BE1023652B1 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A HARMONIC THICKNESS OF A ALVEOLARY MEMBRANE OF A LUNG - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A HARMONIC THICKNESS OF A ALVEOLARY MEMBRANE OF A LUNG Download PDF

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BE1023652B1 BE2015/0260A BE201500260A BE1023652B1 BE 1023652 B1 BE1023652 B1 BE 1023652B1 BE 2015/0260 A BE2015/0260 A BE 2015/0260A BE 201500260 A BE201500260 A BE 201500260A BE 1023652 B1 BE1023652 B1 BE 1023652B1
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Abstract

Procédé pour déterminer une épaisseur harmonique d'une membrane alvéolaire d'un poumon, suivant lequel on fournit audit poumon une quantité d'un gaz porteur portant une première quantité de particules ayant une dimension comprise dans une plage prédéterminée, et l'on mesure, après une période prédéterminée durant laquelle le gaz porteur a été retenu dans le poumon, une deuxième quantité desdites particules présente dans le gaz exhalée, l'on détermine ensuite sur base de la première et de la deuxième quantité de particules un paramètre indiquant une baisse de la quantité des particules présentes dans le gaz exhalé par rapport au gaz fourni, on détermine sur base dudit paramètre et d'une vitesse de sédimentation desdites particules dans le poumon, une dimension d'une surface sur laquelle une sédimentation des particules à travers une couche de gaz alvéolaire a eu lieu, ladite épaisseur harmonique étant déterminée à partir de ladite dimension de cette surface.A method for determining a harmonic thickness of an alveolar membrane of a lung, wherein said lung is supplied with a quantity of a carrier gas carrying a first quantity of particles having a size within a predetermined range, and measured, after a predetermined period during which the carrier gas has been retained in the lung, a second quantity of said particles present in the exhaled gas, a parameter is then determined on the basis of the first and of the second quantity of particles indicating a decrease in the quantity of particles present in the exhaled gas relative to the gas supplied, on the basis of said parameter and a sedimentation rate of said particles in the lung, a dimension of a surface on which sedimentation of the particles through a layer is determined of alveolar gas has taken place, said harmonic thickness being determined from said dimension of this surface.

Description

Procédé et dispositif pour déterminer une épaisseur harmonique d’une membrane alvéolaire d’un poumonMethod and device for determining a harmonic thickness of an alveolar membrane of a lung

La présente invention concerne un procédé pour déterminer une épaisseur harmonique d’une membrane alvéolaire d’un poumon, suivant lequel on fournit audit poumon une quantité prédéterminée d’un gaz porteur portant une première quantité de particules ayant une dimension comprise dans une plage prédéterminée, et l’on mesure, après une période prédéterminée durant laquelle le gaz porteur a été retenu dans le poumon, une deuxième quantité desdites particules présente dans le gaz exhalée du poumon, l’on détermine ensuite sur base de la première et de la deuxième quantité de particules un paramètre indiquant une baisse de de la quantité des particules présentes dans le gaz exhalé par rapport au gaz fourni.The present invention relates to a method for determining a harmonic thickness of an alveolar membrane of a lung, wherein said lung is provided with a predetermined amount of a carrier gas carrying a first quantity of particles having a size within a predetermined range, and measuring, after a predetermined period during which the carrier gas has been retained in the lung, a second quantity of said particles present in the exhaled gas of the lung, is then determined on the basis of the first and the second quantity of particles a parameter indicating a decrease in the amount of particles present in the exhaled gas relative to the gas supplied.

La demande US 2012/0183949 décrit un procédé suivant lequel on fournit audit poumon une quantité prédéterminée d’un gaz porteur portant une première quantité de particules pour déterminer des conditions physiologiques du poumon. Le procédé est également par exemple utilisé lors des épreuves fonctionnelles respiratoires et sert à mesurer la capacité du poumon à diffuser le gaz inhalé. Un patient inhale une quantité déterminée d’un gaz qu’il expire ensuite après avoir retenu son souffle durant une période prédéterminée. Sur base de la différence de quantité de gaz exhalé par rapport à la quantité de gaz inhalé, l’on peut alors déterminer la quantité de gaz diffusée dans le poumon. Cette quantité de gaz diffusée permet alors à un médecin de faire un diagnostic sur la santé du poumon du patient.The application US 2012/0183949 describes a method according to which said lung is provided with a predetermined quantity of a carrier gas carrying a first quantity of particles for determining physiological conditions of the lung. The method is also used for example in respiratory functional tests and is used to measure the lung's ability to diffuse inhaled gas. A patient inhales a predetermined quantity of a gas which he then exhales after holding his breath for a predetermined period of time. Based on the difference in amount of gas exhaled with respect to the amount of inhaled gas, then the amount of gas diffused into the lung can be determined. This quantity of gas diffused then allows a doctor to make a diagnosis on the health of the lung of the patient.

Un désavantage du procédé connu est qu’il ne permet pas une mesure précise de l’épaisseur harmonique d’une membrane alvéolaire du poumon. L’invention a pour but de réaliser un procédé permettant une mesure plus précise pour déterminer l’épaisseur harmonique d’une membrane alvéolaire d’un poumon. A cette fin un procédé suivant l’invention est caractérisé en ce que l’on détermine sur base dudit paramètre et d’une vitesse de sédimentation desdites particules dans le poumon, une dimension d’une surface sur laquelle une sédimentation des particules à travers une couche de gaz alvéolaire dans le poumon a eu lieu, ladite épaisseur harmonique étant ensuite déterminée à partir de ladite dimension de cette surface. La détermination de la dimension de la surface sur laquelle la sédimentation des particules à travers une couche de gaz alvéolaire dans le poumon a eu lieu donne une mesure plus précise, qui permet à son tour de déterminer de façon plus précise l’épaisseur harmonique de la membrane alvéolaire du poumon considéré.A disadvantage of the known method is that it does not allow accurate measurement of the harmonic thickness of an alveolar lung membrane. It is an object of the invention to provide a method for more accurate measurement for determining the harmonic thickness of an alveolar membrane of a lung. For this purpose, a method according to the invention is characterized in that on the basis of said parameter and a sedimentation rate of said particles in the lung, a dimension of a surface is determined on which a sedimentation of the particles through a layer of alveolar gas in the lung has occurred, said harmonic thickness being then determined from said dimension of this surface. The determination of the size of the surface on which the sedimentation of the particles through a layer of alveolar gas in the lung has taken place gives a more accurate measurement, which in turn allows to determine more precisely the harmonic thickness of the alveolar membrane of the lung considered.

