用于肺机能测量的装置和方法
发明的技术领域
本发明涉及待被在例如肺气肿或慢性阻塞性肺疾病(COPD)的诊断中使用的用于在受试者中的肺机能测量的装置和方法。
背景
COPD主要地被抽烟导致，但是也可以由向化学烟雾、污染或灰尘颗粒的长期暴露引起。COPD以持续的气流受限为特征，持续的气流受限通常是渐进的并且与对有害的颗粒或气体的增强的慢性的发炎响应相关联。慢性的气流受限由小气道疾病(细支气管炎)和实质破坏(肺气肿)的混合状态导致。还具有较大的气道的疾病(支气管炎)。COPD在1990年被排名第六主要死亡原因并且被预计到2030年是世界范围的第四主要死亡原因，由于抽烟率的增加和许多国家中的人口统计的改变。COPD是进行性疾病并且不具有治愈或逆转肺脏损伤状态的方法。然而该疾病的进程可以被更好的生活方式和医学治疗减慢。在COPD的严重恶化之后普遍的最终的结果和死亡原因是由心脏力求应付差的血液氧合所导致的心力衰竭(Calverley&Walker 2003)。COPD的危险特征中的一个是症状首先是非常弱的并且当疾病发展时缓慢地前进。首先，呼吸短促可以欺骗性地被认为起源于仅差的身体适宜性。咳嗽可以被认为起源于简单的感冒。因此，重要的是能够早期诊断遭受COPD的患者。
肺气肿是起源于在肺泡表面上的发炎响应的肺泡疾病，最经常地被在吸烟的同时的烟颗粒和焦油的沉积或被灰尘颗粒或化学烟雾导致。当发炎剂的排泄在更长的时期期间继续时，在肺泡之间的薄壁(肺泡隔膜)被破碎。这改变肺泡结构：肺泡表面积被减少，这减少气体的在空气和毛细管之间的转移并且，此外，隔膜和它们的机械支撑的移除减轻内置的肺泡弹 性势能并且膨胀肺泡囊。这创造甚至更大的肺泡空腔。这种的一个直接影响是肺脏的在呼气时的弹性休息状态(机能性余气量，FRC)被设置至更大的体积并且桶状胸的感受被经历。健康的肺脏可以独立地通过肺脏的弹性反冲足够地呼气，但是在肺气肿情况下，最后的空气需要主动地使用腹部和胸的肌肉被呼气。气体交换在重病中被严重地损害。
慢性支气管炎和细支气管炎通常被刺激性的颗粒的吸入导致，主要地来自吸烟，而且来自在长期暴露期间的空气污染、烟气和灰尘。刺激物创造在支气管中的发炎响应，使它们肿胀并且诱导厚的黏液层的排泄。此外，围绕支气管的平滑肌的收缩，即支气管痉挛，发生。所有的这些响应增加气道中的流动阻力，使呼吸是更困难的。为了除去所有的刺激性的颗粒和被过度地排泄的黏液，身体使用咳嗽的动作。当刺激物被连续地供应至支气管时，这种咳嗽趋于是慢性的并且对于气道和所涉及的肌肉有害的。相似于肺气肿，细支气管还损失它们的弹性并且成为松软的并且较不能够膨胀(Braman 2006)。外周气道(细支气管和肺泡)的异常在COPD的早期阶段发生并且因此是对于识别以使早期诊断被作出来说重要的。
肺气肿和支气管炎的诊断可以通过规则的肺脏机能测量被作出。呼吸量测定法是诊断肺疾患的最基础的技术方式中的一个。最容易的设置需要仅一个流量计，受试者通过其呼吸并且数据被从其记录。呼吸量测定法测量最大呼吸的体积(肺活量，VC)和在呼气的第一秒期间的用力呼气量(FEV1)。呼吸量测定法检测气流受限，但是不提供任何具体的关于外周气道中的异常的信息。肺总量(TLC)、FRC和余气量(RV)可以通过例如身体体积描记法被测量。在肺气肿中，TLC可以被增加，但是这在疾病的发展中很晚看到。RV和FRC在COPD中被增加，但是这些测量值在中央或外周气道中的疾病之间不作区分。
