用於分析呼吸系統的發炎狀態的裝置的製作方法

2023-06-24 18:41:46

專利名稱：用於分析呼吸系統的發炎狀態的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量呼出氣體中NO濃度的裝置，該裝置包括用於在呼氣過 程中接收呼出氣體的吹口 ，用於測量呼出氣體中NO濃度的NO傳感器和基於測量的NO濃度 來分析呼吸系統的發炎狀態的分析模塊。
背景技術：
根據美國專利申請US2003/0134427獲知如下裝置。所述申請描述一種用於測量 NO和COJ勺裝置。將呼出氣體中NO濃度(eNO)來衡量哮喘病人呼吸道發炎的嚴重性。使 用光吸收光譜法測定呼氣過程中的NO和C02濃度。所述裝置使用單一雷射器掃描覆蓋NO 和(A吸收的波長範圍。0)2濃度的峰值已知約為4%。實測的峰值被認定對應於該4%， 並用於校準該裝置。進而依照該校準修正測得的NO濃度。 US2003/0134427中的裝置使用去除容器以去除在呼氣開始時提供的氣體。真空泵 和流量控制器調節測量時的流速。這些裝置可用於測量潮式呼吸過程中的eNO值，但是，與 固定流量下的NO測量相比，這些裝置不夠精確，主要是因為來自鼻子的NO汙染、流速的變 化以及較高流速下較低的eNO值。US2003/0134427中的裝置的缺點是C02濃度的峰值依賴 於使用者並可能發生變化，例如，由於哮喘誘發的呼吸道阻塞。C02峰值的準確值的不確定 性對eNO測量的精確性產生消極影響。 eNO測量通常在輕微的超壓下進行以關閉軟顎並避免通過嘴呼出的氣體被來自鼻 子區域的NO汙染。此外，向儀器呼氣的人必須將呼氣流量控制在低值(通常50ml/s)。在 這一步驟中，呼氣的最後幾秒中eNO的平穩值主要取決於來自下部呼吸道上皮細胞的NO。 為了確定例如肺泡中的NO，測量必須在不同的流量下重複進行。 將流量精確保持在低且固定的值，對於一些有呼吸道阻塞問題的成年患者以及特 別是年輕兒童是困難的。因此，在更高的流量且更好是允許更大的流量範圍的或者甚至是 潮式呼吸的呼吸過程是有吸引力的。在這些更高的呼氣流速下，辨別來自下呼吸道不同部 分的NO變得更加困難。此外，根據呼吸道阻塞的嚴重性和位置而變化的肺部的氣體交換過 程將影響時間分辨的eNO圖。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於確定呼吸系統發炎狀態的裝置，其克服了現有技 術的缺陷。 根據本發明的第一方面，這一 目的通過首段描述的裝置實現，其進一步包括用於 確定呼吸道阻塞參數的呼吸道阻塞測量模塊，其中設置分析模塊以基於測量的NO濃度和 測定的呼吸道阻塞參數的組合來分析呼吸系統的發炎狀態。 呼氣過程的eNO圖包括來自不同區域的貢獻。呼吸道阻塞是決定呼吸道中氣體 交換行為的重要因素。本發明人發現同時確定NO濃度和呼吸道中氣體交換行為實現eNO 圖的時間進程的改進分析並能夠確定特定肺部區域的發炎狀態。eNO圖和得自阻塞測量的一個或多個參數的同時確定使得例如由支氣管產生的NO的足夠準確的獲取得以實現。由 於關於呼吸道阻塞的數據提供了有關在下呼吸道中氣體交換的信息，此信息為實現呼出NO 的精確分析提供了便利。 依賴於呼氣條件和呼吸道阻塞，在部分呼氣過程中，產生自支氣管的NO佔主體的 情況或產生自支氣管和肺泡的NO具有可比量級的情況可能出現。當eNO測量在50ml/s的 固定呼氣流量下進行時，呼氣結束階段的平穩水平是產生自支氣管的NO佔主體。對於一些 成人，但尤其對於兒童，以固定的低流速呼氣是困難的。在非嚴格條件下的呼氣使得產生自 呼吸道其它區域的NO變得與測得的eNO圖更加相關。通過本發明的裝置，了解呼吸系統不 同區域發炎狀態可更準確分析eNO。 本發明的裝置的優勢在於，除了測量呼吸道炎症，基於一易於實現的測量還測定 呼吸道阻塞的測量。由於呼吸道阻塞與炎症相比可通過不同藥物治療減緩，知道呼吸道阻 塞的嚴重性對給藥的劑量是有利的。 在一優選實施方式中，呼吸道阻塞測量模塊包括C02傳感器，以用於測量呼出氣體 中。02濃度的時間進程。該呼氣過程中0)2濃度的測量被稱為二氧化碳曲線圖(c即nogram)。
