CN106456053A - 用于气道疾病评估的呼出气的选择、分段及分析 - Google Patents

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Abstract

本发明描述用于自动地获得并分析来自人的呼吸的肺部气道气体样本以供成分分析的方法及系统。这些技术可提供一种例如精确且可靠地测量一氧化碳以对幼儿及无认知患者进行哮喘评估的改进方法。

Description

用于气道疾病评估的呼出气的选择、分段及分析
技术领域
本文中描述了用于为了诊断目的分析呼出气的装置及方法。更具体地，描述了用于取样及分析呼吸循环的相关部分(例如起源于肺部气道、人的呼吸的呼出气体，所述呼吸可用于使气体分析与潜在生理学状态关联以用于诊断目的)的装置及方法。
背景技术
产生在身体及血流中或进入身体或血流的某些代谢物及化学物质是以呼出气分泌。代谢物及化学物质在身体或血流中的含量可通过测量呼吸中的代谢物及化学物质来确定。通常，某些疾病导致某种分析物的含量异常，在所述情况中，测量的分析物的浓度含量与潜在疾病的程度之间通常存在关联。测量的分析物可为非气态物质，例如粒子及其它化学物质，或气态物质。例如，呼吸NO含量可经测量以检测并监测潜在疾病，例如肺部气道的疾病。呼吸中发现的其它分析物可经类似地测量以评估其它器官及生理学系统的疾病或状态。呼吸NO测量(例如，用于哮喘评估)用作整个发明中的实例，然而，应注意，还预期其它分析物及其它临床状态，例如测量其它血液气体(例如O、CO及CO2)、呼出气的ph、细菌、蛋白质、酸、VOC、醛、酮、血醇、氨、H2、丙酮、尿素或甲烷)以用于评估各种状态，例如呼吸问题、消化系统问题、肾脏问题、肝问题、激素问题、睡眠疾病、血液化学问题、胰岛问题、心理学问题、矫形问题、心血管问题、其它器官系统的问题、系统性问题、干扰、药物使用、血液问题、癌症或遗传问题或运动医学或国土安全。
呼吸NO的测量在文献及现有技术中被广泛地报告为测试哮喘的方法。在哮喘中，中间及下部肺部气道的下层组织存在发炎过程。此发炎产生一氧化氮气体或NO，其扩散到肺部的气道中且接着在呼吸期间呼出。因此在哮喘评估中，关注具体起源于肺部气道的NO。肺泡气体中的NO在哮喘评估中可不受到关注，且可出于其它原因上升的鼻气道气体也可不受到关注。在执行呼吸NO哮喘评估时，因为如果患者的近期摄取历史是已知的，那么由于食道括约肌，可消除起源于腹部的NO气体。当在临床上使用呼吸NO监测时，NO的含量上升可指示哮喘攻击开始。此外，NO监测可有利于评估对哮喘用药及治疗的响应、朝治愈的进展及随时间对哮喘治疗的依从性。
如医疗文献中报告，呼出气中的一氧化氮的浓度取决于呼气流速。如果呼气流速快于正常速率，那么呼出气体含有更少的NO，因为肺泡气体更快地到达气道且留给NO扩散到肺部的下部气道中的时间太少(参考Silkoff,Am J Respir Crit Care Med1997；155:260-267)。如果呼气流速慢于正常速率，那么呼出气体可相反地含有更多NO。由于此类呼吸动态学及扩散规则且为了获得精确NO测量及在全部不同仪器、位置及临床实践中标准化的测量，医学界采用了与呼气流速有关的标准指南。推荐的流速是患者在呼气期间的时间周期中必须维持的某个速率(参见Am J Respir Crit Care Med Vol171.pp 912-930,2005)。推荐进行多次测试。在其它临床案例中，患者提交不同呼气流速的两个呼出样本可能是有用的；一个样本具有快的呼气流速且一个样本具有缓慢的呼气流速，且FENO(“呼出NO的分数”)中的差值可在临床上揭露某些情形。然而，无论是否符合推荐的流速或是否进行两次流速测试，标准指南可要求患者需要遵循某个流速。通常，流量或压力传感器包含在喉舌中用于实时指示患者的呼出强度以在必要的时间周期中维持期望流速。
虽然此类技术适用于有认知的成年人、青少年及年龄稍大的儿童人群，但是幼儿及无认知患者或不配合患者无法可靠地提交所需呼气流速的呼吸样本并不奇怪，即使经过实践且即使装置或医师提供信息、指导及辅导也如此。对测试患者进行的一定百分比的测试(例如，20％的尝试测试)可符合所需流速并产生有效样本，且其它不符合测试可仅仅通过仪器使用适当算法自动地舍弃。然而，此命中或未命中情形让用户感到沮丧、对结果持怀疑态度，因为疲劳可影响测量，且出于此及其它原因，此类人群中的呼吸NO评估一直未被实际临床实践接受或采用。实际上，出于至少此类原因，USFDA对全部FDA批准的呼吸NO分析器批准的标签表明了7或8岁的最小年龄要求(参考K072816、K101034、K021133、K073265、K083617)。
发明内容
因此，针对无认知及幼儿患者需要满足呼出气NO的可靠且精确收集及分析。在本发明中，描述了克服与无认知、不配合及幼儿人群中的FENO测量的可靠且精确呼吸样本收集相关联的障碍的系统及方法。且再者，虽然本发明中使用的主要实例涉及哮喘评估的呼吸NO测量，但是相同原理也适用于测量肺支气管树的其它部分中的其它分析物以用于评估其它临床状态。
在变型中，可指导患者正常呼吸。此可提供要求患者遵循呼气流速指导的替代选择。可使用鼻插管来从患者汲取样本且患者简单地正常呼吸，而非如现有技术系统的情况一样呼吸到喉舌中。呼吸到喉舌中可为干扰的，且通常导致幼儿呼吸异常。相比之下，以插入到鼻腔中的非干扰鼻插管插脚进行的呼吸可允许幼儿无障碍呼吸。鼻插管可耦合到仪器内侧的真空源以从患者自动地汲取呼吸气体，而无需患者参与。还预期其它类型的患者接口且其它类型的患者接口可用于收集样本。例如，可使用也耦合到真空源的非干扰喉舌，其可让患者感觉到他们正自然呼吸。此外，可使用遮盖口腔及鼻腔的面罩，其具有吸气阀及呼气阀，其中仪器的取样端口耦合到呼气阀出口。或替代地，患者接口可为密封在鼻子周围的鼻罩，而非鼻插管。不论接口如何，其设计与现有技术中描述的接口的不同之处在于：本文中所述的接口可减少无效区使得随着空气的呼出，罩气体体积可迅速完全交换。当使用鼻接口来收集呼出的气体样本时，可使用喉舌，其阻止通过嘴巴呼吸使得患者主要或完全通过鼻呼吸。当使用口腔接口来收集呼出的气体样本时，可使用鼻夹来阻止通过鼻呼吸。
在变型中，仪器可向患者提供平静的声音及/或视觉节拍器使得患者根据节拍器的呼气速率来呼吸。节拍器速率可被选择为对于测试的特定患者来说正常的速率以得到精确的FENO测量。此速率可基于某些患者准则(例如年龄、身高、体重或性别)来自动地确定，或可在测试之前由医师选择，或这两者的组合。可根据节拍器给予患者适应呼吸周期，使得使用适用于建立整个肺部树的气体浓度的稳定状态的周期。可使用呼吸模式传感器来确认实际呼吸模式已遵守或遵守所需适应要求以使测试继续进行。在适应周期完成且确认为有效之后，仪器可开始收集呼出气体来测量FENO。除了使用呼气速率作为患者呼吸的指南之外，还可使用其它呼吸信号，例如呼吸压力、呼吸流速、胸部偏移、呼吸声音或二氧化碳检测计。
