CN101742964A - 用于分析呼吸***的发炎状态的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量呼出气体中NO浓度的装置(100)。装置(100)包括吹口(11)，NO传感器(12)，呼吸道阻塞测量模块和分析模块。在呼气过程中，吹口(11)接收呼出气体。NO传感器(12)测量呼出气体中的NO浓度。呼吸道阻塞测量模块测定呼吸道阻塞参数。基于测量的NO浓度和测定的呼吸道阻塞参数的结合，所述分析模块(16)分析呼吸***的发炎状态。

Description

用于分析呼吸***的发炎状态的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量呼出气体中NO浓度的装置，该装置包括用于在呼气过程中接收呼出气体的吹口，用于测量呼出气体中NO浓度的NO传感器和基于测量的NO浓度来分析呼吸***的发炎状态的分析模块。

背景技术

根据美国专利申请US2003/0134427获知如下装置。所述申请描述一种用于测量NO和CO₂的装置。将呼出气体中NO浓度(eNO)来衡量哮喘病人呼吸道发炎的严重性。使用光吸收光谱法测定呼气过程中的NO和CO₂浓度。所述装置使用单一激光器扫描覆盖NO和CO₂吸收的波长范围。CO₂浓度的峰值已知约为4％。实测的峰值被认定对应于该4％，并用于校准该装置。进而依照该校准修正测得的NO浓度。

US2003/0134427中的装置使用去除容器以去除在呼气开始时提供的气体。真空泵和流量控制器调节测量时的流速。这些装置可用于测量潮式呼吸过程中的eNO值，但是，与固定流量下的NO测量相比，这些装置不够精确，主要是因为来自鼻子的NO污染、流速的变化以及较高流速下较低的eNO值。US2003/0134427中的装置的缺点是CO₂浓度的峰值依赖于使用者并可能发生变化，例如，由于哮喘诱发的呼吸道阻塞。CO₂峰值的准确值的不确定性对eNO测量的精确性产生消极影响。

eNO测量通常在轻微的超压下进行以关闭软腭并避免通过嘴呼出的气体被来自鼻子区域的NO污染。此外，向仪器呼气的人必须将呼气流量控制在低值(通常50ml/s)。在这一步骤中，呼气的最后几秒中eNO的平稳值主要取决于来自下部呼吸道上皮细胞的NO。为了确定例如肺泡中的NO，测量必须在不同的流量下重复进行。

将流量精确保持在低且固定的值，对于一些有呼吸道阻塞问题的成年患者以及特别是年轻儿童是困难的。因此，在更高的流量且更好是允许更大的流量范围的或者甚至是潮式呼吸的呼吸过程是有吸引力的。在这些更高的呼气流速下，辨别来自下呼吸道不同部分的NO变得更加困难。此外，根据呼吸道阻塞的严重性和位置而变化的肺部的气体交换过程将影响时间分辨的eNO图。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于确定呼吸***发炎状态的装置，其克服了现有技术的缺陷。

根据本发明的第一方面，这一目的通过首段描述的装置实现，其进一步包括用于确定呼吸道阻塞参数的呼吸道阻塞测量模块，其中设置分析模块以基于测量的NO浓度和测定的呼吸道阻塞参数的组合来分析呼吸***的发炎状态。

呼气过程的eNO图包括来自不同区域的贡献。呼吸道阻塞是决定呼吸道中气体交换行为的重要因素。本发明人发现同时确定NO浓度和呼吸道中气体交换行为实现eNO图的时间进程的改进分析并能够确定特定肺部区域的发炎状态。eNO图和得自阻塞测量的一个或多个参数的同时确定使得例如由支气管产生的NO的足够准确的获取得以实现。由于关于呼吸道阻塞的数据提供了有关在下呼吸道中气体交换的信息，此信息为实现呼出NO的精确分析提供了便利。

