CN110290747B - 用于呼吸分析的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于呼吸分析的方法和装置，该方法包括：确定第一呼吸循环(60)的同位素组成分布或物质的浓度分布；确定阈值(70)；确定采样时间(80)；以及在通过达到阈值(70)而被触发的采样时间(80)测量在第二呼吸循环期间的同位素组成或物质的浓度。
Description
技术领域
本申请一般地涉及确定气体的组成。特别地，但非排他地，本申请涉及确定气体的同位素组成。特别地，但非排他性地，本申请涉及确定呼吸气体中呼吸气体的同位素组成，或所测量的物质的浓度。
背景技术
该部分图示了有用的背景信息，而没有承认本文中所描述的任何技术代表的现有技术。
呼吸诊断是医疗领域中快速增长的趋势。特别是同位素选择性呼吸分析已经被应用于诊断和监测多种疾病(disease)和病症(condition)，包括糖尿病、肝功能、胃感染和败血症。该方法的选择性和灵敏度依赖于对呼出的气体的同位素组成的精确了解，并且因此确定同位素组成具有重要意义。
用于确定同位素组成的大多数当前所使用的技术是基于采样袋，其中仅捕获一部分呼吸循环，导致确定的可靠性降低，特别是如发明人最近研究显示，同位素组成在呼气循环期间变化并且因此影响确定同位素组成。关于同位素组成在呼吸循环期间变化的结果已经在下述会议论文中示出，“Compact,Real-Time Analyzer for C-13and O-18 IsotopeRatios of Carbon Dioxide in Breath Air”,T.
et.al.,the Conferenceon Lasers and Electro-Optics,CLEO 2016in San Jose,California,United States,5-10June 2016。
根据本发明的实时呼吸分析(例如，使用具有低容量多通道单元的光学检测器，例如如发明人未公开的专利申请FI20155833中所描述的)使得可以对呼出的呼吸气体的正确部分进行采样并且由此解决采样中可能产生的错误。本发明的目的是提供一种方法和装置，其减轻例如现有技术中上述问题和/或提供气体组成的可靠确定，(特别是在呼吸气体中呼吸气体的同位素组成，或所测量的物质(诸如CO2)的浓度。
发明内容
在权利要求中阐述了本发明的示例的各个方面。
根据本发明的第一示例方面，提供了一种用于呼吸分析的方法，该方法包括：
确定第一呼吸循环的同位素组成分布或物质的浓度分布；
确定阈值；
确定采样时间；以及
在通过达到阈值而被触发的采样时间测量在第二呼吸循环期间的同位素组成或物质的浓度。
该方法还可以包括：示出所测量的同位素组成或浓度作为结果。
确定第一呼吸循环的同位素组成分布可以包括：测量二氧化碳的各种同位素体的吸收率。
确定阈值可以包括：确定所选择的同位素体的预定的吸收率。
确定采样时间可以包括：确定在第二呼吸循环期间测量在其上或其间被执行的时间或时间帧。
根据本发明的第二示例方面，提供了一种用于呼吸分析的装置，该装置包括：
测量单元，被配置为测量呼吸循环期间的二氧化碳的各种同位素体的吸收率；
采样单元，被配置为使得呼出的呼吸气体能够被引导到测量单元；以及
控制单元；其中
控制单元被配置为使得该装置：确定第一呼吸循环的同位素组成或物质的浓度分布，基于所确定的第一呼吸循环的同位素组成或物质的浓度分布确定阈值和采样时间，以及在通过达到阈值而被触发的采样时间测量在第二呼吸循环期间的同位素组成或物质的浓度。
测量单元可以包括：多通道单元，包括光源和检测器的光学单元，以及气体处理单元。
采样单元可以包括：入口、待被测量的呼吸气体被引导到该入口中。
控制单元可以包括：被配置为控制该装置的处理器。
控制单元可以包括：被配置为示出确定同位素组成或浓度的结果的用户界面单元。
该装置可以被配置为示出确定呼吸气体的同位素组成或物质的浓度的结果是否指示疾病或病症。
根据本发明的第三示例方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于在由装置执行时引起执行本发明的第一示例方面的方法的计算机代码。
根据本发明的第四示例方面，提供了一种包括本发明的第三示例方面的计算机程序的非暂态存储介质。
前文已经说明了本发明的不同的非约束性示例方面和实施例。前文中实施例仅被用于解释可以在本发明的实施方式中使用的所选择的方面或步骤。可以仅参考本发明的某些示例方面来呈现一些实施例。应当理解，对应的实施例也可以应用于其他示例方面。
附图说明
