肺活量计.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201580055403.9 (22)申请日 2015.08.19 (30)优先权数据 1414731.8 2014.08.19 GB 1420147.9 2014.11.12 GB (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2017.04.12 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/GB2015/052403 2015.08.19 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2016/027084 EN 2016.02.25 (71)申请人 智能呼吸产品有限公司 地址 英国伦敦 (7

2、2)发明人 托马斯安塔尔菲 (74)专利代理机构 北京安信方达知识产权代理 有限公司 11262 代理人 张华卿 郑霞 (51)Int.Cl. A61B 5/087(2006.01) A61B 5/09(2006.01) (54)发明名称 肺活量计 (57)摘要 哮喘的慢性性质需要在易感个体中定期自 我监测呼吸功能， 然而用于执行必要测量的可用 设备是不准确的或昂贵且笨重的。 本发明提供了 一种小型的、 便宜的肺活量计， 用于有效、 准确和 方便地测量呼吸特性。 权利要求书3页 说明书14页 附图12页 CN 107106084 A 2017.08.29 CN 107106084 A 1.一种

3、用于测量吞吐气流的肺活量计， 所述肺活量计包括： 肺活量计主体， 所述肺活量计主体具有圆柱形壁， 所述圆柱形壁界定腔并具有被布置 成允许环境光进入所述腔的一个或多个窗口； 一个或多个导流板， 所述一个或多个导流板被配置以使输入到由所述肺活量计主体界 定的所述腔的气流旋转； 转子， 所述转子被布置在由所述肺活量计主体界定的所述腔内， 以响应于旋转气流而 被引起旋转； 以及 一个或多个光电检测器， 所述一个或多个光电检测器被布置在所述肺活量计主体的面 向所述腔中的所述壁处， 以检测在所述腔内部入射其上的光的量； 其中， 所述肺活量计被配置使得当所述转子的角度随着其旋转而改变时， 通过所述一 个或多

4、个窗口被允许进入所述腔并传送到所述光电检测器或每个光电检测器的环境光的 量由于所述转子的阻塞而变化； 并且其中， 所述一个或多个光电检测器形成电气网络的一部分， 所述电气网络被配置 成在使用中提供可用于检测所述转子的旋转速率的电信号。 2.根据权利要求1所述的肺活量计， 其中， 所述电气网络连接到电话插头的一个或多个 触点， 所述电话插头耦合到或刚性地连接到所述肺活量计。 3.根据权利要求1或权利要求2所述的肺活量计， 其中， 所述转子包括刚性地连接到轴 部分的叶片部分， 使得所述叶片部分能够围绕由所述轴部分限定的轴线旋转； 并且其中所 述轴部分的两个端部部分可枢转地安装在所述肺活量计的相应插

5、口中， 使得所述叶片部分 被安装成在所述旋转气流中旋转。 4.根据权利要求1至3中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述一个或多个光电检测器被 部分地围绕由所述叶片部分的边缘的旋转限定的表面的周边进行布置。 5.根据权利要求4所述的肺活量计， 其中， 所述一个或多个光电检测器位于所述肺活量 计主体的面向所述腔中的所述壁中的凹部中。 6.根据权利要求5所述的肺活量计， 其中， 所述肺活量计主体的所述腔限定了第一半 径， 并且所述叶片的径向范围限定了第二半径； 并且其中所述第二半径使得允许其阻挡所 述腔内的光到达所述一个或多个光电检测器， 但小于所述第一半径， 从而允许在所述腔内 自由旋转。 7.根

6、据权利要求6所述的肺活量计， 其中， 所述窗口或每个窗口的轴向范围小于所述转 子的轴向范围并包含在所述转子的轴向范围内。 8.根据权利要求7所述的肺活量计， 其中， 所述转子的轴向范围与所述腔的轴向范围基 本相同。 9.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述圆柱形壁包括单个窗口和 单个光电检测器。 10.根据权利要求9所述的肺活量计， 其中， 所述圆柱形壁包括单个窗口和所述光电检 测器； 并且其中在所述窗口的中心与所述转子的旋转轴线之间延伸的线和在所述转子的旋 转轴线与所述光电检测器或每个光电检测器的中心之间延伸的线之间对向的角度小于180 度。 11.根据权利要求10所述的肺

7、活量计， 其中， 设置了单个光电检测器， 并且所述窗口和 权 利 要 求 书 1/3 页 2 CN 107106084 A 2 所述光电检测器的圆周地相对边缘之间的角度为180度或更大。 12.根据权利要求10所述的肺活量计， 其中， 所述窗口对向的角度大于所述光电检测器 或每个光电检测器对向的角度。 13.根据权利要求12所述的肺活量计， 其中， 所述窗口的轴向范围跨其角范围是均匀 的。 14.根据权利要求10或11所述的肺活量计， 其中， 所述窗口的轴向范围跨其角范围而变 化。 15.根据权利要求14所述的肺活量计， 其中， 所述窗口的轴向范围从所述窗口的一个圆 周边缘到另一个圆周边缘均匀

