CN111801048A - 呼吸取样面罩和系统 - Google Patents

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亚瑟·盖伊·厄尔德曼
格雷戈里·J·舍伍德
格雷戈里·克米特·彼得森
贾斯廷·西奥多·尼尔森
迈克尔·马蒂亚斯·弗里金
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University of Minnesota
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Abstract

本文的实施例包括呼吸取样面罩、系统以及相关方法。在一个实施例中,包括一种呼吸感测系统。所述呼吸感测系统可以包括呼吸取样面罩。所述呼吸取样面罩可以包括面罩壳体,所述面罩壳体被配置为覆盖患者的面部的一部分。所述面罩壳体可以限定呼吸接收腔室。所述呼吸取样面罩可以包括与所述呼吸取样面罩处于流体连通的化学传感器元件,其中所述化学传感器元件可以包括多个分立的结合检测器。所述化学传感器元件可以与通过所述呼吸取样面罩收集的呼吸样本相接。本文还包括另一些实施例。

Description

呼吸取样面罩和系统
本申请以作为所有国家的指定申请人的明尼苏达大学董事会(REGENTS OF THEUNIVERSITY OF MINNESOTA)、以及作为所有国家的指定发明人的美国公民Arthur GuyErdman和美国公民Gregory Kermit Peterson的名义于2019年2月20日作为PCT国际专利申请提交。本申请还以作为所有国家的指定申请人的美国国家公司波士顿科学光学有限公司(Boston Scientific Scimed,Inc.)、以及作为所有国家的指定发明人的美国公民GregoryJ.Sherwood、美国公民Justin Theodore Nelson和美国公民Michael Mathias Freking的名义作为PCT国际专利申请提交。本申请要求2018年2月20日提交的美国临时申请号62/632,552的优先权,该美国临时申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本申请涉及呼吸取样面罩以及与其相关的系统和方法。
背景技术
准确检测疾病可以使临床医生提供适当的治疗干预措施。疾病的早期检测可以带来更好的治疗结果。可以使用许多不同的技术来检测疾病,这些技术包括分析组织样本、分析多种不同的体液、诊断扫描、基因测序等。
一些疾病状态导致产生特定化学化合物。在一些情况下,释放到患者的气态样本中的挥发性有机化合物(VOC)可能是某些疾病的标志。对这些化合物进行检测或对这些化合物进行鉴别感测能够允许对特定的疾病状态进行早期检测。
患者的呼吸提供了用于实现诊断取样的理想气体。作为潮式呼吸的一部分,空气通过鼻子和/或嘴部吸入并进入肺部。由于其存在与潮湿的内部组织紧密接触,因此吸入的空气变暖、变湿润并吸收挥发性有机化合物。然后,该空气通过鼻子和/或嘴部排出。
发明内容
在第一方面,包括一种呼吸感测系统。所述呼吸取样系统可以包括呼吸取样面罩。所述呼吸取样面罩可以包括面罩壳体,所述面罩壳体被配置为覆盖患者的面部的一部分,所述面罩壳体限定了呼吸接收腔室。所述呼吸取样系统还可以包括与所述呼吸取样面罩处于流体连通的化学传感器元件。所述化学传感器元件可以包括多个分立的结合检测器。所述化学传感器元件可以被配置为与通过所述呼吸取样面罩收集的呼吸样本相接。
在第二方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括用于从所述分立的结合检测器产生信号的电路系统。
在第三方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括呼吸取样面罩,所述呼吸取样面罩包括用于将所述呼吸取样面罩固定到患者面部的鼻夹。
在第四方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括传感器,例如温度传感器、心率传感器以及血压传感器中的一个或多个。
在第五方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括传感器,例如环境温度传感器、环境湿度传感器、内部温度传感器以及内部湿度传感器中的一个或多个。
在第六方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括设置在嘴部腔室内的可移除式呼吸样本容器。
在第七方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括与所述呼吸接收腔室处于流体连通的气体流出导管。
在第八方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括化学传感器支架,所述化学传感器支架被配置为允许可移除地安装化学传感器元件。
在第九方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述化学传感器支架可以设置在所述呼吸接收腔室内。
在第十方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括与所述呼吸接收腔室处于流体连通的化学传感器支架壳体,其中,所述化学传感器元件可以设置在所述化学传感器支架壳体内。
在第十一方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸感测系统可以包括与单向气流阀处于流体连通的过滤器。
