CN116113364A - 用于表征呼出空气中的颗粒的设备和方法 - Google Patents

用于表征呼出空气中的颗粒的设备和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116113364A
CN116113364A CN202080103404.7A CN202080103404A CN116113364A CN 116113364 A CN116113364 A CN 116113364A CN 202080103404 A CN202080103404 A CN 202080103404A CN 116113364 A CN116113364 A CN 116113364A
Authority
CN
China
Prior art keywords
particle
particles
air
parameter
subject
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080103404.7A
Other languages
English (en)
Inventor
D·克勒
G·舍赫希
M·韦斯
F·维斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pallas Particle And Laser Measurement Technology Co ltd
Original Assignee
Pallas Particle And Laser Measurement Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pallas Particle And Laser Measurement Technology Co ltd filed Critical Pallas Particle And Laser Measurement Technology Co ltd
Publication of CN116113364A publication Critical patent/CN116113364A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/082—Evaluation by breath analysis, e.g. determination of the chemical composition of exhaled breath
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0075—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于表征呼出空气中的颗粒的设备。该设备包括朝向外部环境的入口管路，该入口管路具有用于过滤颗粒的过滤器装置。该入口管路流体连接到呼吸管路，该呼吸管路包括可通过其呼吸空气的接口装置。测量管路流体连接到该呼吸管路，并且流体连接到用于确定与呼出空气中的颗粒相对应的参数的颗粒测量设备。本发明的方法包括以下步骤：将呼出空气引导至颗粒测量设备；以及确定与呼出空气中的颗粒相对应的参数，所述参数是以下参数中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度(密度)、颗粒直径、颗粒质量、颗粒尺寸分布、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度。

Description

用于表征呼出空气中的颗粒的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于表征呼出空气中的颗粒的设备和方法。本发明还涉及该设备的用途、针对传染病筛查受试者的方法、预防传染病传播的方法、针对传染物、抗病毒剂、抗炎剂筛查空气样本的方法、计算机程序和计算机可读介质。
背景技术
在本发明的意义上，颗粒是指流体(这里是呼出的空气)中的颗粒，也称为气溶胶颗粒。气溶胶是气体与固体和/或液体悬浮颗粒的混合物，例如水滴、烟灰颗粒、材料磨损颗粒、花粉、细菌、病毒和其他有机和化学物质。
通常用于测量空气中颗粒的设备和方法是已知的，例如光学光度计。然而，这些设备不够精确，因为它们通常不能区分呼出空气中所含的颗粒与周围空气中所含的颗粒，因为在测量之前呼出的空气不可避免地与周围空气混合。因此，这些设备不适用于要求高水平测量精度的应用，例如对人类或动物呼出的空气进行诊断分析的情况。
因此，本发明的目的是消除现有技术的缺点，并提供一种特别是在需要高精度的情况下，例如在诊断和医疗应用中，能够提供更可靠结果的设备和方法。
发明内容
本发明的目的通过一种用于表征呼出空气中的颗粒的设备来解决，所述设备包括朝向外部环境的入口管路，其中所述入口管路包括用于过滤颗粒的过滤器装置，其中所述入口管路流体连接到呼吸管路，所述呼吸管路包括可通过其呼吸空气的接口装置，其中所述设备包括测量管路，所述测量管路流体连接到所述呼吸管路并且流体连接到颗粒测量设备，所述颗粒测量设备用于确定与所述呼出空气中的颗粒相对应的参数。
本发明的目的还通过一种用于表征呼出空气中的颗粒的方法来解决，所述方法包括以下步骤：将呼出空气引导至用于表征呼出空气中的颗粒的设备；以及确定与所述呼出空气中的颗粒相对应的参数，所述参数优选为以下参数中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒质量、颗粒尺寸分布、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度。
本发明的目的还通过本发明的用于表征呼出空气中的颗粒的设备的用途来解决。本发明的目的还通过具有导致本发明的设备执行本发明的方法的命令的计算机程序和保存本发明的计算机程序的计算机可读介质来解决。
本发明的目的还通过一种针对传染病筛查受试者的方法来解决，该方法包括以下步骤：
(a)确定与受试者呼出的空气中包含的颗粒相对应的至少一个参数：颗粒数量、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒质量、颗粒尺寸分布、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度；