肺气肿和支气管炎可以也通过更昂贵的扫描方法被诊断，例如使用被超极化的气体的计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)(例如Swift等人2005)。
气溶胶是气体例如云和烟雾中的精细的固体颗粒或液体小滴的胶体悬浮物。气溶胶通过其离开它们的载气以最终地沉积至它们的周围的表面 上的四个主要方式是：撞击、截留、沉降和扩散(Ferron 1994)。这些方式中的每个的重要性进而依赖于诸如颗粒大小、气体速度、温度和通道尺寸的因素。气溶胶撞击是指颗粒在载气流的急转弯中离开其的载气并且撞击至周围的通道表面上的情况。关于在人类气道中的通过撞击的沉积的多个模型已经被作出，并且它们假定撞击主要地影响大于1μm的颗粒(Agnew等人1984)。这些大的颗粒然后沉积几乎排他地在鼻咽区和支气管区中，在其处空气速度是高的并且方向改变是突然的。气溶胶截留是指气溶胶的在向窄的通道路径的进入时的沉积。截留沉积是整个地由于与通道壁的庞大的物理相互作用并且主要地是对纤维状颗粒重要的。气溶胶沉降是由重力导致的沉积。沉降的概率是对于较大的颗粒以及在具有小的直径的水平地取向的气道中较大的。沉降是在较小的气道中以及在肺泡区中更有效的。对于具有低于0.5μm的直径的气溶胶颗粒，沉降是小的或不重要的。通过扩散的气溶胶沉积是指颗粒从它们的载气偏离并且通过布朗运动击打周围的通道壁。在人类气道中的扩散沉积被约束至外周气道(细支气管和肺泡)。这种类型的沉积是对于具有多于约0.5μm的直径的颗粒低的或几乎为零(Hinds 1999)，但是对于纳米大小的颗粒是非常显著的和排他性的，与沉积的其他的机理比较。
有疾病的和健康的肺脏之间的颗粒沉积的差异主要地来源于肺脏形态的逐渐的改变以及肺脏体积和呼吸型式的向改进的肺脏架构的连续的适应。在肺气肿中，异常地放大的肺泡大小影响肺泡中的颗粒行为至可感知的程度。
在研究文章Peripheral Airspace Dimensions in patients with COPD(Beinert等人1995)中描述了被称为ADAM(气溶胶衍生的气道地形测量)的一种类型的测量，一种可以被用于评价患有COPD的患者中的放大的气腔尺寸(airspace dimension)的方法。在ADAM测量中，肺脏被单分散的气溶胶填充。患者屏住他的或她的呼吸持续某个时间并且颗粒沉降至气道上。在某个体积单元中的气溶胶浓度的减少被在呼气的空气中测量。被呼出的体积单元中的颗粒浓度相对于被吸入的气溶胶中的浓度的比率随着增加的屏气时间减少。这进而被用于测量有效的气腔尺寸。在本研究 中使用的颗粒是在直径上890nm。为了减少患者的口腔中的死空间，填充口部的一部分的以硅树脂覆盖的牙用混合料被在测量期间使用。这可能是对于患者不舒服的。此外，在ADAM测量中，要求气溶胶被多次吸入并且被吸入至气道的不同的深度。这是非常繁琐的并且复杂的并且需要患者大量的参与。接近于1μm的颗粒的沉积不仅被沉降影响而且被撞击影响。如果上呼吸道被扭曲或如果呼吸流动由于肺病被改变，那么沉积因此有可能被影响。这些颗粒的沉积因此不仅是肺泡体积的测量。例如，在患有严重的支气管的疾病的个人中，将具有由于撞击的损失并且因此没有关于外周气道的状态的清楚的或可靠的信息被获得。
本发明的一个目的是克服这些问题。
发明概述
