專利名稱：：呼氣檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及呼氣檢測領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種個人用呼氣檢測裝置，檢測呼氣中作為疾病標(biāo)志物的氣體分子，進行個人自檢與監(jiān)護。
背景技術(shù)：
：呼氣檢測是中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)四珍中的"聞氣辨病"的科學(xué)延伸。例如古人根據(jù)呼氣爛蘋果味(丙酮)判斷糖尿病、霉臭味(氨氣)判斷腎臟問題等。這種過去僅憑嗅覺的經(jīng)驗方法借助于現(xiàn)代分析儀器，現(xiàn)在已經(jīng)成為一門診斷科學(xué)。近年來采用微型氣體傳感器開發(fā)的便攜式呼氣氫氣、硫化物與一氧化氮等檢測儀已經(jīng)分別用于胃腸病、口腔病和胃腸病的檢測。然而目前它們并不像糖尿病血糖儀的應(yīng)用那樣普及，還未普及到社區(qū)診所和家庭個人。呼氣看起來比驗血方便簡單，但呼氣的取樣和;險測卻較為復(fù)雜困難，目前還必須由專業(yè)人員或經(jīng)過培訓(xùn)后操作，而且檢測儀需要利用鋼瓶配氣并按照嚴格的程序定期標(biāo)定，通常要7天一次。生的氣體分子，而氣道又包括口腔、募腔、氣管、支氣管與肺泡等部分。呼氣檢測是測試其中體內(nèi)由某一部分產(chǎn)生的作為疾病標(biāo)志物的氣體分子。因此首先要吸入除去該標(biāo)志物分子的空氣，然后排除不是該部分產(chǎn)生的呼氣。胃腸病與口腔病檢測的分別是肺泡氣與口腔氣，而譯喘病檢測的則通常是排除了口腔和鼻腔氣的氣道氣。檢測裝置需要測試者保持一定范圍的呼氣流量來劃分呼氣的時段，并按時段進行排空和取樣。呼氣的流量、壓力、溫度、濕度與其它氣體均可能對測量產(chǎn)生干擾，必須控制或消除。其中的檢測器或傳感器受這些因素或環(huán)境的影響均會發(fā)生信號漂移，必須定期標(biāo)定。只有解決呼氣的取樣與測試的標(biāo)定問題，呼氣檢測儀才能像血糖檢測儀那樣獲得廣泛的應(yīng)用，走進社區(qū)診所與家庭。申請?zhí)朥S2004/0082872的美國專利公開了一種嗜喘呼氣一氧化氮檢測裝置，采用流量與壓力控制器、氣泵與氣體緩沖室等構(gòu)成的反饋氣路，通過與呼氣壓力測量值成正比的聲光強弱信號，提醒測試者調(diào)節(jié)呼氣的流量到規(guī)定的數(shù)值，分別排空與取樣，并利用恒溫、恒濕與恒流的條件下進行測量。申請?zhí)枮?006/0195040的美國專利公布了一種更為復(fù)雜的呼氣檢測裝置，包括了由更多的流量與壓力控制器、氣泵與緩沖室等構(gòu)成的串并聯(lián)氣路，分別控制排放、取樣與測量過程。引入越來越多的先進的微流體機械與微電子信息處理的器件，固然解決了其中的一個或兩個問題，但同時也帶來了復(fù)雜度增加、可靠性下降與制造和使用成本的增加。而這些可能反而事與愿違地限制了呼氣檢測裝置的推廣使用。另外一個懸而未決的問題是必須的頻繁標(biāo)定。僅就這一點就足以使家庭甚至許多醫(yī)院診所用戶望而止步。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對目前呼氣檢測技術(shù)的不足提供了一種呼氣檢測裝置，可以有效自動的控制呼氣的排放、取樣與檢測而無需標(biāo)定與任何專業(yè)維護。本發(fā)明提供的呼氣檢測裝置包括一個檢測氣路和一個控制單元。檢測氣路用于呼氣的排放、取樣與測量，而且可以對同一樣品保持相同的流量與壓力條件進行多次的測量?？