CN102596030B - 用于测量呼出气中特定气体的水平的设备 - Google Patents
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Abstract
本文提供了一种用于测量呼出气中指定气体的水平的设备，所述设备包括：光声传感器，所述光声传感器用于提供表示所述呼出空气中指定气体的水平的测量结果，其中，所述光声传感器包括以第一频率调制的光源；声速测量模块，所述声速测量模块用于测量呼出气的声速，其中，所述声速测量模块工作于显著不同于第一频率的第二频率下或工作于脉冲模式中；其中，在呼气期间根据所测量的所述呼出气的声速来调节经调制的光源的第一频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量呼出气中特定气体的水平的方法和设备。
背景技术
已知可以将呼出空气中一氧化氮(NO)的浓度用作各种病理状况的指标。例如，呼出一氧化氮(eNO)的浓度是气道炎症的无创标记。气道炎症通常存在于患哮喘的人体内，可以在测试中使用对高浓度eNO的监测，这在识别哮喘中是有用的。此外，可以使用eNO的测量结果来在抗炎哮喘管理中监测吸入性糖皮质激素(ICS)的效力，以滴定ICS剂量。
测量eNO的标准方法要求在至少5cmH2O的过压下以50ml/s的固定流速进行单次呼气测试。该呼气测试要求在至少10秒的给定时段内保持恒定的呼气流量，而呼吸困难的那些人或幼儿执行起来却并不简单。因此，常规的装置利用视觉和听觉反馈信号来引导用户成功完成该测试。市面上可以从Aerocrine和Apieron获得的系统已经获得美国FDA的认证，用作医师办公室中在受过培训的操作人员的监视下对7-18岁青少年以及成年人的标准eNO测量。当前市面上没有经FDA认证的用于幼儿的系统。
很明显，更为简明且自然的呼吸流程(例如潮式呼吸)将更适于幼儿以及用于非专业(即家庭)用途。
在欧洲专利申请No.09166814.5中已经提出，在呼气期间测量流速和eNO，随后利用描述气道系统中NO的生成和传输的模型来分析所测量的数据。这样，能够从潮式呼吸方式(pattern)推断出独立于流量的参数，如果必要，还能够导出在标准方法中所使用的以50ml/s的值。
已经开发了一种利用NO到NO2(一氧化氮到二氧化氮)转换器和NO2的光声传感器来测量eNO的设备。后者已经在Kalkman和VanKesteren在AppliedPhysicsB90(2008)第197-200页发表的“RelaxationeffectsandhighsensitivityphotoacousticdetectionofNO2withabluelaserdiode”一文中进行了描述。这种设备结合NO到NO2转换器，实现了在低的亿分之一(ppb)范围中NO的检测极限以及潮式呼吸所需的对NO浓度的实时测量，但是需要将具有高品质因数的声学谐振器作为光声传感器的一部分，以便达到这一检测极限。
然而，在潮式呼吸期间，呼出气中O2和CO2的浓度改变，这导致呼出空气的声速改变。声学谐振器的谐振频率的相关偏移导致响应于呼气期间NO的变化。
在Arnott等人的题为“Photoacousticspectrometerformeasuringlightabsorptionbyaerosol:instrumentdescription”[AtmosphericEnvironment33(1999)第2845-2852页]的文献中，描述了一种声光光谱仪，其组合了用于生成声音的压电盘，所述声光光谱仪能够用于确定光声单位(cell)的谐振频率。这种光谱仪可以工作于某种模式以确定与压电盘的谐振频率，或者可以工作于光声气体感测模式，在光声气体感测模式中光源以固定频率进行调制并关闭压电盘。对于成分和温度变化缓慢的环境空气而言，这种方案满足要求。然而，对于先前所描述的设备，这种光声光谱仪不能够针对在呼气期间由于O2和CO2的浓度改变造成的谐振频率偏移进行调节。
原则上，光声传感器能够在声学谐振器的各种模式下工作，并且能够选择非干扰的纵向和横向模式用于光声感测和谐振跟踪。实际上，包含纵向和横向模式导致大的谐振器尺寸和灵敏度的显著损失。
发明内容
因此，需要一种克服了对呼出气中NO和其他特定气体的这种测量问题的经改进的设备。此外，如果用于呼出气中的NO检测的传感器模块提供NO浓度以及气体混合物的流量和摩尔质量以实现对气道中NO产生和传输的精确分析将是有利的。
