CN106198124B - 一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置 - Google Patents
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Abstract
一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置由口呼压力监测模块（100）、鼻采样模块（200）与分析模块（300）构成，所述口呼压力监测模块（100）由口呼接口（101）、阻力件（103）串联组成，气路上连接有压力传感器（102）；所述鼻采样模块（200）由鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀一（204）、三通阀二（205）、气室（206）、环境过滤器（207）与变流量采样模块（400）组成，其中三通阀一（204）和三通阀二（205）用于切换采集鼻样品气或过滤后环境气；所述分析模块（300）由分析泵（301）、气体湿度调节器（302）和NO传感器（303）串联组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种内源性气体信号分子鼻呼气采样与分析装置。
背景技术
内源性气体信号分子包括NO、CO与H2S等。它们系体内细胞分泌产生，对炎症或癌症等疾病显著升高，并作为呼气排出体外。因此，通过收集并分析这些气体在呼气中的浓度，便可检测炎症或癌症等疾病的发生发展。美国胸科学会（ATS）与欧洲呼吸学会（ERS）于2005年制定了内源性NO口或鼻呼气采样与分析的国际技术标准，推荐（1）测试前必须吸入NO<5ppb的气体，避免高浓度环境NO对测试结果的影响；（2）测试时必须使口呼气压力超过5cmH2O，关闭上下呼吸道联通的软腭，避免上下呼吸道气体的混合；（3）采样时必须排除生理死腔气，并确保待测的气体浓度与取样的时间无关；（4）测试时必须保持恒定的流速，避免流速变化对测定结果的影响。
目前，满足ATS/ERS技术标准的NO口呼气采样与分析的技术已经商品化，例如瑞典AEROCRINE公司的NIOX MINO产品与中国尚沃公司的纳库仑呼气分析仪产品。然而，这些及其它公开报道的技术对鼻呼气的采样与分析尚未满足ATS/ERS技术标准（1）-（3）。这些技术采样的方式仅仅是，从一个鼻孔以一个恒定的流速抽气，环境气体则以恒定的流速从另一个鼻孔进入，流经并带出鼻腔、鼻窦与鼻咽等上呼吸道产生的NO等内源性气体，从抽气的鼻孔进入到采样或分析装置。这种方式对环境与下呼吸道气体是否进入并影响上呼吸道气体测试结果没有任何控制。
正常情况下，上呼吸道、特别是鼻窦产生的NO浓度（1000-10000ppb）远远高于下呼吸道(5-50ppb)与环境的NO浓度(1-10ppb)，因此可以忽略下呼吸道与环境NO混入上呼吸道的影响，采用上述公开的技术。然而，在某些病理条件下，例如原发性纤毛运动障碍（PCD），囊性纤维化（CF）及鼻窦口堵塞的鼻息肉或鼻窦炎，上呼吸道NO、尤其是鼻呼气NO的浓度非常低，甚至不到50ppb,下呼吸道与环境气体的影响不能忽略。此外，这种情况下，也可以降低采样气体的流速，使上呼吸道产生的NO有足够的时间扩散到采样的气流主体，达到更稳定有效的测量值。
所以，如果能提供一种内源性气体鼻呼气采样分析装置，不仅满足国际技术标准要求，排除环境与下呼吸道气体对上呼吸道内源性气体测量的影响，还能排除生理死腔气，而且可以根据需要调节采样的气体流速，这对于上呼吸道内源性气体测量领域无疑有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供几种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，不仅可以排除环境与下呼吸道气体对上呼吸道内源性气体测量的影响，而且可以根据需要调节采样的气体流速，获得更为稳定有效的测量结果。
本发明的一种实现装置是由口呼压力监测模块（100）、鼻采样模块（200）与分析模块（300）构成，所述口呼压力监测模块（100）由口呼接口（101）、阻力件（103）串联组成，气路上连接有压力传感器（102）；所述鼻采样模块（200）由鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀一（204）、三通阀二（205）、气室（206）、环境过滤器（207）与变流量采样模块（400）组成，其中鼻进气接口（201）、三通阀一（204）和环境过滤器（207）组成鼻进气通道，鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀二（205）、气室（206）、与变流量采样模块（400）组成鼻采样通道；三通阀一（204）和三通阀二（205）用于切换采集鼻样品气或过滤后环境气；所述分析模块（300）由分析泵（301）、气体湿度调节器（302）和NO传感器（303）串联组成。
