CN104970795B - 用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置 - Google Patents

用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量和分析多次呼吸洗出过程的装置，其特征在于用超声波流量摩尔质量传感器测定主流中被患者吸入和呼出的气体的瞬时流量和瞬时摩尔质量。

Description

用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置。
背景技术
自1950年左右以来，对示踪气体从肺部的洗出过程的测量就已开始，并且从那时起已用来确定肺容量、肺容量细分以及通气不均匀性参数[见：A.A.Hutchison,A.C.Sum,T.A.Demis,A.Erben,L.I.Landau.Moment analysis of multiple breath nitrogenwashout in children Am Rev Respir Dis 1982；125:28-32]。多次呼吸洗出过程可使用不同示踪气体进行：氦气、SF6(六氟化硫)或N2(氮气)是最常用的示踪气体。使用N2是最简单的方法，因为患者仅须从呼吸空气转换为呼吸100％氧气。在呼吸氧气时，残留在肺部的N2从肺呼吸中被洗出用于呼吸。已开发出各种方法用于测量示踪气体N2、SF6或氦气的浓度，这些方法每种都具有独特的优点和缺点。
发明内容
在下文对先前所使用方法的描述中，将描述基于氮气(N2)的洗出过程。然而，所述方法还可利用示踪气体SF6或氦气以类似方式用于分析多次呼吸洗出。
利用氮气多次呼吸洗出过程(MBW)的分析需要精确测量流入和流出肺部的气体流速，并结合同样精确地测量由患者吸入和呼出的N2浓度。必须利用快速响应传感器测量流速和N2信号，因为即使在基础呼吸下，流量信号和浓度信号也会发生快速变化。另外，必须同步记录流量信号和N2浓度信号(即，信号之间没有任何时间延迟)，因为要对N2浓度和流量的乘积进行积分来确定吸入和呼出的N2体积。
图1示出随时间(t)变化的流量(F)和N2浓度。在整个测试过程中，患者正常呼吸，但是附带有鼻夹以使所有空气通过口吸入和呼出。N2浓度在实际N2洗出过程之前几乎是恒定的并且处于环境N2浓度值(78.08％)；在洗出过程中，N2浓度在吸入期间(几乎)为零，而在呼出期间，平均N2浓度每呼吸一次下降一点，因为每呼吸一次，氮气就被从肺部进一步洗出。图1还放大呈现了N2浓度随呼出体积(V)的变化。这一呈现示出呼出阶段I至III(I＝死腔；II＝混合空气；III＝肺泡气)。用于量化通气不均匀性的其它参数可通过测定洗出过程的所有呼吸在阶段III中的增加来确定[Consensus statement for inert gas washoutmeasurement using multiple and single breath tests.Eur Respir J 2013；41:507-522]。
通常利用100Hz的测量速率检测流速信号和气体浓度信号。流量传感器通常具有<10ms的响应时间；用于测量气体浓度的传感器通常更慢并且具有60至100ms范围内的响应时间(见[Consensus statement for inert gas washout measurement using multipleand single breath tests.Eur Respir J 2013；41:507-522])。现有不同类型的气体流量传感器，诸如通过流路中的阻力检测压力差的传感器，或测量热线的冷却的传感器、测量涡轮机的旋转的传感器，或测量超声波渡越时间的传感器。气体浓度在洗出过程中经受较大波动。不过，这可能不会对流量测量产生任何影响或这种影响须被充分校正。然而，不仅流量传感器的技术可不同。当前的系统如何通过测量示踪气体来分析洗出以用于确定N2浓度的方法也是不同的。以下方法被用于测量N2浓度。
1.质谱法：质谱仪可用于以高精确度和快速响应时间来测量气体浓度。在多次呼吸氮气洗出过程中，通常同时检测N2、O2和CO2的浓度值。当使用SF6作为示踪气体时，最常使用质谱仪来测量多次呼吸洗出[P.M.Gustafsson,P.Aurora,A.Lindblad.Evaluation ofventilation maldistributionas an early indicator of lung disease in childrenwith cystic fibrosis.Eur Respir J 2003；22:972-979]。质谱仪价格昂贵且须进行定期保养。