依赖于呼气条件和呼吸道阻塞，在部分呼气过程中，产生自支气管的NO占主体的情况或产生自支气管和肺泡的NO具有可比量级的情况可能出现。当eNO测量在50ml/s的固定呼气流量下进行时，呼气结束阶段的平稳水平是产生自支气管的NO占主体。对于一些成人，但尤其对于儿童，以固定的低流速呼气是困难的。在非严格条件下的呼气使得产生自呼吸道其它区域的NO变得与测得的eNO图更加相关。通过本发明的装置，了解呼吸***不同区域发炎状态可更准确分析eNO。

本发明的装置的优势在于，除了测量呼吸道炎症，基于一易于实现的测量还测定呼吸道阻塞的测量。由于呼吸道阻塞与炎症相比可通过不同药物治疗减缓，知道呼吸道阻塞的严重性对给药的剂量是有利的。

在一优选实施方式中，呼吸道阻塞测量模块包括CO₂传感器，以用于测量呼出气体中CO₂浓度的时间进程。该呼气过程中CO₂浓度的测量被称为二氧化碳曲线图(capnogram)。

使用者呼出的气体中包含21％的O₂和接近0％的CO₂。在肺部，部分O₂转移至使用者的血液中而使用者血液中的CO₂被转移至肺部的空气中。呼出气体中的CO₂的百分比在呼气过程中上升。在呼气结束阶段，气体中包含大约4.5％的CO₂。当呼吸道阻塞时，二氧化碳曲线图的形状发生变形。根据二氧化碳曲线图上升斜率的角度可得到呼吸道阻塞的严重性。此外，二氧化碳曲线图还显示了死空间空气、混合空气以及来自肺泡的空气被呼出的期间。基于此信息，作为时间函数的eNO图的一部分可被去除，因为来自鼻腔的NO的污染在吸气过程中到达下部呼吸道。这种来自鼻子的NO主要表现为死空间体积，因为它被下部呼吸道的组织所吸收。

可选地，呼吸道阻塞测量模块包括用于测量呼出气体中O₂浓度的时间过程的O₂传感器。随着CO₂浓度上升，O₂浓度下降。在呼气过程中O₂浓度从21％下降至16.5％。O₂浓度曲线的形状类似于CO₂二氧化碳曲线图绕X轴的镜像，并提供了气体交换方面的类似信息。

此外，装置可进一步包括流量或压力传感器，可实现易于操作的可变呼气流量的测量，以允许更宽的流速范围。在代谢气体交换和eNO图分析过程中，流量图被考虑。

优选地，装置还包括NO清除器和/或压力调节器，NO清除器使装置的使用者呼出不含NO的空气，压力调节器在呼气过程中产生超压使软腭闭合。

参考以下描述的实施方式将说明和表现发明的这些和其它方面。

附图说明

在附图中：

图1示出了本发明的装置，

图2和3示出了本发明的其它装置，

图4示出了流量/压力传感器，

图5示出了结合的气体传感单元，

图6示出了健康主体的二氧化碳曲线图，

图7示出了哮喘症主体的二氧化碳曲线图，

图8示出了O₂浓度曲线，

图9示出了时间分辨CO₂和eNO曲线，以及

图10示出了时间分辨CO₂、eNO呼吸和流量曲线。

具体实施方式

图1示意性地示出了本发明的装置100。装置100包括入口或吹口(mouthpiece)11，使得使用者呼出的气体通过装置100。在此实施方式中，装置100还使得使用者通过相同的呼吸通道18吸入和呼出。呼吸通道18可包括NO清除器15以确保使用者吸入的空气不包含任何NO以及所有检测到的NO产生自使用者的呼吸道。呼吸通道18还可包含流量传感器24。流量传感器24的功能将稍后阐明。当呼气进入吹口11时，部分呼出气体通过流量限制器22和泵25被导入分析通道19。在分析通道19中，使用侧流NO传感器12和侧流CO₂传感器13来分析呼出的气体。可选地，传感器12、13均被整合入一联合传感器。例如，传感器12、13可使用光声探测器或光吸收光谱。

