CN110431418A - 用于监测糖尿病的非侵入性光子感测 - Google Patents

用于监测糖尿病的非侵入性光子感测 Download PDF

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Abstract

本披露涉及一种用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置(100)，所述装置(100)利用感测元件(110)和热传感器(140)的组合，所述感测元件具有与所述生物标志物进行热化学反应的热化学反应物(120)，所述热传感器设置成测量由所述热化学反应引起的温度变化率。提供用于向用户指示所述呼出的呼吸气中所述生物标志物的指示量度的用户界面(170)，其中所述呼出的呼吸气中所述生物标志物的所述指示量度根据测量的温度变化率确定。

Description

用于监测糖尿病的非侵入性光子感测
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月7日提交的澳大利亚临时专利申请号2016904530的优先权，该澳大利亚临时专利申请内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置，并且具体地涉及一种用于通过检测呼吸气中的生物标志物来诊断和监测在受试者体内发生的疾病和/或生理过程的便携式呼吸气监测装置。
背景技术
呼出的人体呼吸气由多种化合物组成。某些化合物的存在和/或其量可以指示体内发生的疾病和/或生理过程。例如，呼出的呼吸气中某些生物标志物的检测和测量可以以非侵入性方式帮助诊断和/或监测疾病，诸如糖尿病、肺癌、肾衰竭、肝病和哮喘。特别地，呼吸气中生物标志物丙酮的测量可以帮助监测糖尿病。
酮是含有与两个烃基键合的羰基(＝C＝O)的有机化合物。酮症是一种代谢状态，其中身体燃烧脂肪以获得能量，导致酮丙酮、乙酰乙酸和β-羟基丁酸释放到肝脏的血流中。在健康受试者中，由于一段时间的禁食或低碳水化合物饮食，可能发生增加水平的酮。然而，在1型糖尿病中，血流中存在高水平的酮指示胰岛素不足。
当身体胰岛素不足时，它不能将血液中的葡萄糖加工到体内细胞中作为能量使用，而是开始燃烧脂肪。肝脏将脂肪酸转化为酮，然后释放到血流中用作能量。在胰岛素依赖的人群中，诸如1型糖尿病患者，血液中高水平的酮可能是因为服用过少的胰岛素，并且这可能导致酮症酸中毒，一种严重的短期并发症，如果不及时治疗，可导致昏迷甚至死亡。
1型糖尿病的管理通常需要定期监测血糖水平以及施用胰岛素注射，定期监测血糖水平可能是一种侵入性和痛苦的过程，特别是对于需要在一天中进行多次血液检测的糖尿病患者。酮测试可以经由使用现代血糖仪和专用酮测试条的血液测试或通过尿液测试条来完成。虽然侵入性较小，但测试尿液中酮水平可能不准确，因为结果不是实时的，而是指示受试者数小时前的酮水平。
对本说明书中包括的文件、法令、材料、装置、物品等的任何讨论不应认为是承认任何或所有这些内容形成现有技术基础的一部分或者是在本申请的每个权利要求的优先权日期之前已经存在的本公开相关领域中的一般常识。
发明内容
贯穿本说明书，“包括(comprise)”一词或变型(诸如“包括了(comprises)”或“包括着(comprising)”)应被理解为意指包括所陈述的要素、整体或步骤、或者多个要素、多个整体或多个步骤的群组，但不排除任何其他要素、整体或步骤、或者多个要素、整体或多个步骤的群组。
提供一种用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置，所述装置包括：
感测元件，所述感测元件包括与所述生物标志物进行热化学反应的热化学反应物；
热传感器，所述热传感器设置成测量由所述热化学反应引起的温度变化率；以及
用户界面，所述用户界面用于向用户指示所述呼出的呼吸气中所述生物标志物的指示量度，其中所述呼出的呼吸气中所述生物标志物的所述指示量度根据测量的温度变化率确定。
感测元件还可以包括与热化学反应物接触的灵敏度增强剂，其中热化学反应物和生物标志物之间的反应产物与灵敏度增强剂进行热化学反应。灵敏度增强剂可以是热化学反应物上和/或下的至少一个层和/或灵敏度增强剂可以分散在热化学反应物中。