Une première forme de réalisation d’un procédé suivant l’invention est caractérisée en ce qu'une épaisseur de la couche de gaz alvéolaire à travers laquelle la sédimentation des particules a eu lieu est déterminée, ladite dimension de la surface effective de la membrane alvéolaire étant ensuite déterminée sur base de cette épaisseur de la couche de gaz et de la capacité totale du poumon. L’épaisseur de la couche de gaz peut être déterminée mathématiquement à partir de la baisse de concentration et de la vitesse de sédimentation des particules.A first embodiment of a method according to the invention is characterized in that a thickness of the alveolar gas layer through which the sedimentation of the particles has occurred is determined, said dimension of the effective surface of the alveolar membrane being then determined on the basis of this thickness of the gas layer and the total capacity of the lung. The thickness of the gas layer can be determined mathematically from the drop in concentration and the rate of sedimentation of the particles.

Une deuxième forme de réalisation d’un procédé suivant l’invention est caractérisée en ce que la fourniture du gaz porteur portant une première quantité de particules est répétée un nombre (1ii^n) de fois lors de l’exécution du procédé, la période prédéterminée (ti) durant laquelle le gaz porteur est retenu dans le poumon étant variée après chaque fourniture (i), ladite deuxième quantité étant chaque fois déterminée à l’échéance de la période prédéterminée (ti) considérée, ledit paramètre étant déterminé sur base des deuxièmes quantités déterminées à l'échéance de chacune des périodes prédéterminées (ti) dudit nombre. Le fait de répéter la fourniture de gaz porteur et des particules et de varier la période durant laquelle le gaz porteur est retenu dans le poumon permet de fiabiliser la mesure.A second embodiment of a process according to the invention is characterized in that the supply of the carrier gas carrying a first quantity of particles is repeated a number (1/11 n) of times during the execution of the process, the period predetermined (ti) during which the carrier gas is retained in the lung being varied after each supply (i), said second quantity being determined each time at the end of the predetermined period (ti) considered, said parameter being determined on the basis of second quantities determined at the expiry of each of the predetermined periods (ti) of said number. Repeating the supply of carrier gas and particles and varying the period during which the carrier gas is retained in the lung makes the measurement more reliable.

Une troisième forme de réalisation d’un procédé suivant l’invention est caractérisé en ce que la baisse de concentration entre la première et deuxième quantité de particules évolue selon une fonction mathématique reprenant une décroissance dans le temps de la quantité de particules, ledit paramètre étant déterminé à partir de cette fonction mathématique. L’usage d’une fonction mathématique permet une réalisation du procédé par voie informatique.A third embodiment of a process according to the invention is characterized in that the drop in concentration between the first and second quantities of particles evolves according to a mathematical function taking up a decrease over time in the quantity of particles, said parameter being determined from this mathematical function. The use of a mathematical function allows a computer-implemented method.

De préférence l’on introduit dans le gaz porteur des particules ayant un diamètre géométrique et aérodynamique moyen inférieur à 5 microns, en particulier inférieur à 3 microns et plus particulièrement inférieur à 1 micron. Cette dimension des particules assure une bonne sédimentation dans le poumon et donc une mesure fiable. L’invention sera maintenant décrite plus en détails à l’aide des dessins qui illustrent des formes de réalisation du procédé et du dispositif suivant l’invention. Dans les dessins :Preferably, particles having an average geometrical and aerodynamic diameter of less than 5 microns, in particular less than 3 microns and more particularly less than 1 micron, are introduced into the carrier gas. This particle size ensures good sedimentation in the lung and therefore a reliable measurement. The invention will now be described in more detail with the aid of the drawings which illustrate embodiments of the method and device according to the invention. In the drawings:

La figure 1 illustre de façon schématique un poumon ;Figure 1 schematically illustrates a lung;

La figure 2 illustre une vue en coupe à travers une membrane alvéolaire d’un poumon ;Figure 2 illustrates a sectional view through an alveolar membrane of a lung;

La figure 3 illustre un dispositif pour la mise en œuvre du procédé suivant l’invention ; etFIG. 3 illustrates a device for implementing the method according to the invention; and

La figure 4 illustre une fonction mathématique reprenant la diminution de la concentration de particules dans le gaz exhalé en fonction du temps de rétention dans le poumon.Figure 4 illustrates a mathematical function showing the decrease in the concentration of particles in the exhaled gas as a function of the retention time in the lung.

Dans les dessins une même référence a été attribuée à un même élément ou à un élément analogue.In the drawings the same reference has been assigned to the same element or a similar element.

