一种肺叶通气换气功能检测装置的制作方法

一种肺叶通气换气功能检测装置
1.相关申请
2.本技术要求了2021年4月22日提交的申请号为202110438231.0，名称为“一种肺叶通气换气功能检测装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用的方式结合在本文的申请中。
技术领域
3.本发明涉及一种肺叶通气换气功能检测装置，具体地说是一种评估隔离状态/通气状态肺叶的通气换气情况的装置，以及使用该装置的方法。


背景技术：

4.肺叶旁路通气是指肺叶之间发生沟通的一种病理生理现象，即存在于肺泡正常气道之外的通路从而发生通气的现象。现有技术对肺旁路通气通常采用如下检测方法。
5.气流阻塞法：如美国专利申请公开us2003/0051733a1，其在叶支气管开口处嵌入末端有阻塞部件的导管，并且将导管与测量压力和流量的仪器连接。阻塞支气管后，无旁路通气时，球囊末端气流随时间逐渐下降至零，阻力增加；而存在旁路通气时，球囊末端能持续测到气流存在。理论上这种方法可以准确检测旁路通气是否存在，但在实际应用中，气道内分泌物对气体流量的准确测量很有影响，呼吸运动也影响气囊封闭气道的程度。因此，部分患者难以应用此方法判断旁路通气是否存在。
6.氙增强动态双能ct法：患者吸入氙气后，阻塞而无旁路通气的部位在薄层ct下观察氙气分布强度低，增强时间较长；阻塞又存在旁路通气的部位，则氙气增强的时间与无阻塞部位相似。这种方法需要特殊的ct设备，价格昂贵。
7.hrct法：如美国专利申请公开us2003/0055331a1，其采用高分辨率的ct设备(hrct)进行成像，由此能完整显示水平裂和叶间裂，但受分辨率限制，部分患者叶间裂显示不清，灵敏度低。
8.因此临床上需要一种操作简便，测量精确的检测肺旁路通气换气状况的装置及方法。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种肺叶通气换气功能检测装置，提高检测效率，改善检测效果。
10.本发明的技术方案如下。
11.一种肺叶通气换气功能检测装置，包括病人接口子系统、中央控制和信息处理子系统、人机交互子系统，以及电源子系统；
12.所述病人接口子系统能够封堵病人的靶支气管以隔离选定的肺叶，使病人吸入定量的3he与o2混合气，并能够采集病人的气道吸气压力、气道呼出气体流量、呼出气体co2和o2组分数据，发送到所述中央控制和信息处理子系统；
13.所述中央控制和信息处理子系统与所述病人接口子系统和所述人机交互子系统连接，由此能够启动/停止肺叶通气换气功能检测、接收被隔离肺叶的气道压力流量及靶肺叶呼出气体的二氧化碳和氧气组分信息，对隔离肺叶的通气状况进行评估并发送到人机交互子系统显示；或者，也可以通过负压旁流体系直接评价靶肺叶支气管管口气体浓度变化。
14.所述人机交互子系统用于操作者输入/查询病人信息，向所述中央控制和信息处理子系统发出启动/停止肺叶通气换气功能检测指令，以及图形化显示被隔离肺叶的评估信息；
15.所述电源子系统与网电源连接，同时与所述病人接口子系统、中央控制和信息处理子系统、人机交互子系统电连接，从而提供工作电源。
16.优选地，所述病人接口子系统包括主控制器单元、通信单元、气路控制单元、流量监测单元、压力检测单元、呼吸检测单元、数据存储单元、co2检测单元和o2检测单元。
17.优选地，所述主控制器单元与所述通信单元、气路控制单元、流量监测单元、压力检测单元、数据存储单元、呼吸检测单元连接；能够通过所述通信单元接收所述中央控制和信息处理子系统发来的启动/停止通气检查指令，控制气路控制单元以关闭/打开呼/吸气道，接收流量检测单元和压力检测单元的实时数据，存储到数据存储单元，以及通过通信单元将压力和流量实时数据上传到中央控制和信息处理子系统。