呼出气体中的NO浓度指示了呼吸道炎症的严重性。使用测量的CO₂浓度可检测呼吸道阻塞，将参考图6和7在下面阐明。可选地，可使用峰流量计，麦克风或呼出气体温度和/或湿度测量模块检测呼吸道阻塞。eNO测量、呼吸道阻塞信息和流量数据被传送至分析模块16。分析模块16检测一个或多个来自于测量的阻塞数据的气体交换参数，并使用气体交换参数和流量数据来分析eNO图。从eNO图和有关呼吸道阻塞的信息检测到的发炎状态被传送至使用者界面模块17。使用获得的数据来建议用药的类型和剂量。优选地，分析模块16考虑个人信息如性别、年龄、体重，通常的潮式末NO水平和通常的呼吸模式。

图2示意性地示出了本发明的另一装置200。装置200包括入口或吹口11，使得使用者通过装置200吸入和呼出气体。装置200使得使用者通过呼吸通道18吸入。呼吸通道18可包含NO清除器15以确保使用者吸入的空气不包含任何NO以及所有检测到的NO均由使用者的呼吸道产生。呼吸通道18还包含单向阀21。装置中的单向阀21保持吸入和呼出的空气通过装置的不同通道。主体流呼出通道20包括结合了调节单元的流量或压力传感器14。调节单元以如下方式，即呼气过程中压力上升而软腭保持关闭来减小流量。CO₂传感器13被合并入主体流通道20中。除了CO₂传感器，O₂传感器或甚至CO₂和O₂传感器的联合可被使用。当呼气进入吹口11时，部分呼出气体被导入至侧流通道19。侧流通道19包括流量限制器22和抽吸一小部分呼出气体通过此通道的泵25。在侧流通道19中，使用NO传感器12来分析呼出气体(eNO)。

时间分辨eNO、CO₂(或O₂)和压力/流量数据被传送至分析模块16。在呼气过程中可使用流量/压力数据按需要的呼气力度等级通过使用者界面模块17给使用者回馈。分析模块16基于流量数据和得自CO₂/O₂曲线的代谢气体交换来分析测得的eNO。可使用获得的数据来报告下部呼吸道的发炎和阻塞状态。

作为诊断或研究装置的应用，测量可在单元14的不同的流量/压力设定下执行，以获得更多的下部呼吸道发炎状态的细节信息。

作为个人监测装置，分析模块16可考虑个人信息如性别、年龄、体重和个人炎症和阻塞的参考等级。可提供涉及用药剂量的建议。

图3示意性地示出了本发明的装置300。在侧流中结合了转换器单元23，将呼出气体中的NO转换为NO₂。转换器具有小体积和快转换率，因而在出口处时间分辨的NO₂图遵循时间分辨的eNO图。侧流通道19包括NO₂探测模块12，CO₂或O₂探测模块13，流量限制器22和泵25。在CO₂/O₂传感器置于转换器单元23之后的情况时，转换器23必须是不影响CO₂/O₂图和浓度的。可选地，CO₂/O₂传感器可被置于侧流19中的转换器23之前。但是，转换器后面的位置用于整合气体传感模块12和13。光吸收光谱法实现了满足呼吸分析应用准确度的O₂、CO₂、NO和NO₂的时间分辨检测。装置300可基于用于NO₂和O₂的联合气体传感单元，NO₂和O₂在可见波长范围内均显示吸收。可选地，NO₂的检测在可见波长范围内进行，CO₂的检测在近红外范围。

图4示出了实现流量或压力传感器14的实施方式。流量或压力传感器14结合了具有小流阻的固定限制42。固定限制42在固定限制42上产生压降。使用在两侧的压力传感器41、43，测量压降，并且确定通过此限制器的气体流量。在小流阻流量-压力传感器之后设置有更高流阻的流量-压力调节器44。此流量-压力调节器44结合了例如压力敏感弹簧结构和可变的通孔。此流量-压力调节器44保持在呼气过程中的超压是足够的，使得在测量的流量范围内保持隔膜关闭。