在一些变型中，可使用两种技术中的一种：NO的单次呼吸测量及NO的多次呼吸测量。前者可被描述遍及大部分以下描述，然而这两种技术均是适用的。在从多次呼吸获取样本的情况中，可应用Capnia的临时专利申请案61/872,415中描述的变型，且所述申请案的内容是以引用方式全部并入本文中。
在变型中，在适应周期之后，通常使用呼吸传感器且使用呼吸模式准则来识别有效呼吸，以限制测量异常呼吸中的NO。有效呼吸可为将产生生理学有效NO样本的呼吸。呼吸可基于呼吸传感器数据分类为(例如)正常潮气量呼吸、部分呼吸、深度呼吸、叹气呼吸、叠式呼吸、窒息后呼吸、快速呼吸、缓慢呼吸、正常持久呼吸等。为了使呼吸有资格含有有效气体样本，基于呼吸传感器数据，仪器可确认呼吸符合预期呼气速率，否则，测量的NO可虚高或虚低。此外，在取样之前，可要求呼吸满足其它呼吸信号振幅及持续时间要求。此外，还可要求取样呼吸之前的呼吸符合预期呼气速率及其它要求以保证收集样本之前的稳定呼吸模式，否则肺支气管树中的气体可失去平衡。如果呼吸模式并未落在预期呼气速率范围内，那么测试可继续进行直到患者在此范围内呼吸为止。最终，即使患者的呼气速率(“RR”)受到测试的最小侵入力困扰，那么患者仍然可最终平静下来且由于大脑的呼气控制机制而以正常速率呼吸。除了使用呼气速率作为用于定义有效目标呼吸的准则之外，还可使用其它呼吸信号，例如呼吸压力、呼吸流速、胸部偏移、呼吸声音或二氧化碳检测计。在定义并选择有效呼吸来分析的情况中，可应用Capnia的早期专利申请案14/150,625中描述的变型且所述申请案的内容是以引用方式全部并入本文中。
在变型中，一旦确定呼吸目标，可使用算法来分离来自中间及/或下部气道的呼出气体的样本且舍弃来自鼻腔、气管及肺泡区域的气体。分离呼出气体可有利于防止样本污染。例如，来自鼻腔的NO气体的浓度可高于气道NO且可高度可变，且因此将不利地影响评估的精确度及可重复性。测量患者的呼气的呼气相传感器可用于识别呼气相的不同部分，且仪器使用此类识别部分来分离期望部分与非期望部分。传感器的一些实例包含二氧化碳检测计、气道压力传感器、流量传感器、胸部偏移传感器、食道传感器、呼吸驱动传感器及呼吸声音传感器。取决于所使用的传感器，信号可根据呼出气体收集导管来测量，或可为到患者的单独测量通道或连接，或组合。呼吸信号可经微分、变换或以其它方式转换以更好地识别呼气相期间对应于肺支气管树的不同区段的过渡点。从传感器收集的关于呼气相的不同部分的识别的信息可与由仪器收集的气体的每一呼气相部分的位置关联。例如，呼气开始可由时间t(a)处的突然正气道压力来识别。因为气体行进通过系统的速度是已知的且系统内的导管的不同长度是已知的，所以对应于时间t(a)的气体在整个系统中的位置是已知的。用于识别并分段呼气相的不同部分的传感器可为用于使呼吸有资格及没有资格作为从其中获取样本的合适或有效目标呼吸的相同传感器，然而所述传感器也可为不同传感器。
在变型中，在收集有效气道气体样本之后，针对气道NO含量(aNO)测量样本。aNO的测量可发生在仪器场内或场外。在场内系统中，测量在样本的收集期间可为瞬时的、半瞬时的、基本上实时进行，或可在延迟获得样本之后执行，这取决于仪器中采用的NO传感器技术的类型。如果NO传感器是瞬时传感器或近似瞬时的，那么NO传感器可为呼吸信号传感器及NO传感器两者。用于收集样本的系统气动元件可不断改变，且Capnia的临时专利申请案61/872,514中已经进一步描述了收集仪器的此类形式中的一些，所述申请案的内容是以引用方式全部并入本文中。
在变型中，可提示患者在收集样本期间暂时快速呼吸，且接着在收集第二样本时暂时缓慢呼吸。此可允许仪器执行快速呼吸与缓慢呼吸之间的aNO比较，这有时候有利于如早期解释的某些临床情形。再者，节拍器可指导患者以期望呼吸速率呼吸。例如，缓慢及快速呼吸的周期可各自为两分钟，其间具有适当的休息周期使得肺部中的气体梯度可再次建立平衡。
类似地，对于某些其它诊断情形，提高测试的灵敏度可能是有利或必要的，所述测试有时候可通过以某种其它方式激怒患者来进行。例如，患者可暴露于被注射到身体中或呼吸到肺部中的物质。还可考虑身体位置，且一些测试可在患者坐下时更好地执行，而其它测试可在患者平躺时更好地执行，这归因于身体位置影响肺部树内的气体梯度及呼吸及换气。通常需要考虑周围环境来考量可补充呼吸气体的背景气体。此可通过执行环境测量且进行适当校正来进行。在其它情形中，可干扰测试的环境蒸气、气体及粒子可使用过滤器、测试隔室、适应周期、校正因素、警告等来处理。
NO传感器可需要最小体积来满足传感器的信号响应特性。在第七变型中，可设置取样系统的流速以汲取最小体积的患者的呼出气。例如，以下患者参数及传感器要求可用于某项测试：(1)患者是4岁，潮气量为200ml，每分钟15次呼吸的正常呼吸速率及正常潮气量呼吸期间有2秒钟呼气时间，(2)需要5ml样本来满足NO传感器的信号响应特性来登记精确测量，(3)测试关注的肺部部分是总呼气流量的中间1/5。基于此类考虑，5ml/(2sec*1/5)是系统的必需取样流速，等于12.5ml/sec或750ml/min，其是患者的呼气流量的约6％且也是患者吸气流量的约6％。在许多临床情形中，可希望将取样流速保持在患者吸气流量的10％以下以免影响呼吸，且保持在呼气流量的10％以下以防止产生NEEP。因此，可将总的系统要求考虑到系统设计中，所述系统要求包含(a)预期患者呼吸模式，(b)传感器信号响应，(c)气体样本大小及(d)取样流速。
在应用于测量aNO进行哮喘评估的变型中，描述了观察呼出气体的中间1/5是有效的。然而，对于某些其它哮喘评估且对于其它诊断测试，呼出气体可进入任何数目的区段中，例如还预期六到十或更多个分区。
在另一变型中，预期在哮喘中，肺部气道的特定含量可趋向于发炎反应，其起因于造成恶化的某个外生或内生刺激物。且预期不同基因类型的疾病影响肺部气道的不同区域。例如，肺段支气管的发炎可与某种类型的哮喘或导致攻击的某种类型的刺激物关联。且类似地，下部气道(例如，第6到第8代分支)的发炎可与又另一类型的哮喘或不同刺激物关联。本文中所述的变型还可用于确定肺部的哪个区段中的NO是最高的，或用于产生肺支气管树的NO映射或发炎映射，及确定最受发炎影响的区域。映射整个肺部的发炎的创伤性技术是有可能的，但其极具有侵入性、极为昂贵且极具风险。在一些变型中，此信息可完全非侵入性地且对患者无风险地获得。此信息接着可更有利于诊断且还有利于指导治疗。此信息可帮助医师确定最优治疗且甚至治愈。例如，对于支气管成形术治疗，获自本文中的变型的测量可帮助将肺部中的哪些气道可能需要治疗告知介入肺脏学家，且可因此优化治疗、随时间分级治疗且避免过度治疗或治疗不足。映射诊断可在治疗之前或在治疗的同时执行。
在第一变型中，用于分析呼吸分析物的设备包括：用于测量呼吸模式参数的呼吸传感器；包括呼吸气体收集导管的呼吸取样系统；第一处理器，其用于(i)建立区分生理学典型呼吸与生理学非典型呼吸的呼吸模式参数准则，及(ii)基于呼吸参数准则值与经测量呼吸模式参数的比较来确定是否应对来自呼吸的呼出气体取样以用于分析；用于在成分上分析呼吸气体的至少一个区段的分析器；及用于将呼吸气体的至少一个区段传送到气体分析器的控制器。
