用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置。
【背景技术】
[0002] 自1950年左右以来，对示踪气体从肺部的洗出过程的测量就已开始，并且从 那时起已用来确定肺容量、肺容量细分以及通气不均匀性参数[见：A.A.Hutchison，A. C.Sum,T.A.Demis,A.Erben,L.I.Landau.Momentanalysisofmultiplebreathnitrogen washoutinchildrenAmRevRespirDis1982;125:28-32]。多次呼吸洗出过程可使用 不同示踪气体进行：氦气、SF6(六氟化硫）或N2(氮气）是最常用的示踪气体。使用N2是 最简单的方法，因为患者仅须从呼吸空气转换为呼吸100%氧气。在呼吸氧气时，残留在肺 部的N2从肺呼吸中被洗出用于呼吸。已开发出各种方法用于测量示踪气体N2、SF6或氦气 的浓度，这些方法每种都具有独特的优点和缺点。
【发明内容】
[0003] 在下文对先前所使用方法的描述中，将描述基于氮气（N2)的洗出过程。然而，所 述方法还可利用示踪气体SF6或氦气以类似方式用于分析多次呼吸洗出。
[0004] 利用氮气多次呼吸洗出过程（MBW)的分析需要精确测量流入和流出肺部的气体 流速，并结合同样精确地测量由患者吸入和呼出的N2浓度。必须利用快速响应传感器测量 流速和N2信号，因为即使在基础呼吸下，流量信号和浓度信号也会发生快速变化。另外，必 须同步记录流量信号和N2浓度信号（S卩，信号之间没有任何时间延迟），因为要对N2浓度 和流量的乘积进行积分来确定吸入和呼出的N2体积。
[0005] 图1示出随时间⑴变化的流量（F)和N2浓度。在整个测试过程中，患者正常呼 吸，但是附带有鼻夹以使所有空气通过口吸入和呼出。N2浓度在实际N2洗出过程之前几 乎是恒定的并且处于环境N2浓度值（78.08% );在洗出过程中，N2浓度在吸入期间（几 乎）为零，而在呼出期间，平均N2浓度每呼吸一次下降一点，因为每呼吸一次，氮气就被从 肺部进一步洗出。图1还放大呈现了N2浓度随呼出体积（V)的变化。这一呈现示出呼出 阶段I至III(I=死腔；II=混合空气；III=肺泡气）。用于量化通气不均匀性的其它参 数可通过测定洗出过程的所有呼吸在阶段III中的增加来确定[Consensusstatementfor inertgaswashoutmeasurementusingmultipleandsinglebreathtests.EurRespir J2013 ;41:507-522]。
[0006] 通常利用100Hz的测量速率检测流速信号和气体浓度信号。流量传感器通常具有 <10ms的响应时间；用于测量气体浓度的传感器通常更慢并且具有60至IOOrns范围内的响 应时间（见[Consensusstatementforinertgaswashoutmeasurementusingmultiple andsinglebreathtests.EurRespirJ2013;41:507-522])。现有不同类型的气体流量 传感器，诸如通过流路中的阻力检测压力差的传感器，或测量热线的冷却的传感器、测量涡 轮机的旋转的传感器，或测量超声波渡越时间的传感器。气体浓度在洗出过程中经受较大 波动。不过，这可能不会对流量测量产生任何影响或这种影响须被充分校正。然而，不仅流 量传感器的技术可不同。当前的系统如何通过测量示踪气体来分析洗出以用于确定N2浓 度的方法也是不同的。以下方法被用于测量N2浓度。
[0007] 1.质谱法：质谱仪可用于以高精确度和快速响应时间来测量气体浓度。在多次呼 吸氮气洗出过程中，通常同时检测N2、02和C02的浓度值。当使用SF6作为示踪气体时，最 常使用质谱仪来测量多次呼吸洗出[P.M.Gustafsson,P.Aurora,A.Lindblad.Evaluation ofventilationmaldistributionasanearlyindicatoroflungdiseaseinchildren withcysticfibrosis.EurRespirJ2003;22:972-979]。质谱仪价格昂贵且须进行定期 保养。
[0008] 2.间接法：可通过使用用于测量02和C02浓度的两个单独的气体传感器来间接 确定N2浓度。通常使用电化学传感器或借助于激光的红外线吸收测量02;红外线吸收传感 器通常用于C02测量。通过应用混合物所有气体之和得到100%的道尔顿定律，参考02和 C02浓度来间接确定N2浓度。为了确保精确地确定N2浓度，须同时测量02信号和C02信号， 即信号之间没有任何时间延迟。此外，传感器须具有尽可能相似的响应时间[F.Singer，B. Houltz,P.Latzin,P.Robinson,P.Gustafsson.ARealisticValidationStudyofaNew NitrogenMultiple-BreathWashoutSystemPloSONE7(4):e36083, 2012]〇
