CN109414178A - 用于肺部健康管理的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了使用一个或多个吸入设备的用于肺部健康的系统和方法。在一个方面，空气吸入设备均包括一个或多个传感器，传感器被配置为捕获患者的肺部健康数据。使用这种数据，可以生成与个体化的患者健康、生活在特定地理位置内的人的一般健康、特定地理区域的空气质量、吸入设备的操作参数等有关的空气分析。例如，可以输出空气分析，以在诸如患者用户设备、健康护理提供者用户设备和/或管理员用户设备之类的用户设备上显示。

Description

用于肺部健康管理的系统和方法
交叉引用相关应用
本申请依据35U.S.C.§119要求以下专利申请的权益：于2016年5月3日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUG DELIVERY APPARATUS AND METHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/331,328；于2016年5月5日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUGDELIVERY APPARATUS AND METHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/332,352；于2016年5月10日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUG DELIVERY APPARATUS ANDMETHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/334,076；于2016年6月24日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUG DELIVERY APPARATUS AND METHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/354,437；于2016年9月23日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUGDELIVERY APPARATUS AND METHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/399,091；于2016年11月1日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUG DELIVERY APPARATUS ANDMETHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/416,026；于2016年11月16日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUG DELIVERY APPARATUS AND METHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/422,932；于2016年12月1日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUGDELIVERY APPARATUS AND METHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/428,696；于2017年1月20日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUG DELIVERY APPARATUS ANDMETHODS OF USE”的美国临时专利申请No.62/448,796；以及于2017年3月15日提交的标题为“DISPOSABLE PULMONARY DRUG DELIVERY APPARATUS AND METHODS OF USE”的美国临时专利申请62/471,929。每个申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的各方面涉及一个或多个患者的肺部健康管理，并且更具体地涉及使用一个或多个吸入设备来生成肺部健康管理分析，其中吸入设备被配置为监视肺部病症(condition)并通过肺部递送药物以治疗各种肺部和/或非肺部病症。
背景技术
通常使用气溶胶生成设备来治疗各种呼吸系统疾病。例如，吸入用于递送雾化药物以治疗哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)和部位特异性病症，具有降低的全身不良反应。主要挑战是提供进行准确、一致且可核实剂量递送的设备，其液滴尺寸适合成功递送到目标肺通道。通过肺泡有效地将药物递送到肺的肺部深处区域由于其肺活量受限和呼吸通道收缩而一直存在问题，尤其是对于儿童和老年人以及患病状态的患者。收缩的肺通道的影响限制了给药剂量的深度吸气和同步以及患者的呼吸循环，包括吸气和呼气。
常规设备常常或者不能提供足够高的动量以实现剂量从设备中喷射，或者足够低以阻止剂量沉积在喉咙背面。更特别地，许多常规的吸入器系统(诸如计量吸入器(MDI)和加压计量吸入器(p-MDI)或气动和超声驱动设备)一般产生具有高速度和大范围液滴尺寸的液滴，包括有高动量和动能的大液滴。具有如此高动量的液滴和气溶胶不会到达远端肺或下肺通道，而是沉积在口腔和喉咙中。因此，需要更大的总药物剂量以在目标区域中实现期望的沉积。这些大剂量增加了不希望的副作用的可能性。
由于其高喷射速度和携带药物的推进剂的快速膨胀，常规气溶胶递送系统产生的气溶胶羽流(plume)导致局部冷却和随后的药物在喷射器表面上的冷凝、沉积和结晶，从而产生了附加的挑战。由于沉积的药物残留物对喷射孔的这种阻塞会抑制剂量的有效递送。表面冷凝和药物沉积的这种现象对于常规雾化器也是个挑战。
另外，许多患者未能正确使用吸入器，从而加剧了医疗保健提供者在治疗各种病症方面的挑战。在所处方的时间递送和吸入正确的剂量对治疗是重要的。但是，常规设备无法核实剂量的递送和质量，使得提供者难以解释当前的治疗结果并且在未获得治疗结果时修改所处方的治疗。类似地，提供者必须依靠患者的症状描述结合临床测试。但是，这常常无法提供特定药物治疗在治疗肺部病症中的状况和有效性的全面图像。
考虑到这些观察以及其它，本发明的各个方面被设想和开发。
发明内容
本文描述和要求保护的实现通过提供用于肺部健康管理的系统和方法解决了前述问题。在一个实现中，通过网络从一个或多个吸入设备接收肺部健康管理信息。一个或多个吸入设备中的每一个具有一个或多个压力传感器，其测量通过吸入设备的管的气流的流速。接收其中部署一个或多个吸入设备的一个或多个地理位置的环境数据。使用一个或多个环境传感器来捕获环境数据，并且环境数据与一个或多个地理位置中的每一个的环境空气状况对应。使用至少一个计算单元，基于至少一个管理参数将肺部健康管理信息与环境数据相关联；以及使用至少一个计算单元从相关数据生成空中分析。
本文还描述和陈述了其它实现方式。另外，虽然公开了多个实现，但是从下面的详细描述中，目前公开的技术的还有其它实现对于本领域技术人员来说将变得清晰，本详细描述示出并描述目前公开的技术的说明性实现。如将认识到的，在不背离当前公开数据的精神和范围的情况下，当前公开数据能够在各个方面进行修改。相应地，附图和详细描述在本质上应当被认为是说明性而不是限制性的。
附图说明
图1图示了患者用于肺部健康管理的示例吸入设备。
图2是吸入设备的示例部件的功能框图，包括药盒。
图3示出了使用吸入设备对患者进行药物递送的示例操作。
图4图示了肺部健康管理系统，包括可以在计算机服务器、计算设备或其它网络设备上运行的空气分析器，用于使用一个或多个吸入设备进行肺部健康管理。
图5是用于管理一个或多个患者或地理区域的肺部健康的示例空气分析用户界面。
图6图示了肺部健康管理的示例操作。
图7是包括被布置为执行肺部健康管理操作的操作单元的电子设备的功能框图。
图8是可以实现本公开技术的各种系统和方法的示例计算系统。
图9A-9C分别示出了示例吸入设备的前透视图、后透视图和后视图。
图10是沿着图9C中所示的线截取的吸入设备的横截面图。
图11示出了吸入设备的分解图。
图12A图示了示例药盒的底部透视图。
图12B是药盒的喷射器组件的分解图。
图12C图示了药盒的横截面视图，其具有喷射器O形环的详细视图。
图13示出了具有喷射孔的示例孔板的详细视图，喷射孔具有多个直径，这些直径被构造为生成多个尺寸的液滴，以针对肺部气道的不同区域。
