CN105555190B - 呼吸分析和训练用组件 - Google Patents

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Abstract

一种呼吸分析和训练用组件检测用户的呼吸气体中的二氧化碳(CO2)浓度，该组件包括：选择性比色CO2检测器，其设置有检测器面，所述检测器面用于在暴露至CO2时使颜色随着CO2的浓度而快速且可逆地改变，以及适配器，其包括：对接部，用于容纳移动单元，该移动单元包括摄像部、显示器和处理部，对接部用于使摄像部相对于比色检测器定位成固定关系使得摄像部拍摄检测器面的图像；检测器保持部，其容纳比色检测器，其中适配器还包括在没有进行测量时以气密方式保护检测器面不受环境空气影响的检测器面保护部；以及呼吸导管，用于相对于用户引导呼吸气体的吸入和呼出，使得呼吸气体的至少一部分通过检测器面，其中，处理部执行用于进行包括测量步骤的测量会话的应用程序，测量步骤用于通过识别摄像部所拍摄到的检测器面的图像的颜色变化来测量呼吸气体的CO2浓度变化。

Description

呼吸分析和训练用组件
技术领域
本发明涉及适合分析并训练人的呼吸的用于测量所呼出的二氧化碳(CO2)浓度的呼吸分析和训练用组件。更特别地，本发明涉及价格低廉、具有用户友好性并且有利地可容易在家中使用的组件。
背景技术
红外吸收(IR)是用于测量所呼出的二氧化碳(CO2)浓度的技术方法的状态，并且已在临床使用了30年以上。该IR具有快速响应性、选择性和稳定性，并且是手术室和术后护理中的监视器所惯常使用的。所呼出的CO2浓度曲线(被称为二氧化碳图)还连同呼吸机治疗一起使用并且用于进行例如肺功能的更复杂诊断。可以共同使用与所呼出的气流有关的信息以及二氧化碳图来计算从肺产生的CO2的量，并且该信息使得能够评估代谢状况和心肺状况。
IR技术由于先进的光学组件和电子组件因而从本质上复杂且庞大，但近来已开发了便携且还可用于急救情形的紧凑型号。
用于检测CO2的另一方法基于使颜色随着CO2的浓度而改变的具有耐久性、快速性和可逆性的比色检测器。在A Gedeon、P Krill和C Mebius:A new colorimetric breathindicator(Colibri),Anaesthesia 1994(49)798中提出了该方法。
该方法从本质上是不太复杂的技术，然而要求光电系统产生表示传感器面的颜色的信号。该技术与IR系统相比不够准确，并且无法充分满足现代监视器供临床使用的要求。
然而，近来已表明二氧化碳描记术在为了改善遭受与诸如哮喘和不同焦虑症等的紊乱的呼吸模式相关联的多个常见疾病影响的人们的生活质量的家庭环境中可以起重要作用。例如，在以下文献中论述了该技术。
T Ritz,A E Meuret,FH Wilhem,WT Roth:Changes in pCO2,Symptoms and LungFunction of Asthma Patients During Capnometry-assisted BreathingTraining.Appl Psychophysiol Biofeedback 2009(34)1
A E Meuret,F H Wilhem,T Ritz,W T Roth:Feedback of end-tidal pCO2 as atherapeutic approach for panic disorder.Journal of Psychiatric Research 2008(42)560
为了使家庭使用可行，二氧化碳分析系统整体必须紧凑、非常容易使用且与如今可用的最廉价的基于IR的单元相比便宜了至少一个数量级。此外，该系统必须能够连续地向用户给出与所获得的结果有关的反馈并且提供与在呼吸练习期间要进行的适当动作有关的指导以进一步改善用户的状况。能够存储这些结果以供容易地发送至遥远位置处的第三方，这点也是期望的特征。
本发明人意识到了在标准的所谓智能手机中潜在可利用多个重要功能。智能电话已被建议作为获得代谢数据以帮助定制各种疾病状态下的营养疗法的部件，这在涉及代谢分析仪的US-2013/0150746中进行了描述，其中该代谢分析仪用于测量所呼出的氧气和二氧化碳以实现体重和/或健康管理所用的方法。在代谢分析仪的一个实施例中，蜂窝电话中的内置照相机用于在呼吸流通过时检测感测材料的颜色变化，以测量氧气水平和二氧化碳水平。具体地，感测材料采用形成多孔膜传感器的纳米颗粒的集合的形状。