(b)将颗粒直径在预选范围内的呼出颗粒的所确定的参数与健康受试者呼出的相同直径范围的颗粒的对照参数进行比较；
(c)如果所确定的参数满足预设条件，则将所述受试者识别为高排放用户，优选识别为至少潜在地患有所述传染病；和
(d)在第二筛查中筛查如此识别的受试者，以确认所述受试者患有所述传染病。
本发明的目的还通过一种防止传染病传播的方法来解决，该方法包括以下步骤：
(a)确定与受试者呼出的空气中包含的颗粒相对应的至少一个参数：颗粒数量、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒质量、颗粒尺寸分布、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度；
(b)将颗粒直径在预选范围内的呼出颗粒的所确定的参数与健康受试者呼出的相同直径范围的颗粒的对照参数进行比较；
(c)如果受试者的所确定的参数至少满足预设条件，则将所述受试者识别为高排放用户，优选识别为至少潜在地患有所述传染病；和
(d)隔离所述受试者或者指示所述受试者佩戴面罩。
本发明的目的还通过一种针对传染物筛查空气样本的方法来解决，该方法包括以下步骤：
(a)确定受试者呼出的空气样本中包含的颗粒的以下参数(p)中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒质量、颗粒尺寸分布、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度；
(b)将颗粒直径在预选范围内的样品的所确定的参数与健康受试者呼出的空气样品中的相同直径范围的颗粒的对照参数进行比较；
(c)如果所确定的参数满足预设条件，则将所述受试者识别为感染了传染物；并且可选地
(d)在第二筛查中筛查如此识别的受试者呼出的空气的另一样本，以确认所述受试者患有所述传染病。
本发明的目的还可以通过一种抗病毒药剂来解决，该抗病毒药剂选自瑞德西韦，用于治疗通过上述筛查空气样本的方法被识别为患有新冠肺炎的受试者。
本发明的目的还可以通过一种抗炎剂来解决，该抗炎剂选自地塞米松，用于治疗通过上述筛查空气样本的方法被识别为患有新冠肺炎的受试者。
本发明基于呼出空气通常仅包含环境中可用的空气的一部分的思想。为了可靠地表征呼出空气，需要将呼出空气引向颗粒测量设备。这例如可以通过过滤器装置来实现，以确保只有呼出空气被引导到颗粒测量设备。
此外，确定所述参数中的至少一个能够可靠地表征呼出空气。颗粒数量是指呼出空气中或者其至少一部分中存在的颗粒量。颗粒浓度有时也被称为颗粒密度，是指每体积(例如每升空气)的颗粒量。颗粒尺寸分布是指气溶胶(此处为呼出空气)的作为颗粒尺寸(此处为其直径)的函数的颗粒浓度，并提供关于哪些颗粒尺寸在呼出空气中存在的频率的信息。类似地，颗粒质量分布是指气溶胶的作为颗粒直径的函数的颗粒质量的浓度。颗粒质量浓度是指与颗粒直径无关的常规浓度。在本发明的意义上，所述至少一个参数的确定还可以包括附加参数，例如确定特定局部的最小值和/或最大值，或者将所述参数与加权函数组合，例如确定由相应颗粒质量加权的颗粒尺寸分布。也可以仅针对呼出空气的颗粒的一部分确定所述参数。在本发明的意义上，参数的确定还包括确定预设时间间隔内的所述参数，该预设时间间隔可以是用户定义的，并且优选地计算参数的平均值，该平均值也可以由所提到的附加参数加权。此外，参数的确定还可以包括对离散测量点进行插值。
入口管路、呼吸管路和/或测量管路可以包括可用来引导空气的管路、管路插口或通道。过滤器装置可以包括深度过滤器，该深度过滤器也被称为高效微粒空气(highefficiency particulate air,HEPA)过滤器。该过滤器优选地对直径为0.3μm的颗粒的过滤效率至少为99.97％，该效率优选高于对直径小于和/或大于0.3μm的颗粒的效率。在本发明的意义上，颗粒尺寸由颗粒的直径近似，即使颗粒可能不形成几何上精确的球体。优选地，过滤器装置是可拆卸的和/或可更换的，以满足卫生标准。特别地，过滤器形状配合地连接到入口管路，例如，过滤器可以拧到入口管路上。过滤器和入口管路之间的连接优选是流体密闭的。
为了产生有效的空气流，呼吸管路可以被布置为平行于入口管路，特别是与入口管路同轴。接口装置可以被配置为用户接口装置，该用户接口装置优选地包括用户可以通过其呼吸空气的口部装置。该接口装置优选地包括口鼻装置或面罩，以增加通过该设备的呼出空气的流动。该接口装置可以是可拆卸的，特别是可更换的，以满足卫生标准。为此，该接口装置可以是一次性的和/或可消毒的。该接口装置优选地是可流体密封的，以阻止空气流过该接口装置，从而提高该设备内空气的纯度。
该测量管路可以被布置为垂直于入口管路和/或呼吸管路，以提供有效的空气流。该设备，特别是颗粒测量设备，优选包括至少一个空气流产生装置，该空气流产生装置被具体配置为产生具有预设流量的空气流到和/或在颗粒测量设备内，其中所述流量优选在0.1升/分钟至101升/分钟的范围内，具体是在0.1升/分钟至20升/分钟的范围内，特别是在1升/分钟至10升/分钟的范围内。该空气流产生装置可以包括抽吸设备、泵和/或风扇。优选地，测量管路和/或颗粒测量设备包括空气流产生装置。
测量管路和/或颗粒测量设备可以包括至少一个加热装置，该加热装置被具体配置为将温度保持在预设值，该预设值优选地在30℃至90℃的范围内，特别是在40℃至80℃的范围内，尤其是在50℃至70℃的范围内。作为呼出空气的颗粒的凝结水滴可以被蒸发，从而不会干扰颗粒测量。测量管路，特别是其护套区域，和/或颗粒测量设备优选包括至少一个抗静电和/或导电部件，例如金属和/或传导性聚合物管，以便不干扰设备内的颗粒流动。
在本发明的优选实施例中，测量管路和/或颗粒测量设备包括至少一个止回阀，以调节呼出空气的流动并避免污染。测量管路的直径优选小于入口管路的直径和/或呼吸管路的直径，以调节到颗粒测量设备的空气流。呼吸管路和测量管路可以整体地形成为一件，优选形成为T形部件。
入口管路、呼吸管路和测量管路优选地至少部分地包括测量室，其中测量室的体积优选地至多为25ml。测量室可以被布置在接口装置和过滤器装置之间，优选地与接口装置和过滤器装置流体连接。测量室可以被布置成与入口管路、呼吸管路和测量管路流体连接。