图14A-14B各自示出了示例吸入设备，吸入设备被配置为通过检测跨越流限制的压差来感测气流，其中图14A示出了对气溶胶递送管内部的限制，而图14B示出限制是进气口筛网(screen)。
图15A-15C示出了压力传感器组件的各种示例。
图16A是用于示例吸入设备的示例电源开/关电路的电路图。
图16B是用于示例吸入设备的示例电源连接器电路的电路图。
图16C是用于示例吸入设备的示例伏特功率调节电路的电路图。
图16D是用于示例吸入设备的示例控制器电路的电路图。
图16E是用于示例吸入设备的示例控制器编程连接器电路的电路图。
图16F是用于示例吸入设备的示例压电连接器电路的电路图。
图16G是具有用于示例吸入设备的去抖动电路的示例用户开关的电路图。
图16H是用于示例吸入设备的示例压电驱动器电路的电路图。
图16I是用于示例吸入设备的示例压力传感器电路的电路图。
图16J是用于示例吸入设备的示例发光二极管指示器电路的电路图。
图16K是用于示例吸入设备的示例蜂鸣器驱动器电路的电路图。
具体实施方式
本公开的各方面一般而言涉及用于使用一个或多个吸入设备的肺部健康的系统和方法。在一个方面，空气吸入设备均包括一个或多个传感器，传感器被配置为捕获患者的肺部健康数据。使用这种数据，可以生成与个体化患者健康、生活在特定地理位置内的人的一般健康、特定地理区域的空气质量、吸入设备的操作参数等有关的空气分析。例如，可以输出空气分析以在用户设备(诸如患者用户设备、健康护理提供者用户设备和/或管理员用户设备)上显示。
一般而言，吸入设备提供包括一种或多种药物的气雾剂形式的流体到患者肺部的递送，用于(一种或多种)药物的局部肺部和/或全身递送。吸入设备被配置为提供人类可呼吸范围内的气溶胶液滴尺寸，使得实现有效、可重复的剂量递送。人类可呼吸范围包括空气动力学直径小于5微米的液滴，其几乎完全由气流和夹带空气的运动而不是通过它们自身的动量来运输。更特别地，为了在肺泡气道中进行最佳沉积，人类可呼吸范围包括空气动力学直径在1至5μm范围内的液滴，其中低于4μm的颗粒到达肺的肺泡区域。较大的液滴(即，大于5μm)常常沉积在舌头上或撞击喉咙并涂覆支气管通道。更深地渗透到肺中的较小的颗粒(直径小于1μm)有呼气的倾向。因而，本文所述的吸入器设备递送合适尺寸范围的颗粒，避免表面流体沉积和孔堵塞，同时提供可核实的剂量。照此，向患者和健康护理提供者提供关于吸入器设备的正确和一致使用的反馈。
此外，吸入器设备可以监视患者的呼吸模式，以诊断病症和/或管理治疗。例如，峰值流的下降是哮喘发作概率增加的有用指标，并且肺部输出(即，FEV1)的测量对于确定特定药物疗法治疗肺部病症的有效性可以是有用的。
本文描述的许多示例实现参考肺部病症。但是，本领域技术人员将认识到的是，本公开的技术适用于可以经由药物经由肺的分析和递送来诊断和/或治疗的非肺部病症。另外，本文描述的各种吸入设备仅仅是示例性的。其它健康监视设备可以用于生成空气分析。
首先转到图1，示出了由患者104用于肺部健康管理的示例吸入设备100。在一个实现中，吸入设备100包括药盒102，药盒102可以是一次性的或可重复使用的，用于在吸入循环期间喷射一定剂量的药物以递送到患者104的肺部。如本文所述，吸入设备100还可以捕获患者104的肺部健康数据，以用于诊断患者的状况和/或生成空气分析。
在一个实现中，吸入设备100被配置为用于电子激活的呼吸致动。吸入设备100包括压力传感器组件，该压力传感器组件在患者104的吸气循环期间自动检测触发点以激活和触发药物的喷射和递送。例如，压力传感器组件可以被编程为当气流为10每分钟标准升(SLM)时触发两秒喷射。吸气循环期间的触发点可以在患者104的吸气循环期间提供激活和触发药物的喷射和递送的最佳点。由于呼吸致动不需要患者-设备协调，因此用于递送气溶胶剂量的吸气设备100的呼吸致动触发机制确保了药物的最佳递送。
如图1中所示，由于从液滴到周围空气的组合动量转移和液滴颗粒的大比表面积，因此吸入设备100由于从药盒102喷射的液滴而生成夹带的空气(例如，直径5μm和更小)。图1示出了由吸入设备100提供的惯性过滤器机制，用于凭借其较高的惯性力和动量从气溶胶羽流中过滤和排除较大的液滴(例如，直径大于5μm)。在一个实现中，当液滴从药盒102中出现并且在吸入患者104的肺部气道之前被气流106通过层流元件扫过时，液滴经历从第一区域108到第二区域110的喷射方向的大约九十度的变化。
在由药盒102生成具有大于5微米的空气动力学直径的液滴颗粒的情况下，吸入设备100通过使用它们增加的惯性质量将它们沉积到气道管上而将它们从气流106中排除。可替代地，如果所有喷射的颗粒作为剂量被作为递送的目标，那么气流106的速度可以增加，因此较大的液滴颗粒可以被携带到患者104的肺部气道中。吸入设备100的这个特征进一步增加了可呼吸的剂量，从而提供或者深入下肺泡气道或者到患者104的上呼吸区域的改进的药物针对性递送。
吸入设备100还可以通过核实药物液滴的羽流的存在来验证剂量。在一个实现中，吸入设备100通过药盒102与患者104之间的液滴的光学吸收或散射的测量来核实羽流。用日光盲紫外光源和检测器进行光学测量。在另一个实现中，吸入设备100通过测量携带羽流的气流的温度来核实羽流。
如本文进一步描述的，在一个实现中，吸入设备100使用空气流量传感器组件生成用于肺部疾病状态监视的诊断，所述空气流量传感器组件在低压差下具有增加的灵敏度、无漂移、低滞后以及独立于空气密度和温度的传感器输出。更特别地，吸入设备100可以捕获患者104的肺功能的一个或多个诊断指标，包括但不限于峰值吸入流速、吸入体积、一氧化氮浓度、肺部输出等。吸入设备100可以通过使用预设的流阻元件、可调整的流阻元件等测量吸入设备100的吸气管与周围大气之间的压降来捕获诊断指标。诊断指标可以存储在吸入设备100中和/或传送到用户设备以用于生成空气分析。
一般而言，吸入设备100包括药盒102，用于向患者104递送安全、合适和可重复的剂量以供肺部使用。药盒102以气溶胶液滴的形式递送既定体积的流体，所述气溶胶液滴具有在施用时将足够且可重复的高百分比沉积物递送到患者104的肺泡气道中的特性。
如本文更详细描述的，在一个实现中，药盒102包括用于接收一定体积的流体的贮存器以及喷射器组件，其中喷射器组件具有构造成喷射气溶胶流液滴的压电致动器板和孔板(网板)，平均喷射液滴直径小于5微米。气溶胶液滴很小，具有低惯性力和低动量，并且几乎完全通过气流(夹带空气)的运动被运输到肺中，并在使用期间到达受试者的下肺泡气道。
换句话说，吸入设备100将气溶胶递送到患者104的肺，用于递送小分子、大分子和生物药物，用于局部肺部或全身药物递送。在一个实现中，吸入设备100提供人类可呼吸范围内(例如，小于5微米)的气溶胶液滴尺寸，使得实现有效的、可重复的剂量递送。另外，吸入设备100以不生成可能使活性剂变性或分解的升高的原位温度或力的方式生成气溶胶。照此，吸入设备100可以用于递送否则可能在传统吸入器和喷雾器中易于变性和降解的生物制剂和其它大分子。
在一个实现中，药盒102包括喷射器组件，该喷射器组件被构造成喷射液滴的气溶胶流。喷射器组件包括耦合到压电致动器的孔板。在某些实现中，孔板可以耦合到致动器板，致动器板耦合到压电致动器。孔板包含穿过其厚度形成的多个开口，并且压电致动器以当患者104吸气时生成通过孔板的较小开口进入肺的液滴的定向气溶胶流的频率和电压使孔板振荡，使流体与孔板的一个表面接触。在孔板耦合到致动器板的其它实现中，致动器板由压电振荡器以生成定向气溶胶流或气溶胶液滴羽的频率和电压振荡。
药盒102可以每天或每周或每月更换或处理，适合于所处方的处理。由于其使用时间短，药盒102的可处置性可以最小化并防止表面沉积物或孔板上的表面微生物污染的累积。可替代地，药盒102可以是可重复使用的，用于递送多种药物或用于多味药剂的药的香料。因此，吸入设备100可以递送处方给患者的多种药物并通过相同的设备递送。药盒102可以包括具有孔板的双药盒模块，孔板在设计上类似并且能够递送目标是肺气道的类似区域的吸入药物的剂量，并且具有类似空气动力学粒度分布的液滴。可替代地，使用多种药物或多味药剂可能需要将药物递送到肺部气道的不同区域。在这些情况下，药盒102的每个双药盒模块可以具有孔板，孔板具有不同的喷射孔设计和不同的入口和出口孔尺寸，以提供针对患者104的肺部气道的不同区域递送不同的液滴尺寸。
在一个实现中，药盒102递送多种药物或用于多味药剂的药的香料，其中每个含药物的药盒单元的喷射孔板具有不同尺寸的喷射孔的设计。这种设计提供了用于使用一个孔板产生不同液滴尺寸的系统和方法。这种设计可以针对肺部气道的不同区域，并由此通过提供改善口腔和喉咙中药物味道的调味药物来促进儿童和成人对药物治疗方案的依从性。在某些方面，这种设计具有不同尺寸喷射孔的孔板的系统和方法可以通过递送足够大的液滴以沉积到舌头和喉咙上以及将液滴递送到深部肺泡气道中来改善尼古丁递送设备的味道或感觉。