热传感器可以直接或间接地测量温度变化率。在某些实施例中，热传感器可以与感测元件接触。可替代地，热传感器可以与感测元件间隔开。
感测元件可以包括用于支撑热化学反应物的支撑元件。在一些实施例中，热化学反应物涂覆在支撑元件的至少一个表面上。可替代地，热化学反应物浸渍到支撑元件上。支撑元件的形状不受特别限制，例如，支撑元件可以是基本上平面的或基本上管形的。
感测元件可以安装在壳体中，壳体包括用于接收呼出的呼吸气的入口。壳体可以由绝热材料形成。入口可以包括单向阀，诸如止回阀，以防止气体通过入口从装置流出。感测元件可以可拆卸地安装在壳体中，使得感测元件可以在每次使用后更换，而不需要更换装置的其他部件。
为了确定正在分析的呼出的呼吸气的体积，装置可以被配置为接收预定体积的呼出的呼吸气。在其他实施例中，可以通过用于测量呼出的呼吸气进入装置的流速的流量计来确定正在分析的呼出的呼吸气的体积的测定。
生物标志物可以是可以在受试者的呼出的呼吸气中表达的任何化合物，例如，生物标志物可以选自：酮、挥发性有机化合物(VOC)、烃、氨、胺和硫化物。特别地，生物标志物可以是丙酮。
当丙酮是生物标志物时，热化学反应物选自：盐酸羟胺、邻苄基羟胺-盐酸盐、过氧化氢和氯仿。在一个实施例中，热化学反应物是盐酸羟胺，并且灵敏度增强剂是金属，诸如铝。
在某些实施例中，装置的灵敏度可能受到受试者的呼出的呼吸气中存在或缺乏的水分的影响，特别是在呼吸气通过嘴呼出的情况下。因此，装置还可以包括用于在与热化学反应物接触之前对呼出的呼吸气除去或添加水分的干燥剂或湿润剂。
如用户所指示的呼吸气中生物标志物的量度可以是呼吸气中生物标志物浓度的形式。可以以多种方式根据测量的温度变化率确定浓度。例如，呼吸气中生物标志物的浓度可以基于将温度变化率与生物标志物浓度相关联的值的查找表。在另一个实例中，呼吸气中生物标志物的浓度可以基于将温度变化率与生物标志物浓度相关联的数学模型。
装置还可以包括用于接收描述测量的温度变化率的数据并根据数据确定呼吸气中生物标志物的量度的处理构件。处理构件优选地无线地接收数据。处理构件还可以将呼吸气中生物标志物的确定的量度传输到用户界面。
在某些实施例中，热传感器可以包括温度依赖性颜色变化材料，并且其中呼吸气中生物标志物的指示量度基于在呼出的呼吸气被引入装置之后的预定时间段的材料颜色。
装置可以被配置成接收从受试者的嘴呼出的呼吸气。另外地或可替代地，装置可以被配置成接收从受试者的鼻子呼出的呼吸气。
装置还可以包括设置成测量装置中的背景温度的参比热传感器。以这种方式，可以调整由热传感器测量的温度变化率，以反映与热化学反应无关的任何温度变化，例如由呼出的呼吸气引起的温度变化。
还提供一种监测呼出的呼吸气中的生物标志物的方法，其包括：
使所述呼出的呼吸气与感测元件接触，上述感测元件包括与所述生物标志物进行热化学反应的热化学反应物；
用热传感器测量由所述热化学反应引起的温度变化率；以及
根据测量的温度变化率确定所述呼吸气中所述生物标志物的量度。
在适当的情况下，上述装置的可选特征对于此方法也是可选的。
附图说明
现在将参考附图，仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是感测元件和热传感器的布置的透视图；
图2是感测元件和热传感器的替代布置的透视图；
图3是监测装置的第一实施例的顶视图；
图4a和图4b是监测装置的第二实施例的顶视图；
图4c是用于图4a和图4b的监测装置的感测元件的分解透视图；
图5是监测装置的第三实施例的透视图；
图6是监测装置的第四实施例的透视图；
图7是监测装置的第五实施例的透视图；
图8是监测装置的第六实施例的透视图；
图9是监测装置的第七实施例的透视图；
图10是监测装置的第八实施例的透视图；
图11是监测装置的第九实施例的透视图；
图12是由受试者佩戴的监测装置的第十实施例的前视图；
图13是监测呼出的呼吸气中的生物标志物的方法的流程图
图14a至图14c是描绘通过用于气囊监测装置的光学温度传感器监测的温度变化率的图表；
图15a和图15b是描绘使用用于气囊监测装置的光学温度传感器的呼吸气酮量度与测量的血酮水平之间的相关性的图表；
图16a和图16b是描绘用红外(IR)温度传感器监测的温度变化率的图表；
图17是描绘不同量的热化学反应物的温度变化率的图表；