Un poumon humain ou animal sert à échanger un gaz, en général de l’air, avec du sang. La figure 1 illustre de façon schématique un tel poumon. Pour réaliser cet échange un poumon 1 comporte des bronches 2 à travers lesquelles le gaz inhalé par un sujet, à savoir un être humain ou un animal, pénètre dans le poumon et atteint les bronchioles 3, qui ont comme fonction de transporter le gaz inhalé vers les alvéoles 4. Ces dernières correspondent à un ensemble de chambres où le gaz inhalé traverse une membrane alvéolaire du poumon pour y être transféré vers les globules rouges contenus dans les capillaires. Dans cette membrane les déchets gazeux contenus dans le sang passent des globules rouges au gaz présent dans les alvéoles, afin d’être ensuite éliminés lors de l’expiration. La membrane alvéolaire 5, dont une vue en coupe est reprise à la figure 2, forme une paroi qui sépare le gaz du sang. Cette membrane possède une surface (S) et une épaisseur. Comme cette épaisseur peut varier on fait en général référence à une épaisseur harmonique (μ) de la membrane alvéolaire, qui est pour ainsi dire une épaisseur moyenne de cette membrane alvéolaire. L’épaisseur harmonique peut être considérée comme une mesure pour calculer la résistance à l’échange du gaz inhalé.A human or animal lung is used to exchange a gas, usually air, with blood. Figure 1 schematically illustrates such a lung. To achieve this exchange a lung 1 comprises bronchi 2 through which the gas inhaled by a subject, namely a human being or an animal, enters the lung and reaches the bronchioles 3, which have the function of transporting the inhaled gas to The cells 4 correspond to a set of chambers where the inhaled gas passes through an alveolar membrane of the lung to be transferred to the red blood cells contained in the capillaries. In this membrane the gaseous waste contained in the blood pass from red blood cells to the gas present in the cells, in order to then be eliminated during the expiration. The alveolar membrane 5, a sectional view of which is shown in FIG. 2, forms a wall which separates the gas from the blood. This membrane has a surface (S) and a thickness. As this thickness may vary, it is generally referred to a harmonic thickness (μ) of the cellular membrane, which is, as it were, an average thickness of this cellular membrane. The harmonic thickness can be considered as a measure to calculate the exchange resistance of inhaled gas.

Dans le modèle de Weibel, publié par exemple dans Respiration Physiology, 93, 1993, pp. 125-149 et intitulé « Morphometric mode! for pulmonary diffusing capacity », la membrane a une épaisseur hétérogène autour de 1 pm. Ce modèle démontre que l'épaisseur harmonique doit être prise en considération pour déterminer la conductance du gaz dans le poumon. La présente invention est basée sur le fait que de pouvoir déterminer avec précision l’épaisseur harmonique (μ) de la membrane alvéolaire permet d’utiliser cette valeur pour diagnostiquer la santé du poumon et constater d’éventuels changements de pathologie du poumon, comme par exemple celle due à l’emphysème ou la fibrose alvéolaire.In the Weibel model, published for example in Respiration Physiology, 93, 1993, pp. 125-149 and entitled "Morphometric mode! for pulmonary diffusing capacity ", the membrane has a heterogeneous thickness around 1 μm. This model demonstrates that the harmonic thickness must be taken into account in determining the gas conductance in the lung. The present invention is based on the fact that being able to accurately determine the harmonic thickness (μ) of the alveolar membrane makes it possible to use this value to diagnose the health of the lung and to observe possible changes in lung pathology, as example that due to emphysema or alveolar fibrosis.

La figure 3 illustre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l’invention. Le dispositif comporte un robinet d’admission 11 ayant une entrée agencée pour être relié à une source 10 de gaz et de particules. Une sortie du robinet 11 est reliée par un tube 12 à un premier raccord d'une vanne à trois voies 13. Un deuxième raccord de la vanne 13 est relié, par l’intermédiaire d’une pièce d'accouplement 16, à une conduite qui débouche sur une embouchure 18 agencée à être appliquée sur la bouche d’un patient 19. Un troisième raccord de la vanne 13 est relié à un pneumotachomètre 14 pourvu d’une sortie 15. La pièce d’accouplage 16 est également reliée à un capteur 17.FIG. 3 illustrates a device for carrying out the method according to the invention. The device comprises an inlet valve 11 having an inlet arranged to be connected to a source 10 of gas and particles. An outlet of the valve 11 is connected by a tube 12 to a first connection of a three-way valve 13. A second connection of the valve 13 is connected, via a coupling part 16, to a pipe which opens on a mouth 18 arranged to be applied to the mouth of a patient 19. A third connection of the valve 13 is connected to a pneumotachometer 14 provided with an outlet 15. The coupling piece 16 is also connected to a sensor 17.

La source 10 de gaz et de particules contient un gaz porteur portant une première quantité de particules ayant une dimension comprise dans une plage prédéterminée. Ce gaz porteur est de préférence formé par de l’air ambiant, mais il va de soi que d’autres gaz, comme par exemple de l’oxygène, de l’hélium ou un mélange d’oxygène avec un autre gaz comme de l’azote, du CO ou du NO peuvent être utilisé. Le gaz porteur peut être fourni à température ambiante, mais il est également possible de chauffer le gaz porteur, par exemple à la température du corps humain ou animal. Dans cette dernière forme de réalisation le dispositif comporte un organe de chauffage (non repris dans le dessin) disposé par exemple entre la source 10 de gaz et le robinet 11. L’avantage de chauffer le gaz porteur à la température du corps réside dans le fait que les quantités mesurées et les particules contenues dans le gaz porteur ne seront pas affectées par la différence entre la température ambiante et la température du corps. Le gaz porteur peut également être fourni dans des conditions d’humidité semblables à celles présentes dans le corps humain ou animal.The source of gas and particles contains a carrier gas carrying a first quantity of particles having a size within a predetermined range. This carrier gas is preferably formed by ambient air, but it goes without saying that other gases, such as for example oxygen, helium or a mixture of oxygen with another gas such as nitrogen, CO or NO can be used. The carrier gas can be supplied at room temperature, but it is also possible to heat the carrier gas, for example at the temperature of the human or animal body. In this last embodiment the device comprises a heating element (not included in the drawing) arranged for example between the source of gas 10 and the valve 11. The advantage of heating the carrier gas to the body temperature lies in the that the measured quantities and the particles contained in the carrier gas will not be affected by the difference between the ambient temperature and the body temperature. The carrier gas may also be provided under moisture conditions similar to those present in the human or animal body.