根据本发明的第一方面，本发明的上文的和其他的目的完全地或至少部分地由如权利要求1限定的装置实现。根据该权利要求，上文的目的由用于在受试者中的肺机能测量的装置实现，包括用于提供包含待被受试者吸入的颗粒的气溶胶的工具以及用于被受试者呼出的空气的一部分的分析的工具。以这种方式，被呼出的颗粒的特性可以被小心地监视。颗粒是疏水性的并且因此，颗粒在上呼吸道中不会吸收水和在大小上增加至大的程度，而是代替地随吸入的空气运输至外周气道。颗粒在20-200nm、优选地50-100nm的范围内。这种大小的颗粒能够进入气道的甚至较小的结构并且可以提供受试者的外周气道的状态的详细的信息。肺机能测量可以也提供关于外周气道的尺寸的信息。被分析的部分在相应于总的死空间的体积的呼出之后被呼出。总的死空间相应于从气道开口至肺脏的气体交换区的体积加上在装置中的随着接着发生的呼吸吸入的空气的体积。因此，在本文本中，总的死空间相应于呼吸系统的被排气的但是不具有气体交换的体积和在装置中的随着接着发生的呼吸吸入的空气的体积。从死空间呼出的气溶胶因此尚未进入外周气道。以这种方式，仅已经进入外周气道的颗粒被分析。
用于提供包含待被吸入的颗粒的气溶胶的工具可以包括提供气溶胶 中的颗粒的均一的浓度/分布的储存器，这给予监视和控制待被受试者吸入的颗粒的量的可能性。
根据一个实施方案，用于提供包含待被吸入的颗粒的气溶胶的工具还包括具有孔的储存器，该孔使气体能够在吸入时流动入储存器中。气体的流入代替被吸入的气溶胶并且把呼吸阻力保持在实质上恒定的水平。这还确保气溶胶中的颗粒保持被均一地分布，并且不团聚或附着于储存器的壁。
根据另一个实施方案，装置还包括用于收集被呼出的空气的收集器。收集器包括用于加热被呼出的空气以避免从受试者的呼吸冷凝的工具，因为这样的冷凝可能干扰被呼出的颗粒的量的测量。
根据另一个实施方案，收集器被布置为把被呼出的空气保持基本上在层流态中，因为湍流态将面临混合被呼出的空气的风险，使被呼出的空气的正确部分的测量是不可能的。
根据又另一个实施方案，装置还包括用于提供用于吸入的空气的工具，用于吸入的空气不含具有与被包含在待被吸入的气溶胶中的颗粒相同的特性的颗粒。这具有来自周围空气的具有与待被吸入的气溶胶中的颗粒相同特性的颗粒不干扰测量的优点。
装置还可以包括用于测定待被吸入的气溶胶中的颗粒的含量或量的工具，并且用于被呼出的空气的分析的工具可以包括用于测定被呼出的空气中的颗粒的含量或量的工具。通过比较待被吸入的气溶胶中的颗粒的量与被呼出的空气中的颗粒的量，已经被沉积在受试者的气道中的颗粒的量可以被确定。该量将是受试者的气道的状态的间接的测量。在肺气肿中，异常地放大的肺泡大小将导致某些颗粒大小的被沉积的颗粒的减少的量。在正常的呼吸期间在近似的范围0.01-10μm内的被吸入的颗粒具有到达肺泡区的很大的(典型地>10％)概率，虽然高于1μm较大的部分被沉积在头部气道中。如果不具有空气流，那么是大于约0.5μm的颗粒主要地通过重力沉降而沉积。由于增加的沉降距离，这些颗粒具有在放大的肺泡中沉积的减少的概率。小于约0.5μm的颗粒主要地与邻近的表面碰撞并且由于通过布朗运动的扩散而沉积。由于增加的扩散距离，这些颗粒具有在放大 的肺泡中沉积的减少的概率。
用于提供包含待被吸入的颗粒的气溶胶的工具可以被布置为提供小于500,000颗粒/cm3、优选地1,000至50,000颗粒/cm3的颗粒浓度。高的颗粒浓度被需要以给出低的测量误差。然而，如果浓度是过于高的，那么测量到的颗粒浓度的改变将不仅是由于沉积而且是由于凝结。此外，颗粒凝结将改变颗粒大小并且由此改变沉积概率。