图18是描绘在健康个体与2型糖尿病(T2D)的个体之间比较用数字温度传感器监测的温度变化率的图表；并且
图19a和图19b是描绘使用用于气囊监测装置的数字温度传感器的呼吸气酮量度与测量的血酮水平之间的相关性的图表。
具体实施方式
参考附图，提供了一种用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100。生物标志物是指呼吸气中的特定化合物，其存在和数量指示体内发生的某些疾病和/或生理过程。
首先参考图1和图2，提供了感测元件110，其包括用于与感兴趣的生物标志物进行热化学反应的热化学反应物120。也就是说，热化学反应物120将对目标生物标志物是特定的，并且选择使得生物标志物与热化学反应物120发生放热反应(释放热量)或吸热(吸收热量)。释放或吸收热量的速率，即热化学反应物120暴露于呼出的呼吸气后的温度变化率，可以用于确定呼吸气中生物标志物的量度。
由于呼吸气中生物标志物的浓度可以很小，感测元件110还可以包括灵敏度增强剂130。灵敏度增强剂130用于加速和放大测量的温度变化率，以增加装置100的灵敏度，并提供生物标志物的更准确量度，特别是在低浓度下。灵敏度增强剂130是被选择为与热化学反应物120和生物标志物之间的反应产物进行热化学反应的材料。
为了向热化学反应物120提供支撑，感测元件110还可以包括支撑元件，热化学反应物120可以涂覆或浸渍到所述支撑元件上。支撑元件可以是基本上平面的形状，例如如图4c、图5、图6和图10中所示。可替代地，支撑元件可以是管状的，例如，如图7至图9所示。
应当理解，热化学反应物120的选择将取决于待分析的生物标志物，因为与一种生物标志物进行热化学反应的反应物可能不与另一种生物标志物进行反应。此外，期望热化学反应物120选择性地与感兴趣的生物标志物进行热化学反应，并且不与可能在呼出的呼吸气中发现的其他化合物反应。在此之后，灵敏度增强剂130的选择将取决于所选择的热化学反应物120并取决于热化学反应物120与感兴趣的生物标志物的反应产物。对于不同的生物标志物和不同的热化学反应物120，反应产物也将不同，并且将选择灵敏度增强剂130作为与初始反应的产物进行热化学反应的材料。
提供热传感器140以测量由生物标志物与热化学反应物120之间，并且如果存在，则灵敏度增强剂130与初始热化学反应的产物之间的热化学反应引起的温度变化率。应当理解，热传感器140可以是用于监测温度变化率的任何合适的装置。例如，热传感器140可以是接触温度传感器类型，其与热化学反应物120接触以监测温度变化，诸如图1和图2所示，或者是非接触温度传感器类型，其在距热化学反应物120一定距离处监测温度变化，例如如图5至图7所示。
如图1所示，热传感器140可以在一个表面与热化学反应物120接触。可替代地，并且为了通过在不需要增加热传感器140的尺寸的情况下增加热化学反应物130与热传感器140之间的接触表面积来增加装置100的灵敏度，热传感器140可以在两个表面处与热化学反应物120接触，如图2所示。
当选择灵敏度增强剂130以与热化学反应物120和生物标志物的产物反应时，灵敏度增强剂130被配置为与热化学反应物120接触。例如，灵敏度增强剂130可以分散在整个热化学反应物120中，如图1和图2所示。
提供具有分散在其中的灵敏度增强剂130的热化学反应物120的方法将取决于所选择的热化学反应物120和灵敏度增强剂130对于特定***的物理性质。通常，将制备热化学反应物120和灵敏度增强剂130的混合物，其可以应用于支撑元件或直接应用于热传感器140。在一些实施例中，可以制备含有热化学反应物120和灵敏度增强剂130的含水混合物并将其吸收到多孔支撑元件上。在其他实施例中，可以制备含有热化学反应物120和灵敏度增强剂130的粘性混合物并将其涂覆到支撑元件上或直接涂覆到热传感器140上。在其他实施例中，可以制备含有热化学反应物120和灵敏度增强剂130的颗粒混合物并将其粘着到支撑元件或热传感器140。
另外地或可替代地，灵敏度增强剂130可以作为热化学反应物120上的至少一个层提供。对于上述混合物，提供具有一层灵敏度增强剂130的热化学反应物120的方法将取决于所选择的热化学反应物120灵敏度增强剂130对于特定***的的物理性质。通常，将热化学材料提供在支撑元件上或直接提供在热传感器140上。然后将灵敏度增强剂130(其可以是液体、颗粒材料或薄固体膜)施加到热化学反应物120。可以提供多层热化学反应物120和/或灵敏度增强剂130，其可以加速和放大测量的温度变化速率，以增加装置100的灵敏度，并提供更准确的生物标志物量度，特别是在低浓度下。