在本发明的优选实施例中，颗粒测量设备能够确定呼出空气中的颗粒的以下参数中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒质量、颗粒尺寸分布、颗粒质量分布。颗粒测量设备优选地能够确定的颗粒浓度的范围为每升空气0至107个颗粒，尤其是每升空气0.01至107个颗粒，优选每升空气0.01至5×106个颗粒，特别是每升空气0.01至106个颗粒。颗粒测量设备能够确定的颗粒直径的范围为0.1μm至5μm，尤其是0.1μm至1μm，优选0.2μm至5μm，特别是0.3μm至5μm，尤其是0.5μm至5μm。
为了表征呼出空气中的颗粒，颗粒测量设备可以包括至少一个用于发射波(例如电磁波和/或声波)的源。颗粒测量设备优选是包括至少一个光源的光学颗粒测量设备。颗粒测量设备可以另外包括光电倍增管、光电二极管和/或光度计。在本发明的优选实施例中，光源能够发射具有至少一个波长的多色光和/或光，所述波长在380nm至490nm的范围内。在本发明的另一优选实施例中，光源能够发射相干光，并且可以包括至少一个激光元件。光源可以包括至少一个LED和/或能够以光电传感器形式提供的光学颗粒计数器。
在本发明的另一优选实施例中，颗粒测量设备包括气溶胶光谱仪。优选地，呼出空气中的颗粒被布置在气溶胶光谱仪的测量单元内，使得所述颗粒能够被光束照射，其中颗粒的散射光可以由传感器接收，并且颗粒的散射光信号可以通过分光镜按照强度进行记录，使得能够确定代表颗粒尺寸分布的散射光信号的尺寸分布。测量单元内的颗粒运动方向、测量单元内的光束方向和散射光的方向被分别布置为彼此垂直。颗粒测量优选包括1至256个通道，特别是4至256个，优选至少4至256个光谱通道，这些通道尤其能够检测光，特别是散射光。
在本发明的方法的优选实施例中，该方法由本发明的用于表征呼出空气中的颗粒的设备执行。可以将至少500ml的体积的呼出空气引导至所述设备，特别是所述颗粒测量设备。所述呼出空气可以以预设流量被引导至所述设备，该预设流量的具体范围为0.1升/分钟至20升/分钟，优选为1至10升/分钟。可以确定预设时间间隔内的所述参数，在此之后确定判定参数，其中所述判定参数可以是统计参数，例如作为所确定的参数的优选加权平均值。可以将所述判定参数与预设值进行比较，并且根据比较结果输出信号。
在优选实施例中，在确定所述参数之前执行清洁阶段，以改善所述表征。所述清洁阶段可以包括以下步骤：确定预设时间间隔内与所述呼出空气中的颗粒相对应的参数；基于所述参数确定变化参数，并且优选地，如果所述变化参数满足预设比较，则输出信号。作为一个示例，可以将所述变化参数与预设阈值进行比较，并且如果所述变化参数低于或高于所述阈值，则可以输出信号。
在另一优选实施例中，在确定所述参数之前，优选地在所述清洁阶段之前，执行密封检查阶段，以确保测量的质量。所述密封检查阶段可以包括以下步骤：阻止呼出空气流到所述设备；将经过滤的外部环境的空气引导至所述设备；确定预设时间间隔内的上述参数；以及基于所述参数确定变化参数，并且优选地如果所述变化参数满足预设比较，则输出信号。特别地，所述方法仅在所述变化参数满足所述预设比较时才继续，否则可以中断该方法。
对于本发明的用途，所述表征可以包括确定以下参数中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒质量、颗粒尺寸分布、颗粒质量分布。
在本发明的筛查方法的优选实施例中，所述第二筛查包括基于PCR的测试，所述基于PCR的测试用于检测受试者中传染物的存在。
对于本发明的针对传染病筛查受试者的方法，所述第二筛查可以包括基于PCR的测试，所述基于PCR的测试用于检测受试者中传染物的存在。
本发明的预防传染病传播的方法可以包括用治疗有效量的药剂治疗受试者以治疗所述传染病的进一步步骤。
优选地使用上述设备来实施本发明的针对传染病筛查受试者的方法和预防传染病传播的方法。在另一实施例中，所述传染病是下呼吸道的病毒感染。在又一实施例中，所述传染病是新冠肺炎并且所述药剂是抗病毒剂、免疫抑制剂或抗炎剂。根据另一实施例，所述抗病毒剂是瑞德西韦，并且在又一实施例中，所述抗炎剂是皮质类固醇，可选地选自地塞米松。
附图说明
本发明的其他优点和特征源自所附权利要求书和以下描述，在以下描述中通过参考以下附图详细描述了本发明的实施例：
图1是本发明的设备的第一实施例的示意图，
图2是根据图1的第一实施例的颗粒测量设备的详细视图，
图3是本发明的方法的实施例的流程图，
图4是本发明的方法的密封检查阶段的流程图，
图5是根据图4的密封检查阶段的示例性结果，
图6是本发明的方法的清洁阶段的示例性结果，
图7是根据图6的清洁阶段的流程图，
图8是本发明的方法的测量阶段的示例性结果，
图9是根据图8的测量阶段的流程图，
图10是健康用户呼出空气的颗粒浓度确定的示例性结果，
图11是高排放用户呼出空气的颗粒浓度确定的示例性结果，
图12是健康用户呼出空气的颗粒尺寸分布确定的示例性结果，
图13是高排放用户呼出空气的颗粒尺寸分布确定的示例性结果，以及
图14是根据第二实施例的本发明的设备的示意图。
具体实施方式
图1以示意图示出根据第一实施例的用于计算呼出空气中的颗粒浓度cn的本发明的设备10，其按用于表征呼出空气中的颗粒的参数p来计算呼出空气中的颗粒浓度cn。设备10包括入口管路11，入口管路11被引导至外部环境12，通常是用户所在的房间。入口管路11与外部环境12流体连接。
入口管路11包括过滤器装置13，该过滤器装置13在本实施例中作为深度过滤器14来实现，深度过滤器14具有多孔过滤介质，用于留住贯穿该介质的颗粒。在本示例中，该多孔介质包括图1中未示出的随机布置的玻璃纤维垫。这种类型的过滤器14也被称为HEPA过滤器，其过滤掉通过过滤器14的空气中的至少99.97％的颗粒。在该实施例中，深度过滤器14通过拧到入口管路11而形状配合地连接到入口管路11。深度过滤器14是可更换的。
入口管路11流体连接到呼吸管路15，该呼吸管路15被布置为平行于入口管路11，特别是与入口管路11同轴。呼吸管路15包括接口装置16，该接口装置16连接到呼吸管路15的背离入口管路11的端面17。在该实施例中，接口装置16是覆盖用户的嘴和鼻的面罩18。可替代地，可封闭的口部装置可用作接口装置16，其中用户的鼻子由鼻夹(未示出)密封。面罩18是可更换的，可在使用后丢弃，和可消毒的。通过面罩18内的阀19，面罩18是可封闭的，特别是可密封的，以防止呼吸管路15和面罩18之间的空气流动。呼吸管路15的直径小于入口管路11的直径。
