CN113164096A

CN113164096A - 测量呼吸气湿度的装置

Info

Publication number: CN113164096A
Application number: CN201980075434.9A
Authority: CN
Inventors: 海勒·芬奇-尼尔森
Original assignee: Exhalation Technology Ltd
Current assignee: Exhalation Technology Ltd
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-07-23
Also published as: EP3880072B1; DK3880072T3; EP3880072A1; JP2022507492A; JP7427668B2; KR20210153028A; US20220007961A1; CA3119431A1; EP3880072B8; ES2952153T3; WO2020099874A1; GB201818584D0; AU2019382292A1

Abstract

本文所公开的装置用于测量呼吸气湿度，该装置包括在管状主体的第一端处流体地连接的入口，管状主体限定内管体积。该装置进一步包括冷凝器板，该冷凝器板流体地连接到管状主体的第二端以接收呼出气。在第一端和第二端中间的分隔壁将内管体积分成第一腔室和第二腔室，第二腔室提供通往冷凝器板的流体通道。该壁具有从其通过的单向阀，该单向阀允许呼吸气从第一腔室到第二腔室。该装置进一步包括在第一腔室的管状主体壁中的一个或多个孔径，该孔径或每个孔径将传感器流体地链接到第一腔室；以及相对湿度传感器，该相对湿度传感器流体地链接到第二腔室。

Description

测量呼吸气湿度的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量呼吸气湿度的装置，并且具体涉及一种还可以测量其他参数的装置，呼吸气湿度测量结果单独使用或与其他参数结合使用，该测量结果用于识别、分类和纵向跟踪包括肺部疾病在内的疾病。

背景技术

本发明涉及一种用于测量呼吸气湿度的装置以及该测量结果在确定病情(尤其是人类病症的病情，但也包括诸如马、狗等动物的病情)时的用途。

呼吸气湿度的测量结果可以用于识别、分类和纵向跟踪包括肺部疾病在内的疾病。进一步地，当对患者进行分类或跟踪患者的医疗状况时，将呼吸气湿度的测量结果与许多其他呼吸参数组合起来可以提高临床准确性。

本发明特别用于呼出气中，并且部分地确定来自肺泡、中央和传统上称为肺死体积的呼出气的相对量。呼出气湿度可以用绝对术语和/或相对术语表示，并且可以用作单独测量结果或者与几种其他呼吸参数结合使用，其他呼吸参数包括：呼出气冷凝物的测量结果、呼出气气相的测量结果、呼出气汽相和/或气相内的成分的测量结果、呼吸量、呼气率、强制空气操纵、呼吸气温度等。气相和汽相成分或者这些成分的可以结合呼吸气湿度测量的属性的示例包括：pH、糖、葡萄糖、酮、阳离子、阴离子和小分子，诸如一氧化氮、过氧化氢、氧气、二氧化碳、一氧化碳等。此外，还可以确定其他病情(诸如癌症)的“标记”。

呼吸气湿度的测量结果可以是在组合装置中或者使用单独的装置与其他呼吸参数并行地或顺序地进行测量。

在健康人群中，呼吸气湿度的测量结果是人体内总水分含量的指标，并且可以用作人的水合水平的指标。呼吸气湿度值可以单独使用、与其他呼吸参数进行比较或组合，以进行更准确的临床决策。

在以当前申请人的名义进行的早先申请EP2173250中，描述了一种装置，该装置允许有效地收集呼出气，并且特别是在挥发性组分损失最小的情况下进行收集，挥发性组分的损失将在随后的分析中引入误差。一旦呼吸气样本被冷凝，于是就使其可供分析。然而，该装置不能测量呼吸气的湿度，并且如果使用该装置，则患者和临床医生失去了解患者的呼吸气湿度的临床实用性。

现有技术文件DE19951204描述了一种冷凝呼出气直到获得预定体积的样本的方法，但是仍不知道呼吸气湿度，也无法知道患者将花费多长时间来提供足够体积的冷凝物。知道诸如呼吸气温度、呼吸流速以及呼吸气湿度等参数后，就可以计算出收集一定量的呼出气凝结物所需的时间，这避免了使用基于时间、呼吸次数等的任意设定值。在填充呼吸气冷凝物收集装置时，在合理的时间内无法填充该装置的情况并不少见；这是因为临床医生或患者不知道患者呼吸时的湿度较低并且根本没有通过足够的蒸汽，该蒸汽随后被冷凝以填充装置。这些患者可以被称为“干呼吸者”。

