便携式膈肌效率监测仪：为CSCI患者提供居家呼吸监护新方案的可行性探索

《IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine》：Feasibility Analysis of a Portable Diaphragmatic Efficiency Monitor for CSCI Patients

本刊推荐：针对颈椎脊髓损伤(CSCI)患者缺乏便捷、可靠的居家膈肌功能监测工具这一临床难题，研究人员开展了关于便携式膈肌效率监测仪的可行性研究。该研究通过阻抗呼吸描记法(IP)和表面肌电图(sEMG)分别测量潮气量(TV)和膈肌电活动(EAdi)，以评估神经通气效率(NVE)。结果表明，在特定电极位置下，IP预测的TV与真实TV相关性最高达R2=0.79，sEMG信号与最大吸气压(MIP)亦呈现显著相关。集成化硬件功耗仅2.17 mW，为开发低成本、无创的家庭呼吸监护方案奠定了技术基础，对CSCI患者的早期干预和长期健康管理具有重要意义。

　　

对于颈椎脊髓损伤（Cervical Spinal Cord Injury, CSCI）患者而言，呼吸并发症是导致死亡的主要原因之一。这是因为人体最重要的呼吸肌——膈肌，正是由颈髓的C3-C5神经根所支配的。一旦脊髓在此水平受损，膈肌的功能便会受到严重影响，部分患者可能逐渐恢复，而另一部分则可能需要长期依赖呼吸机维持生命。膈肌的效率会随着年龄增长或健康状况变化而衰退，因此，定期监测其功能至关重要。然而，现有的临床监测手段，如肺功能测试和超声检查，不仅成本高昂、操作复杂，还需要患者亲自前往医疗机构，这对于行动本就十分不便的CSCI患者来说，无疑是雪上加霜。家用的手持式肺活量计则因为需要患者主动配合、频繁使用体验不佳而难以坚持；常见的智能手表等可穿戴设备，其精度又不足以准确评估膈肌功能。这就造成了目前市场上缺乏一种能够方便、可靠地在家庭环境中对膈肌功能进行长期监护的有效工具。

为了填补这一空白，由Jack Curley、Esteban Gomez、Laith Adnan、Isabelle Ablao、Jayden Sumbillo Henry York和Hakan Toreyin（IEEE会员）组成的研究团队，在《IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine》上发表了他们的研究成果，对一款用于CSCI患者的便携式膈肌效率监测仪进行了可行性分析。这项研究旨在探索一种非侵入性的系统，通过结合两种生物信号测量技术，来评估膈肌的工作效率，从而为实现居家呼吸监护开辟新的可能。

研究人员开展此项研究，主要运用了几个关键技术方法：首先是传感器硬件开发，他们设计并迭代了两个版本的硬件系统（Version 1和Version 2），核心是集成阻抗呼吸描记法（Impedance Pneumography, IP）和表面肌电图（surface Electromyography, sEMG）测量功能。其次是数据采集与电极位置优化，研究获得了圣地亚哥州立大学机构审查委员会的批准，在一组8名健康年轻男性志愿者（样本队列来源）中，通过在不同电极位置（基于文献确定了6个IP位置和4个sEMG位置）采集数据，以寻找测量潮气量（Tidal Volume, TV）和膈肌电活动（Diaphragmatic Electrical Activity, EAdi）的最佳位点。志愿者在坐姿下进行了浅呼吸、深呼吸以及不同百分比最大吸气压（Maximum Inspiratory Pressure, MIP）下的呼吸任务。第三是信号处理与分析，利用MATLAB对采集到的IP和sEMG信号进行了一系列处理，包括对IP信号进行去趋势和峰值检测以计算TV和呼吸率（Respiration Rate, RR），对sEMG信号进行带通滤波、陷波滤波以及使用奇异值分解（Singular Value Decomposition, SVD）去除心电（Electrocardiogram, ECG）伪影，最终计算其均方根峰值幅度（sEMG_RMS,p），并与MIP进行相关性分析，以评估其准确性。

III. 结果与讨论

IP测量结果

对于IP测量，研究人员通过比较不同电极位置下IP峰峰值幅度（IP_pp）与真实潮气量（TV_true）的线性回归关系来评估TV预测的准确性。

所有测试的电极位置都显示出IP_pp与TV_true之间存在正相关关系，确定系数（R²）值范围在0.45到0.97之间，所有位置的平均R²值均超过0.69。其中，位于胸骨上端与第四肋间（4th Intercostal, IC）锁骨中线（Midclavicular Line, MCL）处的D_IP位置表现最佳，其TV预测与真实值的平均R²最高（0.79 ± 0.13），均方根误差（Root-Mean-Square Error, RMSE）最低（0.33 ± 0.15 L），平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）也较低（17.89 ± 4.91%）。位于第五肋间相同区域的C_IP位置紧随其后。而位于胸骨上端与第五肋间腋前线（Anterior Axillary Line, AAL）处的A_IP位置表现相对最差。研究还发现存在个体差异，部分受试者始终能获得较高的R²值，而另一些则较低。

在呼吸率（RR）测量方面，IP技术表现出高度可靠性。C_IP位置的测量最为准确和一致，其RR测量的RMSE、MAPE和平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）均为最低。Bland-Altman分析图显示，所有位置的RR测量值与真实值之间的平均误差接近零，95%的一致性界限约为±2次呼吸/分钟（BRPM），这表明IP在不同电极位置下测量RR都是可靠的。

sEMG测量结果

sEMG信号幅度（sEMG_RMS,p）与MIP水平之间的相关性在不同受试者和电极位置间表现出很大的变异性。位于胸骨中部与第六肋间MCL处的C_sEMG位置表现最好，平均R²最高（0.69 ± 0.28）且变异性最低。而位于第六、七肋间MCL处的A_sEMG位置平均R²最低（0.54 ± 0.32），变异性最高。

值得注意的是，经过单因素方差分析（ANOVA）检验，在80%的置信水平下，不同IP电极位置之间的TV预测R²、RMSE和MAPE均无显著性差异；不同sEMG电极位置之间的R²也无显著性差异。这意味着电极的精确放置可能并非绝对关键，这有助于简化该技术未来的临床转化和应用。

集成硬件性能

研究团队成功将IP和sEMG传感电子元件集成在一块紧凑的传感器板上（版本2硬件）。

该集成传感器板的总功耗仅为2.17 mW，如此高的能效使得传感器板（不包括数据记录器板）能够使用一块105 mAh的锂聚合物电池连续工作超过130小时。研究人员在一名参与者身上成功同时采集了IP、sEMG以及来自流量计的呼吸气流数据，证明了该系统具备同步采集多种生理信号的能力。

IV. 未来方向与潜在的医疗影响

该研究的结论指出，IP在预测TV和测量RR方面表现出良好的相关性和准确性，而sEMG与MIP的相关性则存在较大变异。一个关键的局限性在于sEMG无法特异性地区分膈肌活动与其它浅表吸气肌（如肋间肌）的活动。由于缺乏金标准的膈肌电活动测量方法，研究中所测得的sEMG信号很可能反映了所有吸气肌的总体活动，而非单纯的膈肌效率。此外，研究对象仅为8名健康的非肥胖男性，在受控环境下进行，其结论能否推广到更广泛的CSCI人群仍需进一步验证。

尽管存在这些局限，但本研究提出的技术方案仍显示出巨大的临床应用潜力。研究人员为该系统规划了清晰的技术成熟度提升路径：从在健康志愿者睡眠研究中与食管球囊导管等金标准方法对比，以建立更优电极位置和个体化校准算法；到在CSCI患者中进行测试，评估干电极设计并优化电极放置；再到通过智能手机集成实现长期家庭监测，并开发算法以减少运动伪影等干扰；最终通过多中心临床试验评估其性能、安全性及对真实世界呼吸结局的影响。

这项研究的真正意义在于，它为CSCI这一脆弱群体提供了一种实现频繁、有效呼吸监测的新可能。许多CSCI患者初期经历呼吸衰竭并需要机械通气，在成功脱离呼吸机后，其肺功能却很少得到持续监测，直到问题逐渐显现。这款便携式系统的开发，使得同步监测呼吸力学（TV）和呼吸努力（EAdi）成为可能，从而能够计算神经通气效率（NVE），为更早地发现功能衰退、进行及时干预提供了工具，有望最终改善CSCI患者的护理质量和生活质量。