CN117715595A

CN117715595A - 呼吸采样装置

Info

Publication number: CN117715595A
Application number: CN202280051304.3A
Authority: CN
Inventors: D·杰索普; M·奥斯沃斯
Original assignee: Owlstone Medical Ltd
Current assignee: Owlstone Medical Ltd
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2022-07-22
Publication date: 2024-03-15
Also published as: GB202110582D0; WO2023002215A1

Abstract

本技术涉及采样装置，并且具体地涉及呼吸采样装置。我们描述了一种设计呼吸采样装置的计算机实现的方法，该呼吸采样装置包括壳体和吸附剂材料，其中大部分的呼出气息穿过所述壳体并且吸附剂材料延伸跨越壳体的横截面。该方法包括：识别该装置的多个参数，所述参数随着呼吸采样装置的不同设计而变化，以及选择使全局适应度值最大化的多个参数的值。多个参数包括吸附剂材料的质量、吸附剂材料的尺寸、吸附剂材料的厚度、穿过体积和装置内的流率中的至少两者。

Description

呼吸采样装置

技术领域

本技术涉及采样装置，并且具体地，本技术涉及呼吸采样装置。

背景技术

图1a示出了呼吸采样器，该呼吸采样器是无创式呼吸采样装置10，例如在专利出版物WO2017/187120或WO2017/187141中描述的。呼吸采样装置10可以从呼出气息中收集挥发性有机化合物和气息液滴样品。呼吸采样装置10在正常潮气呼吸期间提供无创采样并具有用于气息分数目标的选项，同时确保患者安全和舒适。图1b示出了受试者正在使用的呼吸采样装置10。

图1c是示出了呼吸采样装置10的操作的示意图。装置10包括用于对气息进行采样的多个吸附管12。典型地，每个吸附管在气息/空气的标称流率下呈现约24mbar的压降。因此，典型地如图所示，仅少量呼出气息(约2％)由装置中的每个吸附剂管采样。该量取决于受试者的气息速率和气息采样方法。仅作为示例，如果用户以10L/min的速率在呼吸采样装置10中气息，则在吸附管12中采样约0.8L/min，并且9.2L/min穿过该装置而不被采样。此外，吸附管以大致垂直于气息从用户流入装置的方向布置。

假定在每个气息循环中仅捕获少量呼出气息，通常需要捕获几次气息以确保已经采样了足够量的呼出气息。申请人已经认识到需要这样的呼吸采样装置，其在每个气息周期中从用户/患者对更多的气息进行收集和采样。

发明内容

根据本技术，提供了如所附权利要求中所述的方法和装置。本发明的其它特征将从从属权利要求和随后的描述中变得明了。

我们描述了一种设计呼吸采样装置的计算机实现的方法，该呼吸采样装置包括壳体和吸附剂材料，其中大部分的呼出气息穿过所述壳体，并且吸附剂材料延伸跨越壳体的横截面，所述方法包括：识别装置的多个参数，所述多个参数随着所述呼吸采样装置的不同设计而变化，以及选择使全局适应度值最大化的所述多个参数的值。多个参数包括吸附剂材料的质量、吸附剂材料的尺寸、吸附剂材料的厚度、穿过体积和装置内的流率中的至少两者。所述全局适应度值是通过以下步骤确定的：通过计算针对所选择的多个参数中的每个参数的特定值的适应度值，其中适应度值指示具有特定参数值的设计是否合适；以及组合针对多个参数中的每一个的适应度值。该方法可以包括计算针对所识别的多个参数中的每一个的多个参数值的适应度值，并且组合所计算的多个参数中的每一个的适应度值以获得多个全局适应度值。可以为多个参数中的每一个选择使全局适应度值最大化的计算的适应度值，并且将理解，通过选择适应度值，从而选择对应于适应度值的参数值。然后可以输出具有所选的计算的适应度值的多个参数的参数值。本领域技术人员将理解，使全局适应度值最大化可以包括为每个参数计算至少一个值。

如下文更详细地解释的，全局适应度的最大化允许平衡装置的参数值以实现最佳装置。换句话说，与现有设计或具有不同参数值的设计相比，该装置可以被设计为使气息相对容易地通过，并且具有相对低量的吸附剂材料并收集相对高量的气息(并且因此收集气息中的感兴趣的挥发性有机化合物(VOC))。

穿过体积可以定义为一种或多种特定化合物通过吸附剂材料的保留体积。换句话说，保留体积可以是呼出气息通过该装置时被吸附剂材料实际采样的该呼出气息中的一种或多种特定化合物的体积。穿过体积还可以定义为针对一种或多种特定化合物在限定条件下的吸附剂的保留体积，例如通常在气息中找到的湿度和/或其它条件。如上所述，具有多个吸附管道的呼吸采样装置仅能够采样少量呼出气息。这部分是由于只有少量(可能10％的呼出气息)通过设有多个吸附管道的装置的部分。相反，在所述装置中，吸附剂材料延伸跨越壳体的横截面，大部分的气息穿过该横截面。因此，该装置能够跨越大部分的气息的横截面采样。呼出气息可以被分离，其中呼出气息的初始部分(例如，第一100ml)被丢弃，因为其对于分析通常不是有用的。呼出气息的剩余部分(例如400ml左右)可以被采样并且可以被称为呼出气息的目标部分。大部分可以高于呼出气息的80％、90％，并且甚至可以达到呼出气息的100％，或者其中分离的气息可以高于呼出气息的目标部分的80％、90％，并且甚至可以达到呼出气息的目标部分的100％。这将意味着在每个呼吸周期中对每次呼出气息的明显更大的体积进行采样。因此，可能只需要一次呼吸即可达到穿过体积并确保准确的测试结果。该装置可以是单次摄入采样器，但也可以收集多次呼吸。改变吸附剂材料的几何形状是复杂的，因为穿过体积取决于装置内的流率(空气速度)、吸附剂材料的厚度和吸附剂材料本身。

选择所计算的适应度值并因此选择使全局适应度值最大化的多个参数的值可以包括使用优化算法。例如，可以设定多个参数中的每一个的初始值；可以计算多个参数的每个初始值的初始适应度值；初始适应度值可以被组合以获得初始全局适应度值；然后可以运行优化算法以迭代地调整针对多个参数中每个参数的初始值，并重复计算和组合步骤，直到全局适应度值最大化。可以使用任何适当的技术(例如蒙特卡罗方法)来设定初始值。应当理解，通过使用优化算法，为多个参数值计算适应度值，其中每个参数值是来自初始参数值的迭代。类似地，通过重复组合步骤获得多个全局适应度值。换句话说，运行优化算法有效地计算所识别的多个参数中每个参数的多个参数值的适应度值，并且组合所计算的多个参数中每个参数的适应度值以获得多个全局适应度值。

作为运行优化算法的替代，选择使全局适应度值最大化的多个参数的值可以包括计算所选多个参数中每个参数的多个值的适应度值；组合所计算的适应度值以获得多个全局适应度值；以及为所述多个全局适应度值编索引以获得最大化的全局适应度值。换句话说，可以模拟具有多个参数的不同值的大量设计，从而可以计算每个参数的适应度值并将其存储在数据库中，从而可以从数据中提取最大全局适应度值。

计算针对特定值的适应度值可以包括为所选择的多个参数中的每一者定义适应度函数，并且使用所定义的适应度函数来计算参数的特定值的适应度值。适应度函数描述为适应度值随参数变化而改变。适应度值可以在0和1之间变化，其中0指示完全不可接受的设计，1指示完全可接受的设计。当任何一个适应度值为零时，组合适应度值的方法可以使得全局适应度值也为零。这确保不会从过程输出不合适的设计。组合适应度值的一种方法是计算几何平均值。还可以使用赋予一些参数比其它参数更大权重的加权乘积。