测量管路20被布置在入口管路11和呼吸管路15之间，并且垂直于所述管路11、15两者。测量管路20的直径小于入口管路11和呼吸管路15的直径。入口管路11、呼吸管路15和测量管路20整体地形成为T形部件21，其中入口管路11、呼吸管路15以及测量管路20被设计为部件21的管路插口。
测量管路20包括加热装置24，用于将测量管路20，特别是其内壁25保持在60℃的预设温度T。测量管路20由金属和/或(导电)聚合物管制成，两者都具有抗静电性质。测量管路20还包括止回阀26，其防止空气回流。入口管路11、呼吸管路15和测量管路20部分地包括体积为25ml的测量室27，其中测量室27流体连接到深度过滤器14和面罩18。
在其背离测量室27的端面28处，测量管路20可拆卸地连接到能够表征呼出空气中的颗粒35的颗粒测量设备29。在该实施例中，颗粒测量设备29是气溶胶光谱仪30，其部分设计在图2中示意性示出。气溶胶光谱仪30包括空气流产生装置22，这里是风扇23和/或泵33，用于在测量管路20中产生流量qfl为预设值的限定空气流，该预设值的范围为0.1升/分钟至101升/分钟，呼出空气中的颗粒35被该限定空气流引向气溶胶光谱仪30的开口31。此外，该气溶胶光谱仪还包括加热装置33。
在图2中示出携带颗粒35的气溶胶光谱仪30的流管34，其被布置为垂直于绘图区。流管34中的颗粒35被光源37(这里是LED)和透镜38发射的多色光的准直光束36照射，该多色光的波长在390nm至490nm的范围内。通过散射过程，颗粒35发射散射光39，散射光39垂直于颗粒35的飞行方向和来自LED 37的光束36的方向。散射光39撞击会聚透镜40，会聚透镜40将散射光39聚焦在光电传感器41上，光电传感器41在此包括光电倍增管和光度计(未示出)，光度计将散射光39的强度转换为电信号。基于该电信号，电子处理单元42确定作为颗粒直径dp的函数的颗粒尺寸分布cn(dp)，以表征呼出空气中的颗粒35。该电子处理单元还包括控制模块，该控制模块电连接到阀16、止回阀26、加热装置24、33、空气流产生装置22、32，并且能够执行下面描述的本发明的程序。
光束36、配准(registered)散射光39和流管34中的颗粒35的配准部分的空间重叠限定了虚拟空间测量单元43，在其中确定颗粒尺寸分布cn(dp)。在测量过程中，散射光39的光强度以及由此确定的电信号强度是颗粒尺寸的量度，其是颗粒直径dp的属性。所确定的颗粒尺寸分布cn(dp)是颗粒直径的函数：cn＝f(dp)。针对作为测量点的离散颗粒直径dp确定颗粒尺寸分布cn(dp)，其中通常使用256个测量通道。为了提高测量质量，优选通过三次样条来插值颗粒尺寸分布cn(dp)。颗粒浓度cn是每个颗粒直径dp上的颗粒尺寸分布cn(dp)之和。
在根据图3的流程图中概述的本发明的方法的一个实施例中，该程序包括三个阶段：关于设备10的正确密封的密封检查阶段A、清洁阶段B和确定阶段C。在该实施例中，将确定颗粒浓度cn，也称为颗粒密度。该方法详细描述如下：
密封检查阶段A的目的是确保设备10被正确密封，并且外部环境12的未过滤的空气不会进入设备10。该阶段还去除了设备内(包括面罩、入口管路、呼吸管路和测量管路)的任何残留空气颗粒。在根据图4的流程图中概述了密封检查阶段A，并从打开面罩18的阀19的步骤A1开始，开始测量并确定设备10内的颗粒浓度cn。未过滤的空气可以进入面罩18，因此颗粒浓度cn相对较高。图5示出在密封检查阶段A的过程中，所确定的颗粒浓度cn随时间t的变化。在第一区域44中，颗粒浓度cn约为每升空气80000个颗粒或80000/升。然后关闭面罩18A2，这导致现在只有经过滤的空气可以进入设备10(经由深度过滤器)并因此被测量。由于这种空气只含有少量颗粒35，因此颗粒浓度cn不断降低，直到达到图5中第二区域45所示的较小水平。颗粒浓度cn在约10秒的过程中从每升空气约80000个颗粒降低到几乎为0的值。测量预设时间间隔Δt1(在此情况下为12秒)内颗粒浓度cn的平均值。如果颗粒浓度cn的平均值低于小于每升空气1个颗粒，优选每升空气0个颗粒的预设阈值cn；t(步骤A3)，则输出信号A4，该信号指示设备10被正确密封并且可用于进一步测量。如果颗粒浓度cn保持在高于阈值cn；t的水平，则认为设备的密封被损坏，并且由输出设备(例如显示器和/或扬声器)输出相应的警告信号A5。
在已经验证设备10被适当密封之后，该方法继续进行清洁阶段B，在该阶段中面罩18被打开并且用户通过面罩18呼吸。借助于面罩18，呼出的空气通过测量管路20完全进入测量室27，并且随后被引向气溶胶光谱仪30，在那里持续测量呼出空气的颗粒浓度cn。由于用户的肺部最初仍然含有来自外部环境12的颗粒，因此设备10首先记录了仍然高水平的颗粒浓度cn，其显示在根据图6的测量的第一区域46中，其中示出了颗粒密度cn随时间t的变化。应当注意，颗粒浓度cn的值以对数尺度示出，使得第一区域46中的颗粒浓度cn值最大约为每升空气40000个颗粒。
在持续呼吸的过程中，用户仅通过深度过滤器14吸入过滤后的空气，并呼出空气，该空气被引导B1进入测量管路20，因此颗粒浓度cn持续降低，这可以在图6中的第二区域47中看到。这种趋势持续直到颗粒浓度cn达到如图6的第三区域48中所示的近似恒定的水平，这对应于一种平衡状态，在该平衡状态中，可以认为记录的颗粒35仅来自用户的肺部和气道(通常是呼吸道)内部。图6的第三区域48中的颗粒浓度cn值低于每升空气1000个颗粒。计算B2变化参数Δcn(例如方差)，并且在比较B3中与预设值Δcn；th进行比较。如果颗粒浓度cn在预设时间间隔Δt2(此处约为一分钟)内变化不超过预设值Δcn，则测量阶段C开始，并输出B4相应的信号。如果不是这样，则输出B5相应的警告信号，指示尚未达到平衡状态。在根据图7的流程图中示出清洁阶段B。
设备10，更确切地说是控制模块，随后执行测量阶段C，在测量阶段C1中确定在预设时间间隔Δt3(此处约为两分钟)内的颗粒浓度cn，之后计算C2颗粒浓度cn的平均值
Figure BDA0004090992080000111
作为用于表征呼出空气的判定参数pdec。图8示出一个示例性测量，其中颗粒浓度cn的平均值