Les particules contenues dans le gaz porteur peuvent être de diverses origines et composition. Ainsi les particules peuvent être sous forme d’un liquide en suspension dans le gaz, ou formées de particules solides. Les particules sous forme d’un liquide peuvent être des gouttelettes d’eau, d’alcool ou d’huile. Dans le cas où les particules sont sous forme de gouttelettes d’alcool ou d’huile, cet alcool ou cette huile doit bien entendu être tel qu’il n’affecte pas le fonctionnement du poumon. Les gouttelettes peuvent être sous formes d'un brouillard ou d’un aérosol et sont présentes en phase liquide dans le gaz porteur. De préférence, un aérosol produit à partir d’une solution saline isotonique (NaCI 9 g/l) est utilisé. Les particules sous forme solide peuvent être du sel, du sucre, du lactose ou une particule constituée de protéines et/ou de lipides. Les particules sont de préférence exempte d’une couche d’enrobage. De préférence les particules sont de même nature ce qui facilite leur détection, mais il sera clair que l’invention n’est pas limitée à l’usage de particules de même nature et qu’un mélange de particules de nature différente peut également être utilisé.The particles contained in the carrier gas may be of various origins and composition. Thus the particles may be in the form of a liquid suspended in the gas, or formed of solid particles. Particles in the form of a liquid can be droplets of water, alcohol or oil. In the case where the particles are in the form of droplets of alcohol or oil, this alcohol or this oil must of course be such that it does not affect the operation of the lung. The droplets may be in the form of a mist or an aerosol and are present in the liquid phase in the carrier gas. Preferably, an aerosol produced from an isotonic saline solution (NaCl 9 g / l) is used. The particles in solid form can be salt, sugar, lactose or a particle consisting of proteins and / or lipids. The particles are preferably free of a coating layer. Preferably the particles are of the same nature which facilitates their detection, but it will be clear that the invention is not limited to the use of particles of the same nature and a mixture of particles of different nature can also be used .

La dimension des particules est choisie de telle façon à ce que leur diamètre géométrique et aérodynamique soit inférieure à 5pm, en particulier inférieure à 3 pm, plus particulièrement inférieure à 1 pm, et encore plus particulièrement inférieure à 0,5 pm. Des particules d’une telle dimension n’affecte pas la structure du poumon et ne causent ainsi pas de dégâts au poumon. Il est également possible que les particules sont composés d’un mélange de dimensions de particules dont le plus petites ont un diamètre inférieur à 0,5 pm et le plus grandes ont un diamètre inférieur à 5 pm. L’avantage d’utiliser des particules qui ont un diamètre inférieur à 3 pm est que ces particules pénètrent sans problème dans les bronchioles d'un poumon sain. Les particules peuvent, le cas échéant être teintées, par exemple avec du bleu de méthylène, lorsque la méthode pour mesurer la quantité des particules inhalées et exhalées le requière. L’introduction des particules dans le gaz porteur peut se faire au niveau du fournisseur du gaz porteur, mais il est également possible que la source 10 de gaz et de particules soit formée d’une part par une bouteille de gaz porteur et d’autre part par un réservoir de particules relié à un doseur. Ce dernier est alors relié à un injecteur agencé pour doser la quantité de particules à les injecter dans le gaz porteur.The size of the particles is chosen such that their geometric and aerodynamic diameter is less than 5 μm, in particular less than 3 μm, more particularly less than 1 μm, and even more particularly less than 0.5 μm. Particles of this size do not affect the structure of the lung and thus do not cause lung damage. It is also possible that the particles are composed of a mixture of particle sizes, the smallest of which have a diameter less than 0.5 μm and the largest have a diameter of less than 5 μm. The advantage of using particles having a diameter of less than 3 μm is that these particles penetrate without problem in the bronchioles of a healthy lung. The particles may optionally be dyed, for example with methylene blue, when the method for measuring the amount of inhaled and exhaled particles requires it. The introduction of the particles into the carrier gas can be done at the supplier of the carrier gas, but it is also possible that the source 10 of gas and particles is formed on the one hand by a carrier gas bottle and on the other hand part by a tank of particles connected to a doser. The latter is then connected to an injector arranged to dose the amount of particles to be injected into the carrier gas.

La concentration des particules dans la première quantité de particules ajoutées au gaz porteur est fixée dans une plage prédéterminée d’au moins 10 000 particules par cm3, en particulier au moins 100 000 particules par cm3 et plus particulièrement au moins 1 000 000 particules par cm3. Lorsque la concentration de particules est d’au moins 1 000 000 particules par cm3 cela signifie que le sujet qui inhale un litre du gaz porteur comprenant une telle première quantité de particules devrait en moyenne avoir deux ou trois particules déposées par alvéole.The concentration of the particles in the first quantity of particles added to the carrier gas is set within a predetermined range of at least 10,000 particles per cm3, in particular at least 100,000 particles per cm3 and more particularly at least 1,000,000 particles per cm3. . When the particle concentration is at least 1,000,000 particles per cm3 this means that the subject inhaling one liter of the carrier gas comprising such a first amount of particles should have on average two or three particles deposited per cell.

Le capteur 17 est formé par un compteur de particules agencé pour compter les particules dans la plage de diamètre correspondent à celle des particules présente dans le gaz porteur. Ce capteur peut être de type électrique ou optique. Le capteur de type électrique fonctionne par exemple en appliquant un champ électrique sur les particules et le capteur optique fonctionne par exemple par une reconnaissance de couleur. Le capteur est soit agencé pour compter le nombre de particules présent dans le gaz porteur, soit pour mesurer la concentration des particules présentes dans le gaz porteur.The sensor 17 is formed by a particle counter arranged to count the particles in the diameter range corresponding to that of the particles present in the carrier gas. This sensor may be of the electric or optical type. The electric type sensor operates for example by applying an electric field to the particles and the optical sensor operates for example by a color recognition. The sensor is either arranged to count the number of particles present in the carrier gas, or to measure the concentration of the particles present in the carrier gas.

