CN102316801B - 呼吸分析 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对不能提供受控用力呼出气体的受试者进行呼吸分析的方法和装置。呼吸采样可以基本上无接触并且通过将气体经接受器(2)主动吸至测定室(4)而提供，该接受器(2)基于防止了与环境气体混合的部分回流而显示出浓度保持作用。通过红外光谱法进行所述分析，其包括对挥发性有机物质(例如酒精)和生理对照品(例如二氧化碳)浓度的测定。采样时间由操作者的起始命令控制，并且气体吸入持续时间由测定室的传感器信号控制。所述装置包括一个手控部件(1)，可替换的接受器(2)和插接站(3)。

Description

呼吸分析
本发明涉及扩大对呼出气体中的挥发性物质(例如酒精)检测的呼吸分析的现有应用范围。现有应用在受试者需要的配合程度和生理功能方面存在很大的局限性。本发明能够对无能力的人(即不能够通过提供用力呼气配合的人)以及身体或心理障碍伴有肺容量降低的人进行呼吸分析。
目前，在卫生保健系统中只能够通过血样的实验室分析对无意识患者进行酒精浓度测定，此项测定非常昂贵并且通常要花一个小时以上。呼吸分析在无意识患者中并不实用，因为根据现有技术的酒精检测仪需要受试者主动配合，包括使用紧密接合的吹嘴用力呼出0.7-1.2升样品体积。
瑞典急救医护每年接收大约50000例无意识患者，大多数患者患有中风、癫痫症、心肌梗死、昏迷、创伤或酒精或药物中毒。根据公布的统计信息，在瑞典每年大约有250人死于急性酒精中毒，并且这也是最常见的中毒原因。
当症状难以解释时，缺少对酒精影响客观和快速测定的方法和装置有可能导致错误的治疗或根本不治疗-在最坏的情况下这可能就是生或死的问题。在急救卫生保健中使用快速酒精测定，将会降低将心肌梗死、中风、昏迷或创伤误判为更易于处理的酒精中毒的风险。
急救医护中心的救护操作员(ambulance operator)、营救队、临床医生以及其他人将会受益于改善的用于呼吸分析的方法和装置。其应用包括警察机关进行的清醒度测试(sobriety test)，以及用于防止酒后驾驶的酒精锁。在这些应用中，通常要求提供用力呼气肺活量，这不仅费时，而且需要受试者花费很大力气。此外，根据现有技术的呼吸分析仪通常出于卫生的原因而装配有可替换的吹嘴。并假定受试者能够对吹嘴提供气密封闭。
用于扩大应用范围的预期的装置和方法必须满足如下要求：采样和分析基本上应该不依赖于受试者的肺容量，即应该需要最小的样品体积和流量，并且在自发和辅助通气中应该都可应用。无意识或残障人士可能显示出比被动呼吸的正常值500ml显著降低的潮气量(即每次呼吸体积)。此外，在易于操作、速度、精确度、选择性(鉴别实际物质)可靠性、防止传染和环境耐久性方面的要求高。
本发明满足了上述要求。通过将为所述目的设计却不密封开口(而已有技术的吹嘴密封开口)的接受器定位靠近受试者口和鼻，基本上可以不经身体接触而进行采样。本发明所述的接受器优选地显示了浓度保持作用，却不会显著增加呼吸气体流的阻力。采样小于50ml，即正常被动呼出气体的十分之一。直接在连接接受器的测定室进行酒精或其他挥发性有机物质的浓度测定。用泵有利于将气体主动吸入测定室。
所述接受器的浓度保持作用是基于其形状，包括采样时保持与受试者的口和鼻靠近的进气孔(inlet opening)。进气孔的面积通常大于受试者口或鼻开口的横截面积。从而它将有效地收集射流状的呼出的呼出气体流。所述接受器通常形状如杯(cup)、大杯子(mug)、漏斗或勺子，具有部分狭窄的内部体积，其优选比受试者的潮气量更小。入射呼出的气体流充满内部体积，从而将已有的环境气体排出。所述气体流被分成了两股支流，一股支流流入进行呼吸分析的测定室，另一股支流重新流回进气孔。该回流的支流形成了防护帘，防止了入射气体流与环境气体混合，并因此提供浓度保持作用，即呼吸样品将不被环境气体稀释。