感测元件110可以安装在装置100的壳体150中，壳体具有用于接收受试者的呼出的呼吸气的入口160。入口可以包括单向阀165，以防止接收到装置100中的呼出的呼吸气通过入口流回。热传感器140也可以安装在壳体150中，但是应当理解，在一些实施例中，热传感器140可以位于壳体150的外部。应当理解，壳体150是可再密封的，并且入口160可以配置成接收由受试者口腔或鼻腔呼出的呼吸气。优选地，感测元件110可拆卸地安装在壳体150中，使得感测元件110可以在每次使用后更换，而不需要更换装置100的其他部件。
呼出的呼吸气样本中生物标志物的量度诸如浓度可由热传感器140测量的温度变化率确定。例如，呼吸气中生物标志物的浓度可以基于将温度变化率与生物标志物浓度相关联的值的查找表确定。可替代地，呼吸气中生物标志物的浓度可以基于将温度变化率与生物标志物浓度相关联的数学模型确定。温度变化率与浓度之间的这些相关性可以通过完成各种已知浓度的感兴趣生物标志物的气体的一系列校准测量来确定。
在一些情况下，为了确定呼吸气中生物标志物的浓度，也可能需要装置100接收的呼出的呼吸气的体积。为了确定呼出的呼吸气的体积，装置100可以被配置为接收已知体积的气体。例如，在图4a和图4b的装置100a和100b的实施例中，感测元件设置在可折叠的塑料袋中，受试者经由入口160将呼吸气呼出到所述袋中，使袋膨胀到已知体积的最大尺寸。为了减少由装置接收的呼出的呼吸气的体积的变化，提供止回阀165以防止呼出的呼吸气从装置回流。在其他实施例中，位于入口160附近的流量计(未示出)可以用于测量呼出的呼吸气进入装置100的流速并根据流速及入口160的横截面积确定的进入装置的呼吸量。在其他实施例中，呼出的呼吸气可以收集在已知体积的可折叠容器中，之后可折叠容器与装置100流体连通放置，使得收集的呼吸气从可折叠容器流入装置100。
可能影响温度变化率的另一个因素可能是呼出的呼吸气中的水分含量，其可以根据受试者和呼出呼吸源(即，口腔或鼻腔)显著变化。为了解决水分含量的变化，可以在入口160处提供干燥剂或湿润剂，用于除去水分或向呼出的呼吸气添加水分。呼出的呼吸气中的优选水分含量可以根据许多因素变化，诸如热化学反应物120和灵敏度增强剂130对水的敏感度。也就是说，在一些实施例中，热化学反应物和/或灵敏度增强剂在与水接触时可以反应或降解，使得提供干燥剂以在呼出的呼吸气与感测元件110接触之前从呼出的呼吸气中除去水分。在其他实施例中，湿润剂可以用于热化学反应物120和/或灵敏度增强剂，其中呼吸中存在一定水平的水分可改善生物标志物的感测。
温度变化率也可能受到装置中发生的其他温度变化的影响，例如由于用户呼出的呼吸气的温度或呼出的呼吸气中发现的水分蒸发而发生的温度变化。为了测量背景温度的变化，装置100还可以包括设置成测量装置中的背景温度的参比热传感器145。参比热传感器145可以设置成与感测元件110间隔开。然后可以调整由热传感器测量的温度变化率，以反映与在感测元件处发生的热化学反应无关的温度变化。
装置100还包括用户界面170，其用于向用户指示根据测量的温度变化率确定的呼出的呼吸气中生物标志物的测量浓度。处理构件180可以被提供用于接收描述测量的温度变化率的数据并根据该数据确定生物标志物的量度。处理构件180可以无线地接收数据，如图4a所示，或者直接与用于接收温度数据的热传感器连接，如图4b所示。
一旦处理构件180已经接收到数据并且根据数据确定生物标志物的量度，处理构件180将所确定的生物标志物的量度传输到用户界面170，使得可以向用户指示测量的浓度。所确定的量度可以从处理构件180直接无线地传输到用户界面，如图4b的装置100b所示，或者经由处理构件180上的一个或多个连接器190传输，例如如图9和图10的装置100g和100h，用于与用户界面170直接物理连接。在优选实施例中，处理构件180和/或用户界面170在壳体150外部，诸如用于接收并向用户显示所确定的量度的移动电话。