Le capteur pourrait également être agencé pour analyser les particules présentes dans le gaz exhalé. Cette analyse peut comprendre la mesure du diamètre des particules et/ou la distribution des différentes dimensions des particules dans le gaz exhalé. De préférence le capteur est agencé pour analyser que les particules présentes dans le gaz exhalé sont bien de même nature et de même dimension que celles présentes dans le gaz inhalés.The sensor could also be arranged to analyze the particles present in the exhaled gas. This analysis may include measuring the particle diameter and / or the distribution of different particle sizes in the exhaled gas. Preferably the sensor is arranged to analyze that the particles present in the exhaled gas are of the same kind and of the same size as those present in the inhaled gas.

Le procédé suivant l’invention comporte la fourniture au poumon du patient 19 d’une quantité prédéterminée du gaz porteur portant la première quantité de particules ayant une dimension comprise dans la plage prédéterminée. Ce gaz porteur avec sa première quantité de particules est fourni à partir de la source 10 par l’intermédiaire du robinet 11 et de la vanne à trois voies 12 à l’embouchure 18 portée par le patient 19. Dans cette phase la vanne est branchée dans le sens à laisser le gaz porteur et les particules circuler vers l’embouchure 18. Le patient inhale alors le gaz porteur avec la première quantité de particules. Le patient doit alors retenir son souffle pendant une période prédéterminée afin de laisser aux particules le temps de sédimenter par gravitation dans le poumon. Cette période prédéterminée est par exemple de 4 secondes, mais elle peut toutefois être de chaque valeur comprise entre 4 et 10 secondes. Durant cette période prédéterminée les particules vont sédimenter par gravitation dans le poumon et atteindre la membrane alvéolaire. En fonction de l’état du poumon, et en particulier de l’état de la membrane alvéolaire, et également en fonction du temps de la période prédéterminée, un partie des particules inhalées va sédimenter dans le poumon. Si les particules sont de même nature et de dimension comparable, leur vitesse de sédimentation sera essentiellement la même. La partie des particules qui n’a pas sédimenté dans le poumon sera exhalée.The method according to the invention comprises providing to the lung of the patient 19 a predetermined amount of carrier gas bearing the first amount of particles having a size within the predetermined range. This carrier gas with its first quantity of particles is supplied from the source 10 via the valve 11 and the three-way valve 12 to the mouth 18 carried by the patient 19. In this phase the valve is connected. in the direction to let the carrier gas and particles flow to the mouth 18. The patient then inhales the carrier gas with the first amount of particles. The patient must then hold his breath for a predetermined period of time to allow the particles time to gravitate into the lung. This predetermined period is for example 4 seconds, but it can however be each value between 4 and 10 seconds. During this predetermined period the particles will sediment by gravitation in the lung and reach the alveolar membrane. Depending on the state of the lung, and in particular the state of the alveolar membrane, and also as a function of the time of the predetermined period, a portion of the inhaled particles will sediment in the lung. If the particles are of the same nature and of comparable size, their sedimentation rate will be essentially the same. The part of the particles that has not sedimented in the lung will be exhaled.

Après l’échéance de la période prédéterminé le patient peut exhaler et le capteur 17 va alors mesurer une deuxième quantité desdites particules présente dans le gaz exhalée du poumon. Dans cette phase la vanne est branchée dans le sens à laisser circuler le gaz porteur et les particules exhalées de l’embouchure vers le capteur. Ensuite on détermine sur base de la première et de la deuxième quantité de particules un paramètre indiquant une baisse de concentration des particules présentes dans le gaz exhalé par rapport au gaz fourni.After the expiration of the predetermined period the patient can exhale and the sensor 17 will then measure a second amount of said particles present in the exhaled gas of the lung. In this phase the valve is connected in the direction to let the carrier gas and the exhaled particles from the mouth to circulate towards the sensor. Then, on the basis of the first and second quantity of particles, a parameter is determined indicating a drop in concentration of the particles present in the exhaled gas with respect to the gas supplied.

On détermine ensuite sur base dudit paramètre et d’une vitesse de sédimentation (v9) desdites particules dans le poumon, une dimension d’une surface sur laquelle une sédimentation à travers une couche de gaz alvéolaire des particules a eu lieu dans le poumon. Etant entendu que les particules inhalées sont connues, leur vitesse de sédimentation est déterminée à l’aide de la loi de Stokes. L’épaisseur harmonique étant ensuite déterminée à partir de ladite dimension de cette surface.Then, based on said parameter and a sedimentation rate (v9) of said particles in the lung, a dimension of a surface on which sedimentation through a cellular gas layer of the particles is determined in the lung is determined. Given that the inhaled particles are known, their sedimentation rate is determined using the Stokes law. The harmonic thickness is then determined from said dimension of this surface.

Afin d’améliorer la fiabilité de la mesure de l’épaisseur harmonique de la membrane alvéolaire, la fourniture du gaz porteur portant une première quantité de particules est de préférence répétée une nombre (1*sisn) de fois lors de l’exécution du procédé. Tant la période prédéterminée (ti) durant laquelle le gaz porteur est retenu dans le poumon, que la première quantité, peut soit être variée lors chaque fourniture (i), soit être la même lors de chaque fourniture. La deuxième quantité étant chaque fois déterminée à l’échéance de la période prédéterminée (ti) considérée. Le paramètre étant déterminé sur base des deuxièmes quantités déterminées à l’échéance de chacune des périodes prédéterminées (fc).In order to improve the reliability of the measurement of the harmonic thickness of the cellular membrane, the supply of the carrier gas carrying a first quantity of particles is preferably repeated a number (1 * sisn) of times during the execution of the process . Both the predetermined period (ti) during which the carrier gas is retained in the lung, that the first quantity, can be varied during each supply (i), or be the same during each supply. The second quantity being determined each time at the end of the predetermined period (ti) considered. The parameter being determined on the basis of the second quantities determined at the expiry of each of the predetermined periods (fc).

Le volume de gaz exhalé est de préférence déterminé par intégration dans le temps du flux de gaz mesuré par le pneumotachomètre 14.The volume of exhaled gas is preferably determined by integration over time of the gas flow measured by the pneumotachometer 14.

