一种基于一口气法的肺弥散功能检查装置及方法

摘要

本发明公开一种基于一口气法的肺弥散功能检查装置及方法，包括气体采集控制模块、气体分析模块、系统控制模块和人机交互模块。气体采集控制模块主要通过主三通阀和呼吸调节器构建用于呼吸气体测试的通路，并规范控制一口气法的呼吸动作流程；气体分析模块主要通过辅三通阀和电子压力控制器构建用于非分散红外气体分析传感器标定和采样通路；系统控制模块用于控制装置中泵和阀；人机交互模块用于数据处理分析、结果显示和测试流程人机指导。本发明可用于肺弥散功能的便捷、准确测量。

说明书

技术领域

本发明涉及肺功能检查，具体涉及一种基于一口气法的肺弥散功能检查装置及方法。

背景技术

肺弥散功能检查是指测试气(常用为CO)穿过肺泡膜(由肺泡上皮及其基底膜、肺泡毛细血管内皮及其基底膜等构成)，从肺泡向毛细血管扩散到达血液内，并与红细胞中血红蛋白(Hb)结合的能力。检测方法包括一口气法、CO摄取法、恒定状态法以及重复呼吸法，以一口气法临床最为常用。

肺弥散功能检查作为肺功能检查中的一种，尤其是肺内气体交换能力的检查，旨在为人体呼吸系统功能状态的评估提供检查手段，即肺病筛查、病情评估和疗效验证。现有市场肺功能检查设备多针对于肺容量检查和呼吸流量检查，即肺量计。而仅对于肺通气功能检查是无法为肺功能评估提供全面的诊断信息。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于一口气法的肺弥散功能检查装置及方法，从而提供肺内气体交换能力的一种检查方案。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于一口气法的肺弥散功能检查装置，包括气体采集控制模块、气体分析模块、系统控制模块和人机交互模块。所述气体采集控制模块用于提供呼吸气体的测试通路，规范控制一口气法的呼吸动作流程；气体分析模块用于提供非分散红外气体分析传感器标定通路和恒速抽取测试者呼出气体的采样通路，采样测试者呼气组分浓度；系统控制模块负责检查装置中泵和阀的控制、传感器数据采集和上传；人机交互模块负责数据处理分析、结果显示和测试流程人机指导。

所述的气体采集控制模块是由测试混合气源、第一双级减压阀、第一电磁开关阀、呼吸调节器、主三通阀、流量传感器、测试咬嘴、鼻夹组成。具体地，测试混合气源、第一双级减压阀、第一电磁开关阀、呼吸调节器、主三通阀A和C端、流量传感器、测试咬嘴依次通过气管连接，主三通阀可选择打开A-C或A-B端口，其中主三通阀B端连通空气。测试者在进行一口气法检查肺弥散功能过程中，所述气体采集模块提供测试者两条呼吸通路，即空气-咬嘴或气源-咬嘴方向；具体地，测试混合气源中高压气体经过第一双级减压阀减压至10个大气压左右，在由第一电磁开关阀控制气流是否通过，并到达呼吸调节器，使得测试混合气源中气体平衡与环境大气压，方便供测试者吸入测试混合气源中气体，另外有流量传感器负责实时监测测试者呼吸流速。

所述的气体分析模块是由测试混合气源、第二双级减压阀、第二电磁开关阀、辅三通阀、电子压力控制器、非分散红外气体分析传感器、缓冲装置、抽气泵组成。其中，辅三通阀可选择打开A-C或B-C端口，具体地，测试混合气源、第二双级减压阀、第二电磁开关阀和辅三通阀B端，依次通过气管连接，构成非分散红外气体分析传感器标定气路；辅三通阀C端、电子压力控制器、非分散红外气体分析传感器、缓冲装置和抽气泵，依次通过气管连接，构成气体采样气路。

