CN103487295A

CN103487295A - 呼气一氧化氮测量采样装置

Info

Publication number: CN103487295A
Application number: CN201310484396.7A
Authority: CN
Inventors: 郭世英; 韩杰; 邓中全; 韩宏益
Original assignee: Wuxi Sunvou Medical Treatment Electronic Co Ltd
Current assignee: Wuxi Sunvou Medical Treatment Electronic Co Ltd
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: CN103487295B

Abstract

一种呼气一氧化氮测量采样装置，通过使用舵机控制旋转柱状体的转向来控制通过其中气体的截面积以实现气体流量控制的目的，这使得在采集人体呼出气一氧化氮时，可以不用对受试者的呼气流量进行限制，所述装置根据实际呼气流量自动调节至所需流量，用以呼出气体的采集。

Description

呼气一氧化氮测量采样装置

技术领域

本发明涉及呼气采样领域。

背景技术

呼气一氧化氮作为气道炎症的标志物用于哮喘等呼吸病的检测分析已经获得医疗界充分肯定。美国胸腔协会和欧洲呼吸协会在2005年联合制定与公布了进行该测量的标准化方法“ATS/ERS Recommendations for Standardized Procedures for the Online and Offline Measurement of Exhaled Low Respiratory Nitric Oxide and Nasal Nitric Oxide, 2005”，2011年提出了其临床应用指南（An Official ATS Clinical Practice Guideline: Interpretation of exhaled Nitric Oxide Level( F_eNO) for Clinical Applications）, 这些标准与指南用来指导如何进行检测与将检测结果用于哮喘等呼吸病的诊断与疗效评价。

ATS/ERS推荐的标准化呼气一氧化氮测量方法用于测量下呼吸道的炎症，要求在至少5cmH₂O的呼气压力下，在50ml/s 的固定呼气流速下进行单次持续呼气10秒（或儿童6秒），这对于儿童及部分由呼吸系统疾病的成年人来说，存在一定的困难，美国FDA正对NIOX MINO（Aerocrine AB）指出，测量呼气ＮＯ需要受过训练的保健专业人员指导，并且该测量不能用于婴儿或７岁以下的儿童使用。

以恒定流速呼气最直接的方法是通过测量呼气流速并指示，然后呼气者通过指示的反馈信号自主调节呼气力度来实现，在实际应用过程中发现，要将呼气流速在2~3秒时间内持续控制在45~55ml/s范围内还是有一定难度的。

为了降低呼气流量控制的难度，扩展呼气一氧化氮测试的适用人群，美国胸科学会2005年在ATS/ERS eNO测定技术标准指南中推荐了一种检测一氧化氮的离线采样技术，它让患者在呼气时在装置外先排空死腔气然后进行收集测试气；而GE Water＆Process Technologies公司公开的技术中采用鲁尔阀进行控制排空。

以上采样技术都是用过机械式采样器，它存在的问题有：

1) 机械式采样器通过压力表显示流量，手动按钮调整排空和采样通道，存在压力测不准，及排空时间不准，容易导致离线采样的气体不能达到国际标准要求的条件；

2) 机械式采样器加工难度大（孔径小精度要求高），生产调测难度大，一旦加工失败，不可修补；

3) 在受试者培训不足或者个体差异，容易导致离线采样得到的气袋测试结果和在线测试结果存在差异情况，以及重复性不良；

4) 受试者在呼气过程中，由于收集气袋的体积膨胀所造成的压力会影响呼气流量的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种呼气一氧化氮测量采样装置，以克服上述方法的缺陷。

本发明的装置的结构为：气体经过流量调节器（由舵机(2)和装在其上的旋转柱状体(1)构成）、通过三通阀(5)切换先通过排空气路排空后通过采样气路进入气袋(6)，气路中三通阀(5)的前端接有压力传感器(3)和控制模块(4)，使用过程中通过舵机(2)控制旋转柱状体(1)的转向来控制通过气体的截面积来调节通过气体的流量。