根据一个实施方案，装置还包括用于把气溶胶干燥至低于20％相对湿度的工具。这减少水在管路中的冷凝并且还减少样品体积由于水蒸气的改变。
根据一个实施方案，装置还包括阀的系统，阀的系统是向受试者可打开的，是向用于提供用于吸入的空气的工具可打开的，是向储存器可打开的，并且是向用于测定被吸入的气溶胶和被呼出的空气中的颗粒的量的工具可打开的。此外，阀的系统是可调整的以允许空气从用于提供用于吸入的空气的工具至受试者的通路，允许包含颗粒的气溶胶从储存器至受试者的通路，允许包含颗粒的气溶胶从储存器至用于测定气溶胶中的颗粒的量的工具的通路，允许被呼出的空气从受试者至用于测定被呼出的空气中的颗粒的量的工具的通路，或允许被呼出的空气从受试者至周围环境的通路。该阀的系统使得能够控制受试者吸入的空气的类型，不含具有与被包含在待被吸入的气溶胶中的颗粒相同的特性的颗粒的空气，或包含颗粒的气溶胶。此外，该阀的系统使得能够控制被呼出的空气的哪个部分被导向至用于测定被呼出的空气中的颗粒的量的工具。
阀的系统可以是可调整的以防止被吸入的气溶胶被患者呼出，即控制受试者屏住他的或她的呼吸的一段时间，或确保没有空气在其在受试者气道中的预确定的停留时间已经过去之前被允许传递至用于测定被呼出的空气中的颗粒的量的工具。
根据本发明的第二方面，装置被用于受试者中的肺疾病的诊断和/或监视。与今天用于肺疾病的诊断和/或监视的方法相比，根据本发明的装置将不需要任何补充的测量以提供重要的结果。
根据本发明的第三方面，用于在受试者中的肺机能测量的方法也被提供，其中受试者通过口承吸入和呼出。方法包括提供包含待被受试者吸入的颗粒的气溶胶的步骤，其中颗粒在20-200nm、优选地50-100nm的范围内，以及分析被受试者呼出的空气。该方法的一个优点是颗粒小至足以到达外周气道并且这些颗粒在气道中的沉积的分析将提供关于受试者的气道的这些区的状态的信息。此外，方法可以包括受试者根据预定义的型式吸入和呼出的步骤。这保证每个测量被以实质上相同的方式进行，使比较来自不同的测量或甚至来自不同的受试者的结果成为可能。此外，方法还包括受试者屏住他的/她的呼吸持续一段时间的步骤，确保颗粒到达外周气道。在另一个实施方案中，方法还包括受试者屏住他的/她的呼吸持续5至10秒的步骤。在本发明的一个优选的实施方案中，预定义的型式相似于在其他的测量肺脏机能的方法中使用的呼吸型式。因此，遭受例如COPD的受试者已经被用于其，最小化了由于程序的错误的执行必须重复测量的风险。
方法还可以包括以下步骤：产生包含小于200nm的颗粒的气溶胶；测定气溶胶中的颗粒的量；把空气导向经过口承至受试者持续一段时间，其中空气不含具有与被包含在待被吸入的气溶胶中的颗粒相同的大小的颗粒；受试者完全地呼出；把包含颗粒的气溶胶导向经过口承至受试者；受试者吸入；受试者屏住他的/她的呼吸持续一段时间；受试者呼出；收集被受试者呼出的特定的体积的空气，优选地在相应于死空间的体积的呼出之后从肺泡区；测定被受试者呼出的空气中的颗粒的量；测定被呼出的空气中的颗粒量和被吸入的气溶胶中的颗粒量之间的差；以及把该差与基准值比较。该方法确保测量每次被以相同的方式进行，给出可靠的并且可比较的结果。此外，方法还可以包括加热被呼出的空气的步骤，以避免水蒸气在被呼出的气溶胶颗粒上的冷凝以及被呼出的空气中的颗粒的量的测量的后续干扰。此外，冷凝可以损伤仪器本身。
