改进的呼吸采样装置的制作方法

本发明涉及一种改进的呼吸采样装置，并且涉及一种使用该改进的呼吸采样装置从受试者获得气息样本的方法。

背景技术：

代谢组是源自全身代谢过程的小分子聚集体。代谢组学分析对于生物医学应用而言是有吸引力的，因为基因表达或蛋白质活性的相对较小变化可以对下游代谢物的浓度具有深远影响。这些代谢物中很大一部分是挥发性的。这些生物标志物是健康和疾病中特别感兴趣的，因为它们通过呼吸、尿液、粪便和皮肤排出体外，从而提供非侵入性通路。挥发性生物标志物(vb)由挥发性有机化合物(voc)和挥发性无机化合物(vic)构成。健康和疾病中所涉及的vb的实例包括烷烃、烯烃、丙酮、异戊二烯、no、co和醛。

根据定义，生物体功能的任何变化都会改变细胞代谢。因此，这影响代谢组及其挥发性部分。因此，由此产生的vb变化可用作评估广泛的正常生理和病理生理过程的生物标志物。

鉴于上述情况，对于从受试者获得气息样本以用于分析检测一种或多种生物标志物或其他分析物感兴趣。用于协助从患者捕获气息样本的设备是已知的，并且具体实例包括美国临时专利申请62/327,200和pct/gb2017/050094中描述的那些设备。因为这些专利申请是在本申请的提交日时尚未公开的，所以pct/gb2017/050094的说明书副本随附于此作为参考。

pct/gb2017/050094中披露的装置包括面罩部分，其在使用时位于受试者的嘴和鼻子上以捕获从受试者呼出的气息。

在许多方面，pct/gb2017/050094中披露的呼吸采样设备是对先前见到的呼吸采样设备的相当大的改进。然而，本申请人已经发现了与pct/gb2017/050094中披露的该设备相关的问题。

如果在呼吸采样期间，受试者的头部朝向胸部向前倾斜，则受试者的气道趋于变得狭窄，这限制呼出空气的流动。这可能意味着在采样期间该设备并不总是采样到所需的气息量。(以说明的方式，受试者气息中的一些生物标志物或其他感兴趣的分析物的浓度可能非常低，使得如果试图检测低浓度的生物标志物或其他分析物，则可能需要延长的采样时间(可能长达10分钟)来获得足的采样气息量)。

进一步地，如果受试者的头部向前倾斜相对较大的量，则本申请人已经发现面罩部分与受试者的面部的贴合可能会受到影响，从而允许面罩与受试者的面部之间渗漏环境空气，这会使气息样本变稀。

本发明旨在改善或克服这些问题。

技术实现要素：

在第一方面，本发明提供了一种用于从人类受试者收集气息样本的设备，该设备包括至少一个面罩部分，该至少一个面罩部分在使用时位于该受试者的嘴和鼻孔上以收集该受试者呼出的气息，该设备还包括：用于检测该面罩部分的移动的移动检测装置，以及警报信号发生器，如果在收集气息样本期间，该受试者的头部处于预定的可接受取向范围之外，但仅在该受试者的头部已处于该预定的可接受取向范围之外达到所限定的或可测量的时间段之后，该警报信号发生器才产生警报信号。

优选地，该面罩部分被成形且配置成与该受试者的面部形成基本气密的密封。为了有助于此，该面罩部分优选地由诸如橡胶的可弹性变形的材料或诸如合成橡胶(如硅橡胶)的合成塑料材料形成。

除了该移动检测装置外，呼吸采样设备可以在其他方面是大致如pct/gb2017/050094中所描述的。

该移动检测装置可以检测面罩部分的相对移动，或者可以检测面罩部分的绝对移动，或者可以检测面罩部分的相对和绝对移动二者。更特别地，在优选实施例中，该移动检测装置至少检测该面罩部分在至少一个轴线上，优选地在至少两个正交轴线上，并且最优选地在三个正交轴线上的角位移。在一些实施例中，该移动检测装置仅检测角位移，而不检测任何其他类型的移动(诸如平移运动)。应当理解的是，因为该面罩部分通常牢固地定位在受试者的面部上，并且通常不会相对于该受试者的面部而移动，所以通过该移动检测装置检测到的移动典型地指示该受试者的头部的移动(即至少角位移)。

作为说明，在一些实施例中，该移动检测装置可包括加速度计。在其他实施例中，该移动检测装置可包括陀螺仪，更特别是微机电系统(mems)陀螺传感器。许多不同的mems陀螺传感器装置是可用的，将这些mems陀螺传感器装置并入到集成微电路上，这些集成微电路可安装在印刷电路板等上，以用于附接到本发明所述的设备。

最优选地，将该移动检测装置安装在该呼吸采样设备的面罩部分上或以其他方式物理地结合在该面罩部分中。优选地，该移动检测装置采用陀螺传感器芯片的形式或包括陀螺传感器芯片，该陀螺传感器芯片能够在三个维度上并且实时地确定该面罩部分的位置。便利地，将该陀螺传感器芯片安装在印刷电路板上，该印刷电路板形成采样设备的面罩部分的内在部分。有许多不同的可商购获得并且适用于本发明所述设备的陀螺传感器芯片装置。合适的芯片的实例可从farnell(泛纳)(http://uk.farnell.com/mems-gyroscopes)在线获得。