为了更完整地理解本发明的示例实施例，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：
图1示出了利用根据本发明的一个实施例的装置所测量的呼吸循环的一个示例；
图2示出了利用根据本发明的一个实施例的装置所测量的单一示例性呼吸循环的不同部分处的示例性同位素比率；
图3示出了根据本发明的一个实施例的方法的呼吸分析的原理；
图4示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图；以及
图5示出了根据本发明的一个实施例的装置的示意性框图。
具体实施方式
通过参考附图中的图1至图5，可以理解本发明及其潜在的优点。在本文中，相同的附图标记表示相同的部件或步骤。
图1示出了利用根据本发明的一个实施例的装置所测量的呼吸循环的一个示例。该曲线图在纵轴上示出了在分析仪中所测量的光吸收率，并且在横轴上示出了以秒为单位的时间。所测量的吸收率以相对标度示出，其中最高吸收率的值为1。对于呼出的空气的CO2的不同同位素体，即对于16O12C16O、16O13C16O和16O12C18O，或者在下文中被称为主(main)、13C和18O同位素或同位素体，示出了所测量的吸收率。所测量的主同位素(main isotope)的吸收率为10，所测量的13C同位素的吸收率为20，所测量的18O同位素的吸收率为30。
图2示出了利用根据本发明的一个实施例的装置所测量的呼吸循环的不同部分处的示例性同位素比率。图2在纵轴上示出了13C和12C同位素体40的比率，并且在横轴上示出了18O和16O同位素体50相对于呼吸循环的一部分的比率，表示为所测量的吸收率。从图2可以看出，同位素体的比率在呼吸循环期间显著改变，并且因此确定呼吸气体的同位素体含量是取决于循环期间的比率的采样和/或采样时间。例如，因为呼出的空气源自呼吸系统(respiratory system)的不同部分，即源自口腔、咽喉、主肺容积和肺的深部，因此同位素体的比率在循环期间变化。
图3示出了根据本发明的一个实施例的方法的呼吸分析的原理。该曲线图如图1地，在纵轴上示出了在分析仪中所测量的光吸收率，并且在横轴上示出了以秒为单位的时间。图3示出了人(例如，患者)的第一呼吸循环60，在此期间，利用根据本发明的实施例的装置来测量吸收率。根据第一确定的循环来确定阈值70。在一个实施例中，阈值是预定测量的所选择的同位素体的吸收率或所测量的物质(诸如CO2)的浓度。基于阈值70，确定第二(即，随后的)呼吸循环的采样或测量时间80，即执行同位素比率的测量或所测量的物质(诸如CO2)的浓度的时间或时间帧。基于阈值70确定采样80时间，即，在阈值处被触发而开始测量。在一个实施例中，目标是选择阈值70并且因此选择采样时间，使得它在沿着呼吸循环的点处，其中同位素比率显著不同，但是当差异开始减小时，沿着呼吸循环不会太远，如图2所示。采样时间80被示出为图2中的单一时间点，但应当注意，采样时间或测量时间80是指执行采样事件和根据所采样的气体的测量的时间点或时间帧。该时间点或时间帧的开始是通过达到阈值来触发的。
所选择的采样时间80(其开始由阈值70触发)判明呼吸气体中所测量的同位素比率或所测量的物质(诸如CO2)的浓度是代表呼出的呼吸气体不仅来自呼吸系统的上部并且同位素比率具有尽可能大的差异以便实现改善的测量的灵敏度。当基于实际所确定的第一呼吸循环来选择采样时间80时，去除与在随机时间采样或在整个或部分呼吸循环期间聚集样本有关的不确定性。此外，由于阈值70和采样时间80是基于第一呼吸循环确定的，因此去除了归因于同位素比率的人与人的差异引起的可能误差。
图4示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图。测量呼吸的人向根据本发明的装置中吸气。呼吸正常进行，即该人不需要以任何特定的预定方式呼吸。在410处，确定第一呼吸循环60，即在第一呼吸循环期间测量由不同同位素体引起的吸收率。本文中的呼吸循环是指人的单次呼气，测量的同位素组成分布或所测量的物质(诸如CO2)的浓度分布。应当注意，第一呼吸循环不必是向装置中吸气的第一呼吸循环，而是开始确定方法之后的第一循环。
在420处，基于如上文中参考图3所描述的测量第一呼吸循环来确定阈值70。在430处，基于阈值70确定采样时间80或时间帧。在440中处，在第二呼吸循环的先前所确定的采样时间80期间执行呼吸气体中同位素组成或所测量的物质(诸如CO2)的浓度的测量。应当注意，第二呼吸循环不必是第二呼吸循环，即紧接在第一呼吸循环之后的呼吸循环，但可以是在第一呼吸循环之后的任何呼吸循环。理想地，呼吸循环基本上是相同，即向装置中吸气的人基本上稳定地吸气。