具体的说就是根据呼气流量，预先标定系统的压差范围，在进行口呼气采样时，如果呼气流量较大，压力传感器所测得的压差较大，就通过控制模块自动反馈调节舵机减小舵机通径，使得呼气流量下降，系统的压差下降；如果呼气流量较小，压力传感器所测得的压差较小，通过控制模块自动反馈调节舵机增大舵机通径，使得呼气流量上升，系统的压差增大。这要求反馈速度足够快（0.5s内），就能将呼气流量控制在所需的范围内。

根据伯努利方程：p+ρgz+(1/2)*ρv^2=C

上式各项分别表示单位体积流体的压力能 p、重力势能ρg z和动能(1/2)*ρv ^2，在沿流线运动过程中，总能量为一常数保持不变，即总能量守恒，但各流线之间总能量可能不同。对于气体，可忽略重力，方程简化为p+(1/2)*ρv ^2＝常量(p_总)，各项分别称为静压、动压和总压。显然，气体流动中速度增大，压强就减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大(理论上应等于总压)。

本发明中的压力传感器测量的是管路与大气间的压力差p₁，而在实际使用时与流量相关联的是管路与气袋内气体的压力之差p₁- p₂（p₂为气袋内气体压力）。

当不使用气袋时（气体直接排空到大气），p₂接近零，管路与气袋内气体的压力之差p₁- p₂= p₁, p₁与呼气流量v的关系可以通过标定的方法来获得：用气体质量流量计控制气体流速通入所述呼气一氧化氮采样装置，记录压力传感器测量值p₁与与呼气流量v的值，作图得到相应关系曲线p₁- p₂= p₁= g(v)，利用该关系可通过压力传感器压力测量值p₁反馈控制呼气流量v。

当设备后端接有采样气袋时，气袋内气体压力不能忽略，气袋内气体压力p₂与呼气流量v、呼气时间t及采样体积V有关，它们之间的关系可以通过标定的方法来获得：通过气体质量流量计控制气体流速，将其通过所述呼气一氧化氮采样装置后通入所述气袋，记录气袋压力p₂与通入气体体积V的值，作图得到相应的关系曲线p₂= f (V)，其中V=∫vt，由于p₁- p₂= g(v)，所以p₁= g(v)+ f (V)，其中V=∫vt。其中气袋压力p₂与收集气体体积的函数关系，与气袋材料和气袋容积有关，更换不同的气袋时，都需要重新对公式p₂= f (V)进行标定。参数标定好后，在实际使用时，根据压力传感器所记录压力p₁，调用上述关系式可以反馈控制呼气流量v。

对所述呼气一氧化氮电动采样装置的压力传感器(3)在流量45~55ml/s范围内标定好压力值，使用时当气体流量超过45ml/s后流量会自动调节控制在45~55ml/s。要求呼气排空时间1~5s，排空后即进入合格采样，可多次采样。总呼气时间不超过15s。

当呼气开始时，会首先选择排空气路，当流量超过45ml/s，并且时间超过3s后，三通阀会打开，选择呼气气路，将呼气输送到气袋中，直到呼气压力下降，流量低于45ml/s。完成一次采样。可多次采样，将气体累计存储在气袋中。气袋的材料选择对一氧化氮既无吸附也无释放，同时材质柔软的的材料，如聚酰胺、聚乙烯或其复合材料的气袋。

本发明也可以用于采集不同流量下的口呼气。对不同流量标定其对应压力值，存入控制模块(4)中，使用时根据所需要得到的流量值，调用其相对应的压力值，通过舵机(2)控制旋转柱状体(1)的不同转向得到相应的通过气体的流量。当呼气流量超过45ml/s后流量会自动调节控制在采样要求的流量。

