用于測(cè)量和分析多次呼吸氮?dú)庀闯鲞^程的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量和分析多次呼吸氮?dú)庀闯鲞^程的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 自1950年左右以來，對(duì)示蹤氣體從肺部的洗出過程的測(cè)量就已開始，并且從 那時(shí)起已用來確定肺容量、肺容量細(xì)分以及通氣不均勻性參數(shù)[見：A.A.Hutchison，A. C.Sum,T.A.Demis,A.Erben,L.I.Landau.Momentanalysisofmultiplebreathnitrogen washoutinchildrenAmRevRespirDis1982;125:28-32]。多次呼吸洗出過程可使用 不同示蹤氣體進(jìn)行：氦氣、SF6(六氟化硫）或N2(氮?dú)猓┦亲畛Ｓ玫氖聚櫄怏w。使用N2是 最簡單的方法，因?yàn)榛颊邇H須從呼吸空氣轉(zhuǎn)換為呼吸100%氧氣。在呼吸氧氣時(shí)，殘留在肺 部的N2從肺呼吸中被洗出用于呼吸。已開發(fā)出各種方法用于測(cè)量示蹤氣體N2、SF6或氦氣 的濃度，這些方法每種都具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在下文對(duì)先前所使用方法的描述中，將描述基于氮?dú)猓∟2)的洗出過程。然而，所 述方法還可利用示蹤氣體SF6或氦氣以類似方式用于分析多次呼吸洗出。
[0004] 利用氮?dú)舛啻魏粑闯鲞^程（MBW)的分析需要精確測(cè)量流入和流出肺部的氣體 流速，并結(jié)合同樣精確地測(cè)量由患者吸入和呼出的N2濃度。必須利用快速響應(yīng)傳感器測(cè)量 流速和N2信號(hào)，因?yàn)榧词乖诨A(chǔ)呼吸下，流量信號(hào)和濃度信號(hào)也會(huì)發(fā)生快速變化。另外，必 須同步記錄流量信號(hào)和N2濃度信號(hào)（S卩，信號(hào)之間沒有任何時(shí)間延遲），因?yàn)橐獙?duì)N2濃度 和流量的乘積進(jìn)行積分來確定吸入和呼出的N2體積。
[0005] 圖1示出隨時(shí)間⑴變化的流量（F)和N2濃度。在整個(gè)測(cè)試過程中，患者正常呼 吸，但是附帶有鼻夾以使所有空氣通過口吸入和呼出。N2濃度在實(shí)際N2洗出過程之前幾 乎是恒定的并且處于環(huán)境N2濃度值（78.08% );在洗出過程中，N2濃度在吸入期間（幾 乎）為零，而在呼出期間，平均N2濃度每呼吸一次下降一點(diǎn)，因?yàn)槊亢粑淮危獨(dú)饩捅粡?肺部進(jìn)一步洗出。圖1還放大呈現(xiàn)了N2濃度隨呼出體積（V)的變化。這一呈現(xiàn)示出呼出 階段I至III(I=死腔；II=混合空氣；III=肺泡氣）。用于量化通氣不均勻性的其它參 數(shù)可通過測(cè)定洗出過程的所有呼吸在階段III中的增加來確定[Consensusstatementfor inertgaswashoutmeasurementusingmultipleandsinglebreathtests.EurRespir J2013 ;41:507-522]。
[0006] 通常利用100Hz的測(cè)量速率檢測(cè)流速信號(hào)和氣體濃度信號(hào)。流量傳感器通常具有 <10ms的響應(yīng)時(shí)間；用于測(cè)量氣體濃度的傳感器通常更慢并且具有60至IOOrns范圍內(nèi)的響 應(yīng)時(shí)間（見[Consensusstatementforinertgaswashoutmeasurementusingmultiple andsinglebreathtests.EurRespirJ2013;41:507-522])。現(xiàn)有不同類型的氣體流量 傳感器，諸如通過流路中的阻力檢測(cè)壓力差的傳感器，或測(cè)量熱線的冷卻的傳感器、測(cè)量渦 輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)的傳感器，或測(cè)量超聲波渡越時(shí)間的傳感器。氣體濃度在洗出過程中經(jīng)受較大 波動(dòng)。不過，這可能不會(huì)對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生任何影響或這種影響須被充分校正。然而，不僅流 量傳感器的技術(shù)可不同。當(dāng)前的系統(tǒng)如何通過測(cè)量示蹤氣體來分析洗出以用于確定N2濃 度的方法也是不同的。以下方法被用于測(cè)量N2濃度。