Figure BDA0004090992080000112
被计算为每升空气424个颗粒。然后将所确定的判定参数pdec与预设值ph进行比较C3，该预设值ph是健康用户的颗粒浓度cn的平均值。如果用户的判定参数pdec高于预设值ph，则系统认为该用户是高排放者，也称为“超级扩散者”(每升空气排放的颗粒量超过平均值)，在某些情况下，这表明潜在地高风险感染，并且通过输出装置输出C5相应的警告信号。如果不是这样，则认为用户是健康的，并且输出C4相应的信号。图9通过流程图示出测量阶段C。
图10示出健康用户的颗粒浓度cn的确定，颗粒浓度cn的平均值
Figure BDA0004090992080000121
被计算为每升空气416个颗粒，其大致对应于根据图8的测量。相比之下，图11示出可能具有传染性的高排放用户的所确定的颗粒浓度cn。可以注意到，颗粒浓度cn在测量期间没有降低，这表明来自用户肺部的颗粒量至少与外部环境12的颗粒浓度cn一样高。相应地，颗粒浓度cn的平均值
Figure BDA0004090992080000122
被计算为每升空气66490个颗粒，其显著高于根据图10的健康人的相应值。因此，设备10输出C5警告信号，指示用户可能是高排放用户并且/或者至少潜在地具有传染性。呼出浓度取决于用户的呼吸操作，例如强制呼吸、潮式呼吸。优选地测量潮式呼吸。
在本发明的方法的另一实施例中，另外确定呼出空气中的颗粒尺寸分布cn(dp)。图12示出健康人的颗粒尺寸分布cn(dp)，两个轴均以对数方式显示。颗粒尺寸分布cn(dp)由气溶胶光谱仪30的256个测量通道记录，每个通道代表颗粒尺寸的间隔，这里是颗粒直径dp。在该实施例中，颗粒直径dp的间隔是对数排列的，如图12中的x轴所示。y轴对应于各个颗粒直径dp的颗粒浓度cn(dp)。图11示出颗粒直径dp约为0.2μm的颗粒浓度cn(dp)的全局峰49，峰49的值约为每升空气200个颗粒。对于颗粒直径dp大于1μm的颗粒，不作记录。可以通过在颗粒直径dp的整个范围内对颗粒尺寸分布cn(dp)进行积分来计算总颗粒浓度cn。
图13示出高排放和/或至少潜在传染性用户的颗粒尺寸分布cn(dp)。全局峰50位于约0.2μm的颗粒直径dp处，这也是健康用户的情况。然而，高排放和/或至少潜在传染性用户的相应颗粒浓度cn(dp)为每升空气约30000个颗粒，这显著高于健康用户的每升空气约200个颗粒的相应值。比较特定颗粒直径dp的颗粒浓度值cn(dp)，尤其是0.1μm至1μm范围内的颗粒直径dp，可以是区分健康用户和高排放用户的方式。对高排放用户的测量还表明，直径dp大于1μm的颗粒被记录，最高颗粒直径dp约为2μm至3μm，对于这种颗粒，记录了每升11个颗粒。这不是健康用户的情况，因此颗粒直径dp大于预设值的颗粒量cn(dp)也可用于区分健康用户和高排放用户。
参见图12和图13，因此，总颗粒浓度cn不是可以用来区分健康用户和高排放用户所基于的唯一判定参数pdec。用于该目的的其他参数pdec也可以是：(标度)平均颗粒直径、颗粒尺寸分布的形状、最小颗粒直径、最大颗粒直径、局部峰和/或全局峰。本发明的方法以在控制模块上运行的并且保存在计算机可读介质上的计算机程序的形式执行。
图14以示意图示出本发明的设备10的第二实施例。入口管路11、呼吸管路15和测量管路20整体地形成为单个T形部件21的管路插口，该T形部件还包括测量室27。入口管路11的直径等于呼吸管路15的直径，其中测量管路20的直径小于前两个直径。

Claims (55)

1.一种用于表征呼出空气中的颗粒(35)的设备(10)，所述设备(10)包括朝向外部环境(12)的入口管路(11)，其中所述入口管路(11)包括用于过滤颗粒的过滤器装置(13)，其中所述入口管路(11)流体连接到呼吸管路(15)，所述呼吸管路(15)包括可通过其呼吸空气的接口装置(16)，其中所述设备(10)包括测量管路(20)，所述测量管路(20)流体连接到所述呼吸管路(15)并且流体连接到颗粒测量设备(29)，所述颗粒测量设备(29)用于确定与所述呼出空气中的颗粒(35)相对应的参数(p)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述过滤器装置(13)包括深度过滤器(14)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述过滤器装置(13)是可拆卸和/或可更换的并且/或者形状配合地连接到所述入口管路(11)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述呼吸管路(15)被布置为平行于所述入口管路(11)，特别被布置为与所述入口管路(11)同轴。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述接口装置(16)包括口部装置，特别是面罩(18)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述接口装置(16)是可拆卸的，特别是可更换的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述接口装置(16)是一次性的和/或可消毒的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述接口装置(16)是可流体密封的，以阻止空气流过所述接口装置(16)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量管路(20)被布置为垂直于所述入口管路(11)和/或所述呼吸管路(15)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备(29)包括空气流产生装置(22)，所述空气流产生装置(22)被具体配置为产生具有预设流量的空气流，其中所述流量(qfl)具体在0.1升/分钟至101升/分钟、特别在0.1升/分钟至20升/分钟的范围内，优选在1升/分钟至10升/分钟的范围内。