对于鼻样品气采集阶段：受试者将鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）与两个鼻孔通过橄榄形鼻呼头连接好，同时口含与口呼接口（101）连接好的吹嘴呼气，经气体阻力件（103）后排出，气路中连接的压力传感器（102）会监测呼气压力，实时判断口呼压力是否满足>5cmH2O的要求；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）流入气室（206）不符合采样要求的生理死腔气从变流量采样模块（400）后端排出；采集好鼻呼气样品后，开启三通阀一（204）和三通阀二（205）切换采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气室（206），通过采样流速和采样时间控制采集的气量占气室容积的一半。此时要求气室为一根细长管，气室中气体流动为活塞流，轴向不存在混合。实际装置中，由于待测样品的浓度差，在分析气路中仍会存在一定的扩散，但设计有余量，不影响实际计算。
对于鼻样品气分析阶段：打开分析泵（301），气室（206）中的气体被驱动经过气体湿度调节器（302）后进入NO传感器（303）进行测量分析读取电流值；由于气室（206）中包含两段气体，鼻样品气与过滤后环境气，一次分析就可以得到鼻样品气与过滤后环境气的电流值，通过公式计算得到本次采样的NO浓度结果。
变流量采样模块（400）由流量传感器和采样泵串联组成；通过调节的采样泵pwm值，可使泵流量在5ml/s至50ml/s的范围内变化，同时泵前端的流量传感器可监测流量变化，实时微调采样泵pwm值，保证设定的采样流速恒定，获得更为稳定有效的测量结果。
环境过滤器（207）内的填料是由高锰酸钾KMnO4和活性炭组成，KMnO4用于氧化和吸收吸入气体中的氮氧化物，活性炭用于过滤和吸收KMnO4氧化的产物以及KMnO4未能吸收的空气污染物，过滤器两端装有细菌过滤棉，用于过滤滤料粉尘及空气中的细菌。一般情况下，以上结构可以满足国际技术标准的吸入气体中NO<5ppb需求，但若遇到严重雾霾等恶劣极端天气，环境NO浓度过高，超过了环境过滤器的过滤能力，则无法保证吸入气体NO<5ppb的要求。另外，由于采样泵的流速范围较宽，流速越高，环境过滤器的过滤效率就越低，且环境过滤器的过滤效率也会随着使用慢慢下降，诸多的不确定因素，也使得无法保证吸入气体NO<5ppb的要求。因而本装置设计的直接采集相同流速下的过滤后环境气进行分析的方法，直接扣除吸入气体对鼻抽样本的NO贡献，可以很好的解决环境NO干扰的问题，确保测试结果的准确性。
本发明的另一种实现装置是由口呼压力监测模块（100）、鼻采样模块（200）与分析模块（300）构成，所述口呼压力监测模块（100）由口呼接口（101）、阻力件（103）串联组成，气路上连接有压力传感器（102）；所述鼻采样模块（200）由鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀一（204）、三通阀二（205）、气室（206）、环境过滤器（207）、三通阀三（208）与变流量采样模块（400）组成，其中三通阀三（208）用于切换采样气排空或进入气室（206）；所述分析模块（300）由分析泵（301）、气体湿度调节器（302）和NO传感器（303）串联组成。
设定好采样流量后，先开启变流量采样模块（400）、三通阀一（204）和三通阀二（205）采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气室（206）；采集完成后提示受试者开始呼气，同时压力传感器（102）监测呼气压力，实时判断口呼压力是否满足>5cmH2O的要求；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）和变流量采样模块（400），按要求排出生理死腔气后，开启三通阀三（208），使符合要求的样品气流入气室（206），通过采样流速和采样时间控制采集的样品气气量占气室容积的一半。
当受试者一次采样不能达到气室容积的一半时，可以重复呼气采样，装置每次采集符合要求的样品气到气室，直至达到要求的气量。这样使其对于一些呼气比较困难的人群，在其难以在一次呼气中满足采样要求时，可以多次呼气采样，降低对采样的要求。