[0007] 1.質(zhì)譜法：質(zhì)譜儀可用于以高精確度和快速響應(yīng)時(shí)間來測(cè)量氣體濃度。在多次呼 吸氮?dú)庀闯鲞^程中，通常同時(shí)檢測(cè)N2、02和C02的濃度值。當(dāng)使用SF6作為示蹤氣體時(shí)，最 常使用質(zhì)譜儀來測(cè)量多次呼吸洗出[P.M.Gustafsson,P.Aurora,A.Lindblad.Evaluation ofventilationmaldistributionasanearlyindicatoroflungdiseaseinchildren withcysticfibrosis.EurRespirJ2003;22:972-979]。質(zhì)譜儀價(jià)格昂貴且須進(jìn)行定期 保養(yǎng)。
[0008] 2.間接法：可通過使用用于測(cè)量02和C02濃度的兩個(gè)單獨(dú)的氣體傳感器來間接 確定N2濃度。通常使用電化學(xué)傳感器或借助于激光的紅外線吸收測(cè)量02;紅外線吸收傳感 器通常用于C02測(cè)量。通過應(yīng)用混合物所有氣體之和得到100%的道爾頓定律，參考02和 C02濃度來間接確定N2濃度。為了確保精確地確定N2濃度，須同時(shí)測(cè)量02信號(hào)和C02信號(hào)， 即信號(hào)之間沒有任何時(shí)間延遲。此外，傳感器須具有盡可能相似的響應(yīng)時(shí)間[F.Singer，B. Houltz,P.Latzin,P.Robinson,P.Gustafsson.ARealisticValidationStudyofaNew NitrogenMultiple-BreathWashoutSystemPloSONE7(4):e36083, 2012]〇
[0009] 如果存在N2濃度和氣體流量的同步信號(hào)，那么通過對(duì)吸入和呼出N2體積乘以流 量進(jìn)行數(shù)學(xué)積分來確定呼出總氮?dú)怏w積。因此確定了每次呼吸的吸入和呼出N2體積并且 將這些體積相加來確定總呼出N2體積，直到達(dá)到N2濃度閾值（通常為〈2. 5%的初始濃 度）。最后，將總呼出N2體積除以初始N2濃度以計(jì)算功能余氣量（FRC)并且進(jìn)而將其從N2 濃度的終值（閾值）中扣除。[Consensusstatementforinertgaswashoutmeasurement usingmultipleandsinglebreathtests.EurRespirJ2013;41:507-522]。通過對(duì)隨 時(shí)間或體積變化的氮?dú)鉂舛鹊母敿?xì)分析，確定通氣不均勻性參數(shù)（諸如LCI和矩）。
【附圖說明】
[0010] 圖1示出隨時(shí)間⑴變化的流量（F)和N2濃度。
[0011] 圖2解釋了帶有流量管（1)的流量傳感器測(cè)量流入患者肺部又流出的空氣的理 念。
[0012] 圖3示出用于多次呼吸氮?dú)庀闯龇治龅南到y(tǒng)的實(shí)施方案的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于測(cè)量和分析多次呼吸氮?dú)庀闯鲞^程的裝置。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明，裝置被構(gòu)造為具有權(quán)利要求1的特征的組合。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案從權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求可獲知。
[0016] 本發(fā)明利用通過超聲波測(cè)量流量和摩爾質(zhì)量[參考EP0 597 060B1、EP0 653 919B1]，并結(jié)合通?；诩t外線吸收過程的快速響應(yīng)C02傳感器，用于確定多次呼吸氮?dú)?洗出測(cè)試的功能余氣量（FRC)、肺清除指數(shù)（LCI)、矩比、階段III分析（包括Scond和 Sacin)以及進(jìn)一步導(dǎo)出的參數(shù)。
[0017] 在患者呼吸室內(nèi)空氣時(shí)的實(shí)際洗出階段之前，以及在患者呼吸100%氧氣時(shí)的洗 出階段期間，須考慮以下氣體組分。