Dans un modèle simplifié, on considère au moment où le patient inhale le gaz porteur et sa première quantité de particules, que dans le mélange du gaz porteur et de particules, ces dernières sont statistiquement uniformément réparties dans un volume V et forment une suspension homogène. Après inhalation, ce mélange de gaz et de particules va remplir un domaine dans le poumon qui sera délimité par des parois sur lesquelles les particules sont susceptibles de se déposer, sans retour possible vers la suspension. Due à la gravitation les particules ont un mouvement vertical de sédimentation, à vitesse constante vs. Au bout de la période prédéterminée (t), lors de l’exhalation le dispositif récupère le mélange délesté d’une partie de ses particules, c'est à dire la deuxième quantité de particules. Le dispositif détermine la deuxième quantité en mesurant la fraction F de particules récupérées par rapport aux particules initialement présentes.In a simplified model, it is considered at the moment when the patient inhales the carrier gas and its first quantity of particles, that in the mixture of carrier gas and particles, the latter are statistically uniformly distributed in a volume V and form a homogeneous suspension. After inhalation, this mixture of gases and particles will fill a region in the lung which will be delimited by walls on which the particles are likely to be deposited, without possible return to the suspension. Due to gravitation the particles have a vertical movement of sedimentation, at constant speed vs. At the end of the predetermined period (t), during exhalation, the device recovers the shedding mixture of a portion of its particles, ie the second quantity of particles. The device determines the second amount by measuring the fraction F of recovered particles relative to the particles initially present.

Dans un modèle plan, c’est-à-dire que l’on considère que le dépôt de particules se fait sur une surface plane horizontale d’aire S et que le volume occupe un cylindre de hauteur e, on peut montrer que la surface peut être exprimée par : S = ( V / ( Vst ) ) ( 1 - F )In a plane model, that is to say that we consider that the deposition of particles is done on a horizontal flat surface of area S and that the volume occupies a cylinder of height e, we can show that the surface can be expressed by: S = (V / (Vst)) (1 - F)

Si l’on fait le test pour différentes période prédéterminée (ti), la fraction F décroît linéairement à partir de 1 pour atteindre 0 au temps ( V / ( S vs ) ). Dans un modèle de sphères, on suppose que le volume V est rempli initialement par un ensemble de N boules de même rayon. Dans ce modèle on peut démontrer que la surface S peut être exprimée par : S = ( ( 9 V ) / < Vst ) ) ( 1-(1 -(8/9)( 1- F)) <1/2>)If we do the test for different predetermined period (ti), the fraction F decreases linearly from 1 to reach 0 at the time (V / (S vs)). In a model of spheres, it is assumed that the volume V is initially filled by a set of N balls of the same radius. In this model we can prove that the surface S can be expressed by: S = ((9 V) / <Vst)) (1- (1 - (8/9) (1- F)) <1/2>)

Si l'on fait le test pour des temps de plus en plus longs, la fraction F décroît de manière polynomiale.If one does the test for longer and longer times, the fraction F decreases polynomially.

Pour le modèle de sphères, on a bien considéré la totalité de la surface, et non pas seulement la surface correspondant à la zone qui reçoit des particules comme c’est le cas pour le modèle plan.For the model of spheres, we have considered the whole of the surface, and not just the surface corresponding to the zone that receives particles as is the case for the plane model.

Dans l’article de Heyder intitulé « Assessment ofAirway Geometry with Inert Aérosols » et publié dans Journal of Aérosol Medicine, 2, 2, 1989, pp. 89-97, il est enseigné que la deuxième quantité de particules décroît selon une fonction mathématique exponentielle avec la période prédéterminée (ti) durant laquelle le gaz porteur est retenu dans le poumon. Toujours selon cette même littérature, en considérant un ensemble de long cylindres orientés aléatoirement de rayon r, la fonction de récupération F peut être exprimé par : F = exp ( ( -2 vst ) / ( π r ) )In Heyder's article entitled "Assessment of Airway Geometry with Inert Aerosols" and published in Journal of Aerosol Medicine, 2, 2, 1989, pp. 89-97, it is taught that the second quantity of particles decreases according to an exponential mathematical function with the predetermined period (ti) during which the carrier gas is retained in the lung. Still according to this same literature, considering a set of long cylinders randomly oriented of radius r, the recovery function F can be expressed by: F = exp ((-2 vst) / (π r))

Celle-ci est illustrée à la figure 4. Dans cette dernière figure, la quantité de particules dans le gaz exhalé est illustré en fonction de la période prédéterminée (ti) durant laquelle le gaz porteur avec la première quantité de particules a été retenu dans le poumon.This is illustrated in FIG. 4. In the latter figure, the quantity of particles in the exhaled gas is illustrated as a function of the predetermined period (ti) during which the carrier gas with the first quantity of particles has been retained in the lung.

Si les modes de respiration à l'inspiration et à l’expiration sont gardés constants, l’équation précédente peut s’écrire : r = ( ( -2 vs ) / π ) ( d ( In F ) / dt )If the inspiration and expiry breathing modes are kept constant, the previous equation can be written: r = ((-2 vs) / π) (d (In F) / dt)

De telle sorte que le rayon de la voie aérienne peut être calculé à partir de la vitesse de sédimentation des particules et de la pente du logarithme de la fonction de récupération.So that the airway radius can be calculated from the sedimentation rate of the particles and the slope of the logarithm of the recovery function.