使用者呼出的氣體中包含21%的02和接近0%的0)2。在肺部，部分02轉移至使 用者的血液中而使用者血液中的(A被轉移至肺部的空氣中。呼出氣體中的(A的百分比 在呼氣過程中上升。在呼氣結束階段，氣體中包含大約4.5%的0)2。當呼吸道阻塞時，二 氧化碳曲線圖的形狀發生變形。根據二氧化碳曲線圖上升斜率的角度可得到呼吸道阻塞的 嚴重性。此外，二氧化碳曲線圖還顯示了死空間空氣、混合空氣以及來自肺泡的空氣被呼出 的期間。基於此信息，作為時間函數的eNO圖的一部分可被去除，因為來自鼻腔的NO的汙 染在吸氣過程中到達下部呼吸道。這種來自鼻子的NO主要表現為死空間體積，因為它被下 部呼吸道的組織所吸收。 可選她，呼吸道阻塞測量模塊包括用於測量呼出氣體中02濃度的時間過程的02傳 感器。隨著0)2濃度上升，02濃度下降。在呼氣過程中02濃度從21%下降至16. 5%。 02濃 度曲線的形狀類似於C02 二氧化碳曲線圖繞X軸的鏡像，並提供了氣體交換方面的類似信 息。 此外，裝置可進一步包括流量或壓力傳感器，可實現易於操作的可變呼氣流量的 測量，以允許更寬的流速範圍。在代謝氣體交換和eNO圖分析過程中，流量圖被考慮。
優選地，裝置還包括NO清除器和/或壓力調節器，NO清除器使裝置的使用者呼出 不含NO的空氣，壓力調節器在呼氣過程中產生超壓使軟顎閉合。
參考以下描述的實施方式將說明和表現發明的這些和其它方面。


在附圖中 圖l示出了本發明的裝置， 圖2和3示出了本發明的其它裝置， 圖4示出了流量/壓力傳感器， 圖5示出了結合的氣體傳感單元， 圖6示出了健康主體的二氧化碳曲線圖，
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圖7示出了哮喘症主體的二氧化碳曲線圖， 圖8示出了02濃度曲線， 圖9示出了時間分辨C02和eN0曲線，以及 圖10示出了時間分辨C02、 eNO呼吸和流量曲線。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了本發明的裝置100。裝置100包括入口或吹口 (mouthpiece) 11，使得使用者呼出的氣體通過裝置100。在此實施方式中，裝置100還使得 使用者通過相同的呼吸通道18吸入和呼出。呼吸通道18可包括NO清除器15以確保使用 者吸入的空氣不包含任何NO以及所有檢測到的NO產生自使用者的呼吸道。呼吸通道18 還可包含流量傳感器24。流量傳感器24的功能將稍後闡明。當呼氣進入吹口 11時，部分 呼出氣體通過流量限制器22和泵25被導入分析通道19。在分析通道19中，使用側流NO 傳感器12和側流C02傳感器13來分析呼出的氣體。可選地，傳感器12、 13均被整合入一 聯合傳感器。例如，傳感器12、 13可使用光聲探測器或光吸收光譜。 呼出氣體中的NO濃度指示了呼吸道炎症的嚴重性。使用測量的C02濃度可檢測 呼吸道阻塞，將參考圖6和7在下面闡明。可選地，可使用峰流量計，麥克風或呼出氣體溫 度和/或溼度測量模塊檢測呼吸道阻塞。eNO測量、呼吸道阻塞信息和流量數據被傳送至分 析模塊16。分析模塊16檢測一個或多個來自於測量的阻塞數據的氣體交換參數，並使用氣 體交換參數和流量數據來分析eNO圖。從eNO圖和有關呼吸道阻塞的信息檢測到的發炎狀 態被傳送至使用者界面模塊17。使用獲得的數據來建議用藥的類型和劑量。優選地，分析 模塊16考慮個人信息如性別、年齡、體重，通常的潮式末NO水平和通常的呼吸模式。