图5示出了用于同时检测两种气体的气体传感器500。第一光源501产生对应于第一气体如NO或NO₂的吸收的波长的光。第二光源504产生对应于第二气体如CO₂或O₂的吸收的波长的光。光源被驱动单元502和505驱动。光束被如半透镜503联合并进入具有小检测体积的光声气体检测单元508。光声检测提供气体浓度变化的实时响应。一个驱动单元505被频率发生器506控制。另一驱动单元507以相同的频率调制但具有90度的相移。光被以对应于检测单元508的声共振的频率进行振幅调制以提高灵敏度。这样实现了对应两种气体的光声信号的同时检测。来自气体检测单元508的声信号被导入锁相放大器509，在此信号以分别为0°和90°相位的参考频率被解调以得到两种气体的浓度。

哮喘中的呼吸道阻塞是下呼吸道发炎的结果并且是可逆的。暴露于过敏原引起的发炎的严重性的增加将导致呼吸道阻塞的增长。在阻塞严重性增加前通常会有数天。在COPD中阻塞变化很少但发炎可随时间持续变化。类固醇，也被称作皮质激素是一类重要的抗炎症药物。他们使呼吸道的敏感度降低并且减少针对引发物的反应。Bronchodilators通过放松支气管周围绷紧的肌肉带来减缓阻塞。

在发炎区域以增加的浓度产生NO。潜在的呼出NO源为下呼吸道上皮细胞，上呼吸道(鼻子的)上皮细胞，肺泡上皮细胞和血管内皮。这些不同源头的气体交换机理是不同的。来自下呼吸道上皮细胞的气相NO浓度是流量相关的，而来自肺泡的NO是流量非相关的，CO₂气体交换机理类似于此。

图6示出了健康主体的二氧化碳曲线图60。二氧化碳曲线图60包括呼出相61、62、63和吸入相64。在呼出相，通过CO₂传感器13检测的CO₂浓度上升。在吸入相64，CO₂浓度迅速降至0。呼出包括三个不同的相61、62、63。在第一相61，使用者主要呼出来自嘴的空气，这些空气还未进入肺部因而包含非常少的CO₂。在第一相61呼出的空气被称为死空气。在接下来的第二相62中，死空气被已进入肺泡(肺和血液间气体交换的场所)的已从血液中提取一些CO₂的空气混合。在第二相62，混合空气中CO₂的浓度上升，直到接近潮式终点值4.5％。在潮式终点相63中，几乎所有空气都来自于肺泡。

图7示出了哮喘症主体的二氧化碳曲线图69。对于哮喘病人，二氧化碳曲线图69的形状被呼吸道阻塞和肺泡的不等排空所影响。二氧化碳曲线图69的上升斜率66、67的角度形成了呼吸道阻塞严重性的量度。这些斜率与肺泡中气体交换速度的传播相关。当呼吸道阻塞时，呼出气体中的CO₂水平的上升比呼吸道未阻塞时缓慢，并且平稳区67更短。此外，潮式终点CO₂浓度可能比健康病人的要低。根据本发明，使用二氧化碳曲线图69的信息以从呼出过程的时间分辨eNO图获得更多相关信息。原则上，也可采用峰流量测量来检测呼吸道阻塞。由于峰流量值的变化适度的修正了二氧化碳曲线图斜率的变化，基于峰流量测量，可以获得肺泡气体交换速度的传播的评估。

图8示出了O₂浓度曲线80。在附图1中的装置100中，CO₂传感器13可被O₂传感器取代或共同使用。在呼气过程中，O₂浓度从21％下降至约16.5％。O₂浓度的下降是由于O₂从肺部的空气转移至血液中而CO₂从血液中转移至肺部的空气中。O₂浓度曲线的形状类似于以X轴为镜像的CO₂二氧化碳曲线图的形状，提供了关于(部分)肺泡阻塞的类似信息。