Toujours selon cette même littérature, la fonction de récupération de particules F peut être remplacée par la fonction de concentration de particules nommée C. L’équation précédente peut dès lors s’écrire : r = ( ( -2 vs ) / π ) ( d {In C ) / dt ) L’épaisseur de la couche de gaz alvéolaire dénommée GST( Gas Sheet Thickness) à travers laquelle la sédimentation des particules a lieu peut être approchée par GST = 2 r. Dès lors : GST = ( ( -4 vs ) / π ) ( d ( In ( Ct / Co ) ) / dt ) Où Ct est la deuxième quantité de particules mesurée au temps ti, Co la première quantité, dt la période de temps écoulée entre le moment de l’inhalation et le moment ti où l’exhalation a lieu, vs la vitesse de sédimentation des particules dans le poumon. La surface de la membrane alvéolaire est alors calculée à l’aide de la relation géométrique établie par Tomkeieff et Hennig (Weibel, «Architecture of the Human Lung », Science, 137, 3530,1962, pp. 577-585) entre le volume du poumon (TLC, Total Lung Capacity) et l’épaisseur de gaz alvéolaire. Un facteur de 0,9 est appliqué au volume pulmonaire pour ne considérer que le volume du parenchyme : S = ( ( 4 ) ( 0,9 ) ( TLC ) ) / ( GST )According to this same literature, the particle recovery function F can be replaced by the particle concentration function named C. The preceding equation can therefore be written: r = ((-2 vs) / π) (d {In C) / dt) The thickness of the Gas Sheet Thickness (GST) gas layer through which particle sedimentation takes place can be approximated by GST = 2 r. Therefore: GST = ((-4 vs) / π) (d (In (Ct / Co)) / dt) Where Ct is the second quantity of particles measured at time ti, Co the first quantity, dt the period of time elapsed between the time of inhalation and the time when exhalation takes place, vs the rate of sedimentation of the particles in the lung. The surface of the alveolar membrane is then calculated using the geometrical relationship established by Tomkeieff and Hennig (Weibel, "Architecture of the Human Lung", Science, 137, 3530, 1962, pp. 577-585) between the volume of the lung (TLC, Total Lung Capacity) and the thickness of the alveolar gas. A factor of 0.9 is applied to the lung volume to consider only parenchymal volume: S = ((4) (0.9) (TLC)) / (GST)

Selon Roughton et Forster (Roughton and Foster, « Relative Importance of Diffusion and Chemical Reaction Rates in Determining Rate of Exchange of Gases in the Human Lung », Journal of Applied Physiology, 11, 2, 1957, pp. 290-302), le transport de gaz dans l’air au sang peut être modélisé comme deux conductance en série, une conductance membranaire ( Dm ) et une conductance de sang ( Db ) : (1 / DL ) = (1 / Dm ) + ( 1 / Db ) Où DL est la conductance globale du poumon, Db est le produit du volume capillaire pulmonaire Vc et de Θ, la conductance spécifique de la liaison du gaz à l’hémoglobine. Les deux conductances, de la membrane et du sang, peuvent être déterminées par des tests fonctionnels en utilisant le transfert de gaz traceurs.According to Roughton and Forster (Roughton and Foster, "Relative Importance of Diffusion and Chemical Reaction Rates in the Determination of the Exchange of Gases in the Human Lung", Journal of Applied Physiology, 11, 2, 1957, pp. 290-302), the gas transport in air to blood can be modeled as two serial conductance, a membrane conductance (Dm) and a blood conductance (Db): (1 / DL) = (1 / Dm) + (1 / Db) Where DL is the overall lung conductance, Db is the product of pulmonary capillary volume Vc and Θ, the specific conductance of the gas binding to hemoglobin. Both membrane and blood conductances can be determined by functional assays using tracer gas transfer.

La littérature (Martinot, « Lung membrane conductance and capillary volume derived from the NO and CO transfer in high-altitude newcomers », Journal of Applied Physiology, 115, 2, 2013, pp. 157-166) décrit une méthode appropriée pour déterminer la conductance de la membrane au CO (DmCO) en appliquant les équations de Roughton et Forster pour deux traceurs de gaz : l’oxyde nitrique (NO) et le monoxyde de carbone (CO).The literature (Martinot, "Lung Membrane Conductance and Capillary Volume Derived from the NO and CO Transfer in High-altitude Newcomers," Journal of Applied Physiology, 115, 2, 2013, pp. 157-166) describes an appropriate method for determining the CO membrane conductance (DmCO) by applying the Roughton and Forster equations for two gas tracers: nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO).

Le transfert de gaz à travers la membrane alvéolaire étant directement proportionnel à sa surface et inversement proportionnelle à son épaisseur, l’épaisseur harmonique μ de la membrane alvéolaire peut être calculée suivant l’équation :The transfer of gas through the cellular membrane being directly proportional to its surface and inversely proportional to its thickness, the harmonic thickness μ of the cellular membrane can be calculated according to the equation:

μ = (S/DmCO)dCO aCμ = (S / DmCO) dCO aC

Avec dCO et aC étant la diffusion et la solubilité pour le gaz CO.With dCO and aC being diffusion and solubility for CO gas.

La notion de zones ventilées non perfusées du poumon peut, par exemple, être également introduite dans les modèles afin de prendre en compte les spécificités de la structure du poumon d’un sujet souffrant d’une pathologie particulière.For example, the concept of non-perfused ventilated lung zones can also be introduced into the models in order to take into account the specificities of the lung structure of a subject suffering from a particular pathology.

