慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease,COPD），简称慢阻肺，是一种常见的以持续的呼吸道症状和气流进出肺脏组织受限为特征的慢性呼吸系统疾病，有研究显示，全世界COPD患病率约为3.91%，近3亿人患有该病，COPD已成为全球第三大死因[1,2]。在我国，慢阻肺总患病率约8.6%，其中40岁以上成人慢阻肺患病率达13.7%，总患者数已近1亿，且发病率和死亡率还在逐年递增[3]。COPD患者病程较长，多则几十年甚至终生伴随，病情反复，迁延不愈，严重影响患者生活质量，威胁其生命健康。目前COPD的治疗主要包括药物治疗、手术治疗、长期家庭氧疗、呼吸康复治疗等手段，越来越多的研究表明呼吸康复治疗能够帮助中、重度COPD患者减轻呼吸道症状、减少急性发作次数，从而改善其生活质量[4]。呼吸康复治疗方法的中心环节便是进行自主呼吸训练，临床中常用的自主呼吸训练方法包括缩唇呼吸、腹式呼吸、缩唇腹式呼吸等。三种呼吸训练均可明显改善患者的肺功能指标，提高Pa O2，降低Pa CO2，缓解气喘、咳嗽等症状，改善COPD患者生活质量[5,6,7,8]。然而，不同呼吸训练方法的主要作用不同：腹式呼吸的关键在于协调膈肌和腹肌在呼吸运动中的活动，呼气时，腹肌收缩，膈肌随腹腔内压增高而上抬，增加呼气量，而吸气时，膈肌收缩下降，增加吸气量；缩唇呼吸是通过缩唇形成的气道阻力来延长呼气时间，从而延缓气道塌陷；缩唇腹式呼吸则是综合上述两种呼吸方法，从而起到既训练膈肌，又延缓气道陷闭的作用[9]。

生物电阻抗断层成像（electrical impedance tomography,EIT）是一种床旁非侵入性实时成像技术，其通过人体表面电极施加安全电流，同时测量体表响应电压，从而重构人体内部的阻抗（变化）分布。鉴于EIT具有无创无辐射、实时功能成像等独特优势，已被应用于生物医学领域，包括脑出血监测、肺通气监测等，尤其在实时评估区域性肺通气分布和通气受限方面应用最为广泛[10,11,12,13,14]。前期Zhao等[15]证明了利用EIT评估呼吸肌训练效果的可行性。因此，本研究旨在利用EIT技术探究不同呼吸训练方法对区域性肺通气的影响，以期为COPD患者在训练标准及方法选取上提供行之有效的康复指导方案。

1、资料与方法

1.1一般资料

本次研究共纳入28名健康志愿者年龄：（25.85±0.57）岁；身高：（176.85±4.08)cm；体重：（73.85±8.74)kg；肺活量：（4.38±0.64)L，无吸烟史，最近一年体检肺功能无异常，本次研究经第四军医大学伦理委员会批准（KY20224101-1），所有被试在试验开始前知悉试验内容且签署了知情同意书。

1.2研究方法

在正式开展实验前，一名呼吸内科医生给对每名被试讲授腹式呼吸、缩唇呼吸及腹式缩唇呼吸方法的动作要领，并指导被试练习直至认为动作标准后开始实验。首先，依据被试胸围选择尺寸合适的EIT电极胸带（分布有16个等距橡胶电极），并使用酒精棉片对EIT电极胸带进行消毒，其次，将EIT电极胸带佩戴于被试第4—5肋间水平，并将电极胸带连接于肺部EIT成像仪[Ven TOM-100，点奇生物医疗科技（苏州）有限公司，中国]。肺部EIT成像仪采用蓝牙方式传输数据，采集设备体积为12cm×8cm×3cm，电极数为16，采集帧率为20Hz，激励电流为700μA，成像速度为20帧/s。

被试者取舒适站立位，嘱咐其在数据采集期间不要说话或移动上半身。为了观察和评估被试的呼吸方式，要求被试在实验过程中一手置于胸前，一手置于腹部，并按照随机方式执行以下呼吸方式：(1)平静呼吸：被试平静均匀地进行潮式呼吸；(2)腹式呼吸：被试在进行呼吸动作前用鼻子吸气至最大，并将嘴唇紧闭，主试者在旁指点被试尽可能放松腹肌，使腹部尽量向外膨出，用嘴呼气，并让其用力收缩腹肌，使腹部向下凹陷，重复进行此深呼吸动作（密切观察被试，切勿使其胸部出现膨胀感）；(3)缩唇呼吸，经鼻迅速深吸气至不能再吸，然后用嘴缓慢呼气，呼气时缩小嘴唇（缩唇大小程度由患者自行选择调整），让肺内气体缓慢呼出，吸、呼时间比达1∶2以上（通过实时阻抗曲线反映）；(4)腹式缩唇呼吸：经鼻迅速深吸气至不能再吸，同时腹肌放松，使腹部尽量向外膨出，然后用嘴缓慢呼气，呼气时缩小嘴唇（缩唇大小程度由患者自行选择调整），同时收缩腹肌，使腹部向下凹陷，让肺内气体缓慢呼出，吸、呼时间比达1∶2以上（密切观察被试，切勿使其胸部出现膨胀感）。每名被试4种呼吸训练方式的顺序（1—4随机数）由计算机产生，在一种呼吸训练结束后让患者呼吸恢复至平静呼吸水平，消除前一次呼吸训练的影响。