本发明解决上述针对二氧化碳描记术的家庭应用的所有要求。特别地，本发明的目的是提供用以进行例如以上引用的医学出版物中所描述的所谓的二氧化碳描记术辅助呼吸训练的最为便利、简单且廉价的方式。
发明内容
上述目的由本发明根据独立权利要求来实现。
本发明基于比色CO2感测的成熟技术。更具体地，薄的膜设置有化学物的平滑连续涂层，使得该膜的表面的颜色针对CO2选择性地并且以快速可逆方式改变，这意味着如果膜例如在室内空气的情况下为蓝色并且在约5％的CO2的情况下为黄色，则该膜在通常呼气期间将从蓝色改变为微黄色，然后在吸气期间恢复为初始的蓝色。该膜将如此在呼吸期间在蓝色和微黄色之间循环。
因而，根据本发明的组件是为了使移动单元(例如，标准智能电话)与可容易更换的比色检测器相连接所提供的。适配器被配置成可以使智能电话保持在适当位置，同时保持比色检测器面相对于移动单元(例如，智能电话)的摄像部件(例如，照相机)处于适当的固定位置。适配器还为检测器面遮蔽不受控制的外部照明和环境空气，并且提供流向患者和从患者流出的呼吸气体所用的管道，使得该气体的至少一部分通过感测面。
还提供了由移动单元执行的应用程序，从而使得能够进行组件的交互使用。移动单元可以向听得到的用户提供指示，例如指示该用户在测量会话期间何时呼吸。此外，可以将这些测量的结果呈现在智能电话的显示器上。
附图说明
图1是组件的示意截面图。
图2示出不同的示例性曲线图。
图3a和3b示出不同的参考色标及其使用。
图4是组件的一个实施例的立体图。
具体实施方式
首先将参考图1来详细说明本发明。因而，本发明涉及呼吸分析和训练用组件2，其中该呼吸分析和训练用组件2被配置为感测用户的呼吸气体中的二氧化碳(CO2)浓度。组件2包括选择性比色CO2检测器4和适配器8，其中该检测器4设置有：检测器面6，其被配置为在暴露至CO2的情况下，使颜色根据CO2的浓度而以快速且可逆的方式改变。
适配器8包括：
-对接部10，用于容纳移动单元12，其中移动单元12包括摄像部件14和处理部件18。有利地，组件2还包括例如配置在所述移动单元上的显示器16。移动单元可被容纳并安装，然后在测量会话结束的情况下解除。对接部10被配置为使摄像部件14相对于比色检测器4定位成固定关系，使得摄像部件14被配置为拍摄所述检测器面6的图像。
-检测器保持部20，其被配置为容纳比色检测器4并且附接该检测器。另外，检测器保持部20使得可以容易地更换检测器。适配器8或检测器保持部20优选包括检测器面保护部件22，其中该检测器面保护部件22被配置为在没有进行测量的情况下，以气密方式保护面6不受环境空气的影响。
-呼吸导管24，用于相对于所述用户引导呼吸气体的吸入和呼出，使得该呼吸气体的至少一部分通过检测器面。
处理部件应被广义地解释为配备有高级处理能力、大存储容量、通信能力等(例如，具有所谓的智能电话的一部分或全部能力)的一个或多个电路。
处理部件18被配置为执行应用程序以进行包括测量步骤的测量会话，其中该测量步骤包括：通过识别所述摄像部件14所拍摄到的检测器面6的图像的颜色变化来测量呼吸气体中的CO2浓度变化。
对接部10具有与移动单元的相关部分基本相对应的形状，例如是被成形为移动单元的截面的适配器的外壳中的开口(例如，参见图4)。移动单元优选通过摩擦配合保持在适当位置，但当然还可以例如采用带的形式等配置具体的附加部件。
呼吸导管优选被体现为管。该管在靠近适配器的部位大致具有刚性，但在配置有用户进行呼吸所朝向的吹嘴的端部更具柔性。
有利地，检测器面保护部件22被配置为移动到非保护位置，使得所述检测器面可供测量用。这在使检测器面6可用于摄像以及使呼吸气体可以到达该检测器面这两个方面很重要。
并且更有利地，检测器面保护部件22被配置为在移动单元被对接部容纳的情况下，自动移动到非保护位置，使得所述检测器面可供测量用。该检测器面保护部件可以具有利用链结构自动促使该检测器面保护部件22进入非保护位置的铰链盖的形状。还可以利用适配器外部的简单按钮或杆来手动启动该链结构。该盖可以是弹簧致动的，使得在没有进行测量的情况下，促使该盖返回至保护位置。
