基于生物阻抗谱的肺容积测量方法及机械通气控制方法

1.本发明属于医学成像这一技术领域，具体涉及一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法及机械通气控制方法。


背景技术：

2.生物阻抗谱(bis)是一种利用生物组织的电阻抗特性提取相应病理信息的检测技术，通过生物组织在不同频率下所反映出的阻抗特性，提取生物组织的生理特性。
3.bis技术具有免标记、过程信息丰富等特点，并且该技术已经广泛用于热损伤程度的检测、细胞悬浮液的检测、肿瘤组织病理分析等方面。
4.文献1：cn104545912a(中山大学)提出了一种心肺阻抗的测量方法及装置，其基本思路是：利用电阻抗信号来提取特征值，进而来训练神经网络。其测量精度依赖于神经网络模型数据的投喂量以及模型本技术的架构。
5.文献2：cn104545924a(中山大学)提出了一种基于信息融合的阻抗肺容积测量方法，其步骤是：提取左肺和右肺的电阻抗数字信号的参考特征值，然后根据所述参考特征值，对所述受试者的阻抗肺容积进行测量。
6.构建等效电路(eec)是研究生物阻抗谱较为常用的方法，eec通过将目标生物组织等效为一系列电阻、电容、电感等元件的串并联关系，通过个元件的参数变化来反映生物组织的不同性质。
7.而如何构建适合于肺部组织的等效电路(eec)、以及等效电路(eec)模型建立后，如何计算和提取eec的电学参数来计算肺部容积都是科研领域正在研究的课题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法。
9.本发明的另一目的在于提供一种机械通气控制方法。
10.一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法，其包括如下步骤：
11.s100，获取特征值关系曲线；
12.s200，获取当前时刻t的特征值c
ll
、c
rl
；
13.s300，利用s200得到的特征值，代入到s100中得到的特征值关系曲线，从而求取得到肺容积。
14.进一步，特征值关系曲线表述为：
[0015][0016]
其中，v为肺容积；
[0017]
其中，a、b、c、d为相关计算参数；
[0018]
其中，c
ll
和c
rl
为特征值。
[0019]
进一步，所述特征值关系曲线的获取方法如下：
[0020]
首先，测量若干组同一时刻下的肺部容积v、c
ll
和c
rl
；同时安装肺活量测试仪以及电阻抗传感器：在0～t1时刻下(0～t1包含至少1个呼吸循环的时间)，进行若干次测量；
[0021]
1)通过肺活量测试仪测量任意x时刻下的对于肺部容积v；
[0022]
2)通过电阻抗传感器采用同步多频的方式测量得到频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵；然后读取任意x时刻的频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵，计算角频率-阻抗幅值数据集：
[0023]
(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ωiꢀ…ꢀ
ωn)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
ziꢀ…ꢀzn
)；
[0024]
其中，ωi为与第i个激励电流的频率对应的角频率，zi为与第i个激励电流的频率对应的阻抗幅值；n表示采集点数的总数；
[0025]
利用角频率-阻抗幅值数据集(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ωiꢀ…ꢀ
ωn)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
ziꢀ…ꢀzn
)以及下式：
[0026][0027]
通过数据拟合的方式求得任意x时刻六个参数：r
ll
、c
ll
、r
rl
、c
rl
、rb、cb；其中，c
ll
与c
rl
作为特征值；
[0028]
其次，利用得到的若干组同一时刻下的肺部容积v、c
ll
、c
rl
，能够拟合得到参数：a、b、c、d。
[0029]
进一步，s200包括如下子步骤：
[0030]
s201，读取任意t时刻的频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵，计算角频率-阻抗幅值数据集：
[0031]
(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ωiꢀ…ꢀ
ωn)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
ziꢀ…ꢀzn
)；
[0032]
其中，ωi为与第i个激励电流的频率对应的角频率，zi为与第i个激励电流的频率对应的阻抗幅值；n表示采集点数的总数；
[0033]
s202，用s201中的角频率-阻抗幅值数据集(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ωiꢀ…ꢀ
ωn)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
ziꢀ…ꢀzn
)以及下式：
[0034][0035]
通过数据拟合的方式求得六个参数：r
ll
、c
ll
、r
rl
、c
rl
、rb、cb；
[0036]
其中，c
ll
与c
rl
作为特征值。
[0037]
进一步，将s200得到的c
ll
与c
rl
，代入到s100得到的特征值关系曲线即可求取到v：
[0038][0039]
一种机械通气控制方法，通过前述得到的肺部容积v来调整机械通气的压力。
[0040]
本发明技术方案的优点主要体现在：
[0041]
第一，本技术基于生物阻抗谱(bis)技术，提出了一种容积可变的肺部容量检测方法，其步骤如下：
[0042]
s100，获取特征值关系曲线；
[0043]
s200，获取当前时刻t的特征值c
ll
、c
rl
；
[0044]
s300，利用s200得到的特征值，代入到s100中得到的特征值关系曲线，从而求取得到当前t时刻的肺容积。
[0045]
第二，本技术提出的肺容积检测模型的等效电路的表达式为：
[0046][0047]
通过研究发现：c
ll
、c
rl
可作为特征值，其与肺容积v的关系可表述为：
[0048][0049][0050]
第三，本技术得到的基于bis的肺部容量检测方法，其能够应用到机械通气控制上；即通过电阻抗传感器的数据，能够实时的为机械通气提供数据依据，进而调整机械通气的压力。
附图说明
[0051]
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
[0052]
图1为本发明的人体肺部等效电路模型图。
具体实施方式
[0053]
