CN207662681U - 智能化呼气采样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及智能化呼气采样装置，包括：呼吸过滤模块、流量控制模块、气体排空装置、气体收集装置、传感器、控制单元、界面等组成，呼气时气流通过传感器反馈至控制单元进行控制流量控制模块调节所需要的流量，气流通过排空装置排空完成后，气流进入气体收集装置完成采样过程，流量控制模块依据传感器的信号变化采用的智能流量控制算法，界面进行人机交互操作和参数设定。

Description

智能化呼气采样装置

技术领域

本发明涉及内源性呼出气体检测领域使用的智能化呼气采样装置。

背景技术

研究表明，呼出气中存在许多成分，它们可以有助于人们深入了解某系疾病的代谢过程，并对某些疾病有指示作用，甚至指示某些疾病的致病原的存在。在研究以及临床环境下，存在于呼气中的气体实例包括一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H₂S）、氢气（H₂）、甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）、氧气（O₂）和挥发性有机化合物VOC等。

然而，为了获得可靠、可重复的测量结果，必须对呼出气的流速、压力与时间进行严格控制。例如，美国胸科学会（ATS）与欧洲呼吸学会（ERS）在2005年联合制定的呼出气NO测定的技术标准中，就要求受试者在至少5cmH₂O的呼气压力下，保持50mL/s的恒定呼气流速，持续呼气10s（成人）或6s（儿童）。人们通常的呼气流速大概在200-300ml/s的范围。这种将流速保持在50mL/s的要求对于儿童及部分有呼吸系统疾病的成年人来说，均存在一定的困难。

为了降低呼气流量控制的难度，扩展呼气测试的适用人群，通常采用呼气流量调控的装置辅助受试者完成符合要求的呼气测试。例如，目前的商业化技术（如Aerocrine公开的专利CN105916538A和与Sunvou公开的专利CN103487295B）以及与非商业化技术（如其它公开的专利CN203539351U、US9687178B2、CN102395934A以及CN101458250A）提供了两种呼气流量恒定调节的装置，自力式与电动式。无论哪种装置，为保证呼气流速恒定在设计的数值，呼气测试的流速调节恒定通常包括：（1）装置根据测量的受试者呼出气流速的大小与设定的调节速度，调节阀门的开度，当流速偏高，则关小阀门，当流速偏低，则开大阀门；同时通过图像或声光提示受试者流速的变化；（2）受试者根据装置对流速变化的图像或声音提示以及自身的反应能力，通常会改变自己呼气的力气，流速偏高，则减少吹力，流速偏低，则增加吹力。如此产生的问题是，装置与受试者的调节具有一个时间差或滞后效应，或甚至反向调节，很多情况下达不到最佳的流速控制效果，甚至导致失败。统计近百万例临床呼气测试的数据，我们发现，自力式与电动式呼气流速调节的技术实际上并没有显著提高患者测试的成功率。自立式存在如下问题：1）机械式的结构存在长期使用后，无法保证性能，特别是弹簧等原件，在呼气测试中易处于湿度较大的环境中，出现生锈等失效；2）机械式的结构加工难度大（孔径小精度要求高），生产调测难度大，一旦加工失败，不可修补。电动式存在如下问题：1）用力吹时阻力过大，舵机会迅速关闭至最小，造成气路阻力过大，受试者持续呼气会较困难；2）受试者持续呼气时，其会不自觉调整呼气力度，导致呼气压力变化，此时阻力调节速度不能及时跟上，导致流量曲线不稳定。

事实上，呼气测试人群大部分都是呼吸困难人群，以上装置需要专业指导，成功率稍高，如不进行专业指导，成功率非常低。由于效果欠佳，目前市场上的呼气测试设备大都取消了或没有配备这些呼气调速装置。

为解决这个问题，本发明引入了智能化，代替人工专业指导，呼吸困难人群均能成功呼气采样，智能化呼气流速调节装置，保证人机呼气流速调节的同步和谐性，达到近乎100%的呼气测试成功率。

发明内容

本发明针对以上问题而提出的智能化呼气采样装置。使得患者在呼气采样过程中，便利性和有效性得到大大提高。

由于受试者呼气采样过程，如图5所示，未干预呼气流量曲线，受试者易出现较大波动，呼气采样容易出现超出流量要求的范围，易出现采样失败。

本发明涉及了一种智能化呼气采样装置。可见图1所示，具体包括：呼吸过滤模块（100）、传感器（200）、流量控制模块（300）、气体收集装置（400）、气体排空装置（500）、控制单元（600）、界面（700），其特征在于：所述传感器（200），用于检测表示从吸气到呼气的参数变化并将参数变化作为信号传送；所述控制单元（600），接收传感器（200）所传递的信号并控制流量控制模块（300），并与气体排空装置（500）、气体收集装置（400）连接并进行控制；所述界面（700）与控制单元（600）连接进行输入操作、参数设定等。

所述装置内部功能结构包括：由外壳结构部件、呼吸过滤模块、流量控制模块、气体采样和排空部件、传感器以及控制单元部件、人机界面部件等。其中流量控制模块（300）由文丘里管（203）、锥型阀芯（303）、直线步进电机（301）、气路板（305）组成；其中锥型阀芯（303）安装在直线步进电机（301）轴上，锥型阀芯（303）上密封圈一（302）和密封圈二（304）；文丘里管（203）与传感器（200）连接，进行信号采集；气路板（305）与锥型阀芯（303）配合，分布有进气口（311）、出气口（312），可参见图3。

传感器（200）用于检测表示从吸气到呼气的参数变化并将参数变化作为信号传送，所侦测的信号为流量、压力信号等时进行针对受试者的呼气状态进行判断，进行流量调节反馈等，所侦测的信号为O2含量、CO2含量等时进行针对受试者的呼出气的状态进行判断，死腔气、大气道气体、小气道气体、肺泡气等部位进行判断，从而进行流量调节、排空设置、采样设置来控制。

呼吸过滤模块（100）采用管连接件（804）与管路快速连接，插入下壳（801）中，并通过旋盖（802）进行固定，旋开旋盖（802）即可方便进行快速插拔更换，如图2所示。气体采样和排空部件由三通电磁阀（401）、采样接口（402）结构组成，可参见图2；传感器以及控制单元部件由软管（201）、传感器元件（202）、文丘里管（203）、控制单元（600）结构组成；人机界面部件由显示屏幕上盖（701）、显示屏幕（702）、显示屏幕下盖（703）、按键（704）、按键电路板（705）结构组成；外壳结构部件由下壳（801）、旋盖（802）、上壳（803）、管连接件（804）、固定件（805）、充电电池（806）等结构组成。

通过以上的装置设计，当锥形针阀（303）最大直径出设计为4mm时，本装置在呼气过程中，锥形针阀（303）前进至阀门开合最大处时阻力为10cmH₂O，锥形针阀（303）后退至阀门开合最小处时阻力为5cmH₂O，保证整个呼气过程中能够控制呼气阻力5-10cmH₂O。

本发明的采样过程如下：受试者采用呼吸过滤模块（100）进行吸气干净空气后进行呼气，气流经过文丘里管（203）到达气路板（305），气流通过气路板（305）与锥形阀芯（303）的作用进行流量调节控制，气流通过气路板（305）后达到三通电磁阀（401），通过建立的智能采样算法模型设定程序控制进行排空，当排空完成后进行采样，气流通过三通电磁阀（401）到达采样接口（402），采样接口（402）与采样袋连接将气体收集在采样袋中。整个采样过程中控制单元（600）进行监控和流量调节控制，界面（700）显示呼气过程以及采样提醒功能。

目前设定为视觉反馈或听觉反馈来设计智能采样装置，配合受试者达到最佳的配合时间。

本发明的流量控制部件的安装、配合及工作原理如下：

具体安装顺序可见图3，直线步进电机（301）上安装有锥形阀芯（303），直线步进电机（301）安装于气路板（305）上，气路板（305）上设有小孔，与锥形阀芯（303）配合进行流量控制调节，文丘里管（203）安装在气路板（305）的前端，文丘里管（203）上的分别有两个采集口A和B分别连接至传感器元件（202）上的接口A和B上。采用文丘里管（203）进行测量气体的压差，采用的是意大利物理学家Giovanni Battista Venturi发明的，A段通径为D_A，B段通径为D_B，设计上要求D_A<D_B,测出其两段截面的压力差，用伯努利定理方程即可求出流量。锥形阀芯（303）上安装有密封圈一（302），与气路板（305）配合进行管路开合和关闭；直线步进电机（301）上安装有密封圈二（304）与气路板（305）配合进行密封，保证呼气过程不泄露。

采样装置的流量调节控制：锥形阀芯（303）与气路板（305）配合，进行流量调节控制，锥形针阀（303）其锥度设计应符合人机交互的设计要求。锥形针阀（303）为长锥形结构，通过调节锥形针阀（303）插入气路板（305）的深度，即可实现气体流量调节。锥形针阀（303）最大直径出设计为4mm，当锥度越小，直线步进电机（301）有效运动距离越长，当锥度越大，直线步进电机（301）有效运动距离越短；需要设计最合适的锥度，满足直线步进电机（301）驱动距离符合人机工程学的时间要求。图中4所示为各锥度所对应的有效调节距离。综合人所需的反应时间、直线步进电机（301）的线性步进增量、每秒脉冲数（PPS）来综合考虑，图4优选选用锥角为30°。

由此可见，相对于自力式和电动式的呼气采样装置，本发明设计的采样装置，使得制造简单、采样便利，成功率大大提升。下面的具体实施例将表明这些特征与优势。

附图说明

图1. 呼气采样装置的框图。

图2. 本发明呼气采样装置爆炸图。

图3. 图3中呼气流量调节控制结构图。

图4. 不同锥度下呼气流量与运动距离对照图。

图5. 智能化采样流量曲线。

具体实施例

采用本发明进行呼气采样，采集人体呼出气一氧化氮，配合使用Sunvou-CA2122型纳库仑呼气分析仪进行一氧化氮测定。

实施例一：按照ATS/ERS《eNO测定技术标准指南》中推荐的一氧化氮的离线采样技术，采样过程如下：要求呼气流量45mL/s-55mL/s，排空和采样通道的呼气阻力均控制在5-20cmH₂O范围内。呼气前进行模式设定，受试者进行呼气采样，吸入干净空气，观察屏幕所显示采样反馈，进行配合测试，直至采样成功。按照此发明要求，设计制作样机，进行人群模拟测试，发明样机与Sunvou-CA2122纳库仑呼气分析仪在线测试、电子调节器方案的电子采样器进行对比体验，体验数据可见表一。 另外实际测试流量变化曲线可见图5，采用智能化采样装置后，流量控制在45-55mL/s的范围内。

表一 受试者实际体验评分

发明样机进行采样后利用Sunvou-CA2122纳库仑呼气分析仪进行分析，并与电子采样器进行采样分析，具体测试数据可见下表二。

表二 受试者的呼出气一氧化氮测试值对比

从体验结果来看，发明样机较在线（Sunvou-CA2122）、电子采样器有明显的提升，而且所有受试者均能够一次采样成功。与在线（Sunvou-CA2122）、电子采样器的呼出气一氧化氮测定结果，一致性符合临床指标要求。

实施例二：如实施例一所述，可以将本发明装置简化，保留流量控制模块（300）、传感器（200）、控制单元（600）等模块植入至纳库仑呼气氢分析仪（Sunvou-CA2122）中，这样可制作为智能呼气采样分析装置，提升采样成功率，当然成本和体积上会有所增加。

实施例三：如实施例一所述，可以设定其中流量范围，比如要求呼气流量180mL/s-220mL/s，可以设计增大通过通径，也可设计增加排空阀门，这样可进行小气道的呼出气检测；采用增加排空阀门的设计方案，可以进行兼容45-55mL/s流量范围采样。此种设计也符合以上所述要求。

实施例四：如实施例一所述，采用的是视觉人机交互界面进行显示，也可设计为语音等声音提示，采用听觉等方式进行人机交互设计，比如采用声音大小变化等方式来实现提醒，抑或采用语音提示来反馈，此种设计也符合以上所述要求。

实施例五：如实施例一所述，可增加憋气提醒功能，增加排空时间，呼气过程中进行采用传感器进行实时测量O₂和CO₂等浓度，进行判断呼气的阶段，可进行呼气中、呼气末等不同部位（可进行H₂、CH₄、H₂S、CO等气体采样），进行采样分析，对于临床判断具有更深远的意义。

以上实施例中的设计以及样机测试等均能表明本发明能够提升测试分析的便利性、安全性和有效性。

本实用新型不限于显示和描述的实施例，但是任何变化和改进都在所附权利要求书的保护范围内。

Claims (5)

1.一种智能化呼气采样装置，包括呼吸过滤模块（100）、传感器（200）、流量控制模块（300）、气体收集装置（400）、气体排空装置（500）、控制单元（600）、界面（700），其特征在于：所述传感器（200），用于检测表示从吸气到呼气的参数变化并将参数变化作为信号传送；所述控制单元（600），接收传感器（200）所传递的信号并控制流量控制模块（300），并与气体排空装置（500）、气体收集装置（400）连接并进行控制；所述界面（700）与控制单元（600）连接进行输入操作、参数设定。

2.如权利要求1所述一种智能化呼气采样装置，其特征在于：所述流量控制模块（300）由文丘里管（203）、锥型阀芯（303）、直线步进电机（301）、气路板（305）组成；其中锥型阀芯（303）安装在直线步进电机（301）轴上，锥型阀芯（303）上密封圈一（302）和密封圈二（304）；文丘里管（203）与传感器（200）连接，进行信号采集；气路板（305）与锥型阀芯（303）配合，分布有进气口（311）、出气口（312）。

3.如权利要求1所述一种智能化呼气采样装置，其特征在于：所述传感器（200）可侦测的信号为：流量、压力、O₂含量、CO₂含量。

4.如权利要求1所述一种智能化呼气采样装置，其特征在于：可以有效的控制呼气阻力5-10cmH₂O。

5.如权利要求1所述一种智能化呼气采样装置，其特征在于：所述呼吸过滤模块（100）可方便进行快速插拔更换。