所述的非分散红外气体分析传感器标定气路，是依次通过气管连接测试混合气源、第二双级减压阀、第二电磁开关阀和辅三通阀B端构成的。对非分散红外气体分析传感器用测试混合气源进行标定时，先将测试混合气源中高压混合气气经过第二双级减压阀减压，再通过第二电磁开关阀、辅三通阀B-C端口和电子压力控制器，利用抽气泵将标定测试气体抽入非分散红外气体分析传感器进行浓度标定，其中采用电调制红外光源和机械转动斩波方式的非分散红外气体分析传感器可同时对一氧化碳、甲烷和二氧化碳气体浓度进行测量；

所述的气体采样气路，是依次通过气管连接三通阀C端、电子压力控制器、非分散红外气体分析传感器、缓冲装置和抽气泵构成的。对测试者的呼气组分进行采样时，利用抽气泵提供吸气负压、电子压力控制器控制流速和缓冲装置稳压的手段，对测试者呼出气体进行恒速抽取，依次通过辅三通阀A-C端口和电子压力控制器，至非分散红外气体分析传感器进行气体采样，其中辅三通阀A端连接至流量传感器和测试咬嘴之间，靠近测试咬嘴一侧。所述的辅三通阀A端连接至流量传感器和测试咬嘴之间是指辅三通阀A端连接在连接流量传感器和测试咬嘴的气管部分上。所述辅三通阀可选择打开A-C或B-C端口。

所述的测试混合气源，其气体体积百分比为0.3％一氧化碳、0.3％甲烷和21％氧气(以一氧化碳、甲烷、氧气和氮气总体积计)，剩余为氮气补充，优选地，可选用高压液化气瓶作为测试混合气源。

根据本发明的另一方面，一种基于一口气法的肺弥散功能检查方法，包括以下步骤：

步骤一：测试者在人机交互模块上完成用户注册，测试人员帮助测试者安装咬嘴，并告知测试者该装置的测试流程和注意事项；

步骤二：在测试者测试之前打开辅三通阀B-C方向端口阀门，关闭辅三通阀其他端口阀门、第一双级减压阀、第一电磁开关阀和主三通阀所有端口阀门，使用测试混合气源对非分散红外气体分析传感器进行标定，打开第二双级减压阀和第二电磁开关阀，抽气泵以恒定流速抽取测试混合气源中标定气体，其中，电子压力控制器控制进入非分散红外气体分析传感器的标定气流为固定流速，缓冲装置负责稳压抽取的标定气。等待标定完成后，关闭第二双级减压阀、第二电磁开关阀和辅三通阀所有端口方向的阀门；

步骤三：测试者夹上鼻夹，口接咬嘴，并口鼻保证不漏气，测试者开始基于一口气法的肺弥散检查流程。具体地：

1.打开第一双级减压阀、第一电磁开关阀和主三通阀A-B端口方向阀门，主三通阀其他端口关闭，测试者对空气平静均匀潮呼吸3-4次；

2.测试者在潮呼吸的最后一次呼气阶段，呼气至残气位，此时打开主三通阀A-C端口阀门，关闭其他方向端口阀门，然后深吸气来自测试混合气源中的混合测试气体至肺总量位，深吸气动作在2秒之内完成，关闭主三通阀全部端口阀门，开始屏气；

3.屏气10秒后，打开辅三通阀A-C端口和主三通阀A-B端口，此时辅三通阀和主三通阀其他端口阀门保持关闭，测试者以中等速度对空气呼气至残气位，上述屏气后的整个呼气动作在4秒内完成，并有上述气体采样气路对测试者呼气气体进行恒速抽取采样；

步骤四：人机交互模块采集系统控制模块上传的数据，计算出本次测试的肺一氧化碳弥散量(DLCO)，即单位时间单位一氧化碳压差下肺吸收一氧化碳的量。肺一氧化碳弥散量(DLCO)指标提取过程中，具体地：

