CN105388256B - 呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法 - Google Patents
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Abstract
提供呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，以实现在潮气呼吸状态下呼气一氧化氮气体的采集和分析。方法在于：在潮气呼吸流量大于150ml/s时，气道保留时间小于1s时，通过CO2监测模块监控呼出气中CO2浓度变化，测量不同时间下的呼出气X浓度Ce，根据CO2曲线显示的呼气状态，选择呼出气体X处于肺泡区时至少两个时间点的浓度Ce(t1)及Ce(t2)，由于在高流量时，气道区Caw的贡献可忽略，Ce(t)≈Calv(t)，则可以通过方程，计算出肺泡区X浓度Ca及经过循环进入肺泡的X浓度Cw。
Description
技术领域
本发明涉及呼出气中气体分子浓度测量的方法。
背景技术
已知人体呼出气体的多种气体分子成分及其浓度的测量可以辅助医生诊断患者所患疾病，监控疾病状态及观察治疗效果等。呼气中某种气体分子X的来源主要是呼吸系统产生并呼出的气体X1的和其他系统产生经过循环系统传递到呼吸系统并呼出的气体X2之和。而呼吸系统又可细分为气道部位和肺泡部位，所以X又可细分为气道产生并呼出的气体X11、肺泡产生并呼出的气体X12、其它系统产生经循环系统传递到肺泡的气体X2之和。
CASE1：对某些气体分子X，例如CH4、H2、NH3等，呼出气X仅来源于其它系统产生经循环传递到呼吸系统的气体X2，主要是肠胃或消化系统产生的气体。
CASE2：对内源性气体分子NO等，呼吸系统产生并呼出的气体X1浓度远大于其它系统产生经循环传递到呼吸系统的气体X2浓度，主要是呼吸系统产生的气体。
CASE3：对内源性CO或甚至H2S及VOC等，其它系统产生经循环传递到呼吸系统的气体X2浓度远大于呼吸系统产生并呼出的气体X1浓度。
NO、CO与H2S是目前国际公认的气体信号分子，而CH4、NH3则是最近建议的新的气体信号分子。
用于临床诊断，我们希望知道这些气体产生的部位，从而帮助判断或检查监测哪些部位或系统出了问题。
但目前，尤其对CASE2与CASE3尚无技术和产品可以区分气道产生并呼出的气体X11、肺泡产生并呼出的气体X12、其它系统产生经循环系统传递到肺泡的气体X2。例如对呼气CO分子而言，CareFusion公司的Micro CO分析仪或是Natus Medical，Inc.的CO-STAT呼气末分析仪都只用于分析测量呼气末CO浓度，无法区分该CO浓度是来自于肺泡产生的气体X12浓度还是其他系统产生循环到肺泡区的气体X2浓度。而对呼气NO分子而言，现有技术J.Breath Res. 6 (2012) 047103中提出了区分气道气NO及肺泡气NO,该技术区分的是气道NO(X11)和肺泡NO（X12与X2之和），却不能区分肺泡产生的X12与其他系统产生扩散至肺泡X2。
由于不能区分肺泡与其它系统产生的CO或NO，目前呼气末CO或肺泡区NO的测定还未形成规范化或定量化的诊断技术。因此，最近的一些权威综述均希望开发这样一种技术，以拓展呼呼气CO或NO的临床应用，尤其是区分气道与全身炎症。
发明内容
本发明的目的是提供呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，以实现肺泡区产生的气体X12和其他系统产生的经过循环系统传递到呼吸系统的气体X2。
本发明提供了一种呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，其实现过程包括:
通过CO2曲线显示的呼气状态，测量至少两个时间下呼出气处于肺泡区的呼出气体X的浓度，通过及联立二元一次方程组，或标准曲线法拟合曲线，计算出肺泡区X浓度Ca及其他组织产生的经过血液循环进入肺泡的X浓度Cw。要求潮气呼吸流量下大于150ml/s，气道保留时间小于1s。CO2监测模块监控整个潮气呼吸过程中CO2浓度的变化，通过不少于两次的潮气呼吸的结果取平均值。
上述方法测量的呼出气中呼吸与循环系统气体X至少包括一氧化碳和一氧化氮，用于测量气体分子浓度的装置包括化学发光分析仪、色谱质谱光谱仪及传感器，
用于分析测量一氧化氮浓度的检测器的检测下限低于3ppb，用于分析测量一氧化氮浓度的检测器的检测下限低于2ppm。潮气呼吸流量下大于150ml/s，气道保留时间小于1s。CO2监测模块监控整个潮气呼吸过程中CO2浓度的变化，通过对受试者的不少于两次的潮气呼吸结果进行计算取平均值。
肺泡区是一个柔性或膨胀的区间，代表了细支气管和肺泡区（气管18级及以下）。两室周围被一层组织包围，表现为气道区的支气管粘膜和肺泡区的肺泡膜。血液循环，表现为支气管循环和肺循环分别远离气道区和肺泡区。支气管黏膜和肺泡膜细胞是肺泡区X主要的产生来源，因此，我们假设X分别在气道和肺泡周围的组织的单位体积以恒定的速率产生。
X从产生到转移到支气管血液是通过菲克第一定律所描述的分子扩散进行的。组织中X浓度的轴向或是角向运动被忽略。所以X在组织中的传输可以用一维扩散方程来描述。与血液半径相比，小组织的厚度可以使用简单的笛卡尔坐标。由于X与血液中的血红蛋白的反应充分快速，血液与组织表面之间的自由X浓度基本为0。肺泡腔内和组织之间，假设符合亨利定律的热力学平衡。这样，组织中X产生符合微分质量二阶偏微分方程：
公式1
限制条件为：Ct(t,0)=0,Ct(t,Lt,alv)=Cw(t,z)。Dt是组织中X的分子扩散系数（3.3*10-5cm2/s），Cw是组织与肺之间的表层X浓度。方程1的求解需要近似在肺中X处于平衡状态，简单的假设Ct处于平衡状态，如果吸气和呼气的时间是远远大于0.6s时，这种近似是有效的（在组织NO浓度达到其稳态值90%的时间）。这是由于相对于扩散率而言，组织的厚度相对较小。
公式2
方程2的解为：
公式3a
公式3b
其中：知道组织中的X浓度分数Cw，使用菲克第一扩散定律，可得出X从组织到气道的扩散是Cw的线性函数：
公式4a
其中：
公式4b
公式4c
由于X在水和组织中的溶解度很低，NO径向运输不是由气相扩散限制的，所以公式4变为：
公式5
其中λt:g是37℃下X在组织和肺泡的分配系数；Calv是在肺泡腔内X气体浓度。从公式5可以看出，肺泡表面单位面积单位时间产生的X在气道组织与气道腔之间的流动速度与气道浓度成线性相关。当气道内X浓度上升，肺血所消耗的X或是通过与气道组织中底物反应产生的X的量增加，所以Jt:g,alv上升。
将肺泡区假设建模为一个可充分混合的可变容积的室Valt(t)，肺泡气中的X浓度为Calt，是位置均匀，但时间依赖性的。X在吸气或呼气时，分别通过气流进入或是离开这个室，可以通过扩散与肺泡组织交换。通过与气道室相同的分析表明（公式5），肺泡气与组织之间的X流量（Jt：g，alv）与气体中浓度成线性相关。所以，X从肺组织中的扩散量（Jt：g，alv*As，alv，As，alv为肺区域中的表面积）为：
公式6
其中，（mol/s）是肺组织中X的产生速率（定义为当肺室中X为0时，组织中X扩散进入肺的速度），DLX为X在肺中的弥散量（mol*s-1*mol-1*cm3）。这种用于确定肺泡通量的方法，对比于气道室，只有在确定所述线性函数的系数的才用（如式6中的及DLX）。
肺泡室的系数可通过实验确定。其中NO在肺中的弥散量DLNO已经被实验确定为大约为2100 mol*s-1*mol-1*cm3，而可通过稳态肺泡气浓度来确定(公式7)。
公式7a
肺泡室中的X微分方程为（分为吸气和呼气）：
吸气时：