1.3 EIT数据分析

基于Matlab R2015b (The Math Works Inc,Natick,MA,USA）开展EIT数据分析，采用EI-DORS 2.8平台完成肺部EIT图像重构，重构方法采用GREIT算法[16]。基于真实成年男性CT图像构建有限元模型，然后计算重构矩阵。重构的EIT图像由32×32像素组成，噪声系数为默认值0.5。选择平静呼吸状态下的呼气末时刻作为参考帧，重构整个实验期间的肺部EIT图像。本研究所采用的区域性肺通气指数如下，如图1所示。

潮气量（tidal variation,TV）：平静状态下吸气末EIT图像减去呼气末EIT图像，反映了潮式通气量的变化。采用5次平静呼吸的潮式通气的均值作为最终值，计算公式如下：

其中，TVi是EIT图像中的像素i;N为纳入分析的呼吸次数，在本研究中为5；△Zi,Ins,n和△Zi,Exp,n分别是吸气末和呼气末原始EIT图像的像素值。如果TVi<0，则将0赋值于TVi；将每种呼吸训练期间的TV归一化为平静潮式呼吸期间的TV（以%表示）。

呼气末肺阻抗（end-expiratory lung impedance,EELI):EELI的变化反映了呼气末肺容积（或功能残气量）的变化。EELI的所有变化均以平静状态下的呼气末阻抗为参考，计算公式如下：

其中，EELIbe是特定呼吸训练下的EELI水平，EELIqu是平静状态下的水平。计算5次特定呼吸训练的平均值作为最终值。

通气中心（center of ventilation,Co V):Co V的变化反映了特定呼吸训练所引起的腹背侧垂直方向上的区域性通气分布变化（相对阻抗值在前后坐标中的加权位置）[17]，计算公式如下：

图1 EIT阻抗曲线及区域性肺通气指数示意图  

其中，TVi是f EIT图像中像素i的阻抗变化，yi是像素高度和像素i缩放，因此图像底部（背侧）为100%，顶部（腹侧）为0%。计算每种呼吸训练5次呼吸的平均值作为最终值。

不均一指数（global inhomogeneity index,GI):GI反映了区域性肺通气分布的异质性，[14]计算公式如下：

其中，TV表示潮式呼吸通气图中的微分阻抗值；TVl为已识别肺部区域的像素点；如果TVl>10%×max(TV），像素l被认为是肺部区域。TVlung是代表肺部区域的所有像素点。高GI指数意味着潮式呼吸阻抗值之间的高变化。计算每种呼吸训练5次呼吸的平均值作为最终值。

区域通气延迟（regional ventilation delay,RVD):RVD反映了区域性肺通气与整体肺通气的时间相位差[18]，计算公式如下：

其中，tl,40%是像素l达到其最大吸气阻抗值的40%所需的时间。Tinspiration,global表示从全肺阻抗曲线计算的吸气时间。为评估RVD的分布，Muders等[18]建议使用像素值的标准差：

其中，L是肺部区域的像素总数。同样，采用每种呼吸训练5次呼吸的平均值作为最终值[19]。

1.4统计学分析

使用SPSS 25.0(IBM,USA）完成统计学分析。采用Shapro-Wilk检验检验数据正态性，在确认数据呈正态分布后，计量资料以均数±标准差表示，使用多样本方差分析比较不同呼吸训练之间的肺通气参数，利用Bonferroni校正进行事后比较。P<0.05被认为具有显著性差异。

