CN104391087B - 一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种潮气呼气测定呼出气氧化氮的方法及装置，利用本发明装置可对吸气、呼气流量曲线必须进行测量监控，自动收集至少一个完整潮气呼气周期所呼出的气体，然后通过测量所收集气体中ＮＯ平均浓度，最后根据ＮＯ呼气生理模型推算呼气ＮＯ各项参数。

Description

一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度方法及装置

技术领域

本发明涉及呼气一氧化氮测量方法和设备。

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/ERSRecommendationsforStandardizedProceduresfortheOnlineandOfflineMeasurementofExhaledLowRespiratoryNitricOxideandNasalNitricOxide,2005”），2011年提出了其临床应用指南（AnOfficialATSClinicalPracticeGuideline:InterpretationofexhaledNitricOxideLevel(FeNO)forClinicalApplications）,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。

由于呼气ＮＯ与呼气流速有关，且容易受到鼻腔气的干扰，因而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）。

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。

对于不能自主控制呼吸的低龄儿童和重病患者，必须采样潮式呼吸的方法进行采样分析，相比标准呼气一氧化氮采样分析方法，潮式呼吸涉及到更高呼气流速、更浅的呼吸，更短的呼吸时间周期，在这种条件下是否能获得重复可靠且具有临床指导意义的数据一直是该行业关心的热点。

目前关于潮气呼气一氧化氮检测已提出并尝试了以下三种方法：

1.三室模型潮式呼气NO测试技术（JApplPhysiol96:1832-1842,2004）：根据三室模型分析潮式呼吸过程中呼气NO浓度的变化，通过数值模拟方法求解Jaw及Ca,但由于数据质量较差及数据处理复杂，方法较难推广应用；

2.二室模型潮式呼气NO测试技术(US2012/123288A1)：以呼气NO气体交换二室模型为基础，通过测量潮气呼气过程中NO浓度变化达到稳态时的数值反推标准呼气流量下的呼气NO浓度，通过改变潮气呼气阻力可调整潮气呼气流量，根据多个呼气流量及对应的稳态呼气NO浓度，通过数值算法求解呼气NO的各项参数。该方法对传感器的响应时间要求较高，且数值算法需要预设一些参数，应用起来较为复杂；另外，由于数据处理所依据的是稳态模型，而对于婴幼儿每分钟20~40次呼吸的呼吸频率，呼气NO浓度可能达不到上述模型假定的要求,由此可能导致较大的测量偏差；

3.直接潮气面罩呼气采样入气袋：这是最简单的潮气采样方式（目前所做的临床应用研究也最多），适用于3岁以下婴幼儿儿童，虽然从严格意义上讲，由于采样过程未规范化，影响测量结果的因素较多，测量的重复性较差，但由于对婴幼儿没有更好的采样分析方式，大量的临床应用研究表明，该采样方式所获得测量值在临床诊断及监控还存在重要的参考价值。

如果有一种方法能将潮气测量结果与ＡＴＳ推荐的标准采样测量结果关联起来，这样在临床应用上就能参考现有根据海量研究结果总结出来的呼气ＮＯ检测临床应用指南，因而具有非常重要的意义。目前针对潮气采样标准化技术的研究越来越多，相信不久就会提出有越来越多的解决方案，本发明方法只是众多方案的一种。

发明内容

本发明根据呼气一氧化氮双室模型，对潮气呼气过程NO的产生及传质过程进行分析，建立潮气呼气简化模型，并依此提出潮气呼气测试方法及装置，克服了上述方法的缺陷，所述采样装置可与商品化的肺功能仪、呼气机直接连接，适用于婴幼儿及重症病人的测量。

1.模型介绍

图1是呼气一氧化氮的二室生理模型，以下对潮气分析过程的分析依此模型而进行：将呼吸过程中气体的路径分为三个部分：空气、气道和肺泡。潮气呼吸过程分为：吸（吸入空气，通过气道后到达肺泡）和呼（将肺泡中气体通过气道呼出到空气中）。