圖2示意性地示出了本發明的另一裝置200。裝置200包括入口或吹口 ll，使得 使用者通過裝置200吸入和呼出氣體。裝置200使得使用者通過呼吸通道18吸入。呼吸 通道18可包含NO清除器15以確保使用者吸入的空氣不包含任何NO以及所有檢測到的NO 均由使用者的呼吸道產生。呼吸通道18還包含單向閥21。裝置中的單向閥21保持吸入和 呼出的空氣通過裝置的不同通道。主體流呼出通道20包括結合了調節單元的流量或壓力 傳感器14。調節單元以如下方式，即呼氣過程中壓力上升而軟顎保持關閉來減小流量。C02 傳感器13被合併入主體流通道20中。除了 C02傳感器，02傳感器或甚至C02和02傳感器 的聯合可被使用。當呼氣進入吹口 11時，部分呼出氣體被導入至側流通道19。側流通道 19包括流量限制器22和抽吸一小部分呼出氣體通過此通道的泵25。在側流通道19中，使 用NO傳感器12來分析呼出氣體(eNO)。 時間分辨eNO、C02 (或02)和壓力/流量數據被傳送至分析模塊16。在呼氣過程中 可使用流量/壓力數據按需要的呼氣力度等級通過使用者界面模塊17給使用者回饋。分 析模塊16基於流量數據和得自C02/02曲線的代謝氣體交換來分析測得的eNO。可使用獲 得的數據來報告下部呼吸道的發炎和阻塞狀態。 作為診斷或研究裝置的應用，測量可在單元14的不同的流量/壓力設定下執行， 以獲得更多的下部呼吸道發炎狀態的細節信息。 作為個人監測裝置，分析模塊16可考慮個人信息如性別、年齡、體重和個人炎症 和阻塞的參考等級。可提供涉及用藥劑量的建議。
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圖3示意性地示出了本發明的裝置300。在側流中結合了轉換器單元23，將呼出 氣體中的NO轉換為N02。轉換器具有小體積和快轉換率，因而在出口處時間分辨的N02圖遵 循時間分辨的eN0圖。側流通道19包括N02探測模塊12， C02或02探測模塊13，流量限制 器22和泵25。在C02/02傳感器置於轉換器單元23之後的情況時，轉換器23必須是不影 響0)2/02圖和濃度的。可選地，0)2/02傳感器可被置於側流19中的轉換器23之前。但是， 轉換器後面的位置用於整合氣體傳感模塊12和13。光吸收光譜法實現了滿足呼吸分析應 用準確度的02、 C02、 NO和N02的時間分辨檢測。裝置300可基於用於N02和02的聯合氣體 傳感單元，N02和02在可見波長範圍內均顯示吸收。可選地，N02的檢測在可見波長範圍內 進行，C02的檢測在近紅外範圍。 圖4示出了實現流量或壓力傳感器14的實施方式。流量或壓力傳感器14結合了 具有小流阻的固定限制42。固定限制42在固定限制42上產生壓降。使用在兩側的壓力傳 感器41、43，測量壓降，並且確定通過此限制器的氣體流量。在小流阻流量_壓力傳感器之 後設置有更高流阻的流量_壓力調節器44。此流量-壓力調節器44結合了例如壓力敏感 彈簧結構和可變的通孔。此流量_壓力調節器44保持在呼氣過程中的超壓是足夠的，使得 在測量的流量範圍內保持隔膜關閉。 圖5示出了用於同時檢測兩種氣體的氣體傳感器500。第一光源501產生對應於 第一氣體如NO或N02的吸收的波長的光。第二光源504產生對應於第二氣體如C02或02的 吸收的波長的光。光源被驅動單元502和505驅動。光束被如半透鏡503聯合併進入具有 小檢測體積的光聲氣體檢測單元508。光聲檢測提供氣體濃度變化的實時響應。 一個驅動 單元505被頻率發生器506控制。另一驅動單元507以相同的頻率調製但具有90度的相 移。光被以對應於檢測單元508的聲共振的頻率進行振幅調製以提高靈敏度。這樣實現了 對應兩種氣體的光聲信號的同時檢測。來自氣體檢測單元508的聲信號被導入鎖相放大器 509，在此信號以分別為0。和90°相位的參考頻率被解調以得到兩種氣體的濃度。