刂茊卧脕砜刂茩z測氣路的功能與性能，并對測量信號進行處理、存儲與顯示。該檢測裝置使用方便、簡單可靠，其中一個最重要的特征是不需要外部標(biāo)定，而是通過對同一樣品多次測量信號的處理確定被測氣體的濃度，而且對測試者呼氣、取樣和測量的流量和壓力等自動調(diào)節(jié)與控制，保證檢測結(jié)果的可靠性和一致性。本發(fā)明上述的以及其它的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢將通過下面結(jié)合附圖、具體實施說明以及實施例的描述而變得更加明顯。將參照附圖結(jié)合在下面的具體實施說明、實施例與權(quán)利要求更加詳細地描述本發(fā)明。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記始終表示相同的特征，其中圖1是本發(fā)明的呼氣檢測裝置的結(jié)構(gòu)具體實施例方式本發(fā)明的呼氣檢測裝置如圖l所示，其中檢測氣路包括1是呼氣濾嘴，用來除去呼氣中的病毒、細菌、微?；蛩?，測試者由此呼氣或吸氣，開始檢測；2是一進二出型二位三通電磁閥，兩個出口一個用于排空，另一個連接到3用于取樣；3是活塞氣泵，其中活塞為電動馬達驅(qū)動的線性傳動桿(圖中未標(biāo)明)進行線性位移，位移的速度與行程由電動馬達的轉(zhuǎn)速與時間控制，由連接到2的管線進行取樣，并由連接到4的管線輸送樣品進行測量，取樣與測量的流量與壓力由活塞恒速的線性位移調(diào)節(jié)與控制；4是二位二通電磁閥，取樣時關(guān)閉，測量時打開；5是對被測氣體電信號響應(yīng)的氣敏元件，優(yōu)選的是電化學(xué)類型；6是細長盤管形成的活塞流管，氣體通過時前后氣體不發(fā)生混合；7是對呼氣壓力或流量電信號響應(yīng)的壓敏元件。8是該呼氣檢測裝置的控制單元，通過與電磁閥2與4、氣敏元件5、活塞氣泵6與壓敏元件7的電路連接(圖中虛線)進行呼氣排放、取樣與測'量過程的控制，并通過微處理器進行信號采集、處理、存儲，并通過液晶顯示檢測結(jié)果以及必須的控制參數(shù)。此外該控制單元還包括和呼氣流量成正比的聲光提示。本發(fā)明呼氣檢測裝置的具體實施方式如下測試者由l進行呼氣。該呼氣首先從排氣閥2排空。呼氣口設(shè)置的氣敏元件7用來根據(jù)測量的呼氣流量(壓力)估算需要排空的時間。到該時間后，活塞氣泵開始以期望的呼氣流量進行恒流恒壓取樣。該階段如果測試者過強的呼氣使呼氣流量大于期望值，則該部分呼氣無法進入活塞氣泵，只能從排氣閥排出。反之當(dāng)呼氣過弱或呼氣流量過低時，活塞氣泵則增加測試者氣道的呼氣流量到期望值。因此該階段進入活塞氣泵的均是具有流量期望值的呼氣。本發(fā)明活塞氣泵驅(qū)動的恒流恒壓過程結(jié)合排氣閥的取樣與彌補了傳統(tǒng)方法的不足。傳統(tǒng)方法中，雖然測試者可以通過取樣氣路中設(shè)置的流量與壓力控制器并結(jié)合聲光提示調(diào)節(jié)自己的呼氣流量，但該調(diào)節(jié)需要一個過程，有時甚至不一定產(chǎn)生預(yù)期的效果，反而使測試者緊張而效果更差。而且調(diào)節(jié)過程可能出現(xiàn)的過高或過低流量的呼氣也可能被取樣。這種情況尤其發(fā)生在呼吸困難、聽覺與視覺困難的人群，包括老人、病人和幼兒。而大多數(shù)測試者初次接受呼氣檢測時，通常都是呼氣過強。顯然，本發(fā)明的取樣技術(shù)適合于所有這些情況，而且如果取樣過程中出現(xiàn)呼氣太強的情況，會自動地將其排空。當(dāng)滿足取樣流量要求的呼氣樣品在活塞氣泵中積累到預(yù)定的氣量時，其中的活塞開始反向移動，將呼氣樣品輸送至為氣敏元件4進行測量。