根据本发明的第四方面，用于在受试者中的肺机能测量的装置的控制系统也被提供。优选地，控制系统包括用于识别何时受试者已经完全地呼出的工具；用于设置阀的系统使得受试者从气溶胶储存器吸入的工具；用 于识别何时受试者已经停止吸入的工具；用于关闭阀的系统中的所有的开口的工具；用于把阀的系统向用于测定被吸入的气溶胶和被呼出的空气中的颗粒的量的工具打开的工具；用于测量被呼出的空气的体积的工具；用于在一定体积已经被呼出之后把阀的系统向用于测定被吸入的气溶胶和被呼出的空气中的颗粒的量的工具关闭的工具；用于测量被呼出的空气中的颗粒的量的工具；用于比较被呼出的气溶胶和被吸入的空气中的颗粒的量之间的差的工具；以及用于计算所述差与基准值的比率的工具。该控制系统使以下的控制成为可能：什么被受试者吸入，不含具有与被包含在待被吸入的气溶胶中的颗粒相同的特性的颗粒的空气，或包含颗粒的气溶胶。此外，该控制系统使以下成为可能：妨碍空气从受试者传递至用于测定被呼出的空气中的颗粒的量的工具，控制被呼出的空气的哪个部分被导向至用于测定被呼出的空气中的颗粒的量的工具，并且最终地提供相应于受试者的气道中的被沉积的颗粒的量的测量。控制系统也使控制屏住呼吸的持续时间是可能的。
本发明的其他的目的、特征和优点将从以下的详细的公开内容，从所附的权利要求以及从附图表现出。注意，本发明涉及特征的所有的可能的组合。
通常，所有的在权利要求中使用的术语将根据它们的在技术领域中的普通的意思被解释，除非本文明确地另有定义。所有的对“一/一个/所述[元件、装置、部件、工具、步骤等等]”的指代都将被公开地解释为是指所述元件、装置、部件、工具、步骤等等的至少一个例子，除非另有明确地声明。本文公开的任何方法的步骤不必须被以所公开的精确的顺序进行，除非明确地声明。
如本文使用的，术语“包括”和该术语的变化形式不意图排除其他的添加、部件、整数或步骤。
附图简述
以实施例的方式，本发明的实施方案现在将参照附图被描述，在附图 中：
图1是本发明的一个实施方案的示意图，
图2是受试者的在一次测量期间的一个呼吸型式的示意图，
图3是根据本发明的一个实施方案的阀的系统的示意图，以及
图4示出了被装置进行的基本的步骤。
图5是阀的系统和在测量循环期间的空气流的示意性图示。
本发明的优选实施方案的详细描述
本发明涉及用于受试者中的肺机能测量的装置。受试者可以是动物或人类。受试者可以是健康的或被怀疑遭受或被诊断患有肺疾病或疾患，例如被抽烟诱导的肺病、COPD或肺气肿、支气管扩张、哮喘或间质性肺病。受试者可以也是运动员。
总之，受试者吸入包含颗粒的气溶胶，屏住他的/她的呼吸持续一段时间并且呼出。将理解，被呼出的空气可以包含气溶胶。被吸入的气溶胶和被呼出的空气中的颗粒的量被测量和比较。被吸入的气溶胶和被呼出的空气中的浓度之间的差反映肺泡的结构并且可以被用作用于诊断肺疾病的工具。代替空气，或除空气之外，另一种气体可以被使用，例如空气、一种特定的气体、或一种或多种不同的特定的气体与或不与空气的组合。特定的气体可以例如是一氧化碳(CO)、氦气(He)、一氧化氮(NO)或甲烷(CH4)。当使用CO时，CO的从被吸入的气体至血液的扩散可以被与被吸入的气溶胶和被呼出的空气中的颗粒的量的分析同时地分析。CO或NO的向血液中的摄取取决于在气腔内的以及跨越肺泡-毛细血管屏障的扩散。使用纳米颗粒和CO或NO的测量的组合可以因此提供关于跨越肺泡-毛细血管屏障的气体转移的重要的信息。
本发明的一个实施方案将现在参照图1至4被描述。