尽管已经对描述我们发明的现有技术文件进行了搜索，但并未找到，所考虑的文件包括：WO2018061022A1、WO2018101650A1、US2017/360328和US2018/056302。

WO2018061022A1——该申请公开了一种肺部状况监测装置，其中CdS纳米粒子被用作湿度感测的一部分，以在呼气时对人的湿度水平进行超速检测。

WO2018101650A1——所公开的发明涉及一种用于分析单次呼吸中所包含的生物气的方法和设备，并且涉及随后通过所分析的生物气来监测患者的呼吸系统疾病。

US2017/360328——该文件中公开的装置使用两个电极来测量单次呼吸或多次呼吸的水分含量：一个工作电极通过与水进行阳离子交换而起作用(例如，利用全氟化碳)，并且参比电极通过覆盖件进行保护以防受呼出气的影响。

US2018/056302——在此装置测量第一呼吸特征(诸如湿度)和第二特征(诸如特定分析物，在所例示的实施例中为酮)。后一测量结果是利用基于纳米粒子的传感器来获得的。

患者可以具有不同的呼吸气湿度水平，例如，一组健康对照者的相对呼吸气湿度要高于一组患有慢性阻塞性肺疾病(COPD)的患者，但是呼吸气湿度通常是未知数并且因此在对这些COPD患者进行呼吸测量时是不受控制的参数。

在测量气相内的呼吸气的成分(诸如一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮等)时，通常使空气通过过滤器、洗涤器、除湿机等，以故意地去除包括水汽在内的呼吸气部分。该过程也可能在不知情的情况下执行，并且因此去除可能是“意外”的。然后，这些装置报告经干燥和/或经处理的呼吸气样本中分子的浓度。这不一定与最初呼出气中分子的浓度相同，但是经常被报告和解释为如此。呼吸气中的分析物的真实浓度部分地受到呼吸气的湿度和温度以及气相和汽相之间分子分隔的影响，这部分地特定于每种类型的分子。通过测量呼吸气湿度，我们可以使相对于呼吸气湿度对呼吸气进行测量的分析物的浓度正常化，并且因此减少原本不受控制或未知的患者与患者之间的变量，从而提高临床准确性。

当前，研究人员和临床医生对测量呼吸气和/或呼吸气的分析物的参数感兴趣，这作为疾病识别、分类或纵向监测的一部分。当前未使用的参数是呼吸气湿度。当前，对于COPD患者，他们的诊断和护理评估可以通过一系列测试来进行，这些测试包括：强制通气、分馏一氧化氮测量(FNO)、临床问卷和呼出气冷凝物(EBC)过氧化氢测量，但是呼出气湿度的测量并未常规地进行测量。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量呼吸气湿度的装置，该装置包括管状主体，所述管状主体限定内管体积；

入口，该入口流体地连接到内管体积；

冷凝器板，该冷凝器板流体地连接到管状主体的第二端以接收呼出气；

分隔壁，该分隔壁在第一端和第二端中间并且将内管体积分成第一腔室和第二腔室，该第二腔室提供通往冷凝器板的流体通道；

分隔壁具有从其通过的单向阀，该单向阀允许呼吸气从第一腔室到第二腔室；

该装置进一步包括在第一腔室的管状主体壁中的一个或多个孔径，该孔径或每个孔径将传感器流体地链接到第一腔室；

相对湿度传感器，该相对湿度传感器流体地链接到第二腔室。

优选地，该传感器或每个传感器链接到数据存储装置，以使数据能够快速地传输到医疗保健专家或进行分析。

任选地，传感器是CO₂传感器。

任选地，传感器是空气流量传感器，以帮助确定装置是否被正确地使用。

任选地，传感器能够检测过氧化氢，以使得能够诊断呼吸系统问题。

优选地，该传感器或每个传感器被容纳在可拆卸壳体中，该可拆卸壳体可附接到该装置以允许容易更换，使得该装置可以由随后的患者使用或者在有故障的情况下进行更换。

优选地，冷凝器板是由珀尔帖片式冷却构件来冷却。进一步优选地，加热板被容纳在具有珀尔帖片的冷却布置中，以帮助从冷凝器板快速去除热能。该装置还进一步优选地包括风扇，以将空气抽吸通过加热板以从装置去除热能。