18.优选地，所述气路控制单元包括吸气阀v1、呼气阀v2；所述吸气阀v1用于关闭/打开吸气道，所述呼气阀v2用于关闭/打开呼气道。
19.优选地，所述中央控制和信息处理子系统能够向所述主控制器单元发送指令，从而控制所述病人接口子系统进入所选择肺叶在正常呼吸状态下的呼气流量和吸气压力数据收集阶段；
20.数据收集阶段期间，所述呼吸检测单元对流量传感器以一定的采样时间间隔进行采样，以及对采样后的数据进行滤波并存入流量信号数组，实时拟合得到流量曲线；当拟合流量曲线斜率大于一定阈值并在流量大于一定预设值时，判定病人有吸气或呼气动作。
21.优选地，在病人处于吸气相位时，吸气阀v1打开，呼气阀v2关闭，病人吸入的气体由吸气口通过吸气阀v1进入选定的肺叶；
22.在病人处于呼气相位时，呼气阀v2打开，吸气阀v1关闭，病人呼出的气体通过呼气阀v2并输入到串联的co2检测单元和o2检测单元进行气体组分分析，并将分析数据上传到中央控制和信息处理子系统。
23.优选地，所述中央控制和信息处理子系统能够向所述主控制器单元发送指令，从而控制所述病人接口子系统进入评估工作状态，在此期间关闭吸气阀v1；
24.在评估工作状态期间，所述呼吸检测单元对压力传感器以一定的采样时间间隔进行采样，以及对采样后的数据进行滤波并存入压力信号数组，实时拟合得到压力曲线；
25.当压力曲线斜率大于一定的阈值并在压力大于一定预设值时，判定病人有呼气动作；
26.在呼气相开始，所述呼吸检测单元对流量传感器以一定的采样时间间隔进行采样，以及对采样后的数据进行滤波并存入流量信号数组，实时拟合得到流量曲线；
27.当流量曲线斜率大于一定的阈值并在流量大于一定预设值时，判定病人有吸气动作。
28.优选地，病人处于呼气状态时，呼气阀v2打开，病人呼出的气体通过呼气阀v2输入到串联的co2传感器和o2传感器进行气体组分分析，并将分析数据上传到中央控制和信息处理子系统3；
29.病人处于吸气状态时，关闭呼气阀v2，禁止外部气体进入所选定的肺叶。中央控制系统可实现持续负压旁流，连续收集靶肺支气管开口的气体浓度水平。
30.优选地，所述中央控制和信息处理子系统对隔离肺叶的通气状况进行评估包括：如果呼出气中o2和co2浓度快速下降，则判定选定的肺叶存在旁路通气。
31.优选地，所述中央控制和信息处理子系统还用于建立维护病人数据库，保存病人的被隔离肺叶评估信息。
32.本发明利用3he的超流体效应评估肺叶通气换气功能情况，预先应用球囊导管封堵靶支气管，然后，使受试者吸入固定容积的3he与氧气(o2)混合气，由于3he不同于4he，具有超流体效应，在几秒至十几秒内可扩散至全肺。应用球囊封堵的靶肺叶如果存在旁路通气，3he由于不被血液吸收，其可通过旁路迅速进入封堵的靶肺叶，而后呼出，使呼出气中o2和co2浓度快速下降。本系统除了可检测球囊导管封堵靶肺叶呼出气流的流量和压力变化，更能够分析呼出气流中是否混入3he；从而评价靶肺叶是否与临近肺叶存在旁路通气，可能较传统的肺hrct分析叶间裂完整性评估旁路通气的有无或单纯检测呼出气流流量、气流阻力变化评估旁路通气有无的方法更快速、且具有更好的灵敏度和特异度。另外，通过对自主呼吸时目标支气管管口o2和co2浓度实时检测，评价其支配肺段的换气功能。同时，亦可用于支气管胸膜瘘瘘点支配支气管的查找，例如，在胸腔闭式引流下，支配支气管管口水平co2水平下降；同时连接负压吸引后，可快速检测。
附图说明
33.图1为本发明的肺叶通气换气功能检测装置结构示意图；
34.图2为本发明的肺叶通气换气功能检测装置功能模块示意图；
35.图3为本发明系统中的病人接口子系统功能模块示意图；
36.图4为图3中的病人接口子系统结构示意图；
37.图5为图3中的流量传感器的采集电路原理图；