8、地变化。 16.根据权利要求12或权利要求13所述的肺活量计， 其中， 所述窗口的形状是三角形。 17.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述圆柱形壁包括单个窗口和 多于一个的光电检测器。 18.根据权利要求17所述的肺活量计， 其中， 多个光电检测器围绕所述圆柱形壁以一定 角度间隔开。 19.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述一个或多个窗口中的至少 一个各自在0.5和3cm sq之间。 20.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述一个或多个光电检测器中 的至少一个是光电二极管。 21.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 除了所

9、述一个或多个窗口被布 置成允许环境光进入所述腔之外， 所述肺活量计的所述圆柱形壁是不透明的。 22.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述肺活量计连接到电子设 备， 优选地， 其中所述电子设备是智能电话。 23.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述光不由有源或供电的光源 提供。 24.根据前述权利要求中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述电气网络包括一个或多个 电阻器。 25.根据权利要求24所述的肺活量计， 其中， 所述一个或多个电阻器在500欧姆-3k欧姆 的范围内并与所述转子串联连接。 26.根据权利要求24或权利要求25所述的肺活量计， 其中， 所述一

10、个或多个电阻器中的 至少一个是1k欧姆电阻器。 27.根据权利要求24至26中任一项所述的肺活量计， 其中， 所述电气网络包括两个或更 多个电阻器。 28.根据权利要求27所述的肺活量计， 其中， 所述电气网络包括三个电阻器。 29.一种基本上如本文参考附图所述的和如由所述附图中的任意一个示出的肺活量 计。 30.一种使用如任一前述权利要求所述的肺活量计测量吞吐气流的方法， 所述方法包 括以下步骤： a.将所述肺活量计连接到电子设备； 和 b.使用所述电子设备检测由经历穿过其中的气流的所述肺活量计提供的电信号； 以及 权 利 要 求 书 2/3 页 3 CN 107106084 A 3 c.使

11、用所述电子设备处理所述电信号以获得所述吞吐气流的特性的测量。 31.根据权利要求30所述的方法， 其中， 使用所述电子设备处理所述电信号包括根据当 所述转子旋转时由所述一个或多个光电检测器的操作产生的电信号的分量来确定所述转 子的旋转速率。 32.根据权利要求31所述的检测吞吐气流的方法， 其中， 使用所述电子设备处理所述电 信号还包括执行离散傅立叶变换(DFT)以将当所述转子旋转时由所述一个或多个光电检测 器的操作产生的所述电信号的分量转换为旋转速率的步骤。 33.根据权利要求30至32中任一项所述的方法， 其中， 使用所述电子设备处理所述电信 号包括， 基于对于所述肺活量计限定其间的关系的

12、校准数据， 根据所述转子的所确定的旋 转速率确定所述气流的特性。 34.根据权利要求30至33中任一项所述的方法， 其中， 使用所述电子设备处理所述电信 号还包括确定所述转子的旋转方向。 35.一种制造用于测量吞吐气流的肺活量计的方法， 包括： a.提供肺活量计主体， 所述肺活量计主体具有圆柱形壁， 所述圆柱形壁界定腔并具有 被布置以允许环境光进入所述腔的一个或多个窗口； b.提供入口导流板和出口导流板和转子， 所述入口导流板和出口导流板被配置成使由 所述肺活量计主体界定的所述腔的输入气流旋转， 所述转子包括刚性地连接到轴部分的叶 片部分； c.提供一个或多个光电检测器， 所述一个或多个光电检

13、测器被布置在所述肺活量计主 体的面向所述腔中的所述壁处， 以检测在所述腔内部入射其上的光的量； d.形成电气网络的一部分， 所述电气网络耦合到所述光电检测器或每个光电检测器， 并且被配置成在使用中提供可用于检测所述转子的旋转速率的电信号； e.在所述入口导流板和所述出口导流板之间组装所述转子， 使得所述轴部分的两个端 部部分可枢转地安装在限定在所述导流板的径向中心处的相应插口中， 使得所述叶片部分 被安装成在所述旋转气流中旋转， 使得在使用中当所述转子的角度随着其旋转而改变时， 被允许通过所述一个或多个窗口进入所述腔并被传送到所述光电检测器或每个光电检测 器的所述环境光的量由于所述转子的阻塞而

