CN110958855A - 用于肺活量计的流量感测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本主题描述了一种肺活量计(100)内的流量感测装置。该装置包括管状构件(202)，用于允许空气沿其纵向轴线通过。至少两个盘形空气阻力元件(204)可拆卸地布置在管状构件(202)内以抵抗气流。每个所述阻力元件包括多个穿孔，以允许空气通过阻力元件。至少两个端口(206)径向向外延伸穿过所述管状部件(202)的壁，使得所述两个端口(206)中的每一个都位于管状部件(202)内于阻力元件(204)附近，以便至少确定它们之间的压差。

Description

用于肺活量计的流量感测装置及其方法

技术领域

本公开涉及肺活量计，尤其涉及肺活量计的组装和功能。

背景技术

在患者/健康个体的强制呼气试验期间，已广泛用于呼吸器官研究的呼吸速度描记法可以用作测量流速的测量方法。它涉及在一个以上的点处测量流动路径两端的压差，并根据压差值计算流速。

肺活量计是一种基于呼吸速度描记法的设备，具有多种类型并且采用了多种技术来测量患者的呼吸参数。在频谱的一端，是基于气动和机械体积的肺活量计，其给出用户的整个呼吸周期的完整图。然而，这种肺活量计通常非常昂贵，并且不可能每个患者都在家中拥有个人肺活量计。另一方面，有基于低成本流量传感器的峰值流量计，其允许轻松测量呼吸参数。然而，许多这样的装置缺乏制作详细和完整的吸气和呼出曲线的能力。

电子肺活量计在生产成本和产量上都处于两个极端之间。电子肺活量计通常比专业肺活量计生产要更便宜，并且可以电子方式记录读数，从而使患者和临床医生可以轻松地随时间比较结果。

就电子肺活量计而言，市场上有几种选择。他们采用了大量技术，并且在成本和易用性方面差异很大。在一示例中，已经构造了具有设置在空气管的排气端处的非金属合成织物阻力元件的多个肺活量计。然而，这些设备或结构复杂或读数不可靠。Puritan-Bennett公司的设备“FS200流量传感器”具有细长的中空塑料管和一端处的圆形空气入口。塑料管像喇叭一样在排气端向外张开。排气开口覆盖有耐空气织物和穿过用于连接传感器的塑料管壁的径向延伸的压力传感器开口或端口。

波兰产品

肺活量计是一种采用热感测技术的数字肺活量计，并连接到专用的移动应用程序以收集数据、报告测试结果以及记录测试数据。

另一肺活量计“哮喘监测仪AM3 BT”是一种支持蓝牙的设备，用于以与临床级肺活量计相当的精度测量关键的肺功能。该设备会将数据发送到智能手机或平板电脑。这采用超声波传感方法来预测流速，从而生成完整的呼气和吸气曲线。

美国专利号4905709涉及包含阻力元件的另一肺活量计装置，其中阻力元件设置在空气管的密封端附近，并且三个矩形的空气出口开口穿过管的侧壁形成。尽管它试图产生线性结果，但它具有复杂的构造，并且清洗过程对于重复使用极为困难。

涵盖基于改进的气压计的肺活量计的国际公开号WO01/42744描述了一次性阻力元件，其可以容易地生产并以筛网的形式设置。此外，空气管的设计使得织物放置在相对于空气管内的流动轴线倾斜的位置。

美国专利号6090049公开了一种具有改进的气压计的屏幕型肺活量计，具有：中空壳体，其具有环形环；与该环形的环一体形成的第一呼吸管；以及第二呼吸管，其可以与壳体接合。第一和第二呼吸管都可以插入要检查的人的口中。此外，第一和第二呼吸管具有锥形部分，其分别倾斜10度，以便稳定通过其中的流体流。

虽然包含集成金属化管束以提供毛细气流的常规气压计或流量传感器或吹口可提供准确而可靠的读数，但仍存在一个问题，即包含这种性质的阻力元件—仅是金属化管束—的流量传感器非常昂贵。第二，这种性质的传感器通常被重复使用，并且必须在使用之间进行消毒，从而影响流量传感器向与之配合使用的仪器的校准。因此，需要定期重新校准。

使用织物或过滤器类型元件的另一个问题是，由于通过织物(例如Puritan-Bennett公司的设备)的气流通常在整个气流的范围内是不均匀的，因此经常造成气流和空气压力之间存在不希望的非线性关系。