2、结果

2.1不同呼吸训练期间的TV比较

见图2，与平静呼吸相比，腹式呼吸、缩唇呼吸及腹式缩唇呼吸期间的TV明显增大（P<0.05、P<0.001和P<0.01）。

图2平静呼吸和三种呼吸训练方式期间的TV箱线图

中位线右侧旁数值代表中位数，箱体上下两端分别代表上四分位数和下四分位数，IQR代表箱体长度，即上四分位数-下四分位数。

2.2不同呼吸训练期间的EELI比较

如图3所示，与平静呼吸相比，腹式呼吸、缩唇呼吸及腹式缩唇呼吸训练期间的EELI明显降低（P=0.001、P<0.001和P<0.001）。

2.3不同呼吸训练期间的COV比较

如图4所示，与平静呼吸相比，腹式呼吸、缩唇呼吸及腹式缩唇呼吸训练期间的COV明显减小，腹侧区域通气增多（P<0.001、P<0.001和P<0.01）；同时，与腹式呼吸及腹式缩唇呼吸相比，缩唇呼吸期间的COV更小，腹侧区域通气增多更显著（P<0.05和P=0.01）。

2.4不同呼吸训练期间的GI比较

如图5所示，与平静呼吸相比，腹式呼吸和腹式缩唇呼吸的GI明显减小，通气更均匀（均为P<0.05），而缩唇呼吸GI无变化（P>0.05）；与缩唇呼吸相比，腹式呼吸期间GI更小，通气更均匀（P<0.01）。

2.5不同呼吸训练期间的RVDSD比较

如图6所示，与平静呼吸相比，缩唇呼吸及腹式缩唇呼吸RVDSD明显增大，区域通气延迟更大（P<0.001和P=0.001），而腹式呼吸RVDSD指数无差异（P>0.05），缩唇呼吸有最大的RVDSD。

图3平静呼吸和三种呼吸训练方式期间的EELI箱线图 

中位线右侧旁数值代表中位数，箱体上下两端分别代表上四分位数和下四分位数，IQR代表箱体长度，即上四分位数-下四分位数。

图5平静呼吸和三种呼吸训练方式期间的GI箱线图  

中位线右侧旁数值代表中位数，箱体上下两端分别代表上四分位数和下四分位数，IQR代表箱体长度，即上四分位数-下四分位数。

3、讨论

目前，我国COPD患者的人数已接近1亿人，全国每年因COPD死亡的人数约有100万，致残率更是超过500万，所以，COPD已成为危害我国公共卫生安全的主要疾病之一[20,21]。COPD患者因反复的呼吸道感染，大多数患者会出现支气管壁纤维化及水肿等病理性改变，致使支气管弹力纤维与平滑肌纤维发生损伤，甚至支气管软骨萎缩变性，进而引起气道支撑力降低。当COPD患者呼气时，由于胸膜腔压力升高，管腔内壁过早塌陷闭塞，导致大量气体残留于肺泡内，气体呼出量减少，肺泡无效腔增大，肺泡内Pa O2降低，Pa CO2升高，肺换气及肺通气功能均降低，患者出现呼吸困难[22]。针对COPD患者气道支撑力弱的问题，既往研究表明，采用缩唇方法呼气，可以使呼气状态下气流压力的下降速度得到延缓，增加呼吸道压力，进而使因胸腔膜压力升高而导致的气道过早陷闭得到缓解，尤其是延迟了小气道的闭合时间，减少了肺内气体滞留量，肺泡无效腔缩小，有效改善了患者的缺氧状况[23]。本研究表明，缩唇呼吸较平静呼吸，呼气末肺阻抗更小（P<0.001），吸气量更大（P<0.001），区域通气延迟（RVD）更大（P<0.001），从区域性通气角度证实了缩唇呼吸的特点。

图4平静呼吸和三种呼吸训练方式期间的COV箱线图  

图6平静呼吸和三种呼吸训练方式期间的RVDSD箱线图  

中位线右侧旁数值代表中位数，箱体上下两端分别代表上四分位数和下四分位数，IQR代表箱体长度，即上四分位数-下四分位数。

另一方面，COPD患者的高气道阻力会导致横膈下降，膈肌顺应性也相对降低，患者在呼吸时往往需要辅助肌群协同工作，因此，胸式呼吸成为COPD患者在平静状态时的主要呼吸方式。而胸式呼吸的特点是呼吸短而浅，容易引起呼吸肌的紧张，致使呼吸肌疲劳。针对COPD患者膈肌顺应性降低及胸式呼吸的问题，既往研究表明，采用腹式呼吸方式（又称膈肌呼吸），可在深呼吸的同时动员膈肌参与，提高了膈肌（主要呼吸肌）的收缩力量，改变了不得当的呼吸形态，从而降低了呼吸的功耗与氧耗，呼吸急促也得到相应缓解[24]；而且，腹式呼吸还可增加潮气量，减少无效腔气量，有效保障了肺通气量。在本研究中，腹式呼吸较平静呼吸，呼气末肺阻抗更小（P=0.001），潮气量更大（P<0.05），通气更均匀（GI更小，P<0.05），同样证实了腹式呼吸的特征。