14、变化； 以及 f.将电话插头耦合或刚性地连接到所述肺活量计， 并将所述电气网络连接到所述电话 插头的一个或多个触点， 所述电话插头耦合到或刚性地连接到所述肺活量计。 权 利 要 求 书 3/3 页 4 CN 107106084 A 4 肺活量计 发明领域 0001 本发明涉及适于在测量呼吸功能时使用的肺活量计， 并且更具体地， 涉及包含电 气网络的肺活量计设备， 该电气网络在测量峰值呼气流量时向使用者提供功能优点。 0002 发明背景 0003 数以亿计的人患有慢性呼吸道疾病。 根据最新的世界卫生组织(WHO)的估计 (2011)， 目前有2.35亿人患有哮喘， 6400万人患有慢性阻塞性肺病

15、(COPD)， 并且数百万人患 有其它常常未被诊断出的慢性呼吸道疾病。 0004 准确测量呼吸能力对于管理哮喘和其它呼吸病症是重要的， 并且特别是在预测 (和控制)易感个体的哮喘发作时是重要的。 在急性哮喘发作期间， 上呼吸道的肌肉收缩， 导 致气道的部分或完全阻塞， 并使肺部更难吸入和释放空气。 然而， 气道的变窄不限于发作的 开始， 而是随着时间逐渐加强。 通常， 导致气道变窄的支气管炎症可能在个体感觉到哮喘的 第一症状之前已经开始一段时间。 一系列有效的抗哮喘药物是可用的， 其可以基本上限制 或消除这种发作， 但是这些必须适当地施用以避免与不合适的剂量相关联的负面作用。 0005 因此，

16、 哮喘的慢性性质需要在易感个体中定期监测呼吸功能， 以尽早地检测预示 支气管炎症的症状， 并且对于实际原因通常涉及临床医生的自我评估和周期性评估的组 合。 0006 已经确立的是， 通常以升每分钟来测量的峰值呼气流速(PEF)的测量值(其指示空 气从肺部吹出的速度)提供对呼吸功能的可靠指示(全球哮喘管理和预防策略。 Bethesda (MD)： Global Initiative for Asthma， 2012)。 已知用作此目的的简单的机械设备， 诸如峰 值流量计(PFM)。 这些设备被简单地构造并且典型地由在一端具有咬嘴的塑料管组成。 0007 在使用中， 当患者呼气到管的咬嘴中时， 呼

17、气流的力使相对的且摆动的板和外部 可见的标记或指针(通常位于管内的通道或凹槽中)从可重置的起始位置(或零)被推动到 对应于单次呼气的最大或峰值呼气流量的位置。 通常， PFM将包含与标记相邻的校准刻度， 使得个体可以可视化并手动记录该呼气的峰值呼气流量， 如标记沿着刻度行进的距离所指 示的。 做这种重复测量是为了监测肺功能的变化， 诸如可能由哮喘或其他呼吸系统疾病引 起的变化。 0008 PFM的一些示例包含弹性设备(诸如弹簧)， 以便当呼气流的力从最大值下降并且 变得不等于弹簧的弹性力时(弹簧的反作用力使可移动板朝向其起始位置返回)， 将可移动 地布置在管内的板返回到起始位置。 然而， 标记

18、(不连接到可移动板)保持在距离起始位置 的最大运动的位置处， 指示在该呼气期间由板移动的最大距离， 从而允许计算峰值呼气流 量。 0009 目前可用的PFM具有许多限制。 首先， PFM的效用受其尺寸的限制， 这使得不显眼的 运输或使用困难。 因此， 可能危害在所需时间监测呼吸功能的能力。 0010 其次， PFM设备通常需要由用户以周期性间隔手动地获取、 记录和解释测试的结 果， 这导致呼吸特性的记录的不准确性以及在延长的周期内不能一致地记录结果。 这能够 不利地影响个体风险因素的诊断， 其是确定患者的适当治疗方案的基本考虑。 说 明 书 1/14 页 5 CN 107106084 A 5

19、0011 第三， 获取和记录读数的过程可以是耗时的， 其与通常对于分析所需的笨重的设 备组合， 经常导致部分患者不愿意进行PEF的定期测量。 产生散发性数据集的对监测方案的 不良依从性是有效的哮喘管理的主要问题。 0012 第四， 除了PEF的测量， PFM不能实现呼吸功能的任何更高级的监测。 0013 更先进的设备是已知的， 诸如由MIR( 其中一次性涡轮肺活量计与专用监测系统结合使用， 当空气的通过使涡轮旋转时该专用监 测系统光学地监测涡轮的旋转速率。 然而， 这些设备昂贵且体积庞大。 结果是， 上述系统不 适合个体使用， 并且因此通常由执业医师使用。 0014 出于以上考虑， 设计了本发