该装置优选地包括加速度计，以确定该装置是否被稳定地保持以确保执行分析的装置的各元件的正常工作。

第二腔室优选地具有流体出口，以从装置排出呼吸气以及使任何湍流最小化。

第二腔室优选地包括指引构件，该指引构件进一步优选地是斜坡，以将进入第二腔室的呼吸气指引到冷凝器板上。

附图说明

相对于附图对本发明进行了描述，这些附图仅以示例的方式示出了用于测量呼吸气湿度和其他参数的装置的两个实施例。在附图中：

图1示出了具有不同呼吸系统病症的患者的呼吸气湿度；

图2示出了组合测得呼吸气湿度和过氧化氢值；

图3示出了装置中的气流；

图4a和图4b是装置的图像；

图5是装置的示意图；

图6示出了离开装置的内部通路；

图7a、图7b示出了在装置内使用的套筒保持器和套筒；

图8是装置内的呼吸流的图示；

图9是装置内的呼吸流的另一图示；并且

图10a、图10b是呼出气的测得参数的图形表示。

具体实施方式

人的呼吸气湿度是可以确定人生病的一种方式。此外，呼吸气湿度可以用于区分疾病类别中的人群，例如，COPD患者可与哮喘患者区分开。这在下面在图1中示出。

在图1中，对COPD患者组的呼吸气样本测量的平均相对湿度(RH)比对健康患者组测量的相对湿度低约15％。简而言之，相对于健康对照组，COPD患者的呼吸气中水汽通常较少。进一步地，可以看出，哮喘组的平均呼吸气相对湿度介于健康对照组和COPD组之间。图1中的数据取自155个以上的个体，并且表明将能够根据呼吸气相对湿度对COPD、哮喘和健康对照进行诊断或分类。重要的是，只有当与其他参数(诸如强制通气、呼出气冷凝物过氧化氢和分馏一氧化氮(FNO))进行组合时，呼吸气湿度才变得更有用。

图1中的数据表明，呼吸气湿度本身足以将健康人或患有肺部疾病的人区分开，但在对患者是例如COPD还是哮喘的亚分类方面存在较大问题，这是因为平均相对呼吸气湿度的近似差为5％。如果将呼吸气湿度与第二参数进行组合，则将能够将患者分类为进一步的组，诸如COPD和哮喘。例如，如果同时检查呼出气RH和呼出气冷凝物(EBC)过氧化氢浓度，则将具有以下清晰模式，即，COPD患者具有中间值的EBC过氧化氢浓度和最低的RH，而健康组具有最低的EBC过氧化氢浓度和最高的呼吸气RH。哮喘组具有中间值的RH和最高的EBC过氧化氢浓度(参见图2)。

如所讨论的，可以将两个、三个或更多个呼吸参数进行组合，以提供更好地对患者进行分类的得分或量表，例如，如果EBC过氧化氢浓度除以相对湿度，则哮喘和COPD组之间的差异会扩大(参见表1)。

表1

EBC过氧化氢与RH的组合明显会产生得分，在本文中称为赫勒得分(HelleScore)，该得分增强了哮喘患者与COPD患者的区分度。呼吸气湿度的组合并不限于与过氧化氢的组合，并且通过将FNO、pH等与呼吸气湿度进行组合可以预期有附加临床益处。该组合可以通过装置中包括的处理器(未示出)执行，也可以远程地执行。

类似地，通过将来自临床问卷的输出与呼吸气湿度组合起来，可以生成临床上有用的得分或量表。通过呼吸测量和呼吸气湿度来创建得分或量表不限于简单的数学运算，并且也可以单独地或组合地使用其他运算符(包括幂、对数、三角函数等)。