适应度函数可以被认为表示有助于评估设计的适应度的标准，并且因此它们可以表示装置上的实际或机械约束。适应度函数可以由一个或多个误差函数表示。例如，针对穿过体积和吸附剂材料的厚度中的每一者的适应度值可以低于第一阈值时趋近于0和高于第二阈值时趋近于1。这表明必须满足第一阈值，例如必须收集特定的气息体积并且吸附剂材料必须足够厚。本领域技术人员将理解，如果吸附剂材料太薄且太宽，则难以设计吸附剂材料。在第二阈值以上，没有进一步的增益。在实践中，第一和第二阈值可以被设置为不可接受的阈值和理想的阈值，其允许在0和1的极值周围的小误差余量，并且反映适应度函数趋近于0或1但除了±无穷大的值之外将不可实现0和/或1的事实。因此，仅仅作为示例，实现提供0.99的适应度值的穿过体积的总气息体积的理想值可以是x_ideal＝63。类似地，不能实现提供0.01的适应度值的穿过体积的总气息体积的不可接受值可以是x_unacceptable＝57。应当理解，定义不同的适应度函数和/或不同的理想和可接受值可能改变设计的结果。

针对吸附剂材料的尺寸和吸附剂材料的质量中的每一者的适应度值可以低于第一阈值时趋近于1和高于第二阈值时趋近于0。这表明一旦超过第一阈值(例如，装置的尺寸太大)，设计的适应度随着参数的进一步增加而减小，直到满足第二阈值并且设计是完全不可接受的。也可以使用理想值和不可接受值的概念。仅作为示例，提供0.99的适应度值的尺寸(直径)的理想值可以是x_ideal＝20mm，而提供0.01的适应度值的尺寸(直径)的不可接受值可以是x_unacceptable＝30mm。尺寸可以定义为横截面积，或者对于规则形状的吸附剂材料(例如圆盘)，尺寸可以由直径定义。吸附剂质量的适应度函数可以更复杂，但是总体上，使用的吸附剂质量越低，适应度值越高。

适应度函数可以是误差函数的组合。例如，第一误差函数可以具有在第一气流阈值以下就趋近于0的适应度值，并且一旦超过第二气流阈值适应度值就趋近于1，并且在两个阈值之间具有平滑曲线，并且在第二误差函数中，设备具有在第三气流阈值以下就趋近于1的适应度值，并且一旦超过第四气流阈值适应度值就趋近于0，并且在第三和第四阈值之间具有平滑曲线。当组合误差函数时，也可以使用理想值和不可接受值的概念。例如，气流的理想值的范围可以定义为在35L/min和150L/min之间，并且气流的不可接受值的范围是低于25L/min和高于200L/min。

穿过体积和流率值至少部分地由吸附剂材料的几何形状确定。因此，改变吸附剂材料的质量、尺寸和/或厚度可能影响穿过体积和流率值。流率还可以取决于使用该装置的患者的肺数据。因此，在计算适应度值之前，该方法可以包括例如使用吸附剂材料的质量、尺寸和/或厚度的一个或多个特定值和肺数据来评估穿过体积和流率。在存在例如针对不同类型的患者的多组肺数据的情况下，该方法可以包括计算针对每组肺数据的每个选定参数的适应度值。

换句话说，可以使用经验导出的公式和/或公知的精确公式来评估(例如计算)穿过体积和流率。例如，可以通过将所获得的针对一种或多种感兴趣的化合物的特定穿过体积的值(吸附剂的每单位质量的穿过体积)乘以吸附剂材料的质量来计算穿过体积。如果穿过体积是根据与人类呼吸具有相同温度和湿度(约35℃；60％-80％相对湿度)的空气的适当测量经验性推导的，则穿过体积也可以考虑呼出气息的湿度和温度的影响。例如，可以通过计算在特定的一组条件下吸附剂材料的多少百分比将被气息中的水有效地失活来考虑湿度，并且因此可以获得多少百分比的吸附剂材料来捕获感兴趣的化合物。可用于捕获感兴趣化合物的吸附剂材料的这种减少表现为穿过体积的减少。这可以通过改变其它参数来抵消，例如增加吸附剂材料的料层深度。可以根据例如根据相对于空气速度的穿过体积的测量和/或相对于吸附剂厚度的穿过体积的测量来内插特定穿过体积。换句话说，穿过体积可以被认为是依赖于空气速度和/或吸附剂厚度的经验导出值。已知给定迭代的吸附剂厚度，但需要获得空气速度。例如，可以使用标准公式根据流率(dV/dt)计算空气速度。可以根据通过吸附剂材料的流动阻力和肺数据来确定流率。可以根据吸附剂几何形状和吸附剂流动阻率来计算通过吸附剂材料的流动阻力。

装置内的其它部件可对穿过体积和/或流率的值产生影响。例如，该装置还可以包括孔口板，该孔口板具有限制通过该装置的流率的孔口。因此，孔口板可以用作增加吸附剂材料量的替代物(或作为增加吸附剂材料量的补充)。通常，我们试图将吸附剂材料的量保持在最小，因此使用孔口板将是有益的。所述多个参数还可以包括孔口直径，并且所述方法可以包括选择孔口直径的值，该值在选择其它值时使全局适应度最大化。该方法还可以包括基于孔口直径的特定值来评估流率的特定值，例如使用定义孔口几何形状对流率的影响的标准公式。

我们还描述了制造具有输出选择值的呼吸采样装置的方法。换句话说，我们还描述了一种呼吸采样装置，该呼吸采样装置包括壳体和吸附剂材料，在使用中，呼出到呼吸采样装置中的大部分气息通过该壳体，该吸附剂材料跨越壳体的横截面延伸，其中，呼吸采样装置是根据上述方法制造的。当排除气息的分离部分时，气息的大部分可以高于气息的80％或气息的目标部分。吸附剂材料可延伸超过横截面的至少50％，甚至至少70％。

我们还描述了一种呼吸采样装置，包括：呼出气息通过其接收在装置中的入口；呼出气息通过其离开装置的第一出口；壳体，其连接在入口和第一出口之间并且在使用中，用户呼出气息的大部分通过所述壳体，以及跨越壳体的横截面延伸的吸附剂材料。

应当理解，对于不同的输入，例如不同的适应度曲线和/或不同的肺数据，将输出不同的优化参数。仅仅，作为示例，对于圆盘形吸附剂材料，上述方法可以输出具有4.03mm的吸附剂厚度和17.2mm的吸附剂直径的优化参数。因此，吸附剂材料可以具有大约4.03mm的厚度和大约232²mm的表面积或横截面面积。在另一次迭代中，上述方法可以输出具有2.5mm的吸附剂厚度和21.9mm的吸附剂直径(即约377mm²的表面积)的优化参数。在另一次迭代中，上述方法可输出具有3.12mm的吸附剂厚度和25.6mm的吸附剂直径(即，约515mm²的表面积)的优化参数。在每个实施例中，吸附剂材料的宽度(直径)明显大于其厚度，这与标准吸附管形成对比，例如，宽度可以在厚度的大约4倍至9倍之间。换句话说，吸附剂材料大(即宽)且薄。

吸附剂材料可以是单件，例如圆盘或其它合适的形状。可替代地，吸附剂材料可以由多个离散部分形成，例如圆盘或诸如矩形部分的其它形状，其中离散部分的总尺寸总和为期望的尺寸。离散部分可以各自是相同的或不同的尺寸。例如，直径为21.9mm的圆盘可以由每个直径为9.8mm的五个离散部分形成。离散部分可以支撑在吸附剂保持器中。例如，每个离散部分可以被保持在吸附剂保持器中的单独通道内。

该装置还可以包括指示已经由该装置采样的总气息量的指示器。该指示器可以是颜色改变条带，其中当已经达到总体积(并且因此期望的穿过体积)时改变颜色，或者可以是当已经达到总体积(并且因此期望的穿过体积)时膨胀到拉紧形状的袋。这种指示器是机械的或化学的，但不引入任何电子元件。可替代地，可以使用电子部件，例如，可以包括用于测量总气息量的呼吸量计。所述装置还可以包括指示由所述装置采样的气息的时间长度的指示器。当用户已经通过设备呼出特定时间(例如，7分钟)时，可能已经达到期望的穿过体积。

