定的程序控制下，在10秒钟内分别定时256次反复依次选通A/D转换器1＃至4＃，实时采集相应数据，各自平均后，设定为各个通道的基线零点，无需再人为调零。定标系数在装机时用外源标准压力设定并存入磁盘中，每次使用时取出，无需再定标，通常2-3个月校验一次，如超出允许范围，仪器自动建立新的校正系数。
B、动态图形显示及跨膈压的合成动态显示设定将10秒钟的信息在显示器[7]的同一幕以高分辩率作图以曲线波形显示，一幕完了继续下一幕，实现动态显示。将食道囊管[1A]和胃囊管[1B]的泡囊置入食道和胃，管分别与压力传感器[3A]和[3B]接通。CPU在设定的程序控制下，在10秒钟内分别定时256次反复依次选通A/D转换器1＃至4＃，实时采集相应数据，并按五点三次平滑公式Y0＝1/35(-3Y-2+12Y-1+17Y0+12Y1-3Y2)进行平滑处理后，一方面将数据依次存入RAM，一方面依次送显示器[7]显示，同时将胃内压与食道压相减合成跨膈压，亦送显示器[7]显示，即显示器同时可显示食道压、胃内压及跨膈压的动态变化的曲线波形。
C、参考零点的自动测定人在安静状态下呼气末时的食道内压即为食道内压的参考零点，其胃内压即为胃内压的参考零点，食道内压参考零点与胃内压参考零点的合成即为跨膈压的参考零点。让被检者在安静状态下自然呼吸，图形在显示器动态显示，当一幕图象结束时，CPU在设定的程序控制下，从已采集的食道内压力的数据中找出呼气末的特征点，即某呼吸周期内的最高点，并计算出相应的食道压参考零点、胃内压参考零点及跨膈压的参考零点，一方面送入RAM，同时又以数字形式送显示器显示。
D、各时刻的膈肌功能指标的自动测定每次呼气末与下次呼气末的时间间隔为一个呼吸周期，用T表示。呼气末至吸气末的时间间隔为吸气间期，用Ti表示。在吸气末时食道内压力称为吸气末的食道内压，用Peso(I)表示，其胃内压为吸气末的胃内压，用Pgas(I)表示。吸气末的食道内压与吸气末的胃内压的合成称为吸气末的跨膈压，用Pdi表示。最大跨膈压(Pdimax)是指在呼气末气道阻断时尽最大努力吸气所产生的Pdi。除可在静态下测定，亦可在动态下(如递增式踏车运动过程中)测得。不过，这时A/D转换器1＃食道内压信号已达饱和，而是用A/D转换器2＃的数据计算得到，同样，A/D转换器3＃胃内压的信号亦已达饱和，而用A/D转换器4＃的数据计算而得。膈肌张力时间指数用TTdi表示，是按如下公式求得。
TTdi＝Pdi/Pdi(h)×Ti/T式中Pdi(h)是取若干次测量中Pdimax的最高值，Pdi系整个吸气过程中的跨膈压的平均值。
在动态显示时已设定在每10秒钟的信息在显示器上显示一幕图形，在一幕显示结束的同时，CPU在设定的程序控制下从这10秒钟所采集的食道内压的数据中找出呼气末的特征点及吸气末的特征点，并计算出吸气末的食道内压、吸气末的胃内压、吸气末的跨膈压、呼气末的食道内压和TTdi之值。当用者设定的动态显示时间一到，CPU在设定程序控制下将全部信息以机器语言文件形式通过磁盘驱动器[9]存入磁盘，然后按临床要求的格式通过打印机[10]输出所测得的膈肌功能指标。
E、信息重现为了能在任何时刻给检测者再次观察已经出现过的信息，CPU[6]在设定的程序控制下，通过磁盘驱动器[9]将已存于磁盘内的信息装入RAM[8]，并按原来顺序每10秒为一幕，从RAM中顺次取出数据送显示器[7]显示，信息重现一般是动态，如有需要可通过键盘输入命令，冻结重现信息，让检测者详细观察。如检测者再需结果报告，CPU[6]可在键盘输入指令，通过打印机[10]按诊断要求的格式打印出膈肌功能测定的结果报告。亦可输出任一时刻的图形曲线。
F、系统可靠性的校验为了证实本系统的测量结果的可靠性。可通过接口器上的阻断阀把传感器[3A]和[3B]分别与标准压力计(如U型管压力计)相连接，让系统处于动态显示状态下，CPU[6]在设定程序控制下，即时将采样结果以数字形式送显示器[7]显示，供校验者进行校验。若用X表示输入标准压力，用Y表示校验显示的压力，通过44个校验点统计，传感器[3A]的通道作配对l检验，P＞0.05差异无显著性，作直线回归得Y＝-0.19921+0.99730X。相关系数R＝0.99886，传感器[3B]通道作配对t检验，P＞0.05，差异无显著性，作直线回归得Y＝0.2657+0.99726X，相关系数R＝0.99932。