此時活塞的移動速度按測量期望的流速與壓力設(shè)定并恒定。傳統(tǒng)的檢測裝置中，呼氣樣品是從存放呼氣樣品的氣室中由氣泵驅(qū)輸送到氣敏元件，并結(jié)合流量壓力控制裝置保證恒流恒壓的測量條件。而本發(fā)明則將氣泵、樣品室與流量壓力控制裝置結(jié)合成一個活塞氣泵裝置，結(jié)構(gòu)與操作簡單可靠。然而，本發(fā)明裝置一個最為突出、傳統(tǒng)裝置并不具有的是無需外部標(biāo)定的特征。本發(fā)明者申請?zhí)枮閟w2008002的中國專利揭示了一種通過電化學(xué)氣敏元件循環(huán)電極電解求取氣體濃度的方法。按照該方法，如果利用本發(fā)明裝置中活塞氣泵4中活塞的往復(fù)運動，便會形成一個同一呼氣樣品反復(fù)通過氣路3456、由電化學(xué)氣敏元件5循環(huán)電解的過程。本發(fā)明裝置中活塞流管6就是為此而設(shè)置的。在活塞氣泵中活塞的往復(fù)運動中，呼氣樣品從活塞氣泵進入該管并排擠管內(nèi)的氣體流入環(huán)境，然后再返回到活塞氣泵，如此往復(fù)。其間呼氣樣品通過氣敏元件4經(jīng)歷恒流恒壓的電解過程。對長度L與流通截面A的管道和流量Q的流動，化工或流體工程提出的活塞流條件是L/A〉kD/Q,其中D為被測氣體在呼氣樣品中的分子擴散系數(shù)，而k是一個常數(shù)，越大越接近活塞流，實際取值范圍為10-1000。此外必須考慮的是如何保證在氣體往返經(jīng)過氣敏元件是相同的流速與壓力條件。氣體往返的流速可以恒定，但從活塞氣泵到活塞流管時壓力從高壓到環(huán)境壓力，而返回時則從環(huán)境壓力到一個低壓。如果該壓力變化相對于流速對被測氣體的電解速率的影響可以忽略，則往返可以簡單的保持相同的速率。反之，必須產(chǎn)生一個流速的差異彌補壓差的影響，保持相同的電解條件。按照sw2008002的中國專利公布的方法，根據(jù)每次測得的電解響應(yīng)電流I(t),可由下式來確定被測氣體的濃度C=I(0)/2,303kNFV其中，1(0)=起始或第一次測量的響應(yīng)信號電流V=呼氣樣品的體積N=被測氣體分子參與電解反應(yīng)的電荷數(shù)F=法拉第常數(shù)K=[ln(I(t)—ln(I(O))]A，通過回歸分析求出確定然而在本發(fā)明裝置的實際應(yīng)用中，并不需要每次都采用該方法確定被測氣體的濃度。而是將該方法作為一種定期校準(zhǔn)或標(biāo)定的手段，如同傳統(tǒng)檢測裝置所采用的定期標(biāo)定方法樣。本質(zhì)的區(qū)別只是本發(fā)明裝置的用戶不再需外部配置的標(biāo)準(zhǔn)配氣鋼瓶和遵循廠商制定的標(biāo)定程序，而是需要時啟動本發(fā)明裝置提供的標(biāo)定按鈕即可。應(yīng)用實施例一本例用來^L明本發(fā)明如何用于呼氣一氧化氮的個人^f企測或自4企。該檢測可能是目前臨床應(yīng)用中要求^難度最高的呼氣檢測。為此，美國與歐洲從1997年起數(shù)度修改推薦的呼氣一氧化氮檢測標(biāo)準(zhǔn)，并在2005年聯(lián)合制定并公布了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對取樣與檢測要求的推薦要點如下1.吸氣2-3秒，吸入含有低于5ppb—氧化氮的安全衛(wèi)生的氣體；2.呼氣壓力為5-20毫米水柱，防止鼻腔氣進入；3.呼吸流量為45-55毫升/秒，持續(xù)至少6秒，以保證300毫升的呼氣中包括可供排放和取樣分析的氣體；4.檢測包括a)低于5ppb的檢測下限與精度(靈敏度要求)；b)避免各種來自呼氣中干擾氣體的影響(選擇性要求)；c)檢測的流速、溫度、壓力與濕度保持一致或消除它們的影響；d)每次檢測最好校正零點，至少每天一次；e)定期標(biāo)定(通常7天一次)。