在优选实施例中，移动单元是智能电话。在图4中通过示意性的立体图例示出本实施例。
移动单元还可以由所谓的智能照相机、平板计算机或具有相似功能的任何其它装置来体现。
在一个实施例中，摄像部件是例如通常可用在智能电话中的类型的照相机单元。
该组件还包括照明部件17，其中该照明部件17被配置为在测量期间对检测器面进行照明。根据一个实施例，照明部件由显示器的至少一部分来体现。
应当注意，用于对检测器面进行照明的光源17可以发出白色光或者具有一个或多个不同颜色的光，其中可以有利地选择这些光以优化测量的精度和可重复性。光源可以是移动单元(例如，智能电话)的一部分，诸如智能电话的闪烁所用的灯或实际显示器等。在图4中示出后者的配置。
然而，适配器还可装配有(例如，使用标准白色LED照明或者具有一个或多个不同颜色的多个LED的)简单的利用电池进行工作的照明部件，其中在附接了智能电话的情况下，可以手动地或自动地启动该照明部件。这样，实现了节省了电话的电池时间的传感器面的外部照明。
在一个测量步骤期间，利用摄像部件(例如，移动单元(智能电话)的照相机单元)对检测器面的至少一部分拍摄预定数量的连续图像、优选为产生至少每秒4～5个图像或者视频，其中，所述测量步骤具有用以记录至少一次呼吸的预定持续时间、优选在0.1～15秒的范围内。
然后，处理部件被配置为基于所拍摄图像信息来计算二氧化碳图，并且优选显示所计算出的二氧化碳图和/或etCO2值(吸气开始之前的最后一个CO2浓度值)。
为了解释所拍摄图像信息，处理部件被配置为使用检测器面的至少一个特性光学性质，诸如颜色或反射率等。将该特性光学性质存储在处理部件中。另外，处理部件被配置为存储检测器面的特性光学性质与CO2的相应浓度之间的至少一个关系。
针对各图像或来自视频的所选择帧，处理部件对颜色(或任何其它具体的特性光学性质)进行编码，然后将该颜色与参考色标进行比较，其中该参考色标将编码后的颜色(或特性)转译成CO2浓度百分比。如何将预打印的参考色标转译成CO2浓度，这例如是通过使用校准后的CO2气体浓度在工厂针对比色检测器所建立的。这样针对各图像所获得的浓度与特定时间点、即拍摄图像的时刻相对应，因此这些图像共同描绘成二氧化碳图。在图2中利用上部的曲线图示出该情况。利用点示出来自特定图像的值。示出该曲线的吸气部分和呼气部分以及呼气末CO2浓度(etCO2)，其中在这种情况下该etCO2为4.5％。
存在多个用以建立将彩色面图像转换成浓度所需的参考色标的替代方式。最简单的方法是确定与0～5.8％内的浓度步长为0.2％的CO2相对应的一组颜色(作为示例，蓝色和黄色之间的30个色调)(在从蓝色到黄色的色标中)。
在图3a中以灰阶示出该情况，其中：纵向列表示百分比值，并且横向列表示十进制百分比值。将传感器面图像的颜色与这些预定颜色步长进行比较以发现最佳匹配，并由此发现即将发生的CO2浓度。
另一方法是在指示传感器面附近打印参考色标，并且使得照相机始终将具有该指示面的参考色标包括在同一图像中。然后在各图像中进行比较，以求出检测器的颜色和所打印的参考色标之间的最佳对应关系，由此确定所讨论的CO2浓度。图3b示出在将表示参考色标的一系列色条放置在指示剂的上方的情况下发生何种情况。任何时间的照相机图像均示出指示剂的颜色与色标在何处最匹配(在这种情况下示出为～1.9％)，并且处理部件确定相应的CO2浓度。
第三个替代方法涉及在存储之前封装并且相对于外部环境密封的情况下将检测器面包围在特定已知的CO2浓度的空气中。该密封件由透光材料制成并且可手动容易地去除。在将检测器安装到适配器时，摄像部件(例如，照相机)将对密封后的检测器面的颜色进行摄像并且以所选择的浓度校准该单元。之后，用户去除密封件，并且由于环境空气包含可以忽略的CO2，因此检测器面变为周围环境的颜色(例如，蓝色)。这样，可以使用检测器面的零浓度颜色来校准该组件。然后，根据使两个校准点相连接的已知颜色/浓度关系来计算其余值。
在使用开始时与参考进行比较，这使得能够确定检测器的状况。由于检测器随时间经过的劣化所引起的相对于针对零浓度所预期的颜色的小偏差可以通过以预定方式调整参考色标来进行补偿，而大的偏差可以导致更换检测器的建议。