哮喘中的呼吸道阻塞是下呼吸道發炎的結果並且是可逆的。暴露於過敏原引起的 發炎的嚴重性的增加將導致呼吸道阻塞的增長。在阻塞嚴重性增加前通常會有數天。在 COPD中阻塞變化很少但發炎可隨時間持續變化。類固醇，也被稱作皮質激素是一類重要的 抗炎症藥物。他們使呼吸道的敏感度降低並且減少針對引發物的反應。Bronchodilators 通過放鬆支氣管周圍繃緊的肌肉帶來減緩阻塞。 在發炎區域以增加的濃度產生NO。潛在的呼出NO源為下呼吸道上皮細胞，上呼吸 道(鼻子的)上皮細胞，肺泡上皮細胞和血管內皮。這些不同源頭的氣體交換機理是不同 的。來自下呼吸道上皮細胞的氣相NO濃度是流量相關的，而來自肺泡的NO是流量非相關 的，C02氣體交換機理類似於此。 圖6示出了健康主體的二氧化碳曲線圖60。 二氧化碳曲線圖60包括呼出相61、 62、63和吸入相64。在呼出相，通過0)2傳感器13檢測的0)2濃度上升。在吸入相64， C02 濃度迅速降至0。呼出包括三個不同的相61、62、63。在第一相61，使用者主要呼出來自嘴 的空氣，這些空氣還未進入肺部因而包含非常少的(A。在第一相61呼出的空氣被稱為死 空氣。在接下來的第二相62中，死空氣被已進入肺泡(肺和血液間氣體交換的場所)的已 從血液中提取一些(A的空氣混合。在第二相62，混合空氣中C02的濃度上升，直到接近潮 式終點值4. 5%。在潮式終點相63中，幾乎所有空氣都來自於肺泡。
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圖7示出了哮喘症主體的二氧化碳曲線圖69。對於哮喘病人，二氧化碳曲線圖69 的形狀被呼吸道阻塞和肺泡的不等排空所影響。二氧化碳曲線圖69的上升斜率66、67的 角度形成了呼吸道阻塞嚴重性的量度。這些斜率與肺泡中氣體交換速度的傳播相關。當呼 吸道阻塞時，呼出氣體中的C02水平的上升比呼吸道未阻塞時緩慢，並且平穩區67更短。此 外，潮式終點C02濃度可能比健康病人的要低。根據本發明，使用二氧化碳曲線圖69的信 息以從呼出過程的時間分辨eN0圖獲得更多相關信息。原則上，也可採用峰流量測量來檢 測呼吸道阻塞。由於峰流量值的變化適度的修正了二氧化碳曲線圖斜率的變化，基於峰流 量測量，可以獲得肺泡氣體交換速度的傳播的評估。 圖8示出了 02濃度曲線80。在附圖1中的裝置100中，0)2傳感器13可被02傳 感器取代或共同使用。在呼氣過程中，02濃度從21%下降至約16.5%。 02濃度的下降是由 於02從肺部的空氣轉移至血液中而C02從血液中轉移至肺部的空氣中。02濃度曲線的形狀 類似於以X軸為鏡像的(A二氧化碳曲線圖的形狀，提供了關於(部分)肺泡阻塞的類似 信息。 圖9示出了 NO濃度93和C02濃度92作為時間90的函數的示例性測量。測量可 使用前述的裝置200來執行。對於此處描述的測量，流量保持為常數值。主要數據包括時間 分辨NO濃度96和時間分辨C02濃度97。只分析線94和95之間的時間範圍。由於呼氣過 程中死空氣空間可被來自鼻腔的包含NO的一些空氣汙染，直到對應於線94的時間點的呼 氣的初始部分被去除。在呼吸道的下部，該鼻子部的NO汙染被呼吸道吸收。當在吸氣過程 中沒有使用清除器時，此峰可進一步升高。優選地，二氧化碳曲線圖97用於確定線94的恰 當的位置，例如二氧化碳曲線圖的第一個拐點或C02濃度穿過中間值的點。線95對應於呼 氣的終點。在線94和95之間，NO濃度來自支氣管的貢獻98被認為是恆定的，因為流量固 定，而來自肺泡的貢獻99是變化的。在簡單模型中，後者是(A濃度105的恆定部分104。 