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量管路(20)和/或所述颗粒测量设备(29)包括加热装置(24、33)，所述加热装置(24、33)被具体配置为将温度(T)保持在预设值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量管路(20)，特别是其内壁(25)，和/或所述颗粒测量设备(29)包括至少一个抗静电和/或导电部件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量管路(20)和/或所述颗粒测量设备(29)包括至少一个止回阀(26)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量管路(20)的直径小于所述入口管路(11)的直径和/或所述呼吸管路(15)的直径。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述入口管路(11)、所述呼吸管路(15)和所述测量管路(20)整体地形成，优选为T形部件(21)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述入口管路(11)、所述呼吸管路(15)和所述测量管路(20)至少部分地包括测量室(27)，其中所述测量室(27)的体积(Vch)特别为至多25ml。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述测量室(27)被布置在所述接口装置(16)和所述过滤器装置(13)之间。
18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备(29)能够确定所述呼出空气中的颗粒(35)的以下参数(p)中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度(cn)、颗粒直径(dp)、颗粒质量、颗粒尺寸分布(cn(dp))、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备(29)能够确定的颗粒浓度(cn)的范围为每升空气0至107个颗粒，尤其是每升空气0.01至107个颗粒，优选每升空气0.01至5×106个颗粒，特别是每升空气0.01至106个颗粒。
20.根据权利要求18或19所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备能够确定的颗粒直径(dp)的范围为0.1μm至5μm，尤其是0.1μm至1μm，优选0.2μm至5μm，特别是0.3μm至5μm，尤其是0.5μm到5μm。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备(29)是包括至少一个光源(27)的光学颗粒测量设备。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述光源(27)能够发射具有至少一个波长的多色光和/或光，所述波长在380nm至490nm的范围内。
23.根据权利要求21或22所述的设备，其特征在于，所述光源(27)能够发射相干光。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的设备，其特征在于，所述光源(27)包括至少一个LED(27)。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备(29)包括光学颗粒计数器(41)。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备(29)包括气溶胶光谱仪(30)。
27.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述呼出空气中的颗粒(35)被布置在所述气溶胶光谱仪(30)的测量单元(43)内，使得所述颗粒(35)能够被光束(36)照射，其中所述颗粒(35)的散射光(39)能够由传感器(41)接收，并且所述颗粒(35)的散射光信号(39)能够通过分光镜按照强度进行记录，使得能够确定代表颗粒尺寸分布(cn(dp))的散射光信号(39)的尺寸分布。
28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述颗粒(35)在所述测量单元(43)内的运动方向、所述测量单元(43)内的光束(36)的方向和所述散射光(39)的方向被分别布置为彼此垂直。
29.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述颗粒测量设备(29)包括1至256个通道，优选4至256个通道，优选至少4至256个光谱通道，所述通道尤其能够检测光。
30.一种用于表征呼出空气中的颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
将呼出空气引导至用于表征呼出空气中的颗粒(35)的设备(10)；以及确定与所述呼出空气中的颗粒(35)相对应的参数(p)，所述参数(p)优选为以下参数中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度(Cn)、颗粒直径(dp)、颗粒质量、颗粒尺寸分布(Cn(dp))、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述方法由根据权利要求1至29中任一项所述的用于表征呼出空气中的颗粒的设备(10)执行。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其特征在于，将至少500ml的体积(V)的呼出空气引导至所述设备(10)。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其特征在于，以预设流量(qfl)将所述呼出空气引导至所述设备(10)，所述预设流量(qfl)的具体范围为0.1升/分钟至101升/分钟，尤其为0.1升/分钟至20升/分钟，优选为1至10升/分钟。
34.根据权利要求30至33中任一项所述的方法，其特征在于，确定(C1)预设时间间隔(Δt3)内的所述参数(p)，之后确定(C2)判定参数(pdec)。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，将所述判定参数(pdec)与预设值(ph)进行比较(C3)，并且根据所述比较的结果，输出信号(C4，C5)。