通过浓度保持作用，在测定室内物质的浓度将接近内部气道物质的浓度，并且可以认为与其他误差源相比此偏差不显著。
本发明的一个重要特性是生理对照品(例如二氧化碳)的测定与酒精测定同步进行。可以将内部气道内的对照品浓度视为已知，因此测定值低于正常就是样品被环境气体稀释的信号。与正常值相关的对照品的测定因此是所述分析的质量测定。二氧化碳正常分压是4.8kPa。或者可以将正常值为45mg/l的水蒸气用作生理对照品。
生理对照品的同步测定意味着精确度的增加、假阴性输出风险的最小化，以及操作的简化。这使得接受器定位变得不重要并且消除了密封口或鼻的需要。进而得到了酒精读数或其它未知物质的单一且固定不变的质量测定。
在采样前，将测定室自动调零，接着出现准备就绪指示。在采样完成后5秒内优选地显示出分析结果。气体流仅在采样和调零时通过测定室，导致测定程序的全部操作控制。这对于可靠性和环境耐久性来说是重要的。测定室遭受有害环境影响的风险是最小的。
红外(IR)光谱法优选用作未知物质和对照品的测定方法。用来自宽频带红外发射器的辐射透照测定室，所述辐射射中具有用于选择透射频带的带通滤波器的红外检测器。优选将酒精检测为3.3-3.5μm波长范围内与在调零时的洁净气体中测量的参考水平相比的下降透光度。二氧化碳在4.2-4.3μm处和水在2.5-2.8μm处有透射或吸收峰的相应下降。
为了满足精确度的要求，所述测定室应具有用于红外辐射的长透射路径。通过使用多重凹面镜装置可以克服要求整个外形尺寸小的矛盾。
通过红外光谱法，有可能对在实际波长范围内有吸收峰的所有的物质进行定性和定量。红外光谱法在可靠性方面相比其他的传感器原理光谱法具有根本的优势。在每次测定时，有可能通过与之前的测定相比较来评价基线稳定性。从而，红外源、反射表面、滤波器以及检测器随时间的变化可以得到全部控制。此外，与基于催化作用的传感器相反，所述方法的灵敏度基本上与时间无关。因此消除了定期校正的需要。
在下文中将结合附图对本发明的详细特征进行描述。
图1显示本发明所述方法的实施方案的原件流程图。
图2显示本发明所述装置的优选实施方案的框图。
图3示意地显示本发明所述接受器的优选实施方案，以及相关气体流。
图1的流程图显示十种不同状态，每种状态用框说明。将所述十种状态分成两类，一类标记“UD”指在实际呼吸分析方面的主动状态，相反“D”是在操作之间的被动状态。此缩写指“未插接(undocked)”和“插接(docked)”。本发明所述的呼吸分析仪包括用于手动部件的插接站(docking station)。在主动状态下，未插接手控部件，反之亦然。
在本发明的一典型程序中，通过将手控部件从信号“ON”显示的插接站移开，将所述的装置从非主动状态类调至主动状态类。然后在手控部件的显示器通过如图1显示的信号“...”指示等待状态的同时，在状态“0”下进行测定室的自动调零和功能检测。
在调零时，将环境气体泵吸入测定室，并且其零水平将因此与目前的气体组成下的环境气体有关，这种零水平基本上是有机物质和二氧化碳的零点。功能测试与测定变量的绝对值有关，在测定中来自于之前测定的偏差和基线漂移将在某个批准的容差内。否则错误指示(error indication)将随之产生。
调零完成时，信号“！”指示准备就绪，并且采样“X”启动。然后操作者将接受器和手控部件靠近受试者口和鼻进行定位，并且通过按启动按钮开始采样。然后将气体经所述接受器通过测定室泵吸。继续采样和泵吸直至达到某个CO2浓度或更久。操作者也可以选择手动停止采样。优选的是，实时进行采样、分析和信号呈现。