1.测试者吸入混合测试气体的体积(VI)：流量传感器(8)负责实时监测测试者测试流程中呼吸气体体积，包括测试者吸入混合测试气体的体积；

2.死腔体积(VD)：在一口气法测试流程中屏息后的呼气阶段，非分散红外气体分析传感器(12)提供呼气气体组分浓度随呼出体积的实时变化信号曲线，利用示踪气体(甲烷)在设备死腔和人体死腔不会被肺残气稀释的特点得到死腔冲洗点，即呼出初始阶段气体的甲烷浓度相对较高，为准确判断甲烷浓度信号变化拐点，可采用滑动窗口滤波方式对上述曲线的斜率数据进行滤波，判断处理后的斜率数据持续稳定在阈值(0.1)之内的初始时刻，得到死腔冲洗点与死腔体积；

3.呼出气体组分浓度(FATr和FACO)：在一口气法测试流程中屏息后的呼气阶段，非分散红外气体分析传感器(12)提供呼气气体组分浓度随呼出体积的实时变化曲线信号，为得到合理评价呼出气体组分浓度(FATr和FACO)的取样样本，应在呼出气体组分浓度稳定后取样，即在死腔冲洗点之后选择500mL呼气气体作为呼出气体组分浓度取样样本，同时提供用户手动向后偏移样本取样点的操作选项，以确保死腔完全冲洗。

4.肺一氧化碳弥散量(DLCO)：

根据一口气法模型公式，如下：

肺泡总容积：V

肺一氧化碳弥散量：

其中：VI为测试者吸入混合测试气体的体积(mL)，即肺活量；VD为死腔体积(mL)；FITr为吸入混合测试气体中甲烷的浓度(％)；FATr为呼出混合测试气体中甲烷的浓度(％)；FICO为吸入混合测试气体中一氧化碳的浓度(％)；FACO为呼出混合测试气体中一氧化碳的浓度(％)；tBH为上述的屏息时间(s)；PB为测试环境的大气压(mmHg)；PH2O为测试环境的水蒸气分压(mmHg)。

本发明取得的有益效果：

1.本发明一种基于一口气法的肺弥散功能检查装置。采用非分散红外气体分析传感器实时采集测试者在实施一口气法肺弥散功能检查过程中的呼吸气体组分，避免了集气袋的使用，降低了交叉感染的风险；另测试过程中可利用示踪气体(甲烷)的浓度变化曲线，直接测量出人体死腔，减少在死腔估计过程中带来的误差；采用辅三通阀切换的方式，复用采样气路，分别进行非分散红外气体分析传感器的标定和测试者呼吸气体组分信号采样，抽气过程中另有电子压力控制器、缓冲器，使通过非分散红外气体分析传感器的气体流速稳定，减少气压变化对非分散红外气体分析传感器信号的影响；采用系统控制模块和人机交互模块，控制气路完成肺弥散功能检查的自动测量过程，并在测量过程中实时提醒测试者动作执行，展示测试结果，提供了一种无创、便捷的肺弥散功能检查方式。

2.本发明一种基于一口气法的肺弥散功能检查方法。结合非分散红外气体分析传感器提供呼气气体组分浓度随呼出体积的实时变化信号曲线和甲烷不会被肺残气稀释的特点，采用滑动窗口滤波的数据处理方式，准确判断死腔冲洗点，同时提供用户手动向后偏移样本取样点的操作选项，确保死腔冲洗完成，提高了取样呼气分析样本的准确性。

附图说明

图1是本发明一种基于一口气法的肺弥散功能检查装置的结构示意图；

图2是本发明一种基于一口气法的肺弥散功能检查方法的流程示意图；

图3是本发明测试人体呼气气体各组分浓度变化及其确定采样样本示意图。

图中，1-测试混合气源、2-第一双级减压阀、3-第一电磁开关阀、4-第二双级减压阀、5-第二电磁开关阀、6-呼吸调节器、7-主三通阀、8-流量传感器、9-测试咬嘴、10-辅三通阀、11-电子压力控制器、12-非分散红外气体分析传感器、13-缓冲装置、14-抽气泵、15-鼻夹。