在第十二方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,包括一种呼吸取样面罩。所述呼吸取样面罩可以包括面罩壳体,所述面罩壳体被配置为覆盖患者的面部的一部分。所述面罩壳体可以限定腔室。所述面罩被配置为从通过所述面罩壳体吸入的空气中去除挥发性有机化合物。
在第十三方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸取样面罩可以包括传感器,例如温度传感器、心率传感器以及血压传感器中的一个或多个。
在第十四方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸取样面罩可以包括用于帮助将所述呼吸取样面罩固定到患者的鼻夹构件。
在第十五方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,传感器可以附接到鼻夹构件。
在第十六方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸取样面罩的面罩壳体可以包括分隔壁,所述分隔壁将所述腔室隔离为鼻部腔室和嘴部腔室。
在第十七方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸取样面罩可以包括:与所述鼻部腔室以及所述面罩壳体的外部的区域处于流体连通的单向气流阀,其中所述单向气流阀仅允许空气从所述面罩壳体的外部的区域流入鼻部腔室。
在第十八方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸取样面罩可以包括化学传感器支架,所述化学传感器支架被配置为允许可移除地安装化学传感器元件。所述化学传感器支架可以设置在所述呼吸取样面罩的嘴部腔室内。
在第十九方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,所述呼吸取样面罩可以包括传感器,例如环境温度传感器、环境湿度传感器、内部温度传感器以及内部湿度传感器中的一个或多个。
在第二十方面,除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外、或者在某些方面的替代方案中,包括一种确定患者存在一种或多种疾病状态的方法。所述方法可以包括让患者戴上呼吸取样面罩;提醒患者呼入和呼出以产生呼吸样本;使所述呼吸样本与化学传感器元件接触,所述化学传感器元件包括多个分立的结合检测器;使用测量电路从所述分立的结合检测器产生信号;并且通过将这些信号与先前获得的信号或信号模式集进行比较来评估这些信号。
本发明内容是对本申请的一些教导的概述,并且不旨在是本主题的排他性或详尽的处理。在具体实施方式和所附权利要求中将找到进一步的细节。在阅读和理解以下具体实施方式并查看形成其一部分的附图之后,另一些方面对于本领域技术人员将是显而易见的,每个方面都不应理解为限制性的。本申请的范围由随附的权利要求及其合法等同物限定。
附图说明
结合以下附图可以更完全地理解本技术,在附图中:
图1是患者的示意图,示出了呼吸途径的各部分。
图2是根据本文中的多个不同的实施例的由患者佩戴的呼吸取样面罩的示意图。
图3是根据本文中的多个不同的实施例的由患者佩戴的呼吸取样面罩的示意图。
图4是根据本文中的多个不同的实施例的由患者佩戴的呼吸取样面罩的示意性剖视图。
图5是根据本文中的多个不同的实施例的由患者佩戴的呼吸取样面罩的示意性剖视图。
图6是根据本文中的多个不同的实施例的由患者佩戴的呼吸取样面罩的示意性剖视图。
图7是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统的示意图。
图8是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统的示意图。
图9是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统的示意图。
图10是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统的示意图。
图11是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统的示意图。
图12是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样面罩的示意图。
图13是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样面罩的示意图。
图14是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样面罩的示意图。
图15是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样面罩的示意性剖视图。
图16是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样面罩的示意性等距视图。
图17是根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样面罩的示意性仰视平面图。
图18是根据本文中的多个不同的实施例的化学传感器元件的示意性俯视平面图。
图19是根据本文中的多个不同的实施例的测量区的一部分的示意图。
图20是根据本文中的多个不同的实施例的石墨烯变容二极管的示意性透视图。
图21是根据本文中的多个不同的实施例的石墨烯变容二极管的一部分的示意性截面图。
图22是根据本文中的多个不同的实施例示出的无源传感器电路以及一部分读取电路的电路图。
虽然本技术容易有多种不同的修改和替代形式,但是已经通过举例的方式和附图示出了其细节并且将进行详细描述。然而,应理解的是,本申请不受所描述的特定实施例的限制。与此相反,本申请将涵盖落入本技术的精神和范围内的修改、等效物以及替代方案。