2.间接法：可通过使用用于测量O2和CO2浓度的两个单独的气体传感器来间接确定N2浓度。通常使用电化学传感器或借助于激光的红外线吸收测量O2；红外线吸收传感器通常用于CO2测量。通过应用混合物所有气体之和得到100％的道尔顿定律，参考O2和CO2浓度来间接确定N2浓度。为了确保精确地确定N2浓度，须同时测量O2信号和CO2信号，即信号之间没有任何时间延迟。此外，传感器须具有尽可能相似的响应时间[F.Singer,B.Houltz,P.Latzin,P.Robinson,P.Gustafsson.A Realistic Validation Study of a NewNitrogen Multiple-Breath Washout System PloS ONE 7(4):e36083,2012]。
如果存在N2浓度和气体流量的同步信号，那么通过对吸入和呼出N2体积乘以流量进行数学积分来确定呼出总氮气体积。因此确定了每次呼吸的吸入和呼出N2体积并且将这些体积相加来确定总呼出N2体积，直到达到N2浓度阈值(通常为<2.5％的初始浓度)。最后，将总呼出N2体积除以初始N2浓度以计算功能余气量(FRC)并且进而将其从N2浓度的终值(阈值)中扣除。[Consensus statement for inert gas washout measurement usingmultiple and single breath tests.Eur Respir J 2013；41:507-522]。通过对随时间或体积变化的氮气浓度的更详细分析，确定通气不均匀性参数(诸如LCI和矩)。
附图说明
图1示出随时间(t)变化的流量(F)和N2浓度。
图2解释了带有流量管(1)的流量传感器测量流入患者肺部又流出的空气的理念。
图3示出用于多次呼吸氮气洗出分析的系统的实施方案的框图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置。
根据本发明，装置被构造为具有权利要求1的特征的组合。
本发明的优选实施方案从权利要求1的从属权利要求可获知。
本发明利用通过超声波测量流量和摩尔质量[参考EP 0 597 060B1、EP 0 653919B1]，并结合通常基于红外线吸收过程的快速响应CO2传感器，用于确定多次呼吸氮气洗出测试的功能余气量(FRC)、肺清除指数(LCI)、矩比、阶段III分析(包括Scond和Sacin)以及进一步导出的参数。
在患者呼吸室内空气时的实际洗出阶段之前，以及在患者呼吸100％氧气时的洗出阶段期间，须考虑以下气体组分。
·N2(氮气)；在(干燥)室内空气中的浓度为约78.08％
·O2(氧气)；在(干燥)室内空气中的浓度为约20.95％
·CO2(二氧化碳)；在(干燥)室内空气中的浓度为约0.04％；在呼出过程中，所述浓度增加至约4％至5％。
·H2O(水蒸气)；取决于湿度和温度，在空气中的浓度介于0％和约5％之间。
·Ar(氩气)；在(干燥)室内空气中的浓度为约0.93％。
·所有其它气体(所谓的痕量气体)的浓度低于0.002％。这些气体在以下讨论中不予考虑。
在多次呼吸洗出过程的吸入和呼出过程中，，所有气体的浓度发生波动。可独立于主要由氧气的吸入和所产生二氧化碳的呼出所致的气体浓度的这些变化，建立以下三个方程式：
fN2+fO2+fCO2+fH2O+fAr＝100％ (1)
fN2MN2+fO2MO2+fCO2MCO2+fH2OMH2O+fArMAr＝M (2)
在此，fx是气体x的比例，且Mx是以g/mol为单位的气体x的摩尔质量。
方程式(1)显示所观察的所有气体比例之和为100％(道尔顿定律)。如上所述，在此未考虑痕量气体。
方程式(2)描述了摩尔质量的测量。由超声波传感器测量的摩尔质量通过将每一种气体的比例乘以各自的摩尔质量并且求和来计算：。
假定在方程式(3)中，氩气比例与氮气比例成固定比，即氩气洗出与氮气洗出成正比。因为这两种气体都不参与人在呼吸过程中的气体交换，所以这是一个有效的假设。
下文清单示出方程式(1)至(3)的哪些变量是测量的，哪些是未知的。