本发明的另一种实现方式是离线采集到气袋后再进行分析，离线采样装置较在线的采样分析一体装置可以更好的小型化，便于携带，可以在远离仪器的地点进行样品采集，拓宽了仪器的适用环境；也可以实现多次呼气采样，特别适合儿童、老人、重症患者等难以满足呼气要求的受试者。离线采样装置由口呼压力监测模块（100）、鼻采样模块（200）与采样气袋（500）构成，所述口呼压力监测模块（100）由口呼接口（101）、阻力件（103）串联组成，气路上连接有压力传感器（102）；所述鼻采样模块（200）由鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀一（204）、三通阀二（205）、气室（206）、环境过滤器（207）、三通阀三（208）与变流量采样模块（400）组成，其中三通阀三（208）用于切换采样气排空或进入采样气袋（500）。
受试者将鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）与两个鼻孔连接好，同时口含口呼接口（101）呼气，经气体阻力件（103）后排出，气路中连接的压力传感器（102）会监测呼气压力，实时判断口呼压力是否满足>5cmH2O的要求；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）和变流量采样模块（400），按要求排出生理死腔气后，开启三通阀三（208），使符合要求的样品气流入采样气袋（500），通过采样流速和采样时间控制采集的样品气气量，鼻样品气袋采集完成。当受试者一次采样不能达到采样气量要求时，可以重复呼气采样，装置每次采集符合要求的样品气到采样气袋（500），直至达到要求的气量。
将采集到的鼻样品气袋送到分析仪上进行分析，得到鼻样品气测试结果。使用的分析仪不限于电化学分析仪和化学发光仪。
如采样环境较为恶劣，环境NO浓度很高，可以在采样完鼻样品气袋后，更换另一个空的气袋，开启变流量采样模块（400）、三通阀一（204）和三通阀二（205）采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气袋，过滤后环境气样本采集完成。将两个气袋送到分析仪上进行分析，得到鼻样品气与过滤后环境气浓度值，它们的差值即为测试结果，这样就很好的排除环境NO干扰的问题，确保测试结果的准确性。
附图说明
图1 一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置1。
图2 一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置2。
图3 一种内源性气体鼻呼气采样装置。
具体实施方式
具体实施例一
本实施例利用图1所示装置，按照预设的采样流量和排空要求，采集和分析鼻呼气样品。
以下详细述整个采集和分析过程：
1）采样准备阶段：受试者要求测试前一小时不得饮食、抽烟和运动；测试前，医务人员会在操作软件上输入本次测试采用的采样流量和受试者的年龄、性别、身高、体重等参数，软件内算法会自动计算出受试者采样时需排空的体积，结合采样流量和采样体积计算所需排空时间和采样时间；医务人员在鼻进气接口（201）和鼻出气接口（202）接上硅胶材质的鼻呼头，鼻呼头呈橄榄形状，可以很好的贴合鼻孔部位，防止漏气，同时在口呼接口（101）上接好吹嘴，鼻呼头和吹嘴为专人专用耗材，以避免交叉感染。
2）鼻样品气采集阶段：受试者将鼻呼头与两个鼻孔连接好，同时口含吹嘴呼气，经气体阻力件（103）后排出，气路中连接的压力传感器（102）会监测呼气压力，实时判断口呼压力是否满足>5cmH2O的要求；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）流入气室（206）不符合采样要求的生理死腔气从变流量采样模块（400）后端排出；采集好鼻呼气样品后，开启三通阀一（204）和三通阀二（205）切换采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气室（206），通过采样流速和采样时间控制采集的气量占气室容积的一半（约40ml）。此时要求气室为一根细长管，气室中气体流动为活塞流，轴向不存在混合。实际装置中，由于待测样品的浓度差，在分析气路中仍会存在一定的扩散，但设计有余量，可以采用电流值的平台期数据，因而不影响实际计算。
3）鼻样品气分析阶段：打开分析泵（301），气室（206）中的气体以1ml/s的流速被驱动经过气体湿度调节器（302）后进入NO传感器（303）进行测量分析读取电流值，一次分析就可以得到鼻样品气与过滤后环境气的电流值，通过公式计算得到本次采样的NO浓度结果。
表1中收集了5位受试者在同一采样流速下的3次重复采样分析结果，由表可知，利用本装置采集和分析鼻呼气样品可以获得良好的重复性。
