哮喘严重程度监测工具设计

Nur Ilham Imarah binti Mou Yusop¹M.B.马拉维利²

马来西亚科技大学生物科学与医学工程学院生物技术与医学工程系研究生，柔佛州斯古代81310
马来西亚科技大学生物科学与医学工程学院生物技术与医学工程系高级讲师，柔佛州斯古代81310

摘要

哮喘是一种常见的慢性呼吸道疾病，由细支气管和狭窄气道的炎症引起。医生通常使用的检测哮喘体征或症状的工具是肺活量计和峰值流量计，但目前还没有能够监测哮喘严重程度的工具。然而，目前的工具有明显的缺点，患者在操作后往往效果不佳，症状加重。为了克服目前的限制，最近引入了一种用于测量呼出空气中二氧化碳浓度的无创二氧化碳检测法。本研究旨在利用MATLAB软件设计一个GUI(图形用户界面)来检测哮喘的严重程度。GUI构建将数据呈现为更简单和友好的程序。它由患者信息部分和能够检测哮喘严重程度的支气管造影分析两部分组成。该项目的成功扩大了支气管造影在医学领域的应用，其GUI构建具有非侵入性、不需要费力和连续监测的特点，可作为帮助医疗保健专业人员监测哮喘严重程度的新方法。

关键字

哮喘监测;capnography;信号处理，GUI;MATLAB;capnogram

I.INTRODUCTION

哮喘是一种常见的累及肺部的慢性呼吸系统疾病。它的发生是由于细支气管和气道的炎症，使哮喘患者呼吸困难。哮喘的特征是呼吸道和细支气管在吸入某些物质后变得肿胀、狭窄和极度敏感。较小的气道引起空气阻塞和局部气流减少，从而导致肺泡通气，特别是在呼气时。

当医生用听诊器听诊时，哮喘患者往往会咳嗽，呼吸短促，胸闷，肺部可听到喘息声。引发哮喘的因素可分为两类，一类是炎症引发因素，另一类是症状引发因素。炎症诱因包括花粉和某些空气污染物，而烟草烟雾和香水等强烈的化学烟雾属于症状诱因组。

在马来西亚，哮喘是诊所治疗的常见疾病之一。根据2006年进行的第三次全国健康和发病率调查(NHMS III)，哮喘约影响总人口的10-13%，其中很大一部分人得不到充分治疗，生活质量差。患病率最高的是马来人(67%)，其次是印度人(12.9%)，其他种族(10%)和华人(7.3%)。此外，2003年马来西亚哮喘委员会透露，66%的哮喘患者从未进行过肺功能检查。

传统上，马来西亚的医院和诊所使用肺活量计和峰值流量计来检测哮喘的任何迹象或症状。峰值流量计将通过测量一次“快速爆炸”中的空气流量来监测肺部强度exhalationÃ¢Â¢Â°s。记录的值称为呼气流量峰值(PEFR)，用于确定支气管痉挛的严重程度和患者气道阻塞的程度。通过使用所有这些信息，医生能够监测和确定哮喘状况。患者需要尽可能深地深呼吸，然后尽可能快地用力吹气，重复这个过程大约两到三次。然而，这种方法给患者带来了一些负面反馈，因为他们在使用设备后会感到头晕。这是一种非常依赖患者的工具，患者必须给予充分的配合，以便该设备能够检测临床上重要的复位。

另一方面，肺活量计是一种测量肺部吸入和呼气量的仪器。它是用来测量一个人的肺可以容纳的空气量和肺部排空和填充所需的时间。肺的任何微小变化都可以在患者意识到之前用肺活量计检测出来。虽然它是哮喘管理和诊断中有用的医疗设备之一，但它涉及的设备大而复杂，患者不可能购买到它并在家中自行监测病情。除此之外，使用该设备需要一些时间，因为它需要临床医生或呼吸治疗师的一些培训，以确保测试成功完成。

另一种评估哮喘的方法是通过临床评估。在临床评估中，医生做的第一步是询问患者的patientÃ¢Â Â°背景，并更多地关注病史。他们想要确定症状、发生情况以及任何可能引发哮喘的因素，比如过敏原。之后，进行身体检查，特别是在上呼吸道周围。医生会听是否有喘息的声音，可能会看是否有鼻分泌物或任何类似的过敏相关症状。医生将症状记录在日记卡上，所获得的数据常用于临床试验。