另外，由于在非常高和非常低的流速范围内，流动特性(湍流耗散、流动分离、雷诺数等)之间的固有差异，这些现有技术的阻力元件仅对低气流速或高气流速稍微有效。然而，对于两个范围而言，有效性不能同时满足。此外，常规设备仍然是复杂构造和清洁过程的受害者。

此外，部署固定类型的阻力元件(网等)在清洁设备时造成困难，并引起微生物污染。另外，当网捕获食物/灰尘颗粒或经受湿气进入时，网的阻力随着长期重复使用而变化，从而影响精度并导致故障。

另一个问题是电子传输数据的困难。常规的肺活量计的另一个问题是，要么它们的电池在一定使用后需要更换，要么需要永久地连接到专用计算机上以进行操作。

发明内容

提供该发明内容是为了以简化的格式介绍概念的选择，这些概念在本发明的详细描述中进一步描述。该发明内容并非旨在标识本发明的关键或必要的发明构思，也不旨在确定本发明的范围。

在一实施例中，本主题描述了一种管状构件，用于允许空气沿其纵向轴线通过。至少两个盘形空气阻力元件可拆卸地布置在管状构件内以抵抗气流，使得每个所述阻力元件包括多个穿孔，以允许空气通过阻力元件。至少两个端口径向向外延伸穿过所述管状构件的壁，所述两个端口中的每一个都位于管状构件内于阻力元件附近，以便至少确定它们之间的压差。

在一实施例中，本主题涉及一种电子肺活量计，包括至少两个可拆卸地布置在气道中的盘形空气阻力元件，并且包括在每个所述元件的两个面之间延伸的多个六边形孔，其中所述多个孔覆盖每个所述面的至少30％的表面积。至少两个中空管连接到压力/温度传感器。所述至少两个管中的每一个从气道中的指定阻力元件延伸到传感器，以有助于感测关于所述至少两个元件的气压/温度。

电子模块放置在塑料壳体内部并连接到压力传感器，以至少基于跨过气道的所述两个点之间的压力/温度差来确定与气流有关的至少一个参数。

在一实施方式中，肺活量计内的电子控制模块或电子器件包括以下中的一个或多个：用于计时的实时时钟、处理器、用于本地数据存储的闪存、用于记录用户进行的每个肺活量测试的数据记录器、用于在每次更换一次性阻力元件后进行的测试次数的计数器，以便在预定次数的测试后提供用于更换这些元件的信号，以及用于向网络设备和应用程序进行数据传输的发送器。

在一实施方式中，电子控制模块以至少10毫秒且优选地1毫秒的周期性间隔触发压力以及温度的测量，以至少允许为一个或多个用户得出呼气以及吸气曲线。

在一实施方式中，电子控制模块配置为将吸气操纵中涉及的参数记录为以下中的至少一个：峰值呼气流速(PEFR)、一秒钟的强制呼气量(FEV1)、强制肺活量(FVC)、6秒钟的强制呼气量(FEV6)、在FVC的中间25-75％部分期间的强制呼气流量(FEF-25-75)、强制吸气流量(FIF)或其他已知参数。此后，将以约1到50毫秒的时间周期对记录的参数进行定期处理，以指示致动(吸气或呼气)操纵中的每个步骤的正确性。

在一实施方式中，电子控制模块配置为通过测量与以下至少一个相对应的参数来确定吸气/呼气技术的正确性：肺活量计的定向；致动时间；以及用户的吸气/呼气流速曲线。

在一实施方式中，电子控制模块配置为将与肺活量计的每次致动/操作有关的数据无线通信至远程设备以进行进一步分析。

根据一实施例，气道内的阻力元件包括自布置的六边形堆叠结构，并且可以容易地从设备的气道拆卸以进行周期性更换。此外，本电子肺活量计的气道具有两个与电子引擎的壳体轴向匹配的孔。更具体地，气道中的两个孔通过两个管或空气管道与电子引擎的压力传感器连接，以允许在气道中的这些位置处进行压力采集。气道本身可以很容易地从包含电子引擎的设备的壳体中拆卸，以便在一定数量的设备使用周期(例如不超过100次使用)后便于清洁壳体(允许用水清洗)。