测量的变量：fCO2、fH2O、M
未知的变量：fN2、fO2、fAr
相应传感器测量CO2浓度(fCO2)和摩尔质量(M)。空气中的水蒸气浓度(fH2O)通过测量室内空气的湿度、压力以及温度来确定。室内空气中水蒸气的浓度可从这些数值确定。本发明的机械设计(见下文)确保了在整个洗出过程中在传感器区域内有确定的水蒸气浓度。
由于存在三个未知的变量和三个方程式，可对系统求解并且可确定fN2、fO2和fAr的浓度。因此可从fCO2、fH2O和M的测量值确定fN2和fO2的比例。
所列出的方程式适用于患者肺部的氮气洗出的所有阶段；它们同样适用于体外系统，即用于验证分析氮气洗出用的医疗设备的系统；这些系统可利用诸如注射器和/或模拟患者肺部的容器的装置(F.Singer,B.Houltz,P.Latzin,P.Robinson,P.Gustafsson.ARealistic Validation Study of a New Nitrogen Multiple-Breath Washout SystemPloS ONE 7(4):e36083,2012]。
为了获得更好的精确度，在方程式(2)中的摩尔质量x的值可由校正的摩尔质量值M* x替换，其中M* x＝kx*Mx并且其中因子kx是用于绝热指数校正(即热容量比)的无量纲常数。这种校正是必需的，因为摩尔质量(在方程式(2)中的总摩尔质量M)的测量是基于固定热容量比的(见(2))。
为了在多次呼吸洗出过程的评定中获得足够的精确度，须以相对较高的精确度(N2浓度测量的精确度应为<0.2％[Consensus statement for inert gas washoutmeasurement using multiple and single breath tests.Eur Respir J 2013；41:507-522]Eur Respir J 2013；41:507-522])确定fN2和fO2的值。在这个关系中，当借助于红外线吸收测量CO2时，应考虑在氧气存在下CO2传感器的交叉灵敏性[R.Lauber,B.Seeberger,A.M.Zbinden.Carbon dioxide analysers:accuracy,alarm limits and effects ofinterfering gases.Can J Anaesth 1995,42:7,643-656]。这个利用计算的氧气浓度对测量的CO2值进行校正的额外的方程式可很容易地加到方程式(1)和(3)。
根据本发明，上述装置以新的方式利用传感器技术测量N2洗出。在实施方案中使用的传感器价格便宜并且具有长期高稳定性，据此可构造出用于多次呼吸洗出分析的低本高效的装置，这种装置可用于多种患者(婴儿至成人)并且还可适用于携带呼吸器的患者。
将参考附图中的实施方案，更详细地描述本发明的其它特征、细节和优点。
大多数系统将主流测量与次流测量结合用于多次呼吸洗出分析。图2解释了这种理念：带有流量管(1)的流量传感器测量流入患者肺部又流出的空气。在主流(5)中，在流量传感器中心(A点)测量流动的气体。因为气体传感器过大或者因为在测量设置中的限制，在大多数情况下，无法在主流(5)中直接测量气体浓度。因此，通过布置在B点的样品尖端抽吸主流的一小部分气体。借助于泵(3)，经由软管向气体传感器(2)供应次流样品(6)，并且随后经由出口(7)引导出。样品软管(4)通常非常长并且具有小直径(例如长度1m，直径1mm)，从而使得气体传感器可定位在离患者的某一距离处。由于从次流样品进入软管的B点传输到测量气体浓度的C点所造成的时间延迟，A点和C点的气体流量信号不再是同步的。然而，精确的多次呼吸洗出分析要求同步性[Consensus statement for inert gas washoutmeasurement using multiple and single breath tests.Eur Respir J 2013；41:507-522]。此外，在流量测量的A点和取得次流样品的点之间通常也存在间隔。在流量信号和气体浓度信号之间的时间延迟另外还取决于主流的速度和方向，而不仅取决于由这个距离所致的次流样品的速度。通过以下描述的本发明的实施方案补偿这两个时间延迟。