36.根据权利要求30至35中任一项所述的方法，其特征在于，在确定(C1)所述参数(p)之前执行清洁阶段(B)。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述清洁阶段(B)包括以下步骤：确定预设时间间隔(Δt2)内与所述呼出空气中的颗粒相对应的参数；基于所述参数(p)确定(B2)变化参数(Δcn)，并且优选地，如果所述变化参数(Δcn)满足预设比较(B3)，则输出(B4)信号。
38.根据权利要求30至37中任一项所述的方法，其特征在于，在确定(C)所述参数(p)之前，优选在所述清洁阶段(B)之前，执行密封检查阶段(A)。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述密封检查阶段(A)包括以下步骤：(A2)阻止呼出空气流到所述设备(10)；将经过滤的外部环境(12)的空气引导至所述设备(10)；确定预设时间间隔(Δt1)内的所述参数(p)；以及基于所述参数(p)确定参数(cn)，并且优选地，如果所述参数(cn)满足预设条件(A3)，则输出信号(A4)。
40.根据权利要求1至29中任一项所述的设备(10)用于表征呼出空气中包含的颗粒(35)的用途。
41.根据权利要求40所述的用途，其特征在于，所述表征包括确定以下参数(p)中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度(Cn)、颗粒直径(dp)、颗粒质量、颗粒尺寸分布(Cn(dp))、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度。
42.一种针对传染病筛查受试者的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)确定与所述受试者呼出的空气中包含的颗粒(35)相对应的至少一个参数(p)：颗粒数量、颗粒浓度(cn)、颗粒直径(dp)、颗粒质量、颗粒尺寸分布(cn(dp))、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度；
(b)将颗粒直径(dp)在预选范围内的呼出颗粒(35)的所确定的参数(p)与健康受试者呼出的相同直径(dp)范围的颗粒(35)的对照参数(p)进行比较；
(c)如果所确定的参数(p)满足预设条件，则将所述受试者识别为高排放用户，优选识别为至少潜在地患有所述传染病；和
(d)在第二筛查中筛查如此识别的受试者，以确认所述受试者患有所述传染病。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述第二筛查包括用于检测所述受试者中存在传染物的基于PCR的测试。
44.一种预防传染病传播的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)确定与受试者呼出的空气中包含的颗粒(35)相对应的至少一个参数(p)：颗粒数量、颗粒浓度(cn)、颗粒直径(dp)、颗粒质量、颗粒尺寸分布(cn(dp))、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度；
(b)将颗粒直径(dp)在预选范围内的呼出颗粒(35)的所确定的参数(p)与健康受试者呼出的相同直径(dp)范围的颗粒(35)的对照参数(p)进行比较；
(c)如果受试者的所确定的参数(p)至少满足预设条件，则将所述受试者识别为高排放用户，优选识别为至少潜在地患有所述传染病；和
(d)隔离所述受试者或者指示所述受试者佩戴面罩。
45.根据权利要求42至44中任一项所述的方法，其中使用根据权利要求1至29所述的设备(10)来执行步骤(a)。
46.根据权利要求44或45所述的方法，进一步包括以下步骤：
(e)用治疗有效量的治疗所述传染病的药剂治疗所述受试者。
47.根据权利要求42至46中任一项所述的方法，其中所述传染病是下呼吸道的病毒感染。
48.根据权利要求46或47所述的方法，其中所述传染病是新冠肺炎，并且所述药剂是抗病毒剂、免疫抑制剂或抗炎剂。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述抗病毒剂是瑞德西韦。
50.根据权利要求48或49所述的方法，其中所述抗炎剂是皮质类固醇并且可选地选自地塞米松。
51.一种针对传染物筛查空气样本的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)确定受试者呼出的空气样本中包含的颗粒(35)的以下参数(p)中的至少一个：颗粒数量、颗粒浓度(cn)、颗粒直径(dp)、颗粒质量、颗粒尺寸分布(cn(dp))、颗粒质量分布、颗粒质量浓度、颗粒数量浓度；
(b)将颗粒直径(dp)在预选范围内的样品的所确定的参数(p)与健康受试者呼出的空气样品中的相同直径(dp)范围的颗粒(35)的对照参数(p)进行比较；
(c)如果所确定的参数(p)满足预设条件，则将所述受试者识别为感染了所述传染物；并且可选地
(d)在第二筛查中筛查如此识别的受试者呼出的空气的另一样本，以确认所述受试者患有所述传染病。
52.一种抗病毒药物，选自瑞德西韦，用于治疗通过根据权利要求51所述的方法被识别为患有新冠肺炎的受试者。
53.一种抗炎剂，选自地塞米松，用于治疗通过根据权利要求51所述的方法被识别为患有新冠肺炎的受试者。
54.一种具有命令的计算机程序，特别在所述程序由所述设备的控制模块运行时，所述命令导致根据权利要求1至29中任一项所述的设备执行根据权利要求30至53中任一项所述的方法。
55.一种计算机可读介质，其上保存有根据权利要求54所述的计算机程序。
CN202080103404.7A 2020-08-27 2020-08-27 用于表征呼出空气中的颗粒的设备和方法 Pending CN116113364A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2020/074037 WO2022042850A1 (en) 2020-08-27 2020-08-27 Device and method for characterizing particles of exhaled air