此外，本研究利用EIT技术对比评估了腹式呼吸、缩唇呼吸及腹式缩唇呼吸三种呼吸训练方法对区域性肺通气的影响，发现三种呼吸训练方法均可以通过主动吸气和呼气有效增加肺通气量，减少肺功能残气量，但三种呼吸训练对区域性肺通气的影响又有不同之处。虽然三种呼吸训练均可使通气向腹侧区域移动（Co V减小），但缩唇呼吸与腹式呼吸、腹式缩唇呼吸相比（如图4所示），通气中心向腹侧移动更显著（P<0.05），这可能表明缩唇呼吸更多训练的是肋间肌等呼吸肌，引起吸气过程中肺扩张向腹侧方向移动更显著；并且与腹式呼吸、腹式缩唇呼吸相比（如图6所示），缩唇呼吸的RVD更大，证明缩唇呼吸在延迟呼气过程中小气道及肺泡的闭合方面成效更加显著，可能原因为：虽然与腹式缩唇呼吸有同样的呼气过程，但缩唇呼吸时TV更大，因此潮气量更大，呼吸道内压力更高，导致小气道和肺泡闭合时间延迟。

腹式呼吸、腹式缩唇呼吸与平静呼吸、缩唇呼吸相比，GI明显减小（P<0.05），表明腹式呼吸、腹式缩唇呼吸能改善通气均匀性，而缩唇呼吸则不会，可能原因为：缩唇呼吸主要利用肋间肌等呼吸肌，肋间内肌以及肋间外肌在解剖位置上均未完整包裹胸腔，肋间外肌向前只达到肋软骨，肋间内肌则是后侧不完整，此外，各个肋间肌均由相应的肋间神经控制，属于阶段性神经支配，因此造成呼气和吸气时肺通气的不均一；而腹式呼吸与腹式缩唇呼吸主要利用膈肌，膈肌为圆顶形结构，将胸腔、腹腔分隔开，膈肌是最主要的呼吸肌，就像泵一样产生上下相对运动，且其神经支配只有左右各一条，因此，在吸气和呼气过程中更有利于肺通气的均一性[25]。因此，从区域性肺通气角度分析，建议COPD患者在进行呼吸训练时应是腹式呼吸（训练膈肌功能同时提高通气均匀性）与缩唇呼吸（延迟小气道闭合同时使通气中心向腹侧移动，增大TV）独立交替训练，而避免使用腹式缩唇呼吸结合方式，这样可能会起到更好的呼吸训练效果。

目前在大多数评估呼吸训练改善COPD患者肺功能效果的研究中，通常持续数月，并以肺功能改善为效果评价指标[26]，很少有技术可用于实时监测并评估呼吸训练的直接效果。Mendes等[7]使用了光电体积描记法来评估胸壁纵膈之间的异步性，从而观察到呼吸训练对胸壁的影响，但却无法直接观察区域性肺通气变化。前期我们课题组探索了利用EIT实时评估飞行员实施抗荷动作期间的区域性肺通气功能，发现特定抗荷动作会引起区域性肺通气发生特异性变化[27]，本次研究也发现了呼吸训练方法也会改变区域性肺通气。因此，在未来的研究设计中，我们将积极探索利用EIT实时评估COPD患者实施呼吸训练期间的区域性肺通气，以期提高COPD患者呼吸训练的效果，更好地提高其生活质量。

本研究存在以下不足：(1)被试人员年龄段相对集中于20—30岁的健康成年人，未在各个年龄段的健康人群中广泛展开研究；(2)只取了舒适站立位作为呼吸训练体位，未考虑坐位、卧位对实验结果的影响；(3)只考虑了呼吸训练对区域性肺通气变化暂时的影响，未将长期影响纳入研究。

4、结论

腹式呼吸、缩唇呼吸、腹式缩唇呼吸训练方式均能有效增加肺通气量，减少肺功能残气量，但三种呼吸训练对区域性肺通气的影响各不相同。从区域性肺通气角度，建议COPD患者在进行呼吸训练时应采用腹式呼吸（GI更小）与缩唇呼吸（Co V向腹侧移动，TV更大）独立交替进行，以期达到更好的呼吸训练效果。

参考文献:

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[25]人体解剖学实验指导编写组编.人体解剖学实验指导[M].北京:高等教育出版社,1998.

基金资助:国家自然科学基金资助项目(61901478);

文章来源:高志君,赵珂,代萌,等.不同自主呼吸训练方法对区域性肺通气影响的对比研究[J].中国康复医学杂志,2024,39(05):634-640.