公式7b
呼气时：
公式7c
其中：
公式8
公式9
进入肺泡的X浓度与其在肺泡内的弥散系数k和时间t有关，关系为：
公式10
所以肺泡中X浓度Calv（t）取决于肺泡本身浓度Ca、组织产生进入肺泡的X浓度Cw、气道产生进入肺泡后弥散剩下的部分Cair之和：
公式11a
潮气呼吸流量下大于150ml/s，此时气道保留时间远小于1s，气道中一氧化氮的贡献Cair可以被忽略，呼气X浓度即表达的是肺泡区的X,即：
公式11b
所以肺泡X浓度与时间t相关，通过CO2曲线显示的呼气状态，测量至少两个时间下（t1、t2等）呼出气处于肺泡区的呼气X浓度Ce(t1)、Ce(t2)等，通过公式10及11联立二元一次方程组，或标准曲线法拟合出肺泡区X浓度Ca及经过血液循环进入肺泡的X浓度Cw之间的关系曲线，计算Ca与Cw的值。
CO2监测模块监控整个潮气呼吸过程中CO2浓度的变化，通过对受试者的不少于十次的潮气呼吸结果进行计算取平均值。
本发明提供了呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，用于分析肺泡区X浓度。本发明根据CO2监测曲线区分不同时间下的肺泡区X浓度，通过建模计算出肺泡本身产生的X浓度Ca和其他器官产生通过血液循环交换到肺泡的X浓度Cw。
附图说明
图1呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法示意图。
图2潮气呼吸的CO2曲线及对应的NO浓度曲线。
图3肺泡弥散系数k与时间t的关系。
具体实施方式
以呼出气中呼吸与循环系统气体NO浓度的测量为例，介绍本发明的一个应用实施方式。
受试者正常潮气呼吸（呼气流量200ml/s），观察CO2曲线，呼吸平衡后，采样开始，采集两次潮气呼出气进行仪器，对其中的NO浓度进行分析，通过CO2曲线显示的呼气状态，测量至少两个时间下呼出气处于肺泡区的呼气NO浓度。事先标定好已采样气体流量（约10ml/s）及分析气体流量（约1ml/s）,相当于每秒的呼出气体可在传感器上测量10秒，测量时间被放大了10倍，由上所述呼气采样结束的时间与分析时出现零点电流的拐点时间的一致的，由此可找到呼气流量与呼气NO测量值间的数据对应关系。潮气呼吸的CO2曲线及对应的NO浓度曲线见图2。
已知受试者的DLNO为2100mol·s-1·mol-1·cm3，肺泡体积Valv为3600ml，得到肺泡NO的弥散曲线如图3。
通过及联立二元一次方程组，计算出肺泡区NO浓度Ca及其他组织产生的经过血液循环进入肺泡的NO浓度Cw。通过两次的潮气呼吸的结果取平均值计算出肺泡区NO浓度Ca为1.1ppb，其他组织产生的经过血液循环进入肺泡的NO浓度Cw为2ppb。
Claims (3)
1.一种呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，其特征在于：通过CO2曲线显示的呼气状态，测量至少两个时间下呼出气处于肺泡区的呼气X分子的浓度Calv，通过及联立二元一次方程组，计算出肺泡区X浓度Ca及其他组织产生的经过血液循环进入肺泡的X浓度Cw；公式中的k与t为X在肺泡内的弥散系数和时间，DLX为X在肺中的弥散量，Valv为肺泡体积。
2.如权利要求1所述的呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，其特征在于：用于测量呼出气处于肺泡区的呼气X分子浓度的装置包括化学发光分析仪、色谱质谱光谱仪及电化学传感器。
3.如权利要求1所述的呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，其特征在于：所述呼气分子X至少包括一氧化碳或一氧化氮。
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