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116113364A true CN116113364A (zh) 2023-05-12

Family

ID=72517211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080103404.7A Pending CN116113364A (zh) 2020-08-27 2020-08-27 用于表征呼出空气中的颗粒的设备和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230218195A1 (zh)
EP (1) EP4146066A1 (zh)
CN (1) CN116113364A (zh)
WO (1) WO2022042850A1 (zh)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8627821B2 (en) * 2005-01-10 2014-01-14 Pulmatrix, Inc. Method and device for decreasing contamination
US10502665B2 (en) * 2016-04-18 2019-12-10 University Of Maryland, College Park Aerosol collection system and method
SE541748C2 (en) * 2017-07-10 2019-12-10 Pexa Ab System for collecting exhaled particles

Also Published As

Publication number Publication date
US20230218195A1 (en) 2023-07-13
WO2022042850A1 (en) 2022-03-03
EP4146066A1 (en) 2023-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230172484A1 (en) Device and method for non-invasive analysis of particles during medical ventilation
US11534082B2 (en) System for collecting exhaled particles
US6125845A (en) Respirator fit-testing with size selected aerosol
Schwarz et al. Characterization of exhaled particles from the healthy human lung—a systematic analysis in relation to pulmonary function variables
JP2012510319A5 (zh)
US4370986A (en) Method and apparatus for determining the deposition of particles in the respiratory tract and/or for checking the function of the respiratory tract
JP2013519896A (ja) 一酸化窒素測定方法及び装置
Gebhart et al. The use of light scattering photometry in aerosol medicine
JP2017534887A (ja) 感染性疾患のスクリーニングのための呼気分析システムおよび方法
EP3359035B1 (en) Device and system for determining a respiratory feature of a subject based on a breathing gas
KR20190084537A (ko) 먼지 측정 장치
CA2948546A1 (en) Method and apparatus for a portable pm2.5 monitoring device
CN116113364A (zh) 用于表征呼出空气中的颗粒的设备和方法
JP7389063B2 (ja) エアロゾル送達を判定するデバイスおよび方法
KR20210153028A (ko) 호흡 습도 측정 장치
Freitag et al. Why simple face masks are unexpectedly efficient in reducing viral aerosol transmissions
CN110522451B (zh) 多组分气体中co弥散量的测量方法和系统
ATE473775T1 (de) Vorrichtung zur analyse von atemgasen
CN114343723B (zh) 非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统及方法
KR20240030323A (ko) 전자기파 및 빛을 이용하여 호기 내 바이러스를 검출하는 장치
CN114423479B (zh) 用于确定气溶胶的给药速率的传感器模块和方法
WO2024033923A1 (en) Classification of pathogens in air by analysis of light scattering pattern images
JP2022122561A (ja) 飛沫検出装置
KR20210123655A (ko) 생체시료 보존용 마스크 및 이를 이용한 호흡기 바이러스 또는 구강 미생물의 검출 방법 및 모니터링 시스템
CN115436236A (zh) 呼出气体颗粒物检测装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination