基于潮式呼吸呼出分布的流无关参数估计制造技术

利用双隔室模型参数表征氧化氮（ＮＯ）气体交换是一种表征炎性肺疾病的不侵入技术。该技术利用该双隔室模型从潮式呼吸模式对ＮＯ气体交换进行参数表征。利用该模型估计最多达六个的流无关参数并且研究替代的呼吸模式。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种确定指示肺状态的生理参数的方法和设备，这些参数基于呼气中的一氧化氮含量和气流流速无关，而该含量和气流流速有关。
技术介绍
已知在肺中产生氧化氮(NO)并且出现在呼气中。在例如哮喘的重大炎症疾病中其呼出浓度增加。内生气体中独有的呼出NO的重要部分来自气道。专利技术人之一已经专利技术一种单次呼吸技术并且该技术是先有申请中一项待决申请的主题，该技术要求吸气到肺的全部容量、然后屏着呼吸20秒、接着以减慢的流速持续呼气约15秒。为完成该动作大约需要35秒。对于不能遵守这些指示(例如幼童或失知觉者)的受验者或者肺功能损伤的受验者，这种持续时间是不可能的。
技术实现思路
本专利技术是一种表征潮式呼吸期间肺中的氧化氮交换动态的技术，并且由此代表一种可由广范围的受验者，包括儿童，进行的潜在稳健技术。该技术是一种组合着数学模型、数据过滤和参数估计技术的呼吸动作，用于表征肺中氧化氮(NO)的交换动态。为了进行该技术，受验者正常地(潮式地)呼吸到口罩中并且同时记录排出的氧化氮浓度和流速。在潮式呼吸期间，受验者吸入无NO的空气并且自发地或者通过在鼻腔中施加小的负压闭合软腭。独立地用一个双隔室模型对呼出的NO浓度仿真。第一隔室对应气道，而第二隔室对应肺的肺泡区。在对仿真的排出NO浓度进行数据过滤和非线性最小平方回归后，得到三到六个参数的最优值。该仿真的目的是表征气道以及肺泡区中的NO交换动态。潮式呼吸中的肺容积(400-800毫升)改变小于单次呼吸动作的改变。在相对短的时帧(4-8秒)上发生单次循环(吸气和呼气)，并在一个窄窗口(2-4秒)中观察呼气分布。在单次呼气上，积累气道和肺泡隔室中的NO可估计量的时间很短。这样，潮式呼吸分布是平缓的并且缺乏近来可接受的单次呼吸动作技术的可容易识别的特征。另外，潮式呼吸的NO排出量(5-10ppb)要比单次呼吸动作观察到的排出量大约低4倍，然而，本技术提供一种受验者潮式呼吸时表征NO交换动态的方法，即，受验者静止状态下缓慢地和正常地呼吸，这样，有好处地，实质上任何可呼吸到口罩中的受验者可以无需特殊训练或技巧(即，屏着呼吸)地完成检查动作。可以利用本专利技术量化NO交换动力学，从而表征目前使用的技术不能表征的代谢特征和结构特征。对于带有炎性疾病的纵观随访受验者本专利技术的技术潜在地是最有用的。例如，带有哮喘的受验者可以在监视NO浓度和流速下潮式呼吸二分钟。接着我们的数学模型和参数估计技术会估计和流无关的NO参数。以后该受验者可以按规定间隔重复该动作。相继检查动作中的参数变化可提示治疗介入。本技术还可以对带有炎症疾病的受验者达到其它目的，例如监视治疗期间的疗法效率。在一个方面上，本专利技术在受验者潮式呼吸时表征他的交换动力学，并且尤其确定最优呼吸模式。这样，尽管其它呼吸模式是可能的，这些模式可能要求受验者努力或花费时间。如前面讨论那样，在肺中产生氧化氮并且出现在呼气中。在例如哮喘的重大炎症疾病下排出浓度提高。从气道出现明显的NO排出成分，该NO是内生气体中独有的，本专利技术的这个方面包括理论分析以便预测最优潮式呼吸模式从而表征肺中氧化氮交换动力学。利用上面讨论的肺的双隔室模型对氧化氮(NO)气体交换进行参数表征是一种潜在的有希望、非侵入的表征肺的炎症疾病的技术。在本专利技术的进展之前，所采用的技术受到单次呼吸动作的限制，这种动作包括排气前的屏气，这对于儿童以及肺功能损伤的人是麻烦的。本专利技术应用双隔室模型从潮式呼吸模式来参数表征NO气体交换，该模型的潜力是估计多达六个的和流无关的参数，该模型还帮助研究替代地呼吸模式，例如在固定的肺泡换气率下改变呼吸频率以及吸气/排气流速比。我们确定四个容易表征的流无关参数，它们包括最大气道通量、稳态肺泡浓度、气道容积和死区容积(不确定性＜10％)。