38.图6为图3中的压力传感器的采集电路原理图；
39.图7为本发明系统中的中央控制和信息处理子系统原理示意图。
40.图中各个附图标记的含义如下：
41.1、肺叶通气换气功能检测装置；2、mcu微控制器；3、中央控制和信息处理子系统；4、人机交互子系统；5、流量传感器；6、压力传感器；7、吸气阀v1；8、呼气阀v2；9、co2传感器；10、o2传感器。
具体实施方式
42.参见图1
‑
2，肺叶通气换气功能检测仪系统结构包括电源子系统，为整个系统提供电源；中央控制和信息处理子系统，是检测仪的核心子系统；连接于人机交互子系统和病人接口子系统；人机交互子系统负责将用户的输入控制指令上传到中央控制和信息处理子系统，中央控制和信息处理子系统完成用户的任务需求：如启动病人接口子系统进行肺叶评
估、病人历史评估信息查询等功能；病人接口子系统负责完成中央控制和信息处理子系统下发的评估指令，并将本子系统采集的气道吸气压力、气道呼出气体流量、呼出气体co2和o2组分数据上传到中央控制和信息处理子系统。中央控制和信息处理子系统也可以通过负压旁流体系直接评价靶肺叶支气管管口气体浓度变化。
43.如图3
‑
4所示，病人接口子系统包括主控制器单元、气体质量流量传感器、气道压力传感器、吸气电磁阀，呼气电磁阀、co2传感器、o2传感器组成。病人接口子系统与中央控制和信息处理子系统3建立有数据连接，由此能够实时检测被隔离肺叶的吸气气道压力和呼出气体流量信息、被隔离肺叶呼出气体的二氧化碳和氧气组分，以及吸入3he与氧气(o2)混合气后呼出气体的co2和o2组分变化，自主呼吸时目标支气管管口co2和o2实时浓度变化水平，并将这些信息发送到中央控制和信息处理子系统3。
44.图5所示的为气体流量传感器5的流量采集电路，该流量传感器5具有正反双向流量采集功能。该流量采集电路包括流量传感器awm3303v和运算放大器lmv324(商品型号)。本领域技术人员能够理解，该流量采集电路的实现形式并不局限于此，现有技术中的任何适用的流量采集电路都可应用于本发明。
45.图6所示的为气道压力传感器6的压力采集电路。该压力采集电路包括压力传感器hscsaan001pdaa5和运算放大器lmv324(商品型号)。本领域技术人员能够理解，该压力采集电路的实现形式并不局限于此，现有技术中的任何适用的压力采集电路都可应用于本发明。
46.如图7所示，所述中央控制和信息处理子系统包括：电源单元、人机交互接口单元、中央处理单元、数据存储单元和通信单元，其中中央处理单元配置有评估系统管理软件。
47.所述中央处理单元与所述人机交互接口单元、通信单元、数据存储单元连接，由此接收操作者通过人机交互子系统的指令，将病人信息存储到数据存储单元，通过通信单元启动/停止被隔离肺叶的评估，并将病人信息、检测信息发送到人机交互子系统。
48.所述人机交互接口单元与所述中央处理单元、所述人机交互子系统连接，用于将操作者指令发送给中央处理单元硬件系统和检测系统管理软件，并将病人信息和检测信息发送到人机交互子系统。
49.所述数据存储单元与所述中央处理单元连接，用于存储病人信息和检测信息。
50.下面具体描述根据本发明的肺叶通气换气功能检测装置的工作流程。
51.步骤1，患者处于吸空气或吸入氦氧混合气；应用球囊导管封堵靶支气管。
52.步骤2，人机交互子系统4将来自用户的开始评估指令发送到中央控制和信息处理子系统3，中央控制和信息处理子系统3将该指令通过串口下传到mcu微控制器。mcu微控制器2控制病人接口子系统开始进入评估工作流程。
53.进入所选择肺叶在正常呼吸状态下的呼气流量和吸气压力数据收集阶段。本阶段中，数据收集时间大约10秒钟，在此期间对病人进行呼吸相位监测，mcu微控制器2对流量传感器5以一定的采样时间间隔，如100微秒进行采样。