图9示出了NO浓度93和CO₂浓度92作为时间90的函数的示例性测量。测量可使用前述的装置200来执行。对于此处描述的测量，流量保持为常数值。主要数据包括时间分辨NO浓度96和时间分辨CO₂浓度97。只分析线94和95之间的时间范围。由于呼气过程中死空气空间可被来自鼻腔的包含NO的一些空气污染，直到对应于线94的时间点的呼气的初始部分被去除。在呼吸道的下部，该鼻子部的NO污染被呼吸道吸收。当在吸气过程中没有使用清除器时，此峰可进一步升高。优选地，二氧化碳曲线图97用于确定线94的恰当的位置，例如二氧化碳曲线图的第一个拐点或CO₂浓度穿过中间值的点。线95对应于呼气的终点。在线94和95之间，NO浓度来自支气管的贡献98被认为是恒定的，因为流量固定，而来自肺泡的贡献99是变化的。在简单模型中，后者是CO₂浓度105的恒定部分104。数据拟合步骤随后产生了肺泡和支气管对呼出的NO的贡献。上述步骤的优势是，当流量条件选择合适时肺泡和支气管的贡献可在一次实验中确定。

图10示出了使用装置100的示例性潮式呼吸测量，其中流量91、CO₂浓度92和NO浓度93被监测。在去除eNO图的“被污染”部分后，线94和95之间的剩余的图根据流量依赖NO部分和遵循代谢CO₂气体交换行为的NO部分进行分析。在其最简单的形式中，支气管中产生的NO是逆向流量依赖的，而来自肺泡的NO被认为是流量非依赖的并与CO₂浓度成比例。基于此模型，线94和95间的eNO图被拟合并获得两个描述肺泡和支气管发炎状态的参数。比上述更复杂的依赖关系当然可被采用。可在多个后继的潮式呼吸中进行eNO测量以提高参数拟合的准确性。在个人监测***中，多个参数可被设定为个体值。对哮喘症人群，支气管NO会根据环境中炎症引发物的严重性变化，而肺泡的贡献变化很小。在此情况下，一旦使用附图9中描述的测量过程可测定肺泡贡献的准确值。如果必要，可使用呼气流速范围以进一步提高准确性。基于常规，为随后监测支气管的发炎状态，潮式呼吸装置被使用，其中肺泡贡献被设定为固定参数。本测量过程的优势为，支气管NO可在例如对使用者更简单的潮式呼吸条件下测定。

应注意到，上述实施方式只是描述本发明而非限制本发明，并且本领域技术人员能够设计出不背离所附权利要求的范围的很多可选实施方式。在权利要求中，括号中的任何附图标记都不构成对权利要求的限定。使用“包括”或类似表述并不排除在权利要求记载之外的其它部件或步骤。元件前的冠词“一个”或“一个”并不排除这些元件的复数形式。本发明可通过包含多个独特元件的硬件，以及通过适当编程的计算机来实现。在权利要求中列举了几种方式，这些方式可被特定一种或硬件的相同个体具体化。特定测量在不同从属权利要求被引述的事实并不表示这些测量的组合不能被有优势地使用。

Claims (6)

1.一种用于测量呼出气体中NO浓度的装置(100)，该装置(100)包括：

用于在呼气过程中接收呼出气体的吹口(11)，

用于测量呼出气体中NO浓度的NO传感器(12)，

用于测定呼吸道阻塞参数的呼吸道阻塞测量模块，以及

基于测量的NO浓度和测定的呼吸道阻塞参数的结合来分析呼吸***发炎状态的分析模块(16)。

2.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述呼吸道阻塞测量模块包括用于测量呼出气体中CO₂浓度的时间过程的CO₂传感器(13)。

3.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述呼吸道阻塞测量模块包括用于测量呼出气体中O₂浓度的时间过程的O₂传感器。

4.如权利要求1所述的装置(100)，进一步包括用于测量呼出气流的流量或压力传感器(14)。

5.如权利要求1所述的装置(100)，进一步包括NO清除器(15)，使装置(100)的使用者吸入不含NO的空气。

6.如权利要求1所述的装置(100)，进一步包括压力调节器(44)，压力调节器在呼气过程中产生超压使软腭关闭。

Images