具体实施例二
本实施例利用图2所示装置，按照预设的采样流量和排空要求，采集和分析鼻呼气样品。
设定好采样流量后，先开启变流量采样模块（400）、三通阀一（204）和三通阀二（205）采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气室（206）；采集完成后提示受试者开始呼气，同时压力传感器（102）实时监测呼气压力；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）和变流量采样模块（400），按要求排出生理死腔气后，开启三通阀三（208），使符合要求的样品气流入气室（206），通过采样流速和采样时间控制采集的样品气气量占气室容积的一半（约40ml）。
当受试者一次采样不能达到气室容积的一半时，可以重复呼气采样，装置每次采集符合要求的样品气到气室，直至达到要求的气量。
具体实施例三
本实施例利用图3所示装置，按照预设的采样流量和排空要求，采集鼻呼气样品和过滤后环境气样本后送到电化学分析仪上进行分析。
受试者口含口呼接口（101）呼气，气路中连接的压力传感器（102）会实时监测呼气压力；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）和变流量采样模块（400），按要求排出生理死腔气后，开启三通阀三（208），使符合要求的样品气流入采样气袋（500），通过采样流速和采样时间控制采集的样品气气量，鼻样品气袋采集完成。当受试者一次采样不能达到采样气量要求时，可以重复呼气采样，装置每次采集符合要求的样品气到采样气袋（500），直至达到要求的气量。
鼻样品气袋采样完成后，更换另一个空的气袋，开启变流量采样模块（400）、三通阀一（204）和三通阀二（205）采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气袋，过滤后环境气样本采集完成。将两个气袋送到尚沃的纳库仑呼气分析仪上进行分析，得到鼻样品气与过滤后环境气浓度值，它们的差值即为测试结果，这样就很好的排除环境NO干扰的问题，确保测试结果的准确性。
具体实施例四
本实施例利用图3所示装置与化学发光仪（如GE NOA280i一氧化氮分析仪）联合使用，将采样装置的气袋接口与化学发光仪的进气接口连接，在采样装置上设置好的采样流量和采样时间，采集到的鼻呼气样品和过滤后环境气样本被抽入化学发光仪实时检测得到测试结果。
GE NOA280i一氧化氮分析仪测试时的抽气流量为5ml/s，当采样装置设定的采样流量为5ml/s时，采样装置的气袋接口与分析仪的进气接口通过两通连接件连接好，而当设定的采样流量为>5ml/s时，采样装置的气袋接口与分析仪的进气接口则需要通过一个三通连接件连接，超过分析仪抽气流量的部分气体排空。
通过本采样装置与化学发光仪的联合使用，即发挥了化学发光仪实时监测的优势，又扩展了化学发光仪在鼻呼气采样领域应用，也为上呼气道呼气模型的理论研究提供一个有力的手段。
Claims (10)
1.一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，由口呼压力监测模块（100）、鼻采样模块（200）与分析模块（300）构成，其特征在于：所述口呼压力监测模块（100）由口呼接口（101）、阻力件（103）串联组成，气路上连接有压力传感器（102）；所述鼻采样模块（200）由鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀一（204）、三通阀二（205）、气室（206）、环境过滤器（207）与变流量采样模块（400）组成，其中鼻进气接口（201）、三通阀一（204）和环境过滤器（207）组成鼻进气通道，鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀二（205）、气室（206）、与变流量采样模块（400）组成鼻采样通道；三通阀一（204）和三通阀二（205）用于切换采集鼻样品气或过滤后环境气；所述分析模块（300）由分析泵（301）、气体湿度调节器（302）和NO传感器（303）串联组成。
2.如权利要求1所述一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，其特征在于：受试者将鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）与两个鼻孔连接好，同时口含口呼接口（101）呼气，经气体阻力件（103）后排出，气路中连接的压力传感器（102）会监测呼气压力，实时判断口呼压力是否满足>5cmH2O的要求；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）流入气室（206），不符合采样要求的生理死腔气从变流量采样模块（400）后端排出；采集好鼻呼气样品后，开启三通阀一（204）和三通阀二（205）切换采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气室（206），通过采样流速和采样时间控制采集的气量占气室容积的一半。