分析状态“Z”可以在采样同时或略微在采样后出现，由不同信号“...”和“□”指示。此后，在显示器上以图、数字或以其他的形式显示分析结果。
在结果显示后，操作者可以选择将手控部件插回插接站或进行新的测定(“N”)，借此程序将重复调零和进一步操作。在插接下进行更多功能测试“ST”或与手控部件的电池充电“RC”一起进行。最后所述装置转入休眠状态，“S/B”。
图2显示本发明所述装置的优选实施方案的框图。所述装置基本上由三个可替换的部件组成：接受器2，手控部件1和插接站3。将接受器2从手控部件1上替换下来是出于卫生的原因和防止传染的要求。所述接受器2在其靠近受试者口和鼻的位置可容易被污染，因此在对另一位受试者进行采样前应该更换或清洗所述接受器2。就插接站3而言，替换手控部件1是因为手控部件应该迅速脱离休眠状态而没有耗费时间的功能测试的事实。需要可靠的电压供应则是另一个原因。
所述接受器2通常形状像杯、大杯子、漏斗或勺子，具有大于受试者的口和鼻开口并且当朝向它们采样时将会有效地接收通常形成射流的呼出气体流的较大的进气孔24。另一方面，吸入气体流可以通过更弯曲的路径。
根据实际应用，所述接受器2的形状限定了内部体积可以是10-100ml。还有一个较小的连接手控部件1和测定室4的内部开口。优选的是，还有用于分离液滴和颗粒的元件31。此外，有利的是，所述接受器2包括用于固定至身体部分(例如鼻和下巴尖)的机械支撑元件。还可以包括用于连接面罩的装置或其他辅助呼吸的装置。这些装置的细节不包括在图2中。
所述接受器2的进气孔24具有大于典型受试者鼻和口开口相应面积的横截面积。来自受试者口或鼻的具有良好边缘的射流状气体流将在所述接受器2的内壁被基本上无损失的接收，并且不需要精确的位置控制。在图2中以三个箭头指向正确的方向显示入射气体流。当射流碰撞所述接受器2的内壁时将分成两股支流，一股支流经接受器2的内部开口通过测定室，另一股展开的支流先离开中心并随后引起与入射气体流相对的逆流。气体流的反射或回流起源于所述接受器的侧壁，其至少部分地防止进一步放射状展开。回流是之前提及的通过防止呼吸样品与环境气体混合而起到浓度保持作用的起因。
所述手控部件1包括为测定室内体积中气体的红外光谱分析而设计的测定室4。通过黑体辐射将来自于红外源10的电磁辐射以相对宽的波长范围发射，通常为2-6μm。优选的是，为避免系统基线漂移将所述红外源调节至2Hz重复频率或更高频率。所述测定室4被模塑壁6包裹，模塑壁具有反射系数为0.98或更高的金或铝的的高反射表面。通过对聚焦表面的多重反射，对大孔径和长光程的要求可以与小物理维度测定室4组合。典型的外部维度为40×50×5mm，内部体积为5ml。
为接收来自红外源10的辐射，将所述红外检测器8、9置于合适的位置。优选将检测器8以到红外源10有较短光程进行定位，并且适合于检测CO2在4.2-4.3μm处或者水蒸气在2,5-2,8μm处的吸收带。在检测器前面是带通型干扰滤光片13，其精确地适合于适合于这种波长范围。相应地，检测器9适合于检测3.3-3.5μm波长范围的有机物质(例如酒精)，因此使用干扰滤光片14将其以较长光程进行定位。光程为20cm可得到0.02mg/l酒精的分辨率。通过增加光程、或者使用检测器9和具有低噪声的放大器12可以得到更高分辨率。
在本发明的优选实施方案中，有可能在采样和调零时停止气体流入测定室。在采样时，当CO2浓度已达到某个临界值时，这种情况可以发生。没有气体流将使测定室4内气体运动引起的干扰和噪音最小化。从而得到挥发性有机物质测定的最大分辨率。