药盒102的喷射器组件可以水平定向和定位，使得包含在其中的流体或药物与孔板的入口表面恒定接触。水平定向的喷射器组件允许并提供均匀的流体分布和流体到孔板上的均匀涂覆。在一些实现中，水平定位的喷射器组件提供具有均匀流体/药物涂覆的孔板，其还具有跨孔板提供均匀负载的益处。这种设计提供了更高效和稳定的孔板振荡，并且可以提供更高效的流体喷射并且使混乱膜振荡的可能性最小化。在某些方面，混乱振荡可能导致不适当剂量的递送以及最小化或完全停止喷射或导致流体和/或药物沉积在孔板表面上并导致孔堵塞。减少或消除混乱振荡提供了更高效和稳定的孔板振荡以及更高效和稳定的药物递送。
在一个实现中，在从喷射组件的压电喷射器喷射剂量之后，吸入设备100监视并检测喷射的流体量和药盒102中剩余的药物。例如，如通过Sauerbrey等式所描述的，孔板的共振频率振荡中的频移与质量加载的变化相关联。在某些实现中，检测孔板的振荡的共振频率的变化可以提供剂量核实，因为孔板的振荡的共振频率的变化与压电致动器上的质量或加载的变化相关。
吸入设备100可以包括表面张力板，诸如多孔网格或多孔板。表面张力板可以包括定义形状的顶点、边缘和孔的集合，其中形状可以是但不限于正方形、三角形、多边形或任何形状的网格形式，其放置在流体入口表面侧上的孔板后面并被构造为维持恒定的流体加载。表面张力板上的开口的空间以及表面张力板相对于孔板表面的距离和布置可以通过流体的表面张力来优化和指定。在某些方面，放置在孔板后面的表面张力板的存在还导致孔板的更稳定和受控的振荡和致动，并最小化流体和/或药物的混乱振荡和到孔板表面上的沉积。
在一个实现中，药盒102的喷射器组件可以垂直定向，使得在孔板的流体侧上的垂直定向的喷射器组件后面的表面张力板的放置提供恒定且均匀的流体加载。这种布置在孔板上提供均匀的流体涂覆，并且还具有跨孔板提供均匀负载的优点。在某些实现中，这种布置还提供更高效和稳定的孔板振荡，这可以导致更高效的流体喷射和气溶胶形成并且最小化混乱膜振荡的可能性。
吸入设备100可以是姿态不敏感的。更特别地，在孔板后面和旁边放置表面张力板在孔板上提供恒定且均匀的流体负载，并且不依赖于在致动和喷射之前吸入设备100关于流体加载的总体朝向或者在孔板后面放置流体或可用性。这还可以提供更高效和稳定的孔板振荡，这可以导致更高效的流体喷射并且最小化混乱膜振荡的可能性。
可以使吸入设备100对当患者104在飞机中行进或在大气压力的天气相关变化中从海平面到海底高度和高海拔行进时可能发生的压差不敏感。在某些方面，在药盒102中与药物贮存器相邻放置的超疏水换气阀的应用和使用提供了防止水和药物侵入或跨越阀门的交换，并避免从贮存器泄漏。在某些实现中，超疏水空气交换阀允许空气穿过阀自由地进出贮存器，同时阻止水分或流体通过空气交换阀。这种高效微粒空气过滤器还使环境和贮存器之间的压差正常化，其中高度过滤的空气去除所有颗粒和病原体(包括病毒病原体、细菌和孢子)，因为吸入设备100经受大气压力的变化并由此经历压差。提供用于高效空气过滤的主动和动态机制的能力还提供并防止药物泄漏，因为通过允许空气的自由交换，药盒102的贮存器内的压力保持与其环境平衡。
吸入设备100对由天气或海拔的变化引起的环境空气压力的变化不敏感。这允许当吸入设备100过渡到不同的高度时其使用而没有流体泄漏的可能性。吸入设备100还可以减少孔板表面上的流体和药物沉积并防止孔的堵塞，这可以防止剂量的不适当递送或使吸入设备100不可操作。
吸入设备100递送一定体积的流体作为气溶胶羽流或细小的液体雾气在夹带的空气中运行，当其进入患者104的肺部气道时具有层流。带有层流的夹带空气的一个来源由层流元件提供，其中多个平行管具有六边形或其它横截面，并且放置在吸入设备100的气溶胶递送管的空气入口端，如本文所述。层流元件通过将空气流分成许多平行的流动通道而生成层流气流106，所述流动通道具有足够小的直径以生成层流气流106但不能太小以至于不能在层流元件的入口侧与层流元件的出口侧之间产生显著的压差。由于只有小流通过每个层流元件通道，因此通过每个通道的流的Reynolds数足够小以维持层流106。在某些实现中，吸入到吸入设备100中的空气具有层流的特性，因为空气被抽吸通过层流元件并扫过孔板的面，并且进一步向下游夹带并携带被喷射的粒子进入患者104的气道。
吸入设备100可以包括位于层流元件的空气入口侧的迷你风扇或离心式鼓风机。迷你风扇可以为气流的输出提供附加的气流和压力。如果患者104具有低肺部输出，那么这个附加气流确保含有药物的液滴被推动通过吸入设备100进入患者104的气道。在某些实现中，这个附加气流源确保药盒102的喷射器面清扫气溶胶液滴并且还将液滴羽流扩散到流中，这在液滴之间产生更大的分离。由迷你风扇提供的气流也可以充当载气，从而确保显著稀释，这降低了急剧剂量和快速药物摄取的可能性。对于某些药物，这种快速药物吸收可能造成不希望的副作用。此外，手动或通过机电部件挤压的囊可以用于在给药期间产生高气压以改善患者104中肺部药物的沉积，其中患者104具有低肺部输出或正在发生恶化。吸气设备100上的手动按钮可以用于在“救援”模式期间触发药物的喷射。
在一个实现中，吸入设备100提供高模量聚合物孔板，其周期性振荡产生在气溶胶喷射循环期间加速和减速时从喷嘴板表面发出的声波。表面声波生成压力波或压缩波，这进一步增强液滴在夹带空气中的生成和传播。具有多个开口的高模量聚合物孔板将液体作为液滴喷射通过包含在加速孔板中的入口孔和出口孔。在某些实现中，振荡高模量孔板在其最大位移时，孔板膜表面处的速度为零，而其加速度具有在0.1-50Km/s2、5-50Km/s2范围内的负最大值，但不限于5-25Km/s2。被指引通过孔板表面的厚度中的开口的定向气溶胶液滴流以最大惯性力从开口出来，该最大惯性力足以将气溶胶带到下游，远离孔板。
吸入设备100还可以采用激光多普勒振动计(LDV)系统和方法来表征机电系统和压电致动器，用于测量振荡膜的瞬时相位、位移、速度和加速度。在某些方面，LDV可以提供位移、速度与加速度之间的相位关系的三维表示，以识别机电系统的共振和本征模式，该机电系统包括能够进行压电材料的高效优化、压电几何优化以及喷射器系统的设计的压电致动器，用于最佳的气溶胶液滴生成和雾化特点。可以同时检测、捕获和存储这种分析参数，以供吸入设备100和/或空气分析器进行后续分析。
当流体从振荡喷嘴板的出口孔出现时，吸入设备100可以递送在喷射和液滴形成期间生成的静电充电器药物气溶胶颗粒。在一个实现中，气溶胶羽流通过的出口室或管的表面涂覆有表面活性剂，以减少电荷。静电涂层可以增加递送到肺部气道中的精细颗粒剂量并减少药物颗粒沉积到吸入设备100的设备管的内表面上。可替代地，吸入设备100的出口管或整个主体可以由电荷耗散聚合物制成，这进一步减少了出口室中的静电荷累积。
在一个实现中，吸入设备100包括喷雾核实系统，用于检测喷射器管的内部与外部区域之间的压差，以核实气溶胶喷雾和药物递送。由喷雾核实系统的压力传感器提供的信号提供了在患者104的吸气周期的高峰期或期间激活喷雾的触发器，并确保气溶胶喷雾和药物递送到肺气道的最佳沉积。
吸入设备100的喷雾核实系统可以包括具有例如大约850nm的波长的红外发光二极管(LED)，以及红外光电探测器。在一个实现中，喷雾核实系统可以使用具有低于大约280nm的峰值发射波长的太阳盲光电探测器和UV-C LED，用于在或者透射或者后向散射模式中进行测量和感测，以检测所喷射药物的存在和数量。
吸入设备100的喷雾核实系统处于荧光模式，其中空气流暴露于能量源，诸如紫外光以及空气流中发出荧光、发射具有特定波长的光子的物质。这个模式可以用于检测和测量各种空气传播物质，并提供具有最大检测的喷雾核实，并确保消除不正确或错误的喷雾检测。太阳盲检测器在室外和明亮的阳光下提供吸入设备100的更大使用和操作灵活性而没有干扰。
在另一个实现中，当通过呼吸致动分配剂量时，和/或当检测到气溶胶的液滴流时，吸入设备100使用音频信号进行喷雾核实。通过扬声器将声音芯片添加到吸入设备100的电子板上，在成功递送剂量时向患者104提供即时反馈。通过提供实时反馈，音频信号可以通过提供成功递送剂量的保证来最大化患者依从性。
可替代地或附加地，吸入设备100可以测量和量化在喷射和雾化期间喷射的药物量。可以通过测量光的吸光度来提供雾化药物剂量的吸光度。可以使用已知浓度预先校准药物溶液，以提供指定波长处的药物吸光度值。吸入设备100核实药物被雾化和喷射，以及提供喷射的气溶胶流中的药物的数量和量以及药盒102的贮存器中剩余的药物量。
对于肺部病症的诊断和/或空气分析，吸入设备100可以感测和检测呼出气中的疾病生物标志物。人体呼吸含有许多挥发性有机化合物(VOC)，其准确检测可以大致上提供关于人体或动物体疾病的早期诊断的基本信息。例如，一氧化氮可以用于评估或感知哮喘诊断；丙酮、氨、H2S和甲苯可分别用于评估糖尿病、肾功能障碍、口臭和肺癌。可以通过包括小型化的基于MEMS的电流传感器来实现这些疾病的诊断。例如，在设备的接口管或液滴出口腔内，可以使用MEMS传感器来分析呼出气中的一氧化氮浓度，用于ASTMA监视和诊断。此外，呼出的VOC浓度的变化可以用作特定疾病的生物标志物，并且可以用于区分健康患者与患病的患者。
吸入设备100可以包括一个或多个视觉、音频和/或触觉指标以向患者104提供指令或反馈。可替代地或附加地，可以经由与吸入设备100通信的用户设备提供指标，如本文所述。例如，吸入设备100可以通过采取设定数量(例如，五次)的慢速深呼吸来指示患者初始化吸入设备100。这提供了用于在吸入期间确定触发点的信息，以通过压电驱动的喷射器生成呼吸致动的药物喷射，以最大化患者104对处方药物的吸入。它还提供用于诊断肺部病症的变化的基线。例如，吸气期间达到的最小压力直接与峰值吸气流对应。吸入期间峰值流的减少可以预测哮喘恶化。当峰值流测量值与呼出的一氧化氮的测量值组合时，配置在吸入设备100和/或空气分析器上的车载诊断的预测能力变得更加强大。
在一个实现中，吸入设备100通过测量在最大呼气期间实现的最大流量来捕获与肺部输出(FEV1)相关的测量值。本文描述的空气分析器使用指标向患者104提供提示，以引导患者104通过进行与肺部输出相关的测量所需的呼吸练习。
此外，吸入设备100可以包含差动(ΔP)传感器，以允许测量实现预定流所需的吸气压力。这种测量可以允许设备通过比较在初始化期间测得的产生空气流所需的压力来近似动态气道阻力的变化。虽然不是绝对气道阻力的测量，但是在吸气期间在给定流下在气道一侧测得的压力变化的这种测量对患有哮喘或COPD的患者104的肺部健康的变化进行测量。这在本文中可以被称为动态气道阻力(RCDAR)的相对变化，其被表达为在基线处测得的50％空气流下测得的压力的百分比变化。例如，10％RCDAR的读数是达到在基线测得的最大流的50％所需的压力的10％降低。此外，吸入设备100可以用于在吸入之前确认喷射的羽流的速度，并且可以充当确认吸入设备100的流传感器被正确校准和操作的确认。
ΔP传感器通过测量吸入设备100的内部与周围大气之间的压降来测量气流。根据测得的ΔP传感器端口之间的压降来计算流速；一个ΔP传感器端口位于设备气溶胶递送管的上游，靠近空气入口，在层流元件附近，而第二个ΔP传感器端口测量吸入设备100外部的环境压力，如本文更详细描述的。这个测量还用于触发液滴喷射循环的开始和结束，以便通过喷射气溶胶羽流来协调吸入循环的最佳点。压力测量子系统还区分吸气与呼气，使得液滴颗粒仅在吸气循环期间被吸入分配。
在一个实现中，吸入设备100的光学气溶胶传感器通过由光电探测器检测从横跨吸入管直径放置的LED源发出的光并检测由液滴散射或吸收的光来测量和检测液滴的存在。光源是窄视角(例如，小于8度)LED或激光二极管。此外，例如沿着吸入设备100出口或在药盒102的喷射器板前面放置的多个光源和多个检测器可以确定气溶胶羽流的形状，包括横截面和长度，用于估计所喷射的质量。
例如，在吸入设备100包括平均直径为20mm的流量管的情况下，从100毫升至500毫升的四秒空气吸入将具有8至40厘米/秒的平均速度。在光学传感器位于药盒102的喷射器组件下游20mm处的情况下，气溶胶粒子的前边缘将在喷射后50至250毫秒到达光学检测器。
可以在吸入设备100中使用的典型光电探测器可以具有小于1毫秒的响应时间，从而允许准确分辨夹带的液滴速度。可以添加第二LED/光电探测器系统并用于提供更精细的气溶胶速度分辨率。在一个实现中，吸入设备100测量并检测气溶胶羽流到达两个相隔几厘米的下游点。在这种情况下，用于每个系统的LED光源都是脉冲式的，并且使用同步检测，以使每个探测器与其相关联的光源同步。
为了继续对吸入设备100的特定实现200的详细描述，参考图2。吸入设备200的各种部件协调所有操作功能，以及存档和通信捕获的空气肺健康管理数据，包括喷雾验证数据、诊断指标和设备操作参数，用于生成空气分析。此外，药盒202的识别或剂量尺寸参数也可以存储在吸入设备200和/或药盒202的存储器中。对于板载数据存储，控制器222可以包括具有几千字节数据存储器的低功率微处理器、10到12位模数转换的几个通道，以及几个数字输出。但是，可以想到其它控制器。
吸入设备200可以包括压力传感器206、羽流传感器208、瓦片传感器210、羽流照明器212、开关214、信号器216、显示器218、到一个或多个用户设备的有线或无线链路220、药盒控制器224，以及电源226。药盒控制器224可以控制药盒202的操作和/或来自药盒202的捕获信息，包括药盒标签228、喷射器组件230和药盒传感器232。将认识到的是，吸入设备200中可以包括更多或更少的这些部件。
在一个实现中，控制器222：在按下电源按钮时激活；监视压力传感器206；等待快速下降压力的分配命令或吸入分布曲线；激活药盒控制器224(诸如具有预定频率和电压的压电驱动器)；监视药盒控制器224以评估分配状况；分别使用压力传感器206和羽流传感器208来监视流速和羽流，以在触发点处分配；以及适当地照射信号器216(诸如例如LED)开或关，以发出有效或无效分配的信号或提供其它用户反馈。
控制器222可以具有内部时钟，以在安排患者104的下一个剂量时唤醒并发出信号。这个事件可以由信号器216(诸如闪烁的LED或压电蜂鸣器)发信号通知。可替代地，可以经由链路220向用户设备204输出警报。控制器222被配置为在与用户设备204通信或不与用户设备204通信的情况下操作，并相应地存储每次分配的时间和成功。还可以对于围绕分配的5至10秒间隔存储吸入流和羽流的分布曲线，其具有0.1至0.01秒的分辨率。此外，如果吸入设备200具有倾斜传感器210(诸如姿态或压电网格传感器)，那么还可以实时地存储或处理那个数据，以指示良好或可能良好的分配。控制器222还可以使用显示器218和/或用户设备204跟踪和显示剂量的数量和留在药盒202中的剩余剂量。
电源226可以包括一个或多个电源，被配置为存储和向吸入设备200的部件提供电力(诸如太阳能电力、电池电力或者DC或AC电力)。在一个实现中，电源226包括不可再充电的电池系统，诸如锂聚合物。在吸入设备200上可以存在连接器以对这种电池进行充电，或者存在其它充电方法，包括但不限于太阳能电池、感应链路或甚至机械运动。控制器222可以被配置为在非常低的功耗水平下停用，并且仍然监视输入按钮并通过进入完全清醒状态来响应按压。
在一个实现中，为了确保并最大化患者依从性并确保气溶胶递送设备的正确使用，吸入设备200和/或用户设备204可以将各种信息传达给患者104。促进遵守所处方的气溶胶治疗的示例的这样的信息包括但不限于：设备ON、好/坏分配、剩余剂量的数量、另一个剂量的时间，以及吸入设备200的错误状况的解释(如不正确的递送朝向，或者看不到羽流)。这种信息中的一些可以与信号器216的两到三个光源通信：一个用于发信号通知单元开启，另一个用于发信号通知成功或不成功的分配。两或三个颜色(红-绿-黄)LED可以用于更加用户友好的信息通信。基于任一个或两个LED的闪烁的错误代码是可能的。类似地，可以使用四位LCD显示器来显示剩余剂量的数量或错误代码。可以经由用户设备204传送错误代码或更详细信息的解释。一个或两个用户输入按钮打开(唤醒)吸入设备200并且可以发起分配或请求错误代码或提供剩余剂量信息。
链路220可以促进对患者104的存档、分析和训练，并且可以经由用户设备204将使用和肺/气道诊断传送给健康提供者。用户设备204也可以是用于理解正确使用的资源。用户设备204还可以将来自健康提供者的密码保护信息(诸如基于由设备测得的呼吸流速的经修正的剂量量或频率)传送回吸入设备200，有或没有实际的分配。在一个实现中，当剩余剂量低于预设限制时，用户设备204可以发起重新订购。
链路220还可以在临床设施或药房中用于设置基本参数或从吸入设备200检索存档信息。这个信息包括可以传送到设备的以下设置，但不限于：分配持续时间、喷射器频率、每次给药的呼吸次数、触发分配的吸入流、期望的给药间隔(例如，每天两次或每12小时一次)、在一段时间(例如，两小时)内允许的最大良好剂量数量、在一段时间内允许的最大错误剂量数量、在给出几乎空信号之前分配的剂量数、描述良好剂量的参数(分配后的吸入体积、羽流不透明度)、日期/时间、药物的到期日期或间隔、与供应商办公室或药房办公室一起使用以改变设置的密码，和/或描述良好或不良剂量限制的其它信息。
