CN204269592U

CN204269592U - 一口气多参数呼气一氧化氮测量装置

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Publication number: CN204269592U
Application number: CN201420731042.8U
Authority: CN
Inventors: 曹青; 韩杰; 韩益苹; 郭世英; 邓中全; 谢雷
Original assignee: Wuxi Sunvou Medical Treatment Electronic Co Ltd
Current assignee: Wuxi Sunvou Medical Treatment Electronic Co Ltd
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2024-11-28

Abstract

揭示了一种一口气多参数呼气一氧化氮测量装置，该装置利用细长管（保证在呼气采样及分析测量时气体在其中的流动为活塞流）在呼气过程中以较快速度同步收集不同呼气时间（流速）下的呼气气体，在分析时以较低流速将细长管内收集的气体通过入传感器进行分析测量；通过气路设计及对采样及测量时的气体流量比例的控制使传感器记录的NO浓度曲线与呼气流量（时间）曲线相对应，从而实现利用慢响应的电化学传感器实现对快速变化的呼气NO浓度的测量，进而根据呼气NO二室模型计算呼出气NO各个参数。

Description

一口气多参数呼气一氧化氮测量装置

技术领域

本发明涉及呼气一氧化氮测量设备。

背景技术

呼气一氧化氮作为气道炎症的标志物用于哮喘等呼吸病的检测分析已经获得医疗界充分肯定。美国胸腔协会和欧洲呼吸协会在2005年联合制定与公布了进行该测量的标准化方法（“ATS/ERS ecommendations for Standardized Procedures for the Online and Offline Measurement of Exhaled Low Respiratory Nitric Oxide and Nasal Nitric Oxide, 2005”）2011年提出了其临床应用指南（An Official ATS Clinical Practice Guideline: Interpretation of exhaled Nitric Oxide Level(FeNO) for Clinical Applications）, 这些标准与指南用来指导如何进行检测与将检测结果用于哮喘等呼吸病的诊断与疗效评价。

由于呼气NO与呼气流速有关，且容易受到鼻腔气的干扰，因而ATS/ERS推荐的标准化呼气一氧化氮测量方法用于测量下呼吸道的炎症，要求在呼气压力大于等于5cm水柱的条件下，在50ml/s 的固定呼气流速下进行单次持续呼气10秒（或儿童6秒），选择50ml/s的呼气流量主要考虑的是在该流量下，呼气NO的贡献主要来源与气道，且呼气控制较容易。

呼气中的一氧化氮来源于肺泡及气道，如果能区分不同区域的NO浓度，可以评估出升高或者降低的NO分泌是发生在哪个病理区域，具有更广泛的临床参考价值。

关于稳态肺泡气浓度在临床方面的意义，Hogman （J. Breath Res. 6 (2012) 047103）对2012年以前的100多篇文献进行评述，它与一些疾病的的关系可简要归纳如下：

1）哮喘深度诊断：支气管炎症Ca_NO不变而Jaw升高，毛细支气管炎症Ca_NO升高；

2）哮喘治疗治疗方案选择：吸入激素治疗对毛细支气管炎症无效而应采取口服激素治疗；

3）慢阻肺与吸烟病人：慢阻肺病人Ca_NO较正常组高，而吸烟对测试者的Ca_NO不明确；

4）系统性硬皮病：系统性硬皮病患者中得间质性肺病（ILD）者Ca_NO明显升高（以10.8ppb作切点，特异性可达96%，Ca_NO可作为ILD的标志物；

5）肺泡炎：Ca_NO升高而Jaw不变；

6）肺纤维化：Ca_NO升高；

7）肝肾功能综合症：Ca_NO升高（8.3ppb vs 4.7ppb）。

有关呼气一氧化氮检测方法方面的文献很多，对现有各种测量方法，Hogman（J. Breath Res. 7 (2013) 017104）做了相对全面及客观的介绍。Ca_NO不能直接测量，必须通过一定的生理模型推演计算得到，目前有关呼气NO的模型主要有三个，分别为：二室模型、三室模型及喇叭模型，可以分析三个与流量无关的参量：稳态肺泡浓度、气道壁扩散量（或最大气道壁通量）和气道壁浓度，其中具有轴向扩散的喇叭模型被认为能够对肺中流量相关的NO产量提供良好描述。