装置1包括用于吸入和呼出的口承2。口承2可以由任何适合于人类使用的材料制造，例如塑料、橡胶、金属或另一合适的材料。优选地其应 当由导电材料制造以避免由于静电力的过度的颗粒损失。口承2可以是可消费的或可再使用的。
装置1包括用于气溶胶的产生的工具3。在一个实施方案中，气溶胶使用电喷雾被产生，但是其他的工具可以也被使用，例如雾化器/喷雾器，或基于火花放电的装置。气溶胶可以也通过机械相互作用、气泡爆裂、燃烧或蒸发和成核被产生。在一个实施方案中，具有随时间推移的稳定的颗粒浓度的气溶胶使用基于例如喷雾/雾化、电喷雾或成核的技术被连续地产生。气溶胶浓度的稳定性可以通过受控的依赖于时间的稀释被改进。可选择地，气溶胶被产生入混合室中。混合室可以是柔性的(例如袋子)或刚性的(例如不锈钢)，具有气溶胶的连续流动。
可选择地，如果被产生的气溶胶不是单分散的，那么特定的粒级可以在颗粒被允许进入储存器4之前被选择。这可以通过使用例如允许仅适当大小的颗粒通过的差分迁移率分析仪(DMA)被实现。可选择地，仅感兴趣的粒级可以被从被吸入的多分散气溶胶测量。颗粒具有气溶胶中的均一的浓度/分布，这被在良好地混合的储存器4中实现。这可以例如通过气溶胶的经过储存器的恒流或通过混合风扇被实现。
气溶胶被传递入储存器4中。在本发明的一个实施方案中，储存器4是柔性的抗静电袋子和不锈钢储存器罐的组合。为了实现适合于吸入的稳定的气溶胶，储存器4可以是柔性的，并且由此可适应于大气压力。其可以也被构建以允许气溶胶的连续流动。气溶胶的连续流动防止如果气溶胶被允许驻留在储存器4中持续某个时间的话将另外通过沉积和凝结发生的浓度改变。储存器4的最大容积优选地在7L至15L之间，典型地10L。在气溶胶吸入时，气溶胶被从储存器4移除并且其的柔性的容积被减少。
气溶胶中的颗粒的大小典型地在20和200nm之间，优选地50-100nm，并且待被吸入的气溶胶中的颗粒的浓度是小于500,000颗粒/cm3，优选地1,000-50,000颗粒/cm3。颗粒的期望的浓度可以被实现，通过例如使用不含颗粒的气体稀释气溶胶，通过颗粒过滤器的使用或通过电场的使用以减少颗粒浓度。如果浓度是过于高的，那么颗粒将聚集并且将不适合于根据本发明的肺机能的测量。然而，如果颗粒的浓度是过于低的，那么测量误差 将是高的。
颗粒可以是任何适合于在人类或动物受试者中使用的材料，例如聚苯乙烯胶乳、二乙基己基癸二酸酯(DEHS)、硬脂酸或其他的具有低的毒性的疏水的材料。颗粒可以包含放射性的、发光的、荧光性的或磷光性的组分，例如99mTc或任何其他的适合于人类使用的放射性同位素、荧光素或任何其他的适合于意图的用途的荧光性的染料。
储存器4中的浓度被用于测定待被吸入的气溶胶中的颗粒的含量或量的工具6测量。在一个实施方案中，该量使用凝聚颗粒计数器(CPC)被测量，但是可以也被其他的仪器例如静电计测定。例如，静电除尘器可以被使用。其他的测定气溶胶中的颗粒的量的工具可以是通过测量颗粒的放射性、发光、荧光、磷光或类似的。用于测量的取样点应当是尽可能靠近于口承以最小化对于管路中的颗粒损失的矫正。气溶胶应当优选地被干燥至低于20％相对湿度以减少管路中的水的冷凝并且也以减少样品体积的由于水蒸气的改变。气溶胶可以在进入用于测定气溶胶中的颗粒的含量或量的工具6之前被干燥。
装置1还包括用于把空气提供至受试者的工具7。优选地，被提供至受试者的空气不含具有被包含在气溶胶中的颗粒的特性的颗粒。在一个实施方案中，来自泵的不含颗粒的空气被使用，但是其他的用于提供不含颗粒的空气，例如被过滤的房间空气，的工具可以也被使用。