具体实施方式

本发明的具体实施方案一种基于一口气法的肺弥散功能检测装置如图1所示，气体采集控制模块、气体分析模块、系统控制模块和人机交互模块；

所述气体采集控制模块用于提供呼吸气体的测试通路，规范控制一口气法的呼吸动作流程；气体分析模块用于提供非分散红外气体分析传感器12标定通路和恒速抽取测试者呼出气体的采样通路，采样测试者呼气组分浓度；系统控制模块负责检查装置中泵和阀的控制、传感器数据采集和上传；人机交互模块负责数据处理分析、结果显示和测试流程人机指导；

所述的气体采集控制模块是由测试混合气源1、第一双级减压阀2、第一电磁开关阀3、呼吸调节器6、主三通阀7、流量传感器8、测试咬嘴9、鼻夹15组成，具体地，测试混合气源1、第一双级减压阀2、第一电磁开关阀3、呼吸调节器6、主三通阀7A和C端、流量传感器8、测试咬嘴9依次通过气管连接，主三通阀7可选择打开A-C或A-B端口，其中主三通阀7B端连通空气，测试者在进行一口气法检查肺弥散功能过程中，所述气体采集模块提供测试者两条呼吸通路，即空气-咬嘴或气源-咬嘴方向；具体地，测试混合气源1中高压气体经过第一双级减压阀2减压至10个大气压左右，在由第一电磁开关阀3控制气流是否通过，并到达呼吸调节器6，使得测试混合气源1中气体平衡与环境大气压，方便供测试者吸入测试混合气源1中气体，另外有流量传感器8负责实时监测测试者呼吸流速；

所述的气体分析模块是由测试混合气源1、第二双级减压阀4、第二电磁开关阀5、辅三通阀10、电子压力控制器11、非分散红外气体分析传感器12、缓冲装置13、抽气泵14组成。其中，辅三通阀10可选择打开A-C或B-C端口，具体地，测试混合气源1、第二双级减压阀4、第二电磁开关阀5和辅三通阀10B端，依次通过气管连接，构成非分散红外气体分析传感器标定气路；辅三通阀10C端、电子压力控制器11、非分散红外气体分析传感器12、缓冲装置13和抽气泵14，依次通过气管连接，构成气体采样气路；

所述的非分散红外气体分析传感器标定气路，先将测试混合气源1中高压混合气经过第二双级减压阀4减压，再通过第二电磁开关阀5、辅三通阀10B-C端口和电子压力控制器11，利用抽气泵14将标定测试气体抽入非分散红外气体分析传感器12进行浓度标定，其中采用电调制红外光源和机械转动斩波方式的非分散红外气体分析传感器12可同时对一氧化碳、甲烷和二氧化碳气体浓度进行测量；

所述的气体采样气路，利用抽气泵14提供吸气负压、电子压力控制器11控制流速和缓冲装置13稳压的手段，对测试者呼出气体进行恒速抽取，依次通过辅三通阀10A-C端口和电子压力控制器11，至非分散红外气体分析传感器12进行气体采样，其中辅三通阀10A端连接至流量传感器8和测试咬嘴9之间，靠近测试咬嘴9一侧；

所述的测试混合气源1，其气体体积百分比为0.3％一氧化碳、0.3％甲烷和21％氧气，剩余为氮气补充(以一氧化碳、甲烷、氧气和氮气总体积计)，优选地，可选用高压液化气瓶作为测试混合气源1；