具体实施方式
患者的呼吸提供了用于实现诊断取样的理想气体。作为潮式呼吸的一部分,空气通过鼻子和/或嘴部吸入并进入肺部。由于其存在与潮湿的内部组织紧密接触,因此吸入的空气变暖、变湿润并吸收挥发性有机化合物(VOC)。然后,该空气通过鼻子和/或嘴部排出。
在某些情况下,呼出气中存在的VOC可能是某些疾病的标志,这些疾病包括但不限于癌症,包括肺癌、血源性癌症、前列腺癌、直肠癌、乳腺癌、肝癌、胰腺癌、或其他疾病,例如慢性阻塞性肺疾病、糖尿病、心力衰竭等。直接从气态形式检测患者呼吸中的VOC可以提供用于确定一种或多种疾病状态的准确机制。
现在参考图1,示出了患者100的示意图,示出了呼吸途径的各部分。空气可以通过鼻子108吸入并且进入鼻腔通道104,或者通过嘴部110吸入并且进入口腔通道106,最终到达肺部102。吸入的空气在其通达到肺部期间会变暖、变湿润并吸收挥发性有机化合物,而空气仍保留在肺部中,并且进一步在呼气期间从肺部离开。然后,空气通过鼻腔通道104排出并且从鼻子108呼出和/或通过口腔通道106排出并且从嘴部110呼出。
根据本文中的多个不同的实施例,包括一种呼吸取样面罩,该呼吸取样面罩可以有助于以下中的一项或多项:捕获呼吸样本,控制如何产生和处理呼吸样本,以及提供与患者和/或其当前生理状态有关的附加数据。图2是根据本文中的多个不同的实施例的由患者100佩戴的呼吸取样面罩200的示意图。呼吸取样面罩200可以包括被配置为将呼吸取样面罩200固定到患者面部的一个或多个弹性构件202、204。呼吸取样面罩200在面部上的压力可以有助于形成呼吸取样面罩200与患者面部的气密连接。
在图2的实施例中,当患者在呼吸取样面罩200内部产生负压时,空气可以从周围环境通过呼吸取样面罩200(或其一部分)的外表面吸入呼吸取样面罩200中,如在图2中通过空气流入箭头210、212、214和216所指示的。因而,呼吸取样面罩200或其各部分可以由多孔材料(一层或多层材料)制成,以允许以这种方式吸入空气。多孔材料可以包括但不限于织造和非织造纤维材料、多孔纤维素材料、多孔聚合物、呈多孔结构(例如,网格、编织物、筛)的多孔或无孔材料等。然而,在另一些实施例中,呼吸取样面罩200或其各部分可以由无孔材料制成。无孔材料可以包括但不限于聚合物、金属、纤维素材料、复合材料、金属、陶瓷等。
在一些实施例中,呼吸取样面罩200可以包括过滤器或经调整的表面,以处理进入的空气,从而可以执行以下中的一项或多项:从空气中过滤颗粒物,提供湿度控制,提供用于有机物或无机物的过滤器,以及提供对周围环境中的化合物和/或颗粒的吸附。举例来说,可以在外面包括碳表面以过滤出环境颗粒和/或环境挥发性有机化合物(VOC)。例如,可以将碳材料喷涂或以其他方式施加到呼吸取样面罩200的外表面上。在一些实施例中,呼吸取样面罩200可以包括设置在面罩本身内的碳层。例如,碳材料可以被整合到用于制造呼吸取样面罩200的材料层中和/或夹在用于制造呼吸取样面罩200的材料层之间。本文中的碳可以特别地是可以通过高表面积吸收大量VOC的碳,例如活性碳或活性炭(在某些情况下,一克活性碳的表面积超过3000m2或更大)和/或通过使用化学处理来增强吸收性能。
呼吸取样面罩200可以包括进出呼吸取样面罩200的多个不同的端口或导管,其中一些端口或导管可以与呼吸取样面罩200的阀或另一些部件或部分处于流体连通。举例来说,呼吸取样面罩200可以包括一个或多个导管206,该一个或多个导管可以用作呼吸样本、排气、导丝等的通道。
在图2的实施例中,空气主要通过面罩壳体材料本身被吸入,但是,在另一些实施例中,可以使用进入端口或导管,通过该进入端口或导管吸入空气。图3是根据本文中的多个不同的实施例的由患者100佩戴的呼吸取样面罩200的示意图。呼吸取样面罩200可以包括被配置为将呼吸取样面罩200固定到患者面部的一个或多个弹性构件202、204。呼吸取样面罩200可以包括进出呼吸取样面罩200的多个不同的端口或导管,其中一些端口或导管可以与呼吸取样面罩200的阀或另一些部件或部分处于流体连通。举例来说,在一些实施例中,呼吸取样面罩200可以包括进气端口308。当患者在呼吸取样面罩200内部产生负压时,空气可以通过空气进气端口308从周围环境被吸入呼吸取样面罩200,如图3中通过空气流入箭头210、212、214和216指示的。呼吸取样面罩200还可以包括一个或多个导管206,该一个或多个导管可以用作呼吸样本、排气、导丝等的通道。
可能需要在吸入的空气通过面罩壳体或端口308之前对该吸入的空气进行预处理和/或过滤。在一些实施例中,预处理单元(未示出)可以经由比如卡口连接器等合适的连接器而连接到空气进气端口308。对吸入的空气进行预处理和/或过滤可以包括但不限于:提供湿度控制,提供温度控制,从空气中过滤颗粒物,通过提供对周围环境中的化合物和/或颗粒的吸附和/或吸收来过滤有机物或无机物(包括VOC)。
现在参考图4,根据本文中的多个不同的实施例示出了由患者100佩戴的呼吸取样面罩200的示意性剖视图。呼吸取样面罩200包括面罩壳体402,该面罩壳体被配置为覆盖患者100的面部的一部分。面罩壳体402可以限定内部腔室406,该内部腔室可以是呼吸接收腔室。呼吸取样面罩200还可以包括鼻夹构件404,该鼻夹构件连接到面罩壳体402,以帮助将呼吸取样面罩200固定到患者100。在一些实施例中,鼻夹构件404可以与弹性构件202、204协同工作,以形成呼吸取样面罩200抵靠患者面部的气密连接。在一些实施例中,呼吸取样面罩200可以包括与呼吸接收腔室处于流体连通的气体流出导管206。