因而，根据一个实施例，测量会话包括检测器质量的检查。该检测器质量检查可以通过同时比较检测器面的图像的不同部分来进行，其中这些不同部分优选是以如下方式选择的：一个部分靠近检测器面的中央、即位于远离检测器面边缘的位置，并且另一部分靠近检测器面边缘，从而更有可能更快地劣化。如果这些不同部分展现出不同的性能，则给出是时候更换检测器的指示。可选地，这些差异可能使得对浓度计算进行校正。检测器质量检查还可以在测量会话开始时通过将检测器面的光学性质与不存在CO2时的参考值进行比较来进行。其结果可以引导照明颜色的选择，这样使得对浓度计算进行校正或者再次更换检测器。
除确定CO2浓度外，处理部件优选被配置为计算呼气末CO2(etCO2)浓度值和/或呼吸速率并且在显示器处进行显示。
此外，处理部件可以计算并显示与二氧化碳图、呼气末CO2(etCO2)值以及/或者呼吸速率有关的预定参数的平均值和/或趋势。这由图2的下部的曲线图示出，其中分别示出15分钟内的etCO2趋势(左侧)和呼吸速率趋势(右侧)。
移动单元优选包括音频单元，其中，可以生成听觉指示，以例如响应于所获得的结果或者为了向用户提供训练指示，经由音频单元在测量会话期间指引和指示用户。
移动单元执行应用程序，从而使得能够进行组件的交互使用。移动单元可以向听得到的用户提供训练指示、例如指示用户在测量会话期间何时呼吸。用户训练指示例如可以是背景技术部分所引用的文章中所描述的种类，以供哮喘患者或患有焦虑症的患者使用。
移动单元(例如，智能电话)从本质上适合存储数据并且配备有用以将信息直接地或按需发送至外部用户以供评价的通信能力。可以使用无线方式、IR方式、蓝牙(Bluetooth)方式或线缆方式来进行这些结果的通信。
关于CO2检测器，优选包括多孔材料，其中在该多孔材料的孔中包含相转移剂和pH敏感颜色指示剂。有利地，相转移剂是四丁基氢氧化铵，并且pH敏感颜色指示剂是百里酚蓝。
US 2012/0123287涉及包括以与本发明有关的方式有利地使用的比色CO2检测器的呼吸检测所用的便携装置。本专利申请被转让给本受让人，并且在此通过引用包含其全部内容。
多孔材料例如可以是诸如本领域技术人员已知的材料等的多孔聚合材料，其中该材料应能够吸收或以其它方式结合相转移剂和pH敏感颜色指示剂。在一些实施例中，多孔材料是诸如聚醚砜膜等的膜过滤器。然而，还可以使用例如聚酯膜上的乙酰化纤维素层的其它多孔材料。
本领域技术人员可利用多个pH敏感染料，并且例如在上文所提及的现有技术文献中给出了特定示例。在一个实施例中，指示剂包括从百里酚蓝、甲酚红和甲酚紫中所选择的一个或多个染料。
相转移剂可以包括例如四辛基氢氧化铵的至少一个不溶于水的有机四价(例如，铵或膦)氢氧化物。
例如，CO2检测器可以包括多孔材料，其中在该多孔材料的孔中包含作为相转移剂的四丁基氢氧化铵和作为pH敏感颜色指示剂的百里酚蓝。
示例
典型的应用程序可以通过以下步骤与用户相互作用：
-启动应用程序(用户动作)。
-“将智能电话放置在适配器中”(应用程序指示；以听觉方式或经由显示器)。
-“当准备就绪时，在显示器上按下开始”(应用程序指示：以听觉方式或经由显示器)。
-当按下开始并且组件准备进行检测时；测量时间窗打开并且组件等待用户呼吸。
-检测CO2浓度。
-按照以听觉方式或经由显示器给出的指示，重复进行呼吸。
-测量结束。
-将例如etCO2趋势的结果显示在显示器上。
-经由显示器和/或以听觉方式给出针对后续会话的建议/评论。
本发明不限于上述优选实施例。可以使用各种替代、变形例和等同物。因此，上述实施例不应被视为限制本发明的范围，其中本发明的范围是由所附权利要求书来定义的。

Claims (16)

1.一种呼吸分析和训练用系统，其包括呼吸分析和训练用组件以及移动单元，所述组件被配置为检测用户的呼吸气体中的二氧化碳浓度即CO2浓度，并且所述移动单元包括摄像部件、显示器和处理部件，所述组件包括：
选择性比色CO2检测器，其设置有检测器面，所述检测器面被配置为在暴露至CO2的情况下，使颜色随着CO2的浓度而以快速且可逆的方式改变；以及
适配器，其包括：
-对接部，用于容纳并附接所述移动单元，所述对接部被配置为使所述摄像部件相对于所述比色CO2检测器定位成固定关系，使得所述摄像部件被配置为拍摄所述检测器面的图像，其中在摄像期间，所述显示器的至少一部分被配置为对所述检测器面进行照明；