为了测量患者的呼吸气湿度，需要一种具有多种功能的装置，包括：该装置必须能够与患者的口腔接合，该装置必须能够沿着确定的路径引导呼出气，该装置必须能够使口腔与呼吸气收集区之间的死腔最小化，该装置必须能够测量湿度，该装置必须能够保护湿度传感器免受非呼吸性蒸汽和气溶胶的影响，该装置必须使湿度传感器免受包括环境蒸汽在内的环境条件的影响，该装置必须能够测量其唯一来源为呼吸系统的蒸汽，任选地该装置还应测量呼吸气温度，该装置的作用应该是使呼气取代装置中上一次呼气所残留的空气。

对呼吸气湿度的任何测量的主要潜在污染源是受测患者附近的环境湿度，并且因此呼吸气湿度应使用封闭的装置进行，其中传感器与环境湿度隔离。进一步地，湿度传感器应极靠近口腔，大约10厘米，并且应保护传感器免受污染物(诸如源自口腔的唾液气溶胶，而不是气道)的影响(参见图3)。

图4a、图4b是装置10的手持实施例的图像，该装置能够测量呼吸气湿度和二氧化碳水平以及许多其他参数。在这些图中，示出了可更换套筒11，该可更换套筒装有微流体分析系统，该微流体分析系统允许确定其中的例如过氧化氢、pH、葡萄糖、酮、氧化氮等。在图7中详述的，套筒11可以包括收集元件，诸如冷却盘，如在同一申请人的公开专利申请WO2009013450中所公开的，以收集呼吸气的一部分，通常是肺泡部分。

装置10此外包括CO₂传感器12，其是例如近红外传感器。冷凝器板13位于与珀尔帖片14相邻的位置，该珀尔帖片向板13提供冷却。位于珀尔帖片14另一侧的是热板15，该热板用作珀尔帖片14的散热器。风扇16用于从装置10抽吸不需要的热量，特别是使空气通过热板15以冷却热板15。

图5示意性地示出了根据本发明的装置20。装置20具有空气入口21，该空气入口被设计为促进使用者向装置20中呼吸。因此，通常，入口21的轮廓形成为使得使用者能够确保大部分呼出气进入装置20。入口21可以包括或耦接到可更换吹嘴，以改善装置20的不同使用者之间的卫生情况。

入口21通向套筒11并且还允许呼出气的一部分被分隔到单独的流动流中，该单独的流动流然后被引导到并入到装置20本身中的传感器(例如CO₂传感器)。传感器位于壳体22内。为未使用的呼吸气提供了出口23，以防止不良的呼吸湍流或回流。提供了手柄28，以使使用者能够将装置20保持在便于舒适地呼气的位置。在将装置20用作医疗机构内或其他情况下的台式装置的情况下，可以不存在手柄28。在又一选项中，装置可以包括可拆卸手柄，从而提供装置的使用灵活性。

图6示出了根据本发明的实施例的装置30的内部特征。装置30具有呼吸入口31和允许使用者握住装置30的把手34。在该实施例中，把手34与装置30的其他元件一体形成，诸如与出口33和壳体32一体形成。把手34的外表面可以在人体工程学上成型，以促进使用者抓握装置。

如图7a、图7b所示，套筒11位于呼吸入口31附近。套筒11包括RFID标签35等，该RFID标签可以用于首先确保套筒11的正确记录并且可以链接到使用者。此外，标签35使得能够检查套筒的年龄，使得可以确定套筒是否仍在保质期内。套筒11通常还包括微流体阵列，该微流体阵列包括与之相关联的传感器和试剂，以使得能够确定各种参数和分析物。此类阵列在本领域中是已知的，并且对于本领域的技术人员而言将是可用的。

在装置30内的是具有许多功能的加速度计36。首先，加速度计36可以确定装置30被保持在正确取向上。其次，加速度计36允许确定装置30在使用中的任何移动。例如，这可以表明使用者的手是否在晃动，晃动可能对装置30内的流体流动有害并且导致错误结果。

示出了CO₂传感器42的位置以及又一传感器43。在装置30的实施例中，到CO₂传感器42的呼吸气沿着位于装置30外部的管44(图4所示)流动。传感器43类似地由另一单独的管馈送。另一组传感器位于使用中的pcb(印刷电路板)卡38的下部部分37上，该pcb卡容纳温度和相对湿度传感器以及3轴加速度计传感器。