图3示出用于多次呼吸氮气洗出分析的系统的实施方案的框图。患者呼吸进入超声波流量和摩尔质量传感器(5)。吸入和呼出的空气(7)流经具有管口(2)的呼吸管(1)，所述管口(2)可被替换和处置，以避免患者之间的任何交叉污染。空气的流速和在呼吸管中的摩尔质量是借助于超声波渡越时间测量而确定的：两个超声波换能器(4a、4b)在呼吸管中发射超声波脉冲(6)并且与呼吸流对抗。超声波脉冲通过呼吸管中的精细组织(3)。电子单元(9)触发脉冲的发射，测量超声波脉冲向上游(4a)和向下游(4)的渡越时间，并且利用这些渡越时间来计算主流中的流速(F)和摩尔质量(Mms)[EP 0 597 060B1、EP 0 653919B1]。主流中流量和摩尔质量的结果从电子单元(9)转发到主处理单元(15)。在当前的实施方案中，到处理单元(15)的这些信号的测量和传输频率是在200Hz。
呼吸管(1)的末端插入T形管中。在实际洗出之前的阶段中，患者经由对室内空气(7y)开放的连接而吸入和呼出空气。单向阀(8)确保没有气体从T形管的另一部分吸入。如果切换到氧气吸入，即如果利用多次呼吸过程发生实际的氮气洗出，那么患者吸入经由连接(7x)以恒定或可变速度供应的氧气，并且经由连接(7y)再次呼出。在连接(7x)处供应的氧气流量须大于患者的最大吸入流量。氧气可经由医院墙壁上的端口提供或以另外的方式由氧气瓶提供。因此，在洗出阶段，患者仅从横向流吸入氧气；在测试的洗出阶段，患者不吸入任何室内空气。从次流(10)取得样品以用于气体分析。泵(14)将气体样品(10)通过样品软管(11)输送到CO2传感器(12)并且输送到分子质量传感器(12)。
为进行气体分析，气体样品须通过样品软管从次流中流出，以到达用于测量摩尔质量(13)和CO2(12)的气体分析器。由传输引起的延迟取决于多个变量(例如，在环境压力下，以不同泵速等)并且还可由于在测试设置中的细微变化而在不同测试之间有所不同。例如如果所使用的样品软管(11)是可替换的零件，那么直径和长度可在不同测试之间略微变化。为了进行多次呼吸洗出分析，须确定吸入和呼出的N2体积。这是通过将氮气浓度乘以主流的流速并且随后随时间进行积分而完成的。仅在流量信号和N2浓度信号是同步时才确保这个方法的正确运行；在主流的流速信号和次流的气体信号之间的时间延迟导致吸入和呼出气体体积的确定存在误差。[Consensus statement for inert gas washoutmeasurement using multiple and single breath tests.Eur Respir J 2013；41:507-522]。因此，须将由传感器(13)测量的摩尔质量信号和由传感器(12)测量的CO2信号与在两个超声波换能器(4a)和(4b)之间的中心处测量的流速信号同步。可通过来自主流的摩尔质量信号(Mms)和来自次流的摩尔质量信号(Mss)的交叉相关性实现同步。这个方法描述在专利[EP 1 764 036B1]中；用于CO扩散测量SB(单次呼吸吸入法)的应用选项描述在专利[EP1 764 035]中。
处理单元(15)控制两个阀门(18)和(19)。这两个阀门用于在次流上在取样接口(22)、(21)和(20)之间切换。取样接口(22)是测试期间使用的主要取样接口。取样接口(21)仅在测试的校准阶段使用。在洗出阶段(100％氧气)供应给患者的气体样品经由这个接口获取。这是摩尔质量传感器(13)的第一校准点。取样接口(20)也是仅在测试的校准阶段使用。室内空气样品经由这个接口获取。该气体用作摩尔质量传感器(13)的第二校准点并且作为CO2传感器(12)的零基准。
在次流中的另外的元件用于在气体进入气体传感器之前对气体进行处理。可透过水蒸气的软管材料(16)，例如利用膜，用于减少次流气体的湿气(水蒸气)。软管(16)通常定位在氧气供给区域中邻近取样接口22，因为这减少了患者呼出的空气为100％水蒸气饱和而使得在系统的次流区域中发生水凝结的风险。在氧气供给内的定位非常显著地减少了水蒸气量，因为引入的氧气不含水蒸气。可使用可透过水蒸气的另外的软管材料(17)，以使得次流在进入气体传感器时具有限定的水蒸气分压。这个可透过水蒸气的附加软管材料确保来自接口20、21和22的次流的所有测量气体样品的均一水蒸气分压，并且确实与以下事实无关：一种来源的测量气体不含水蒸气(来自接口21的气体)，第二种来源的测量气体具有室内空气的湿度(接口20)，并且第三种来源的水蒸气含量是波动的(接口22)。