[0018] ? N2(氮?dú)猓辉冢ǜ稍铮┦覂?nèi)空氣中的濃度為約78.08%
[0019] ? 02 (氧氣）；在（干燥）室內(nèi)空氣中的濃度為約20.95%
[0020] ? C02(二氧化碳）；在（干燥）室內(nèi)空氣中的濃度為約0.04% ;在呼出過程中，所 述濃度增加至約4%至5%。
[0021] ? H20(水蒸氣）；取決于濕度和溫度，在空氣中的濃度介于0%和約5%之間。
[0022] ? Ar (氬氣）；在（干燥）室內(nèi)空氣中的濃度為約0.93%。
[0023] ?所有其它氣體（所謂的痕量氣體）的濃度低于0. 002%。這些氣體在以下討論 中不予考慮。
[0024] 在多次呼吸洗出過程的吸入和呼出過程中，，所有氣體的濃度發(fā)生波動(dòng)。可獨(dú)立于 主要由氧氣的吸入和所產(chǎn)生二氧化碳的呼出所致的氣體濃度的這些變化，建立以下三個(gè)方 程式：
[0028] 在此，fx是氣體X的比例，且M x是以g/mol為單位的氣體X的摩爾質(zhì)量。
[0029] 方程式（1)顯示所觀察的所有氣體比例之和為100% (道爾頓定律）。如上所述， 在此未考慮痕量氣體。
[0030] 方程式⑵描述了摩爾質(zhì)量的測(cè)量。由超聲波傳感器測(cè)量的摩爾質(zhì)量通過將每一 種氣體的比例乘以各自的摩爾質(zhì)量并且求和來計(jì)算：。
[0031] 假定在方程式（3)中，氬氣比例與氮?dú)獗壤晒潭ū?，即氬氣洗出與氮?dú)庀闯龀?正比。因?yàn)檫@兩種氣體都不參與人在呼吸過程中的氣體交換，所以這是一個(gè)有效的假設(shè)。
[0032] 下文清單示出方程式（1)至（3)的哪些變量是測(cè)量的，哪些是未知的。
[0033]測(cè)量的變量：fC02、fH20、M
[0034] 未知的變量：fN2、f02、fAr
[0035] 相應(yīng)傳感器測(cè)量C02濃度（fC02)和摩爾質(zhì)量（M)?？諝庵械乃魵鉂舛龋╢_)通 過測(cè)量室內(nèi)空氣的濕度、壓力以及溫度來確定。室內(nèi)空氣中水蒸氣的濃度可從這些數(shù)值確 定。本發(fā)明的機(jī)械設(shè)計(jì)（見下文）確保了在整個(gè)洗出過程中在傳感器區(qū)域內(nèi)有確定的水蒸 氣濃度。
[0036] 由于存在三個(gè)未知的變量和三個(gè)方程式，可對(duì)系統(tǒng)求解并且可確定fN2、f02和 fAr的濃度。因此可從fC02、fH20和M的測(cè)量值確定fN2和f02的比例。
[0037] 所列出的方程式適用于患者肺部的氮?dú)庀闯龅乃须A段；它們同樣適用于體外 系統(tǒng)，即用于驗(yàn)證分析氮?dú)庀闯鲇玫尼t(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)；這些系統(tǒng)可利用諸如注射器和/或 模擬患者肺部的容器的裝置（F. Singer, B. Houltz, P. Latzin, P. Robinson, P. Gustafsson. A Realistic Validation Study of a New Nitrogen Multiple-Breath Washout System PloS ONE 7(4):e36083,2012]〇
[0038] 為了獲得更好的精確度，在方程式（2)中的摩爾質(zhì)量x的值可由校正的摩爾質(zhì)量 值M #x替換，其中M#x=kx*Mx并且其中因子kx是用于絕熱指數(shù)校正（即熱容量比）的無量 綱常數(shù)。這種校正是必需的，因?yàn)槟栙|(zhì)量（在方程式（2)中的總摩爾質(zhì)量M)的測(cè)量是基 于固定熱容量比的（見（2))。
[0039] 為了在多次呼吸洗出過程的評(píng)定中獲得足夠的精確度，須以相對(duì)較高的精確 度（N2 濃度測(cè)量的精確度應(yīng)為〈0.2 % [Consensus statement for inert gas washout measurement using multiple and single breath tests. Eur Respir J 2013 ； 41:507-522]Eur Respir J 2013;41:507-522])確定 fN2 和 f02 的值。在這個(gè)關(guān)系中，當(dāng)借 助于紅外線吸收測(cè)