鼻夹构件404可以采用多种不同的形式并且可以由多种不同的材料制成。在一些实施例中,鼻夹构件404可以包括U形或V形构件,该U形或V形构件可以从至少部分地相反的两个方向在患者的鼻子上施加至少一些压力。在一些实施例中,鼻夹构件404可以包括弹簧状元件,该弹簧状元件可以在所施加的力下膨胀以允许鼻夹构件适配在患者的鼻子上、而当释放所施加的力时在鼻子上施加压力。用于形成鼻夹构件404的材料可以包括但不限于聚合物、金属、复合材料等。
在多种不同的实施例中,呼吸取样面罩200可以包括单向气流阀408。单向气流阀408可以在空气进气端口308和内部腔室406之间流体连通,单向气流阀408仅允许空气从面罩壳体402外部的区域流入内部腔室406。在一些实施例中,过滤器可以被放置成与单向气流阀408处于流体连通,使得该过滤器可以在环境空气被患者100吸入之前从环境空气中去除颗粒或化学杂质。在一些实施例中,过滤器可以与阀408结构集成。过滤器可以执行以下中的一项或多项:从吸入的空气中过滤掉颗粒物,提供湿度控制,提供用于有机物或无机物的过滤器,和/或提供对周围环境中的化合物和/或颗粒的吸附。举例来说,过滤器可以包括碳材料,例如上述的碳材料,以过滤掉环境颗粒和/或环境挥发性有机化合物(VOC)。
在一些实施例中,呼吸取样面罩200可以包括传感器410,该传感器可以连接至鼻夹构件404。在一些实施例中,传感器410可以被配置为当面罩壳体402由患者100佩戴时与患者100的皮肤接触。传感器410可以选自包括温度传感器、心率传感器和血压传感器的组。
将理解的是,尽管图4中的传感器410被示出为连接至鼻夹构件404并且与患者的皮肤接触,但是可以想到传感器410的另一些实施例。例如,在一些实施例中,传感器410可以包括不与面罩成一体、而经由有线或无线连接被连接至面罩壳体的耳夹传感器、指尖传感器、颈动脉传感器或皮肤电流传感器。在一些实施例中,传感器410可以包括非接触式传感器(例如,不与皮肤接触的传感器),例如在基于电磁的、基于激光的和基于图像的传感器系统中使用的那些传感器。
在一些实施例中,呼吸取样面罩200还可以包括附加传感器412、414,这些附加传感器可以在呼吸取样面罩200的外部或在呼吸取样面罩200的内部。示例性传感器可以包括环境温度传感器、环境湿度传感器、内部温度传感器以及内部湿度传感器。
虽然图4的实施例示出了面罩内部的单个腔室,但是将理解的是,本文的面罩的另一些实施例可以包括彼此隔离的多个腔室。面罩可以被配置为允许空气和呼吸样本仅以特定方式或方向移动通过面罩的腔室。图5是根据本文中的多个不同的实施例的由患者佩戴的呼吸取样面罩200的示意性剖视图。在该实施例中,呼吸接收腔室包括分隔壁506,以将呼吸接收腔室隔离为由面罩壳体402限定的鼻部腔室502和嘴部腔室504。当呼吸取样面罩200在使用期间与患者的面部接触时,鼻部腔室502和嘴部腔室504可以彼此分开。
与阀结合,将由面罩壳体402限定的内部容积分开为鼻部腔室502和嘴部腔室504,可以允许空气通过呼吸取样面罩200进行受控的单向流动。特别地,单向气流阀408仅允许空气从面罩壳体402外部的区域通过空气进气端口308流入鼻部腔室502。进一步地,另一单向气流阀508仅允许空气从嘴部腔室504通过导管206流出。以这种方式,空气仅在一个方向上移动通过呼吸取样面罩200的腔室。将理解的是,虽然空气进气端口308和单向气流阀408被示出设置在面罩壳体402中、在鼻部腔室502内,但是空气进气端口308和单向气流阀408可以替代地设置在面罩壳体402中、在嘴部腔室504内。在一些实施例中,空气进气端口308和单向气流阀408可以设置在面罩壳体402中、在鼻部腔室502中和嘴部腔室504内。在一些实施例中,呼吸取样面罩200可以包括与鼻部腔室502、嘴部腔室504或这两者处于流体连通的气体流出导管206。
在一些实施例中,可能希望将呼吸样本保留在呼吸取样面罩200本身或另一相关联结构内。例如,可以使用容器来保存呼吸样本,并且容器本身可以被设置在呼吸取样面罩200中或以其他方式与呼吸取样面罩200处于流体连通。现在参考图6,根据本文中的多个不同的实施例示出了由患者100佩戴的呼吸取样面罩200的示意性剖视图。在此视图中,呼吸样本容器602设置在嘴部腔室504内。呼吸样本容器602可以限定内部容积604,以便保存和保留呼吸样本。将理解的是,尽管图6中所示的呼吸样本容器602是可移除式的,但是在另一实施例中,呼吸样本容器602可以是呼吸取样面罩200的组成部分。
根据本文实施例的呼吸取样面罩可以形成呼吸取样系统的一部分。这样的呼吸取样系统可以包括呼吸取样面罩以及另一些部件,例如包括感测元件的化学传感器以及用于基于感测元件的电特性而产生信号的电路。现在参考图7,示出了根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统700的示意图。呼吸取样系统700可以包括呼吸取样面罩200,该呼吸取样面罩可以由患者100佩戴。在图7所示的实施例中,空气可以被吸入鼻部腔室502中和患者100的肺部中。然后,该空气可以被排出进入到嘴部腔室504,之后通过导管206传送出去并传送到气态分析物感测设备702上进行分析。
气态分析物感测设备702可以包括壳体718。气态分析物感测设备702可以经由导管206连接到呼吸取样面罩200,患者的气态呼吸样本可以通过该导管行进以在气态分析物感测设备702进行评估。患者的气态呼吸样本可以经过评估样本(患者样本)输入端口704。气态分析物感测设备702还可以包括对照样本(环境)输入端口706。气态分析物感测设备702还可以包括化学传感器元件腔室708,化学传感器元件可以放置在该化学传感器元件腔室中。气态分析物感测设备702还可以包括显示屏710以及比如键盘等用户输入设备712。气态分析物感测设备702还可以包括气体流出端口714。气态分析物感测设备702还可以包括与气流处于流体连通的流量传感器,该气流与评估样本输入端口704和对照样本输入端口706中的一个或多个相关联。将理解的是,可以使用许多不同类型的流量传感器。在一些实施例中,热线风速计可以用于测量空气流量。在一些实施例中,气态分析物感测设备702可以包括与气流处于流体连通的CO2传感器,该气流与评估样本输入端口704和对照样本输入端口706中的一个或多个相关联。