在替代实施例中，热传感器是温度依赖性颜色变化材料。例如，一种或多种无色染料诸如螺甾内酯、荧烷、螺吡喃和俘精酸酐可以涂覆在热化学反应物上或分散在热化学反应物中。随着热化学反应进行，材料颜色发生变化以反映感测元件的温度。以这种方式，用户可以在呼出的呼吸气被引入装置之后的预定时间段内基于材料的颜色确定温度变化率，例如通过将材料与彩色图表进行比较。可替代地，可以使用相机来在发生任何颜色变化时进行检测。温度依赖性颜色变化材料可以被配置为随着温度升高显示通过多种颜色的进展。可替代地，温度依赖性颜色变化材料可以配置为仅在超过预定阈值温度时改变颜色。
现在将参考图3至图12讨论装置100的各种实施例。
参考图3，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100的第一实施例。装置包括用于接收受试者呼出的呼吸气的入口160。入口160设置有温度控制层210，所述温度控制层用于在呼出的呼吸气进入U形管状感测元件110之前将呼出的呼吸气加热或冷却至期望的初始温度，所述U形管状感测元件在其内表面上涂覆有热化学反应物120和灵敏度增强剂130。将呼出的呼吸气预先加热或冷却至期望的初始温度可有助于由于已知的初始温度提供生物标志物的更准确的测量，并消除从待监测的不同受试者接收的呼出的呼吸气温度的变化。
在呼出的呼吸气流过感测元件110时，位于感测元件110的内曲率上的热传感器140测量由生物标志物与热化学反应物120之间的热化学反应以及随后的灵敏度增强剂130与初始反应的产物之间的热化学反应引起的温度变化率。感测元件110和热传感器安装在绝热壳体150中，用于隔绝环境空气变化。然后，可以使用测量的温度变化率来确定呼出的呼吸气中生物标志物的量度。
参考图4a至图4c，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100a和100b的第二实施例。提供平面感测元件110，其包括涂覆在热化学反应物120和灵敏度增强剂130的混合物中的热传感器140。在一些实施例中，导热材料的薄层可以定位在热传感器140与热化学反应物120之间以便保护热传感器140。
装置100a和100b包括呈具有已知体积的可折叠塑料袋形式的壳体150。包括热传感器和参比热传感器的感测元件110居中安装在壳体150内。受试者呼出到入口160，使得袋膨胀至其最大尺寸，并且热传感器测量感测元件110处的所得温度变化率。同时，参比热传感器145测量装置中的背景温度。在图4a的装置100a中，描述测量的温度变化率和测量的背景温度的数据被无线传输到处理构件。在图4b的装置100b中，数据直接传输到处理构件180，并且由处理器确定的呼吸气中生物标志物的所得量度直接与用户界面170通信，以向用户指示所确定的量度。
参考图5，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100c的第三实施例。装置100c包括由绝热材料形成的具有已知体积的密封壳体150。一对感测元件以间隔安排的方式定位在非接触式温度传感器140的两侧。呼出的呼吸气经由入口160进入装置100c。
参考图6，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100d的第四实施例。装置100d包括由绝热材料形成的具有已知体积的密封壳体150。装置100d还包括支架155，感测元件110放置在所述支架上。呈红外(IR)传感头形式的热传感器140以与感测元件110隔开的安排定位。呼出的呼吸气经由入口160进入装置100d，并且IR传感器头140监测感测元件的温度。
参考图7，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100e的第五实施例。在图6的装置中，管状壳体150设置有多个管状感测元件110，所述多个管状感测元件安装成增加热传感器140暴露于管状感测元件110，诸如围绕居中定位的热传感器140同心。
参考图8，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100f的第六实施例。装置100f包括管状壳体150，单个管状感测元件110和热传感器140非同心地安装在所述管状壳体中。
