一種實時在線監(jiān)測脂肪燃燒的便攜式丙酮呼吸分析儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及呼吸成分中的揮發(fā)性有機化合物檢測技術領域，特別是涉及一種便攜式丙酮呼吸分析儀。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明涉及一種實時在線監(jiān)測脂肪燃燒的便攜式丙酮呼吸分析儀。該分析儀是基于超靈敏、高選擇性的光腔衰蕩光譜技術(CRDS)。
[0003]主要針對減肥人士在控制飲食、體育鍛煉和藥物控制等過程中，對減肥效果實時反饋的需求，而當前的減肥效果通過體重測量及三維測量等手段，不能將減肥效果反應在當下，從而發(fā)明一種通過測量呼吸成分中的揮發(fā)性有機化合物(VOCs)丙酮的含量實時在線監(jiān)測減肥效果-脂肪燃燒的基于CRDS技術的便攜式丙酮呼吸分析儀。該發(fā)明屬于生物醫(yī)學領域。
[0004]肥胖的根本原因是能量攝入超過能量消耗。熱量來源于攝入食物中的供能物質:蛋白質(4kcal/g)，脂肪(9kcal/g)，碳水化合物(4kcal/g)，熱量消耗主要由三方面:基礎代謝，身體活動和食物熱效應。減肥屬于以減少人體過度的脂肪、體重為目的的行為方式，是指某類體重超標的肥胖人群用各種方法如:跳舞、瑜伽等，變回曲線體型。設法糾正肥胖者異常反應造成的不當行為，即用行為科學分析肥胖者攝食行為的特征和運動類型，以此為基礎，合理修正導致肥胖的行動。
[0005]所有減肥方法均是直接或間接圍繞熱量為中心，有效指標為減少熱量。
[0006]減肥的困難之一是缺乏實時的反饋。努力減肥的顯著效果通常不顯示在當下。但人們在處于不穩(wěn)定的、中間過渡狀態(tài)的節(jié)食或斷裂過程中，總想知道自己正在做的是否正確或有效果。因此需要一種監(jiān)測和實時了解減肥效果的儀器，用于了解自己的減肥情況，選擇適合自己的體重控制方式，比如控制食物攝入量、使用減肥類保健品、減肥類藥物和體育鍛煉等途徑。
[0007]丙酮是脂肪燃燒代謝成分，血液中的代謝產(chǎn)物能夠通過氣血屏障進入肺部，進而引起呼出氣組分的改變，使得排出體外的某些特定氣體濃度升高，因此呼吸丙酮與血液酮體具有強的相關性。本發(fā)明快速、準確地測量人體呼吸氣體成分中的丙酮含量監(jiān)測人體減肥過程中的脂肪燃燒情況，對減肥人士所采用的體重管理方式進行評估，從而給出指導方向。而當前的減肥效果通過體重測量及三維測量等手段，不能將減肥效果反應在當下，進行實時的減肥效果評估，無法給出體重監(jiān)管的指導方向。目前市場上有推出利用試紙測量尿酮來測量減肥效果的方法，檢測尿酮的方法只能給出半量化測量，無法提供準確的參考，而且該方法不能進行實時在線檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對目前評估減肥效果方法的局限性(如前面介紹)，發(fā)明一種可以通過無創(chuàng)傷的測量方法(呼吸分析方法)實時在線測量呼吸丙酮水平的呼吸分析儀，該儀器能夠實現(xiàn)對人體呼吸丙酮濃度的實時準確測量，直接顯示脂肪燃燒情況，并能將數(shù)據(jù)同步上傳網(wǎng)絡顯示在各種終端電子設備，該發(fā)明對于減肥人士和其他需要及時了解脂肪燃燒情況的人群，能實及時掌握自己的脂肪燃燒情況，及時調(diào)整體重監(jiān)管方案，進而對其減肥效果有明顯提高。該儀器可用于減肥人士在家里、健身房、體重管理中心、醫(yī)院及社區(qū)體育鍛煉中心等場地，便于需要的人士及時了解自己的脂肪燃燒情況。
[0009]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術方案是:采用電流調(diào)制法實現(xiàn)激光與諧振腔耦合和腔衰蕩信號產(chǎn)生，也即通過周期性調(diào)制激光二極管工作電流的方式實現(xiàn)激光與諧振腔腔模的耦合，當某一個諧振腔腔模被激發(fā)后，通過關斷激光器的工作電流來切斷其激光輸出，實現(xiàn)腔衰蕩信號的產(chǎn)生。這樣的設計避免了光開關和壓電換能器等光學和機械部件的使用，不僅簡化了系統(tǒng)結構，而且提升了穩(wěn)定性。系統(tǒng)主要由光學平臺和電子控制兩部分構成:光學平臺部分主要包括激光器、氣體樣品室(光學諧振腔)、探測器及其它附件等，其功能是實現(xiàn)光譜信號的獲取。其中，氣體樣品室不僅用于容納待測氣體樣品，它更是一個光學諧振腔，其兩端是兩片高反射率反射鏡，形成一個穩(wěn)定諧振腔，使得激光能夠在腔內(nèi)往復傳播，實現(xiàn)腔衰蕩光譜的產(chǎn)生。