根据本发明的另一方面，一种基于一口气法的肺弥散功能检查方法，包括以下步骤：

步骤一：测试者在人机交互模块上完成用户注册，测试人员帮助测试者安装咬嘴9，并告知测试者该装置的测试流程和注意事项；

步骤二：在测试者测试之前打开辅三通阀B-C方向端口阀门，关闭辅三通阀10其他端口阀门、第一双级减压阀2、第一电磁开关阀3和主三通阀7所有端口阀门，使用测试混合气源1对非分散红外气体分析传感器12进行标定，打开第二双级减压阀4和第二电磁开关阀5，抽气泵14以恒定流速抽取测试混合气源1中标定气体，其中，电子压力控制器11控制进入非分散红外气体分析传感器12的标定气流为固定流速，缓冲装置13负责稳压抽取的标定气。等待标定完成后，关闭第二双级减压阀4、第二电磁开关阀5和辅三通阀10所有端口方向的阀门；

步骤三：测试者夹上鼻夹15，口接咬嘴9，并口鼻保证不漏气，测试者开始基于一口气法的肺弥散功能检查流程，具体地：

1.打开第一双级减压阀2、第一电磁开关阀3和主三通阀A-B端口方向阀门，主三通阀其他端口关闭，测试者对空气平静均匀潮呼吸3-4次；

2.测试者在潮呼吸的最后一次呼气阶段，呼气至残气位，此时打开主三通阀A-C端口阀门，关闭其他方向端口阀门，然后深吸气来自测试混合气源1中的混合测试气体至肺总量位，深吸气动作在2秒之内完成，关闭主三通阀7全部端口阀门，开始屏气；

3.屏气10秒后，打开辅三通阀A-C端口和主三通阀A-B端口，此时辅三通阀10和主三通阀7其他端口阀门保持关闭，测试者以中等速度对空气呼气至残气位，上述屏气后的整个呼气动作在4秒内完成，并有上述气体采样气路对测试者呼气气体进行恒速抽取采样；

步骤四：人机交互模块采集系统控制模块上传的数据，计算出本次测试的肺一氧化碳弥散量(DLCO)，即单位时间单位一氧化碳压差下肺吸收一氧化碳的量。肺一氧化碳弥散量(DLCO)指标提取过程中，具体地：

1.测试者吸入混合测试气体的体积(VI)：流量传感器8负责实时监测测试者测试流程中呼吸气体体积，包括测试者吸入混合测试气体的体积；

2.死腔体积(VD)：在一口气法测试流程中屏息后的呼气阶段，非分散红外气体分析传感器12提供呼气气体组分浓度随呼出体积的实时变化信号曲线，利用示踪气体(甲烷)在设备死腔和人体死腔不会被肺残气稀释的特点得到死腔冲洗点，即呼出初始阶段气体的甲烷浓度相对较高，为准确判断甲烷浓度信号变化拐点，可采用滑动窗口滤波方式对上述曲线的斜率数据进行滤波，判断处理后的斜率数据持续稳定在阈值(0.1)之内的初始时刻，得到死腔冲洗点与死腔体积；

3.呼出气体组分浓度(FATr和FACO)：在一口气法测试流程中屏息后的呼气阶段，非分散红外气体分析传感器12提供呼气气体组分浓度随呼出体积的实时变化曲线信号，为得到合理评价呼出气体组分浓度(FATr和FACO)的取样样本，应在呼出气体组分浓度稳定后取样，即在死腔冲洗点之后选择500mL呼气气体作为呼出气体组分浓度取样样本，同时提供用户手动向后偏移样本取样点的操作，以确保死腔完全冲洗。

4.肺一氧化碳弥散量(DLCO)：

根据一口气法模型公式，如下：

肺泡总容积：V

肺一氧化碳弥散量：

其中：VI为测试者吸入混合测试气体的体积(mL)，即肺活量；VD为死腔体积(mL)；FITr为吸入混合测试气体中甲烷的浓度(％)；FATr为呼出混合测试气体中甲烷的浓度(％)；FICO为吸入混合测试气体中一氧化碳的浓度(％)；FACO为呼出混合测试气体中一氧化碳的浓度(％)；tBH为上述的屏息时间(s)；PB为测试环境的大气压(mmHg)；PH2O为测试环境的水蒸气分压(mmHg)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。