当对有机物的鉴别有要求时，检测器9可以包括3.0μm至3.6μm波长范围内的多套滤波器14。通过分析此范围内的相关信号片段，有可能鉴定单个物质，这是由于它们的分子结构引起了吸收峰各自不同的细微结构。
在可选择的实施方案中，可以用用于多变量分析的色散元件(例如衍射光栅)来替换滤波器13、14，这是有优势的，因为色散元件造价低廉。
经接受器2通过测定室4的呼吸样品输送优选由泵16，经导管25、26、27至排出口28至环境气体主动地实施。有利的是，泵16在未启动时是用例如嵌入式止回阀关闭的。泵16可以是蠕动的或使用隔膜、离心机或齿轮。通常，体积流量为每秒1-10ml。当装置处于休眠或存储状态时，除在调零和取样期间，优选将流入测定室的气体一直封闭以保护测定室4免受环境影响。
所述测定室优选包括加热装置7，采用此加热装置将反射表面5加热至体温或体温之上。使用所述装置7是为了避免在反射表面的水滴冷凝。优选的是，压力传感器20用于监测因泵启动而引起的压力下降。因此有可能监测是否正确连接接受器2。或者，将专用传感器装置21、22用于鉴别和监测接受器2的存在。
来自红外检测器8、9、压力传感器20、传感器21和启动按钮23的信号经放大器11、12至微处理器18，在此微处理器中按照流程图1所描述的模式控制的预编程序顺序进行信号处理。微处理器18有执行模拟数字转换的能力和向红外源10、加热装置7、经缓冲器19的泵16和显示器15发出控制信号的能力。
所述显示器15通过图形、颜色或字母数字字符显示有关分析结果以及系统的不同状态的信息，其优选在不良的照明条件和观测角度下也可见。
通过可充电的电池17为所述手控部件1提供动力，并在所述显示器15上采用符号显示其状态。当将手控部件1连接到插接站3时，电池17自动连接到动力部件29，所述动力部件29经主要或其他来源，将为它进行所需数量的呼吸分析提供必需的能量，直到下一次插接。在插接时，在插接站中建立起微处理器18和另一个微处理器30的连接。然后，将更广泛的功能控制与数据通信(其提供储存于所述手控部件的本地存储器中的信息备份)一起执行。
应该指出的是，图2的各种组分和框并不是按照它们的物理尺寸绘制的。为满足简单使用的要求，手控部件1优选的体积为500ml或更小。手控部件1优选为单手使用而设计，这使操作所述部件仅需要启动按钮23成为可能。当所述部件在插接状态并且连接到计算机时，优选进行预设、编程、校准和其它调整。
图3示意地显示了本发明所述接受器的优选实施方案。在这个实施方案中将所述接受器同轴地分成一个内部进气道(inner inletchannel)和一个逆流方向的外部出气道(outer outlet channel)。
用三个指向正确方向的箭头绘出来自口或鼻开口40的呼出的气体流。已将所述接受器41靠近并以相对靠近口/鼻开口40的距离进行定位，不需要接触它或身体的其它任何部分。所述接受器41有外壁42，将此外壁42与朝向口/鼻开口40的开口一起限定某个体积，其大小不超过所需样品体积。此外，所述接受器41还包括朝口/鼻开口40打开的如外壁42的内壁43。内壁43的开口优选有一个被外壁42的开口完全包裹的区域。用插销将所述壁42和43彼此相对或相应地固定，不显示在图中，其有最小流阻。从口/鼻开口40可见接受器41有两个同心的开口。应该将已用圆形截面绘制所述壁42和43视为没有优选的设计实例。其它形状也是可能的且可能是有利的。
优选设计所述接受器41的开口47，以致不会偶然阻塞口/鼻开口40而使受试者不能呼吸。所述壁42和43优选为此目的安装具有至少1cm2总横截面积的一个或几个侧孔48。沿所述接受器41的对称轴，带连接管45的接收管44到达此装置的所述测定室。