因此，本文提供了一种用于测量呼出气中指定气体的水平的设备，该设备包括：光声传感器，所述光声传感器用于提供表示呼出空气中指定气体的水平的测量结果，其中，该光声传感器包括以第一频率调制的光源；声速测量模块，所述声速测量模块用于测量呼出气的声速；其中，在呼气期间根据所测量的呼出气的声速来调节经调制的光源的第一频率。
根据本发明的第二方面，本文提供了一种测量呼出气中指定气体的水平的方法，该方法包括：测量呼出气的声速；在呼气期间根据呼出气的声速来调节光声传感器中的光源的调制频率；并利用光声传感器提供表示呼出气中指定气体的水平的测量结果。
附图说明
现在将参考附图，仅以举例方式，详细地描述本发明的实施例，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施例的设备的方框图；
图2是根据本发明的第二实施例的设备的方框图；
图3是根据本发明的第三实施例的设备的方框图；以及
图4是图示说明根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的用于测量呼出一氧化氮(NO)水平的设备的第一实施例。设备2包括患者向其中呼气的呼吸管或面罩4、位于呼吸管4中的声速测量模块6、湿度降低单元7、用于将呼出气的小测量样本中的一氧化氮转换成二氧化氮(NO2)的一氧化氮到二氧化氮转换器8，以及测量所述测量样本中二氧化氮的水平的光声传感器10。
声速测量模块6优选工作于超声频率范围(即，通常在20kHz和200kHz之间)中，并测量声脉冲在沿呼出气的流动方向和反向的一对换能器12、14之间的通过时间。流量是从通过时间的差导出的并且独立于气体成分(即，不受氧气和二氧化碳浓度改变的影响)。在潮式呼吸期间，声速测量模块6允许设备2考虑患者气道中流量相关的NO产生。
在两个换能器12、14之间的超声脉冲通过时间的和被用于导出呼出气体混合物的声速，这一信息被用于调节光声传感器10的频率。这显著地改善了在潮式呼吸期间eNO检测的精度。结合呼出气的温度，该温度是众所周知的，呼出气的摩尔质量还能够从超声脉冲通过时间的和导出。为了更高的精度，可以将温度传感器21合并到呼吸管4中。呼气期间摩尔质量图(pattern)的形状，类似于二氧化碳描记图，提供了关于呼吸道中CO2/O2气体交换和阻塞的信息，可以在如欧洲专利申请No.07111132.2中所描述的在对气道中流量相关的NO产生的分析中考虑该信息。
在图示的实施例中，该对换能器12、14相对垂直于呼出空气通过设备2的方向的平面以非零度角布置。换言之，换能器12、14跨呼出气的流动方向以某一角度发射超声脉冲。
换能器12、14中的每个用作发射器以及接收器，以实现对跨呼出空气流的两个方向上的短超声脉冲的通过时间的测量。
呼出气中通过管4的部分被分离成侧流16，以提供测量样本，将所述测量样本传送至湿度降低单元7和NO到NO2转换器8。根据转换器的材料和成分，通常有80％到100％的NO被转换成NO2。在转换器8之后，测量样本(具有NO2)被传送至光声传感器10中，所述光声传感器确定NO2浓度。
光声传感器10包括：谐振器管18，所述谐振器管18工作于纵向平面波模式并具有fr的谐振频率；激光器20，所述激光器20生成通过窗口19和缓冲体积15到达谐振器管18中的测量样本的激光束。传声器22记录由通过测量样本的激光束生成的声音的强度。激光器20生成具有在NO2的吸收范围之内的波长的激光束，并且以大致对应于谐振器管18的谐振频率fr的频率调制激光束的强度。周期性的光学能量吸收以及随之的热能量释放导致传声器22拾取的压力变化。激光调制频率下同步检测传声器信号得到与NO2浓度成比例的信号。
最佳尺度以及因此谐振器管18的谐振频率fr取决于许多因素，例如所检测气体的弛豫动力学、传声器22的谱噪声行为、干扰噪声源等。通常，谐振频率fr是从数百Hz到数kHz的频率。在光声传感器10用于检测NO2的水平时，谐振频率例如可以为5kHz。
优选地，声速测量模块6工作于显著不同于谐振器管18的谐振频率的频率下(或者声速测量模块6工作于脉冲模式)。
如在背景技术部分中所指出的，品质因数描述了光声谐振器的谱带宽，并且品质因数等于谐振频率fr除以带宽。光声谐振器的典型品质因数在5到50的范围中。在一个实施例中，如果声速测量模块6工作所处的频率偏离光声传感器10的谐振频率fr的带宽超过5倍，声速测量模块6工作所处的频率显著不同于谐振器管18的谐振频率。