在一个实现中，可以在工厂填充药盒202期间预设喷射器组件230的压电喷射器频率和电压。可以使用用户设备204经由链路220修改这种值。类似地，填充或到期日期、药物类型或甚至防止通用的安全代码可以由药盒标签228携带。可以经由药盒标签228存储和/或传送的信息的示例可以包括但不限于：剂量体积和给药间隔(每天的次数)；可接受的吸入流速或特点；和/或如果感测到不良剂量那么允许重复给药的选项。
有三个附加部件可以是吸入设备200的一部分，诸如网格监视、朝向监视(例如，经由倾斜传感器210)和贮存器流体测量部件。网格监视允许通过机械耦合到网格的一小块压电材料感测振动来立即确定压电网格是否正确振动。可以使用控制器222的一个模拟-数字输入来放大、矫正和测量来自小压电的电输出。这可以补充或替换由电子驱动器阻抗测量完成的网格监视。朝向监视确定吸入设备200正确定向，使得贮存器中的流体润湿网格的背面以生成良好的液滴。这种相同的姿态测量传感器也可以用于核实贮存器中剩余的流体量(因此，剂量)。这通过缓慢倾斜吸入设备200直到通过导线、贮存器壳体上的电容传感器或流体的光学传感器感测到流体来实现。在流体传感器指示从不感测到流体到感测到流体的过渡的瞬间注意到倾斜。控制器222中的简单算法(或查找表)给出作为倾斜角的函数的剩余流体量。这个函数可以用于更精确地评估药盒202中剩余的剂量数量，并且当药房盲目地填充贮存器并且需要确认剩余可用剂量时尤其重要。
如本文所述，吸入设备200生成液滴并控制吸入流和羽流的操作和监视，以核实药物的有效递送。以下是患者104如何以不同的用户模式操作吸入设备200的示例。在手动分配模式下，患者104打开并按下分配按钮，吸入设备200发出在正确的吸气窗口处看到的羽流的信号，并且患者104关闭吸气设备200或者其自动停用。在流触发的分配模式下，患者104激活设备并吸气。吸入设备200在与由提供者设置的具体吸气流速对应的触发点处触发给药。吸入设备200发出良好的分配信号并断电。在经过训练的触发分配模式下，患者104打开吸入设备200并呼吸几次以进行吸气和呼气的完整呼吸循环。吸入设备200在触发点处记录和分配剂量，这是使用压力传感器206自动检测的。吸入设备200发出良好分配的信号并停用。在训练或诊断模式下，患者104打开吸入设备200，并且吸入设备200或用户设备204通过呼吸循环提示患者104。利用吸入设备200捕获诊断指标和其它肺部健康数据，然后将其存档在控制器222上和/或经由链路220和/或用户设备204传送到空气分析器。吸入设备200停用。
在吸入设备200的正常自动模式的一个实现中，提示患者104递送剂量。吸入设备200和/或用户设备204指示患者104呼吸一个或多个循环并按下分配按钮。吸入设备200检测到吸气并将羽流喷射到气流中。如果压力传感器206示出正确的呼吸和分配定时，那么信号器216提供反馈，诸如灯闪烁绿色。如果给药剂量不佳，那么信号器216的红灯或黄灯闪烁。如果信号器216的黄灯闪烁，那么提示患者104进行另一次分配，并发出正确或不正确分配的信号。在没有活动30秒之后，控制器222关闭吸入设备200。如果存在多个不良分配，那么由控制器222生成错误代码并且例如使用用户设备204将错误代码传送给患者104。信号器216可以包括提示下一次给药的视觉、音频和/或触觉信号。可以通过显示器218显示计数器，其包括剩余的给药次数。
如本文所述，用户设备204和/或吸入设备200可以向患者104提供反馈和/或将信息传送给提供者。反馈可以包括关于任何错误的信息，包括可能的补救措施和错误代码，这可以包括但不限于没有药盒、错误的药盒、没有看到羽流、根据计数超出剂量、吸入不足、电池电量低、喷射器振动问题、剂量请求与处方不相容或收集诊断信息等。
转到图3，示出了使用吸入设备对患者进行药物递送的操作300。在一个实现中，操作302激活吸入设备，并且操作304检测用户的吸气。操作306生成用户吸入的剂量，该剂量与检测到的吸气对应。操作308检测剂量的质量，并且操作310停用吸入设备。
图4是示例肺部健康管理系统400，包括在计算机服务器、计算设备或其它网络设备上运行的空气分析器402，用于肺部健康管理。在一个实现中，用户(诸如患者104)经由网络406(例如，互联网)访问空气分析器402和/或一个或多个吸入设备100并与之交互。在另一个实现中，用户设备204在本地运行空气分析器402，并且吸入设备100使用有线或无线连接连接到用户设备204。其他用户可以是销售、操作、管理和/或以其它方式监视吸入设备100的一方或多方，包括医生、健康诊所、健康实验室等。
网络404由一个或多个计算或数据存储设备(例如，一个或多个数据库406)使用，用于实现肺部健康管理系统400。用户可以使用通信连接到网络404的用户设备访问空气分析器402并与之交互。用户设备204一般是能够与网络404交互的任何形式的计算设备，诸如台式计算机、工作站、终端、便携式计算机、移动设备、智能电话、平板电脑、多媒体控制台等。取决于用户，用户设备204可以是患者用户设备、提供者用户设备等。
服务器408可以托管肺部健康管理系统400。服务器408还可以托管网站或应用，诸如用户访问以访问系统400的空气分析器402。服务器408可以是单个服务器、多个服务器(每个这样的服务器是物理服务器或虚拟机)，或者是物理服务器和虚拟机的集合。在另一个实现中，云托管系统400的一个或多个部件。连接到网络404的一个或多个吸入设备100、用户使用的用户设备204、服务器408以及其它资源(诸如一个或多个数据库406)可以访问一个或多个其它服务器，以访问用于肺部健康管理的一个或多个网站、应用、web服务接口等。服务器408还可以托管系统100用于访问和修改用于肺部健康管理的信息的搜索引擎。
吸入设备100经由无线连接(诸如蓝牙)、通过网络404或经由有线连接(诸如USB连接)与用户设备204执行的空气分析器402通信。吸入设备100可以以类似的方式与其它计算设备(诸如智能手表、智能电话、平板电脑、计算机、音乐播放器、蓝牙使能设备等)通信。
在一个实现中，吸入设备包括用于捕获肺部健康数据(包括诊断指标、吸入设备100的操作参数、喷雾核实数据等)的一个或多个传感器。传感器可以包括但不限于一个或多个压力传感器、羽流传感器、倾斜传感器、湿度传感器、温度传感器、粒子传感器、心率传感器、二氧化碳传感器、氧化物传感器、臭氧传感器、一氧化氮传感器、麦克风、成像传感器等。这种数据可以存储在吸入设备100的存储介质中和/或经由用户设备204传送到空气分析器402。举例来说，由传感器捕获的数据可以被检索并存储在消费者设备204上和/或通过网络404上载到数据库406的安全云。
一旦空气分析器402获得了数据，它就可以以多种方式被患者104、提供者和其他被批准方使用。如本文所解释的，吸入设备100生成大量传感器数据，空气分析器402可以对其进行相关以生成关联以及理解模式和趋势，以改善医疗保健、挽救生命并降低成本。此外，由空气分析器402生成的空气分析可以在患者104正接受治疗的同时实时地提供临床决策支持、疾病状态健康和医疗保健管理。
空气分析器402生成空气分析，该空气分析包括每次分配的日期/时间以及吸入流速，这不仅为提供者提供关键个人信息，而且还为支持患者104以及其它肺部疾病(诸如哮喘和COPD)的患者的集体分析提供有价值的数据。由空气分析器402生成的空气分析可以提醒或警告个人以及一组用户关于危险或具有挑战性的健康恶化或环境状况。针对特定患者的空气分析可以包含例如吸入设备100的使用模式，患者104的吸气流速、使用频率、药物和给药信息的比较。其它诊断指标可以被记录并存储在数据库406中，诸如气道阻力、吸气量、吸气肺活量和对应的诊断、峰值吸气流(PIF)和50％的最大吸气流(MIF为50％)。
空气分析器402可以通过肺部健康管理数据与先前存储的数据的比较来生成空气分析，以确定何时吸入设备100的使用发生变化或者患者104的肺部功能发生变化，并且还可以预测COPD急性加重。来自多个患者的肺部健康管理信息可以由空气分析器402匿名化，以确定一般使用模式、吸气量和生命周期状况、每次使用的日期/时间和区域位置、一般用户分类数据(诸如疾病类型和严重程度、年龄、(一个或多个)药物类型，以及广义的患者病史)。用于每个吸入设备100的操作参数也可以由空气分析器402捕获和处理，用于空气分析生成，以用于故障排除、改进等。
可以使用空气分析来预测和确定对具有类似病症的患者构成最大威胁的区域位置和一天中的时间。例如，如果针对特定区域中的哮喘患者报告吸气肺活量减少或吸入设备100的使用增加可能是由于未知的环境状况(诸如花粉或其它过敏原)，那么可以经由用户设备204和/或吸入设备100向那个区域中患有哮喘或其它肺部疾病的其他人提供建议他们留在室内的警告。这种系统还可以考虑并由政府或第三方纳入区域或地方环境监视。