在第二变型中，第一变型的设备进一步包括：第二处理器，其执行分离算法以基于来自呼吸传感器的数据将气体收集导管中的呼吸气体划分到离散区段中，所述离散区段经划分使得至少一个区段表示期望进行分析的肺支气管树的生理学区段；及第三处理器，其执行定位算法以定位气体收集导管中呼吸气体的所需生理学区段的至少一个部分的位置。
在第三变型中，随着呼吸传感器测量呼吸气体的呼出区段，分离算法分离呼吸气体。在第四变型中，分离算法在呼吸传感器完成对呼吸气体的呼出区段的至少一部分的测量之后分离呼吸气体。在第五变型中，所需生理学区段表示气管与肺泡之间的肺支气管树的区段。在第六变型中，所需生理学区段表示选自由以下项组成的组的肺支气管树的区段：鼻气道、气管、主干支气管、肺段支气管、传导气道、呼吸气道、肺泡。在第七变型中，离散区段包括至少三个区段，且其中中间区段是所需生理学区段。在第八变型中，离散区段包括至少N个区段，其中1/N的区段中的气体体积等于或大于气体分析器用来测量分析物所需要的体积。在第九变型中，分离算法通过测量呼出相的至少一部分的持续时间且将所述部分的持续时间划分为多个时段来分离呼出气体。在第十变型中，分离算法通过检测呼吸传感器信号中的特性来分离呼出气体，所述特性选自由以下项组成的组：零值信号振幅、峰值信号振幅、从负值到正值的零值的交叉、从正值到负值的零值的交叉、信号振幅中的平稳段、信号振幅的斜率变化、信号的微分的零值、信号的微分的峰值、信号的二阶微分的零值、信号的二阶微分的峰值、信号的变换的零值、信号的变换的峰值。在第十一变型中，所需区段的至少一个部分是选自由以下项组成的组：区段的开始、区段的结束、区段的中点。
在第十二变型中，第一变型的呼吸传感器是选自由以下项组成的组：CO2传感器、压力传感器、流量传感器、声传感器、胸部运动传感器、气体成分传感器、分析物分析器。在第十三变型中，呼吸传感器及分析物分析器是相同传感器。在第十四变型中，呼吸分析物是一氧化氮。在第十五变型中，呼吸分析物包含(但不限于)以下项组成的组：NO、CO、H2、氨、水分PH、细菌、CO2、O2、VOC、血醇、尿素、丙酮、甲烷、酸、蛋白质或其组合。在第十六变型中，分析物是选自由以下项组成的组：光学、化学、电、电化学、化学发光、层析、光-电、光-化学。
在第十七变型中，呼吸取样系统包括具有可连接到所述设备的机器端及适用于安置在患者气道的路径中的远端的插管，及可连接到插管的流量源。在第十八变型中，第一变型的系统进一步包括第四处理器，其执行告知患者以期望频率呼吸的算法。在第十九变型中，第一变型的系统进一步包括第五处理器，其执行算法以告知患者以期望频率呼吸、执行算法以当患者正以期望频率呼吸时将用于分析的呼吸气体的收集延迟某个时间周期及执行算法以确认患者正以期望频率呼吸。在第二十变型中，第一变型的系统进一步包括第六处理器，其执行算法以测量呼出气体的至少两个区段中的分析物并将生理学有效区段中测量的分析物的含量用另一区段中测量的分析物来校正。在第二十一变型中，第一变型的系统进一步包括第七处理器，其执行算法以测量多次呼吸中的分析物来确定最终成分值。
在第二十二变型中，用于分析呼吸分析物的方法包括：将呼出气的至少一部分收集到导管中；使用呼吸传感器测量呼吸的呼出信号；及通过比较测量的呼出信号与准则来确定呼吸在生理学上是否对呼吸分析物的分析有效，且如果确定有效，那么使用分析物来分析呼吸分析物的呼出气的至少一个区段。
在第二十三变型中，第二十二变型的方法进一步包括基于来自呼吸传感器的数据将导管中的呼吸气体分离到离散区段中使得至少一个区段表示肺支气管树的期望生理学区段；基于来自呼吸传感器的数据将呼吸气体的期望生理学区段的至少一个部分的位置定位在导管中；及将气体的期望生理学区段的至少一部分传送到分析器。
在第二十四变型中，随着呼吸传感器测量呼吸气体，分离呼吸气体。在第二十五变型中，在呼吸传感器完成呼吸气体的呼出区段的至少一部分的测量之后分离呼吸气体。在二十六变型中，分离将来自肺支气管树的气体的区段分离在支气管与肺泡之间。在第二十七变型中，分离将来自肺支气管树的气体的区段与选自由以下项组成的组的区段分离：鼻气道、气管、主干支气管、肺段支气管、传导气道、呼吸气道、肺泡。在第二十八变型中，分离将气体的区段分离到至少三个区段中，其中中间区段是期望生理学区段。在第二十九变型中，将气体分离到至少N个区段中，其中1/N的区段中的气体体积等于或大于气体分析器用来测量分析物所需要的体积。在第三十变型中，通过测量呼出相的至少一部分的持续时间且将所述部分的持续时间划分为多个时段来分离气体。在第三十一变型中，通过检测并使用呼吸传感器信号中的特性来分离气体，所述特性选自由以下项组成的组：零值信号振幅、峰值信号振幅、从负值到正值的零值的交叉、从正值到负值的零值的交叉、信号振幅中的平稳段、信号振幅的斜率的变化、信号的微分的零值、信号的微分的峰值、信号的二阶微分的零值、信号的二阶微分的峰值、信号的变换的零值、信号的变换的峰值。在第三十二变型中，通过选自由以下项组成的组的期望区段的至少一个部分来定位气体：区段的开始、区段的结束、区段的中点。
在第三十三变型中，第二十二变型的方法进一步包括使用选自由以下项组成的组的呼吸传感器：CO2传感器、压力传感器、流量传感器、声传感器、胸部运动传感器、气体成分传感器、分析物分析器。在第三十四变型中，呼吸传感器及分析物分析器是相同传感器。在第三十五变型中，呼吸分析物是一氧化氮。在第三十六变型中，分析器分析选自(不限于)以下项的组的至少一种分析物：NO、CO、H2、氨、水分PH、细菌、CO2、O2、VOC、血醇、尿素、丙酮、甲烷、酸、蛋白质或其组合。在第三十七变型中，分析器是选自由以下项组成的组：光学、化学、电、电化学、化学发光、层析、光-电、光-化学分析器。在第三十八变型中，使用在一端上耦合到气道且在另一端上耦合到所述设备的鼻插管且使用真空源收集呼吸样本。在三十九变型中，所述设备指导患者以期望频率呼吸。
在第四十变型中，所述方法进一步包括(i)所述设备指导患者以期望频率呼吸，(ii)在患者以期望频率呼吸时将要分析的呼吸气体的收集延迟某个时间周期，及(iii)确认患者正以期望频率呼吸。在第四十一变型中，所述方法进一步包括测量呼出气体的至少两个区段中的分析物且将生理学有效区段中测量的分析物的含量用另一区段中测量的分析物校正。在四十二变型中，所述方法进一步包括测量多次呼吸中的分析物以确定最终成分值。
在第四十三变型中，分析呼出气的方法包括：测量呼吸呼出相的CO2含量；当CO2含量从基本上零值增加到正值时敞开到导管的阀；测量呼吸呼出相的压力；当压力的第一导数为零值时关闭到导管的阀；及分析流过导管的气体。
在四十四变型中，分析呼出气的系统包括：收集气体的第一导管；分析气体的第二导管；第二导管上的入口阀；测量呼吸呼出相的CO2含量的二氧化碳检测计，其中当CO2含量从基本上零值增加到正值时敞开入口阀；测量呼吸呼出相的压力的压力传感器，其中当压力的第一导数为零值时关闭入口阀；及测量在第二导管中行进的气体的分析器。
附图说明