54.mcu微控制器对采样后的数据进行滤波，如滑动平均滤波法，并存入流量信号数组，如20个元素的数组。mcu微控制器2实时拟合流量信号形状。在一优选的实施方式中，拟合采用最小二乘法拟合流量曲线y1＝b1*x+b0，其中y1为拟合的流量曲线，x为采样时刻，b1为拟合的流量曲线的斜率，b0为拟合的流量曲线的初值。当流量曲线斜率b1大于一定的门
槛并在流量大于一定预设值时，判定病人有吸气或呼气动作，病人此时处于吸气/呼气状态。在一优选的实施方式中，根据灵敏度的不同，可以设置不同等级的门槛，如0.2、0.3或0.4。在病人处于吸气相位时打开吸气阀v1，关闭呼气阀v2，病人吸入的气体由吸气口通过吸气阀v1进入患者肺叶；在病人处于呼气相位时打开呼气阀v2，关闭吸气阀v1，病人呼出的气体通过呼气阀v2并输入到串联的co2传感器9和氧浓度传感器10进行气体组分分析，并将分析数据上传到中央控制和信息处理子系统3。在正常呼吸状态下的呼气流量和吸气压力数据收集过程中，mcu微控制器2以1毫秒的采样时间实时采集气道呼气流量和吸气压力数据，并上传到中央控制和信息处理子系统3，并由中央控制和信息处理子系统3进行数据处理，显示在人机交互子系统4的显示界面上，并将数据存储于中央控制和信息处理子系统3的数据存储器中。
55.步骤2，所选择肺叶在正常呼吸状态下的呼气流量和吸气压力信息收集结束后，进入评估工作状态，在此期间关闭吸气阀v1。
56.在此期间对病人进行呼吸相位监测，mcu微控制器2对压力传感器6以一定的采样时间间隔，如100微秒进行采样，具体采集电路参见图5。对采样后的数据进行滤波，如滑动平均滤波法，并存入压力信号数组，如20个元素的数组。主控制器单元利用采集到的数据实时拟合压力信号形状。在一优选的实施方式中，主控制器单元采用最小二乘法拟合压力曲线y2＝b3*x+b2，其中y2为拟合的压力曲线，x为采样时刻，b3为拟合的压力曲线的斜率，b2为拟合的压力曲线的初值。
57.当压力曲线斜率b1大于一定的门槛并在压力大于一定预设值时，判定病人有呼气动作。在一优选的实施方式中，根据灵敏度的不同，可以设置不同等级的门槛，如0.2、0.3或0.4。病人处于呼气状态时，打开呼气阀v2，病人呼出的气体通过呼气阀v2并输入到串联的co2传感器9和o2传感器10进行气体组分分析，并将分析数据上传到中央控制和信息处理子系统3。在呼气相开始，mcu微控制器2对流量传感器5以一定的采样时间间隔，如100微秒进行采样，该流量传感器5具有正反双向流量采集功能。
58.对采样后的数据进行滤波，如滑动平均滤波法，并存入流量信号数组，如20个元素的数组。主控制器单元实时拟合流量信号形状。在一优选的实施方式中，主控制器单元采用最小二乘法拟合流量曲线y1＝b1*x+b0，其中y1为拟合的流量曲线，x为采样时刻，b1为拟合的流量曲线的斜率，b0为拟合的流量曲线的初值。
59.当流量曲线斜率b1大于一定的门槛并在流量大于一定预设值时，判定病人有吸气动作。在一优选的实施方式中，根据灵敏度的不同，可以设置不同等级的门槛，如0.2、0.3或0.4。病人处于吸气状态时，关闭呼气阀v2，禁止外部气体进入所选择评估的肺叶。在评估过程中，以1毫秒的采样时间实时采集气道呼气流量和吸气压力数据，并上传到中央控制和信息处理子系统3，并由中央控制和信息处理子系统3进行数据处理，显示在人机交互子系统4的显示界面上，并将数据存储于中央控制和信息处理子系统3的数据存储器中。
60.步骤3，人机交互子系统4将来自用户的停止评估指令发送到中央控制和信息处理子系统3，中央控制和信息处理子系统3将该指令通过串口下传到mcu微控制器2，mcu微控制器2控制病人接口子系统停止评估工作流程。
61.步骤4，重复在正常呼吸状态下的呼气流量和吸气压力信息收集阶段，数据收集时间大约10秒钟。整个评估流程结束。