在多种不同的实施例中,气态分析物感测设备702也可以包括另一些功能部件。举例来说,气态分析物感测设备702可以包括湿度控制模块716和/或温度控制模块720。湿度控制模块716可以与气流处于流体连通,该气流与评估样本输入端口704和对照样本输入端口706中的一个或多个相关联,以便调节一个或两个气体流的湿度,以便使两个流的相对湿度基本相同,以防止对系统获得的读数产生不利影响。温度控制模块720可以与气流处于流体连通,该气流与评估样本输入端口704和对照样本输入端口706中的一个或多个相关联,以便调节一个或两个气体流的温度,以便使两个流的温度基本相同,以防止对系统获得的读数产生不利影响。举例来说,可以使流入对照样本输入端口的空气升高至37摄氏度,以便匹配来自患者的空气的温度。湿度控制模块和温度控制模块可以在气态分析物感测设备702的壳体718中的输入端口的上游、输入端口内或输入端口的下游。在一些实施例中,湿度控制模块716和温度控制模块720可以是集成的。
在一些实施例中,可以使呼吸样本与面罩本身中的或直接附接到面罩的结构中的化学传感器元件接触。参考图7示出的气态分析物感测设备702的一个或多个部件可以集成到呼吸取样面罩200中。因而,在一些实施例中,在呼吸感测系统中可能不需要单独的气态分析物感测设备。现在参考图8,示出了根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统800的示意图。呼吸取样系统800可以包括呼吸取样面罩200,该呼吸取样面罩包括鼻部腔室502和嘴部腔室504。化学传感器支架802可以设置在呼吸接收腔室(例如,嘴部腔室504)内。化学传感器支架802可以被配置为允许可移除地安装化学传感器元件。当患者100呼气到呼吸取样面罩200中时,化学传感器元件可以与通过呼吸取样面罩200收集的呼吸样本相接。以下将参考图18至图21更详细地描述示例性化学传感器元件。
样本气体(呼吸)可以可选地经过结构806(例如,过滤器或阀)并进入化学传感器支架802。在进入化学传感器支架802之后,气体然后可以通过排气端口804从系统传送出去。测量电路(在该视图中未示出)可以与化学传感器支架802相关联,以便基于化学传感器元件的电特性来产生信号。(一个或多个)信号可以通过数据导管808传输到分析设备810。然而,将理解的是信号也可以被无线地传输。现在参考图9,示出了根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统900的示意图。在该实施例中,呼吸取样系统900包括通信电路和天线902,以便产生可以由分析设备810接收的无线信号。
在一些实施例中,化学传感器支架802可以被容纳在单独的结构中,该单独的结构可以(可移除地或不可移除地)附接到呼吸取样面罩200。现在参考图10,示出了根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统1000的示意图。在该实施例中,包括化学传感器支架壳体1002。化学传感器支架壳体可以与呼吸接收腔室处于流体连通。样本气体可以从嘴部腔室504传送到化学传感器支架壳体1002中,且特别地,传送到位于化学传感器支架壳体1002内的化学传感器支架802中。样本气体可以经过化学传感器元件(未示出)并且从排气端口804出去,该化学传感器元件由化学传感器支架802固定。
将理解的是,本文的面罩可以采用许多不同的特定形式。现在参考图11,示出了根据本文中的多个不同的实施例的呼吸取样系统1100的示意图。呼吸取样系统1100可以包括呼吸取样面罩200,该呼吸取样面罩可以由患者100佩戴。呼吸取样面罩200可包括用于帮助将呼吸取样面罩200固定到患者100的鼻夹构件404。在图11所示的实施例中,空气可以被吸入到面罩中并且进入患者100的肺中。然后,该空气可以被排出进入到嘴部腔室,之后通过导管206传送出去并传送到气态分析物感测设备702上。在一些实施例中,呼吸取样面罩200和气态分析物感测设备702可以经由数据导管(例如,图8所示的数据导管808)直接连接。在另一些实施例中,呼吸取样面罩200和气态分析物感测设备702可以无线地连接。
将参考图12-17更详细地描述图11中所示的呼吸取样面罩200的实施例。现在参考图12,示出了呼吸取样面罩200的外面的示意性侧视图。呼吸取样面罩200可以包括空气进气端口308,该空气进气端口可以与呼吸取样面罩200内部(未示出)上的单向气流阀处于流体连通。呼吸取样面罩200可以包括被配置为将呼吸取样面罩200固定到患者面部的一个或多个弹性构件202和204。呼吸取样面罩200可以包括进出呼吸取样面罩200的多种不同的端口或导管,其中一些端口或导管可以与阀、过滤器或呼吸取样面罩200的另一些部件或部分处于流体连通。举例来说,呼吸取样面罩200可以包括一个或多个导管206,该一个或多个导管可以用作呼吸样本、排气、导丝等的通道。在图13中的示意性等距视图和图14中的示意性俯视平面图中示出了呼吸取样面罩200的类似结构。
现在参考图15,示出了呼吸取样面罩200的一侧的示意性截面图。呼吸取样面罩200可以包括附接到面罩壳体402的鼻夹构件404。在一些实施例中,可以将一个或多个传感器410连接至鼻夹构件404,一个或多个传感器410被配置为在患者100佩戴呼吸取样面罩200时与患者100的皮肤接触。传感器410可以选自包括温度传感器、心率传感器和血压传感器的组。