图1描述根据变型的具有样本管、旁通管及样本推管的呼吸分析设备的示意概览图。
图2描述根据变型的具有样本路径及旁通路径的替代性呼吸分析设备的示意概览图。
图3描述根据变型的具有场外样本分析的替代性呼吸分析设备的示意概览图。
图4描述根据变型的具有样本路径及旁通路径的替代性呼吸分析设备的示意概览图。
图5描述根据变型的具有与用于呼吸信号测量的样本收集通道平行的通道的替代性呼吸分析设备的示意概览图。
图6描述根据变型的具有快速响应成分传感器的替代性呼吸分析设备的示意概览图。
图7描述根据变型的其中患者被动地呼吸到仪器中进行样本收集的替代性呼吸分析设备的示意概览图。
图8以图形描述根据变型的呼吸的二氧化碳检测计信号、气道压力信号及流量传感器信号。
图9以图形描述根据变型的使用CO2及气道压力传感器信号且包含理论NO轨迹的呼吸循环的不同分离。
图10以图形描述根据变型的使用二氧化碳检测计信号轨迹的测试的序列。
图11以图形描述根据变型的来自图10的呼吸bn的呼吸传感器信号。
图12a以图形描述根据变型的图11的具有颠倒时标的呼吸传感器信号。
图12b示意地描述根据变型的具有与图12a中的图形对准的呼出气体的设备的气动元件。
图13a以图形描述根据变型的图12中所示的呼吸bn，其中示出了呼吸bn及呼吸bn+1的吸入相。
图13b描述根据变型的设备的气动示意图，其中来自呼吸bn的呼出相的气体样本在样本管18中，所述示意图与图13a中的图形对准。
图14以图形描述根据变型的测试序列，其中获得并分析来自不同类型的呼吸模式的样本以增强灵敏度及专用性。
图15以图形描述根据变型的对应于由某种刺激物触发的某个基因类型的哮喘或某种类型的气道发炎的气道NO气体的梯度。
图16描述根据变型的用于样本收集的鼻插管患者接口。
图17描述根据变型的用于样本收集的鼻罩插管患者接口。
图18描述根据变型的用于样本收集的口罩患者接口。
图19描述根据变型的用于样本收集的面罩患者接口。
具体实施方式
这里描述了用于尤其从幼儿或无认知或不顺从患者获得气体样本用于分析的装置及方法。特定地，通过自动地收集样本、以不会使患者的呼吸异常或对测试无效的方式收集样本、将呼出气体分离到对应于肺部中的肺部树的不同区段的不同分区、隔离在生理学上对关注分析有效的呼出气体分区且测量正讨论的分析物的样本来描述获得精确且可靠且可重复测量。在一个变型中，呼出气体的收集是取自幼儿的生理学有效呼吸、将气体(表示来自中间及下部气道的气体)与呼出气体的中间部分隔离及针对NO测量所述气体部分以用于哮喘评估。在所示变型中，为了示范性目的，描述NO气体中间气道测量，且患者的呼吸样本被示为通过应用真空从患者汲取到仪器中。然而，本发明还适用于呼出循环的其它区段、其它呼吸气体的测量以用于其它诊断目的及患者呼吸到仪器中以使仪器收集呼吸样本。
在一些变型中，可测量一或多个呼吸参数以识别呼吸的不同组成部分及相应时间周期，且可使用气动系统以使用所识别的时间周期捕获取样管中的呼出气的部分。在一些变型中，可使用一或多个阀及/或流量控制机构(例如(例如)真空泵)以调节汲取到取样管中的气体的流速。在一些变型中，可分析捕获到的呼吸部分以获取患者的生理状态指标。
所测量的呼吸参数可包含以下各项中的一或多项：二氧化碳、氧气、气道压力、气道温度、呼吸流速及胸部阻抗、隔膜移动或神经分布、呼吸声音或呼吸振动。识别呼吸的部分的时间周期可包含识别所述时间周期的基本上开始及终止。
图1示意地描述用于捕获呼出气的装置的一个变型的概览图，所述装置包含取样插管1及气体样本收集及分析仪器2。可例如使用取样插管1及流量产生器12从患者汲取气体。流量产生器的流速可由流量换能器(例如布置为流速传感器(pneumotach)的压力传感器阵列26及28)测量。所测量的流速可用作闭环反馈控制以控制流量产生器的流速。呼吸传感器(例如二氧化碳检测计10或压力传感器26)用于实时测量呼吸模式。来自呼吸的所需部分的气体被捕获且隔离在存储收集室18中。进入存储室的气体受至少一个阀V1控制，例如共同端口c总是敞开，且第二敞开端口a收集气体或第二敞开端口b隔离存储室。V1与流量产生器之间可存在阀V2以参与V1隔离存储室。未经捕获用于分析的气体经引导经由旁通导管20远离存储室。经捕获气体通过气体成分分析器14(例如NO传感器)从存储室发送。具有微处理器24的控制系统22以相关联的算法来控制系统。流量产生器例如可为真空泵或压力泵，例如隔膜泵，或另一类型的流量产生装置，例如真空源、来自正压源的文氏管，或注射泵。用于管理气体路由的阀可为如所示的3通道2位阀的布置，或可为4通道3位阀的布置。如果使用了二氧化碳检测计10，则二氧化碳检测计10使用红外线(IR)瞬时地测量呼吸模式。例如，气体成分分析器可为具有反应时间的电化学传感器，或气相色谱仪或、质谱仪、化学发光传感器、电流型传感器或其中微调化学物质以对NO的存在作出反应的任何类型的化学传感器。传感器可直接测量NO或将NO转换为另一分子，例如NO2并测量所述分子。样本存储室可为相当大长度的小孔内径管或导管以最小化横截面，这会减少沿导管长度的气体分子的相互作用。取样插管可由非刚性的抗扭结塑料(例如热固塑料(例如硅酮、尿烷或尿烷掺合物)或例如热塑塑料(例如PVC、C-FLEX))或其它材料构造。插管可具有一定范围的内径，但是优选地小于080”以使呼吸气体符合分离的充分界定边界在可控制混合交叉的呼吸段之间的柱状行为。
压力传感器16是额外的压力传感器，其可与26串联使用使得除了使用其进行气道压力测量以外还可确定流速。在利用可变流速的一些变型中，流速可用于调整泵速度。在通过压力而非二氧化碳检测计测量呼吸曲线的情况下，压力传感器16还可用于周围信息。在一些变型中，瞬时一氧化氮传感器可用作呼吸传感器来代替二氧化碳检测计或气道压力传感器。还可使用其它瞬时呼吸传感器。
旁通管20允许从患者或从周围汲取的气体绕过样本管18，在此段时间期间，样本管可与这些气体隔离。在此布置中，阀V1可在端口a处封闭且阀V2可在端口b处敞开以允许从b流过c。流量产生器可用于通过旁通管汲取取样气体。推管21可用于将样本管18中的潮气末样本从样本管中推送到传感器14，此时阀V1及V3各自在端口b处敞开且V2在端口a处封闭。当不希望患者气体污染内部气体路径时或为了冲洗系统，阀V4通过敞开端口b将源气体从患者气体切换到周围气体。
在一些变型中，上文图1中所示的气动系统可包含可移除式取样室(例如，如Capnia的临时专利申请案61/872,514中所述，所述申请案的内容是以引用方式全部并入本文中)。例如，样本管18可从系统移除。以此方式，气动系统可能能够用所需气体填充样本管，且样本管可在另一位置处进行分析，或保存起来以供后续分析之用。在其它变型中，气体可从样本管路由到可移除式取样室。在此变型中，所述室可取代分析器或以其它方式定位使得其可被移除及/或取代。