这允许对声速的测量与光声传感器10分析测量样本同时进行，或者基本同时地进行(即，能够在受检者进行正常呼吸期间执行这两种测量)。例如，声速测量模块6所使用的频率可以在数十kHz到数十MHz的范围中，因为这些高频率在小距离上实现了精确的通过时间测量，并且不会与数kHz到数百Hz的声学谐振频率相干扰。
在声速测量模块6工作于脉冲模式时，典型的脉冲可以是100kHz的波的两个周期。同样地，对于NO2检测，谐振频率可以是5kHz。
如在背景技术部分中所描述的，谐振器管18的品质因数优选是高的，以实现对在低的亿分之一(ppb)范围中的NO2浓度的精确检测。然而，高的品质因数使得设备2对呼出气中像O2和CO2的主要组成的变化更为敏感，而这些组成在潮式呼吸期间确实会有变化。
因此，提供了处理器24，处理器24连接到声速测量模块6，以接收脉冲通过时间，从由换能器12、14中的每个到另一个的超声通过时间的差导出呼气流量的幅度以及从通过时间的和导出呼出气混合物的声速。呼气流量与呼出NO水平结合用于导出描述气道中的NO产生和传输的一个或多个独立于流量的参数。
处理器24使用呼出气的声速来导出针对光声传感器10中的激光器20的控制信号。该控制信号用于精细调整光声传感器10中的激光器20的调制频率。优选地，在呼吸循环期间连续或规律地调节光声传感器10中的激光器20的调制频率。声速和谐振频率的改变相耦合，因为谐振器管18具有固定的长度。因此，为了实现光声传感器的最佳性能，必须针对气体成分的改变调节谐振频率并因此调节激光调制频率。
应当认识到，呼吸管4中接近声速测量模块6的呼出空气和光声传感器10中的测量样本内的呼出空气的温度和湿度存在差异。此外，在超声频率范围内测量的声速能够轻微偏离光声传感器10的谐振频率处相关的声速。在固定的设备2中，即在声速测量模块6和光声传感器10之间的距离和相应布置固定的情况下，能够分离地确定温度差异(可能在校准测试中)，并且能够在处理器24中设置校正常量以补偿先前的影响。在备选方案中，温度传感器21和23分别合并到呼吸管4和光声传感器10中。因为声速对温度的相关性是已知的，所以能够针对温度差异精确地补偿声速。湿度差异对声速的影响比温度差异的影响要小很多，因而通常不必补偿这种影响。呼出空气的湿度接近饱和，同时湿度降低单元7以已知的方式降低湿度，因而湿度差异是已知的，并且如果有必要，能够针对这种差异来补偿声速。当超声传感器工作于低于100kHz的频率时，由于在光声传感器10和在声速测量模块6中施加的声音频率的差异而导致的声速差异将通常是可忽略的。
此外，根据侧流16的特定长度和流量，在声速测量模块6的测量和光声传感器10的测量之间会存在小的时间延迟。处理器24可以被配置成考虑这一时间延迟。
在图2中示出的本发明的备选实施例中，基于超声通过时间测量结果的声速测量模块6，以及超声传感器10能够被组合成单个装置。具体而言，通过时间传感器6能够被合并到缓冲腔15中，这实现了对测量样本的声速的精确检测。这种组合是可能的，因为声速测量模块6工作于数十kHz到数十MHz范围的频率，并且这些高频率实现了在小距离上的精确的通过时间测量，并且不会与在数kHz或数百Hz处的声学谐振相干扰(即，如在上述实施例中，声速测量模块6工作于显著不同于在谐振器管18的谐振频率所在的频率范围的频率范围中(或者声速测量模块6工作于脉冲模式))。
在图3中示出了第三实施例。光声池(cell)是由透明材料制成的，例如，是由玻璃制成的，具有工作于谐振频率fr的谐振腔18，连同窗口19的位置周围的声压节点以及传声器22的位置处和各窗口之间的中间处的压力波腹(pressureantinode)。声速测量模块包括两个反相调制的光源31和32(例如，两个LED)和拾取所生成的声音信号的传声器22。所述声音是由谐振器腔18的壁对光的部分吸收以及与谐振器腔18内部的气体耦合的热而生成的。声速测量模块利用光声池在接近的1/2fr的频率处的特定纵向谐振。这种模式不与fr下的模式相干扰，因为其仅受反相调制的光源31和32的激发的反相压力波腹的激发。在(光声)池长度上具有大致恒定功率分布的激光束将不会激发这种模式。从光源31、32的调制频率导出声速，从而产生最大传声器信号。处理器24基于这一信号计算谐振频率fr并相应地调节激光器调制频率。LED源31、32的波长不是关键，因为光声池壁通常具有宽的吸收特征。从光源31、32的最佳调制频率导出的声速连同由温度传感器23确定的气体混合物的温度将产生光声池中气体样本的摩尔质量。在这一实施例的一个具体实施方式中，针对NO2检测的谐振频率是5kHz，声速测量模块6工作所处的频率为2.5kHz的频率，并且光声传感器10的品质因数为20。