与肺活量计和峰值流量计相比，这是最简单的方法，花费的时间最少，但症状可能不能表明疾病的严重程度，也没有关于患者健康的有力证据。有些医生可能不能确定气道阻塞的程度。有时，气道阻塞的改善是由于单纯的氧疗。虽然这些症状可能在患者接受药物治疗后消失，但并不一定与patientÃ¢Â¢Â°的健康状况[3]相关。

肺泡造影是一种非侵入性技术，近年来被用于监测哮喘状况。它利用红外技术测量二氧化碳的通风量，并显示由瞬时二氧化碳浓度(毫米汞柱)与时间(秒)组成的图表，称为二氧化碳图。除此之外，作为哮喘监测工具的使用，早在几年前就有研究，也可用于评估各种呼吸问题，与肺活量计和峰值流量计相比，患者使用它更方便，因为患者在使用它时可以舒适地躺下和坐下。

本课题利用MATLAB软件设计了一个监测哮喘严重程度的GUI。利用文献综述中已报道的算法分析从脑电图信号中提取的特征。GUI能够将患者分为哮喘组和非哮喘组，并将哮喘的严重程度从1级到10级进行评级。以下部分将详细介绍摄血术的概况以及以往与摄血术相关的研究。在第3节中，我们描述了基于现有研究开发的GUI。GUI的结果和数据分析将在第4节中给出。最后，在第5部分得出结论。

2系统概述

Capnography

二氧化碳检测法是对呼吸气体中二氧化碳(CO2)浓度的连续分析。这张被称为二氧化碳图的图表显示了呼出的二氧化碳水平(毫米汞柱)随时间的变化。脑电图既可以数字显示(用机器)，也可以手工测量(用纸描)。

二氧化碳计量法是对呼吸周期内最高水平的测量和数值显示。它最初是在第二次世界大战期间用于监测潜艇的内部环境。在20世纪50年代，它被实验用于测量麻醉过程中过期的二氧化碳，并在20世纪80年代被广泛应用于麻醉实践中。目前，毛细管造影不仅用于麻醉领域，还用于监测呼吸功能受损患者，检测呼吸道的变化。

如图1所示，正常脑电图的形状有点像方波。呼气由三个连续的阶段组成:(1)潜伏期(phase I)，对应于解剖死腔的呼气(PexpCO2 = 0)，与之前的吸气无法区分;(2)坡相(II期)，PexpCO2值急剧上升，对应于混合空气的到期;(3)平台期(III期)，反映肺泡空气的消除(PexpCO2略有增加)，导致在潮汐呼气结束时达到峰值(PetCO2接近肺泡二氧化碳张力)[6,7]。图中的最高峰称为潮末点

对于哮喘患者来说，气道肿胀、狭窄，并有额外的粘液堵塞，导致局部气流和肺泡通气减少。在呼气过程中，二氧化碳在不同的时间被释放，从而导致了碳图形状的不同步。细支气管区肺泡空气与肺死腔的混合改变了肺泡图的形状。二期井失去垂直度，二期井与三期井之间的α角(也称为角Q)大开，三期井的倾角[6]增大。在严重的哮喘状态下，脑电图像一条“鲨鱼finÃ¢Â Â°”，如图2所示。研究人员对脑电图的变化很感兴趣，因为它表明了呼吸系统的变化。

既往研究与血管造影有关

B.You等人[b]手工研究了哮喘心电图。建议的参数为S1、S2、S3、SR。从0到0.2秒的初始斜率为S1区域，而中间斜率为0.8到1.2秒的S2区域。SR为S1与S2的斜率比[SR = (S2/S1) × 100];A1为0.2 ~ 1秒时曲线下的面积，A2为矩形面积。AR是由[(A1/A2) × 100]计算得出的比率。b .你做了一个实验，测量了40名受试者(10名哮喘患者和30名对照组)的肺活量，并将结果与肺活量指数进行了比较。他发现肺活量测定与心电图指标有显著的相关性(p<0.001)，但在中间期和E2与E3之间的角度相关性最强，因此心电图可用于哮喘患者病情的研究。