[0009] 如果存在N2浓度和气体流量的同步信号，那么通过对吸入和呼出N2体积乘以流 量进行数学积分来确定呼出总氮气体积。因此确定了每次呼吸的吸入和呼出N2体积并且 将这些体积相加来确定总呼出N2体积，直到达到N2浓度阈值（通常为〈2. 5%的初始浓 度）。最后，将总呼出N2体积除以初始N2浓度以计算功能余气量（FRC)并且进而将其从N2 浓度的终值（阈值）中扣除。[Consensusstatementforinertgaswashoutmeasurement usingmultipleandsinglebreathtests.EurRespirJ2013;41:507-522]。通过对随 时间或体积变化的氮气浓度的更详细分析，确定通气不均匀性参数（诸如LCI和矩）。
【附图说明】
[0010] 图1示出随时间⑴变化的流量（F)和N2浓度。
[0011] 图2解释了带有流量管（1)的流量传感器测量流入患者肺部又流出的空气的理 念。
[0012] 图3示出用于多次呼吸氮气洗出分析的系统的实施方案的框图。
【具体实施方式】
[0013] 本发明的目的在于提供一种用于测量和分析多次呼吸氮气洗出过程的装置。
[0014] 根据本发明，装置被构造为具有权利要求1的特征的组合。
[0015] 本发明的优选实施方案从权利要求1的从属权利要求可获知。
[0016] 本发明利用通过超声波测量流量和摩尔质量[参考EP0 597 060B1、EP0 653 919B1]，并结合通常基于红外线吸收过程的快速响应C02传感器，用于确定多次呼吸氮气 洗出测试的功能余气量（FRC)、肺清除指数（LCI)、矩比、阶段III分析（包括Scond和 Sacin)以及进一步导出的参数。
[0017] 在患者呼吸室内空气时的实际洗出阶段之前，以及在患者呼吸100%氧气时的洗 出阶段期间，须考虑以下气体组分。
[0018] ? N2(氮气）；在（干燥）室内空气中的浓度为约78.08%
[0019] ? 02 (氧气）；在（干燥）室内空气中的浓度为约20.95%
[0020] ? C02(二氧化碳）；在（干燥）室内空气中的浓度为约0.04% ;在呼出过程中，所 述浓度增加至约4%至5%。
[0021] ? H20(水蒸气）；取决于湿度和温度，在空气中的浓度介于0%和约5%之间。
[0022] ? Ar (氩气）；在（干燥）室内空气中的浓度为约0.93%。
[0023] ?所有其它气体（所谓的痕量气体）的浓度低于0. 002%。这些气体在以下讨论 中不予考虑。
[0024] 在多次呼吸洗出过程的吸入和呼出过程中，，所有气体的浓度发生波动。可独立于 主要由氧气的吸入和所产生二氧化碳的呼出所致的气体浓度的这些变化，建立以下三个方 程式：
[0028] 在此，fx是气体X的比例，且M x是以g/mol为单位的气体X的摩尔质量。
[0029] 方程式（1)显示所观察的所有气体比例之和为100% (道尔顿定律）。如上所述， 在此未考虑痕量气体。
[0030] 方程式⑵描述了摩尔质量的测量。由超声波传感器测量的摩尔质量通过将每一 种气体的比例乘以各自的摩尔质量并且求和来计算：。
[0031] 假定在方程式（3)中，氩气比例与氮气比例成固定比，即氩气洗出与氮气洗出成 正比。因为这两种气体都不参与人在呼吸过程中的气体交换，所以这是一个有效的假设。
[0032] 下文清单示出方程式（1)至（3)的哪些变量是测量的，哪些是未知的。
[0033]测量的变量：fC02、fH20、M
[0034] 未知的变量：fN2、f02、fAr
[0035] 相应传感器测量C02浓度（fC02)和摩尔质量（M)。空气中的水蒸气浓度（f_)通 过测量室内空气的湿度、压力以及温度来确定。室内空气中水蒸气的浓度可从这些数值确 定。本发明的机械设计（见下文）确保了在整个洗出过程中在传感器区域内有确定的水蒸 气浓度。
[0036] 由于存在三个未知的变量和三个方程式，可对系统求解并且可确定fN2、f02和 fAr的浓度。因此可从fC02、fH20和M的测量值确定fN2和f02的比例。
[0037] 所列出的方程式适用于患者肺部的氮气洗出的所有阶段；它们同样适用于体外 系统，即用于验证分析氮气洗出用的医疗设备的系统；这些系统可利用诸如注射器和/或 模拟患者肺部的容器的装置（F. Singer, B. Houltz, P. Latzin, P. Robinson, P. Gustafsson. A Realistic Validation Study of a New Nitrogen Multiple-Breath Washout System PloS ONE 7(4):e36083,2012]〇
[0038] 为了获得更好的精确度，在方程式（2)中的摩尔质量x的值可由校正的摩尔质量 值M #x替换，其中M#x=kx*Mx并且其中因子kx是用于绝热指数校正（即热容量比）的无量 纲常数。这种校正是必需的，因为摩尔质量（在方程式（2)中的总摩尔质量M)的测量是基 于固定热容量比的（见（2))。
[0039] 为了在多次呼吸洗出过程的评定中获得足够的精确度，须以相对较高的精确 度（N2 浓度测量的精确度应为〈0.2 % [Consensus statement for inert gas washout measurement using multiple and single breath tests. Eur Respir J 2013 ； 41:507-522]Eur Respir J 2013;41:507-522])确定 fN2 和 f02 的值。在这个关系中，当借 助于红外线吸收测