20、明。 本发明寻求提高易感个体中呼吸功能的自我评估 的效率、 准确性、 可靠性和方便性， 特别是为了哮喘管理的目的的峰值呼气流量的监测。 0015 发明概述 0016 有利地， 本发明提供了肺活量计， 其有助于峰值呼气流量(PEF或PEFR)、 用力呼气 容积(FEV)、 用力呼气流量(FEF)和用力肺活量(FVC)的精确测量和记录； 在慢性呼吸道病症 的诊断和管理中的关键呼吸参数。 肺活量计的小尺寸使得其能够容易地运输， 并且为个体 提供了比迄今为止可能的更方便和有效的自我评估的手段。 凭借以上特征， 与能够测量上 述参数的现有设备相比， 肺活量计是小的、 鲁棒的、 精确的并且具有低的构建成本

21、。 在优选 实施方案中， 肺活量计不以网格或筛网为特征(细菌或其他此类污染物可能在该网格或筛 网中被捕获)， 并因此允许卫生的使用和简单的灭菌和维护。 0017 本发明还提供了用于测量吞吐气流的肺活量计， 包括： 肺活量计主体， 其具有圆柱 形壁， 该圆柱形壁界定腔并具有被布置成允许环境光进入腔的一个或多个窗口； 一个或多 个导流板， 其被配置成使输入到由肺活量计主体界定的腔的气流旋转； 转子， 其被布置在由 肺活量计主体界定的腔内， 以响应于旋转的空气流而引起旋转； 以及一个或多个光电检测 器， 其被布置在肺活量计主体的壁处， 面向腔中， 以检测在腔内部入射到其上的光的量； 其 中肺活量计被

22、配置使得当转子的角度随着其旋转而改变时， 通过一个或多个窗口进入腔并 传送到该光电检测器或每个光电检测器的环境光的量由于转子的阻塞会变化； 并且其中一 个或多个光电检测器形成电气网络的一部分， 该电气网络被配置以在使用中提供可用于检 测转子的旋转速率的电信号。 0018 应当认识到， 在本发明的以上方面的实施方案中， 当使用时， 通过响应于输入或输 出气流的转子的旋转运动的环境光的中断由光电检测器感测并转换成可用于检测转子的 旋转的电信号。 在本发明的优选实施方案中， 光电检测器是配置成检测肺活量计的腔内的 环境光的光电二极管。 优选地， 在照射时， 光电检测器产生电压并供应电流， 其将根据入

23、射 到其上的照射量而变化。 优选地， 这种电流将与入射光强度成比例。 除了光电二极管之外， 本发明的光电检测器可以包括但不限于光敏电阻器(photoresistor)、 光敏电阻(light dependent resistors)(LDR)、 光电晶体管、 反向偏置以充当光电二极管的LED、 光伏电池、 太阳能电池、 光电倍增管、 光电管、 量子点光电导体、 有源像素传感器(APS)、 电荷耦合器件 (CCD)、 光学检测器(诸如微测热辐射计、 热电检测器、 热电偶和热敏电阻)。 0019 导电涂层容易随时间磨损， 并且可以导致肺活量计的寿命缩短。 因此， 使用旋转的 光学检测的本发明的肺活

24、量计有利地具有更大的耐久性。 除了更大的耐久性之外， 使用旋 转的光学检测的本发明的肺活量计有利地允许比其中导电涂层用于生成切换的导电路径 说 明 书 2/14 页 6 CN 107106084 A 6 的本发明的实施方案更精确的呼吸特性的测量。 因此， 以光电检测器为特征的本发明的肺 活量计可以有利地用于随时间准确地测量和记录对于具有慢性呼吸病症的人们的关键肺 功能参数， 诸如用力肺活量(FVC)(呼出空气的总容积)， 其允许除PEF外的阻塞性和限制性 肺功能损伤的评估。 以光电检测器为特征的本发明的肺活量计也可以有利地用于测量和记 录FEF25、 FEF50和FEF75(在25、 50和7

25、5的呼出空气容积处的用力呼气流量)。 在点 FEF25和点FEF 75之间的平均流量是临界参数(称为FEF2575)， 这是因为这实际上是表示许 多呼吸道疾病下降的第一个参数。 另外， 本发明的肺活量计(以旋转的光学检测为特征)可 用于测量FEV1/FEV6： 在一秒和六秒内呼出的空气量的比率， 其操作作为用于诊断气道阻塞 的灵敏度和特异性测试， 并且其也经常由医师使用以指示移植患者的肺功能。 0020 本发明还提供了肺活量计， 其中电气网络连接到电话插头的一个或多个触点， 该 电话插头耦合到或优选刚性地连接到肺活量计。 在优选实施方案中， 肺活量计的电气网络 连接到电话插头的一个或多个触点。