1995年，Yaron M.与B.You做了一个类似的概念实验，但他使用的是峰值流量计[8]。实验记录了20例哮喘患者和28例正常成人的呼气流量末潮波形，并记录了3个呼气流量峰值中的最佳值。计算了dCO2/dt值及数据间的相关性。在研究中，他们发现dCO2/dt与PEFR相关(r = 0.84, p<0.001)，肺泡平台的dCO2/dt可用于检测支气管痉挛。

CV Eagleston[9](1997)研究了在非插管病房患者中使用血管造影作为气道阻塞指标的可能性。通过使用鼻导管检查38例入院患者是否存在呼气性喘息。分析了图迹，得到了斜率比。结果，他发现两组的SR均值有显著性差异(p<<0.001)。形态学正常患者的SR均值为7.57 (SEM 0.18)， 95 CI为6.37 ~ 8.77;有阻塞性证据的患者SR均值为31.9。哮喘患者的脑电图也表现为梗阻性的“sharkÃ¢Â´Â´s fin”形态。他还认为，在急性呼吸道疾病患者中，血管造影可以持续监测呼吸状况，以发现呼吸道阻塞。

TeoAik Howe在2008年进行了一项实验，以确定急性非插管哮喘患者支气管痉挛的变化是否与2期、3期的变化以及脑电图上的α角开度有关。对30例急性哮喘患者进行临床严重程度评分和血流峰值测量。患者还接受了鼻插管取样。如果患者在治疗后好转到足以出院，则记录第二组血糖波形。治疗前后的结果采用t检验分析。

治疗前和治疗后的血糖波形在III期(p<0.001)和α角(p<0.001)有显著性差异，但II期有差异(p<0.35)。因此，他们得出结论，峰值流量计读数有显著变化，但它与二氧化碳指数的相关性较弱。本研究还提供了一些早期发现，表明肺活学波形指标可以显示急性哮喘患者气道直径的改善。

2012年，Mohsen Kazemi和MB Malarvili b[10]创建了一种评估哮喘严重程度的新算法。他采用新的处理技术，将线性预测编码(LPC)系数和自回归(AR)建模技术相结合，对脑电图信号进行处理。通过ROC技术对提取特征的有效性进行测试，他建立的算法能够区分哮喘和非哮喘患者。该方法还能检测出1 ~ 10级的哮喘严重程度，检出率高达95.64%，错误率仅为4.34%。

根据以往的研究收集到的信息，我们可以得出结论，毛细血管造影信号包含反映呼吸系统变化的特殊特征。通过适当的算法，将提取的特征集合在一起，生成一个能够监测哮喘严重程度的GUI。

3方法

本节讨论构建能够监视哮喘严重程度的GUI所需要完成的步骤。本研究方法从收集相关的、详细的血管造影文献综述入手。然后，首先设计GUI布局，然后使用MATLAB软件进行实现过程。最后一步是GUI优化，将患者信息和患者医疗背景部分相加。在这个项目中完成的整个过程被简化为如下图3所示的流程图。

GUI实现

图形用户界面或GUI(发音为goo-ee)允许用户与程序更友好和易于使用的交互。GUI背后的方法是“所见即所得”。用户不必为了得到结果而记忆复杂的命令语言并键入它们。GUI允许用户更容易地执行capgraph信号的分析，而不是在命令窗口中输入MATLAB编码。使用Matlab中提供的函数创建了用于脑图信号分析的GUI。

在这个项目中实现的这个项目的GUI流程可以用一个流程图来说明，如下面的图4所示。

四、结果与讨论

图形用户界面(GUI)

图5显示了GUI屏幕截图。它由患者信息和病史两个部分组成。病人可以填写他们的详细信息，并回答相关的医疗问题。GUI中准备的问题是医生经常向患者提出的问题。之后，患者可以选择他们喜欢的方法来诊断他们的哮喘病情，然而，在这个项目中，只提供了造影选择。

患者信息和病史部分是患者评估的重要组成部分，在临床实践中仍然是首先要做的事情。除此之外，据说超过80%的诊断仅仅是根据病史做出的，另外5- 10%是通过检查做出的，剩下的是通过调查做出的。在全面的病人病史中收集了一些信息，包括目前的状况、过去的病史、家族史、药物使用和他们的社会地位。收集到的信息将为医生提供一些关于病人健康状况的想法。