该芯片优选地位于面罩部分的一部分上，该部分远离受试者的头部，使得对于给定角度的受试者头部移动(特别是头部的向前和向下倾斜移动)，陀螺传感器芯片的位移被最大化。

如果陀螺传感器位于pcb等上，则可能不易或不希望将pcb重新定位在该面罩部分内。在这种情况下，希望将该陀螺传感器至少放置在pcb的位于受试者头部远端的一部分上。

相对于加速度计而言mems陀螺装置是优选的，因为前者可以在无需参考其他特征且无需任何校准的情况下提供关于其在正交的x、y和z轴线上的取向的信息，而加速度计则不能。因此，加速度计优选地会需要在用于每个呼吸采样受试者之前进行校准，以便能够确定预设的x、y和z值范围内的位置。

本发明所述的设备包括警报信号发生器。响应于该警报信号，警报器可提供视觉警报或听觉警报，或者可提供视觉警报和听觉警报二者。希望的是，该警报信号发生器也安装在面罩部分中的pcb(典型地是优选地该移动检测装置安装于其上的同一pcb)上，但是该警报器本身可被设置在该面罩部分上或该设备的远程定位的部件(诸如电脑显示器、笔记本电脑或平板电脑等等)上。

当从该移动检测装置输出的信息指明该受试者的头部已移动到处于预定的可接受位置范围之外的位置时，该警报信号发生器产生警报信号，这些可接受位置优选地存储在可操作地与设备相关联的数字电子存储器中。便利地，例如，该设备包括在三个维度中的受试者头部取向的预设或预定值范围(x、y、z值)，并且这些预定的可接受值范围可存储在该mems陀螺传感器装置的存储器内，或者存储在安装在该面罩部分中的该pcb上的不同存储器部件上，或者甚至存储在与该面罩部分可操作地相关联(例如，通过有线信号连接与其通信或通过bluetooth^tm或其他无线信令连接无线地与其通信)的远程存储器部件(例如计算机)上。

只有当受试者的头部停留在预定的可接受取向范围之外达到至少可测量的或预定的时间段时，才生成警报信号。这是为了防止因受试者头部的瞬时移动超出可接受的取向范围而触发警报。例如，预定的时间段可以是3秒、4秒、5秒、6秒、7秒或8秒中的任何一者，优选约6秒。替代性地，可测量的时间段可以例如是受试者完成两个呼吸循环所花的时间。

在优选的实施例中，所述设备经编程而具有或以其他方式设置有x、y和z中的每一者的可接受的预设值，并且相对于x、y和z的预设值中的任何一者的偏差超过预定的可接受余量达到可测量的或预定的时间段会导致产生警报信号。

为简单起见，预定的可接受余量对于x、y和z中的每一者可以是相同的，或者这些取向中的一个或多个取向可具有不同的预定的可接受余量。在一个实施例中，x、y和z中的每一者都具有相对于预设值偏差为20°的预定可接受余量，并且x、y和z取向的任一者中的超过该量的偏差将导致产生警报信号。

听觉警报可包括蜂鸣器。视觉警报可包括一个或多个警告led，或lcd或其他电子显示屏上的指示。无论如何指示出警报，该警报都提示用户要求受试者将头部恢复到可接受的取向，或者如果受试者之前已被告知该警报的重要性，则可提示受试者直接这样做。该移动检测装置检测受试者头部的校正移动，并且一旦该校正移动已使该受试者的头部返回到在正交的x、y和z轴线的预定可接受值范围内的取向，就取消产生警报信号并且将警报关闭。

在本发明的一些实施例中，以与仅在受试者的头部已经处于预定的可接受位置范围外达预定的或可测量的时间段之后才产生警报信号相同方式，只有在受试者的头部已经返回并保持在该预定的可接受位置范围内达预定的或可测量的时间段(例如约6秒；或该受试者完成两个呼吸循环所花的时间)之后，才可以关闭警报信号。

除了检测受试者头部到可能抑制患者气道内的气流的次优位置的移动之外，该移动检测装置还可任选地用于识别受试者是否以及何时咳嗽或打喷嚏。识别此类事件是有用的，因为此类事件可引起采样设备的面罩部分内的显著压力变化。这些变化可以不希望的方式影响设备读取的读数和呼吸采样的操作。因此，数据流中与诸如受试者打喷嚏或咳嗽等事件有关的数据点可被忽略，从而允许更可靠且一致的呼吸采样。

在第二方面，本发明提供了一种从受试者收集气息样本的方法，该方法包括使用根据本发明第一方面的呼吸采样设备。更特别地，该方法包括将上述设备的面罩部分附接到该受试者的面部，以及收集该受试者呼出的气息。典型地，采样时间段延续受试者的多个呼吸循环，并且可持续至少2分钟，优选至少5分钟，并且通常最多10分钟。