本應(yīng)用實施例用來表明本發(fā)明裝置的用戶自檢時可以同時滿足上述推薦的要求。參見圖1。過濾器1由3A分子篩與傳統(tǒng)的醫(yī)療用呼吸過濾器構(gòu)成，此外連接一個單向閥控制流向的標(biāo)準(zhǔn)推薦的高錳酸鉀/活性炭過濾管，用于吸氣中去除空氣中的一氧化氮?；钊颖?的筒體直徑與最大行程分別為5與5.1厘米，由此產(chǎn)生的最大容積略大于100毫升。氣敏元件4為發(fā)明者在申請?zhí)枮閟w2008001的中國專利中使用的電化學(xué)氣敏元件。活塞流管由內(nèi)經(jīng)1厘米、長度40厘米的聚四氟乙烯軟管構(gòu)成，容積略大于30毫升。所有部件的連接部分采用內(nèi)徑為5毫米的塑料接管。表一表明了本發(fā)明呼氣檢測裝置對呼氣一氧化氮檢測的所有細節(jié)。其中的零點校正由于已經(jīng)成為呼氣一氧化氮檢測的一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法而未在本發(fā)明的具體實時方式中描述。其具體的實施是讓呼氣或空氣利用吸氣使用的一氧化氮過濾裝置后作為零點氣，進入檢測裝置進行零點校正。檢測的結(jié)果實際上是呼氣一氧化氮的測量信號與該零點信號的差值。如果測量與零點校正時保持相同的溫度、濕度、流量、壓力與干擾氣體的組成，該差值部分消除了這些因素的影響，或者說消除了這些因素造成的零點或基線漂移。但零點校正并不能校正這些因素以及氣敏元件本身老化或失活導(dǎo)致的信號或靈敏度的漂移。這些影響必須遍過標(biāo)定進行校正。從表一可以看出，包括吸氣、呼氣的排放與取樣、測量、零點校正與標(biāo)定等均由測試者本人結(jié)合本發(fā)明裝置的自動過程而進行。被檢測者只需要對著本發(fā)明裝置提供的呼吸濾嘴自由的吸氣與呼氣IO秒鐘，然后等待本發(fā)明裝置提供的檢測維果。每隔一定時間，本發(fā)明裝置會按照檢測的次數(shù)或使用的時間自動的進行一次標(biāo)定。如果標(biāo)定失敗，本發(fā)明裝置會提示用戶像更換手機電池一樣更換氣敏元件或者其它有問題的部件。表一本發(fā)明呼氣檢測裝置用于呼氣一氧化氮檢測的過程<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>應(yīng)用實施例二本例用來說明本發(fā)明如何用于胃腸病呼氣氬氣的個人檢測。呼氣一氧化氮檢測屬內(nèi)源或呼氣成分直接檢測。而呼氣氬氣則屬于指示劑呼氣檢測，通過口服一種腸道細菌可酵解的試驗糖后檢測作為酵解產(chǎn)物氣體氳氣或甲烷的濃度變化，由此診斷胃腸道病理生理狀態(tài)。兩類檢測相比，前者對檢測的精度與檢測下限要求較高，通常在ppb或更低的濃度范圍；而后者檢測的范圍則在ppm的高濃度范圍，市場上大多數(shù)氣體傳感器都能滿足該項要求，然而該項檢測更為由于需要口服指示劑并觀察呼氣濃度隨時間的變化成冗長的檢測過程，一般需要每半小時一次檢測一次，共檢測6至10次，共需要4到5個小時，有時還須要分幾天進行檢測。而且每次測試均需要反復(fù)呼氣幾次，并要求測試者自己控制呼氣流量在40毫升/秒左右，每次呼氣而且要盡可能的長，累計的呼氣時間可能需要70秒鐘，以便檢測儀能夠利用足夠的氣量或重復(fù)的測量提供穩(wěn)定可靠的結(jié)果。上述要求結(jié)合對呼氣排放與取樣的控制以及標(biāo)定等因素已經(jīng)成為呼氣氫氣檢測方法問世30余年、檢測儀已經(jīng)從臺式裝置演變到手掌型裝置，但仍未能像個人用血糖檢測儀那樣普及的主要原因。