在分析过程中涉及到的参数及其意义如表1所列：

J’aw (pl/s)	气道中产生的一氧化氮的最大气道壁通量
		Jaw (pl/s)	气道中产生的一氧化氮的总气道壁通量，近似等于J’aw
Vaw (mL)	呼气死体积，包括气道体积和采样设备的死体积，其中气道体积与身高体重有关，健康成年人一般为120-150ml
		τ (s)	残留时间，即气体将气道体积完全充满所需要的时间 即τ= Vaw/F
F (ml/s)	呼气流量，分为吸气流量Fin和呼气流量Fex
		VNO (mL)	气道中产生的一氧化氮的总体积
VNO(in) (mL)	吸气时气道产生的一氧化氮的体积
		VNO(ex) (mL)	呼气时气道产生的一氧化氮的体积
Ce (ppb)	呼出气一氧化氮浓度
		(ppb)	呼出气一氧化氮的平均浓度
ti (s)	吸气时间
		te (s)	呼气时间

在一次潮气呼吸过程中，流量F、呼气NO浓度Ce随时间t变化趋势如图2所示，其中0~ti为吸气过程，ti~te为呼气过程。

平均呼出气一氧化氮浓度为呼出气一氧化氮的体积V_NO与呼出气总体积Ve的比。即：=V_NO/Ve公式(1)，其中Ve为呼出气的总体积，Ve=F_ex*te公式(2)。

V_NO为呼出气中一氧化氮的体积，即一个呼吸周期t（0~te）内气道壁所有产生的NO体积中被呼气带出的部分。这在潮气呼吸过程中又分为两个部分：和。

1）：吸气过程in(0~ti)中，气道中原有的NO被吸气气流带入肺泡，而同时又会有NO生，不同吸气时间t时气道中总的NO的量（Jaw*t）除以整个气道体积Vaw（）为气道内单位体积中产生的NO的量，则吸气过程中气道中产生的NO气体体积随吸气时间t变化情况为气道内单位体积中产生的NO的量乘以吸气体积，即：

公式(3);

当吸气时间ti≤τ(in)时，吸入气体体积时，公式3成立；

当吸气时间ti＞τ(in)时，吸入气体体积大于气道体积Vaw，此时：

公式（4）

2）：呼气过程ex(0~te)中，同理可得：气道中产生NO气体体积随呼气时间分布为：公式(5)

当呼气时间te≤τ(ex)时，呼出气体体积时，公式5成立；

当呼气时间te＞τ(ex)时，呼出气体体积大于气道体积Vaw，此时：公式（6）。

以下考虑不同吸、呼气状态下，呼气NO浓度的变化情况。

1.1吸气时间和呼气时间均不大于气道残留时间

当ti≤τ(in)和te≤τ(ex)时，呼出气一氧化氮的体积，代入公式3和公式5，得到：公式(7)

对公式7中的积分进行展开计算，得：公式(8)

平静呼吸时，吸气量应该等于呼气量，即：公式（9）

所以ti=(F_ex/F_in)*te,代入公式8，并化简得：公式(10)

将公式2与10代入公式1中，得：公式(11)

考虑到空气浓度Cair，对公式11进行修正，得：公式（12）

所以最大气道壁通量公式（13）。

1.2吸气时间大于残留时间，呼气时间也大于残留时间

当ti>τ(in)和te＞τ(ex)时，呼出气一氧化氮的体积，代入公式4和公式6，得到：

将其展开，得公式（15）

将公式2与15代入公式1中，得：，即公式(16)

考虑到肺泡气NO浓度Ca，对公式16进行修正，得：

公式(17)。

1.3.吸气时间大于残留时间，呼气时间小于等于残留时间

当ti>τ(in)和te≤τ(ex)时，呼出气一氧化氮的体积，代入公式4和公式5，得到：公式（18）

根据公式9得：公式（19）

将公式2与19代入公式1中，得：公式(20)

此时，公式（21）。

1.4吸气时间小于等于残留时间，呼气时间大于残留时间

当ti≤τ(in)和te大于τ(ex)时，呼出气一氧化氮的体积，代入公式3和公式6，得到：公式（22）

根据公式9，代入ti=(F_ex/F_in)*te，并化简得：

公式（23）

将公式2与23代入公式1中，得：公式(24)

此时，公式（25）。

2实现方法

对呼吸过程而言，比较容易实现的方式为控制吸气和呼气时间均不大于（浅呼吸）或均大于（深呼吸）残留时间。在潮气呼吸时候通过流量监控，调节此时呼气和吸气阻力，使得呼气流量与吸气流量相等，即：，可简化计算公式。具体地：