该装置还可以包括孔口板，该孔口板具有限制流过该装置的孔口。孔口板可以放置在吸附剂材料和出口之间。孔口板可以由孔口板保持器保持在适当位置。孔口的直径和长度可根据装置的设计进行调节。

该装置还可以包括旁通部件。该旁通部件被配置成分割来自用户的呼吸循环。换句话说，旁通组件被配置成允许呼出气息的初始部分离开装置而不被吸附剂材料采样。通常，呼吸周期的初始部分不包含任何有用的数据并且最好被丢弃。旁通部件可以是机械部件，例如膨胀到固定体积的气球或袋或流量开关。同样，这避免了对电子元件的需要。该装置可以包括用于呼出气息的第二出口，并且旁通部分可以被配置成使得呼出气息的初始部分通过第二出口离开装置。

该装置还可以包括过滤器，该过滤器在入口和吸附剂材料之间，并且过滤出气息中的细菌、病毒或其它不期望的元素。吸嘴可以安装到入口以便于用户使用。应当理解，指示器、孔口板、旁通部件、过滤器、吸嘴的任何组合可以结合在装置中。适配器可用于促进部件之间的连接，从而可实现完全模块化的装置。此外，该装置可以是完全模块化的装置，其中根据特定用途沿着流动路径以不同顺序放置部件。例如，如果期望过滤器吸收挥发性有机化合物(VOC)，则可将过滤器放置在吸附剂壳体之后。

如本领域技术人员将理解的，上述方法可以实现为系统或计算机程序产品。因此，本技术可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

此外，本技术可以采取体现在其上具有计算机可读程序代码的计算机可读介质中的计算机程序产品的形式。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读介质可以是，例如但不限于，电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或前述项的任何合适的组合。

可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写用于执行本技术的操作的计算机程序代码，该编程语言包括面向对象的编程语言和常规过程编程语言。代码组件可以实现为过程、方法等，并且可以包括子组件，其可以采取从本机指令集的直接机器指令到高级编译或解释语言构造的任何抽象级别的指令或指令序列的形式。

本技术的实施例还提供了装载代码的非瞬时性数据载体，当在处理器上实现代码时，使得处理器执行本文描述的任何方法。

这些技术还提供了用于实现上述方法的处理器控制的代码，例如在通用计算机系统上或在数字信号处理器(DSP)上的代码。这些技术还提供装载处理器控制代码的载体，以便在运行时实现上述方法中的任何方法，特别是在非暂时性数据载体上。该代码可以被提供在诸如磁盘、微处理器、CD-ROM或DVD-ROM、诸如非易失性存储器(例如闪存)或只读存储器(固件)的编程存储器的载体上，或者被提供在诸如光学或电信号载体的数据载体上。用于实现本文描述的技术的实施例的代码(和/或数据)可以包括资源、对象、或以常规编程语言(例如Python、C)(解释或编译)的代码、汇编代码、用于设置或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)的代码、或者用于硬件描述语言(例如Verilog(RTM)或VHDL(甚高速集成电路硬件描述语言))的代码。如本领域技术人员将理解的，这种代码和/或数据可以分布在彼此通信的多个耦合组件之间。该技术可以包括控制器，该控制器包括耦合到系统的一个或多个部件的微处理器、工作存储器和程序存储器。

本领域技术人员还将清楚，根据本技术的实施例的逻辑方法的全部或部分可以适当地体现在包括执行上述方法的步骤的逻辑元件的逻辑装置中，并且这种逻辑元件可以包括例如可编程逻辑阵列或专用集成电路中的诸如逻辑门的组件。这种逻辑布置还可以实现为使用例如虚拟硬件描述符语言在这种阵列或电路中临时或永久地建立逻辑结构的使能元件，其可以使用固定的或可传送的载波介质来存储和传送。

在一个实施例中，本技术的方法可以以其上具有功能数据的数据载体的形式实现，所述功能数据包括功能性计算机数据结构，以当加载到计算机系统或网络中并由此操作时，使所述计算机系统能够执行上述方法的所有步骤。

尽管示出和描述了本发明的一些优选实施例，但是本领域的技术人员将理解，可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种改变和修改，如所附权利要求中所限定的。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出如何实施本发明的实施例，现在将仅通过示例来参考附图，其中：

图1a是本领域已知的呼吸采样装置；

图1b是使用中的图1a的呼吸采样；

图1c是图1a的呼吸采样的示意图；

图2a和2b是根据本申请描述的技术的呼吸采样装置的剖视图，其分别示出了呼出气息和吸入气息通过该装置的流动方向；

图2c和图2d是图2a的呼吸采样装置的变型，其中电子呼吸量计被替换为替代性的非电子部件；

图2e是图2c的呼吸采样装置的变型；

图3是根据本申请描述的技术的另一呼吸采样装置的剖视图；

图4a是图2a至图3的呼吸采样装置的示意性简化视图；

图4b是可用于优化图2a至图3的呼吸采样装置的设计的示意性模型；

图5是例如使用图4b的模型来优化呼吸采样装置的设计的方法的流程图；

图6a至图6e示出了适应度函数，其分别绘制了适应度值相对于总气息体积L、气流(L/min)、吸附剂厚度(mm)、吸附剂直径(mm)和吸附剂质量(g)的变化；

图7a绘制了针对不同吸附剂厚度(mm)和空气速度(m/s)值测量的特定穿过体积(m³/kg)的变化；

图7b示出了由受损患者(下方线)和典型用户(上方线)产生的体积流率(L/min)相对于压力(mbar)的理论肺静态压力曲线；

图8a是示出了不同吸附剂质量(g)和吸附剂直径(mm)的全局适应度值的热图；

图8b至图8g是绘制不同个体适应度值相对于两个参数(过滤器(即吸附剂)直径和吸附剂质量)的变化的热图；

图9是执行图5中的方法的计算设备的示意性框图；以及

图10是示出了替代性布置的局部横截面。

具体实施方式

总体上说，我们描述了一种呼吸采样装置，该呼吸采样装置被配置成对从用户/患者的呼出气息的显著部分(可能是整体)进行采样。这是通过使用一种采样装置来实现的，该采样装置包括具有适于最佳结果的几何形状的吸附剂材料，如下所述。该优化的几何形状是其中材料的厚度显著小于材料的宽度的几何形状。在使用中，用户通过吸嘴向装置中呼入(一次或多次，甚至数百次)，呼出气息通过吸附剂材料，从而可以对大部分呼出气息进行采样，并且气息内所需的挥发性有机化合物可以被吸附剂材料吸附。作为示例，期望的挥发性有机化合物可以是D5-乙醇。气息捕获被称为无辅助的，因为用户提供了必要的压力以推动气息通过装置。因此，有益地，呼吸采样装置被优化，使得用户能够舒适且容易地通过该装置气息，并且该装置能够收集尽可能多的挥发性有机化合物(VOC)，同时以合理尺寸的几何形状使用最少量的吸附剂。

相同或大致相同的特征在附图和整个描述中具有相同的附图标记。因此，省略了对这些特征的重复描述。

图2a和图2b示出了根据本技术的呼吸采样装置20的一种布置的横截面。在图2a中，使用箭头示出了通过装置的呼出气息的方向，类似地，在图2b中，使用箭头示出了通过装置的吸入气息的方向。呼吸采样装置20包括呼出气息通过其进入装置的入口30、用于呼出气息出口60和其中设有吸附剂材料52的壳体50。吸附剂壳体50连接在入口30和出口60之间，使得呼出气息经由吸附剂材料52穿过装置20，并通过出口60排出。在这种布置中，呼出气息通过吸附剂材料的流动方向大致平行于用户的气息通过入口进入装置的流动方向。如图2b所示，用于呼出气息的入口30也用作用于吸入气息的出口30。当吸气时，空气通过第二入口46被抽吸，并通过单向阀32直通到出口30，该单向阀32防止在呼气时气流过阀32。还存在第二单向阀40，其在吸气时防止气流通过阀40进入壳体50。