参考图5，示出了示例空中分析用户界面500。空气分析用户界面500由空气分析器402生成并显示空气分析，包括但不限于空气质量502、疾病信息504、医疗保健信息506、设备信息508、警报/趋势510和其它分析512。导航标签502-512仅仅是示例性的而不是限制性的。
空气质量502可以包括基于肺部健康管理信息的针对(一个或多个)特定地理位置的空气分析，以及使用部署在这(一个或多个)地理位置的环境大气中的一个或多个环境传感器捕获的环境数据。空气质量502可以包括空气质量界面514，其为(一个或多个)地理位置(诸如中国北京)提供空气质量监视和空气污染。空气质量界面514可以包括各种空气污染条件和污染物对呼吸道疾病的相关性和影响。例如，除了诸如温度、露水、压力、湿度和风速之类的天气条件之外，还采用PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2和CO等空气质量因子作为环境传感器捕获的输入，以监视或预测呼吸问题的发生或者生成建议留在室内的警告。
疾病信息504可以包括由吸入设备100捕获的诊断指标，其与一个或多个患者相关以诊断肺部病症。可以针对(一个或多个)特定地理位置提供疾病病症的概述，以识别任何环境或其它原因，以及监视群体的总体疾病状态。医疗保健信息506可以由个体患者或患者组使用，以跟踪治疗、诊断、疾病状态等。设备信息508可以包括关于吸入设备100的操作的信息，用于故障排除、改进、质量控制等。与各种标签502-508和512对应的各种警报和/或趋势可以包括在警报/趋势210中，用于一个或多个患者、组和/或吸入设备100的管理。
例如，实时报告的COPD急性恶化的发生与所记录的环境状况的相关可以导致精确的警告水平，并且对患者的康复和结果提供更好的理解并提供环境刺激物的影响的趋势和模式的潜在发现，结合所处方的药物作用和剂量水平。空气分析以及实时传感和报告的使用可以快速识别改进的给药方案或药物组合，或者提供用于快速识别有问题或可能非法篡改的药物批次的方法。空气分析对于医学和药物研究、临床决策和疾病监视都是有价值的，这可以改善医疗保健、挽救生命并降低成本。
如上所述，吸入设备100收集和分发除吸入器使用和吸入参数之外的信息。附加的用户数据可以包括吸入空气温度、湿度、臭氧和二氧化氮水平、患者104呼气中各种气体的量，以及甚至吸入空气中的微粒水平。通过传达到空气分析器402，可以基于实时环境和肺部健康管理信息向个体用户或用户组发出警告。
空气分析器402通过提供用于比较和优化个体疗法与较大群体的结果的有效性的手段来提供个性化的医疗保健。空气分析器402发现所处方的治疗、空气污染物或其它环境条件之间的关系。这种信息可以用于改善医疗保健或预测即将发生的用户恶化。来自空气分析器402的个体测量和实时支持的组合提高了医疗保健递送的质量，同时降低了成本并且提供了用于做出更明智的医疗保健决策的见解。
当应用于个性化医疗保健时，由空气分析器402生成的空气分析在访问不同环境时基于他们自己的吸入设备100的使用模式警告患者104。例如，偶尔访问其中由地毯或建筑材料发出甲醛或其它有害蒸气的朋友家中的患者可能在当天晚些时候揭示其效果并导致其吸入设备100的使用和剂量模式的改变。空气分析器402检测到这种模式变化，并在具体位置花费时间并警告用户新发现的相关性之后通知患者104更频繁的给药方案的新趋势的发展。
空气分析器402可以将空气分析应用于吸入设备100，以感测和检测呼出气体中的疾病生物标记物。人类呼吸含有许多挥发性有机化合物(VOC)，其准确检测可以提供一般而言关于人或动物体疾病的早期诊断的基本信息。例如，一氧化氮可以用于评估或感知哮喘诊断；丙酮、氨、H2S和甲苯可分别用于评估糖尿病、肾功能障碍、口臭和肺癌。
在给药期间或在另一个时间进行的肺功能的相对测量可以向用户或医生提供有价值的信息。与空气分析器402结合，它可以被用于在医疗保健提供者的帮助下教导用户何时或如何施用一剂药物。肺功能测量可以用于教导用户何时采取行动并向他提供相关的肺功能信息。这种教育可以经由空气分析器402完成，空气分析器402向用户示出肺功能在各种情况下已经下降的程度。
用于气道阻塞性疾病的一种有用的诊断指标称为FEV1，这是1秒内空气的用力呼气量。理想情况下，将进行肺功能测量，使其独立于用户呼吸的肌肉力量，但是，当前的医疗诊断装备通过使用围绕用户的腔室而消除了呼吸肌肉力量的可变因素，该腔室改变用户周围的压力，以评估气道和肺泡对呼吸的限制。通常，FEV1被表达为在完全吸气之后通过强制呼气在一秒内呼出的空气量。这个数字被表达为肺活量的百分比。
在多天内每天多次测得的FEV1值的可用性可以为医生提供用于空气分析的有价值的诊断指标。在限制性肺病(诸如肺纤维化)中，肺活量降至正常水平以下，但呼出率是正常的。在阻塞性肺病(诸如哮喘、肺气肿、支气管炎)中，肺活量是正常的，因为肺组织没有受损并且其依从性不变。在哮喘中，小气道(细支气管)收缩，增加了对气流的抵抗力。虽然肺活量正常，但气道阻力增加使得呼气更加困难并且需要更长的时间。阻塞性疾病通过测量强迫呼气率(诸如FEV1和FEV25-75)的测试来诊断，这些值的显著降低表明阻塞性肺病。
由空气分析器402提供的肺部诊断系统可以通过用户用相同的传感器测量多次呼吸的流速利用吸气设备100来完成，传感器被用于在吸气期间时间分配到最佳时段。可以通过将每个测试与在患者104的医生的监督下执行的基准模式或数量进行比较来得出诊断指标。可以与吸入循环的一部分或仅在每次吸入或呼出中的峰值测得流进行比较。
为了测量FV1，在吸气设备100测量并记录流速时，首先要求用户在完全吸气后进行几次强制呼气。然后通过在整个呼气中积分流量以及一秒间隔来计算FEV1。这些结果被存储并且稍后或立即传送到空气分析器402。如果计算出的FEV1低于预设限制，那么设备提供气道阻塞大于预设值的反馈。预设值可以由医疗专业人员确定并经由空气分析器402提供。
上面列出的诊断指标不是所有可能诊断的完整列表。例如，可以从吸入与呼出流速的相对差异推断出肺泡限制，其中吸气速率相对于呼气速率的降低推断出扩张肺泡的更多限制。在一个或多个呼吸循环的整个吸气和/或呼气部分上的流速的积分估计吸入的空气总量。与FEV1一样，这种值可能每天多次测量和记录。
除了峰值和一秒流之外，吸入设备100还可以进行评估气道阻力和甚至肺依从性的方法。例如，气道阻力的影响用空气分析器402通过以下等式来建模：F＝(P1-P2)/R，其中气流F(通常称为dV/dt)等于口中的压力P1减去肺泡压力P2除以气流阻力R。P2难以直接测量，因为这是肺的肺泡袋中的压力。但是，通过针对相对恒定的肺泡压力测量P1(口腔压力)的两个不同值处的流速，气道阻力R可以如下计算：
对于口腔压力P1a，流速Fa＝(P2-P1)/R
对于口腔压力P1b，流速Fb＝(P2-P1b)/R
在这些条件下的流量和压力可以用于通过下式直接计算气道阻力值：
R＝(P1b–P1a)/(Fa-Fb)
要注意的是，这假设两个口腔压力之间的相对快速的过渡，因为气道阻力和肺泡压力在呼吸循环期间随着肺和气道几何形状的变化而显著改变。通过压力的快速过渡，在两个压力期间几乎恒定的肺泡压力的假设是正确的。对于压力可以多快变化，存在限制，因为空气和流阻力的依从性有效地消除了很多变化，因为低通滤波器使高频信号最小化。
吸入设备100可以通过各种手段生成上述公式所需的两个不同的口腔压力，诸如快速变化的压力源(如气缸和活塞，或者甚至是长距离音频扬声器)。这些方式和手段都需要大量的体积、重量和功率。类似地，可以使用直接或离心风扇。但是，在这些设备内生成的惯性力可以使得难以测量在单次呼吸中发生的压力的快速变化。
在一个实现中，空气分析器402使用嘴和大气之间的可变阻力阀来实现在呼吸循环期间引起的小而快速的压力变化。作为非限制性示例，挡板阀可以用于打开和关闭从大气进入吸入器的气流路径的一部分。这个值可以由旋转盘组成，其中盘的一半是打开的，一半是几乎被阻塞的，因此当它旋转时它完全打开或部分关闭吸入器的空气入口。利用小型、相对低功率的60至600rpm微型齿轮马达，可以轻松地以1至10Hz的频率旋转这种盘。当盘处于流阻力为Rc的打开位置C时，进入口中的流速为：Fc＝Pc/Rc。
在这里，Pc是相对于大气测得的口中的压力。当盘处于受限的流状况D时，进入口中的流速是Fd＝Pd/Rd。在上述等式中代入这些流和压力状况产生气道阻力，
R＝(P1c-P1d)/(P1c/Rc–P1d/Rd).
对于从状况C到D的吸入器流量限制增加因子K＝Rd/Rc的情况，用于气道阻力的等式简化为：
R＝(P1c-P1d)/(P1c/Rc–P1d/KRc)或者
R＝(1/Rc)*(P1c-P1d)/(P1c–P1d/K).