本發(fā)明應(yīng)用實施例用來表明本發(fā)明呼氣檢測裝置可以使個人用戶滿足這些要求。由于空氣中的氫氣濃度與測試者未服用測試劑前的呼氣濃度大致相同(0-2ppm),而服用后的呼氣氬氣濃度變化大都增加到10-30ppm，因此通常不需要吸氣過程而直接的呼氣取樣與檢測。因此采用實施例一中描述的呼氣一氧化氮檢測裝置用于呼氣氬氣檢測時，不需要吸氣過濾通道。而且呼氣的排放與取樣也相對簡單。此外可以采用市場上供應(yīng)的工業(yè)氣體檢測用電化學(xué)氬氣傳感器。該傳感器的檢測精度與下限為lppm的量級。表二比較了本發(fā)明呼氣檢測裝置與市場上一種呼氣氬氣檢測儀的應(yīng)用實施情況。表二本發(fā)明呼氣檢測裝置用于呼氣氳氣檢測與傳統(tǒng)儀器的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>通過表二的比較可以清楚看出本發(fā)明呼氣檢測裝置的特征和優(yōu)勢。對呼氣氫氣檢測，不經(jīng)提高了檢測的可靠性，而且顯著簡化了操作使用的條件。個人用戶只需要針對不同檢測的內(nèi)容，按照對應(yīng)的檢測步驟即可完成所有的沖企測。上述實施例是提供給熟悉本領(lǐng)域內(nèi)的人員來實現(xiàn)或使用本發(fā)明的，熟悉本領(lǐng)域的人員可在不脫離本發(fā)明的發(fā)明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本發(fā)明的保護范圍并不被上述實施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。權(quán)利要求1.一種呼氣檢測裝置，其特征在于，包括檢測氣路，該檢測氣路對呼氣進行排放、取樣與一次或多次測量；控制單元，該控制單元對所述排放、取樣與測量自動控制、并對測量信號處理與輸出顯示檢測結(jié)果。2.如權(quán)利要求1所述的呼氣檢測裝置，其特征在于，所述檢測氣路包括呼吸濾嘴，用于除去氣體中微粒、病毒、細菌、部分水汽等；壓敏元件，用于測量呼氣的壓力或流量；活塞氣泵，用于恒速與恒壓的取樣與氣體輸送；氣敏元件，用于測量呼氣中被測氣體的濃度；活塞流管，用于使氣體經(jīng)該管流動時前后之間不發(fā)生混合。3.如權(quán)利要求2所述的檢測氣路，其特征在于，所述活塞氣泵中的活塞以恒速線性位移的方式進行恒流恒壓取樣、并以往復(fù)運動的方式進行恒流恒壓氣體輸送，活塞的線性位移的速度與行程被所述控制單元自動控制。4.如權(quán)利要求2所述的檢測氣路，其特征在于，所述氣敏元件包括電化學(xué)、氧化物半導(dǎo)體、碳納米管等對被測氣體電信號響應(yīng)的氣敏元件，信號由所述控制單元處理，優(yōu)選的是電化學(xué)氣敏元件。5.如權(quán)利要求1所述的呼氣檢測裝置，其特征在于，所述控制單元包括微處理器用于過程控制、信號采集、處理與存儲；液晶顯示用于顯示檢測與標(biāo)定結(jié)果。全文摘要本發(fā)明揭示了一種呼氣檢測裝置。該裝置包括一個檢測氣路和一個控制單元。檢測氣路包括呼吸濾嘴、壓敏元件、活塞氣泵、氣敏元件、活塞流管與電磁閥。檢測氣路對呼氣取樣后，通過活塞氣泵的往復(fù)運動，可以對同一樣品多次測量。多次測量值可以用來確定被測氣體的濃度而無需多次取樣以及外部標(biāo)定?？刂茊卧獙θ优c測量過程自動控制、并對檢測信號采集、處理與輸出顯示。文檔編號G01N33/50GK101393199SQ200810196518公開日2009年3月25日申請日期2008年9月8日優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日發(fā)明者杰韓申請人:無錫尚沃生物科技有限公司