在450处，示出了确定呼吸气体中同位素组成或所测量的物质(诸如CO2)的浓度的结果。在一个实施例中，同位素组成或浓度被示出为所确定的同位素体的比率的值，即12C/13C和/或18O/16O比率。在另一示例性实施例中，示出了比率或浓度是低于还是高于某个预定值，例如表示指示可以从比率或浓度诊断的特定病症的阈值的值。在另一实施例中，将测量结果与先前的(例如，根据目的，在当前测量之前的某个预定时间)所测量的值进行比较。
图5示出了根据本发明的一个实施例的装置的示意性框图。该装置包括测量单元100，在一个实施例中，该测量单元100包括多通道单元110，该多通道单元110被配置为提供其中保持或引导呼吸样本以进行测量的容积。该装置还包括光学单元120，该光学单元120包括光源(在一个实施例中为激光源)，该光源被配置为通过多通道单元110发送光(在一个实施例中为激光)。光学单元还包括检测器，该检测器被配置为接收已穿过多通道单元并且其中包含呼出的气体的样本的光。在一个实施例中，测量单元100还包括气体处理单元130，气体处理单元130被配置为将气体(即呼出的空气)引导到多通道单元110，在一个实施例中，将气体保持在多通道单元110中达一定时间并且被配置为使得样本能够从多通道单元110流走。
该装置还包括采样单元200，该采样单元200被配置为使得气体(在一个实施例中为呼出的空气)能够被引导到测量单元。在一个实施例中，采样单元包括：人在其中呼吸或气体在其中从另一源被引导或被引导通过另一源的喷嘴或入口。在另一实施例中，采样单元是另一装置的一部分，诸如用于医疗目的或用于运动员研究的呼吸测试装置。
该装置还包括控制单元300。在一个实施例中，控制单元300包括分离的设备或被包括在分离的设备中，或者包括与装置集成的单独元件。控制单元300包括被配置为：控制该装置的操作，执行计算，以及使得执行根据本发明的方法的步骤的电子设备。在一个实施例中，如果是分离的，则控制单元300以常规方式被连接到该装置，例如通过导线或无线地，通过例如无线局域网或近场通信，诸如蓝牙或近场通信NFC，在这种情况下，所需要的通信组件被设置在测量单元100和控制单元300上。
控制单元300包括存储器340和处理器320。处理器320被配置为从测量单元的光学单元120中的检测器元件检索数据、并且被配置为使得将数据存储到存储器340中。处理器320还被配置为使得使用在存储器340中所存储的非暂态计算机程序代码来控制测量单元100、采样单元200和控制单元300本身的操作。
在另一实施例中，控制单元300包括通信单元310，通信单元310包括例如局域网(LAN)端口；无线局域网(WLAN)单元；蓝牙单元；蜂窝数据通信单元；近场通信单元或卫星数据通信单元。控制单元还包括电源(诸如电池350)或与外部电源的连接。
在另一实施例中，控制单元300包括用户界面单元330，用户界面单元330包括例如用于示出测量结果的显示器或触摸显示器。在另一实施例中，用户界面单元330包括用于指示测量结果的简化显示器(诸如LED阵列或不同颜色的灯，例如发光二极管)。在又一实施例中，装置100是诊断装置，并且被配置为指示(例如，在显示器上示出)所确定的同位素组成是否指示病症或疾病。
在又一实施例中，控制元件300包括被配置为与测量单元100协作的个人电子设备(诸如，手表、智能手表、活动手镯、移动电话、智能电话、平板电脑、计算机或电视)或被包括在个人电子设备中。
以下给出了与确定呼吸气体中呼吸气体的同位素组成或所测量的物质(诸如CO2)的浓度的给定实施例有关的一些用例。在第一种用例中，根据一个实施例的装置被用作诊断装置，以便诊断人或动物的病症或疾病。这样的病症和疾病的示例包括但不限于使用13C/12C和/或18O/16O同位素比率的败血症、使用13C/12C和/或18O/16O同位素比率的幽门螺杆菌、以及使用18O/16O同位素比率的2型糖尿病。
在第二用例中，根据一个实施例的装置和方法被用于确定呼吸气体中的同位素组成，以便(例如在训练和/或比赛期间)监测运动员的能量使用。
在第三用例中，根据一个实施例的装置和方法被用于确定呼吸气体的同位素组成以便监测作为个体减肥辅助的能量使用。
应当注意，尽管参考确定呼吸气体(即，呼出的空气)的同位素组成已经描述了本发明的实施例，但是本发明的上文中所描述的实施例可以以类似的方式应用于另外的气体分析，其中待被测的气体具有循环，在该循环期间，同位素比率或其他感兴趣的比率变化，使得采样时间影响测量的结果和/或灵敏度。