在测量期间，受试者遵循预定义的呼吸方案并且在图2中，在一次测量期间的这种呼吸型式的一个实施例被示出。方案以受试者呼吸空气开始，空气正常地没有具有被包含在气溶胶中的颗粒的特性的颗粒。在几个呼吸之后测试可以开始。受试者完全地呼出并且在这之后，受试者从气溶胶储存器4吸入并且肺脏被填充。受试者屏住他的/她的呼吸持续一段时间。在一个优选的实施方案中该时间间隔是10秒。然后，受试者呼出。
被呼出的空气的体积被收集在收集器8中。收集器8被布置为最小化被呼出的气溶胶的混合。重要地，气溶胶的在收集器8中的混合应当是低的，因为被从收集器8的特定的部分取样的空气应当含有来自被呼出的空气的特定的部分的空气。颗粒被在容积的肺脏深度(volumetric lung depth) 取样，即在特定的体积的呼出之后从气溶胶的一部分，典型地在0.5L至4L之间，优选地1.5L。可选择地，被呼出的气溶胶的期望的部分可以通过在呼吸回路的呼出部分中的阀的使用被导向入取样室中。此外，颗粒浓度可以被在被呼出的空气中连续地监视。呼出的其余部分可以进行而通过通向清洁空气供应部9的端口14。
被呼出的空气中的颗粒的量由用于分析从受试者呼出的空气的工具10测定。优选地，气溶胶在测定被呼出的空气中的颗粒的量之前被干燥以减少管路中的水的冷凝并且也以减少样品体积的由于水蒸气的改变。气溶胶可以在进入用于分析被从受试者呼出的空气的工具10之前被干燥。在一个实施方案中，该量使用凝聚颗粒计数器(CPC)被测量，但是可以也被其他的基于光散射的仪器测定。可选择地，静电除尘器可以被使用。其他的测定气溶胶中的颗粒的量的工具可以是通过测量颗粒的放射性、发光、荧光、磷光或类似的。如果两个分别的检测器(6、10)被用于测量储存器4中的浓度并且被用于测定被呼出的空气中的颗粒的量，那么两个检测器的仔细校准被要求以验证它们具有相似的灵敏度。优选地，同一个仪器被用作用于测定待被吸入的气溶胶中的颗粒的量的工具6和用于被从受试者呼出的空气的分析的工具10。阀然后被加入检测器中以在储存器4和用于被呼出的空气的收集器8之间切换。
被呼出的空气优选地在其进入用于被呼出的空气的分析的工具10之前被加热以避免被呼出的空气中的蒸气的冷凝。被呼出的空气被用于加热被呼出的空气的工具11加热。在本发明的一个实施方案中，被呼出的空气被加热至高于34℃的温度。然而，当确定温度时，口承2的可能的后续的加热必须被考虑在内以确保受试者在测量期间不经受任何不必要的不舒适。由于这，温度极限被装置的不同的部件特别是口承2的材料部分地设置。气溶胶应当优选地在测量之前被干燥至低于20％相对湿度以减少管路中的水的冷凝并且以减少样品体积的由于水蒸气的改变。
空气流被在图3中示出的阀的系统12控制。如果阀的系统12中的阀中的每个具有短的反应时间，那么其是有利的。在一个优选的实施方案中阀的系统12是4端口气球阀，但是其他类型的阀可以也被使用，例如电 磁阀。第一端口13向受试者打开。具有阀17的第二端口14(见图5)向用于吸入空气的产生的工具7打开，具有阀18的第三端口15(见图5)向储存器4打开，并且具有阀19的第四端口16(见图5)向用于测定被吸入的气溶胶中的和被呼出的空气中的颗粒的浓度的工具6打开。阀是可调整的以允许空气的从用于吸入空气的产生的工具7至受试者的通路，允许包含颗粒的气溶胶的从储存器4至用于测定待被吸入的气溶胶中的颗粒的量的工具6的通路，允许包含颗粒的气溶胶的从储存器4至受试者的通路，或允许被呼出的空气的从受试者至用于测定被呼出的空气中的颗粒的量的工具10的通路以及允许被呼出的空气的从受试者至周围环境的通路。