26、 优选地， 肺活量计的电气网络将连接到3.5mm四触点 “尖(Tip)” 、“环(Ring)” 、“环” 、“套(Sleeve)” (TRRS)电话插头的一个或多个触点。 然而， 设 想肺活量计的电气网络与其它类型的电话插头(诸如例如， 2-触点(TS)和3-触点(TRS)连接 器)同样好地工作。 在可选实施方案中， 电气网络可以连接到合适的电话插头的两个或更多 个、 三个或更多个、 四个或更多个、 五个或更多个、 六个或更多个、 七个或更多个、 八个或更 多个、 九个或更多个或者十个或更多个触点。 0021 优选地， 电话插头被布置以便刚性地连接到肺活量计。 然而， 可选地， 电话插头可 以

27、例如使用电缆或本领域已知的类似装置柔性地耦合到肺活量计。 肺活量计的电气网络与 电话插头的一个或多个触点的连接使得由肺活量计提供的电信号能够被传达到电子设备 (诸如智能电话)、 由电子设备处理且存储在电子设备上。 这样的连接通常将使用电子设备 的麦克风输入来建立并且将允许由肺活量计生成的电信号的处理、 校准和解释以在电子设 备上执行。 其示例包括执行离散傅里叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)以分析频谱图上 的音频信号的波形和频谱。 本领域技术人员将意识到用于处理和/或解释由肺活量计生成 的电信号输出的多个适当的软件包或应用程序， 并且它将被视为选择兼容或适当的包或应 用程序的例程， 这

28、取决于电子设备和将要执行的分析的类型。 合适的包包括但不限于 “Praat” 、“SimpleFFT” 、“Spectral Audio Analyzer” 、“TRA Audio analyzer” 、 “AudioTool” 、“SPL and Spectrum Analyzer” 、“SPL Meter” 和 “FFT” 。 0022 在本发明的优选实施方案中， 电话插头将连接到电子设备(诸如移动电话、 智能电 话或平板电脑)， 以便患者和临床医生能够方便地存储、 可视化、 解释和询问电子信号。 优选 地， 电话插头将通过音频输入将肺活量计连接到智能电话。 电气网络到电话插头的一个或 多

29、个触点的连接使得能够进行快速、 准确和有效的测量。 此外， 用户不需要手动记录时间、 日期和测量值。 这些功能鼓励设备的频繁使用， 允许随着时间更详细和准确地评估PEF， 并 促进患者和医师之间的更多的通信。 0023 本发明还提供了肺活量计， 其中转子包括刚性地连接到轴部分的叶片部分， 使得 叶片部分可以围绕由轴部分限定的轴线旋转； 并且其中轴的端部部分可枢转地安装在肺活 量计的相应插口中， 使得叶片部分安装为在旋转气流中旋转。 0024 根据转子在周期中的位置改变入射在一个或多个光电检测器上的环境光的量的 转子的配置允许一个或多个光电检测器根据入射到它们上的照射量而作为开关来操作， 允 说

30、 明 书 3/14 页 7 CN 107106084 A 7 许确定切换速率。 然后， 可以使用切换速率来确定叶片的旋转速率。 优选地， 电气网络的触 点将在叶片部分的每次旋转时切换一次。 然而， 设想等效的构造， 其包含在叶片的每次旋转 时的多于一次的切换。 0025 在另一个实施方案中本发明包括肺活量计， 其中转子包括刚性地连接到轴部分的 叶片部分， 使得叶片部分可以围绕由轴部分限定的轴线旋转； 并且其中轴的端部部分可枢 转地安装在肺活量计的相应插口中， 使得叶片部分安装为在旋转气流中旋转。 已经发现， 以 上是简单的构造方法， 其使得能够快速且便宜地生产肺活量计， 并且还能够进行对关键呼

31、 吸参数的精确测量。 0026 叶片部分可以刚性地连接到轴部分， 使得叶片和轴部分二者响应于旋转气流而引 起旋转， 然而这种布置不是必要的， 并且叶片和轴部分可以以如下方式连接， 当使叶片部分 在旋转气流中旋转时轴部分仅为叶片部分提供支撑装置。 0027 在优选实施方案中， 肺活量计的电气网络包括部分地围绕叶片部分的旋转边缘的 周边布置的一个或多个光电检测器。 通常， 本发明包括单个光电检测器。 然而， 应当认识到， 本发明的肺活量计可以包括多于一个的光电检测器。 可选地， 本发明的肺活量计可以包括 多于两个光电检测器、 多于三个光电检测器、 多于四个光电检测器、 多于五个光电检测器、 多于六

32、个光电检测器、 多于七个光电检测器、 多于八个光电检测器、 多于九个光电检测器或 多于十个光电检测器。 0028 一个或多个光电检测器布置在肺活量计主体的面向腔中的壁处， 以检测腔内部入 射其上的光的量。 在本发明的上下文中，“布置在壁处” 包括光电检测器的各种布置。 特别 地，“布置在壁处” 包括但不限于位于肺量计主体的壁上、 壁中或壁的附近的光电检测器。 一个或多个光电检测器优选地部分地围绕叶片部分的旋转边缘的周边布置。 理想地， 光电 检测器位于界定肺活量计的腔的圆柱形壁中的凹部上或凹部中。 在优选的布置中， 一个或 多个光电检测器位于肺活量计主体的壁中的凹部中， 面向腔中。 这种布置有

