联网式给药设备之智能吸入器流量测量

作者:Andreas Alt,医疗应用销售总监

吸入器是哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)等呼吸道疾病最常见的治疗设备。每一次吸气时,吸入器将特定剂量药物送入患者肺部。然而,吸入器误用现象却十分普遍。

资料显示,患者常常因为不会正确使用吸入器(包括定量吸入器MDI和干粉吸入器DPI)而无法吸入足量药物,使疾病得不到控制、缓解药物用量增加、采用预防性治疗或送入急诊,从而导致疾病控制不力和医疗费用增加。

不论从医疗费用还是社会视角看,每年全球在哮喘和COPD控制方面投入的成本非常高昂。研究结果显示,比起病情得到控制的患者,未得到控制的患者需支付两倍多的医疗费用。研究还发现,患者在药物吸入过程中至少有70%至90%的时间会犯至少一次错,导致仅有7%至40%的药物顺利进入肺部。使用定量吸入器(MDI)有两个最大、最严重的问题,且都与患者吸气有关。第一是患者吸气和吸入器剂量释放触发不协调。即使短时间延迟也可能导致仅20%的药物能进入肺部。第二个更严重的错误是呼吸不够深,导致进入肺部的药物再减少10%[4]。

目前已经有不少技术创新机会,能通过测量患者使用吸入器设备时的吸气气流减少上述常见错误,从而提高给药效力、改善用药依从性、降低医疗成本以及最终优化患者治疗结果。

为何要测量吸气流量曲线?

如前所述,使用吸入器最大、最严重的两个问题都与患者吸气有关。通过测量吸入器吸气流量,外加记录MDI的药物释放时间点,即可确定药物是否在吸气周期的最佳窗口内释放(见图1)。

这种剂量-触发时间与流量的相关性是了解携带药物气流是否到达支气管底部并实现预期良好肺沉积的关键参数之一(见图2)。

关键参数之二是吸气曲线。运用肺量测定法可从吸气曲线中得出几个有助于深入了解患者吸气情况的参数:

  • 吸气深度和长度
  • 吸气前完全呼气
  •  按照说明缓慢吸气
  •  肺功能及其随时间变化情况

上述信息都可以通过准确经校准的吸气曲线实时记录得出,从而判断患者的吸气方式是否正确以及吸气过程中的肺沉积量是否足够。其它重要参数包括吸气肺活量(IVC)和峰值吸气量(PIF),以及完整的吸气特征曲线。(见图3)

一秒用力吸气量(FIV1)和气道阻力(RAW)等次级参数也可通过吸气流量曲线获得。RAW的计算方式见图4。

某些参数(如RAW)可能与疾病状况直接相关,因而对COPD患者具有特殊意义。目前,吸入器被当作类似肺活量计设备使用,所有参数都可以通过吸入器得出,无需付出额外精力或对患者造成时间上的负担。除监测吸入器吸气质量高低以及使用方式是否正确外,随着时间推移,上述监测参数还可以提供关于药物治疗效果和疾病发展情况的反馈,从而提醒医护人员、激励患者或提高依从性。

为此,美国数字医疗公司Cohero Health为患者提供了另一款肺活量计,帮助患者在治疗过程中对自身肺功能进行常规测量。让患者直接进行疾病管理并把相关数据分享给医疗专业人员不仅可以帮助患者和临床医生评估治疗进程,还能实现按疗效付费而非按药剂付费。胰岛素和睡眠呼吸暂停综合征行业也同样如此。近年来,联网式设备公司所占的行业市场份额不断增加,使得治疗成本下降和患者疗效改善。最重要的是,这种将诊断和给药结合在一起的单个设备能有效改善患者治疗结果。图6显示了PIF、IVC和RAW随时间的变化,直观展示出治疗开始时的明显效果、常规剂量期间的稳定治疗、以及治疗中断带来的消极影响。

在给药吸入器设备中加入流量测量功能不仅能监测患者依从性和吸入器使用方法,还可以利用类似肺活量计的肺功能记录观察药物有效性和病程进展。下一代吸入器将从设计源头结合气流测量,有助于根据患者及其情况不同提供特定服务,在最佳时间点自动释放药剂。

如何测量吸气流量曲线

在吸入器从设计源头融入电子元件和互联功能前,现有的吸入器和吸入器平台可以采用相关电子元件升级产品,实现互联互通和所需的传感器功能。许多公司(如Propeller Health和Adherium)已经将此变为现实。它们设计出各种夹式外接装置,通过监测使用日期和时长等参数,以及评估来自加速计、GPS等外部传感器的信号让现有吸入器实现互联互通。过去,由于缺乏能够测量微弱流量、兼具强大鲁棒性和灵敏度的设备,很难准确测量吸入器流量。为避免美国食品药监局(FDA)对已经通过批准的吸入器进行重新审批,所有吸入器夹都需满足一项关键监管要求:不改变吸入器流道,以确保现有吸入器设备功能不被干扰。

为展示如何在不干扰流道的情况下精准测量吸入器流量,Sensirion设计出一款实用吸入器夹。图7为配备Sensirion SDP3x流量传感器、BLE通信芯片和电池电源的3D打印版吸入器夹。值得注意的是,吸入器外壳并未发生任何改变,完全依靠在吸入器进气口利用文丘里/伯努利原理进行流量测量。经校准的吸入器气流与外部参考气流具有一致性,本文所述流量曲线数据即源于该气流。

之所以能做到不改变、不阻碍吸入器流道,是因为SDP3x流量传感器系列采用微机电系统(MEMS)流量芯片,具有极高的灵敏度。该技术以微热流通原理为基础,搭配数十年来成功应用于医用呼吸机的新一代热丝流量传感器技术。无论用于吸入器夹还是新型吸入器,Sensirion CMOSens®流量芯片技术的关键优势主要有:

•    灵敏度高至0.01帕
•    时间和压力/流量精度高
•    医疗和汽车行业验证
•    坚固耐用,抗跌落,支持超声波焊接
•    双端口设计,抗外界干扰强
•    低功耗,适合便携式和电池供电设备
•    全球最小的商用流量传感器

因此,Sensirion SDP3x流量传感器系列是精确测量吸入设备中吸气流量曲线的首选解决方案。

前景展望

在患者已经熟悉的给药设备上添加诊断装置是治疗哮喘和COPD疾病控制的有效方法。吸入方式不当会导致肺部药物沉积减少,降低疗效,反而加重疾病、使治疗结果恶化、并且增加医疗费用。事实证明,通过目前的联网式给药装置为患者提供指导和直接反馈、支持患者自主管理疾病以及提高依从性能够改善治疗结果。

因此,准确可靠的流量测量对改善疾病控制和治疗结果非常重要,并且目前已经可以实现。一般来说,通过合理的疾病管理可以让患者免受症状困扰,但许多哮喘和COPD患者不会正确使用吸入器,这也将继续推动联网式给药创新。如今,越来越多的公司在产品中加入数字技术,为患者提供更有效的哮喘和COPD控制方法,提高药物疗效。最佳疾病治疗方法不仅在于简单的医疗工具,而是要为患者设计贴身装置,以提醒、指导和提供有关治疗和病程的见解。此为行业前进方向。

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