附图说明

现在将通过说明性实例并参考附图进一步描述本发明的各种特征，其中：

图1为根据本发明的呼吸采样设备的面罩部分的一个实施例的剖视图；并且

图2为示意图，示出了根据本发明的设备的实施例的一些部件。

具体实施方式

在一个实施例中，根据本发明第一方面所述的呼吸采样设备大致如pct/gb2017/050094中所述，该专利的副本附于本文。

参考图1，呼吸采样设备包括面罩部分10，该面罩部分在图1中以横截面示出。在使用时，面罩部分通过弹性束带等附接到受试者的面部。面罩部分包括密封部分80，该密封部分由柔软的可弹性变形的合成塑料材料(例如硅橡胶)制成，该密封部分当被按压至受试者的面部上时在很大程度上与受试者的皮肤形成气密密封，以便基本上排除环境空气进入到采样容积12中。密封部分80覆盖受试者的嘴巴和鼻孔，使得受试者呼出的气息进入采样体积12。

面罩部分10还包括：

吸附管(20)，该吸附管用于捕获受试者呼出的气息中所包含的挥发性物质；co2和压力传感器22；可更换的细菌过滤器24；清洁空气供应26；泵28；以及控制板30，该控制板用于控制面罩部分10的上述主要部件的操作。

具体地，mems陀螺传感器32安装在控制板30上，mems陀螺传感器可以在三个维度上确定控制板的取向，并因此确定整个面罩部分10的取向。

除陀螺传感器32之外，面罩部分的各种部件的操作大致如pct/gb2017/050094中所述的那样。

陀螺传感器32位于控制板30上，以便远离受试者的头部。具体地，传感器32位于控制板的最远离受试者的头部的部分上或附近。以这种方式，对于受试者头部的给定的角位移，传感器32的移动被最大化。

在使用时，在最初的25秒“训练期”和设备的正常采样操作期间，每秒记录一次陀螺传感器32测量值。该训练期用于确定用于每个泵的合适触发点(基于压力传感器数据)，以便能够选择性地从受试者的上呼吸道或下呼吸道吸入空气(每次呼吸)。

受试者的头部就正交的x/y/z轴线而言的最佳取向被预设在mems陀螺传感器存储器中，或者在计算机存储器中。

在操作过程中，当陀螺传感器32的输出指明受试者的头部在x、y或z轴线中的任一者上的取向处于最佳预设值外(超出例如20度或更多)达到至少两个呼吸循环或6秒时，则触发警报。警报由主pcb控制板产生并使蜂鸣器发声，并且在操作该设备的计算机上出现的视觉警告。临床医生观察到此警报，并提示受试者重新定位他们的头部。当陀螺传感器检测到受试者的头部已经沿着x/y/z轴线中的每一者返回到预设的可接受取向的20度内达到至少两个呼吸循环或6秒时，解除触发。

除了检测可能会导致受试者的头部采取可能会使受试者气道受限的取向的可能缓慢移动之外，mems陀螺传感器32也可检测受试者的头部的突然移动(诸如可能在打喷嚏或咳嗽期间发生)，但是这些突然移动可能不一定导致受试者的头部的取向落在预定可接受的x、y和z值范围之外。这是有用的，因为受试者打喷嚏或咳嗽可能导致面罩部分10内发生显著的压力变化，该显著的压力变化继而影响泵28(其是使用来自压力传感器22的压力传感器数据触发的)的操作。数据流中与诸如打喷嚏或咳嗽等事件有关的时间段可以被忽略，使得算法可以输出更合适的触发点。

实例

图2为示意性框图，示出了根据本发明的设备的实施例的一些部件，并且示出了这些部件的操作模式。

印刷控制板100安装在pct/gb2017/050094中所述类型的“reciva”呼吸采样设备的面罩部分上。控制板包括cpu102、o2传感器104、压力传感器106和阀108。mems陀螺芯片110也位于控制板上，并且定位在远端，该mems陀螺芯片可以检测控制板100在三个正交轴线x、y和z中的每一者中的角位移。因为陀螺芯片110在控制板上定位于远端，所以受试者的头部的任何角位移都会引起芯片110的最大位移。响应于来自传感器104、106的信号，cpu102控制阀108的开启和关闭，该阀允许对受试者的呼出气息进行选择性取样。

通过有线链接或无线方式，面罩部分上的cpu100与在诸如pc、笔记本电脑或平板电脑114等外部设备上的cpu112通信。cpu112可操作地连接到数字电子存储器116和听觉和视觉警报器118。来自陀螺芯片110的信息指明受试者的头部的移动是否导致面罩部分落在x、y和z轴线中的预定可接受取向范围之外达到超过预设极限的时间段。这导致cpu102或cpu112将警报产生信号发送到外部设备114上的听觉/视觉警报器118。可以通过用户的手动输入取消警报，或者通过来自陀螺芯片110的反馈取消警报，该反馈指明受试者的头部的取向已回到可接受的x、y和z值范围内。