33、利地允许叶片 在腔内的自由旋转。 0029 在优选实施方案中， 本发明提供了肺活量计， 其中肺活量计主体的腔界定了第一 半径， 并且叶片的径向范围界定了第二半径； 并且其中第二半径使得允许其阻挡腔内的光 到达一个或多个光电检测器， 但小于第一半径， 从而允许在腔内自由旋转。 理想地， 叶片的 径向范围非常地接近腔的半径， 使得转子呈现用于旋转作用其上的吞吐空气的大表面积， 并且从而能够最有效地将旋转空气的能量转换成旋转。 旋转输入或输出空气使叶片旋转， 导致在叶片旋转中表现出呼吸特性的精确测量。 有利地， 叶片的半径和腔的半径的非常接 近意味着在使用中的旋转期间， 当叶片在旋转周期期间的各个点

34、处插入一个或多个光电检 测器和一个或多个窗口之间时， 在某些旋转角度处其遮蔽一个或多个光电检测器与一个或 多个窗口， 并导致环境光的一部分被阻挡而无法到达光电检测器中的一个或多个或每个光 电检测器， 然而在某些其它旋转角度处叶片不遮挡窗口， 并且环境光被允许传递到光电检 测器中的一个或多个或每个光电检测器。 这允许转子的旋转速率以及因此的吞吐空气的通 过被检测， 同时允许叶片响应于吞吐空气的自由旋转。 优选地， 本发明提供了肺活量计， 其 中该窗口或每个窗口的轴向范围小于转子的轴向范围并包含在转子的轴向范围内。 当叶片 插入一个或多个光电检测器和一个或多个窗口之间时， 这种布置允许阻挡光到达一

35、个或多 个光电检测器。 当然， 应当认识到， 小于腔的轴向范围的许多不同的轴向范围是可能的， 同 说 明 书 4/14 页 8 CN 107106084 A 8 时保持肺活量计的功能。 实际上， 各种转子构造是可能的， 其中转子的叶片不具有相等的轴 向长度和/或围绕转子的轴线的均匀间隔。 优选地， 叶片部分基本上沿着单个平面延伸。 然 而， 在本发明的优选实施方案中， 转子的轴向范围与腔的轴向范围基本相同。 更优选地， 叶 片具有相等的轴向长度。 甚至更优选地， 叶片围绕转子的轴线均匀地间隔开。 还更优选地， 叶片是不透明的， 确保叶片在一个或多个窗口与一个或多个光电检测器之间的插入期间， 有

36、效地遮蔽环境光到达一个或多个光电检测器。 0030 理想地， 本发明的肺活量计具有圆柱形壁， 其包括单个窗口和单个光电检测器。 然 而， 应当认识到， 本发明的肺活量计可以包括多于一个的窗口。 可选地， 本发明的肺活量计 可以包括多于两个窗口、 多于三个窗口、 多于四个窗口、 多于五个窗口、 多于六个窗口、 多于 七个窗口、 多于八个窗口、 多于九个窗口或多于十个窗口。 提到单个窗口时， 是指单个切向 窗口， 但是将认识到， 这也可以包括几个轴向相邻的窗口。 对于光电检测器也是如此。 0031 有利地， 除了提供叶片旋转的速率之外， 本发明的优选实施方案还提供方向灵敏 度。 响应于吞吐气流的旋

37、转方向的确定使得吸气的气流特性能够与呼气相关联的气流特性 区分开。 该特征使得能够对用户呼吸特性进行更精确的测量。 为了确定旋转方向， 重要的 是， 肺活量计的一个或多个窗口和一个或多个光电检测器被布置成使得在窗口的中心和该 光电检测器或每个光电检测器的中心之间对向的角度小于180度。 换句话说， 一个或多个窗 口中的至少一个和一个或多个光电检测器中的至少一个不在直径上彼此相对。 除了它们相 对于180度的 “偏移” 之外， 特别是在仅提供一个光电检测器的情况下， 优选的是， 彼此偏移 的一个或多个窗口中的至少一个和一个或多个光电检测器中的至少一个具有不同尺寸。 优 选地， 它们具有不同的轴向

38、范围或角范围。 一个或多个光电检测器可以小于或大于一个或 多个窗口。 在优选实施方案中， 一个或多个窗口是矩形或正方形的。 优选地， 一个或多个窗 口中的至少一个大于一个或多个光电检测器， 然而， 将认识到， 窗口可以是不同的形状， 例 如三角形。 优选地， 一个或多个窗口各自在0.5cm2和5cm2 sq之间， 在0.5cm2和4cm2 sq之间， 在0.5cm和3cm sq之间， 在0.5cm2和2cm2 sq之间， 或者可选地各自在0.5cm2和1cm2 sq之间。 还将认识到， 根据需要， 可以在本发明的实施方案中使用窗口和/或光电检测器的阵列。 因 此， 在另一个实施方案中， 本发明