来自所述口/鼻开口40的呼出气体通过内壁43的开口47入射，并接着被分成通过接收管44到达所述检测室的一股支流，和沿行所述外壁42的弯曲的另一股支流，其形状引导气体以与入射气体流相反的方向回流。所述内壁43和所述外壁42的弯曲结合防止了涡流的形成和湍流。所述开口47和中间气体层46限定了相反流向的内部和外部流动通道。
本发明所述的方法和装置可以在下述权利要求书的框架内以多种方式变化。

Claims (12)

1.用于呼吸分析的方法，其包括：通过具有浓度保持作用的接受器(2;41)的进气孔(24)将气体吸入测定室(4)进行采样，所述接受器靠近于受试者的口和鼻的开口以接收呼出的气体流，借此所述呼出的气体流被所述接受器的形状分成通往所述测定室的一股支流，和回流至所述进气孔的另一股支流，从而防止入射流与环境气体混合，借此得到所述的浓度保持作用，以及
通过所述测定室测定挥发性有机物质和生理对照品的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括通过所述测定室测定酒精和二氧化碳的浓度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：由操作者手控起始命令进行呼吸采样，由所述测定室(4)的传感器信号控制气体吸入持续时间，在采样结束时或之后立即显示结果，并在分析有机物质前，停止采样和调零时的气体流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采样包含的体积和气体流分别不超过50ml和每秒10ml，在无显著的流阻下，采样基本上无接触，并且由泵元件(16)控制气体吸入。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：调零和功能测试是自动执行的，并且所述功能测试包括在测定变量的时间变化绝对值和存在接受器(2;41)方面进行控制。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测定是利用红外光谱分析进行的，并且包括测定所述采样获得的呼吸样品内除酒精以外的挥发性有机物质的存在。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采样时间由操作者的起始命令控制，并且气体吸入持续时间由所述测定室的传感器信号控制。
8.呼吸分析仪，该呼吸分析仪包含测定室(4)、包括在采样期间朝向受试者口和鼻以便接收呼出气体的进气孔(24)的连接所述测定室的接受器(2,41)、以及连接所述测定室的连接器(45)，其特征在于：接受器(2,41)为杯、漏斗或勺子的形状，其几何结构使得在所述进气孔(24)接收到的呼出的气体流一部分供给所述测定室，一部分回流至所述进气孔(24)。
9.根据权利要求8所述的呼吸分析仪，其特征在于：所述接受器(2;41)是可替换的并且包括用于分离所述采样获得的呼吸样品中的液滴或颗粒的元件，以及用于固定至身体部分的机械支撑元件。
10.根据权利要求8所述的呼吸分析仪，其特征在于：所述接受器(2;41)是可替换的并且包括用于分离所述采样获得的呼吸样品中的液滴或颗粒的元件，以及用于固定至鼻和下巴尖的机械支撑元件。
11.根据权利要求8所述的呼吸分析仪，其特征在于：所述测定室(4)包括用于多变量红外光谱分析的光源、反射器、色散元件和检测器。
12.根据权利要求8所述的呼吸分析仪，其特征在于：所述呼吸分析仪包括单手操作的手控部件(1)，可替换的接受器(2;41)和用于在非使用时放置所述手控部件(1)的插接站(3)。
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