-检测器保持部，其被配置为容纳所述比色CO2检测器并且附接所述比色CO2检测器，以及
-呼吸导管，用于相对于所述用户引导呼吸气体的吸入和呼出，使得呼吸气体的至少一部分通过所述检测器面，
其中，所述处理部件被配置为执行被配置为进行包括测量步骤的测量会话的应用程序，所述测量步骤包括：通过识别所述摄像部件所拍摄到的所述检测器面的光学特性的变化，来测量呼吸气体中的CO2浓度变化，
其中，所述适配器还包括检测器面保护部件，所述检测器面保护部件被配置为在没有进行测量的情况下，以气密方式保护所述检测器面不受环境空气的影响，
其中，所述检测器面保护部件被配置为移动至非保护位置，使得所述检测器面能够供测量所使用，
其中，所述检测器面保护部件被配置为在所述移动单元被所述对接部容纳的情况下移动至非保护位置，使得所述检测器面能够供测量所使用。
2.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述移动单元是智能电话。
3.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述摄像部件是照相机单元。
4.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，照明的颜色是与不存在CO2的情况下的所述检测器面的光学特性相关联地选择的。
5.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，在测量步骤期间，所述摄像部件对所述检测器面的至少一部分拍摄预定数量的连续图像，以及所述测量步骤具有预定持续时间。
6.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述处理部件被配置为计算二氧化碳图并将所述二氧化碳图显示在所述显示器上。
7.根据权利要求6所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述处理部件还被配置为计算呼气末CO2浓度值和呼吸速率并将所述呼气末CO2浓度值和所述呼吸速率显示在所述显示器上。
8.根据权利要求7所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述处理部件被配置为计算与所述二氧化碳图、呼气末CO2浓度值、以及/或者呼吸速率有关的预定参数的平均值和/或趋势。
9.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述处理部件被配置为存储所述检测器面的至少一个特性光学性质。
10.根据权利要求9所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述处理部件被配置为存储所述检测器面的所述特性光学性质和CO2的相应浓度之间的至少一个关系。
11.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述移动单元还包括音频单元，以及
生成听觉指示，以经由所述音频单元在测量会话期间指引并指示所述用户。
12.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述测量会话还包括检测器质量的检查。
13.根据权利要求12所述的呼吸分析和训练用系统，其中，通过同时比较所述检测器面的图像的不同部分来检查所述检测器质量。
14.根据权利要求12所述的呼吸分析和训练用系统，其中，通过将检测器的光学特性与不存在CO2的情况下的参考进行比较来检查所述检测器质量。
15.根据权利要求1所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述比色CO2检测器包括多孔材料，在所述多孔材料的孔中包含相转移剂和pH敏感颜色指示剂。
16.根据权利要求15所述的呼吸分析和训练用系统，其中，所述相转移剂是四丁基氢氧化铵，并且所述pH敏感颜色指示剂是百里酚蓝。
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