1)当吸气时间和呼气时间均不大于气道残留时间，即呼气量和吸气量均不大于气道体积Vaw（潮气呼吸）时，可根据1.3中推导的公式，在呼气时记录呼吸时间te、空气NO浓度Cair及呼出气一氧化氮的平均浓度，可以获得最大气道壁通量Jaw、气道死体积Vaw与呼气时间te、呼出平均NO浓度的关系如公式26：公式(26)

2)当吸气时间和呼气时间均大于气道残留时间，即呼气量和吸气量均大于气道体积Vaw（主动呼吸或潮式呼吸）时，根据1.4中推导的公式，在呼气时记录呼吸流量Fex及呼出气一氧化氮的平均浓度1，可以获得最大气道壁通量Jaw与呼出平均NO浓度的关系如公式27：公式(27)

3)由于肺泡NO浓度Ca值一般<3ppb，若忽略Ca浓度，调节吸气呼气量均大于Vaw，记录平均呼气NO浓度和呼气流量，根据公式27，可得；

再调节吸气呼气量均小于Vaw呼吸，记录平均呼气NO浓度、呼气时间和空气NO浓度，并将计算得到的Jaw值代入公式(26)中，即可求出(28)。

3.实现装置

实现所述潮气分析测量的装置很简单，设计的关键在于保证：

1）吸气、呼气流量曲线必须进行测量监控；

2）保证收集的气体为至少一个完整呼气周期所呼出的气体；

3）测量结果为至少一个完整呼气周期所呼出的气体NO浓度的平均值。

图3为实现本发明方法一种装置，所述装置由吸呼气流量显示控制模块、流量传感器、呼吸三通、三通阀及气袋组成，其特征为：其中吸呼气流量显示控制模块用于指导控制受试者的呼吸频率调整及采样、排空的自动切换，保证气袋收集至少一个完整呼气周期的气体样品。

图4为实现本发明方法的另一种装置，所述装置由吸呼气流量显示控制模块、流量传感器、三通、缓冲室及NO传感器组成，其特征为：其中吸呼气流量显示控制模块用于指导控制受试者的呼吸频率调整，其中NO传感器位于缓冲室中用于测量缓冲室中NO的平均浓度。

附图说明

图1肺泡及气道一氧化氮产生及扩散双室模型。

图2.潮气呼吸流量曲线及呼气NO曲线示意图。

图3.潮气采样呼气NO分析装置示意图一。

图4.潮气采样呼气NO分析装置示意图二。

图5.潮气呼气测量结果与标准呼气条件测量结果的比较（呼气流量小于Vaw)。

图6.潮气呼气测量结果与标准呼气条件测量结果的比较（呼气流量大于Vaw)。

具体实施方式

图3为实现本发明方法的装置示意图，该装置由吸呼气流量显示控制模块100、流量传感器11、吸呼气三通21及三通阀31及气袋组成，其结构功能特点为：其中吸呼气流量显示控制模块用于指导控制受试者的呼吸频率调整及采样、排空的自动切换，保证气袋收集至少一个完整呼气周期的气体样品。

为了使受试者潮气呼气更加平稳，提高测试的重复性，简化公式运算，本装置提供了一个呼吸指导界面，它能引导受试者以更均匀平稳的方式进行呼吸，（如控制呼吸时间比接近1:1），另外通过呼吸流量的测量，呼吸显示控制模块可自动识别吸、呼过程，当呼吸过程平稳后，它可控制三通阀31进行切换，保证收集到气袋41中的气体为至少一个完整潮气呼气周期的气体。

收集到的气体可取下接入呼气NO分析仪进行分析，所得结果为一个呼气周期内的呼气NO浓度平均值。

图5、图6为利用本发明装置及方法对15名志愿者进行的潮气呼气测量方法及标准呼气测方法间的比较，由图可见二者相关性很好，证明了本方法的合理性。

当然，该装置也可整合到仪器中去，如在气袋前接一阀门，当采样结束后，自动打开阀门将气体通入测量仪中的NO传感器进行测量。

实现本发明方法的另一种装置如图4，该装置由吸呼气流量显示控制模块、流量传感器、三通、缓冲室及NO传感器组成，其结构功能特征为：其中吸呼气流量显示控制模块用于指导控制受试者的呼吸频率调整，其中NO传感器位于缓冲室中用于测量缓冲室中NO的平均浓度。

