呼出氣中呼吸與循環(huán)系統(tǒng)氣體分子濃度的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及呼出氣中氣體分子濃度測(cè)量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知人體呼出氣體的多種氣體分子成分及其濃度的測(cè)量可以輔助醫(yī)生診斷患者 所患疾病，監(jiān)控疾病狀態(tài)及觀察治療效果等。呼氣中某種氣體分子X(jué)的來(lái)源主要是呼吸系 統(tǒng)產(chǎn)生并呼出的氣體XI的和其他系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)循環(huán)系統(tǒng)傳遞到呼吸系統(tǒng)并呼出的氣體X2 之和。而呼吸系統(tǒng)又可細(xì)分為氣道部位和肺泡部位，所以X又可細(xì)分為氣道產(chǎn)生并呼出的 氣體XI1、肺泡產(chǎn)生并呼出的氣體X12、其它系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)傳遞到肺泡的氣體X2之 和。
[0003] CASE1 :對(duì)某些氣體分子X(jué)，例如CH4、H2、NH3等，呼出氣X僅來(lái)源于其它系統(tǒng)產(chǎn)生 經(jīng)循環(huán)傳遞到呼吸系統(tǒng)的氣體X2,主要是腸胃或消化系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體。
[0004] CASE2 :對(duì)內(nèi)源性氣體分子N0等，呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生并呼出的氣體XI濃度遠(yuǎn)大于其它 系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)循環(huán)傳遞到呼吸系統(tǒng)的氣體X2濃度，主要是呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體。
[0005] CASE3 :對(duì)內(nèi)源性C0或甚至H2S及V0C等，其它系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)循環(huán)傳遞到呼吸系統(tǒng)的 氣體X2濃度遠(yuǎn)大于呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生并呼出的氣體XI濃度。
[0006] NO、C0與H2S是目前國(guó)際公認(rèn)的氣體信號(hào)分子，而CH4、NH3則是最近建議的新的 氣體信號(hào)分子。
[0007] 用于臨床診斷，我們希望知道這些氣體產(chǎn)生的部位，從而幫助判斷或檢查監(jiān)測(cè)哪 些部位或系統(tǒng)出了問(wèn)題。
[0008] 但目前，尤其對(duì)CASE2與CASE3尚無(wú)技術(shù)和產(chǎn)品可以區(qū)分氣道產(chǎn)生并呼出的氣 體XI1、肺泡產(chǎn)生并呼出的氣體X12、其它系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)傳遞到肺泡的氣體X2。例 如對(duì)呼氣C0分子而言，CareFusion公司的Micro C0分析儀或是Natus Medical，Inc.的 C0-STAT呼氣末分析儀都只用于分析測(cè)量呼氣末C0濃度，無(wú)法區(qū)分該C0濃度是來(lái)自于肺泡 產(chǎn)生的氣體X12濃度還是其他系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)到肺泡區(qū)的氣體X2濃度。而對(duì)呼氣N0分子而 言，現(xiàn)有技術(shù)J. Breath Res. 6 (2012) 047103中提出了區(qū)分氣道氣N0及肺泡氣N0,該 技術(shù)區(qū)分的是氣道N0(X11)和肺泡NO (X12與X2之和)，卻不能區(qū)分肺泡產(chǎn)生的X12與其 他系統(tǒng)產(chǎn)生擴(kuò)散至肺泡X2。
[0009] 由于不能區(qū)分肺泡與其它系統(tǒng)產(chǎn)生的C0或N0,目前呼氣末C0或肺泡區(qū)N0的測(cè)定 還未形成規(guī)范化或定量化的診斷技術(shù)。因此，最近的一些權(quán)威綜述均希望開(kāi)發(fā)這樣一種技 術(shù)，以拓展呼呼氣C0或N0的臨床應(yīng)用，尤其是區(qū)分氣道與全身炎癥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是提供呼出氣中呼吸與循環(huán)系統(tǒng)氣體分子濃度的測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn) 肺泡區(qū)產(chǎn)生的氣體X12和其他系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)循環(huán)系統(tǒng)傳遞到呼吸系統(tǒng)的氣體X2。