吸附剂材料也可以称为吸附材料或吸附剂，并且这些术语可以互换使用。吸附剂材料52可以呈圆盘形或任何合适的形状，并且吸附剂材料52的结构将在下面更详细地描述。特别地，吸附剂材料52至少延伸跨越壳体50的整个横截面的大部分(至少50％)。换句话说，吸附剂材料52延伸跨越入口和出口之间的流体路径，由此吸附剂材料对每次呼出气息的大部分进行采样，特别是对分馏的目标气息的大部分进行采样。吸附剂材料52可以由活性炭和/或沸石和/或活性氧化铝和/或褐煤焦炭(lignite coke)和/或膨润土(bentonite)制成。合适的材料是碳筛SIII 60-80和/或碳素569。在适当的情况下，可以例如在250摄氏度下烘烤吸附剂材料以调节吸附剂材料以除去挥发性化合物(如乙醇)。可以甚至在高于250摄氏度的温度下烘烤吸附剂材料，例如通过除去其它挥发性化合物来重新调节吸附剂材料。

呼出气息通过该入口30进入该装置，并且该入口30还用作用户的吸入气息的出口，该入口30可以是吸嘴的形式。吸嘴被构造成与单向入口阀32、40连接，以允许用户在吸气和呼气时将吸嘴保持在嘴中。吸嘴可确保在正常潮气呼吸期间进行无创采样。在使用中，用户(可以是患者)将吸嘴放在嘴中或嘴附近，并且气息进入吸嘴。吸入气息通过入口46经由单向阀32流入吸嘴(和用户)，并通过吸嘴和单向入口阀40呼入装置20。单向阀32防止任何气流通过入口46流出装置。类似地，由于单向阀40，没有流体可以通过呼出气息出口60进入装置。用户提供必要的压力以推动气息通过装置20，从而实现无辅助气息捕获。可替代地，可以使用可放置在人嘴中/周围而不会对用户造成任何实质性不适的吸嘴(例如，如图1a所示)。吸嘴可以由任何合适的材料制成，例如硅树脂和/或塑料。吸嘴可以是可拆卸的，以便每次使用后都可以更换。因此，有益地，同一呼吸采样装置可以由一个以上用户/患者使用。

在这种布置中，管嘴部分中可以具有锥形连接部34，例如以便于管嘴的连接。连接部34本身可以连接到连接器36。连接器36连接在单向阀32和第二单向阀40之间，单向阀32控制吸入气息流进入装置，呼出的空气通过第二单向阀40到达装置20的其余部分。

如该布置中所示的，可选的气息过滤器44可以连接在连接器36和吸附剂壳体50之间。过滤器44的功能可以是防止细菌和病毒在呼气时进入装置而穿过过滤器44到达吸附剂材料52。因此，当呼吸采样装置由一个以上用户/患者使用时，过滤器44例如可以有利地防止患者之间的交叉污染。气息过滤器44还可以有利地帮助冷凝和水滴去除。过滤器的优点还包括可以在患者之间重复使用过滤器下游的任何部件。

如该布置中所示的，呼吸量计54可选地连接在呼出气息出口60和吸附剂壳体50之间。呼吸量计54用于测量通过出口的空气的体积。当该装置用于收集多次呼吸时，呼吸量计54可以被配置成测量已经通过吸附剂材料的总气息体积。例如，可能需要针对阈值体积(例如60升)进行采样以确保精确的结果。还应注意，与通常用诸如的已知装置进行采样的体积相比阈值体积是大体积。当不使用呼吸量计54(或其它体积测量装置)时，可以指示用户在固定的时间限制(例如，7分钟)内呼吸到装置中以确保达到阈值总气息体积(并因此达到穿过体积)。在该示例中，可以通过考虑用户呼吸的时间，例如通过计算质量/分钟(或类似的)来来计算由吸附剂材料捕获的特定化合物的量。

可包括连接到入口46的第二呼吸量计(未示出)以测量通风、空气进入用户肺部的运动。因此，有益地，第二呼吸量计可用于测量用户/患者的肺容量。

图2c示出了替代性方案，其中机械指示器(例如可充气袋56)可用于指示已经通过吸附剂材料的总气息体积。袋可以具有正确的阈值体积，例如60升。还可以结合其它单向阀以防止空气回流到装置中，尽管可能不需要该额外的单向阀，因为该功能也可以由现有的单向阀40提供。

图2d示出了替代性方案，其中机械或化学指示器(例如变色条58)可用于指示已经通过吸附剂材料的总气息体积。一旦检测到的化合物(例如，一定量的二氧化碳)的正确阈值体积通过条带，条带就改变颜色。本领域技术人员将理解，也可以使用检测化学品的任何其它类似的指示器。

图2e示出了图2c的布置的示例变型，其中较小的可充气袋246用于测量呼出体积。该装置包括分流器242，其将来自呼出气息出口的气流分成两股气流。在该示例中，分流器242具有Y形，但是也可以使用其它形状。分流器242包括两个单向阀244a、244b，每个单向阀具有不同的流动阻力。第一单向阀244a具有显著低于第二单向阀244b的流动阻力，例如1：11的比率。由于较低的流动阻力，最初呼出气息通过第一单向阀244a而不是第二单向阀，并被收集在可充气袋246中。

随着袋充气，通过第一单向阀244a的流动阻力逐渐增加，直到通过第一单向阀的流动阻力高于通过第二单向阀244b的流动阻力。一旦通过第一单向阀224a的流动阻力高于通过第二单向阀244b的流动阻力，则通过分流器242的任何剩余气流流过第二单向阀244b以离开装置。可充气袋可以是例如5升的袋，其与Y型分流器上的1∶11的分流比一起意味着一旦袋被填充，就可以假设至少12倍的呼出气息量已经通过吸附剂材料。换句话说，已经实现了60升的总气息体积。应当理解，也可以使用其它尺寸的袋和阀上的流动阻力比来确保填充小袋指示已经实现了整体穿过体积。

回到图2a，孔口板62可选地连接在出口60和吸附剂壳体50之间，更具体地，在出口60和呼吸量计54之间的这种布置中，但是顺序可以改变。孔口板62是具有孔口的板，并且被支撑在适配器42中。孔口将沿着呼出气息入口30和呼出气息出口60之间的流体路径提供额外的流动阻力，以限制空气(来自用户的气息)通过装置的流动。通常，孔口产生非线性流动阻力。换句话说，孔口在较高的流率下呈现不成比例高的流动阻力，这有助于将气流和因此通过吸附剂的流率保持在可接受的限度以下，以用于不同的肺工作。因此，该装置可适于在宽范围的患者中使用和/或可被设计为实现更显著地增加高于一些标称流值的流动阻力。

如下面更详细地解释的，孔口板可以被设计成与吸附剂材料的几何形状一起调节，以实现通过装置的期望流率。还可以基于临床数据使用不同的孔口板，以改善采样性能并使不同类型的患者呼吸更舒适。例如，为了将流量保持在合理的阈值以下，针对高大的男性将具有比针对娇小的女性更严密的孔口。

仅作为示例，吸附剂材料为直径为17.2mm且厚度为4.03mm的圆盘形，因此含有625mg碳筛SIII 60-80。该量的吸附剂在10L/min下产生18.9mbar的阻力。孔口板中的孔口的直径可以为2.19mm，并且孔口板可以在直径为20mm的管内。在这些尺寸下，孔口板在10L/min下提供32.3mbar的阻力。可替代地，作为另一示例，吸附剂材料是直径为21.9mm且厚度为2.5mm的圆盘形，因此含有635mg的碳筛SIII 60-80。该量的吸附剂在10L/min下产生5.4mbar的阻力。孔口板中的孔口可以是3.88mm。在这些尺寸下，孔口板在10L/min下提供33.4mbar的阻力。