参考图9，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100g的第七实施例。装置100g设置有与管状壳体150流体连通的入口160和出口200，感测元件110和热传感器140安装在所述管状壳体中。感测元件110和热传感器140可以以任何合适的配置安装，诸如图7和图8中所示的配置。在另一个实例中，管状热传感器140可以安装在壳体150的内表面上，并且管状感测元件110安装在热传感器的内表面上，因此形成同心管。
呈集成电路形式的处理构件180安装在壳体上，以用于从热传感器140接收描述测量的温度变化率的数据，并且根据该数据确定生物标志物的量度。处理构件180包括多个连接器190，所述连接器用于与诸如移动装置或计算机的用户界面170对接，并传输所确定的生物标志物的量度，使得可以向用户指示所确定的量度。应当理解，连接器190可以替代地被用于与用户界面170无线通信的装置替换。
装置100g还可以包括用于测量呼出的呼吸气流入装置的流量的流量计。可替代地，装置100g还可以包括与出口200流体连通的已知体积的可折叠容器，用于确保已知体积的呼出的呼吸气流过感测元件110。
参考图10，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100h的第八实施例。装置100h被配置为平面矩形条带，其包括在一端安装在类似尺寸和形状的热传感器140上的平面感测元件110。热传感器与处理构件180通信，用于从热传感器140接收描述测量的温度变化率的数据。装置还包括多个连接器190，所述连接器与处理构件180通信以便以上述装置100g所述的方式与用户界面170通信。
装置100h设计为轻巧便携。优选地，装置100h由低成本材料制成，使得整个装置100h是一次性的。可替代地，感测元件110可拆卸地安装到壳体180，使得在使用之后移除且更换感测元件110，并然后可以重新使用装置100h。装置100h被配置成用于可拆卸地安装在用于接收受试者的呼吸的任何合适的壳体中，诸如图4a和图4b所示类型的塑料袋，或者安装在如图11所示的壳体中。
参考图11，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100i的第九实施例。图11的装置100i类似于图10的装置100h，然而壳体150被配置成用于捕获已知体积的受试者呼吸气。提供用于接收呼吸气的入口160，并且所述入口的尺寸和形状可以设计成适合受试者的鼻孔以经鼻接收呼出的呼吸气。壳体可以由塑料材料通过任何合适的方法形成，诸如挤出或吹塑以获得期望的形状。入口160可以可拆卸地附接到壳体160上，以允许在每次使用后进入感测元件110以便移除和更换。
参考图12，提供了用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置100j的第九实施例。装置100j包括将佩戴在受试者的鼻子和/或嘴上的面罩形式的壳体150。感测元件110、热传感器140、处理构件180以及连接器销190以使得呼出的呼吸气经过感测元件的方式定位在面罩上。装置100j还可以包括用于测量呼出的呼吸气在感测元件上的流量的流量计。然后可以以如上所述的方式确定呼吸中生物标志物的量度并将其显示给用户。
参考图13，还提供了一种监测呼出的呼吸气中生物标志物的方法300，包括以下步骤：310：使受试者的呼出的呼吸气与感测元件110接触，感测元件110包含与生物标志物进行热化学反应的热化学反应物120；320：用热传感器140测量由热化学反应引起的温度变化率；并且330：根据测量的温度变化率确定呼吸中的生物标志物的量度。
实施例
用于监测丙酮的感测元件
在一个实例中，提供装置100用于监测呼吸气中丙酮((CH3)2CO)的水平，用于监测1型糖尿病患者中的酮和胰岛素水平。选择盐酸羟胺(NH3OH.HCl)作为热化学反应物110，其与丙酮进行以下放热反应以产生盐酸(HCl)和热。
(CH3)2CO+NH3OH.HCl→(CH3)2CNOH+HCl+H2O+热
然后根据以下反应在上述产生的盐酸与铝形式的灵敏度增强剂130之间发生第二阶段放热反应：
2Al+6HCl→2AlCl3+3H2+热
除了提供第二阶段放热反应之外，金属铝颗粒由于其高导热性和低比热容也有助于热传递到热传感器。
光纤布拉格光栅(FBG)传感器