因此，通过快速改变吸入设备100中的流阻力，可以通过空气分析器402直接估计气道流阻力。
空气分析器402可以生成关于肺依从性的附加空气分析，并且可以通过以不同的循环时间进行上述双压力测试来评估气道阻力的位置。在这种情况下，代替在两个不同压力之间循环，吸入设备100中的流阻力作为正弦曲线变化，以近似线性信号处理的假设。
在患者具有显著的气道阻力并且不能容忍来自吸入设备的额外气流阻力的情况下，可以使用小型风扇在可变阻力阀的大气侧产生附加的压力。附加的压力可以通过堆叠风扇而生成，使得总压力是每个风扇中的压力增益的总和。
空气分析器402通过将患者104的当前气道阻力与由吸入设备100生成的先前数据进行比较来测量用于患者诊断的气道阻力。比较数据还可以用于评估吸入的药物液滴的有效性，以改善受限制的气道。吸入设备和/或空气分析器402还可以跟踪变化的压力源或流限制，在施用各种药物之前和之后监视内部压力。
由于吸入设备100和/或用户设备204存储、处理和传送数据的能力，因此吸入设备100可以包含与诊断或警告相关的附加传感器。例如，可以将N02传感器添加到设备中，以提供对气道状况和流阻力的附加诊断，并帮助用户和他的医生了解患者104如何响应哮喘情况。
图6图示了用于一个或多个患者的肺部健康管理的示例操作600。在一个实现中，操作602通过网络从一个或多个吸入设备接收肺部健康数据。操作604使用至少一个管理参数将肺部健康数据与环境数据相关联。操作606从相关数据生成空气分析，并且操作608输出空气过滤分析。
转到图7，示出了包括操作单元702-710的电子设备700，操作单元702-710被布置成执行本公开技术的各种操作。设备700的操作单元702-710由硬件或硬件和软件的组合来实现，以实现本公开内容的原理。本领域技术人员将会理解，图7中描述的操作单元702-710可以组合或分离成子块，以实现本公开内容的原理。因此，本文的描述支持操作单元702-710的任何可能的组合或分离或进一步的定义。
在一个实现中，电子设备1700包括显示诸如图形用户界面的信息的显示单元702，以及与显示单元1702通信的处理单元704和从一个或多个输入设备或系统(诸如空气分析器402、吸入设备100等)接收数据的输入单元706。本文描述的各种操作可以由处理单元704使用由输入单元706接收的数据来实现，以输出用于使用显示单元702进行显示的信息。
另外，在一个实现中，电子设备700包括相关单元708和空气分析生成单元710。相关单元708将肺部健康信息与环境信息相关联，并且空气分析生成单元710使用该相关信息生成空气分析。
在另一个实现中，电子设备700包括实现关于图6描述的操作的单元。例如，操作602可以由输入单元706实现，操作604可以由相关单元1108实现，操作606可以由公平分析生成单元710实现，并且操作608可以由输出单元702实现。
参考图8，提供了具有可以实现本文讨论的各种系统和方法的一个或多个计算单元的示例计算系统800的详细描述。计算系统800可以适用于空气分析器402、控制器222、服务器408、吸入设备100以及其它计算或网络设备。将认识到的是，这些设备的具体实现可以具有不同的可能的具体计算体系架构，并不是所有这些都在本文中具体讨论，但是本领域普通技术人员将会理解。
计算机系统800可以是能够执行计算机程序产品以执行计算机过程的计算系统。数据和程序文件可以被输入到计算机系统800，计算机系统800读取文件并执行其中的程序。计算机系统800的一些元件在图8中示出，包括一个或多个硬件处理器802、一个或多个数据存储设备804、一个或多个存储器设备808和/或一个或多个端口1808-1810。此外，本领域技术人员将认识到的其它元件可以被包括在计算系统800中，但是在图8中没有明确描述或在此进一步讨论。计算机系统800的各种元件可以通过图8中未明确绘出的一个或多个通信总线、点到点通信路径或其它通信手段彼此通信。
处理器802可以包括例如中央处理单元(CPU)、微处理器、微控制器，数字信号处理器(DSP)和/或一个或多个内部高速缓存级别。可以存在一个或多个处理器802，使得处理器1202包括单个中央处理单元或能够彼此并行地执行指令并执行操作的多个处理单元，这些被统称为并行处理环境。
计算机系统800可以是常规计算机、分布式计算机或任何其它类型的计算机，诸如经由云计算体系架构可用的一个或多个外部计算机。目前描述的技术可选地在存储在(一个或多个)数据存储设备804上、存储在(一个或多个)存储器设备806上和/或经由一个或多个端口808-810传送的软件中实现，由此将图8中的计算机系统800变换成用于实现本文所述的操作的专用机器。计算机系统800的示例包括个人计算机、终端、工作站、移动电话、平板电脑、膝上型计算机、个人计算机、多媒体控制台、游戏控制台、机顶盒等。
一个或多个数据存储设备804可以包括能够存储在计算系统800内生成或采用的数据的任何非易失性数据存储设备，诸如用于执行计算机过程的计算机可执行指令，其可以包括应用程序和管理计算系统800的各种部件的操作系统(OS)二者的指令。数据存储设备804可以包括但不限于磁盘驱动器、光盘驱动器、固态驱动器(SSD)、闪存驱动器和类似。数据存储设备1804可以包括具有这种计算机程序产品的可移动数据存储介质、不可移动数据存储介质和/或经由有线或无线网络体系架构可用的外部存储设备，其中计算机程序产品包括一个或多个数据库管理产品、web服务器产品、应用服务器产品和/或其它附加软件部件。可移动数据存储介质的示例包括光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用盘只读存储器(DVD-ROM)、磁-光盘、闪存驱动器等。不可移动数据存储介质的示例包括内部磁性硬盘、SSD等。一个或多个存储器设备806可以包括易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存等)。
包含实现根据目前描述的技术的系统和方法的机制的计算机程序产品可以驻留在数据存储设备804和/或存储器设备806中，其可以被称为机器可读介质。应当认识到，机器可读介质可以包括能够存储或编码指令以执行本公开内容的任何一个或多个操作用于由机器执行或者能够存储或编码由这种指令使用或与之关联的数据结构和/或模块的任何有形的非瞬态介质。机器可读介质可以包括存储一个或多个可执行指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或关联的高速缓存和服务器)。
在一些实现中，计算机系统800包括一个或多个端口，诸如输入/输出(I/O)端口1808和用于与其它计算、网络或车辆设备通信的通信端口810。应当认识到，端口808-810可以被组合或分离，并且更多或更少的端口可以包括在计算机系统800中。
I/O端口808可以连接到I/O设备或其它设备，通过该I/O设备，信息被输入到计算系统800或从计算系统800输出。这种I/O设备可以包括但不限于一个或多个输入设备、输出设备和/或环境换能器设备。
在一个实现中，输入设备将人生成的信号(诸如人类语音、物理移动、物理触摸或压力等)转换成电信号，作为输入数据经由I/O端口808输入到计算系统800。类似地，输出设备可以将从计算系统800经由I/O端口808接收的电信号转换成可以被人感测为输出的信号(诸如声音、光和/或触摸)。输入设备可以是字母数字输入设备，包括用于经由I/O端口808向处理器802传送信息和/或命令选择的字母数字和其它键。输入设备可以是另一种类型的用户输入设备，包括但不限于：方向和选择控制设备，诸如鼠标、轨迹球、光标方向键、操纵杆和/或轮；一个或多个传感器，诸如相机、麦克风、位置传感器、朝向传感器、重力传感器、惯性传感器和/或加速度计；和/或触摸敏感显示屏(“触摸屏”)。输出设备可以包括但不限于显示器、触摸屏、扬声器、触感和/或触觉输出设备等。在一些实现中，输入设备和输出设备可以是相同的设备，例如，在触摸屏的情况下。
环境换能器设备将一种形式的能量或信号转换成另一种形式，用于经由I/O端口808输入到计算系统800或从计算系统800输出。例如，在计算系统800内生成的电信号可以被转换成另一种类型的信号，和/或反之亦然。在一个实现中，环境换能器设备感测在计算设备800本地或位于远程的环境的特点或方面，诸如光、声音、温度、压力、磁场、电场、化学性质、物理运动、朝向、加速度、重力等。另外，环境换能器设备可以生成信号，以对在示例性计算设备800本地或位于远程的环境施加某种影响，诸如某个物体(例如，机械致动器)的物理移动、物质的加热或冷却、添加化学物质等。
在一个实现中，通信端口810连接到网络，计算机系统800可以通过该端口接收在执行本文阐述的方法和系统以及发送由其确定的信息和网络配置改变中有用的网络数据。换句话说，通信端口810将计算机系统800连接到一个或多个通信接口设备，这些通信接口设备被配置为通过一个或多个有线或无线通信网络或连接在计算系统800和其它设备之间发送和/或接收信息。这种网络或连接的示例包括但不限于通用串行总线(USB)、以太网、Wi-Fi、近场通信(NFC)、长期演进(LTE)等。可以经由通信端口1210利用一个或多个这种通信接口设备，以或者直接经点对点通信路径、经广域网(WAN)(例如，互联网)、经局域网(LAN)、经蜂窝(例如，第三代(3G)或第四代(4G))网络或者经另一种通信手段来与一个或多个其它机器通信。另外，通信端口810可以与用于电磁信号发送和/或接收的天线或其它链路通信。
在示例实现中，肺部健康管理数据、空气分析以及软件和其它模块和服务可以由存储在数据存储设备804和/或存储器设备806上并由处理器802执行的指令来实施。计算机系统800可以与吸入设备100集成或以其它方式形成吸入设备100的一部分。
图8中所阐述的系统仅仅是可以根据本公开内容的各方面采用或配置的计算机系统的一个可能示例。应当认识到，可以利用存储用于在计算系统上实现目前公开的技术的计算机可执行指令的其它非瞬态有形计算机可读存储介质。