在本发明的各实施方式中，在设备2用于检测除NO以外的特定气体的水平的情况下，激光器20被配置成生成具有在该特定气体的吸收范围之内的波长的激光束。此外，可以根据呼出气中待测量的特定气体按照需要修改或省去转换器8。
在图4中示出了根据本发明的确定呼出气中一氧化氮水平的方法。在步骤101中，呼出气样本通过声速测量模块6。然后，在步骤103中，确定自测量流程开始的时间。
然后，在步骤105中，测量呼出气的流速，优选利用如上所述的超声流量传感器6。
在步骤107中，确定呼出气的声速。
在步骤109中，从呼出气样本的通过时间和温度来确定摩尔质量。
在步骤111中，使呼出气样本的测量样本通过湿度降低单元7、NO到NO2转换器8，并将所得的样本传送到光声传感器10的谐振腔18中(步骤113)。
在步骤115中，生成具有在NO2的吸收范围之内的波长的激光束，并且以大致对应于光声传感器10的谐振频率的频率来调制激光束的强度，所述频率是从(呼出)气样本的声速，考虑了针对侧流样本管线16中的声速和气体通过时间的校正因子而确定的。
在步骤117中，利用针对NO2的每浓度单位的传音器输出的仪器常量和针对转换器8的NO2到NO的转换率，从所测量的声音确定呼出气中的NO水平。
最后，在步骤119中，创建输出数据集，所述数据集组合了NO浓度和对应的流量、摩尔质量和自测量开始的时间。
该方法然后返回至步骤101并针对每时间帧重复数据生成。应当认识到，由于该方法用于潮式呼吸期间，因此该方法连续重复。
根据这一方法生成的针对一次或多次呼气的所有输出数据集形成用于分析模块的输入，所述分析模块提取描述气道中的NO产生和气体传输的一个或多个参数。这些继而提供了对气道炎症的度量，或者连同关于气道中的阻塞的信息。
因此，本文提供了一种用于测量呼出气中特定气体、特别是一氧化氮的水平的经改进的设备。
尽管已经在附图和说明书中详细图示说明和描述了本发明，但这样的图示说明和描述应当被认为是说明性的或例示性的，而非限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、公开和权利要求书，在实施所主张的发明时，能够理解和实现所公开的实施例的各种变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且定语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求书中所记载的若干项目的功能。事实上，在相互不同的独立权利要求中所记载的特定措施不表示不能够使用这些措施的组合，以获得益处。计算机程序可以存储/分布在连同其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分的适当介质上，例如光学存储介质或固态介质，但还可以以其他形式进行分布，例如经由因特网或其他有线或无线通信系统进行分布。权利要求书中的任何附图标记不应解释为对范围构成限制。
Claims (14)
1.一种用于测量呼出气中指定气体的水平的设备(2)，所述设备(2)包括：
光声传感器(10)，所述光声传感器被配置成提供表示呼出空气中所述指定气体的水平的测量结果，其中，所述光声传感器(10)包括光源(20)，所述光源被配置成生成以第一频率调制的光；
声速测量模块(6)，所述声速测量模块被配置成测量所述呼出气的声速，其中，所述声速测量模块(6)被配置成在显著不同于所述第一频率的第二频率下或者在脉冲模式中测量所述声速；以及
处理器(24)，所述处理器被配置成在呼气期间根据所测量的所述呼出气的声速来调节经调制的光源(20)的所述第一频率，使得针对所述呼出气的气体成分的改变来调节所述第一频率。
2.根据权利要求1所述的设备(2)，其中，所述光声传感器(10)包括被配置成工作于平面波模式中的谐振器腔(18)，并且其中，所述处理器(24)被配置成根据所测量的所述呼出气的声速以及所述谐振器腔(18)的声学模式来调节所述经调制的光源(20)的所述第一频率。