G、最大吸气压Plmax的测定接口器[2]与传感器[3A]接通，CPU[6]在设定的程序控制下在20秒钟内分别定时256次反复选通A/D转换器2＃，实时采集数据，一方面依次存入RAM，一方面依次送显示器显示，检测者在呼气末通过阻断阀关闭气道，被检者做最大吸气试验，待一幕显示结束后，CPU在设定的程序控制下，找出对应最大吸气的特征点，并计算出最大吸气压，一方面存入RAM，同时以数字形式送显示器[7]显示。
H、最大呼气压PEmax的测定通过阻断阀[2]将接口器与传感器[3B]接通，CPU[6]在设定的程序控制下，在20秒钟内分别定时256次反复选通A/D转换器4＃，实时采集数据，一方面送入RAM[8]，一方面送显示器[7]显示，操作者在呼气末转动阻断阀，阻断气道，气被检者做最大呼气试验，待一幕显示结束后，CPU[6]在设定的程序控制下找出最大呼气压的特征点，并计算出最大呼气压，一方面送入RAM[8]，一方面以数字形式送显示器[7]显示。
I、最大跨膈压Pdimax或Pdisniff的测量它可在运动之前或之后进行检测，亦可在运动期间测，其方法是在仪器进入动态显示的状态下，被检者可采用阻断法测Pdimax，或以用力吸鼻法测Pdisniff，当一幕结束后CPU[6]在设定的程序控制下测出最大跨膈压Pdimax或Pdisniff，将结果送RAM[8]同时以数字形式送显示器[7]显示。
J、口腔阻断压P0.1的测定P0.1是指被检者自然呼气末在口腔被阻断时，吸气开始后压力突然下降，在开始下降后0.1秒时的下降压力。它是将接口器[2]与传感器[3A]联接，CPU[6]在设定的程序控制下，在10秒钟内分别定时256次反复选通A/D转换器1＃实时采集数据，一方面送入RAM[8]，另一方面送显示器[7]显示，被检者通过接口器做阻断试验，待一幕显示结束后，CPU在设定的程序下找出P0.1的特征点并计算出P0.1之值。
图2，为本发明的一个有高倍和低倍两路输出的放大器电路图。
A1与压力传感器组成输入前级放大，然后分支成两路，A2、A3是两级反相放大器，A4是输出级，同样A2′、A3′是两级反相放大器，A4′是输出级。A1选用OP-O7D运放，A2、A3、A2′、A3′选用LM747双运放，A4与A4′选用LM324四运放。其中W1、W2、W3、W4、W5分别为A1、A2、A3、A2′、A3′的调零电位器。R15＊与R8＊根据压力传感器的灵敏度而定。
为满足动态测量范围(1)-10cm H2O～40cm H2O(2)-50cm H2O～200cm H2O及同时有足够的精度±0.3cm H2O特制如图2有高倍和低倍两路输出的放大器。输出级选用单电源的LM324运放，无负电平输出以满足8位A/D转换器的要求。输出级的直流电平调节使在零压力下输出电平为1V，创造检测负压力的条件。采用本发明的放大器低倍增益400～1000可调，高倍增益2000～5000可调。
本发明所提供的膈肌功能测定装置具有以下优点(1)本装置能实时动态测定膈肌功能，其可测指标有胃内压参考零点、食道内压参考零点、呼吸周期、吸气时间、吸气末胃内压、吸气末食道内压、吸气末跨膈压及TTdi等，跨膈压采用数字合成，屏幕同时显示三道信号的图形，数据采集贮存后随时可重现原过程的动态曲线并可冻结显示。(2)本装置能在静态下测定PImax、PEmax、Pdimax、Pdisniff和P0.1等指标。(3)本装置能自动调零、自动取参考零点和自动定标，同时亦保留了用外源性标准压力(U型水柱)作标化和验证的功能，这样，既可减少使用前仪器准备的时间，亦提高了测定结果的准确性。(4)用电脑进行检测控制、数据采集、贮存、图形曲线显示、数据处理和输出结果，操作方便，大大节约了测定和计算结果所需的时间，有利于及时提供诊断参考。(5)本装置性能稳定，所测数据精确可靠。(6)数据存入磁盘，可长期保留，对病人可作前后对照，有利于疗效及康复的评价。