在不以任何方式限制所附权利要求的范围、解释或应用的情况下，本文中所公开的一个或多个示例性实施例的技术效果是确定呼吸气体中同位素组成或所测量的物质(诸如CO2)的浓度的灵敏度和可靠性的增加。本文中所公开的一个或多个示例性实施例的另一技术效果是实时同位素组成分析的可能性。本文中所公开的一个或多个示例性实施例的另一技术效果是提供用于确定同位素组成的可靠且紧凑的装置。
尽管在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但是本发明的其他方面包括来自所描述的实施例和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的其他组合，而不仅仅是在权利要求中被明确阐述的组合。
在本文中，还应当注意，虽然前面描述了本发明的示例实施例，但是这些描述不应当被视为具有限制意义。而是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以进行若干变化和修改。
Claims (12)
1.一种用于呼吸分析的方法，包括：
确定第一呼吸循环(60)的同位素组成分布或物质的浓度分布；
基于所述第一呼吸循环确定阈值(70)和采样时间(80)；以及
在通过达到所述阈值(70)而被触发的所述采样时间(80)来测量在第二呼吸循环期间的同位素组成或所述物质的浓度，
其中所述阈值和所述采样时间是基于同位素比率之间具有尽可能大的差异确定的。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：示出所测量的所述同位素组成或浓度作为结果。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定第一呼吸循环的同位素组成分布包括：测量二氧化碳的各种同位素体的吸收率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定阈值包括：确定所选择的同位素体的预定的吸收率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定采样时间包括：确定在所述第二呼吸循环期间所述测量在其上或在其间被执行的时间或时间帧。
6.一种用于呼吸分析的装置，包括：
测量单元(100)，被配置为测量在呼吸循环期间的二氧化碳的各种同位素体的吸收率；
采样单元(200)，被配置为使得呼出的呼吸气体能够被引导到所述测量单元(100)；以及
控制单元(300)；其特征在于
所述控制单元(300)被配置为使得所述装置：确定第一呼吸循环(60)的同位素组成或物质的浓度分布，基于所确定的第一呼吸循环(60)的所述同位素组成或所述物质的浓度分布来确定阈值(70)和采样时间(80)，以及在通过达到所述阈值(70)而被触发的所述采样时间(80)测量在第二呼吸循环期间的所述同位素组成或所述物质的浓度，
其中所述阈值和所述采样时间是基于同位素比率之间具有尽可能大的差异确定的。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述测量单元包括：多通道单元(110)、包括光源和检测器的光学单元(120)、以及气体处理单元(130)。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中所述采样单元(200)包括：入口，待被测量的呼吸气体被引导到所述入口中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制单元(300)包括：被配置为控制所述装置的处理器(320)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制单元(300)包括：被配置为示出确定同位素组成或浓度的结果的用户界面单元(330)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置被配置为示出确定呼吸气体的所述同位素组成或所述物质的浓度的结果是否指示疾病或病症。
12.一种非暂态存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序包括计算机代码，所述计算机代码用于在由装置执行时引起执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
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