3.根据权利要求1或2所述的设备(2)，其中，所述声速测量模块(6)包括一对换能器(12、14)，每个换能器(12、14)被布置成发射通过所述呼出气到达另一换能器(12、14)的超声脉冲。
4.根据权利要求1或2所述的设备(2)，其中，所述声速测量模块(6)包括光声单元，所述光声单元包括反相调制的两个光源。
5.根据权利要求4所述的设备(2)，其中，所述声速测量模块(6)被配置成工作于大致为所述第一频率的一半的第二频率下。
6.根据权利要求1或2所述的设备(2)，其中，所述声速测量模块(6)包括：
一对换能器(12、14)，该对换能器被布置在所述呼出气要通过的通道(16)的相对侧上，每个换能器(12、14)被布置成发射通过所述呼出气到达另一换能器(12、14)的超声脉冲，并提供指示所述超声脉冲的通过时间的信号；其中，该对换能器(12、14)被布置成使得每个换能器(12、14)沿着相对于与所述呼出气流动的方向垂直的平面有非零角的轴发射其各自的超声脉冲；
其中，所述处理器(24)被配置成从所述通过时间的和来确定在所述呼出气中的所述声速，并从所述超声脉冲通过所述呼出气的所述通过时间的差来确定呼气流量；并且
其中，所述设备(2)被配置成提供所述指定气体的测量结果和所述呼气流量。
7.根据权利要求1或2所述的设备(2)，其中，声速测量模块(6)包括：
一对换能器(12、14)，该对换能器被布置在所述呼出气要通过的通道的相对侧上，每个换能器(12、14)被布置成发射通过所述呼出气到达另一换能器(12、14)的超声脉冲，并提供指示所述超声脉冲的通过时间的信号；以及
温度传感器(21)，所述温度传感器用于确定接近所述换能器(12、14)的所述指定气体的温度；
其中，所述处理器(24)被配置成从所述超声脉冲的所述通过时间来确定在所述呼出气中的所述声速，并从所述通过时间和温度来确定摩尔质量；并且
其中，所述设备(2)被配置成提供所述指定气体的测量结果和所述摩尔质量。
8.根据权利要求1或2所述的设备(2)，其中，所述指定气体是一氧化氮。
9.根据权利要求8所述的设备(2)，其中，所述设备(2)还包括转换器(8)，所述转换器用于将所述呼出气中的一氧化氮转换为二氧化氮，以提供测量样本，并且其中，所述光声传感器(10)被配置成测量所述测量样本中的二氧化氮的水平，所测量的二氧化氮的水平对应于所述呼出气中的一氧化氮的水平。
10.根据权利要求9所述的设备(2)，其中，所述处理器(24)被进一步配置成基于在一次或多次呼气期间所呼出的一氧化氮和流量图来确定描述气道中一氧化氮产生的一个或多个参数。
11.根据权利要求9所述的设备(2)，其中，所述处理器(24)被进一步配置成基于在一次或多次呼气期间所呼出的一氧化氮、流量和摩尔质量图来确定描述气道中一氧化氮产生的一个或多个参数。
12.一种测量呼出气中指定气体的水平的方法，所述方法包括：
测量所述呼出气的声速(107)；
在呼气期间根据所述呼出气的所述声速来调节光声传感器中光源的调制频率(115)，使得针对所述呼出气的气体成分的改变来调节所述调制频率；以及
使用所述光声传感器提供表示所述呼出气中所述指定气体的所述水平的测量结果(117)；
其中，所述声速是在显著不同于所述调制频率的频率下或在脉冲模式中测量的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光声传感器通过如下步骤提供表示所述呼出气中所述指定气体的所述水平的测量结果：
使激光束通过包含在所述光声传感器的谐振腔中的所述呼出气的测量样本，所述激光束具有在所述指定气体的吸收范围之内的波长；以及
测量由通过所述呼出气的所述测量样本的所述激光束生成的声音，以提供表示所述呼出气中所述指定气体的所述测量结果(117)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述指定气体是一氧化氮，并且其中，所述方法还包括如下步骤：
使所述呼出气的样本通过一氧化氮到二氧化氮转换器，以生成测量样本(111)；
其中，所述光声传感器测量所述测量样本中的二氧化氮的水平，以提供表示所述呼出气中一氧化氮的水平的测量结果。
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