实施例仪器接通电源预热15分钟后，两个压力传感器固定在某一位置与大气相通，通过电脑控制，把当时的压力(零位输入)定为零点后，仪器即处于可用状态。如有一被检者，男性，48岁，患慢性支气管炎，肺气肿十年，用本发明装置测定其膈肌功能。
1、最大吸气压(PImax)和最大呼气压(PEmax)的测定被检者口含接口器，带上鼻夹自然呼吸，在呼气末通过阻断阀阻断气道并与压力传感器接通，被检者尽最大努力吸气时所产生的压力，由该仪器自动测出，在显示器显示，并存入内存供打印结果，得PImax为-5.25KPa，正常值为9.7KPa。同理，作最大呼气压测定时，在最大吸气末关闭气道，并与压力传感器连通，作最大努力呼气时所得的压力，得PEmax为10.2KPa，正常值一般为23.0KPa。
2、最大跨膈肌压(Pdimax)测定按常规把食道囊管和胃囊管置入食道和胃，分别连接于压力传感器，压力曲线即可在该装置的显示器显示，使被检者安静呼吸10秒钟，该仪器即可自动测出参考零点。然后，被检者口含接口器，带上鼻夹，在呼气末通过阻断阀阻断气道，用最大努力吸气时所测得的胃内压与食道内压，两者的差值即Pdimax由仪器自动测出并输出结果为5.6KPa，一般正常值为13.6KPa，类同上述方法，可不用阻断法，使被检者用最大努力吸鼻，此时产生的Pdi最大值称为Pdisniff，为5.0KPa，一般正常值为12.7KPa。
3、膈肌功能动态测定按上述第2点方案放入囊管，接通压力传感器，被检者用可控电阻力踏车作运动试验，每10秒计算一次结果，该装置便自动持续记录食道内压(Peso)和胃内压(Pgas)在呼吸过程的变化曲线并计算Pdi。测定2分钟安静基础值后，开始踏车。速度保持60rmp左右。以10瓦的负荷热身运动1分钟后开始运动试验，运动起始负荷20瓦，以每分20瓦阶梯式递增负荷，直到达极量运动指标时终止运动;3-5分钟后可再测定PImax、Pdimax、Pdisniff。被检者极量运动时的Pgas(I)为-0.6KPa，正常为1.35KPa，pdi为0.95KPa，正常一般为3.0KPa，TTdi为0.06，正常一般为0.10，由上述所测指标可见患者有明显的膈肌功能下降，即使在自然呼吸状态下随着运动负荷增加，在不同程度上Pgas(I)和Pdi不能相应地上升反而出现下降，Pgas(I)出现负值，形成反常呼吸，在中度运动时膈肌动度减弱和呼吸不同步，极量运动时出现反常呼吸，可见患者存在着吸气肌力量不足的情况，加重了通气功能不全。在极量运动时Pgas(I)出现负值表示膈肌反常呼吸，是膈肌疲劳的证据。根据此结果，指导患者进行膈肌呼吸锻炼及使用长效茶碱等可增强膈肌力量的药物，一个月后，患者症状明显改善，活动耐受能力显著提高。
权利要求
1.一种由囊管、接口器、压力传感器、电讯号放大器、讯号记录部分组成的膈肌功能测定装置，其特征在于电讯号放大器是一个高倍和低倍两路输出的放大器组，由计算机中央处理器CPU、A/D转换卡、显示器、含64K以上的计算机内存RAM、计算机磁盘驱动器、打印机进行自动调零、定标、贮存讯号、计算和输出结果。
全文摘要
电脑控制膈肌功能测定装置是为检查呼吸器官疾病，以诊断为目的，用微电脑处理测量和记录膈肌功能指标的装置。它是由囊管、接口器、压力传感器、放大器组、A/D转换卡、CPU、显示器、RAM、磁盘驱动器、打印机及一组软件组成。能在静态和动态下进行实时测定Plmax、PEmax、Pdi、Pdimax、Pdisniff、TTdi和P0.1等参数。具有自动调零、定标、检测控制、数据采集、贮存、图形曲线显示、数据处理和输出结果等优点。
文档编号A61B5/22GK1052425SQ8910938
公开日1991年6月26日 申请日期1989年12月15日 优先权日1989年12月15日
发明者钟南山, 陈灼慈, 陈荣昌, 谢南柱 申请人:广州呼吸疾病研究所