用于多次呼吸洗出过程的所描述分析系统的创新包括：基于摩尔质量传感器的信号和常规红外线CO2传感器的信号的氮气浓度的计算。另外的创新是：利用室内空气和洗出气体(氧气)的气体传感器的自动校准。基于摩尔质量传感器的信号和常规O2传感器的信号计算氮气浓度的系统可具有相似的结构。

Claims (9)

1.一种用于测量和分析多次呼吸洗出过程的装置，包括
主流(1)中的第一超声波流量摩尔质量传感器(5)，其中所述第一超声波流量摩尔质量传感器(5)用于测定主流中患者吸入和呼出的气体(7)的瞬时流量和瞬时摩尔质量，
次流(10)中的CO2传感器(12)，所述次流(10)是从主流(1)中抽吸出的一小部分气体，其中CO2传感器(12)用于测定患者吸入和呼出的气体(7)中的CO2浓度；
次流(10)中的第二超声波流量摩尔质量传感器(13)，其用于测定次流中患者吸入和呼出的气体(7)中的摩尔质量，
与所述第一超声波流量摩尔质量传感器(5)相连接的电子单元(9)，其用于计算患者吸入和呼出的气体(7)的流量和摩尔质量，和
与电子单元(9)、CO2传感器(12)和第二超声波流量摩尔质量传感器(13)相连的处理单元(15)，其特征在于，
所述处理单元(15)基于患者吸入和呼出气体(7)的摩尔质量、患者吸入和呼出气体(7)的CO2浓度、水蒸气浓度的值和由三个下列公式解出的氧气浓度的值确定N2浓度，所述三个公式为：
fN2+fO2+fCO2+fH2O+fAr＝100％ (1)，
fN2MN2+fO2MO2+fCO2MCO2+fH2OMH2O+fArMAr＝M (2)，
其中，fx是气体x的比例，且Mx是以g/mol为单位的气体x的摩尔质量，方程式(1)显示所观察的所有气体比例之和为100％，方程式(2)描述了摩尔质量的测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单个气体的摩尔质量值Mx由摩尔质量值M*x＝kx*Mx替换，其中kx是用于绝热指数校正的气体x的无量纲常数。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对CO2传感器(12)的O2交叉灵敏性进行补偿。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，对CO2传感器(12)的O2交叉灵敏性进行补偿。
5.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，患者吸入和呼出的气体(7)从所述主流(1)传输到所述次流(10)所引起的在所述主流(1)中的流量测量和在所述次流(10)中的CO2浓度和摩尔质量测量之间的时间延迟，是由处理单元(15)通过参考在所述主流(1)中和在所述次流(10)中的摩尔质量测量的数学交叉相关性确定所述延迟而进行校正。
6.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述处理单元(15)还用于，补偿由于主流(1)中所述流量测量的中心和为所述次流(10)样品去除的点之间的间隔产生的额外的时间延迟，所述的延迟时间利用基于所述主流的流速和流动方向的函数进行计算。
7.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述处理单元(15)还用于，对所述CO2传感器(12)及所述第一超声波流量摩尔质量传感器(5)和/或所述第二超声波流量摩尔质量传感器(13)的不同响应时间通过数学减速或加速所述CO2传感器(12)以及所述第一超声波流量摩尔质量传感器(5)和/或所述第二超声波流量摩尔质量传感器(13)的速度来补偿，以使所述传感器(12,5,13)获得相同的响应时间。
8.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述处理单元(15)还用于，利用取自室内空气的气体样品自动校准所述CO2传感器(12)的偏移。
9.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述处理单元(15)还用于，利用来自室内空气和来自作为洗出气体使用的纯氧气的气体样品自动校准所述第二超声波流量摩尔质量传感器(13)的偏移和增益。
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