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
[0054]
《实施例1：一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法》。
[0055]
《s1，数据采集》
[0056]
在人体胸部第4至第5根肋骨间的横断面上均匀贴附4个电极，通过计算机控制阻抗分析仪将频率范围为f1～fn(1khz～5mhz)的电流从一对电极注入人体，同时从另一对电极采集阻抗数据，设置采集点数为n(即同步多频测量技术)。
[0057]
阻抗分析仪采集到的某一状态肺容积v的频率-阻抗幅值-相位矩阵为：
[0058][0059]
其中，zi为与频率fi对应的阻抗幅值，为与频率fi对应的相位角。
[0060]
《s2，频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵解析》
[0061]
s2-1，计算对应的频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵：
[0062][0063]
其中：与频率fi对应的电阻抗实部与频率fi对应的电阻抗虚部
[0064]
s2-2，根据s2-1的频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵，计算数据集：
[0065]
(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ωiꢀ…ꢀ
ωn)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
ziꢀ…ꢀzn
)
[0066]
对于任意第i个阻抗值zi、角频率ωi，通过下式求解：
[0067][0068]
其中，j表示虚部单位。
[0069]
上述s1、s2事实上属于现有技术，如cn114519708a。
[0070]
《s3，数据解析》
[0071]
《第一部分、原理：肺容积检测模型的等效电路模型的建立》
[0072]
如图1所示为本技术构建的肺容积检测的等效电路模型(ecc)，该等效电路模型由6个元件构成：rll表示左肺内血液产生的电阻成分、cll表示左肺内气体产生的电容成分、rrl表示右肺内血液产生的电阻成分、crl表示右肺内气体产生的电容成分、rb表示肺外组织产生的电阻成分、cb表示肺外组织产生的电容成分。
[0073]
本技术提出的肺容积检测模型的等效电路的表达式为：
[0074][0075]
其中，zr、zc分别为电阻成分r和电容成分c的阻抗表达：
[0076]
《第二部分：数据拟合来求解》
[0077]
用s2-2中的数据集(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ωiꢀ…ꢀ
ωn)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
ziꢀ…ꢀzn
)、以及下式：
[0078][0079]
通过白鲸算法(参考：https://blog.csdn.net/weixin_46204734/article/details/125593112)拟合得到6个eec参数：r
ll
、c
ll
、r
rl
、c
rl
、rb、cb。
[0080]
拟合的评价函数为：
[0081][0082]
其中，n为采集点数，为实验获得的阻抗实部(s2-2的数据)，为拟合得到的
阻抗实部，为实验获得的阻抗虚部(s2-2的数据)，为拟合得到的阻抗虚部。拟合过程中，f
fit
越大，拟合效果越好。
[0083]
白鲸算法的伪代码如下：
[0084][0085]
[0086]
注：表示eec参数的位置，通过算法寻优，最终拟合得到6个参数的值。根据平衡因子bf的大小进行判断，不断更新参数位置。
[0087]
当b
f 0.5，勘探阶段：
[0088]
当bf≤0.5，开发阶段：以上之后，比较bf(i)与wf的大小，
[0089]
当bf＜wf，鲸落阶段：
[0090]
当bf≥wf，确定最优解。
[0091]
需要说明的是：本技术针对：r
ll
、c
ll
、r
rl
、c
rl
、rb、cb这六个参数的拟合除了白鲸算法之外，采用如鲸鱼算法等其他现有方法也是适用的。
[0092]
研发团队在使用中发现：在仿真验证中，r
ll
、r
rl
、rb、cb等参数变化不大或者无明显规律。因此，选择c
ll
和c
rl
进行分析。
[0093]
《s4，求取肺部容积v》
[0094]
v与c
ll
和c
rl
的关系如下式所述：
[0095]
(特征值关系曲线)；
[0096]
a、b、c、d为相关计算参数。
[0097]
《特征值关系曲线的确定》
[0098]
获取特征值关系曲线的方法如下：
[0099]
测量同一时刻下的肺部容积v、c
ll
和c
rl
；
[0100]
1)在人体身上同时安装肺活量测试仪以及电阻抗传感器：在0～t1时刻下，进行若干次测量；
[0101]
测量任意x时刻下的肺部容积v(采用肺活量测试仪测量肺部的实际肺部容积)；
[0102]
然后测量得到x时刻下的c
ll
和c
rl
(其获取方法如s1～s3所述的方法)。
[0103]
通过不同的时刻得到的v、c
ll
和c
rl
，能够拟合得到参数：a、b、c、d。
[0104]
2)以某一人体的测量结果为例：
[0105]
表1eec参数
[0106]
volumer
llcllrrlcrl
rbcb2500ml27.1852.064
×
10-5
33.0241.841
×
10-5
8.6432.321
×
10-9
3000ml22.3573.122
×
10-5
25.8633.047
×
10-5
6.1703.152
×
10-9
3500ml21.3714.189
×
10-5
21.7714.121
×
10-5
27.8022.367
×
10-9
4000ml17.9405.077
×
10-5
13.9474.946
×
10-5
26.8091.690
×
10-9
4500ml16.9725.506
×
10-5
10.5405.112
×
10-5
47.1921.849
×
10-9
[0107]
volume是通过肺活量测试仪测量得到的，其他参数r
ll
、c
ll
、r
rl
、c
rl
、rb、cb采用电阻抗传感器得到且拟合得到。
[0108]
针对表1的数据，v与c
ll
和c
rl
的关系可确定为：
[0109][0110]
《实施例2：一种基机械通气控制方法》。
[0111]
机械通气的控制模型如下：
[0112][0113]
其中，pm表示口腔压力(通气压力目标)；v表示肺容积；r表示气道阻力，c为每单位肺泡压力的变化带来的肺容量变化。
[0114]
也即，知晓v，便可得到pm(其是机械通气的控制目标)。
[0115]
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