本装置在潮气呼气气路中串联一个缓冲室，该缓冲室通过合适的结构设计使其内气体浓度能快速混合均匀，同时保证在潮气呼气气流作用下气室内的气体能得到有效更新（最简单的设计为具一定直径的圆柱型管路或在气室内加一气体扰动装置），同时将NO传感器放入所述缓冲室中监测缓冲室内ＮＯ气体浓度的变化。由于只有呼出气体进入缓冲室，而且该气体进入缓冲室于缓冲室内的气体迅速混合均匀，因而传感器所测浓度为气室内的ＮＯ平均浓度，在潮气呼吸平稳后它反映的就是该潮气呼吸条件下的平均浓度。

本实施例所表述的方法和装置是例示性而非限制性的，本领域的技术人员可理解和实现公开实施例的变化。

Claims (7)

1.一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度方法，所述方法特征包括：在潮气呼吸过程中测量记录吸气、呼气流量随时间变化曲线，收集至少一个完整呼气周期的所有的呼出气气体，测量分析所收集的呼出气体的平均NO浓度，根据潮气呼气模型计算气道NO浓度相关参数；控制一次潮气呼吸周期内，吸气、呼气体积均小于气道死腔气体积Vaw，此时呼出气NO气体平均浓度与最大气道壁通量Jaw间的关系为：，其中Cair为吸入空气NO浓度，te为呼气时间，F_in、F_ex为平均吸呼气流量。

2.如权利要求1所述一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度方法，其特征在：控制一次潮气呼吸周期内，吸气、呼气体积均小于气道死腔气体积Vaw，且吸呼气流量基本一致，此时呼出气NO气体平均浓度与最大气道壁通量Jaw间的关系可近似为：。

3.一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度方法，所述方法特征包括：在潮气呼吸过程中测量记录吸气、呼气流量随时间变化曲线，收集至少一个完整呼气周期的所有的呼出气气体，测量分析所收集的呼出气体的平均NO浓度，根据潮气呼气模型计算气道NO浓度相关参数；控制一次潮气呼吸周期内，吸气、呼气体积均大于气道死腔气体积Vaw，且吸呼气流量基本一致，此时呼出气NO气体平均浓度与最大气道壁通量Jaw间的关系为,其中Ca为肺泡NO浓度，te为呼气时间，F_in、F_ex为平均吸呼气流量。

4.如权利要求3所述一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度方法，其特征在：控制一次潮气呼吸周期内，吸气、呼气体积均大于气道死腔气体积，且吸、呼气流量基本一致，此时呼出气NO气体平均浓度与最大气道壁通量Jaw间的关系可近似为：。

5.一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度方法，其特征在：在潮气呼吸过程中测量记录吸气、呼气流量随时间变化曲线，收集至少一个完整呼气周期的所有的呼出气气体，测量分析所收集的呼出气体的平均NO浓度，根据潮气呼气模型计算气道NO浓度相关参数；控制一次潮气呼吸周期内，吸气、呼气体积均小于气道死腔气体积Vaw，此时呼出气NO气体平均浓度与最大气道壁通量Jaw间的关系为：；控制另一次潮气呼吸周期内，吸气、呼气体积均大于气道死腔气体积Vaw，且吸呼气流量基本一致，此时呼出气NO气体平均浓度与最大气道壁通量Jaw间的关系为，利用两次测量结果建立联立方程组计算气道死腔气体体积Vaw，其中Cair为吸入空气NO浓度，Ca为肺泡NO浓度，te为呼气时间，F_in、F_ex为平均吸呼气流量。

6.一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度的采样装置，由吸呼气流量显示控制模块、流量传感器、吸呼气三通、三通阀及气袋组成，其特征为：其中吸呼气流量显示控制模块用于指导控制受试者的呼吸频率调整及采样、排空的自动切换，保证气袋收集至少一个完整呼气周期的气体样品。

7.一种潮气呼气测定呼出气一氧化氮浓度的采样装置，由吸呼气流量显示控制模块、流量传感器、三通、缓冲室及NO传感器组成，其特征为：其中吸呼气流量显示控制模块用于指导控制受试者的呼吸频率调整，其中NO传感器位于缓冲室中用于测量缓冲室中NO的平均浓度。