图9A-16K提供了吸入设备100的各个方面的具体示例。这些方面的描述仅仅是示例性的而不是限制性的。
转到图9A-9C，在一个实现中，吸入设备100包括手柄900、封住吹嘴(mouthpeice)904的壳体902、用于接收一次性或可重用的药盒908的药盒安装座906、层流元件910，以及由吹嘴904定义的开口912。
图10和11分别图示了图9A-9C中所示的吸入设备100的横截面和分解图。在一个实现中，吸入设备100包括压力传感器组件914、压力传感器电子板916、疏水阀918、压电致动器920、孔板922、光源电子板924、一个或多个光源926(例如，LED)、与吹嘴904连通的气溶胶管928、电源930、电源触点932、压力传感器O形环934、电源安装座936、可拆卸的手柄盖938、控制器940、手动分配按钮942、扬声器946、音频芯片948和用户设备链路950。这些部件可以用于执行本文讨论的一个或多个操作。
如图12A-12C中所示，药盒908可以包括引导件954和药盒标签952。药盒908的喷射器组件可以包括表面张力板956、致动器920、喷射器O形环960，以及可以具有液滴形成开口958的孔板922。如图13中所示，液滴形成开口958可以是多种尺寸(例如，962和964)，以生成不同的液滴尺寸，用于以肺部气道的具体区域为目标。
图14A-15C图示了压力传感器组件914的各种配置。在图14A中所示的一个实现中，压力传感器组件914包括第一压力传感器1000、第二压力传感器1002，以通过检测气流管928内部的气流限制两端的压差来感测气流。图14B示出了具有一个压力传感器1002的压力传感器组件914，其中限制是层流筛网910，并且压力被感测为管928内部的压力与管928外部的压力之间的差。当气流从入口1004移动到出口1006时，通过检测气溶胶管928的内部区域与外部区域之间的压差，第一和第二压力传感器1000和1002可以用于喷雾核实。传感器组件914还可以协调患者104的呼吸循环，以识别触发点以在吸入循环期间的高峰期激活喷雾。
图14A示出了压力传感器组件914，其具有感测管928内的压力的一个压力传感器1000，以及感测管外的大气压的第二传感器1002。这种构造允许非常低的气流内阻。液滴递送设备的非常低的内阻具有很大的好处。由于设备100被呼吸致动以便以气溶胶的形式喷射和递送药物，因此非常低的气流内阻为患者提供深度吸入的机会，因此允许气溶胶颗粒深入肺部气道。用于递送气溶胶剂量的呼吸致动触发机制还确保了药物的最佳递送。
图15A-15C示出了传感器电子器件916和压力传感器组件914的ΔP传感器组件1100的示例，压力传感器组件914具有印刷电路板(PCB)1102、压力传感器控制器1104、传感器管芯1108、球形顶部1106和孔110。组件1100还可以包括母板1112和O形环1114。该示例包括单端口设计及其与设备板(15A)的组装，该传感器具有通过PCB上的孔的气动连接，并且安装在主PCB或子板上，如(F15B)或(15C)中的方案中所示。
ΔP传感器规范(不受示例限制)可以遵循：
压力范围；+/-500Pa范围；相对于周围环境的ΔP测量；
在低差压、偏移量漂移和滞后的灵敏度方面，传感器组件914可以胜过传统的压阻膜传感器。这些性能参数允许在低压下增加的分辨率和更准确的测量。这些性能参数对于肺部输出量低的儿童和老年患者尤为重要。
在一个实现中，由压力传感器生成的信号在患者104的吸气(吸气)周期的高峰期或期间提供用于激活喷雾的触发器，并确保气溶胶喷雾的最佳沉积和药物进入肺部气道，如本文所述。
此外，可以提供包括相机、扫描仪或其它传感器(没有限制，例如电荷耦合器件(CCD))的图像捕获设备，以检测和测量喷射的气溶胶羽流。这些检测器、LED、ΔP换能器、CCD设备都向控制器940提供控制信号，用于监视、感测、测量和控制流体的喷射并报告患者依从性、治疗时间、剂量和患者使用历史等，这些可以经由链接950传送到用户设备204。
转到图16A-16K，提供了各种示例性电路图1200-1220，这些电路图仅仅是示例性的并且不旨在限制。电路图包括电源开/关电路1200、电源连接器电路1202、电压调节电路1204、控制器电路1206、控制器编程连接器电路1208、压电连接器电路1210、具有去抖动电路的用户开关1212、压电驱动器电路1214、压力传感器电路1216、发光二极管指示器电路1218，以及蜂鸣器驱动器电路1220。可以预期对这些电路的变化以及对电路的添加、删除或其它修改。
在本公开中，所公开的方法可以被实现为设备可读的指令集或软件。另外，应当理解，所公开的方法中的步骤的具体次级或层次是示例方法的实例。基于设计偏好，应当理解的是，方法中的步骤的具体次序或层次可以被重新排列，同时保留在所公开的主题内。所附方法权利要求以示范次序呈现各个步骤的元素，并且不一定意味着限于所呈现的具体次序或层次。
所描述的公开可以作为计算机程序产品或软件提供，其可以包括其上存储有指令的非瞬态机器可读介质，其可以被用于将计算机系统(或其它电子设备)编程为执行根据本公开内容的过程。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件、处理应用)存储信息的任何机制。机器可读介质可以包括但不限于磁存储介质、光存储介质；磁-光存储介质、只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)；闪存；或适于存储电子指令的其它类型的介质。
虽然已经参考各种实现描述了本公开内容，但是应当理解，这些实现是示例性的，并且本公开内容的范围不限于此。许多变化、修改、添加和改进是可能的。更一般而言，已经在特定实现的上下文中描述了根据本公开内容的实施例。在本公开内容的各种实施例中，功能可以以不同的方式在方框中分离或组合，或者用不同的术语描述。这些和其它变化、修改、添加和改进可以落入如以下权利要求中限定的本公开内容的范围内。

Claims (22)

1.一种用于肺部健康管理方法，该方法包括：
通过网络从一个或多个吸入设备接收肺部健康管理信息，所述一个或多个吸入设备中的每一个吸入设备具有一个或多个压力传感器，所述压力传感器测量通过吸入设备的管的气流的流速；
接收其中部署所述一个或多个吸入设备的一个或多个地理位置的环境数据，使用一个或多个环境传感器捕获环境数据，以及环境数据与所述一个或多个地理位置中的每一个地理位置的周围环境空气状况对应；
使用至少一个计算单元基于至少一个管理参数将肺部健康管理信息与环境数据相关联；以及
使用所述至少一个计算单元从相关联数据生成空气分析。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：输出空气分析，以在用户设备上显示。
3.如权利要求2所述的方法，其中用户设备是患者设备或提供者设备中的至少一个。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个管理参数包括以下当中的至少一个：疾病类型、患者简档、喷雾核实类型、环境状况类型、设备错误类型或污染物类型。
5.如权利要求1所述的方法，其中空气分析包括以下当中的至少一个：空气质量分析、疾病分析、医疗保健分析、设备分析、警报或趋势。
6.一种用于患者的肺部健康管理的方法，该方法包括：
接收在患者吸气期间实现的峰值吸气流测量，该峰值吸气流测量基于吸气期间气流的最小压力而生成；
接收患者的肺部输出，该肺部输出通过测量呼气期间达到的最大流来确定；
使用至少一个计算单元为患者生成肺部健康管理信息，该肺部健康管理信息包括基于峰值吸气流测量和肺部输出生成的肺部健康简档；以及
输出肺部健康管理信息。
7.如权利要求6所述的方法，其中肺部健康简档还基于呼气中的一氧化氮浓度值而生成。
8.如权利要求6所述的方法，其中输出肺部健康管理信息，以供用户设备呈现。
9.如权利要求6所述的方法，其中肺部健康简档还基于气道阻力而生成。
10.如权利要求6所述的方法，其中肺部健康管理信息由用户设备通过网络传送到空气分析器。
11.如权利要求6所述的方法，还包括：跟踪肺部健康管理信息随时间的变化。
12.如权利要求6所述的方法，其中肺部健康简档包括肺部病症的诊断或肺部病症的治疗中的至少一个。
13.一种用于患者的肺部健康管理的方法，该方法包括：
识别患者发起吸入循环；
通过使用一个或多个压力传感器测量气流的流速来确定吸气循环中的触发点；
将气溶胶羽流喷射到气流中；
使用喷射器组件在触发点处自动地将液滴集合喷射到气溶胶羽流中；以及
验证该液滴集合的喷射。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个压力传感器包括部署在气流的上游的第一传感器和部署在气流的外部的第二传感器，第一传感器测量内部压力，并且第二传感器测量外部压力，流速是根据内部压力与外部压力之间的压差测量的。
15.如权利要求13所述的方法，其中基于气流与周围大气之间的压降来测量流速。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述液滴集合包括一个或多个液滴，每个液滴具有5微米或更小的尺寸。
17.如权利要求13所述的方法，其中触发点与吸入循环中的峰值对应。
18.如权利要求13所述的方法，其中通过检测气溶胶羽流中的喷射物质的速度来验证所述液滴集合的喷射。
19.如权利要求13所述的方法，其中通过检测气溶胶羽流的横截面和长度来验证所述液滴集合的喷射。
20.如权利要求13所述的方法，其中触发点是预设的。
21.如权利要求13所述的方法，还包括：使用用户设备将验证信息传送到空气分析器，该验证信息基于所述液滴集合的喷射的验证而生成。
22.如权利要求21所述的方法，还包括：基于验证信息生成反馈。
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