控制系统22可包含用于执行呼吸监测及检测功能的模块或算法。在此模块中，确定呼吸模式或个别呼吸是否满足某些准则，以确定呼吸是否将被捕获用于分析。准则可为预定义的或经实时定义，或由用户定义、自动地定义或半自动地定义。例如，预定义准则可为存储在装置的软件中的绝对或相对阈值参数。或者，用户可输入关于正在执行的特定测试的某种信息，且系统可使用所述信息来定义准则。或者，系统可基于主要状况实时地自动建立准则。或者，可采用上述技术的组合。控制系统内的后续控制系统模块或算法执行呼吸样本捕获功能，且另一后续控制系统模块或算法执行呼吸样本分析。
图2描述了替代性仪器配置，其中呼出气体由泵12通过阀V5及V6汲取到仪器中直到选择呼吸用于分析且直到来自选定呼吸的呼出气体的适当部分的开始到达字母T T1为止。此时，阀V6从端口a切换为端口b且由呼出气体的适当部分组成的气流接着被路由到传感器S6。当呼出气体的适当部分的末端到达字母T T1时，阀V6从端口b返回切换到端口a且传感器S2完成其对气体样本中的分析物的浓度的测量。替代地，另一阀可放置在字母T T1之前或之后以用于额外控制且防止真空及压力影响，或取代例如图4中所述的字母T。在图4中，V3及V4的端口b在没有测量指定样本时是敞开的，且端口a在测量指定样本时是敞开的。
图3描述了其中在场外执行气体成分分析的替代性仪器配置。当来自期望呼吸的气体的期望区段到达阀V7时，V7及V6从端口a切换到端口b，从而允许指定用于分析的样本行进到样本导管29。导管29是可移除的使得其可耦合到远处的分析器S3，或仪器2可仅仅连接到单独的分析器S3。当指定样本已将阀V7清空时，V7及V6返回切换到端口a使得指定样本的测量不会被其它气体污染。
图5描绘了类似于图4的替代性仪器配置，其中患者接口1(在此情况中鼻插管接口)中具有额外通道15。传感器S1耦合到通道15以测量呼吸信号。S1可为压力传感器、流量传感器或其它类型的传感器。通道15被示为没有耦合到主动流量源，在所述情况中，患者的呼吸被动地产生呼吸信号，然而还预期通道15可耦合到真空源以主动地从传感器汲取气体，在所述情况中，S1可为二氧化碳检测计或气体成分传感器。真空源可与所示的泵12相同或可为独立于泵12的另一组件(未示出)。
图6描述了其中传感器S2可用于测量呼吸信号且还用于测量正讨论的分析物的浓度的替代性仪器配置。在此情况中，传感器S2是相对快速响应传感器，例如当对正讨论分析物作出响应时，响应时间在100mes内。此系统仍可包含压力传感器16及28以帮助调节取样流率，及/或作为呼吸信号测量的冗余度。
图7示出了其中呼出气体的收集是被动的从而不需要主动流量源来收集样本的替代性仪器配置。阀配置放置于靠近到仪器的患者接口连接处。所述配置包含吸气阀17及呼气阀19。患者通过患者接口自主地呼吸，从而通过阀17汲取周围吸入空气且通过阀19呼出到仪器中。呼出气体呼吸信号是由传感器S1测量，所述传感器S1将识别呼气相的不同部分。当来自呼出的期望部分的气体穿过传感器S2时，针对分析物的浓度测量气体。泵25经提供以用周围空气来冲洗系统或测量周围空气中的正讨论气体以用于校正。当然，图7中的配置可结合例如图5中的其它替代性仪器配置，其中传感器S2周围具有旁通管20用于除指定样本之外的全部其它气体。
现在参考图8，典型的呼吸信号以图形示为一次呼吸的呼出相及后续呼吸的呼入相的时间函数。顶部、中间及下部轨迹分别对应于正常潮气量呼吸的二氧化碳检测计信号、气道压力信号及流量信号。CO2信号可来自例如图5中的S1的侧流传感器或主流CO2传感器，且气道及流量传感器可处于患者气道处或远离气道一定距离。在呼气相E期间，排出CO2，因此CO2含量增加。在吸气相I期间，周围空气占据上部气道，因此所测量的CO2基本上下降到零。基于人的呼吸模式、其年龄、其如何呼吸及任何潜在的急性或慢性医疗状况，呼吸CO2曲线可存在多种形状。典型的曲线可示出呼气相的以下子部分：(1)开始部分或潮气末前段PET，包括低或很少CO2，因为气体可仅仅为来自缺少CO2的近端气道的气体，(2)中间部分，示出CO2迅速从零增加到肺的远段处的CO2含量，及(3)潮气末ET部分，示出CO2的稳定或平衡，其表示来源于用于所述呼出气的肺泡的CO2，及(4)呼气周期的恰好结束时的潜在恒定峰值含量。然而，可存在不同于此典型曲线的许多其它曲线。峰值CO2含量在潮气末周期期间通常是4％到6％，且在吸气周期期间接近或等于零。
在一些变型中，呼出气中的CO2含量可用于确定呼吸周期的持续时间，例如潮气末前时间TPET、呼气时间TE、潮气末时间TET、吸气时间TI或呼吸周期时间TBP。在进一步变型中，呼吸周期的持续时间可以通过所述周期的开始及终止来表征。在一些变型中，CO2含量可用于确定呼吸周期的开始或终止。在其它变型中，CO2含量的第一时间导数可用于确定呼吸周期的开始或终止。在又其它变型中，CO2含量的第二时间导数可用于确定呼吸周期的开始或终止。在一些变型中，CO2含量及CO2含量时间导数的组合可用于确定呼吸周期的开始或终止。在一些变型中，潮气末周期的开始可由呼出气的CO2含量的第一时间导数的变化来确定，所述变化例如CO2含量的第一时间导数的突然降低。在一些变型中，CO2含量的第一时间导数的降低可大于10％的降低。在一些变型中，CO2含量的第一时间导数的降低可大于25％的降低。在一些变型中，导数将接近或变为零，分别示出极小变化速率或峰值稳定。在其它变型中，潮气末周期的开始可由CO2含量的大的第二时间导数来确定。在一些变型中，潮气末周期的终止可由最大CO2含量来确定，最大CO2含量可由CO2含量的第一时间导数的正负号变化来检测或确认，因为所述导数的变负与CO2含量从其峰值下降相关联。在进一步变型中，开始周期的开始可由CO2含量的第一时间导数的突然增加来确定。在其它变型中，开始周期的开始可由CO2含量从零CO2含量增加来确定。在一些变型中，中间周期的终止可由呼出气的CO2含量的第一时间导数的变化来确定，所述变化例如CO2含量的第一时间导数的突然降低。在一些变型中，CO2含量、其第一时间导数或其第二时间导数可用于确定一或多个周期的开始及终止。可使用其它呼吸传播气体来代替CO2用于测量呼吸曲线。例如，可测量氧气，其将指示吸气期间的氧气浓度高于呼气。在一些变型中，呼吸模式可由快速响应NO传感器瞬时或实质上瞬时测量。在此情况中，参考图1，传感器10可为快速响应NO传感器，其描绘呼吸模式且还测量潮气末NO含量。在应用随后描述的各种呼吸合格及不合格变型之后，可报告合格的呼吸的NO含量作为结果。
在图8的中间轨迹中，经测量气道压力信号可来自图5中的传感器10，示出了吸气相期间的负压力及呼气相期间的正压力。通常在平静呼吸期间，峰值呼气压力可对应于呼气相的中间及潮气末周期的开始。在图8中，TI、TE、TPET、TET、TPE分别表示吸气时间、呼气时间、潮气末前时间、潮气末时间及呼气后时间。还可存在吸气暂停(未示出)，其中吸气期间的肺肌肉运动的峰值在呼气周期开始之前暂停。当在鼻孔的入口处测量时，峰值吸气压力在平静呼吸期间可为-1cwp到-4cwp，且在深呼吸期间多达-15cwp，且峰值呼气压力在平静呼吸期间可为+0.5cwp到+2.0cwp且在深呼吸期间多达+10cwp。代表性压力及气体浓度可随环境状况而改变，例如在相同体积单位下，低温期间的气道压力可增加。在图8的下部轨迹中，例如根据图5中的传感器S1测量呼吸流速。