在图6中，冷凝器板45被示出为在套筒11的正后方。珀尔帖片46被容纳在板45附近以在需要时向其提供冷却。珀尔帖片46和装置的其他部件的功率是由电池47提供。

通过传感器获得的信息可以通过USB接口48传递到外部监测系统。数据处理可以在外部进行，也可以在安装在装置30内的又一pcb 49上进行。为了经由手持装置30向使用者提供信息，还提供了用户接口149。诸如关于H₂O₂水平的其他信息可以经由连接点80来获得，该连接点还可以用于确定和传达是否存在有效套筒11。如果需要从使用者呼吸的气氛中去除H₂O₂，则可以在空气入口处安装过滤器。为了在需要的地方将空气抽吸通过装置30，包括风扇81，该风扇可以从电池47汲取功率。

现在转向图8和图9，这些图示意性地示出了根据本发明的装置。在图8中，示出了装置50的组成元件。图9示出了通过图8的装置的气流。装置50具有基本上呈管状的主体51。主体51使来自使用者的呼出空气(在一端处进入主体51)能够被引导到另一端处的冷凝器板52。在其间，流量被控制以允许使用者吸气，同时使用装置50并且还使得能够进行对呼吸气的分析。

更详细地，固定到主体51的一端的是吹嘴53。吹嘴53可以可拆卸地安装到主体51，以在清洁了装置50的其余部分之后允许附接又一吹嘴，以使另一使用者能够使用装置50。吹嘴53借助二通阀54流体地连接到主体51的内部体积。主体51被腔室壁55分成2个腔室56a、56b。第一腔室56a经由阀54链接到吹嘴53。第二腔室56b经由单向阀57流体地链接到第一腔室56a，该阀允许从第一腔室到第二腔室的流动。腔室壁55和允许一部分呼吸气从第一腔室传递到第二腔室的构件用于防止呼出气的不需要部分到达冷凝器板52。腔室壁55使第一腔室56a能够用于允许将空气抽吸到主体51中，而不会影响将呼吸气通过与第二腔室56b相关联的呼吸传感器58和冷凝器板52。此外，腔室壁55用于在第一腔室内引起一定程度的湍流。这用于限制传感器62、64(见下文)内的气流的伯努利效应，伯努利效应否则可能导致空气从这些传感器62、64流入第一腔室56a，而不是通过传感器62、64。

传感器58提供关于几个参数的数据。例如，传感器58可以包括相对湿度(RH)传感器和温度传感器。进入第二腔室56b的大部分气流经由孔径60排出到冷凝器板52上。冷凝器板52维持冷却以冷凝呼吸气的含水组分以及溶解在其中的其他物质。然后可以将在冷凝器板52上冷凝的液体引出，以在适当布置的微流体阵列中进行分析。为了更好地将呼吸流集中到冷凝器板52上，提供了倾斜内壁70。此外，单向出口阀71实际上允许来自冷凝器板52的回弹呼吸气的压力从装置50流出，而不是返回到第二腔室56b中，在该第二腔室中，任何进入的呼吸气都会引起湍流。这种湍流会影响获得的结果，这尤其是由于所引起的混乱流动条件。

主体51中的其他流体出口允许呼吸气被引导到位于主体51外部的其他分析器。第一其他出口61a将呼出气指引到气流测量传感器62中。来自气流测量传感器的数据使得能够确定使用者是否在正确地使用装置50，并且还给出了使用者肺部的总体效能的指示。典型的气流测量传感器包括压电元件，该压电元件由于气流的压力而变形，其中所述压力与在压电元件中引起的变形之间存在一对一联系。管63提供了离开传感器62的流体路径。第二又一出口61b通向CO₂传感器64。作为CO₂传感器64的示例，是近红外检测器。同样，提供管65以提供离开传感器64的流体路径。