使用一片1cm×1cm的高质量超薄组织作为支撑元件来制备用于监测丙酮的感测元件110。在组织与灵敏度增强剂130铝粉(Al)接触之前，将所述组织浸入热化学反应物120盐酸羟胺((NH3OH.HCl)的饱和溶液中，以便在盐酸羟胺上形成一层铝粉。然后使感测元件110风干。
将包括光纤布拉格光栅(FBG)传感器的光纤传感器选择为热传感器140。将FBG传感器头放置在壳体150的中心，所述壳体包括由聚苯乙烯泡沫板绝缘材料包围的1L体积的塑料袋。将干燥的感测元件110放置在FBG传感器头的顶部以覆盖FBG感测区域。
通过将已知量的丙酮液体(通过高精度移液管测量)滴入已知体积的容器中来制备含有已知浓度丙酮的气体样本。
在室温为20至25℃的实验室条件下，然后将预先制备的气体样本引入塑料袋中。随着热化学反应的进行，从FBG传感器反射的光经过光学边缘滤光器，并使用光功率计测量离开边缘滤光器的光的光功率(dB)。在将气体样本引入塑料袋后大约8分钟的时间段内测量从FBG传感器头反射的光的光功率，其对应于FBG传感器头处的温度。用包含2ppm和4ppm丙酮的气体样本重复取样三次。结果如图13a所示。
图14a示出2ppm和4ppm气体样本的光功率变化(dB)的增加以及因此温度的增加在监测时段内基本上是线性的。图14b提供了图13a的结果的总结，示出了光功率的关系变化率，其与温度变化率相关，计算为在3分钟时测量的值除以3分钟。
上述实验也用于较高的丙酮浓度，即6ppm、12ppm、14ppm、16ppm和18ppm，其结果显示在图14c中。从图14c可以看出，随着丙酮浓度增加，温度变化率也增加。然而，与图14a中较低浓度所示的结果不同，三分钟时段内温度的变化不再是线性的，而是表现出反向指数增长，其中温度变化率随着时间增加而减小。
使用FBG传感器对正在禁食的人类参与者的呼出气进行进一步的实验。参与者禁食过夜，然后采集血液和呼吸样本。随着参与者继续禁食，并且在参与者打破禁食后再次采取另外的样本。如图15a所示，描绘了一个参与者的结果，由FBG传感器测量的呼吸气中酮水平的确定变化遵循血液中酮水平变化的趋势。如图15b所示，参与者组的结果进一步表明来自FBG传感器的感测响应与血液酮水平成正比。
红外(IR)传感器
使用红外(IR)传感器进行另外的实验，如图6所示。将尺寸为1.5cm×1.5cm的感测表面放置在壳体150的中心的支架155上，在IR传感器140下方1.5cm处。制备包含0ppm至170ppm的已知浓度的丙酮的气体样本并将其引入装置中，并且通过IR传感器头140随时间测量感测元件的温度。与FBG传感器一样，如图16a所示，IR传感器能够在将气体样本引入装置后跟踪温度变化，以显示温度变化率随着气体样本中的丙酮浓度的增加而增加。在图16b中总结图16b的结果的最初3分钟的结果变化率。
数字温度计传感器
使用与1.5cm×1.5cm感测表面接触的ADT7420数字温度计的装置中进行另外的实验，所述感测表面包含盐酸羟胺((NH3OH.HCl)。提供了另外的ADT7420数字温度计，以便测量背景温度变化。将数字温度计放置在壳体150的中心，所述壳体包括被绝缘材料包围的塑料袋。
对具有相同丙酮浓度(大约3ppm)的气体样本，研究了热化学反应物盐酸羟胺((NH3OH.HCl)对温度变化率的影响。从图17中可以看出，随着热化学反应物的量从3.5mg增加到28mg，观察到更明显的温度升高。
图18示出了从在提供呼吸样本时不节食的健康个体获得的呼吸样本与从在提供呼吸样本时处于生酮饮食的2型糖尿病(T2D)患者获得的呼吸样本之间测量的响应。从图18中可以看出，传感器记录了来自T2D患者的呼吸样本的温度的显著变化，表明如预期的那样在呼吸气中存在丙酮。
使用数字温度计传感器对正在进行非常低能量饮食的人类参与者的呼出气进行进一步的实验。VLED是低总能量和与酮症相关联的低碳水化合物饮食。在数周的时段内采集血液和呼吸样本。图19a示出了由数字温度计传感器测量的呼吸气中酮水平的确定变化与一个参与者血液中酮水平变化的比较。如图19b所示，参与者组的结果进一步表明来自数字温度计传感器的感测响应与血液酮水平成正比。
本领域技术人员应理解，在不背离本公开的广泛总体范围的情况下，可对上文所述的实施方案进行许多变更和/或修改。因此，本实施例视为在所有方面是说明性的而不是限制性的。