在一些变型中，可使用气道压力以确定呼吸周期的开始或终止。在其它变型中，气道压力的第一时间导数可用于确定呼吸周期的开始或终止。在又其它变型中，气道压力的第二时间导数可用于确定呼吸周期的开始或终止。在一些变型中，气道压力及气道压力时间导数的组合可用于确定呼吸周期的开始或终止。在一些变型中，潮气末周期的开始可由最大气道压力(即，气道压力的零第一时间导数)来确定。在一些变型中，潮气末周期的终止可由零气道压力确定。在一些变型中，气道压力、其第一时间导数或其第二时间导数可用于确定一或多个周期的开始及终止。气道压力可通过与取样内腔平行地延伸插管的长度的次级内腔来测量，或可通过引出到取样内腔中或通过将感测换能器放置于患者的气道处来测量。
在一些变型中，呼吸传感器监测人的呼吸随时间的变化，且通过确定呼吸模式特有的持续更新值来将呼吸模式趋势化。例如，可对每一次呼吸测量并更新呼吸信号的正峰值。可比较峰值与先前峰值。可对先前次数的多次呼吸的峰值取平均值。类似地，可将呼吸的时间相关方面(例如呼气时间)趋势化。可识别并非正常呼吸的各种呼吸相关事件，且可存在异常算法以免确定性步骤中无意地包含这些非正常呼吸事件。例如，可事先或基于对特定患者的监测来定义喷嚏、咳嗽、叠式呼吸或非完整呼吸的特征波形，且当呼吸传感器检测到这些特征波形时，可通过适当的确定性算法将其舍弃。
现在参考图9，呼吸的呼出相在图形上被分离为生理学上不同的分区，其对应于肺部的肺部树的不同解剖区域。示出了二氧化碳检测计轨迹50、气道压力轨迹51及流速轨迹53以及指示正发生哮喘攻击的气道发炎恶化的患者的理论NO浓度轨迹55。NO轨迹的标度可通常从0到300ppb，但是也可测量较高含量。在所示的实例中，单次呼出(在此情况中，例如图8中所示的正常潮气量呼吸)产生5个分区。虽然示出了5个分区，但是取决于正进行的临床测试及测试周围的主要状态可存在更少或更多分区。在所示的实例中，第一分区是对应于口鼻体积、气管体积及肺叶支气管体积的呼出区段。第二分区是对应于肺下叶中间及肺上叶下部中的肺部气道的呼出区段。例如，这些是肺段支气管与肺部树的第6代分支之间(包含肺段支气管及肺部树的第6代分支)的气道。特定地，此类气道可趋向于发生在哮喘中的发炎。此类气道还可称为传导气道、是负责将呼吸气体传导到肺部的最远区域(称为肺泡)中的气体交换区域及从所述气体交换区域传导呼吸气体的导管。五个分区中的第三者是对应于肺下叶的下部气道的呼出气体及来自肺上叶的一定肺泡气体的区段。第四及第五分区含有百分比不断增加的肺泡气体直到气体是100％纯肺泡气体为止。由于肺部的分支结构的非均匀架构，来自不同肺叶的气体在不同时间到达传导气道，且因此，将呼出气体分离到肺支气管树的不同区段中包含某些异质区，其中肺泡气体及传导气道气体同时从鼻或嘴巴排出。因此，当将呼出相分离到不同的解剖或生理学区段中时可考虑此异质性。例如如图8中所示，第三分区含有气道气体及一定量的肺泡气体，因此可有利于限制分析来自此区段的气体。此外，来自第二分区的气体基于此图形实例而表现为收集CO气体以供分析的良好区段。在某些变型中，此发炎过程涉及肺部的下部气道，且此类变型可用于识别、分离及分析来自下部气道的气体，即使所述气体在离开患者的鼻或嘴巴时也可含有来自肺上叶的一定量的肺泡气体。
仍然参考图9，用于测量呼吸信号的传感器用于将时间戳记值分配到呼出相的每一分区的开始及末端。时间戳记值将允许系统已知仪器内侧的每一分区在如别处解释的任何给定时间处的位置。预期将时间戳记值分配到每一分区的两种基本方法。在第一方法中，确定呼出持续时间且在呼出相完成之后，将此持续时间划分为所需数目的区段。在通过传感器S1汲取来自呼出相的气体之后，通过分别将呼出相的开始及末端标记为t(i)及t(f)且设置持续时间t(exp)＝t(f)–t(i)来确定呼出相的持续时间。如果呼出相在此实例中被划分为五个分区，那么区段1将被识别并被定位为时间戳记值t(i)到[t(i)+t(exp)/5]，区段2将为[t(i)+t(exp)/5]到[t(i)+t(exp)*4/5]，以此类推。在用于分配时间戳记值的第二方法中，随着呼出气体行进通过或行进到传感器S1或16，实时地确定每一呼出分区的开始及末端。不同分区的时间戳记是由呼吸传感器信号或经处理信号中的特性(例如，突然增加或降低、零值的交叉、斜率要求或其它特性)来确定。可使用一或多个传感器来获得足够多信息以进行时间戳记分配，且信号可以如别处解释的其它方式放大、微分、变换或转换。可使用压力传感器来分别由正斜率交叉零值及负斜率交叉零值确定呼出相的开始及末端。或CO2信号中的下降可区分呼出循环的末端。气道压力或CO2信号的拐点可标记沿呼出相的中间点。在所述的实例中，第二分区的开始及末端分别被赋予t1及t2的时间戳记值。例如，t(1)可由CO2信号的增加来确定，且t(2)可由气道压力信号中的峰值来确定。除了使用第一或第二方法来加时间戳记之外，还可组合所述两种方法。此类时间戳记将允许仪器已知在任何时间来自呼吸的所述区段的气体在仪器内侧的位置。
在图10中，总的测试序列的实例以图形表示为时间函数。在开始测试之前，将例如鼻插管的患者接口紧固到患者并耦合到气道。在开始测试之后，指导患者正常呼吸且呼吸传感器监测呼吸模式以确认稳定呼吸。呼吸模式是通过轨迹示出且可为(例如)二氧化碳检测计、气道压力、流量或其它呼吸参数。仪器根据一组准则确认呼吸是稳定的。准则将保证肺部中存在稳定状态气体扩散条件使得可获得生理学精确的NO样本。在满足适当的适应周期准则之后，仪器开始为取样找出有效呼吸以进行NO测量。为了被分类为有效呼吸，可要求呼吸特性满足一组准则以确保采取来自生理学典型呼吸中的样本。被分类为无效的呼吸将被拒绝用于分析。在所示的实例中，呼吸bn被确定为有效且目标在于样本获取。仪器的分离算法接着将呼出气体的期望选择与呼吸bn隔离以用于成分分析，例如中间气道气体用于NO分析。
图11更详细地示出了图10中的呼吸bn的呼气相，其示出了分别相对于时间的二氧化碳检测计、气道压力、流量及理论NO含量50、51、53及55。在图12a中，图11中所示的图形是以颠倒时标示出，使得呼吸bn的呼出轨迹的最近时刻在图形的左侧上。图12b是图5中所示的仪器的气动示意图，其中样本管18示意地与图12a中所示的图形对准。在图10到12b中，呼气循环的五分之二是以用于NO测量的呼吸bn为目标以表示中间气道中的NO含量的呼气循环的部分。如可见，时刻t1与t2之间的气体的样本被汲取到介于传感器S1与阀V3之间的样本管18中。在气体从时刻t1到达阀V3之前，气流路径是传感器S2周围及泵外部的路径b，然而，一旦气体从时刻t1到达阀V3，控制系统将阀位置改变为端口a且气流路径接着是路径a使得来自第二呼气区的中间气道气体样本行进通过传感器S2用于成分分析。一旦气体从时刻t2到达阀V3，控制系统再次将阀位置改变为端口b使得剩余气体通过流过路径b而绕过传感器S2，使得此气体不干扰中间气道NO测量。如先前解释，因为泵流速、系统体积及t1与t2之间的时间是已知的，所以控制系统能够在正确时间切换阀端口。通常，气体从时刻t1离开传感器S1的时间与其到达阀V3的时间之间存在延迟，例如100msec。在气体行进通过传感器S1时且在气体到达阀V3之前，实时或近似实时地确定时间戳记t(1)及t(2)。在第二区段到达阀V3之前，气体在路径b中围绕传感器S2行进，且当第二区段到达阀V3时，将阀切换到端口a且气体在路径a中行进通过传感器S2。当气体的第二区段的末端将阀V3清空时，将阀返回切换到端口b且后续气体围绕传感器S2行进以限制对气体的第二区段的测量的污染。将阀V3与传感器S2之间的距离考虑在阀控制时序中使得仅期望气体到达且由传感器S2测量。