技术特征：
1.一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法，其特征在于，包括如下步骤：s100，获取特征值关系曲线；s200，获取当前时刻t的特征值c
ll
、c
rl
；s300，利用s200得到的特征值，代入到s100中得到的特征值关系曲线，从而求取得到肺容积。2.如权利要求1所述的一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法，其特征在于，特征值关系曲线表述为：其中，v为肺容积；其中，a、b、c、d为相关计算参数；其中，c
ll
和c
rl
为特征值。3.如权利要求2所述的一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法，其特征在于，所述特征值关系曲线的获取方法如下：首先，测量若干组同一时刻下的肺部容积v、c
ll
和c
rl
；同时安装肺活量测试仪以及电阻抗传感器：在0～t1时刻下(0～t1包含至少1个呼吸循环的时间)，进行若干次测量；1)通过肺活量测试仪测量任意x时刻下的对于肺部容积v；2)通过电阻抗传感器采用同步多频的方式测量得到频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵；然后读取任意x时刻的频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵，计算角频率-阻抗幅值数据集：(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ω
i
ꢀ…ꢀ
ω
n
)、(z
1 z2ꢀ…
z
i
ꢀ…ꢀ
z
n
)；其中，ω
i
为与第i个激励电流的频率对应的角频率，z
i
为与第i个激励电流的频率对应的阻抗幅值；n表示采集点数的总数；利用角频率-阻抗幅值数据集(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ω
i
ꢀ…ꢀ
ω
n
)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
z
i
…
z
n
)以及下式：通过数据拟合的方式求得任意x时刻六个参数：r
ll
、c
ll
、r
rl
、c
rl
、r
b
、c
b
；其中，c
ll
与c
rl
作为特征值；其次，利用得到的若干组同一时刻下的肺部容积v、c
ll
、c
rl
，能够拟合得到参数：a、b、c、d。4.如权利要求1或3所述的一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法，其特征在于，s200包括如下子步骤：s201，读取任意t时刻的频率-电阻抗实部-电阻抗虚部矩阵，计算角频率-阻抗幅值数据集：(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ω
i
ꢀ…ꢀ
ω
n
)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
z
i
ꢀ…ꢀ
z
n
)；其中，ω
i
为与第i个激励电流的频率对应的角频率，z
i
为与第i个激励电流的频率对应的阻抗幅值；n表示采集点数的总数；s202，用s201中的角频率-阻抗幅值数据集(ω
1 ω2ꢀ…ꢀ
ω
i
ꢀ…ꢀ
ω
n
)、(z
1 z2ꢀ…ꢀ
z
i
ꢀ…ꢀ
z
n
)以及下式：
通过数据拟合的方式求得六个参数：r
ll
、c
ll
、r
rl
、c
rl
、r
b
、c
b
；其中，c
ll
与c
rl
作为特征值。5.如权利要求4所述的一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法，其特征在于，将s200得到的c
ll
与c
rl
，代入到s100得到的特征值关系曲线即可求取到v：6.一种机械通气控制方法，其特征在于，通过如权利要求5所述的方法得到的肺部容积v来调整机械通气的压力。

技术总结
本发明提出了一种基于生物阻抗谱的肺容积测量方法及机械通气控制方法，属于医学成像技术领域，其技术要点在于，包括如下步骤：S100，获取特征值关系曲线；S200，获取当前时刻t的特征值C


技术研发人员：刘凯 任加娟 洪志扬 陈海俊 姚佳烽
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15