39、提供了肺活量计， 其中圆柱形壁包括单个窗口或多于一个 的轴向相邻的窗口和一个或多个光电检测器； 并且其中窗口的中心与该光电检测器或每个 光电检测器的中心之间对向的角度小于180度。 通常， 窗口的中心与该光电检测器或每个光 电检测器的中心之间对向的角度小于170度， 但是可以小于160度、 小于150度、 小于140度、 小于130度、 小于120度、 小于110度、 小于100度、 小于90度、 小于80度、 小于70度、 小于60度、 小于50度、 小于40度、 小于30度、 小于20度或者可选地小于10度。 0032 在另一个实施方案中， 本发明提供了肺活量计， 其中提供了单个光电检测器

40、并且 提供了单个窗口， 并且在窗口和光电检测器的相对边缘之间的角度为180度或更大。 可选 地， 在期望检测旋转方向的本发明的实施方案中， 窗口具有与光电检测器不同的尺寸， 优选 地， 窗口将在其轴向范围上比光电检测器更大。 0033 在可选实施方案中， 本发明提供了肺活量计， 其中窗口对向的角度大于该光电检 测器或每个光检测器对向的角度， 并且可选地， 其中窗口的轴向范围在其角范围上是均匀 的。 0034 本发明还提供了肺活量计， 其能够区分由于吸气和呼气而产生的吞吐空气的特 说 明 书 5/14 页 9 CN 107106084 A 9 性。 在这样的实施方案中， 肺活量计可以以窗口为特征

41、， 其中窗口的轴向范围在其角范围上 变化， 可选地从一个边缘到另一个边缘均匀地变化。 设想各种形状的窗口， 其中窗口的轴向 范围在其角范围上变化， 其将用于提供方向灵敏度。 优选地， 窗口的形状为三角形。 0035 可选地， 圆柱形壁包括单个窗口和多于一个的光电检测器。 优选地， 多个光电检测 器围绕圆柱形壁以角度间隔开。 0036 在依赖于对转子旋转的光学检测的本发明的所有实施方案中， 提供了肺活量计， 其中肺活量计的圆柱形壁是不透明的， 除了被布置为允许环境光进入腔的一个或多个窗 口。 通常， 壳体将由不透明的塑料材料制成。 环境光是优选的光源， 并通过一个或多个窗口 进入肺活量计的腔。

42、优选地， 没有提供有源或供电的光源作为本发明的一部分。 0037 本发明还提供了肺活量计， 其中电气网络还包括一个或多个电阻器。 优选地， 一个 或多个电阻器在500欧姆-3k欧姆的范围内并与转子串联连接。 优选地， 一个或多个电阻器 中的至少一个是1k欧姆的电阻器。 优选地， 电气网络包括两个或更多个电阻器。 更优选地， 电气网络包括3个电阻器。 在本发明的上下文中， 电阻器与电气网络和电子器件一起用于控 制在麦克风输入处接收的电信号， 以补偿在许多智能电话中在特定电阻以下提供的切换响 应， 作为远程控制智能电话功能的手段， 即可能需要经由并入电阻器在电路上强加负载， 以 便避免相关联电子设

43、备的低于特定电阻的小电阻直接接触的响应。 例如， 许多智能电话具 有音频输入， 其被校准以响应于低于100欧姆、 200欧姆、 300欧姆、 400欧姆、 500欧姆、 1k欧 姆、 1.5k欧姆、 2k欧姆或3k欧姆的信号， 使得某些应用程序(例如， 应答来电)由小电阻直接 接触触发。 因此， 电阻器优选地与转子串联连接并应用固定电阻， 使得其与预期使用的电子 设备兼容。 电路中的附加电阻允许电子设备正常处理输入信号。 虽然这可以在没有电阻器 的情况下实现， 但是本发明的优选实施方案， 电气网络包括在500欧姆-3k欧姆或1k欧姆-3k 欧姆范围内的一个或多个电阻器。 更优选地， 电气网络包

44、括在1k欧姆-2k欧姆范围内的一个 或多个电阻器。 理想地， 电气网络包括与转子串联连接的1k欧姆电阻器。 然而， 将认识到， 使 用更大的电阻器(例如， 1.5k欧姆、 2k欧姆、 3k欧姆、 4k欧姆、 5k欧姆、 6k欧姆、 7k欧姆、 8k欧 姆、 9k欧姆或10k欧姆电阻器)可以实现相同的效果。 类似地， 可以使用电阻器的组合以在电 路中实现期望的电阻。 有利地， 电阻器由金属线或碳复合材料构成， 这是因为这些材料制造 非常便宜， 然而在需要更高精度的某些实施方案中， 其它类型的电阻器可能更合适。 0038 还提供了使用如前述任一权利要求中所要求保护的肺活量计测量吞吐气流的方 法，