[0011] 本發(fā)明提供了一種呼出氣中呼吸與循環(huán)系統(tǒng)氣體分子濃度的測(cè)量方法，其實(shí)現(xiàn)過(guò) 程包括： 通過(guò)C02曲線顯示的呼氣狀態(tài)，測(cè)量至少兩個(gè)時(shí)間下呼出氣處于肺泡區(qū)的呼出氣體X 的濃度，通過(guò)=?十髮_及_，雄聯(lián)立二元一次方程組，或標(biāo)準(zhǔn)曲線 法擬合曲線，計(jì)算出肺泡區(qū)X濃度Ca及其他組織產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入肺泡的X濃度 Cw。要求潮氣呼吸流量下大于150ml/s，氣道保留時(shí)間小于Is。C02監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)控整個(gè)潮氣 呼吸過(guò)程中C02濃度的變化，通過(guò)不少于兩次的潮氣呼吸的結(jié)果取平均值。
[0012] 上述方法測(cè)量的呼出氣中呼吸與循環(huán)系統(tǒng)氣體X至少包括一氧化碳和一氧化氮， 用于測(cè)量氣體分子濃度的裝置包括化學(xué)發(fā)光分析儀、色譜質(zhì)譜光譜儀及傳感器， 用于分析測(cè)量一氧化氮濃度的檢測(cè)器的檢測(cè)下限低于3ppb，用于分析測(cè)量一氧化氮濃 度的檢測(cè)器的檢測(cè)下限低于2ppm。潮氣呼吸流量下大于150ml/s，氣道保留時(shí)間小于Is。 C02監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)控整個(gè)潮氣呼吸過(guò)程中C02濃度的變化，通過(guò)對(duì)受試者的不少于兩次的潮 氣呼吸結(jié)果進(jìn)行計(jì)算取平均值。
[0013] 肺泡區(qū)是一個(gè)柔性或膨脹的區(qū)間，代表了細(xì)支氣管和肺泡區(qū)(氣管18級(jí)及以下)。 兩室周?chē)灰粚咏M織包圍，表現(xiàn)為氣道區(qū)的支氣管粘膜和肺泡區(qū)的肺泡膜。血液循環(huán)，表現(xiàn) 為支氣管循環(huán)和肺循環(huán)分別遠(yuǎn)離氣道區(qū)和肺泡區(qū)。支氣管黏膜和肺泡膜細(xì)胞是肺泡區(qū)X主 要的產(chǎn)生來(lái)源，因此，我們假設(shè)X分別在氣道和肺泡周?chē)慕M織的單位體積以恒定的速率 產(chǎn)生。
[0014] X從產(chǎn)生到轉(zhuǎn)移到支氣管血液是通過(guò)菲克第一定律所描述的分子擴(kuò)散進(jìn)行的。組 織中X濃度的軸向或是角向運(yùn)動(dòng)被忽略。所以X在組織中的傳輸可以用一維擴(kuò)散方程來(lái)描 述。與血液半徑相比，小組織的厚度可以使用簡(jiǎn)單的笛卡爾坐標(biāo)。由于X與血液中的血紅 蛋白的反應(yīng)充分快速，血液與組織表面之間的自由X濃度基本為0。肺泡腔內(nèi)和組織之間， 假設(shè)符合亨利定律的熱力學(xué)平衡。這樣，組織中X產(chǎn)生符合微分質(zhì)量二階偏微分方程：
限制條件為：ct (t, 0) =0, Ct (t, Lt, alv) =Cw (t, Z)。D#組織中X的分子擴(kuò)散系數(shù) (3. 3*10 5cm2/s)，Cw是組織與肺之間的表層X(jué)濃度。方程1的求解需要近似在肺中X處于 平衡狀態(tài)，簡(jiǎn)單的假設(shè)Ct處于平衡狀態(tài)，如果吸氣和呼氣的時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0. 6s時(shí)，這種 近似是有效的(在組織N0濃度達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值90%的時(shí)間）。這是由于相對(duì)于擴(kuò)散率而言，組 織的厚度相對(duì)較小。
[0015]
方程2的解為：
其中：知道組織中的X濃度分?jǐn)?shù)使用菲克第一擴(kuò)散定律，可得出X從組織到氣道的 擴(kuò)散是Cw的線性函數(shù)：
其中：
b 由于X在水和組織中的溶解度很低，NO徑向運(yùn)輸不是由氣相擴(kuò)散限制的，所以公式4變 為：
其中At:g是37°C下X在組織和肺泡的分配系數(shù)；Calv是在肺泡腔內(nèi)X氣體濃度。從公 式5可以看出，肺泡表面單位面積單位時(shí)間產(chǎn)生的X在氣道組織與氣道腔之間的流動(dòng)速度 與氣道濃度成線性相關(guān)。當(dāng)氣道內(nèi)X濃度上升，肺血所消耗的X或是通過(guò)與氣道組織中底 物反應(yīng)產(chǎn)生的X的量增加，所以J t%alv上升。
[0016] 將肺泡區(qū)假設(shè)建模為一個(gè)可充分混合的可變?nèi)莘e的室Valt(t)，肺泡氣中的X濃 度為Calt，是位置均勻，但時(shí)間依賴