該光學平臺部分被固定于一塊600_X250_X 10mm(長寬厚)的鋁板上，可整體移動而不需要重新調(diào)整光路?？紤]到所采用激光器、氣體樣品室及探測器等主要器件的尺寸，該光學平臺部分可以裝載于一個內(nèi)徑Φ = 200_、長度L = 600mm的筒式耐壓密封艙內(nèi)。電子控制部分包括激光控制電源、真空栗、示波器和計算機等，主要完成信號采集、顯示和處理功能。其中，真空栗用于將腔內(nèi)氣體樣品栗出，示波器用于顯示腔衰蕩信號及對采集到的模擬信號進行A/D轉換，再通過計算機中加載的軟件進行數(shù)據(jù)處理，這三個設備分別可使用微型栗、數(shù)據(jù)采集卡和PC/104工控機代替以實現(xiàn)小型化。
[0010]根據(jù)所使用激光光源的不同，CRDS可分為使用脈沖激光的脈沖波腔衰蕩光譜(Pulsed-CRDS)和使用連續(xù)激光的連續(xù)波腔衰蕩光譜(CW-CRDS)，波長范圍覆蓋紫外至紅外波段。根據(jù)研究對象及需求的不同，激光器的種類也各不相同，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器，摻鈦藍寶石(T1: sapphire)激光器，Nd: YAG激光或準分子激光器栗浦的染料激光器和光參量振蕩器(0P0)，量子級聯(lián)激光器，半導體激光二極管，等等。
[0011]為了實現(xiàn)激光與諧振腔模式的有效耦合，CW-CRDS系統(tǒng)中一般來說會增加如聲光開關、壓電換能器、光學耦合元件或實現(xiàn)類似功能的器件等等。而一種實時在線監(jiān)測脂肪燃燒的便攜式丙酮呼吸分析儀要求傳感器體積小、結構緊湊，同時穩(wěn)定性要高。復雜的光路以及機械移動部件必然會使分析儀的穩(wěn)定性受到影響，因此，系統(tǒng)采用了電流調(diào)制法實現(xiàn)激光與諧振腔模式的有效耦合以及腔衰蕩現(xiàn)象的實現(xiàn)，其優(yōu)點是可以代替光開關和壓電換能器等光學和機械移動部件，有利于提尚實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0012]因此，傳感器采用薄膜壓力傳感器，為型號為MKS870B的微型壓力傳感器。壓力傳感器安裝在光學諧振腔上兩個出氣口中的一個上，測量范圍為0.5-lOOOTorr，用于測量光學諧振腔內(nèi)的壓力。
[0013]其中，激光光源為波長可調(diào)諧激光二極管激光器，與其相連接的是一個溫度及電流控制器，該控制器可控制激光器的工作溫度及工作電流，并可接收外部調(diào)制信號，從而控制激光器的輸出波長。出射激光光束首先經(jīng)由準直器后變成平行光，然后再通過光隔離器，耦合進入由兩面高反射率平凹反射鏡組成的穩(wěn)定諧振腔內(nèi)。由于反射鏡的高反射率，因此只有一小部分光可以進入諧振腔內(nèi)，99%以上的激光能量將被反射回來。光隔離器的作用是使得激光只能單向通過，避免了光反饋對激光器的工作造成干擾。兩面反射鏡分別固定于一個管狀腔的兩端，形成一個密閉的氣體樣品室。探測器將從另一端出射的光信號轉換成電信號后輸入至示波器和數(shù)字延時/脈沖信號發(fā)生器。示波器在實現(xiàn)觀察信號功能的同時，將模擬信號A/D轉換成為數(shù)字信號，并交由計算機進行處理。
[0014]其中，呼出氣樣品采集的工具是使用一個單向閥將呼吸器面罩和氣體樣品袋連接起來，采集樣品時將面罩覆蓋住嘴和鼻子部位，這樣呼出氣將單向通過該單向閥，從而被采集到樣品袋中，而通過該單向閥，受檢者仍可以自由呼吸。
[0015]其中，諧振腔的前端沒有裝備聲光、電光等形式的光開關，諧振腔上也沒有壓電換能器等器件，因此激光的關斷和激光與諧振腔的耦合均由其它手段來實現(xiàn)。激光控制器在控制激光工作溫度穩(wěn)定的情況下，同時將在激光器的工作電流上加載一個來自函數(shù)信號發(fā)生器的三角波調(diào)制信號，該調(diào)制信號將使得激光頻率(或者說波長)在一個微小的范圍內(nèi)變化。通常，該范圍大于諧振腔的一個自由光譜區(qū)。這樣，在三角波的一個掃描周期內(nèi)，激光頻率會至少兩次與諧振腔的某一個諧振頻率達到一致，當探測器捕捉的光強信號達到閾值時，數(shù)字延時/脈沖信號發(fā)生器將輸出一個脈沖作為使能信號給激光控制器，使得激光二極管的工作電流處于其驅動閾值電流以下，激光器將停止輸出激光，實現(xiàn)了切斷激光的功能，可隨之觀察到腔衰蕩現(xiàn)象。這樣就在激光波長電流調(diào)制方式下實現(xiàn)了激光與諧振腔的耦合和激光的切斷，省去了光開關及壓