第二部分的设计是对脑电图信号进行分析。它给出了诸如alpha角宽度，梯度斜率以及pc系数和psdestination等参数。这些特征的组合可用于确定哮喘患者的严重程度。图6显示了一个非哮喘患者的心电图分析示例。

GUI包括LPC分析、PSD估计、斜率比分析和哮喘严重程度指数。一个健康的病人被评为1级，2-6级为严重哮喘，7-10级为严重哮喘。

数据分析

利用信号处理技术对脑电图信号进行处理;即LPC分析和AR建模技术。然后，结合前人对心电图的分析方法，如α角分析和斜率比分析，以提高哮喘诊断工具的效率。

1) LPC分析

LPC是一种用于信号源建模的方法，通过观察输入和输出样本序列[10]，LPC分析函数是通过估计一组描述系统行为的成分系数，其中每个表达式近似为过去样本的组合[13]。LPC分析将猜测样本数据数量上的最佳估计系数，并产生原始表达式样本[14]的良好近似值。通过LPC分析，提取出α1和α4两个参数。关于LPC的适用性和结果的更多信息可以在[10]找到

2) AR建模

功率谱密度估计一般采用自回归(AR)模型。主要用于估计生物医学信号的功率谱密度[10]。利用快速傅立叶变换技术(fast Fourier technique, FFT)将时域信号转换为频域信号，得到功率谱。从频谱中，有两个重要的参数需要提取，以进一步分析脑电图信号。它们是最大或主导谱PSD的峰数以及PSD的频率和幅度。

3) Alpha角和斜率比分析

B. You等人(1994)提出的alpha角和斜率比分析被纳入，以提高工具的有效性。参数为S1, S2, SR和alpha角计算。第一个拐点，在早期呼吸过程中，血糖图急剧上升，被确定为二氧化碳分压高于4mmHg[3]的曲线。下一个明显的拐点被确定为潮末峰，CO2分压曲线在这里急剧下降。考虑到这一点，S1被计算为从心电图上升到4mmHg以上的点形成的曲线的梯度，持续时间为0.25秒。在这个水平上，二氧化碳必须从肺部排出才能达到4毫米汞柱的水平。S2为距离末潮峰[3]0.75 ~ 0.25 s时的曲线梯度。斜率比由(S2/S1) × 100计算。α角为S1的斜率与S2的斜率的交角[5]。

到目前为止，还没有哮喘严重程度监测工具。现有的评估气道阻塞的方法有临床评估、峰值流量评估和肺活量计评估，但均有其不足之处。因此，为了克服这一问题，引入了一种理想的呼吸监测方法，它不需要严重依赖患者的依从性，也不需要中断任何药物治疗，同时提供实时图形显示。虽然早在几年前就已经有关于心肌造影分析与支气管痉挛相关性的研究，但大多数实验都是在传统的时域方法中进行的，并假设心肌造影是一个平稳的信号。

B.You等人研究了峰值流量仪与人工测量的末潮坡之间的关系，他们是最早提出潮汐图分析计算机化的有用性的人之一[3,5]。这是由于很难在每个波形中识别常数或细节，以进行可重复和可再现的分析[10]。能够识别不同波形形态的计算机方法的发展可以使呼吸保健专业人员和患者受益。该方法还可以进一步辅助医生和医务人员自动、即时监测哮喘的严重程度。

V.CONCLUSION

利用血管造影监测哮喘是医疗技术中的一种新方法，在马来西亚尚未广泛使用。由于目前监测和管理哮喘存在的方法具有局限性，使用血管造影监测是解决局限性的另一种方法。在本项目中，利用已有的算法，提取心电图特征，并结合前人发现的特征，成功创建了一个用于哮喘严重程度检测和监测的GUI，提高了工具的效率。心电图波形的计算机化分析可以扩展心电图在医学领域的应用，促进心电图在哮喘发作时的监测。随着研究的深入，支气管造影具有无创、不需费力、连续监测等优点，有望成为哮喘监测的一种新方法。此外，在未来，使用峰值流量计和肺活量计对哮喘患者进行分析将包括在GUI中，以便产生一个完整的监测工具来监测哮喘的严重程度。

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