呼吸取样面罩200还可以包括鼻部腔室502和嘴部腔室504。鼻部腔室502和嘴部腔室504可以通过分隔壁506分开。将理解的是,在一些实施例中,鼻部腔室502限定了呼吸接收腔室,而在另一些实施例中,嘴部腔室可以限定呼吸接收腔室。在一些实施例中,鼻部腔室502和嘴部腔室都可以限定呼吸接收腔室。在一些实施例中,呼吸取样面罩200不具有分隔壁506。嘴部腔室504可以包括分隔构件1502,该分隔构件可以横跨嘴部腔室504的至少一部分,而不将嘴部腔室504完全分隔为一个以上的部段。附接到分隔构件1502的可以是化学传感器支架802。化学传感器支架802可以用作将化学传感器元件(未示出)固定在呼吸取样面罩200的内部或面向患者侧的锚定点。
在图16中的示意性等距视图和图17中的示意性仰视平面图中示出了呼吸取样面罩200的类似结构。图17进一步示出了呼吸取样面罩200可以包括单向气流阀408,该单向气流阀可以与呼吸取样面罩200的外面(未示出)上的单向气流阀处于流体连通。
现在参考图18,根据本文中的多个不同的实施例示出了化学传感器元件1800的示意性俯视平面图。化学传感器元件1800可以包括基板1802。将理解的是,基板可以由许多不同的材料形成。举例来说,基板可以由聚合物、金属、玻璃、陶瓷,纤维素材料、复合材料、金属氧化物等形成。基板的厚度可以变化。在一些实施例中,基板具有足够的结构完整性,以被处置而不会出现可能损坏其上的部件的过度挠曲。在一些实施例中,基板可以具有约0.05mm至约5mm的厚度。基板的长度和宽度也可以变化。在一些实施例中,长度(或主轴)可以是从约0.2cm至约10cm。在一些实施例中,宽度(垂直于主轴)可以是从约0.2cm至约8cm。在一些实施例中,化学传感器元件可以是可抛弃式的。在一些实施例中,化学传感器元件可以是可重复使用的。
化学传感器元件可以包括设置在基板1802上的第一测量区1804。在一些实施例中,第一测量区1804可以限定第一气体流动路径的一部分。第一测量区(或呼吸样本区)1804可以包括多个分立的结合检测器,这些分立的结合检测器可以感测气态样本(例如,呼吸样本)中的分析物。还可以在基板1802上设置与第一测量区1804分开的第二测量区(或环境样品区)1806。第二测量区1806也可以包括多个分立的结合检测器。在一些实施例中,第二测量区1806可以包括(在类型和/或数量上)相同的在第一测量区1804内的分立的结合检测器。在一些实施例中,第二测量区1806可以仅包括第一测量区1804内的分立的结合检测器的子集。在操作中,可以基于从第二测量区采集的数据来校正或归一化从第一测量区采集的数据,从第一测量区采集的数据可以反映所分析的气态样本,从第二测量区采集的数据可以反映环境中存在的分析物。然而,在一些实施例中,第一测量区和第二测量区都可以反映所分析的呼吸样本。在一些实施例中,不包括第二测量区。
在一些实施例中,第三测量区(漂移控制区或见证区)1808也可以设置在基板上。第三测量区1808可以包括多个分立的结合检测器。在一些实施例中,第三测量区1808可以包括(在类型和/或数量上)相同的在第一测量区1804内的分立的结合检测器。在一些实施例中,第三测量区1808可以仅包括第一测量区1804内的分立的结合检测器。在一些实施例中,第三测量区1808可以包括与第一测量区1804和第二测量区1806的分立的结合检测器不同的分立的结合检测器。在一些实施例中,不包括第三测量区1808。以下更详细地描述了第三测量区的各方面。
第一测量区、第二测量区和第三测量区可以具有相同的尺寸或可以具有不同的尺寸。在一些实施例中,化学传感器元件1800还可以包括用于存储参考数据的部件1810。用于存储参考数据的部件1810可以是电子数据存储设备、光学数据存储设备、打印数据存储设备(例如,打印代码)等。参考数据可以包括但不限于与第三测量区有关的数据。
在一些实施例中,本文实施的化学传感器元件可以包括电触点(未示出),该电触点可以用于向化学传感器元件1800上的部件提供功率和/或可以用于读取关于测量区的数据和/或来自存储在部件1810中的数据。但是,在另一些实施例中,化学传感器元件1800上没有外部电触点。
化学传感器元件1800可以被配置为适配在化学传感器支架802内,如图8-10和图15-17中所示。可以在美国申请号14/883,895中找到示例性化学传感器元件的其他方面,该美国申请的全部内容通过援引并入本文。
许多不同类型的电路可以用于从化学传感器元件采集数据。将理解的是,本文实施的化学传感器元件可以包括与无源无线感测技术兼容的化学传感器元件。无源传感器电路2202和一部分读取电路2222的一个示例在图22中示意性地示出并且在以下进行更详细地讨论,然而,本文可以设想许多另一些电路。
现在参考图19,根据本文中的多个不同的实施例示出了测量区1900的一部分的示意图。多个分立的结合检测器1902可以呈阵列设置在测量区1900内。在一些实施例中,化学传感器元件可以包括呈阵列配置在测量区内的多个分立的结合检测器。在一些实施例中,多个分立的结合检测器可以是相同的,而在另一些实施例中,多个分立的结合检测器可以彼此不同。
在一些实施例中,分立的结合检测器可以是异类的,因为它们在其结合行为或关于特定分析物的特异性方面都是彼此不同的。在一些实施例中,一些分立的结合检测器可以被重复而用于验证目的,但是在其他方面与另一些分立的结合检测器混杂。在另一些实施例中,分立的结合检测器可以是同类的。尽管图19的分立的结合检测器1902被示出为被组织成网格的盒,但是将理解的是,分立的结合检测器可以呈现许多不同的形状(包括但不限于多种不同的多边形、圆形、卵形、不规则形状等),并且进而可以将分立的结合检测器的组布置为许多不同的模式(包括但不限于星形模式、之字形模式、放射状模式、符号模式等)。