两室模型（2CM）是最简单的呼出气一氧化氮生理模型，它认为呼气一氧化氮浓度(Ce_NO)由两部分构成，分别来自于肺泡区和气道区（如图1所示），取决于三个根据流量变化的参数：来源于气道壁的NO总流量(最大气道壁通量Jaw_NO, pl/s)，NO在气道的扩散能力(DawNO, pl*s^-1*ppb^-1)，和稳态下的肺泡气浓度(Ca_NO, ppb)。最大气道壁通量Jaw_NO(pl/s)和呼气流速F成反比；Caw_NO指气道壁NO浓度。

各参数间满足关系如下关系式：

(1)

当VE >5*DawNO ml/s 或50 ml/s（健康人）时，该方程可简化为

(2)

一般来说，Ca_NO<2% Caw_NO，且J’aw_NO=Daw_NO *Caw_NO，以上方程可简化为

(3)

由此，通过对不同呼气流量（F）下的Ce_NO浓度的测定，可以求得肺泡气浓度Ca_NO，最大气道壁通量Jaw。

通常在100~500ml/s 呼气流量范围内采用（3）式线性模型进行分析，可计算Ca_NO 及Jaw_ＮＯ两个参数，而对更宽的呼气流量，如10~500ml/s，采用（1）式非线性模型进行分析，可计算获得Ca_NO 、Jaw_ＮＯ、Caw_NO及Daw_NO四个参数。

该模型能解释呼气一氧化氮浓度随呼气流量而变化的规律，实验数据也与理论值基本吻合，因而关于Jaw_NO与Ca_NO的测量，大部分工作都基于该模型而展开，通用的方法是控制不同的呼气流量进行多次呼气，测量不同流速下的呼气NO值，然后根据（1）或（3）式进行计算。

分析文献中关于Ca_NO、Jaw_NO及Ce_NO的测量结果，不同的数据处理方法计算得到的Ca_NO、Jaw_NO并不存在显著的差异，各种数据处理方法也基本等效。一般认为正常成人稳态肺泡气浓度Ca_NO一般在1.0~5.6ppb间，Jaw_NO在420~1280pl/s范围内（J Appl Physiol 91: 2173–2181, 2001）.

在50ml/s的呼气流速下持续呼气4~10s相对来说容易实现，更低的流速（如10ml/s的呼气流速至少需要恒定流速呼气20秒）及较高的呼气下（下呼气阻力较大）持续呼气都会较为困难，为此，2001年George团队提出了一种一口气变流量测量技术^[6]，他通过连续调控呼气流量（从300ml/s到50ml/s），测量并记录呼气流量及及时跟随的呼气NO浓度变化关系，根据两室模型计算Jaw_NO及Ca_NO。但直到2006年Bruno才第一次设计实验对多口气变流量及一口气变流量方法的一致性进行了评价（Respiratory Physiology & Neurobiology 153 (2006) 148–156），通过对实验数据进行Bland Altman统计分析，认为两种方法对Jaw_NO及Ca_NO的测量结果是一致的，同时认为一口气变流量方法更为简单便捷。

但由于该技术对传感器响应时间要求较高（<200ms），目前只有化学发光仪满足该时间分辨的要求，利用低成本但响应较慢的电化学NO传感器无法满足该要求。

发明内容

实现所述一口气变流量测量方法对传感器的响应速度要求较高，只有化学发光仪能满足该时间分辨的要求，但化学发光分析仪成本较高，维护困难，而且在较快流速下呼气NO值较低，已接近化学发光仪检测下限，因而数据质量得不到保证，测量误差较大。

本发明的思路是通过气路设计将采样及测量过程分开，利用细长管（保证在呼气采样及分析测量时气体在其中的流动为活塞流）在呼气过程中以较快速度同步收集部分不同呼气时间（流速）下的呼气气体，在分析时以较低流速将细长管内收集的气体通过入传感器进行分析测量；通过气路设计及对采样及测量时的气体流量比例的控制使传感器记录的NO浓度曲线与呼气流量（时间）曲线相对应，从而实现利用慢响应的电化学传感器实现对快速变化的呼气NO浓度的测量。

要实现上述方法，在测量装置设计及测量方式上需要考虑并解决几个关键问题，具体为：

l 呼气流量控制：如何保证受试者在一定时间范围内持续呼气并保证其呼气流量按我们希望的规律变化？

关于这一点，本发明的解决方案是将流量传感器与流量控制器组合成一个流量自动反馈控制系统，受试者持续呼气时，流量传感器测量呼气流量，并将数据传输给流量控制器，所述流量控制器将该数据与预设的目标流量进行比较，并及时调整呼气管路的通径（流量过大时将通径调小，流量过小时将通径调大），其反馈调节速度小于100ms，这样通过对呼气流量的快速测量及对管路通径的及时调整基本能保证呼气流量按预先设定的流量变化规律变化，如在6~10秒内，呼气流量从300ml/s线性下降到20ml/s。