本发明的肺活量计具有电子引擎，其以约1至50毫秒的周期间隔测量压力和温度，以允许在肺活量计使用期间完整精细地确定呼气以及吸气曲线。

此外，本肺活量计促进可在远程设备上呈现的基于移动和平板的应用程序。远程设备中的应用程序处理接收到的数据，以连续跟踪进行的测试、测试时间、患者的吸气和呼气曲线，并通过用户界面以交互方式向患者提供多个报告。根据接收到的个人资料信息(比如年龄、性别等)为每个患者定制用户界面。

远程设备中用于访问肺活量计数据的应用程序允许在单个平台上注册多个配置文件，从而消除了给诸如哮喘儿童、多个哮喘家族成员等患者带来不便的可能性，因此可以在临床中招募多名患者。

该应用程序还可以提供有关肺活量计读数摘要、诸如PEFR、FEV1、FVC、FEV6、FEF-25-75、FIF之类的参数或医疗从业者所需的其他已知参数的信息。它还提供有关吸气和呼气操纵中步数正确性的信息。可以实时显示每个测试的正确性。

为了进一步阐明本发明的优点和特征，将参考在附图中示出的本发明的特定实施例对本发明进行更具体的描述。应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应认为是对其范围的限制。将结合附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1示出了根据本发明实施例的肺活量计的等距视图。

图2示出了根据本发明实施例的如图1所示的肺活量计中的气道的正视图和截面图。

图3示出了根据本发明实施例的如图1所示的肺活量计内的电子引擎的正视图。

图4(a和b)描绘了图形表示，其描绘了由本肺活量计执行的气流测量的精度。

图5(a和b)描绘了样品肺活量计波形在阻力元件上的压力分布的红外图。

为了简单起见，图示了图中的元件，并且可能不一定按比例绘制。此外，就设备的构造而言，设备的一个或多个部件可能已经在附图中由常规符号表示，并且附图可能仅示出了与理解本公开的实施例有关的那些具体细节，以避免使细节模糊附图，这些细节对于受益于本文描述的本领域普通技术人员将是显而易见的。

具体实施方式

为了促进对本公开原理的理解，现在将参考附图中示出的实施例，并且将使用特定语言来描述该实施例。然而，将理解的是，由此不意图限制本公开的范围，在所示系统中的这种改变和进一步修改以及如在其中所预期的本公开的原理的这种进一步应用对于本公开涉及的本领域技术人员是通常会想到的。

在整个说明书中对“一方面”、“另一方面”或类似语言的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一实施例中”、“在另一实施例中”的出现和类似的语言可以但并非必须全部指代相同的实施例。

术语“包括”或其任何其他变体旨在覆盖非排他性包含，使得包括步骤列表的过程或方法不仅仅包括那些步骤，而且可以包括未明确列出该过程或方法固有的其他步骤。类似地，在没有更多限制的情况下，以“包括...”开头的一个或多个设备或子系统或元件或结构或部件并不排除存在其他设备或其他子系统或其他元件或其他结构或其他部件或者另外设备或另外子系统或另外元件或另外结构或另外部件。

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。本文提供的系方法和示例仅是说明性的，而无意于进行限制。

下面将参考附图详细描述本公开的实施例。

图1a示出了电子肺活量计100的等距视图，其中所述肺活量计100安装在对接站200上以用于充电目的，而肺活量计100未使用。图1b示出了安装在对接站200上的肺活量计100的正视图。这种充电设施提供了对肺活量计100的电池进行充电的设施，从而允许容易且便携式的充电通道并且显著减少了在不使用时将肺活量计100错放的可能性。此外，通过充电获得的能量应用于电子操作，例如数据记录、数据通信、数据分析等，如后面在附图中说明。

图2示出了根据本发明实施例的如图1所示的肺活量计中的气道的正视截面图。更具体地，图2a描绘了肺活量计100的等距视图，从而描绘了其中的空气通道或气道202。这种气道202是中空的管状部件，其容纳在用户的口中以使用户能够呼气或吸气，从而在这种呼气和吸气期间触发气流参数测量。气道202或管状构件202允许空气沿其纵向轴线通过。图2b进一步示出了肺活量计100的截面图，从而描绘了肺活量计100的内部。