在一些实施例中,分立的结合检测器1902在测量区的长度1912和宽度1914上的顺序可以基本上是随机的。在另一些实施例中,该顺序可以是特定的。例如,在一些实施例中,可以对测量区进行排序,使得相对于用于分子量较高的分析物的特定的分立的结合检测器1902(位于更靠近进入气流的位置),用于分子量较低的分析物的特定的分立的结合检测器1902位于更远离进入气流的位置。这样,能够利用可以用于使分子量不同的化学化合物之间分离的色谱效应,以提供化学化合物与对应的分立的结合检测器的最佳结合。
特定测量区内的分立的结合检测器的数量可以从约1个至约100000个。在一些实施例中,分立的结合检测器的数量可以从约1个至约10000个。在一些实施例中,分立的结合检测器的数量可以从约1个至约1000个。在一些实施例中,分立的结合检测器的数量可以从约2个至约500个。在一些实施例中,分立的结合检测器的数量可以从约10个至约500个。在一些实施例中,分立的结合检测器的数量可以从约50个至约500个。在一些实施例中,分立的结合检测器的数量可以从约1个至约250个。在一些实施例中,分立的结合检测器的数量可以从约1个至约50个。
适于在本文使用的分立的结合检测器中的每一个都可以包括一个或多个电路中的至少一部分。举例而言,在一些实施例中,分立的结合检测器中的每一个都可以包括一个或多个无源电子电路。在一些实施例中,可以包括石墨烯变容二极管,使得它们直接集成在电子电路上。在一些实施例中,可以包括石墨烯变容二极管,使得它们被晶圆键合到电路。在一些实施例中,石墨烯变容二极管可以包括集成的读出电子设备,例如读出集成电路(ROIC)。电子电路的电特性(包括电阻和电容)可以在与来自呼吸样本的组分结合(例如,特定和/或非特定结合)时改变。
在一些实施例中,本文实施的分立的结合检测器可以包括基于石墨烯的可变电容器(或石墨烯变容二极管)。现在参考图20,根据本文实施例示出了石墨烯变容二极管2000的示意图。将理解的是,可以用多种不同的方式以多种不同的几何形状制备石墨烯变容二极管,并且图20所示的石墨烯变容二极管仅仅是根据本文的实施例的一个示例。
石墨烯变容二极管2000可以包括绝缘体层2002、栅电极2004(或“栅极触点”)、介电层(图20中未示出)、一层或多层石墨烯层(例如,石墨烯层2008a和2008b)以及接触电极2010(或“石墨烯触点”)。在一些实施例中,(多层)石墨烯层2008a-b可以是连续的,而在另一些实施例中,(多层)石墨烯层2008a-b可以是不连续的。栅电极2004可以沉积在形成于绝缘体层2002中的一个或多个凹陷内。绝缘体层2002可以由在硅基板(晶圆)等上形成的比如二氧化硅等绝缘材料形成。栅电极2004可以由例如铜、金、银、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金的导电材料形成,该导电材料可以沉积在绝缘体层2002的顶部上或嵌入该绝缘体层内。介电层可以设置在绝缘体层2002和栅电极2004的表面上。(多层)石墨烯层2008a-b可以设置在介电层上。将在以下参考图21更详细地讨论介电层。
石墨烯变容二极管2000包括八个栅电极指形件2006a-2006h。将理解的是,尽管石墨烯变容二极管2000示出了八个栅电极指形件2006a-2006h,但是可以设想任何数量的栅电极指形件配置。在一些实施例中,单个石墨烯变容二极管可以包括少于八个的栅电极指形件。在一些实施例中,单个石墨烯变容二极管可以包括多于八个的栅电极指形件。在一些实施例中,单个石墨烯变容二极管可以包括两个栅电极指形件。在一些实施例中,单个石墨烯变容二极管可以包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个栅电极指形件。
石墨烯变容二极管2000可以包括设置在石墨烯层2008a和2008b的各部分上的一个或多个接触电极2010。接触电极2010可以由例如铬、铜、金、银、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金的导电材料形成。可以在美国专利号9,513,244中找到示例性石墨烯变容二极管的其他方面,该美国专利的全部内容通过援引并入本文。
现在参考图21,根据本文中的多个不同的实施例示出了石墨烯变容二极管2100的一部分的示意性截面图。石墨烯变容二极管2100可以包括绝缘体层2002以及凹入绝缘体层2002中的栅电极2004。可以通过在绝缘体层2002中的凹陷中沉积导电材料来形成栅电极2004,如以上参考图20所讨论的。可以在绝缘体层2002和栅电极2004的表面上形成介电层2102。在一些示例中,介电层2102可以由比如二氧化硅、氧化铝、二氧化铪、二氧化锆、硅酸铪或硅酸锆等材料形成。
石墨烯变容二极管2100可以包括单个石墨烯层2104,该单个石墨烯层可以设置在介电层2102的表面上。可以用改性层2106对石墨烯层2104进行表面改性。将理解的是,在一些实施例中,石墨烯层2104未被表面改性。
本文所述的呼吸感测系统可以包括用于从分立的结合检测器产生信号的电路。这样的电路可以包括有源和无源感测电路。这样的电路可以实施有线(直接电接触)或无线感测技术。现在参考图22,根据本文的多种不同的方面示出了无源传感器电路2202和读取电路2222的一部分的示意图。在一些实施例中,无源传感器电路2202可以包括耦合到电感器2210的金属-氧化物-石墨烯变容二极管2204(其中,RS表示串联电阻,并且CG表示变容二极管电容器)。在一些实施例中,读取电路2222可以包括具有电阻2224和电感2226的读取线圈。然而,将理解的是,图22中所示的电路是仅是一种方法。本文设想了许多不同的方法。
