呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及呼出气中气体分子浓度测量的方法。
【背景技术】
[0002] 已知人体呼出气体的多种气体分子成分及其浓度的测量可以辅助医生诊断患者 所患疾病，监控疾病状态及观察治疗效果等。呼气中某种气体分子X的来源主要是呼吸系 统产生并呼出的气体XI的和其他系统产生经过循环系统传递到呼吸系统并呼出的气体X2 之和。而呼吸系统又可细分为气道部位和肺泡部位，所以X又可细分为气道产生并呼出的 气体XI1、肺泡产生并呼出的气体X12、其它系统产生经循环系统传递到肺泡的气体X2之 和。
[0003] CASE1 :对某些气体分子X，例如CH4、H2、NH3等，呼出气X仅来源于其它系统产生 经循环传递到呼吸系统的气体X2,主要是肠胃或消化系统产生的气体。
[0004] CASE2 :对内源性气体分子N0等，呼吸系统产生并呼出的气体XI浓度远大于其它 系统产生经循环传递到呼吸系统的气体X2浓度，主要是呼吸系统产生的气体。
[0005] CASE3 :对内源性C0或甚至H2S及V0C等，其它系统产生经循环传递到呼吸系统的 气体X2浓度远大于呼吸系统产生并呼出的气体XI浓度。
[0006] NO、C0与H2S是目前国际公认的气体信号分子，而CH4、NH3则是最近建议的新的 气体信号分子。
[0007] 用于临床诊断，我们希望知道这些气体产生的部位，从而帮助判断或检查监测哪 些部位或系统出了问题。
[0008] 但目前，尤其对CASE2与CASE3尚无技术和产品可以区分气道产生并呼出的气 体XI1、肺泡产生并呼出的气体X12、其它系统产生经循环系统传递到肺泡的气体X2。例 如对呼气C0分子而言，CareFusion公司的Micro C0分析仪或是Natus Medical，Inc.的 C0-STAT呼气末分析仪都只用于分析测量呼气末C0浓度，无法区分该C0浓度是来自于肺泡 产生的气体X12浓度还是其他系统产生循环到肺泡区的气体X2浓度。而对呼气N0分子而 言，现有技术J. Breath Res. 6 (2012) 047103中提出了区分气道气N0及肺泡气N0,该 技术区分的是气道N0(X11)和肺泡NO (X12与X2之和)，却不能区分肺泡产生的X12与其 他系统产生扩散至肺泡X2。
[0009] 由于不能区分肺泡与其它系统产生的C0或N0,目前呼气末C0或肺泡区N0的测定 还未形成规范化或定量化的诊断技术。因此，最近的一些权威综述均希望开发这样一种技 术，以拓展呼呼气C0或N0的临床应用，尤其是区分气道与全身炎症。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，以实现 肺泡区产生的气体X12和其他系统产生的经过循环系统传递到呼吸系统的气体X2。
[0011] 本发明提供了一种呼出气中呼吸与循环系统气体分子浓度的测量方法，其实现过 程包括： 通过C02曲线显示的呼气状态，测量至少两个时间下呼出气处于肺泡区的呼出气体X 的浓度，通过=?十髮_及_，雄联立二元一次方程组，或标准曲线 法拟合曲线，计算出肺泡区X浓度Ca及其他组织产生的经过血液循环进入肺泡的X浓度 Cw。要求潮气呼吸流量下大于150ml/s，气道保留时间小于Is。C02监测模块监控整个潮气 呼吸过程中C02浓度的变化，通过不少于两次的潮气呼吸的结果取平均值。
[0012] 上述方法测量的呼出气中呼吸与循环系统气体X至少包括一氧化碳和一氧化氮， 用于测量气体分子浓度的装置包括化学发光分析仪、色谱质谱光谱仪及传感器， 用于分析测量一氧化氮浓度的检测器的检测下限低于3ppb，用于分析测量一氧化氮浓 度的检测器的检测下限低于2ppm。潮气呼吸流量下大于150ml/s，气道保留时间小于Is。 C02监测模块监控整个潮气呼吸过程中C02浓度的变化，通过对受试者的不少于两次的潮 气呼吸结果进行计算取平均值。
[0013] 肺泡区是一个柔性或膨胀的区间，代表了细支气管和肺泡区(气管18级及以下)。 两室周围被一层组织包围，表现为气道区的支气管粘膜和肺泡区的肺泡膜。血液循环，表现 为支气管循环和肺循环分别远离气道区和肺泡区。支气管黏膜和肺泡膜细胞是肺泡区X主 要的产生来源，因此，我们假设X分别在气道和肺泡周围的组织的单位体积以恒定的速率 产生。
[0014] X从产生到转移到支气管血液是通过菲克第一定律所描述的分子扩散进行的。组 织中X浓度的轴向或是角向运动被忽略。所以X在组织中的传输可以用一维扩散方程来描 述。与血液半径相比，小组织的厚度可以使用简单的笛卡尔坐标。由于X与血液中的血红 蛋白的反应充分快速，血液与组织表面之间的自由X浓度基本为0。肺泡腔内和组织之间， 假设符合亨利定律的热力学平衡。这样，组织中X产生符合微分质量二阶偏微分方程：
限制条件为：ct (t, 0) =0, Ct (t, Lt, alv) =Cw (t, Z)。D#组织中X的分子扩散系数 (3. 3*10 5cm2/s)，Cw是组织与肺之间的表层X浓度。方程1的求解需要近似在肺中X处于 平衡状态，简单的假设Ct处于平衡状态，如果吸气和呼气的时间是远远大于0. 6s时，这种 近似是有效的(在组织N0浓度达到其稳态值90%的时间）。这是由于相对于扩散率而言，组 织的厚度相对较小。
[0015]
方程2的解为：
其中：知道组织中的X浓度分数使用菲克第一扩散定律，可得出X从组织到气道的 扩散是Cw的线性函数：
其中：
b 由于X在水和组织中的溶解度很低，NO径向运输不是由气相扩散限制的，所以公式4变 为：
其中At:g是37°C下X在组织和肺泡的分配系数；Calv是在肺泡腔内X气体浓度。从公 式5可以看出，肺泡表面单位面积单位时间产生的X在气道组织与气道腔之间的流动速度 与气道浓度成线性相关。当气道内X浓度上升，肺血所消耗的X或是通过与气道组织中底 物反应产生的X的量增加，所以J t%alv上升。
[0016] 将肺泡区假设建模为一个可充分混合的可变容积的室Valt(t)，肺泡气中的X浓 度为Calt，是位置均匀，但时间依赖