數據擬合步驟隨後產生了肺泡和支氣管對呼出的NO的貢獻。上述步驟的優勢是，當流量條 件選擇合適時肺泡和支氣管的貢獻可在一次實驗中確定。 圖IO示出了使用裝置100的示例性潮式呼吸測量，其中流量91、0)2濃度92和冊 濃度93被監測。在去除eNO圖的"被汙染"部分後，線94和95之間的剩餘的圖根據流量 依賴NO部分和遵循代謝C02氣體交換行為的NO部分進行分析。在其最簡單的形式中，支氣 管中產生的NO是逆向流量依賴的，而來自肺泡的NO被認為是流量非依賴的並與C02濃度 成比例。基於此模型，線94和95間的eNO圖被擬合併獲得兩個描述肺泡和支氣管發炎狀 態的參數。比上述更複雜的依賴關係當然可被採用。可在多個後繼的潮式呼吸中進行eNO 測量以提高參數擬合的準確性。在個人監測系統中，多個參數可被設定為個體值。對哮喘 症人群，支氣管NO會根據環境中炎症引發物的嚴重性變化，而肺泡的貢獻變化很小。在此 情況下，一旦使用附圖9中描述的測量過程可測定肺泡貢獻的準確值。如果必要，可使用呼 氣流速範圍以進一步提高準確性。基於常規，為隨後監測支氣管的發炎狀態，潮式呼吸裝置 被使用，其中肺泡貢獻被設定為固定參數。本測量過程的優勢為，支氣管NO可在例如對使 用者更簡單的潮式呼吸條件下測定。 應注意到，上述實施方式只是描述本發明而非限制本發明，並且本領域技術人員 能夠設計出不背離所附權利要求的範圍的很多可選實施方式。在權利要求中，括號中的任 何附圖標記都不構成對權利要求的限定。使用"包括"或類似表述並不排除在權利要求記載之外的其它部件或步驟。元件前的冠詞"一個"或"一個"並不排除這些元件的複數形式。 本發明可通過包含多個獨特元件的硬體，以及通過適當編程的計算機來實現。在權利要求 中列舉了幾種方式，這些方式可被特定一種或硬體的相同個體具體化。特定測量在不同從 屬權利要求被引述的事實並不表示這些測量的組合不能被有優勢地使用。
權利要求
一種用於測量呼出氣體中NO濃度的裝置(100)，該裝置(100)包括用於在呼氣過程中接收呼出氣體的吹口(11)，用於測量呼出氣體中NO濃度的NO傳感器(12)，用於測定呼吸道阻塞參數的呼吸道阻塞測量模塊，以及基於測量的NO濃度和測定的呼吸道阻塞參數的結合來分析呼吸系統發炎狀態的分析模塊(16)。
2. 如權利要求l所述的裝置(IOO)，其中所述呼吸道阻塞測量模塊包括用於測量呼出 氣體中C02濃度的時間過程的C02傳感器(13)。
3. 如權利要求l所述的裝置(IOO)，其中所述呼吸道阻塞測量模塊包括用於測量呼出 氣體中02濃度的時間過程的02傳感器。
4. 如權利要求l所述的裝置(IOO)，進一步包括用於測量呼出氣流的流量或壓力傳感 器(14)。
5. 如權利要求l所述的裝置(IOO)，進一步包括NO清除器(15)，使裝置(100)的使用 者吸入不含NO的空氣。
6. 如權利要求l所述的裝置(IOO)，進一步包括壓力調節器(44)，壓力調節器在呼氣過 程中產生超壓使軟顎關閉。
全文摘要
本發明提供一種用於測量呼出氣體中NO濃度的裝置(100)。裝置(100)包括吹口(11)，NO傳感器(12)，呼吸道阻塞測量模塊和分析模塊。在呼氣過程中，吹口(11)接收呼出氣體。NO傳感器(12)測量呼出氣體中的NO濃度。呼吸道阻塞測量模塊測定呼吸道阻塞參數。基於測量的NO濃度和測定的呼吸道阻塞參數的結合，所述分析模塊(16)分析呼吸系統的發炎狀態。
文檔編號G01N21/17GK101742964SQ200880021858
公開日2010年6月16日 申請日期2008年6月23日 優先權日2007年6月27日
發明者H·W·范克斯特倫, J·卡爾克曼, M·薩爾明克, N·P·威拉德, T·J·溫克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司