一种对呼气流量变化方式的控制是使其线性衰减，如在6~10秒时间内使其从300ml/s线性下降到20ml/s, 当然呼气流量的上下限可根据实际需要调整。控制呼气流量线性变化的一大优点是算法模型较为简单，前述理论公式是在该条件下得出的。

当然也可以控制呼气流量以指数或其它任何方式变化，与呼气流量线性变化所不同的是算法处理上的不同，以线性或指数等方式规律变化的流量在算法上可公式化求解，而当呼气流量变化没有规律时，求解较为复杂，数值积分算法可能是不可避免的选择。

2 采样方式设计：将呼出气体全部收集下来进行分析测量，还是仅收集分析其中的一部分？

为了减少样品室体积，同时简化同步算法，本发明采用的方法为用一高流量的泵在呼气的同时将呼出气的一部分以恒定流速抽入细长气室中。这样就能保证不同呼气时间段的气体在细长气室中的分布是均匀的。

3 样品存储：

待分析气体存储在气室中，所述气室的结构为一细长管路，目的是为了保证在采样及分析过程中气体在气室中的流动满足活塞流的条件。

4 测量分析：

测量分析时通过泵驱动样品室内的气体恒定的流速流动，并记录整个测量过程的曲线，如果已知采样及分析时气体流量的比例及时间同步点，就能将传感器的测量曲线与呼气流量测量曲线关联起来，做出传感器响应值与呼气流量间的关系图。

采样与分析时气体的流量比越大，对传感器响应时间的要求越低，如二者的比例为10:1，则可用响应时间为10秒的传感器测量呼气1秒内NO浓度的变化情况。采样与测量分析所用气体流量的大小选择取决于传感器的响应时间及测量所需的时间分辨率，对呼气NO分析，采样与分析流量比可控制在5~20倍。

5 同步方法：

呼气采样时以较高流速将呼出气的一部分存储在细长管路中，而分析时将所述管路中的气体以较低流速通入传感器进行分析测量，为了将此两个相对独立的过程关联起来，必须有一个同步时间点，所述同步点的选取可通过气路设计来说实现。

一种选取同步点方法为将分析泵安排在细长气室前段，这样呼气采样结束时的气体在测量分析时首先被抽入传感器进行分析，该时间起点点对应的就是呼气采样结束的时间点。

选取同步点的另一种方法是设计一循环分析气路，此时分析泵在细长气室的后端，分析测量时分析泵驱动气室中的气体进入传感器进行测量后，通过以NO过滤器去除NO后回到细长气室中，由于气室中气体的流动为活塞流，当这部分气体在回到传感器时，由于NO气体已被NO过滤器过滤掉，NO传感器的响应会快速下降到零，而该时间点对应的就是呼气采样结束时的时间点。

解决了上述问题，通过设计合适的装置，便可实现一口多参数NO测量，虽然测量装置分析过程会有所不同，但其测量分析过程的共同点可归纳如下：

1）呼气：控制呼气以预设的流量程序变化，记录呼气流量随时间变化曲线；

2）采样：将呼气全过程呼出的气体或其一部分收集在一细长管气室中；

3）测量：以传感器响应时间相适应的气体流速将细长管中的气体通入传感器进行分析测量，记录传感器响应随时间变化曲线；

4）同步：同步呼气与分析过程，寻找呼气流量与呼气NO测量值间的数据对应关系；

5）计算：根据修正后的呼气流量与呼气NO间对应关系计算Jaw, Ca及FeNO₅₀。

图2为实现一口气多参数呼气一氧化氮测量装置的一种气路结构示意图，所述装置气路由采样模块（100）与分析模块（200）构成，其特征在于：所述采样模块由流量传感器（101）、流量调节器（201），电磁阀（301）串联组成，在流量调节器（201）及电磁阀（301）间通过三通与分析模块中的气室（401）相连；所述分析模块依次由气室（401）、三通（501）、分析泵（602）、气体湿度调节器（701）、NO传感器（801）、NO过滤器（901）及三通阀（302）构成循环气路；泵（601）通过三通（501）与气室（401）相连，NO过滤器（901）与NO传感器（801）间并联一个三通阀（303）。