附图说明

图1为本发明呼气一氧化氮测量电动采样器的结构图。

图2为本发明在使用时不同初始呼气流量呼气时实时呼气流量随呼气时间的曲线。

图3为本发明在使用时不同初始呼气压力呼气时实时呼气压力随呼气时间的曲线。

具体实施例

使用本发明采集标准呼气流量（45~55ml/s）的人体口呼气一氧化氮气体，使用SV-D100型纳库库仑呼气分析仪对其一氧化氮浓度进行检测。

按照ATS/ERS《eNO测定技术标准指南》中推荐了一种检测一氧化氮的离线采样技术，调节所述呼气一氧化氮测量电动采样器参数，进行样品气采样，采样过程如下：要求呼气流量超过45ml/s，排空和采样通道的呼气阻力均为5～20cmH₂O，呼气排空时间3s，排空开始后1s内，即可将流量调整在45～55ml/s，排空后即进入合格采样，可多次采样（每次均经过排空后进行），总呼气时间不超过10s。气袋选用聚酰胺和聚乙烯的复合材料。

图2给出了本发明在不同初始呼气流量在使用时的实时呼气流量随呼气时间的曲线，结果表明不论初始时以什么流速呼气，在4s（呼气排空时间3s，排空开始后1s采样）之后的呼气流量都能维持在恒定的区间范围内（45~55ml/s）。这说明不需要对呼气力量进行认为精密的调整就能达到呼气流量控制的要求，呼气控制更简单了，3岁以上儿童均可成功采样。另外，利用所述采样器，可进行多口气采样，直到采集足够量的满足要求的呼气气体，这也降低了呼气采样难度。

呼气压力与呼气流量是正相关的，图3是图2中四种不同的初始呼气流量所对应的不同初始呼气压力，并记录了呼气压力随呼气时间变化的曲线，结果表明不论以什么压力呼气，呼气4s后的呼气压力都能维持在恒定的区间范围内。

表格1列出了不同测试人员使用所述呼气一氧化氮测量电动采样器，在不同呼气状态下采集的口呼气一氧化氮（eNO）的测试结果，由于eNO测试值是与呼气流量直接相关，可以用eNO结果指示呼气流量，结果表明，使用本发明对不同人员进行离线采样时，测试结果与呼气状态无关，并与在线测试的结果一致。这表明了使用本发明的呼气一氧化氮采样装置，降低了呼气难度，提高了呼气采样的成功率，测试结果准确可靠。

Figure 2013104843967100002DEST_PATH_IMAGE001

Claims

1.一种呼气一氧化氮测量采样装置，气体经过流量调节器、三通阀(5)切换排空和采样气路后进入气袋(6)，气路中接有压力传感器(3)和控制模块(4)，其特征在于：所述流量调节器由舵机(2)和装在其上的旋转柱状体(1)构成，使用中通过舵机(2)控制旋转柱状体(1)的转向来控制通过其的气体的截面积来调节通过气体的流量；在使用气袋收集呼气一氧化氮气体时，根据气袋体积，本装置可以自动反馈调节气路压力，维持流量在所指定范围内。

2.如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：对所述压力传感器(3)在不同流量范围内标定好对应压力值，使用时根据所需要获得的呼气流量调用不同压力值，对系统压力进行调节。

3.如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：在没有接气袋时，直接调用事先标定好的压力数值调节舵机上旋转体的截面积；在连接收集气袋采样时，根据已收集气体的体积，计算气袋阻力，对整个体系的压力进行反馈调节，维持呼气流量。

4.如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：对获得呼气流量在45~55ml/s范围内的口呼气，使用时当流量超过45ml/s后流量会自动调节控制在45~55ml/s，整个呼气过程维持呼气阻力在5～20cmH₂O。

5.如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：末端连接的气袋(6)可以更换，对不同的材料、不同阻力的气袋，在流量45~55ml/s范围内标定好压力值。

6.如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：要求呼气排空时间1~5s，排空后即进入合格采样，可多次采样。

7.如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：总呼气时间不超过15s。

8.如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：对气袋(6)的材料的选择，选择对一氧化氮既无吸附也无释放，同时材质柔软的的材料，包括聚酰胺、聚乙烯或其复合材料的气袋。

9.如如权利要求1所述呼气一氧化氮采样装备，其特征在于：可以采集不同流量下的口呼气。