呼吸流动可以被放置在口承2处的流量计或被放置在储存器4和收集器8处以及在向清洁空气供应部9开放的端口14处的多个流量计监视。在口承2处的流量计具有较不复杂的设置的优点。在储存器4和收集器8处的流量计具有在用于被吸入的气溶胶和被呼出的空气的取样点之间的颗粒损失可以被减少的优点。
管路优选地是金属的或是任何其他的导电材料，以减少被静电导致的附着。
除了被用于肺机能测量之外，根据所描述的发明的装置可以被用于评价气道中的不同类型的颗粒的行为，有毒的和非毒性的。此外，根据所描述的发明的装置可以被用于测量和验证不同类型的用于肺机能的测量的装置的功能。在这样的情况下，人类或动物受试者将被泵代替。在此描述的类型的装置可以也被用于测定空气污染和类似物的呼吸道沉积。
在图4中，装置所进行的基本的步骤被示出。
上文描述的用于肺机能测量的装置被包括以下的控制系统控制：用于识别何时受试者已经完全地呼出或用于监视受试者的呼吸的工具(例如流量计)；用于设置阀的系统12以导向气溶胶的从储存器4的吸入的工具(例如计算机程序)；用于识别何时受试者已经停止吸入的工具(例如流量计)；用于关闭阀的系统12中的所有开口的工具(例如被计算机控制的电子设备)；用于把阀的系统12向用于测定被吸入的气溶胶和被呼出的气溶胶中的颗粒的量的工具6和10打开的工具(例如被计算机控制的电子设备)； 用于测量被呼出的空气的体积的工具(例如流量计)；用于在一个体积已经被呼出之后把阀的系统12向用于测定被吸入的气溶胶和被呼出的空气中的颗粒的量的工具6和10关闭的工具(例如被计算机控制的电子设备)；用于测量被呼出的空气中的颗粒的量的工具10；用于比较被呼出的气溶胶和被吸入的空气中的颗粒的量之间的差的工具(例如计算机程序)；以及用于计算所述差与基准值的比率的工具(例如计算机程序)。
图5是阀的系统12和在测量循环期间的空气流的示意性的图示。在测量循环的初始的阶段期间(见图2)空气被从用于不含颗粒的空气的入口(清洁空气供应部9)拉动。在阀的系统12中，被连接于不含颗粒的空气的阀17是开放的，同时其他的两个阀18和19被关闭(图5A)。在下一个步骤中，在最大呼出之后，颗粒被吸入。在阀的系统12中，被连接于用于气溶胶的吸入的容器(储存器4)的阀18是开放的，同时其他两个阀17和19被关闭(图5B)。在气溶胶颗粒的吸入之后所有的三个阀17、18和19被关闭持续期望的量的时间，典型地10秒。然后，被连接于用于被呼出的气溶胶的容器(用于收集被呼出的空气的收集器8)的阀19被打开，同时其他两个阀17和18被关闭(图5C)。在期望的体积，典型地约1.5L，的气溶胶的呼出之后，被连接于用于被呼出的气溶胶的容器的阀19被关闭。同时通向不含颗粒的空气的阀17被打开以允许继续的呼出和呼吸。气溶胶被从用于被呼出的气溶胶的容器取样(图5D)。
将意识到，本发明已经参照示例性的实施方案被图示，并且本发明可以被以许多不同的方式变化，在权利要求的范围内。
还应当注意，在图中使用的数字中的某些在所附权利要求中的包括是纯粹地为了例证性的目的并且不被认为是限制权利要求的范围。
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