图3为实现一口气多参数呼气一氧化氮测量装置的另一种气路结构示意图，所述装置气路由采样模块（100）与分析模块（200）构成，其特征在于：所述采样模块由流量传感器（101）、流量调节器（201），电磁阀（301）串联组成，在流量调节器（201）及电磁阀（301）间通过三通与分析模块中的电磁阀（303）相连；所述分析模块依次由电磁阀（303）、气室（401）、三通（501）、分析泵（602）、气体湿度调节器（701）、NO传感器（801）、三通阀（302）构成循环气路；泵（601）通过三通（501）与气室（401）相连，NO过滤器（901）通过三通阀（303）接入分析气路。

利用以上2种气路结构均可实现利用反应速度较慢的电化学气体传感器跟随测量快速变化的呼出气NO浓度，实际上本领域的专业人士可根据本发明原理设计更多的实现装置。

附图说明

图1.肺泡及气道一氧化氮产生及扩散双室模型。

图2.一口气变流量呼气一氧化氮测量设备组成示意图。

图3一口气变流量呼气一氧化氮测量设备组成示意图。

具体实施方式

应用实施例一

图2为实现本发明方法的一种装置的气路结构示意图，所述装置由采样模块100与分析模块200构成，其结构特点为所述采样模块由流量传感器101、流量调节器201，电磁阀301串联组成，在流量调节器201及电磁阀301间通过三通（未标明）与分析模块中的气室401相连；所述分析模块依次由气室401、三通501、分析泵602、气体湿度调节器701（如Nafion管）、NO传感器801、NO过滤器901及三通阀302构成循环气路；泵601通过三通501与气室401相连，NO过滤器901与NO传感器801间并联一个三通阀303。

利用该装置进行一口气变流量呼气测量时过程如下：

1）呼气：

打开阀门301，受试者吸入干净空气后，持续大力呼气维持6~10秒，在呼气过程中通过程序控制流量调节器调整控制呼气流量，使其以预设的流速程序变化（如线性下降），流量传感器101测量实时测量记录呼气流量随时间变化曲线；

2）采样：

在呼气的同时，打开采样泵601、分析泵602，调整三通阀302、303位置，将呼气全过程呼出的气体的一部分收集在细长管气室401中，此时采样气体的一部分经气室401、三通501及采样泵601排空；另一部分经气室401、三通501、分析泵602、气体湿度调节器701、NO传感器801、三通阀303及三通阀302排空，此时气体总流速约为10ml/s，采样时间6~10秒；

3）测量：

采样完成后关闭阀门301及流量调节器201，关闭采样泵601，打开分析泵602，调整三通阀302、303的位置使气体流动方向变为：气室401、三通501、分析泵602、气体湿度调节器701、NO传感器801、NO过滤器901、三通阀302及气室401，此时气体流速约为1ml/s,整个分析过程时间约为120秒，在分析全过程记录传感器响应随时间变化曲线；气体通过NO过滤器901后传感器测得的稳态电流为零点电流；

4）同步：

在呼气采样结束时的呼气气体收集在细长气室401的最末端，在分析时泵602驱动气体在循环气路中流动（气体在管路中的流动为活塞流），气体经传感器801测量后通过NO过滤器901过滤后，NO浓度降为0，这部分气体会回到气室401中，这样当气室401收集的呼气被全部分析完后，传感器的响应电流将会发生突变（零点电流），此时间点对应的浓度就是呼气采样结束时呼气NO的浓度；

由于事先标定好已采样气体流量（约10ml/s）及分析气体流量（约1ml/s）,相当于每秒的呼出气体可在传感器上测量10秒，测量时间被放大了10倍，由上所述呼气采样结束的时间与分析时出现零点电流的拐点时间的一致的，由此可找到呼气流量与呼气NO测量值间的数据对应关系；

5）计算：

根据修正后的呼气流量与呼气NO间对应关系计算Jaw, Ca及FeNO50；

6）自标定：

要实现对传感器灵敏度的自标定，首先要在气室401中收集浓度均一的NO气体（不必知道具体浓度），这可通过关闭阀门301 ，调整三通阀302、303，打开泵601、602直接抽气采样实现，此时气流方向分为两路，一路为：NO气源、流量传感器101、流量调节器201、气室401、三通501、泵601然后排空，另一路为：NO气源、流量传感器101、流量调节器201、气室401、三通501、泵602、气体湿度调节装置701、NO传感器801、三通阀303、302然后排空；

