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基于系统辨识的用力呼气信号分析与评估
结题报告
批准号:
61603371
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
何子军
学科分类:
F0303.系统建模理论与仿真技术
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈焱焱、丁增辉、曹庆庆、张文杰、许杨、张茹斌、彭文超
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中文摘要
用力肺活量(FVC)是肺功能评估的关键指标,广泛应用于慢性阻塞性肺疾病(COPD)等呼吸疾病的早期筛查。实践中呼气时间过短是导致测得FVC偏低的主要原因。前期工作中我们研制出高精度、大量程的肺功能仪,并成功应用于肺功能检测。本项目提出一种基于系统辨识的呼吸信号分析方法,旨在降低肺功能检测对呼气时间的要求。具体思路是:通过对用力呼气的生理特征解析与实验研究,构建并验证一个包含FVC参数的用力呼气数学模型;研究基于系统辨识方法估计FVC精度与选取观测曲线长度的关系,确定最短可观测曲线的时间长度,以降低传统肺功能检测对用力呼气时间的要求;基于系统辨识估计呼气时间过短曲线的FVC研究,解决因受试者呼气时间过短而无法准确评估肺功能的问题。本项目旨在将信号分析方法应用于肺功能检测以降低其测试难度,进而有助于肺功能检查的临床应用和推广,在COPD防治领域具有重要应用价值。
英文摘要
Forced vital capacity (FVC) is a key indicator to evaluate pulmonary function, and it is also widely used in the screen of respiratory diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The short time of expiration is the main reason of the low quality of pulmonary function tests and the underestimation of FVC in practice. In previous study, we developed a pulmonary function instrument with high precision, a large range, and successfully applied to the lung function testing. In this study, we propose a novel method for analyzing forced expiratory signals using system identification to reduce the requirement of forced expiratory time. In order to address this comprehensively, we will conduct the following works. First, we establish and validate a forced expiratory mathematical model, of which FVC is one parameter. The establishment and the validation of the forced expiratory mathematical model is based on the analysis of the physiological characteristics and pulmonary function testing data. Then, we will investigate the relationship between the accuracy of estimated FVC by using system identification and the length of the observed curve, and determine the shortest time length of the observable curve, which would reduce the requirement of he forced expiratory time in pulmonary function testing. Finally, we apply this method to the unacceptable forced expiratory curves because of short expiratory time, and solve the problem of incorrectly assessing pulmonary function caused by the high requirement of expiratory time. The aim of the present study is to reduce the difficulty of testing by applying the method of analyzing forced expiratory signals to the pulmonary function testing, and contribute to the clinical application and promotion of the pulmonary function testing, which have important application prospect in the field of prevention and cure of COPD.
慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是一种以持续存在气流受限的常见疾病,用力肺活量(forced vital capacity, FVC)是肺功能检查中评估和诊断COPD的关键指标,并广泛应用于COPD防治领域。然而受试者在实际的用力肺活量测试过程中,由于不能满足用力呼气时间的要求,导致测得FVC偏低,最终影响肺功能评估。研究组首先构造一个基于Poieseuille原理的用力呼气数学模型,并通过采集100个(非正常人群占比43%)完全满足用力肺活量测试质量标准的流速-时间曲线验证该模型的有效性;在此基础上,研究团队提出一种AESM法(The method for Analyzing Expiratory Signals based on Mathematical Model)估计FVC的方法:将模型参数之一FVC作为基于该数学模型参数估计获得用力肺活量估计值,并记作FVCest。从100个完全符合测试质量的流速-时间曲线分别选取0-1 s,0-1.5 s,0-2 s,…,0-6 s的时间段流量-时间曲线作为局部系统观测值,利用AESM法获得相应FVC估计值,通过统计分析比较不同观测曲线时间长度下的估计误差,最终确定在观测曲线时间长度为3s时,估计误差能够满足用力肺活量测试A类重复性要求。最后,通过从收集373位受试者的用力肺活量测试中,选取一条符合ATS/ERS建议的肺功能测试质量要求的呼气流速-时间曲线(实测FVC记为FVCmea),和一条仅不满足ATS/ERS建议的EOT标准,且呼气时间在3秒以上的用力呼气流速-时间曲线(实测FVC记为FVCfail,利用AESM法分析0-3秒的流速-时间曲线获得FVC估计值记为FVCest3)。结果表明AESM法根据实测的过早呼气结束流量-时间曲线推测的FVC与实测FVC已经能够基本满足国际肺健康教育工程建议的肺功能测试质量B级标准,且相比直接使用FVCfail评估通气功能状况,AESM法灵敏度大幅提升。本研究证明AESM法可作为一种肺功能测试过程中的辅助诊疗技术,它可以解决肺功能测试临床中由于受试者呼气时间过短导致的肺功能疾病筛查漏诊率过高的问题,对于肺功能测试的推广和应用具有积极的推动作用。
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DOI:--
发表时间:2017
期刊:Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition
影响因子:1.3
作者:Wang X.;Wang Y.;Ding Z. H.;Cao G. B.;Hu F. S.;Sun Y. N.;Ma Z. C.;Zhou D. Q.;Su B. Y.
通讯作者:Su B. Y.
DOI:--
发表时间:2019
期刊:中国医疗器械杂志
影响因子:--
作者:王沐;何子军;方伟;陈焱焱
通讯作者:陈焱焱
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