如图2b所示，阻力元件204设置在气流路径或气道202中。阻力元件204是至少两个可移动地布置在管状构件202内以抵抗气流的盘形空气阻力元件。盘形阻力元件204通过紧密配合布置而布置在管状构件202内，并且可从其拆卸。

每个所述阻力元件204包括多个穿孔，以允许空气通过阻力元件。虽然每个阻力元件204是自布置的堆叠，但穿孔是六边形的孔，至少占据每个阻力元件204的总面积的30％，并且促进管状构件内的毛细管气流。这样的布置确保了在所有流速的高值和低值时在这两个元件204上均匀且可预测的压降发生，因此确保了压降对气流路径中的流速的线性响应。

表1

此外，气流路径中的两个阻力元件204本质上是一次性的(可低成本更换)，并且可以很容易地从设备100的气道202中卸下，以便在一定数量的设备使用周期(例如至少使用10次)后方便更换它们。

为了在任何两个位置之间进行压差测量的这种目的，在气道202内并入了至少两个位置206。气道202具有与电子引擎(如后面图3所示)轴向匹配的两个孔206。这种端口径向向外延伸穿过所述管状构件202的壁，所述两个端口206中的每一个都位于管状构件202内于阻力元件204附近，以至少确定其间的压差。

此外，所提供的气道200的至少一部分可容易地从设备100的壳体中拆卸，从而有利于通向管状构件202内的阻力元件204，并且使得在一定数量的设备使用周期后(例如至少已使用50或100次后)可以轻松清洁电子引擎的壳体(包括用水清洁)。

图3再次示出了如图1所示的肺活量计100的正视截面图，着重于形成本主题的肺活量计100的一部分的电子引擎300或电子控制模块。

电子引擎300以大约1到50毫秒的范围内的周期性间隔测量压力以及温度，以允许在肺活量计的使用期间完全精确地解决呼气以及吸气曲线。更具体地，电子引擎300包括用于测量气道202内的至少两个点或位置206之间的压力的压力传感器306。此外，电子引擎300有助于同时进行温度的同时测量。

这些点可被称为孔206(如图2所示)或压力拾取点206。每个所述点通过将气道202与压力传感器306连接的柔性圆柱管304连接到压力传感器306。因此，气道202内的两个孔206用作压力拾取位置。通过柔性管304的连接允许容易地模制、组装，并且消除了电子引擎300进行错误的压力拾取的机会。另外，两个管304可以通过弹性密封件306连接至压力拾取点206。

另外，电子引擎300包括用于计时的实时时钟、用于本地数据存储的闪存和处理器以及用于向移动应用程序传输数据的发送器。电子引擎300使肺活量计100能够捕获关于用户进行的每个肺活量测试的数据；确定针对至少两个阻力元件中的特定一对进行的肺活量测试的数量，并在发生预定数量的肺活量测试后提供信号以指导阻力元件的更换。

另外，电子引擎300能够记录吸气操纵中涉及的参数，包括但不限于峰值呼气流速(PEFR)、一秒钟的强制呼气量(FEV1)、强制肺活量(FVC)、6秒钟的强制呼气量(FEV6)、在FVC的中间25-75％部分期间的强制呼气流量(FEF-25-75)；以及强制吸气流量(FIF)和其他已知参数。

电子引擎300内的微处理器(未在任何图中示出)以约1至50毫秒的周期间隔处理测量参数，以验证致动操纵中的每个步骤。另外，对技术监控中涉及的参数(比如定向、致动时间、吸气流速曲线)进行测量和处理，以计算技术的正确性。

肺活量计100进一步部署基于低蓝牙能量的数据传输机制，用于将记录的数据从每次致动传输到相对于Android和iOS平台都运行在诸如智能手机或平板电脑之类的远程设备上的应用程序。驻留在唯一标识肺活量计100的远程设备上的应用程序自动与肺活量计连接和配对，并接收该设备传输的数据。

图4(a和b)示出了描绘由肺活量计100执行的气流测量精度的图形表示。更具体地，作为本设备的操作的实验验证的一部分，图4(a和b)描绘的图形表示示出了由本肺活量计执行的气流测量的精度。

如图4a所示，肺活量计波形紧随气流变化，这是基于与用户的吸气/呼气曲线相关的实际值。在一示例中，这样的曲线从国际ATS(美国胸科学会)标准得出，该标准提供了24种呼吸曲线，其是LPM流速与采样间隔为10毫秒的时间的关系。在提高了图4b中X轴的分辨率后，与图4a相比，仅观察到肺活量计波形的微小偏差。