图2a和图2b所示装置的布置包括吸嘴、锥形连接部34、具有两个单向阀32、40的连接器36、过滤器44、吸附剂壳体50、呼吸量计54和孔口板62，它们流体连接形成从入口30到出口60的流体通道。虽然该装置是整体式的，但它也是完全模块化的，并且可以根据设计选择性地省略或交换一个或多个部件，例如过滤器44、呼吸量计54和孔口板62。一个或多个适配器42可用于促进不同部件之间的连接。例如，过滤器44经由适配器42连接到单向阀40。类似地，孔口板62支撑在连接到呼吸量计54的适配器42中。可以使用任何合适的适配器42。适配器的功能是在设备的不同部件之间提供更简单和/或更可靠的连接。本领域技术人员还将理解，装置的所有部件都符合适当的标准，例如ISO5356-1:2015标准。使用适配器允许患者在使用之间替换或移除装置的一些部分，例如连接器36、单向阀32、40、过滤器44和过滤器44上游的适配器42可以在患者之间替换。

图3示出了根据本发明的合适的呼吸采样装置的另一种布置，其具有比图2a的布置更少的部件。在这种布置中，呼吸采样装置120包括壳体150和壳体150内的吸附剂材料保持器152。该装置包括入口130和出口160，入口130和出口160通过壳体150流体连接，并且吸附剂材料保持器152支撑在入口和出口之间的流体路径上，以对用户/患者的呼吸进行采样。入口130被配置成容纳吸嘴134。在使用中，用户的气息流可以从吸嘴134经由壳体150行进到吸附器保持器152并离开出口160。在这种布置中，吸附器保持器152被布置成使得空气以大致平行于呼出气息通过入口的流动方向的方向穿过吸附剂材料。

在这种布置中，壳体150可以是圆柱形中空管的形式。壳体150可以由塑料或任何合适的材料制成。旁通部分140从壳体150延伸，大致与入口130和出口160之间的流体路径成直角。在该示例中，旁通部分140包括流动开关，以提供如上所述的气息循环的不同部分的机械分离。

旁通部分140提供第二出口，呼出空气可通过该第二出口离开装置。旁通部分140可以被配置成机械地分离来自用户的气息，由此当用户在吸嘴中呼吸时，气息的第一部分(可能10％)优选地经由旁通部分140离开装置。气息的后续部分可以沿着流体路径流动到待采样的吸附剂壳体50。在该示例中，旁通部分140总体上与入口130和第一出口160之间的流体路径成直角突出。

呼出气息的第一部分通常不包含已经进入肺泡的空气，而仅仅是位于口腔和细支气管(又称解剖学无效腔)中的空气。因此，该第一部分通常包含少量待采样的颗粒。可以例如通过将旁通部分140连接到可充气元件(例如气球或袋)来机械地实现气息的分离。当用户首先在吸嘴134中呼吸时，充气元件对流体流提供很少的阻力或没有阻力，并且对流体流提供比吸附剂材料更低的阻力。因此，气息的第一部分流过旁通部分140并开始使可充气元件充气。单向阀46可以连接到可充气元件以阻止流体通过旁通部分140回流。一旦可充气元件至少部分地或完全地充气，则显著地对流体流具有更大阻力，并且流体流更容易地沿着流体路径流过吸附剂材料。可以选择可充气元件的容量和弹性以确保呼出气息的期望分离。当该装置用于收集多次气息时，可充气元件可以在每次呼吸之间排气。

也可以使用诸如阀的其它装置来实现类似的机械效果。因此，旁通部分可以是完全无源的，而没有任何电子器件。因此，有益地，呼吸采样装置可以更耐用且更便宜并且更易于制造。

如图所示，吸附器保持器152延伸跨越壳体150的整个横截面，并因此延伸跨越从入口到出口的整个流体路径。吸附器部分130包括吸附剂材料。通过延伸跨越整个横截面，如图2中所示，呼吸采样装置被配置成对呼吸的整个气流进行采样，而不是对被引导朝向已知装置的吸附剂管的气流段进行采样。

在图2a至图3的示例中，吸附性材料(和/或其保持器)延伸跨越壳体的整个横截面。因此，如图4a所示，壳体可以被认为是包含吸附剂材料220的大吸附剂管210。如箭头示意性示出的，呼出气息穿过管210并且被吸附剂材料220采样。这种布置看起来很直接，但使用标准形状的吸附剂材料220简单地跨越大吸附剂管会使装置太难呼吸。例如，如果我们考虑用户典型地以10L/min呼出，呼出气息穿过标准吸附剂管中的吸附剂材料220所需的压力将高达1100mbar，这显著高于根据本技术设计的吸附剂圆盘在10L/min下的5.4mbar。此外，使用大量的吸附剂将大大增加与装置相关的成本，特别是因为吸附剂通常非常昂贵(40$/g)。因此，改变吸附剂的几何形状不是简单的，下面描述一种适应吸附剂的几何形状的方法。

图4b示出了可用于设计吸附剂的几何形状的呼吸采样装置300的模型。装置300包括入口330和出口360。入口330形成在吸嘴334中，吸嘴334连接到吸附剂壳体350，吸附剂壳体350连接到孔口板保持器362。可将吸嘴、吸附剂壳体和孔口板保持器视为形成装置的三部分壳体。吸附剂壳体350容纳吸附剂材料352，该吸附剂材料352被建模为具有以下可变参数的圆盘：直径、厚度和质量。如图所示，吸附剂材料352吸嘴部分334和吸附剂壳体350可以形成用于吸附剂的两部分壳体。图4b可以被认为是具有吸嘴、吸附剂和孔口并且没有过滤器的装置的最小版本。

孔口板保持器362支撑具有孔口的孔口板364。当需要额外的流动限制但希望避免包括更多的吸附剂时，可以使用孔口。孔口板保持器362被建模为管，即总体上为圆柱形和中空的。孔口板的效果可使用以下等式进行建模：

其中dP是跨越孔口的压降，是通过孔口的质量流率，ρ是流体的标称密度(对于空气为1.225kg/m³)，A是孔口的横截面积，C_d是排放系数(设定为0.62)。值β定义如下：

其中，d_orifice是孔口的直径，d_pipe是管的直径(即保持器362)，并且在模型示例中具有20mm的值。

图5是示出了如何改变吸附剂材料的参数(包括直径和厚度/质量)以及孔口直径以优化装置设计的流程图。在第一步骤S500中，定义至少一个适应度函数以评估设计的适应度(即适宜性)。图6a至图6e示出了可以使用的适应度函数的示例。在这些示例中的每一个示例中，适应度在0和1之间变化，适应度值0指示设计是完全不可接受的并且必须被拒绝。适应度值为1表示设计已优化，即在范围顶部并且是完全可接受的。

合适的适应度函数f(x)的示例是：

其中x是被改变的参数，erf是误差函数：

S是范围参数，其被定义为

其中x_ideal是参数的理想值，使得f(x_ideal)＝b(例如0.9)，x_unacceptable是不可接受的参数值，使得f(x_unacceptable)＝a(例如0.1)，并且：

z_o＝erf^-1(2(a-0.5))

z₁＝erf^-1(2(b-0.5))

erf^-1是反向误差函数。x_o是位置参数，其定义为：

如上所述，适应度值0表示设计是完全不可接受的，适应度值1表示设计是完全可接受的。在实践中，设计可能会考虑针对适合度值的理想值和不可接受值(分别为a和b)，而不是使这些极值工作。例如，98％误差函数可以分别考虑a＝0.01和b＝0.99。也可以使用不同的误差函数，例如95％或99％。可以例如通过乘法组合两个或更多误差函数，以提供如下所述的更复杂/详细的适应度函数。

图6a示出了适应度函数，其显示适应度值如何随所收集的气息体积(升)而变化。总体积是为了正确分析呼出气息中的化合物(化合物)而需要收集的气息量(即达到穿过体积)。图6a描绘了误差函数，其中装置具有在第一总体积阈值以下趋近于0的适应度值(其表示其中采样过少的气息并且因此不可能实现穿过体积的体积)和一旦超过第二总体积阈值时趋近于1的适应度值(并且可能实现感兴趣化合物的穿过体积)。在该示例中，阈值均约为60升。误差函数的性质意味着适应度值趋近于0和1，但是对于-无穷大和+无穷大的值，可能分别达到0和1。因此，使用上面定义的公式，提供0.99的适应度值的总气息体积的理想值可以是x_ideal＝63。类似地，提供0.01的适应度值的总气息体积的不可接受值可以是x_unacceptable＝57。在该示例中，x_unacceptable低于x_ideal，并且可以替代地被称为x_minimun。

图6b示出了适应度函数，其显示了适应度值如何随气流变化(升/分钟)。装置必须便于所有受试者呼吸。图6b是两个误差函数的组合：在第一误差函数中，装置具有在第一气流阈值以下趋近于0的适应度值和一旦超过第二气流阈值时趋近于1的适应度值，在两个阈值之间具有平滑曲线；在第二误差函数中，装置具有在第三气流阈值以下趋近于1的适应度值和一旦超过第四气流阈值时趋近于0的适应度值，在第三阈值和第四阈值之间具有平滑曲线。在该示例中，两个误差函数彼此相乘。对于第一误差函数，x_unacceptable为25，x_ideal为35，对于第二误差函数，x_unacceptable为200，x_ideal为150。换句话说，气流的理想值的范围被定义为在35L/min和150L/min之间，并且气流的不可接受值的范围低于25L/min并且高于200L/min。

图6c示出了适应度函数，其显示了适应度值如何随吸附剂材料的厚度而变化。吸附剂必须足够厚以适合机械应用；例如，制造不弯曲或隆起的薄盘在机械上具有挑战性。图6c也是误差函数，其中装置具有在第一厚度阈值以下趋近于0的适应度值和一旦超过第二厚度阈值则趋近于1的适应度值，两个阈值之间具有平滑曲线。第一阈值指示吸附剂材料的最小厚度，以使其足够坚固以结合在设计中。在第二阈值以上，在增加厚度方面没有进一步的机械优势。在该示例中，最小厚度为2mm，第二阈值为3mm。使用上面定义的公式，提供0.99的适应度值的厚度的理想值可以是x_ideal＝3mm。类似地，提供0.01的适应度值的厚度的不可接受值可以是x_unacceprable＝2mm。

图6d示出了适应度函数，其显示了适应度值如何随吸附剂材料的直径而变化。对于实际设计，吸附剂材料不能太大。图6d也是误差函数，其中装置具有在第一直径阈值以下趋近于1的适应度值和一旦超过第二直径阈值则趋近于0的适应度值，两个阈值之间具有平滑曲线。在此示例误差函数中，x_ideal小于x_unacceptable，可以称为x_maximum。与图6a或图6c的曲线相比，可以认为该曲线在y＝0.5的点周围水平镜像。在该示例中，x_ideal为20mm并且x_unacceptable为30mm。

图6e示出了适应度函数，其显示了适应度值如何随吸附剂材料的质量而变化。与图6d类似，图6e也是误差函数，其中装置具有在第一阈值以下趋近于1的适应度值和一旦超过第二直径阈值时趋近于0的适应度值，在两个阈值之间具有平滑曲线。应当理解，也可以使用其它实现方式来反映制造商的成本考虑。例如，可以使用更复杂的适应度函数来反映是由于成本原因通常较低量的吸附剂材料是优选的，但是必须有足够的吸附剂材料用于精确的采样。在该示例误差函数中，x_ideal为1.5g，x_unacceptable为2.0g。

回到图5，下一个示出的步骤S502是获得吸附剂材料的穿过体积数据。该步骤被顺序地示出，但是可以在步骤S500之前或与步骤S500并行地执行。穿过体积取决于空气速度、厚度和湿度。例如，将吸附剂厚度减半将穿过体积减小一半以上并且将吸附剂面积加倍可完全改变穿过体积。例如，可以通过计算在特定的一组条件下吸附剂材料的多少百分比将被气息中的水有效地去活化并且因此用于捕获感兴趣的化合物的多少百分比的吸附剂材料可用来考虑湿度。可用于捕获感兴趣化合物的吸附剂材料的这种减少表现为穿过体积的减少。这可以通过改变其它参数来抵消，例如增加吸附剂材料的料层深度。图7a示出了对于不同厚度的吸附剂(mm)和空气速度(m/s)的特定穿过体积(吸附剂的每单位质量的穿过体积)的变化。每种吸附剂材料将具有不同的特定穿过体积，该特定穿过体积对于所使用的材料和气流的湿度是特定的。图7a中所示的变化是特定数据，其通过使乙醇穿过该材料而使用称为碳筛SIII 60-80的吸附剂材料测量。图7a示出了这种关系是复杂的。例如，应注意，对于低空气速度和厚吸附剂两者都存在渐近行为，但通常在这些实施例中描述的装置在高空气速度和用薄吸附剂操作。应注意，用薄吸附剂在高空气速度下操作意味着该装置远离具有较厚吸附剂的标准吸附剂管的常规参数操作。

如上所述，穿过体积厚度取决于厚度，这与在该厚度中堆叠的颗粒的数量有关。可以计算特定材料和特定厚度的吸附剂圆盘的颗粒数量。例如，对于由碳筛SIII 60-80制成的约4.03mm的吸附盘，存在约23个颗粒。换句话说，通过圆盘的气流可以在通过圆盘时接触23个颗粒。气息需要接触要采样的吸附剂的每个颗粒的表面。如果圆盘更薄，则气流找到周围通道的颗粒更少。因此，气息更有可能找到通过吸附剂材料的通道，在该通道中气息避免接触任何颗粒并避免被采样。因此，该装置的功效可能受到不利影响。气流通过吸附剂材料的引导是改变简单的吸附剂材料的几何形状的另一个原因。较薄的圆盘更容易通过，但堆积的颗粒数量较少。

回到图5，下一个示出的步骤S504是获得肺数据。该步骤被顺序地示出，但是可以在步骤S500和/或S502之前或与步骤S500和/或S502并行地执行。这三个步骤可以被认为是该方法的建立阶段。图7b示出了理论肺静态压力曲线，其是可以获得的肺数据的示例。肺静态压力函数是压力(mbar)对比体积流量(L/min)的函数。包括两种不同的肺负荷：“平均用户”(X截距为100mbar，Y截距为309L/min)和“受损用户”(X截距为50mbar，Y截距为154.5L/min)。本领域技术人员将理解，可以使用肺顺应性曲线/数据来代替，以给出用于肺的更精确的模型，但是静态压力易于实现并且因此在该示例中示出。

为了实现高效率的呼吸采样装置，当如上所述使用孔口板时，可以改变吸附剂材料的直径和厚度，并且可选地，可以改变孔口直径。在该方法的优化阶段确定这些变量，但是在步骤S506，需要设定参数的初始值。例如，可以通过蒙特卡罗方法(monte carlomethod)随机选择初始参数值，因为这是高度非线性优化问题。

作为示例，蒙特卡罗方法可以使用10000个随机数来从以下项中采样：

·吸附剂圆盘直径φ：5mm至35mm，对数间隔(10为底)。

·吸附剂质量m：10mg至2000mg，对数间隔(10为底)。

·孔口直径R：1mm至20mm，对数间隔(10为底)。

以上所有猜测的最高适应度用作优化步骤中的初始值。在一个示例中，蒙特卡罗分析产生的初始值为：25.1mm直径的吸附剂圆盘、870mg的吸附剂和4.39mm的孔口直径。

下一个步骤S508是使用经验获得的数据/关系和理论公式的适当混合来计算穿过体积V_B和流率dV/dt。例如，可以根据吸附剂几何形状和吸附剂流动阻率(常数)来计算通过吸附剂材料的第一流动阻力，例如使用以下等式：

其中，R是流动阻力(Pa s/m³)，ρ是流动阻率(Pa s/m²)，L是吸附剂通道的长度(m)，A是吸附剂的横截面积(m²)。流动阻率是这样的几何性质，例如，紧密填充的特定尺寸的颗粒应具有相同的流动阻率。在实践中，它可能由于吸附剂颗粒和填料的粗糙度而略有变化。因此，在计算中也可以使用诸如流动阻力的理论值。

接下来，使用所计算的流动阻力以及孔口几何形状(参见上面的等式)和在步骤S504中获得的肺数据来确定空气流(也称为流率dV/dt或)。这可以被认为是相对复杂的等式，因为它计算肺静态压力曲线与吸附剂阻力和孔口阻力负载线(非线性)的交点(操作点)。例如，可以根据下式计算的气流/>其中/>

其中(m³/s或L/min)，P_max和/>是使用图7b的肺静态压力曲线P_lung找到的值对，P_Total是总系统响应压力(吸附剂和孔口压力对比气流)。注意，对于孔口板而言，P_orifice不是上面定义的相同等式，因为前者被定义为质量流，而这里体积流。

然后使用以下标准公式根据气流计算空气速度，例如

其中A_sorbent是吸附剂的横截面积。应当注意，可局部改变的不是通过吸附剂的空气速度。

然后根据实际测量值(例如图7a所示的测量值)以及计算的空气速度和吸附剂厚度来线性插值特定穿过体积(单位：升)。一旦获得特定的穿过体积(L/g_sorbent)，则可以通过将内插值乘以吸附剂材料的质量来计算穿过体积V_B。

一旦计算了穿过体积和流率，则使用步骤S500中定义的适应度函数来获得所考虑的每个参数的适应度值(步骤S510)。因此，在该示例中，为每个穿过体积V_b计算适应度值；流率吸附剂厚度t、吸附剂直径/>和吸附剂质量m。孔口直径可以包括在如上所述的气流计算中。应当理解，还可以包括其它适合度值，例如对于吸附剂抗性。然后使用每个个体适应度值来计算设计特征的特定选择的全局适应度(步骤S512)。可以使用任何合适的计算，例如，可以将全局适应度f_global计算为所有单独适应度值的几何平均值，即

其中，为穿过体积的适应度值，/>为流率的适应度值，f_t为吸附剂厚度的适应度值，/>为吸附剂直径的适应度值，f_m为吸附剂质量的适应度值。例如，通过使用与不太重要的个体适应度值相比具有更高权重的更重要的个体适应度值的加权乘积，可以在计算全局适应度值时调整每个个体适应度的重要性。通过使用几何平均值(或类似产品)，如果任何一个适应度值为0，则全局适应度值为0，因为不满足任何一个标准意味着设计是不可接受的。

可选的额外步骤S514是确定是否存在任何额外的肺数据。例如，如图7b所示，有两条肺负荷线被示出以反映装置使用人自身的气息来推动空气穿过吸附剂材料的事实。因此，在第一次迭代中，可以例如使用图7b中的上方线来计算平均人的个体和全局适应度函数。在本示例中，“受损”人员(即肺弱的人员)有额外的肺数据。因此，该过程循环回到步骤S508，以根据新的肺数据来更新流率/穿过体积的值。与在步骤S512中计算的全局适应度值一样，根据新信息来更新在步骤S510中计算的个体适应度值。为每组肺数据计算全局适应度值和个体适应度值。平均(或典型)人可能能够以比受损人高得多的速度推动空气通过吸附剂材料，这将减少穿过体积。因此，需要优化所有患者的几何形状并超过最小穿过体积。如果没有进一步的肺数据，则可以使用从每组肺数据确定的总体全局适应度值来执行最后步骤。例如，可以通过例如使用几何平均值平均每个肺数据组的全局适应度值来计算所有肺数据组的全局适应度值。

图5所示的最后步骤是最优化步骤，其中选择使整体全局适应度值最大化的最佳参数值。可以使用任何合适的优化，例如Gao，F.，Han，L描述的“Nelder-Mead”算法“用自适应参数实现Nelder-Mead单纯形法(Implementing the Nelder-Mead simplex algorithmwith adaptive parameters)”(ComputOptimAppl 51，259-277(2012年))。虽然这被图示为单个步骤，但是应当理解，这通常是优化算法收敛于最优解的迭代过程。例如，可能需要多达1000次迭代以最大化全局适应度。在该示例中，蒙特卡罗分析产生的初始值为：25.1mm直径的吸附剂圆盘、870mg的吸附剂和4.39mm的孔口直径。这种布置具有0.674的全局适应度。厚度的初始值可以根据直径和质量来计算。在一个示例中，S518中的优化步骤产生25.6mm直径的吸附剂圆盘、1078mg的吸附剂、3.12mm厚度的吸附剂圆盘和5.05mm的孔口直径的优化值。这种优化布置具有0.787的全局适应度，表明优化过程增加了参数的适宜性。输出优化值，并且如图所示可以与在过程中先前存储的任何数据一起存储。然后可以使用优化值来制作呼吸采样装置。

仅仅是示例，使用Nelder-Mead算法的优化过程运行了75次优化评估以确定上面段落中指出的优化值。下表显示了此优化布置的适应度值：

参数	适应度值
		穿过体积	0.996
气流	0.792
		吸附剂厚度	0.998
吸附剂直径	0.383
		吸附剂质量	1.0
全局	0.787

上面的值表明优化的圆盘略大于期望的圆盘，因为直径的适应度值相对较低。此外，气流适应度值不趋近于1表明存在一些折衷。在该过程中计算的中间数据(例如，压力、流量、穿过体积等)的值也显示在下面，并强调上面的点。对于正常患者，仅刚刚超过阈值穿过体积。对于受损患者，流率在最小25L/min和理想35L/min之间

优化圆盘的其它数据如下所示：

参数	值	条件
			吸附剂阻力	6.0mbar	@10L/min
孔口阻力	1.2mbar	@10L/min
			总体阻力	7.3mbar	@10L/min
孔口直径	5.11mm
			管直径	20mm
孔口板空气速度	42m/s

作为迭代优化过程的替代，可以从诸如图8a至图8g中图示的数据库获得用于优化全局适应度值的参数值。可以使用关于图4b描述的模型生成数据库，以计算大量吸附剂圆盘直径、厚度和质量以及孔口直径值的个体适应度值(以及因此的全局适应度值)。通过数据库索引可以找到最佳值。图8a绘制了具有两个参数的全局适应度变化：过滤器(即吸附剂)直径和吸附剂质量。因此，在该优化空间中，其它参数如孔口直径被认为是固定的。因此可以认为图8a描绘了来自3D数据库的切片。在标记为800的区域中发现最高全局值，其直径在24mm-28mm之间，质量在1.05g-1.15g之间。这些值对应于上面使用优化算法识别的那些值。然而，这些值受到数据库的分辨率和/或大小的限制。

图8b至图8f示出了可以构成数据库的一部分的其它图。例如，图8b至图8f绘制了每个个体适应度值相对于两个参数的变化：过滤器(即吸附剂)直径和吸附剂质量。按照图6a至图6e所示的顺序，图8b绘制了穿过体积的适应度值的变化，图8c绘制了气流的适应度值的变化，图8d绘制了吸附剂厚度的适应度值的变化，图8e绘制了吸附剂直径的适应度值的变化，图8f绘制了吸附剂质量的适应度值的变化。

图8g绘制了相对于两个参数(过滤器(即吸附剂)直径和吸附剂质量)的附加适应度值的适应度值变化。在该示例中，适合性值针对吸附剂阻力。图8g是优选选择低吸附阻力的一种方式。可能的是，一些优化将提供高吸附剂阻力和低孔口阻力，这不像低吸附剂阻力和高孔口阻力那样有用(因为如果在临床试验中发现孔口过于限制气息但需要保留吸附剂，则可以移除孔口)。应当理解，还可以使用迭代优化算法将吸附剂阻力的适应度值结合到上述方法中，但仅为简单起见示出了数据库。

图9示出了用于执行图5的方法的计算设备900的组件的框图。计算设备900可以是任何合适的设备，例如服务器、个人计算机或这些设备的网络。由上述方法提供的功能可以被组合成较少的元件或被分离成附加元件。

计算设备900包括标准组件，包括例如向用户显示信息(例如，输出最佳值)的显示器914(例如，屏幕)和用户可以通过其输入输入值(例如，吸附剂材料的性质或任何固定参数)的用户接口916。用户接口可以是任何已知的用户接口，包括触敏屏幕、键盘或语音激活接口。计算设备900包括处理器918，其处理来自在设备上运行的应用的指令。处理器可以包括微处理器、微控制器和集成电路中的一者或多者。

计算设备900还包括用于存储信息的存储器920，诸如用于执行该方法的指令和保存该方法的一些数据。存储器可以包括易失性存储器，诸如用于用作临时存储器的随机存取存储器(RAM)，和/或用于存储数据、程序或指令的非易失性存储器，诸如闪存、只读存储器(ROM)或电可擦除可编程ROM(EEPROM)。计算设备900还可以包括通信模块932，该通信模块932允许计算设备900连接到存储器，例如连接到云934或数据库936，以存储在该方法期间创建的数据。这种存储可以是远程的，例如在计算设备900的不同位置。

上述优化过程产生25.6mm的吸附剂材料直径的最佳值。使用上面所示的适应度函数的变化(例如，对于气流的适应度函数，a和b的不同值和/或仅使用一个误差函数)和/或肺负荷线，可以获得直径的不同值，例如17.2mm或21.9mm。如适应度值所指示的，25.6mm的最佳值略大于期望值。图10示出了解决大圆盘问题的可能布置。在图10中，使用具有与单个大圆盘相同的总表面积的多个较小圆盘。在这种布置中，十二个较小的吸附剂材料圆盘1052被支撑在吸附器壳体1050内的吸附器保持器1054中。

吸附剂保持器1054包括限定穿过吸附剂保持器1054的分离流体路径的多个通道1056。吸附剂材料1052沿着每个通道的轴线居中地安装，使得当气息如箭头A所示穿过通道1056时，气息穿过吸附剂材料1052。在该示例中，通道1056通常是圆柱形的，但是也可以使用其它设计，例如可以使用锥形，这防止或减轻吸附剂材料在通道内的移动。

为了便于构造，在这种布置中，吸附剂保持器1054形成为两个部件，使得吸附剂材料1052夹在两个部件之间。这两个部件由任何合适的固定机构1070保持在一起。吸附剂保持器1054由任何合适的材料制成，例如当吸附剂材料在使用前在高温下烘烤时由不锈钢制成。类似地，吸附剂壳体1050可以是两部分壳体，其中吸附剂保持器1054保持在壳体的两部分之间的适当位置。壳体的两个部分由任何合适的固定机构1058保持在一起。

本领域技术人员将理解，只要孔具有与下述优化吸附剂圆盘相同的等效总横截面积，就可以使用任何其它数量的孔。例如，可以使用吸附剂保持器具有三个或五个通道的布置。

本文已描述了可选特征的各种组合，并且应当理解，可以以任何合适的组合所描述的特征。特别地，任何一个示例性实施例的特征可以适当地与任何其它实施例的特征组合，除非这种组合是互斥的。在本说明书中，术语“包括”或“包含”是指包括规定的一个或多个组件，但不排除其它组件的存在。如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式组合，除了其中这些特征和/或步骤中的至少一些是互斥的组合之外。

本说明书中引用的所有文献和文件的内容通过引用并入本文。

Claims

1.一种设计呼吸采样装置的计算机实现的方法，所述呼吸采样装置包括壳体和吸附剂材料，其中大部分的呼出气息穿过所述壳体，并且所述吸附剂材料延伸跨越所述壳体的横截面，所述方法包括：

识别所述装置的多个参数，其中所述多个参数包括所述吸附剂材料的质量、所述吸附剂材料的尺寸、所述吸附剂材料的厚度、所述吸附剂材料的阻力、穿过体积、和所述装置内的流率中的至少两者；

通过以下步骤选择使全局适应度值最大化的所述多个参数中的值；

计算针对所识别的多个参数中每个参数的多个参数值的适应度值，其中针对每个参数值的适应度值指示具有所述参数值的设计是否合适；

将针对所述多个参数中每个参数的所计算的适应度值组合，以获得多个全局适应度值；以及

为所述多个参数中每个参数选择使所述全局适应度值最大化的所计算的适应度值；以及

输出具有所选择的所计算的适应度值的所述多个参数的参数值；

其中，通过以下步骤计算每个适应度值：

为所识别的多个参数中每个参数定义适应度函数，其中所述适应度函数描述了所述适应度值随所述参数在0和1之间的变化，其中0指示完全不可接受的设计，1指示完全可接受的设计；以及

使用所定义的适应度函数来计算针对所识别的多个参数中每个参数的多个参数值的所述适应度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择使所述全局适应度值最大化的所述多个参数的值包括：

为所述多个参数中每个参数设定初始值；

计算针对所述多个参数的初始值中每个初始值的初始适应度值；

组合所述初始适应度值以获得初始全局适应度值；以及

运行优化算法，所述优化算法迭代地调整针对所述多个参数中每个参数的初始值，并且重复所述计算和组合步骤，直到使所述全局适应度值最大化。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，为所述多个参数中每个参数选择使所述全局适应度值最大化的所计算的适应度值包括：

为所述多个全局适应度值编索引以获得最大化的全局适应度值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，组合所述适应度值包括当所述适应度值中的任何一者为0时确定全局适应度值为0。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，组合所述适应度值包括计算所述适应度值的几何平均值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对所述穿过体积和所述吸附剂材料的厚度中的每一者的适应度值低于第一阈值时趋近于0并且高于第二阈值时趋近于1。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对所述吸附剂材料的尺寸和所述吸附剂材料的质量中的每一者的适应度值低于第一阈值时趋近于1并且高于第二阈值时趋近于0。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对所述装置内的流率的适应度值低于第一阈值且高于第四阈值时趋近于0，并且高于第二阈值时趋近于1且低于第三阈值时趋近于1。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在计算所述适应度值之前评估针对所述穿过体积和/或流率的特定值，其中针对所述穿过体积和/或流率的所述特定值是基于所述吸附剂材料的质量、尺寸和厚度的特定值来评估的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述呼吸采样装置还包括孔口板，所述孔口板具有带直径的孔口，并且所述方法包括在选择其它值时选择使所述全局适应度值最大化的孔口直径值。

11.根据权利要求10所述的方法，包括为不同用户选择使所述全局适应度最大化的所述孔口的多个值。

12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括基于所述孔口直径的特定值来评估所述流率的特定值。

13.一种制造呼吸采样装置的方法，所述方法包括：

设计如前述权利要求中任一项所述的呼吸采样装置，以及

制造具有输出选择值的呼吸采样装置。

14.一种呼吸采样装置，包括：

壳体，在使用中，呼入到所述采样装置中的大部分的气息穿过所述壳体；和

吸附剂材料，其延伸跨越所述壳体的横截面，

其中，所述呼吸采样装置是根据权利要求14所述的方法制造的。

15.一种呼吸采样装置，包括：

入口，呼出气息通过所述入口接收在所述装置中；

出口，呼出气息通过所述出口离开所述装置；

壳体，其连接在所述入口和第一出口之间并且大部分的呼出气息穿过所述壳体；和

容纳在所述壳体中的吸附剂材料，其中所述吸附剂材料延伸跨越所述壳体的横截面。

16.根据权利要求14或15所述的呼吸采样装置，其中，所述吸附剂材料具有大约4.03mm的厚度和大约232mm²的横截面面积，或者所述吸附剂材料具有大约2.5mm的厚度和大约376mm²的横截面面积，或者所述吸附剂材料具有大约3.12mm的厚度和大约515mm²的横截面面积。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的呼吸采样装置，其中，所述吸附剂材料包括被支撑在吸附剂保持器中的吸附剂材料的多个离散部分。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的呼吸采样装置，还包括指示器，所述指示器指示由所述装置采样的总气息量。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的呼吸采样装置，还包括位于所述吸附剂材料和所述出口之间的孔口板。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的呼吸采样装置，还包括：

旁通部件，其被配置成允许呼出气息的初始部分离开所述装置而不被所述吸附剂材料采样。

21.一种装载代码的非瞬时性数据载体，当在处理器上实现所述代码时，使得所述处理器执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。