自标定时调整三通阀302、303位置，通过泵602使气室401中的气体通过三通501、泵602、气体湿度调节器701、NO传感器801、三通阀303、302回到气室401，这样通过2~3次循环测量分析，便可通过专利ZL201210207872.6公开的方法直接计算气室401中NO气体浓度，进而根据循环过程NO传感器801的响应电流计算其对NO响应的灵敏度，实现自标定。

应用实施例二

图3为实现本发明方法的的一种另一种装置的气路结构示意图，所述装置由采样模块100与分析模块200构成，其结构特点为所述采样模块由流量传感器101、流量调节器201，电磁阀301串联组成，在流量调节器201及电磁阀301间通过三通（未表明）与分析模块中的电磁阀303相连；所述分析模块依次由电磁阀303、气室401、三通501、分析泵602、气体湿度调节器701（如Nafion管）、NO传感器801、三通阀302构成循环气路；泵601通过三通501与气室401相连，NO过滤器901通过三通阀303接入分析气路。

利用该装置进行一口气变流量呼气测量时过程如下：

1）呼气：

2）采样：

在呼气的同时，打开采样泵601、分析泵602，调整三通阀303、302位置，将呼气全过程呼出的气体的一部分收集在细长管气室401中，此时采样气体的一部分经气室401、三通501及采样泵601排空；另一部分经气室401、三通501、分析泵602、湿度调节器701、NO传感器801及三通阀302排空，此时气体总流速约为10ml/s，采样时间6~10秒；

3）测量：

采样完成后关闭阀门301及流量调节器201，关闭采样阀601，打开分析泵602，调整三通阀302、303的位置使气体流动方向变为：空气、NO过滤器901、气室401、三通501、分析泵602、湿度调节器701、NO传感器801、三通阀302然后排空，此时气体流速约为1ml/s,整个分析过程时间约为120秒，在分析全过程记录传感器响应随时间变化曲线；气体通过NO过滤器901后传感器测得的稳态电流为零点电流；

4）同步：

在呼气采样结束时的呼气气体收集在细长气室401的最末端，在分析时泵602驱动气体在气路中流动（气体在管路中的流动为活塞流），空气经通过NO过滤器901过滤后，NO浓度降为0，这部分气体会推动气室401的气体向前移动，这样当气室401收集的呼气被全部分析完后，传感器的响应电流将会发生突变（零点电流），此时间点对应的浓度就是呼气采样结束时呼气NO的浓度；

5）计算：

6）自标定：

要实现对传感器灵敏度的自标定，首先要在气室401中收集浓度均一的NO气体（不必知道具体浓度），这可通过关闭阀门301 ，调整三通阀302、303，打开泵601、602直接抽气采样实现，此时气流方向分为两路，一路为：NO气源、流量传感器101、流量调节器201、三通303、气室401、三通501、泵601然后排空，另一路为：NO气源、流量传感器101、流量调节器201、三通303、气室401、三通501、泵602、气体湿度调节装置701、NO传感器901、三通阀302、然后排空；

自标定时调整三通阀302、303位置，通过泵602使气室401中的气体通过三通501、泵602、气体湿度调节器701、NO传感器801、三通阀302、303回到气室401，这样通过2~3次循环测量分析，便可通过专利ZL201210207872.6公开的方法直接计算气室401中NO气体浓度，进而根据循环过程NO传感器801的响应电流计算其对NO响应的灵敏度，实现自标定。

Claims

1.一种一口气多参数呼气一氧化氮测量装置，由采样模块（100）与分析模块（200）构成，其特征在于：所述采样模块由流量传感器（101）、流量调节器（201），电磁阀（301）串联组成，在流量调节器（201）及电磁阀（301）间通过三通与分析模块中的气室（401）相连；所述分析模块依次由气室（401）、三通（501）、分析泵（602）、气体湿度调节器（701）、NO传感器（801）、NO过滤器（901）及三通阀（302）构成循环气路；泵（601）通过三通（501）与气室（401）相连，NO过滤器（901）与NO传感器（801）间并联一个三通阀（303）。

2.一种一口气多参数呼气一氧化氮测量装置，由采样模块（100）与分析模块（200）构成，其特征在于：所述采样模块由流量传感器（101）、流量调节器（201），电磁阀（301）串联组成，在流量调节器（201）及电磁阀（301）间通过三通与分析模块中的电磁阀（303）相连；所述分析模块依次由电磁阀（303）、气室（401）、三通（501）、分析泵（602）、气体湿度调节器（701）、NO传感器（801）、三通阀（302）构成循环气路；泵（601）通过三通（501）与气室（401）相连，NO过滤器（901）通过三通阀（303）接入分析气路。