快速吸气然后缓慢(长持续时间)呼气以及增加对潮式呼吸的观察次数促进对所有的和流无关的参数的估计。结果表明可以利用潮式呼吸数据参数分析表征NO肺交换。尽管为了语法流畅从功能解释上说明本设备和方法，应清楚理解各权限，除非明显地在35 USC 112下形成之外，不在任何方式上受到“装置”或“步骤”的限制，而是在等同的法律原则下对各权限提供的定义给予完整范围的含义和等同，并且在按35 USC 112下明确形成的权限的情况中给予35 USC 112下的完整法定等同。现在转到下面的用相同数字引用相同部件的各附图，以便更好地理解本专利技术。附图说明图1A示出模型和实验数据之间的比较。图1B类似图1A但具有不同的呼吸分布。图2A是图1A的第三呼吸详细图并且包含过滤结果。图2B是类似图2A的详细图，示出一种特殊过滤情况。图3的表综合图1A和2A示出的数据。图4的曲线示出利用潮式呼吸的监视次数减小参数的不确定性。图5示意示出双隔室模型，其中排出的氧化氮在代表这二个隔室的肺泡(JalvNo)和气道(JawNO)中具有源。图6A表示通常如何通过其中假定吸气和呼气期间流速固定的方波表示流速分布。图6B示意表示单次潮式呼吸流速分布。图6C示意表示单次潮式呼吸呼气分布。图7示出依据图7曲线的流无关参数值JawNO、DawNO、 Calv，ss、Vaw和Vds的中心值、上限和下限。图8示出在q＝QI/QE＝tE/tI＝2和fB＝12min-1的一分钟潮式呼吸情况下流无关参数J′awNO、DawNO、Calv，ss、 Vaw和Vds的分数不确定度Δxj。图9A-9F分别示出依据图7和8q＝QI/QE＝tE/tI1＝2和fB＝12min-1的单次潮式呼吸下各流无关参数在呼气分布CE(t)上的影响。图10示出所示流无关参数位于中心值并且q＝QI/QE＝tE/tI＝2和fB＝12min-1下分数不确定度Δxj对总监视时间的依赖性。图11A-11C示出流无关参数DawNO、Calv，ss和 位于中心值情况下分数不确定度Δxj对流速比q＝QI/QE＝tE/tI和呼吸频率fB(min-1)的依赖性。现在通过转到下面的对优选实施例的详细说明可以更好地理解本专利技术和它的各种实施例，这些优选实施例是按由权利要求书定义的本专利技术的示例给出的，容易理解，由权利要求书定义的本专利技术可更广于下面说明的示例。具体实施例方式只利用呼气浓度或者利用更专用于位置参数表征例如气道扩散容量(DawNO)、最大气道通量(J′awNO)和稳态肺泡浓度(Calv，ss)，单次呼吸动作可以鉴别炎性疾病，例如哮喘，囊纤维化和过敏性肺泡炎。可能难以完成单次呼吸动作，尤其是对于儿童和肺功能损伤者。因此，探索利用潮式呼吸表征NO交换并在本文中予以说明。相对于单次呼吸动作对潮式呼吸排气分布的分析提出一些新的挑战，例如肺容积改变较小以及呼气持续时间较短。呼气持续时间较短减少气道隔室中的NO积累，造成排出的NO水平要比单次呼吸动作中观察到的NO水平低四倍以上。分析多次相继的潮式呼吸潜在地补偿该限制。潮式呼吸的双隔室模型包括吸气区间和呼气区间以及呼气期间肺泡浓度的时间依从关系。初始肺泡浓度(第一次全呼气开始时)通过假定所有以前的(未观察)循环(呼吸)是相同并和该第一次循环一致予以估计。在目前的模型版本中不包括轴向扩散和详细的气道几何形状。另外，把吸气和呼气流速分布近似成在它们各自的区间中是固定的。目前的双隔室模型预言气道排空结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表征潮式呼吸期间肺中氧化氮交换的方法，包括：使用一个双隔室模型，其中第一隔室代表肺的肺泡区段而第二隔室代表至肺的气道；选择多个流无关参数；以及通过使用和先前在潮式呼吸期间得到的实验数据相符合的双隔室模型估计这些参 数的值。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂文C乔治，彼德康德莱利，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]