如先前解释，随着呼出气体行进通过传感器S1，可确定时间戳记值并实时地将其分配，或可在全部呼出气体行进通过传感器S1之后操作时间戳记值使得系统有机会测量完整的呼出循环，或以上组合。在图13a及13b中，示出了分析来自图10的呼吸bn中的第二呼气分区的实例，且其中呼吸bn的整个呼气循环在到达阀V3之前经过传感器S1汲取到样本管18中。在此气体区段到达阀V3之前使用别处描述的呼吸传感器信号及技术来针对所述气体区段确定识别第二呼气分区的开始及停止所需要的时间戳记值。在第二区段到达阀V3之前，气体在路径b中围绕传感器S2行进且当第二区段到达阀V3时，将阀切换到端口a且气体在路径a中行进通过传感器S2。当气体的第二区段的末端将阀V3清空时，将阀返回切换到端口b且后续气体围绕传感器S2行进以限制对气体的第二区段的测量的污染。将阀V3与传感器S2之间的距离考虑在阀控制时序中使得仅期望气体到达且由传感器S2测量。
图14描述了其中从多于一种类型的呼吸模式中取得气体样本且分析并比较气体样本的另一变型。比较可提高测试的灵敏度及专用性以进行特定诊断。选用地，可收集多于两种类型的呼吸模式的样本，例如快、慢及正常。通常，在收集样本之前存在适应周期使得获得稳定状态条件，且通常仪器指示患者如何呼吸且根据需要确认患者正在呼吸以使测试序列生效。
预期哮喘时肺部气道的不同含量可倾向于作出起因于特定类型的哮喘或特定刺激物或恶化的发炎反应。例如，肺段支气管的发炎可与某种类型的哮喘或产生攻击的某种类型的刺激物关联。且类似地，下部气道(例如，气道分支结构的第6到第8代)的发炎可与不同类型的哮喘或不同刺激物关联。因此，一些变型可有利于找出肺支气管树的哪个部分最受发炎影响。此信息可帮助医师确定最优治疗及甚至治愈。例如，对于支气管成形术治疗，获自本文中的系统及方法的测量可帮助告知介入肺脏专家肺部中的哪些气道可能需要治疗，且可因此优化治疗、随时间分级治疗，且避免过度治疗或治疗不足。图15以图形描述呼气相中的NO气体的假设梯度。在此实例中，将呼气相划分为10个区段(s1到s10)以将呼气相分离为足够多的区段以确定气道NO梯度。在区段s4中，气道NO(aNO)中存在50ppb的峰值，指示大部分发炎被发现为与此区段相关联，此区段可表示例如次级气道且指示某种假设基因类型的哮喘或倾向于受某种刺激物影响的一种哮喘形式。在此情况中，图5中所示的仪器适用于从来自一次呼吸或来自多次呼吸(包含来自一次专用呼吸的每个区段)的全部区段s1到s10进行aNO测量。
在另一变型中，可考虑鼻NO对传导气道NO的贡献。例如，参考图15，可在使用本文所述的技术测量鼻NO的第一次测试中测量出100ppb的鼻NO。接着，在类似呼吸的第二次测试中或在与鼻NO测试相同的测试中，可测量出10ppb的传导气道中的NO，然而，所述NO可含有某种鼻NO。在吸气之后，假设例如传导气道含有在吸气期间汲取到气道中的例如2％鼻气体及98％环境空气，基于呼吸速率信息及可能其它因素，接着在呼气期间，可由等式确定传导气道NO：NO(CAtotal)＝2％NO(CAnasal)+98％NO(CA)，其中NO(CAtotal)、NO(CAnasal)及NO(CA)分别等于传导气道中测量的NO、在鼻窦中测量的NO及起因于传导气道的NO。因此，10ppb(CAtotal)＝0.02x100ppb(CAnasal)+0.98xNO(CA)或NO(CA)＝8.89ppb。
在另一变型中，可在呼吸的吸气相期间经由插管收集的气体期间测量环境NO，且针对环境NO测量可校正传导气道NO测量。
在另一变型中，本文中所述的技术可提供不同于当前临床实践FENO值的测量aNO，甚至提供患者内的值。因此，首先建立以此技术获得的aNO值与以常规FENO值获得的FENO值的关联。此可通过执行成年人测量、儿童测量以及对幼儿及婴儿患者(无法遵循常规技术的呼吸指导)的测量来进行。对于后者，可通过对给定测试对象进行的数次尝试测量过程中的潮气及误差以及所获得的有效测量来校正测量。在建立aNO与FENO的关联之后，本文中所述的设备可能能够向用户报告刚刚测量的所测量的aNO值，且基于先前建立的关联，报告估计的FENO值以进行比较。
图16到19描述了可用于从患者收集呼出气体样本的不同患者接口，其包含鼻插管、鼻罩、口罩及面罩。
在变型的前述描述中，应注意，还设想到图中描述的操作序列可以所有可能排列组合。此外，虽然实例描述了aNO测量，但是其可适用于其它气体及分析物。遍及全文提供的实例是本文所述的系统及方法的原理的说明，且在不脱离本发明的范围及精神的情况下，所属领域技术人员皆可作出各种修改、更改及组合。本文揭示的各种呼吸测量及取样装置的变型中的任一者可包含由任何其它呼吸测量及取样装置或本文的呼吸测量及取样装置的组合描述的特征。因此，除受限于随附权利要求以外，不希望本发明受到限制。对于上文描述的所有变型，无需循序执行方法的步骤。

Claims (25)

1.一种用于分析呼吸中的一氧化氮含量的设备，其包括：
呼吸传感器，其用于测量呼吸模式参数；
呼吸取样系统，其包括多个阀来隔离所述呼吸气体取样系统的区段；
第一处理器，其含有用于分析多次呼吸的呼吸模式参数的可执行指令；
第二处理器，其含有用于基于所述多次呼吸的所述经分析呼吸模式参数建立区分生理学典型呼吸与生理学非典型呼吸的呼吸模式参数准则的可执行指令；
第三处理器，其含有用于确定在所述多次呼吸之后呼出的呼吸的呼吸模式参数是否满足所述呼吸模式参数准则的可执行指令；
第四处理器，其含有用于响应于所述呼吸的呼吸模式参数满足所述呼吸模式参数准则而至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段的可执行指令，其中呼吸的所述第一区段是在呼吸的所述第二区段之前呼出，且呼吸的所述第二区段是在呼吸的所述第三区段之前呼出；
第五处理器，其含有用于控制所述多个阀来将呼吸的所述第一区段、呼吸的所述第二区段及呼吸的所述第三区段彼此隔离的可执行指令；及