在一些实施例中,包括确定患者存在一种或多种疾病状态的方法。该方法可以包括让患者戴上呼吸取样面罩并提醒患者呼入和呼出以产生呼吸样本。该方法可以包括使呼吸样本与化学传感器元件接触。该方法可以进一步包括从包括多个分立的结合检测器的化学传感器元件收集数据。该方法可以进一步包括使用测量电路从分立的结合检测器产生信号。该方法可以进一步包括通过将这些信号与先前获得的信号或信号模式集进行比较来评估这些信号。
在一些实施例中,该方法可以包括提醒患者通过鼻子呼入和通过嘴部呼出以产生呼吸样本。在一些实施例中,该方法可以包括指示患者通过嘴部呼入和通过嘴部呼出。在一些实施例中,该方法可以包括指示患者通过嘴部呼入和通过鼻子呼出。在又一些实施例中,该方法可以包括指示患者通过鼻子呼入和通过鼻子呼出。
在一些实施例中,该方法可以包括通过将这些信号与针对未患病或已患病状态的患者的先前获得的信号或模式集进行比较来评估这些信号。在一些实施例中,患病状态可以包括但不限于癌症,包括肺癌、血源性癌症、前列腺癌、直肠癌、乳腺癌、肝癌、胰腺癌、慢性阻塞性肺疾病、糖尿病、心力衰竭等。在一些实施例中,该比较可以包括检测未患病状态和已患病状态之间的鉴别模式。在一些实施例中,该方法可以包括在患者的呼吸中检测一种或多种挥发性有机化合物。
应注意的是,除非内容中清楚地另外指出,否则在本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一个/一种(a/an)”和“所述”包括复数个指示物。因此,例如,提及的包含“化合物”的组合物包括两种或更多种化合物的混合物。还应注意的是,除非内容中清楚地另外指出,否则术语“或”通常以包括“和/或”的意义使用。
还应注意的是,如本说明书和所附权利要求中所使用的,短语“被配置为”描述了被构造或配置用于执行特定任务或采用特定构型的系统、设备或其他结构。短语“被配置为”可以与另一些类似短语互换使用,例如被布置且被配置为、被构造且被布置为、被构造为、被制造且被布置为等。
本说明书中所有的出版物和专利申请指示本技术所属领域中普通技术人员的水平。本文所有公开案和专利申请以其全文通过援引并入,如同每个单独的公开案或专利申请被明确且单独地通过援引指明。仅为了其披露内容而提供本文中披露的公开物以及专利。本文中的任何内容均不得解释为承认本发明人无权优先于任何公开物和/或专利,包括本文引用的任何公开物和/或专利。
本技术已经参考多个不同的特定和优选的实施例和技术进行了描述。然而,应当理解,在不脱离本技术的精神和范围的情况下,可以进行许多变化和修改。这样,本文描述的本技术的实施例并非旨在穷举或将本技术限制为以下详细描述中披露的精确形式。而是,选择并描述了实施例,使得本领域的其他技术人员可以明白和理解本技术的原理和实践。

Claims (15)

1.一种呼吸感测系统,包括:
呼吸取样面罩,所述呼吸取样面罩包括
面罩壳体,所述面罩壳体被配置为覆盖患者的面部的一部分,所述面罩壳体限定了呼吸接收腔室;
与所述呼吸取样面罩处于流体连通的化学传感器元件,所述化学传感器元件包括多个分立的结合检测器,其中,所述化学传感器元件与通过所述呼吸取样面罩收集的呼吸样本相接。
2.根据权利要求1和3-8中任一项所述的呼吸感测系统,呼吸取样面罩进一步包括:用于帮助将所述呼吸取样面罩固定到患者面部的鼻夹。
3.根据权利要求1-2和4-8中任一项所述的呼吸感测系统,进一步包括传感器,所述传感器包括温度传感器、心率传感器、血压传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器、内部温度传感器以及内部湿度传感器中的一个或多个。
4.根据权利要求1-3和5-8中任一项所述的呼吸感测系统,进一步包括设置在嘴部腔室内的可移除式呼吸样本容器。
5.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的呼吸感测系统,进一步包括与所述呼吸接收腔室处于流体连通的气体流出导管。
6.根据权利要求1-5和7-8中任一项所述的呼吸感测系统,进一步包括化学传感器支架,所述化学传感器支架被配置为允许可移除地安装化学传感器元件。
7.根据权利要求1-6和8中任一项所述的呼吸感测系统,进一步包括与所述呼吸接收腔室处于流体连通的化学传感器支架壳体;其中,所述化学传感器元件设置在所述化学传感器支架壳体内。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的呼吸感测系统,进一步包括与单向气流阀处于流体连通的过滤器。
9.一种呼吸取样面罩,包括:
面罩壳体,所述面罩壳体被配置为覆盖患者面部的一部分,所述面罩壳体限定了腔室;
所述面罩被配置为从通过所述面罩壳体吸入的空气中去除挥发性有机化合物。
10.根据权利要求9和11-15中任一项所述的呼吸取样面罩,进一步包括传感器,所述传感器包括温度传感器、心率传感器以及血压传感器中的一个或多个。
11.根据权利要求9-10和12-15中任一项所述的呼吸取样面罩,进一步包括用于帮助将所述呼吸取样面罩固定到所述患者的鼻夹构件。
12.根据权利要求9-11和13-15中任一项所述的呼吸取样面罩,进一步包括传感器,所述传感器附接到所述鼻夹构件。
13.根据权利要求9-12和14-15中任一项所述的呼吸取样面罩,所述面罩壳体进一步包括分隔壁,所述分隔壁将所述腔室隔离为鼻部腔室和嘴部腔室。
14.根据权利要求9-13和15中任一项所述的呼吸取样面罩,进一步包括与所述鼻部腔室以及所述面罩壳体的外部的区域处于流体连通的单向气流阀,所述单向气流阀仅允许空气从所述面罩壳体的外部的区域流入所述鼻部腔室。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的呼吸取样面罩,进一步包括化学传感器支架,所述化学传感器支架被配置为允许可移除地安装化学传感器元件,其中,所述化学传感器支架设置在所述嘴部腔室内。
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