气流测量装置62和CO₂传感器64均被保持在壳体66内。壳体66可拆卸地安装到主体51的外部，其中出口61a、61b延伸通过主体51的壁67。在所示的图示实施例中，将钢板68固定到壁67上。然后利用磁铁69来将壳体66磁性地靠在板68上。将认识到，也可以使用本领域中已知的将壳体66固定到主体51的其他方式。

该装置应具有至少一个呼吸气湿度测量点，该至少一个呼吸气湿度测量点位于任何洗涤器、冷凝器、除湿机、干燥器等的上游，其也可以存在于该装置内。

装置内的阀和受控体积的使用应被配置为确保被测量的样本是呼出气的结果，而不是呼吸气与环境空气的混合物。显然，应防止诸如以气溶胶形式从口中携带的唾液等污染物到达传感器并污染传感器。

对呼吸气进行的测量当前用于识别诸如COPD和哮喘等疾病，本文描述了用于测量呼吸气的湿度的装置、此类测量的临床用途以及呼吸气湿度连同对呼吸气测量的许多参数一起的用途。

用于测量呼吸气湿度的装置必须能够与患者的口腔接合。装置中与口腔接触的那些部分必须能够在患者之间容易地进行消毒，或者最好被处理掉以消除交叉污染的风险。该装置任选地具有用于捕获唾液的构件，以防止来自口腔的气溶胶和微粒进入装置的主体中或冒着使湿度传感器污染的风险。该装置优选地应允许患者吸气，但是其内部体积小于预期的潮式呼吸呼气体积，该预期的潮式呼吸呼气体积通常为约500cm³，因此呼出气占该装置内部体积的主导。该装置应能够测量呼吸气湿度，以及优选地测量呼吸气温度并且理想地测量呼吸气相对湿度。该装置应任选地测量呼出气压力、流速和二氧化碳水平。该装置应能够测量作为时间的函数的所有参数，使得诸如二氧化碳、吸气/呼气压力、二氧化碳浓度、呼吸气温度、呼吸气湿度、呼吸气相对湿度、环境湿度、环境相对湿度、环境温度等参数全都可以在时间上对齐和比较。该装置可以任选地具有附加功能，诸如，呼出气的冷凝和分析、呼吸蒸汽的去除、气相分子(包括FNO)的测量。

在呼吸蒸汽的去除或收集很重要的应用中，第二湿度传感器可以位于初始呼吸气湿度传感器和蒸汽收集点的下游，以便测量蒸汽收集后的呼吸气湿度。呼吸气湿度传感器和蒸汽收集后传感器之间的差异允许确定蒸汽的收集体积和收集效率。

Claims

1.一种用于测量呼吸气湿度的装置，所述装置包括管状主体，所述管状主体限定内管体积；

入口，所述入口流体地连接到所述内管体积；

冷凝器板，所述冷凝器板流体地连接到所述管状主体的第二端以接收呼出气；

分隔壁，所述分隔壁在所述第一端和所述第二端中间并且将所述内管体积分成第一腔室和第二腔室，所述第二腔室提供通往所述冷凝器板的流体通道；

所述分隔壁具有从其通过的单向阀，所述单向阀允许呼吸气从所述第一腔室到所述第二腔室；

所述装置进一步包括在所述第一腔室的管状主体壁中的一个或多个孔径，所述孔径或每个孔径将传感器流体地链接到所述第一腔室；相对湿度传感器，所述相对湿度传感器流体地链接到所述第二腔室。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器或每个传感器链接到数据存储装置。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，传感器是CO₂传感器。

4.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，传感器是空气流量传感器。

5.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，传感器是过氧化氢传感器。

6.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述传感器或每个传感器被容纳在可附接到所述装置的可拆卸壳体中。

7.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述装置包括用于冷却所述冷凝器板的珀尔帖片式冷却构件。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，加热板被容纳在具有所述珀尔帖片的冷却布置中。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，包括风扇，所述风扇被布置为将空气抽吸通过所述加热板。

10.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述装置包括加速度计。

11.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述第二腔室具有流体出口，以从所述装置排出呼吸气。

12.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述第二腔室包括指引构件。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述指引构件是斜坡。

14.根据任一前述权利要求所述的装置，包括处理器，所述处理器接收来自所述相对湿度传感器和传感器的数据以及处理所述数据以得出综合赫勒得分。