Claims (22)

1.一种用于监测呼出的呼吸气中的生物标志物的装置，所述装置包括：
感测元件，所述感测元件包括与所述生物标志物进行热化学反应的热化学反应物；
热传感器，所述热传感器设置成测量由所述热化学反应引起的温度变化率；以及
用户界面，所述用户界面用于向用户指示所述呼出的呼吸气中所述生物标志物的指示量度，其中所述呼出的呼吸气中所述生物标志物的所述指示量度根据测量的温度变化率确定。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述感测元件还包括与所述热化学反应物接触的灵敏度增强剂，其中所述热化学反应物与所述生物标志物之间的所述反应的产物与所述灵敏度增强剂进行热化学反应。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述灵敏度增强剂是所述热化学反应物上的至少一个层。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的装置，其中所述灵敏度增强剂分散在所述热化学反应物中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述感测元件包括用于支撑所述热化学反应物的支撑元件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述感测元件安装在壳体中，所述壳体包括用于接收所述呼出的呼吸气的入口。
7.根据权利要求7所述的装置，其中所述感测元件可拆卸地安装在所述壳体中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置被配置成用于接收预定体积的所述呼出的呼吸气。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括用于测量所述呼出的呼吸气进入所述装置中的流量的流量计。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述生物标志物选自包括酮、挥发性有机化合物(VOC)、烃、氨、胺和硫化物的组。
11.根据权利要求11所述的装置，其中所述生物标志物是丙酮。
12.根据权利要求12所述的装置，其中所述热化学反应物是盐酸羟胺。
13.根据权利要求13所述的装置，包括金属灵敏度增强剂。
14.根据权利要求14所述的装置，其中所述金属灵敏度增强剂是铝。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括处理构件，所述处理构件用于接收描述所测量的温度变化率的数据并根据所述数据确定所述呼吸气中所述生物标志物的所述量度。
16.根据权利要求16所述的装置，其中所述处理构件无线地接收所述数据。
17.根据权利要求16或权利要求17所述的装置，其中所述处理构件将呼吸气中所述生物标志物的确定的量度传输到所述用户界面。
18.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中所述热传感器包括温度依赖性颜色变化材料，并且其中呼吸气中所述生物标志物的所述指示量度基于在所述呼出的呼吸气被引入所述装置之后的预定时间段的所述材料的颜色。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置被配置成用于接收从受试者的嘴呼出的呼吸气。
20.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置被配置成用于接收从受试者的鼻子呼出的所述呼吸气。
21.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括参比热传感器，所述参比热传感器设置成测量所述装置中的背景温度。
22.一种监测呼出的呼吸气中的生物标志物的方法，包括：
使所述呼出的呼吸气与感测元件接触，所述感测元件包括与所述生物标志物进行热化学反应的热化学反应物；
用热传感器测量由所述热化学反应引起的温度变化率；以及
根据测量的温度变化率确定所述呼吸气中所述生物标志物的量度。
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