Le dépôt des particules dans le poumon peut également être étudié à l’aide de modèles numériques et d’outils de simulation numérique. A partir de ces simulations, la surface du poumon peut être directement déduite à partir du paramètre indiquant une baisse de quantité des particules présentes dans le gaz exhalé par rapport au gaz fourni.The deposition of particles in the lung can also be studied using numerical models and numerical simulation tools. From these simulations, the lung surface can be directly deduced from the parameter indicating a decrease in the amount of particles present in the exhaled gas relative to the gas supplied.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer une épaisseur harmonique d’une membrane alvéolaire d’un poumon, suivant lequel on fournit audit poumon une quantité prédéterminée d’un gaz porteur portant une première quantité de particules ayant une dimension comprise dans une plage prédéterminée, et l’on mesure, après une période prédéterminée durant laquelle le gaz porteur a été retenu dans le poumon, une deuxième quantité desdites particules présente dans le gaz exhalée du poumon, l’on détermine ensuite sur base de la première et de la deuxième quantité de particules un paramètre indiquant une baisse de la quantité des particules présentes dans le gaz exhalé par rapport au gaz fourni, caractérisé en ce que l’on détermine sur base dudit paramètre et d’une vitesse de sédimentation desdites particules dans le poumon, une dimension d’une surface sur laquelle une sédimentation des particules à travers une couche de gaz alvéolaire dans le poumon a eu lieu, ladite épaisseur harmonique étant ensuite déterminée à partir de ladite dimension de cette surface.A method for determining a harmonic thickness of an alveolar membrane of a lung, wherein said lung is provided with a predetermined amount of a carrier gas carrying a first quantity of particles having a size within a predetermined range, and after a predetermined period during which the carrier gas has been retained in the lung, a second quantity of said particles present in the exhaled gas of the lung is measured, the first and second quantities of particles are then determined on the basis of the first and second quantities of particles. parameter indicating a decrease in the amount of particles present in the exhaled gas relative to the gas supplied, characterized in that it is determined on the basis of said parameter and a sedimentation rate of said particles in the lung, a dimension of a surface on which a sedimentation of the particles through a layer of alveolar gas in the lung has been bound u, said harmonic thickness being then determined from said dimension of this surface. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu’une épaisseur de la couche de gaz alvéolaire à travers laquelle la sédimentation des particules a eu lieu est déterminée, ladite dimension de la surface effective de la membrane alvéolaire étant ensuite déterminée sur base de cette épaisseur de la couche de gaz et de la capacité totale du poumon.2. Method according to claim 1, characterized in that a thickness of the alveolar gas layer through which the sedimentation of the particles has taken place is determined, said dimension of the effective surface of the cellular membrane being then determined on the basis of this thickness of the gas layer and the total capacity of the lung. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fourniture du gaz porteur portant une première quantité de particules est répétée un nombre (1<iân) de fois lors de l’exécution du procédé, la période prédéterminée (t) durant laquelle le gaz porteur est retenu dans le poumon étant variée après chaque fourniture (i), ladite deuxième quantité étant chaque fois déterminée à l’échéance de la période prédéterminée (t,) considérée, ledit paramètre étant déterminé sur base des deuxièmes quantités déterminées à l’échéance de chacune des périodes prédéterminées (ti) dudit nombre.3. Process according to claim 1 or 2, characterized in that the supply of the carrier gas carrying a first quantity of particles is repeated a number (1 <iân) of times during the execution of the process, the predetermined period (t). during which the carrier gas is retained in the lung being varied after each supply (i), said second quantity being determined each time at the end of the predetermined period (t,) considered, said parameter being determined on the basis of the second determined quantities at the expiry of each of the predetermined periods (ti) of said number. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la baisse de concentration entre la première et deuxième quantité de particules évolue selon une fonction mathématique reprenant une décroissance dans le temps de la quantité de particules, ledit paramètre étant déterminé à partir de cette fonction mathématique.4. Method according to claim 3, characterized in that the concentration drop between the first and second quantity of particles evolves according to a mathematical function taking up a decrease in time of the quantity of particles, said parameter being determined from this function mathematical. 5. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’on introduit dans le gaz porteur des particules ayant un diamètre géométrique et aérodynamique moyen inférieur à 5 micron, en particulier inférieur à 3 microns et plus particulièrement inférieur à 1 micron.5. Process according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that particles having an average geometrical and aerodynamic diameter of less than 5 microns, in particular less than 3 microns and more particularly less than 3 microns, are introduced into the carrier gas. at 1 micron. 6. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz porteur est porté à des conditions de température et d’humidité voisinant celles d’un corps humain ou animal avant son apport au poumon.6. Process according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the carrier gas is heated to conditions of temperature and humidity close to those of a human or animal body before its contribution to the lung. 7. Dispositif pour déterminer une épaisseur harmonique d’une membrane alvéolaire d’un poumon, lequel dispositif comprend une source (10) de gaz porteur et une source de particules agencées pour fournir audit poumon une quantité prédéterminée du gaz porteur portant une première quantité de particules ayant une dimension comprise dans une plage prédéterminée, lequel dispositif comprend également des moyens de mesure (17) agencés pour mesurer, après une période prédéterminée durant laquelle le gaz porteur a été retenu dans le poumon, une deuxième quantité desdites particules présente dans le gaz exhalée du poumon, lesquels moyens de mesure sont également agencés pour déterminer sur base de la première et de la deuxième quantité de particules un paramètre indiquant une baisse de la quantité des particules présentes dans le gaz exhalé par rapport au gaz fourni, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de traitement agencés pour déterminer, sur base d’une vitesse de sédimentation d’une première fraction de la première quantité des particules ainsi que sur base dudit paramètre, une dimension d’une surface sur laquelle une sédimentation de la première fraction de la première quantité des particules à travers une couche de gaz alvéolaire dans le poumon a eu lieu, lesquels moyens de traitement sont également agencés pour déterminer une épaisseur harmonique à partir de ladite dimension de cette surface.A device for determining a harmonic thickness of a lung membrane of a lung, which device comprises a source (10) of carrier gas and a source of particles arranged to supply to said lung a predetermined quantity of the carrier gas carrying a first quantity of particles having a size within a predetermined range, which device also comprises measuring means (17) arranged to measure, after a predetermined period during which the carrier gas has been retained in the lung, a second quantity of said particles present in the gas exhaled from the lung, which measurement means are also arranged to determine on the basis of the first and second quantity of particles a parameter indicating a decrease in the quantity of particles present in the exhaled gas relative to the gas supplied, characterized in that the device comprises processing means arranged to detain to emine, based on a sedimentation rate of a first fraction of the first quantity of the particles as well as on the basis of said parameter, a dimension of a surface on which a sedimentation of the first fraction of the first quantity of the particles through a layer of alveolar gas in the lung has occurred, which processing means are also arranged to determine a harmonic thickness from said dimension of this surface.
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