分析器，其用于分析彼此分离的所述呼吸的所述第二区段及所述呼吸的所述第三区段中的至少一者中的一氧化氮含量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中用于控制所述多个阀的所述可执行指令包括用于舍弃呼吸的所述第一区段的可执行指令。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一、第二、第三、第四及第五处理器包括单个处理器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述呼吸模式参数准则包括作为时间函数的呼吸速率稳定性参数的测量及呼吸频率参数的测量。
5.根据权利要求1所述的设备，其中呼吸的所述第二区段对应于近端区段与远端区段之间的肺支气管树的区段。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述近端区段是主干支气管且所述远端区段是选自由第4到第8分支结构组成的组的一者。
7.根据权利要求1所述的设备，其中呼吸的所述第二区段对应于选自由以下项组成的组的呼吸道树的区段：鼻气道、气管、所述主干支气管、肺段支气管、传导气道、呼吸气道及肺泡。
8.根据权利要求1所述的设备，其中用于至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段的所述可执行指令包括用于区分所述呼吸的第四区段及所述呼吸的第五区段的可执行指令。
9.根据权利要求1所述的设备，其中用于至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段的所述可执行指令包括用于确定呼出相的至少一部分的持续时间且将所述持续时间划分为对应于所述呼吸的所述第一区段、所述呼吸的所述第二区段及所述呼吸的所述第三区段的时段的可执行指令。
10.根据权利要求1所述的设备，其中用于至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段的所述可执行指令包括用于确定呼吸传感器信号中的特性的可执行指令，所述特性选自由以下项组成的组：零值信号振幅、峰值信号振幅、从负值到正值的零值的交叉、从正值到负值的零值的交叉、所述信号振幅中的平稳段、所述信号振幅的斜率的变化、所述信号的微分的零值、所述信号的所述微分的峰值、所述信号的二阶微分的零值、所述信号的所述二阶微分的峰值、所述信号的变换的零值、所述信号的变换的峰值。
11.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括
第六处理器，其包括用于告知患者以期望频率呼吸的可执行指令；及
第七处理器，其包括用于确认所述患者正以所述期望频率呼吸的可执行指令，其中
用于确定所述呼吸的呼吸模式参数是否满足所述呼吸模式参数准则的所述可执行指令包括用于在确认所述患者正以期望频率呼吸之后收集所述呼吸的可执行指令。
12.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括第八处理器，所述第八处理器包括用于测量所述呼吸的至少两个区段中的所述一氧化氮且将生理学有效区段中测量的一氧化氮的所述含量用另一区段中测量的所述一氧化氮来校正的可执行指令。
13.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括第九处理器，所述第九处理器包括用于测量多次呼吸中的分析物来确定最终成分值的可执行指令。
14.一种分析呼吸中的一氧化氮含量的方法，其包括：
分析多次呼吸的呼吸模式参数；
基于所述多次呼吸的所述经分析呼吸模式参数建立区分生理学典型呼吸与生理学非典型呼吸的呼吸模式参数准则；
确定在所述多次呼吸之后呼出的呼吸的呼吸模式参数是否满足所述呼吸模式参数准则；
响应于确定所述呼吸的呼吸模式参数满足所述呼吸模式参数准则而至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段，其中呼吸的所述第一区段是在呼吸的所述第二区段之前呼出，且呼吸的所述第二区段是在呼吸的所述第三区段之前呼出；
控制多个阀来将呼吸的所述第一区段、呼吸的所述第二区段及呼吸的所述第三区段彼此隔离；及
分析彼此分离的所述呼吸的所述第二区段及所述呼吸的所述第三区段中的至少一者中的一氧化氮含量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中控制所述多个阀包括舍弃呼吸的所述第一区段。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述呼吸模式参数准则包括作为时间函数的呼吸速率稳定性参数的测量及呼吸频率参数的测量。
17.根据权利要求14所述的方法，其中呼吸的所述第二区段对应于近端区段与远端区段之间的肺支气管树的区段。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述近端区段是主干支气管且所述远端区段是选自由第4到第8分支结构组成的组的一者。
19.根据权利要求14所述的方法，其中呼吸的所述第二区段对应于选自由以下项组成的组的呼吸道树的区段：鼻气道、气管、所述主干支气管、肺段支气管、传导气道、呼吸气道及肺泡。
20.根据权利要求14所述的方法，其中至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段包括区分所述呼吸的第四区段及所述呼吸的第五区段。
21.根据权利要求14所述的方法，其中至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段包括确定呼出相的至少一部分的持续时间且将所述持续时间划分为对应于所述呼吸的所述第一区段、所述呼吸的所述第二区段及所述呼吸的所述第三区段的时段。
22.根据权利要求14所述的方法，其中至少区分所述呼吸的第一区段、所述呼吸的第二区段及所述呼吸的第三区段包括确定呼吸传感器信号中的特性，所述特性选自由以下项组成的组：零值信号振幅、峰值信号振幅、从负值到正值的零值的交叉、从正值到负值的零值的交叉、所述信号振幅中的平稳段、所述信号振幅的斜率的变化、所述信号的微分的零值、所述信号的所述微分的峰值、所述信号的二阶微分的零值、所述信号的所述二阶微分的峰值、所述信号的变换的零值、所述信号的变换的峰值。
23.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括
告知患者以期望频率呼吸；及
确认所述患者正以所述期望频率呼吸，其中
确定所述呼吸的呼吸模式参数是否满足所述呼吸模式参数准则包括在确认所述患者正以期望频率呼吸之后收集所述呼吸。
24.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括
测量所述呼吸的至少两个区段中的所述一氧化氮；及
将生理学有效区段中测量的一氧化氮的所述含量用另一区段中测量的所述一氧化氮来校正。
25.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括测量多次呼吸中的分析物来确定最终成分值。
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