图5(a和b)描绘了样品肺活量计波形在阻力元件上的压力分布的红外表示。作为对本设备的操作的进一步实验验证的一部分，图5(a和b)描绘了基于ATS标准的样品肺活量计波形(例如容量/时间)的阻力性元件(即六边形堆叠元件)上的压力和速度分布的红外表示。

尽管已经使用特定语言来描述本公开，但是并不意图由于该公开而引起的任何限制。对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以对该方法进行各种工作修改，以实现本文所教导的发明构思。

应当理解，以上描述旨在说明而非限制。意图覆盖所有可能包括在所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。在回顾以上描述之后，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”分别用作相应术语“包括”和“其中”的简明英语等效。

附图和前面的描述给出了实施例的示例。本领域技术人员将理解，所描述的元件中的一个或多个可以很好地组合成单个功能元件。可替代地，某些元件可被分成多个功能元件。来自一个实施例的元件可被添加到另一实施例。例如，本文描述的过程的顺序可以改变，并且不限于本文描述的方式。

此外，任何流程图的动作都不需要按照所示的顺序执行。也不必必须执行所有动作。而且，不依赖于其他动作的那些动作可以与其他动作并行地执行。实施例的范围绝不受这些具体示例的限制。无论是否在说明书中明确给出，许多变化都是可能的，比如结构、尺寸和材料使用上的差异。实施例的范围至少与所附权利要求书所给的范围一样宽。

Claims (10)

1.一种肺活量计(100)内的流量感测装置，包括：

管状构件(202)，用于允许空气沿其纵向轴线通过；

至少两个盘形空气阻力元件(204)，其可拆卸地布置在管状构件(202)内以抵抗气流，每个所述阻力元件包括多个穿孔，以允许空气通过阻力元件；以及

至少两个端口(206)，其径向向外延伸穿过所述管状部件(202)的壁，所述两个端口(206)中的每一个都位于管状部件(202)内于阻力元件(204)附近，以便至少确定它们之间的压差。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述管状构件(202)是用作气道的细长的中空构件，并且包括至少一个可拆卸部分，以允许通向管状构件(202)内的盘形阻力元件(204)。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述盘形阻力元件(204)通过紧密配合布置而布置在管状构件(202)内，并且可从其拆卸。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述阻力元件(204)的穿孔是六边形形状，并且促进管状构件(202)内的毛细管气流。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少两个端口(206)是空气压力拾取端口(206)，其通过柔性管(304)连接至压力传感器(306)，以确定管状构件(202)内的阻力元件(204)的位置之间的压差。

6.如权利要求1所述的装置，还包括电子控制模块(300)，其包括以下中的一个或多个：

实时时钟；

存储器；

计数器；

处理器，其配置为：

捕获关于用户进行的每个肺活量测试的数据；

确定针对至少两个阻力元件中的特定一对进行的肺活量测试的数量；

在发生预定数量的肺活量测试后提供信号以指导阻力元件的更换；以及

发送器，用于将处理器处理的数据发送到一个或多个远程设备。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述电子控制模块(300)配置为：

以1毫秒至50毫秒的时间间隔周期性地触发对管状构件(202)内的所述压差和温度的测量；以及

基于测量，为肺活量计(100)的一个或多个用户得出呼气以及吸气曲线。

8.如权利要求6所述的装置，其中，所述电子控制模块(300)配置为通过测量与以下一个或多个有关的参数来至少评估用户在肺活量计(100)上经历的吸气或呼气：

肺活量计的定向；

致动时间；以及

用户的吸气/呼气流速曲线。

9.如权利要求6所述的装置，其中，所述电子控制模块(300)配置为捕获与以下至少一个有关的吸气参数：

峰值呼气流速(PEFR)；

一秒钟的强制呼气量(FEV1)；

强制肺活量(FVC)；

6秒钟的强制呼气量(FEV6)；

在FVC的中间25-75％部分期间的强制呼气流量(FEF-25-75)；以及

强制吸气流量(FIF)。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述电子控制模块(300)以约1至50毫秒的时间间隔周期性地进行所述参数测量，以指示所述吸气或呼气是正确的还是不正确的。

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