45、包括以下步骤： 将肺活量计连接到电子设备； 并且使用电子设备检测由经历穿过其中的 气流的肺活量计提供的电信号； 并且使用电子设备处理电信号以获得吞吐气流的特性的测 量。 优选地， 使用电子设备处理电信号包括根据当转子旋转时由一个或多个光电检测器的 操作产生的电信号的分量确定转子的旋转速率。 更优选地， 使用电子设备处理电信号还包 括执行离散傅立叶变换(DFT)以将当转子旋转时由一个或多个光电检测器的操作产生的电 信号的分量转换为旋转速率。 还更优选地， 使用电子设备处理电信号包括， 基于限定用于肺 活量计的其间的关系的校准数据， 根据确定的转子的旋转速率来确定气流特性。 有利地， 使 用电子设

46、备处理电信号还包括确定转子的旋转方向。 这允许区分吸气和呼气的特性。 0039 虽然本发明的每个单独的肺活量计将具有不同的特性和特征， 但是可以为每个单 独的肺活量计计算使用各种力的呼气， 最大信号频率、 最大叶片旋转速率、 峰值呼气流速 (PEF或PEFR)、 用力呼气容积(FEV)、 用力呼气流量(FEF)和用力肺活量(FVC)。 在本发明中， 说 明 书 6/14 页 10 CN 107106084 A 10 由麦克风输入的频谱分析确定的信号频率和峰值流速之间的关系由线性关系定义。 在正常 范围内这两个参数之间的线性关系的存在意味着从最大信号频率到可由患者使用的峰值 呼气流量(PEF)速

47、率(即以升/分钟为单位的值)的转换需要应用简单的乘法器。 由肺活量计 生成的峰值谐波频率到以上描述的流速的线性转换通常将由一个或多个合适的软件包自 动地执行， 从而提供可由患者使用的输出峰值流速。 0040 光学检测允许各种呼吸参数的更灵敏的检测， 诸如峰值呼气流速(PEF或PEFR)、 用 力呼气容积(FEV)、 用力呼气流量(FEF)和用力肺活量(FVC)。 这些呼吸参数之间的关系是良 好建立的， 并且可以使用本发明的肺活量计自源自呼气(在x轴上)和吸气(在x轴下方)的信 号测量的图形输出获得。 呼气产生急剧上升并逐渐下降的线。 相比之下， 吸气(在x轴下方) 产生更圆的轮廓。 叶片旋转方

48、向的测量提供了确定所获得的值是涉及呼气还是吸气的更精 确的方法。 可以从对这种输出的分析中计算出多个诊断值。 0041 原始信号、 信号频谱和信号强度被测量。 在高转速下， 通过离散傅立叶变换(DFT) 的信号处理被用于确定每秒的旋转。 在低转速下， 信号强度用于确定单独的开-关信号。 旋 转方向的检测最佳地发生在吸气-呼气循环中信号最强(旋转最快)的地方。 0042 将认识到， 信号频率和峰值流速之间的关系虽然在正常范围内是线性的， 但在不 需要所有情况下都是线性的。 误差容限存在于正常范围之外的非常低和非常高的流速处， 其中叶片对吞吐气流的旋转响应分别由惯性或最大旋转限制。 然而， 该误差

49、容限可由每个 单独的肺活量计的严格校准限制。 0043 除了检测、 分析和处理主谐波的信号峰值之外， 本发明中使用的一个或多个软件 包可以检测和使用存在于信号输出中的附加峰值， 以便以更高的准确性和精度确定主谐波 的信号频率。 这些峰值例如可以包括但不限于在0.5x、 1.5x、 2x、 2.5x、 3x、 3.5x、 4x、 4.5x和/ 或主谐波的频率处的峰值。 将要在本发明中使用的软件包可以应用DFT或FFT来将0和采样 频率之间的频谱划分为频带， 以便提高测量的准确性。 优选地， 将应用FFT。 更优选地， 频谱 将被划分为相等大小的频带。 甚至更优选地， 信号将使用Praat软件包来绘制并使用 Microsoft Excel执行的后续分析(例如， 应用FFT)。 0044 根据需要可以使用频谱输出的其它特性(例如， 在绘制的流速线下的面积)的统计 分析来确定其他有用的呼吸特性。 0045 最后， 本发明还提供了制造用于测量吞吐气流的肺活量计的方法， 包括： 提供肺活 量计主体， 该肺活量计主体具有圆柱形壁， 该圆柱形壁界定腔并且具有布置为允许环境光 进入腔