3.如权利要求1所述一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，其特征在于：对待测气体进行分析时，打开分析泵（301），气室（206）中的气体被驱动经过气体湿度调节器（302）后进入NO传感器（303）进行测量分析读取电流值；得到鼻样品气与过滤后环境气的电流值，通过公式计算得到本次采样的NO浓度结果。
4.如权利要求1所述一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，其特征在于：所述变流量采样模块（400）由流量传感器和采样泵串联组成；通过调节的采样泵pwm值，可使泵流量在5ml/s至50ml/s的范围内变化，同时泵前端的流量传感器可监测流量变化，实时微调采样泵pwm值，保证设定的采样流速恒定。
5.一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，由口呼压力监测模块（100）、鼻采样模块（200）与分析模块（300）构成，其特征在于：所述口呼压力监测模块（100）由口呼接口（101）、阻力件（103）串联组成，气路上连接有压力传感器（102）；所述鼻采样模块（200）由鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀一（204）、三通阀二（205）、气室（206）、环境过滤器（207）、三通阀三（208）与变流量采样模块（400）组成，其中三通阀三（208）用于切换采样气排空或进入气室（206）；所述分析模块（300）由分析泵（301）、气体湿度调节器（302）和NO传感器（303）串联组成。
6.如权利要求5所述一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，其特征在于：设定好采样流量后，先开启变流量采样模块（400）、三通阀一（204）和三通阀二（205）采集经环境过滤器（207）后的环境气体进入气室（206）；采集完成后提示受试者开始呼气，同时压力传感器（102）实时监测呼气压力；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）和变流量采样模块（400），按要求排出生理死腔气后，开启三通阀三（208），使符合要求的样品气流入气室（206），通过采样流速和采样时间控制采集的样品气气量占气室容积的一半。
7.如权利要求6所述一种内源性气体鼻呼气采样与分析装置，其特征在于：当受试者一次采样不能达到气室容积的一半时，可以重复呼气采样，装置每次采集符合要求的样品气到气室，直至达到要求的气量。
8.一种内源性气体鼻呼气采样装置，由口呼压力监测模块（100）、鼻采样模块（200）与采样气袋（500）构成，其特征在于：所述口呼压力监测模块（100）由口呼接口（101）、阻力件（103）串联组成，气路上连接有压力传感器（102）；所述鼻采样模块（200）由鼻进气接口（201）、鼻出气接口（202）、细菌过滤器（203）、三通阀一（204）、三通阀二（205）、气室（206）、环境过滤器（207）、三通阀三（208）与变流量采样模块（400）组成，其中三通阀三（208）用于切换采样气排空或进入采样气袋（500）。
9.如权利要求8所述一种内源性气体鼻呼气采样装置，其特征在于：受试者口含口呼接口（101）呼气，气路中连接的压力传感器（102）会实时监测呼气压力；当口呼压力满足>5cmH2O时启动变流量采样模块（400）抽气，环境气体通过环境过滤器（207）、三通阀一（204）和鼻进气接口（201）进入鼻腔，然后从鼻出气接口（202）出来，经过三通阀二（205）和变流量采样模块（400），按要求排出生理死腔气后，开启三通阀三（208），使符合要求的样品气流入采样气袋（500），通过采样流速和采样时间控制采集的样品气气量，鼻样品气袋采集完成。
10.如权利要求9所述一种内源性气体鼻呼气采样装置，其特征在于：当受试者一次采样不能达到采样气量要求时，可以重复呼气采样，装置每次采集符合要求的样品气到采样气袋（500），直至达到要求的气量。
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