CN101067601A - 确定呼出气的co2中12c和13c比例的红外线光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种确定呼出气的CO₂中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，包括一个不分光式红外线分析检测腔、气体处理系统、数字式I/O装置、总线接口I和带操作软件的外部PC设备，前述的各个部分模块式地装在外壳内，并连接外部PC设备；不分光式红外线分析检测腔和数字式I/O装置控制组合在气体处理系统内的试样入口系统和试样检查系统；每个模块配备与连接外部PC设备连接的微控制器A；全自动进样系统与外部PC设备连接，全自动进样系统内的气体进样针气体处理系统连接，且不分光式红外线分析检测腔采用更为细小的腔室。其优点是检测精度高、可连续操作、经济、紧凑。

Description

确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种光谱分析仪，尤其涉及一种应用于医学临床诊断的检测呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪。

背景技术

已知一些以不分光式红外线光学原理为基础的气体分析仪，这些分析仪器配备有为工业应用研制的用于确定气体和蒸气内各种成分浓度的分光计，但是为了用于确定呼气中13CO2/12CO2的比率，并达到符合临床检测要求的高精度就必须改进这些仪器。传统不分光式红外线光谱分析仪存在诸多不足：一、需要的检测气体量很大，通常需要检测气量至少200-300ml，对于小气量的气体无法检测，二、不能连续检测太多样本，三、传统不分光式红外线光谱分析仪结构庞杂、操作繁复、易于发生故障，四、检测的精度不够高，难以满足临床诊断的需要。

为了克服上述缺点，必须改造与之相关的会对仪器的工作可靠性带来不良影响的因素，如恒温装置、试样入口等。此外，还需要将仪器的试样入口和试样计量的控制与数据采集系统分开。另外，必须进一步缩小气室的体积，改进检测腔的结构，进一步提高检测精度和重复性，才能保证最少10ml的气量的精确检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对传统不分光式红外线光谱分析仪检测精度低、操作不连续等缺点，提供一种适用于临床的高精度、可连续操作、经济、紧凑的红外线光谱分析仪，用以确定呼出气的CO2中12C和13C比例。

本发明采用如下技术方案：

一种确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，包括一个不分光式红外线分析检测腔、气体处理系统、数字式I/O装置、总线接口I和带操作软件的外部PC设备，不分光式红外线分析检测腔、气体处理系统、数字式I/O装置、总线接口I模块式的装在外壳内，并通过电缆与外部PC设备连接；不分光式红外线分析检测腔和数字式I/O装置控制组合在气体处理系统内的试样入口系统和试样检查系统；每个模块配备自己的微控制器A，微控制器A通过总线接口I与外部PC设备连接；一全自动进样系统通过微控制器B和总线接口II与外部PC设备连接，全自动进样系统内的气体进样针通过管线与特殊连接装置与气体处理系统连接。

通过将所有的功能元件布置在仪器内，形成一种紧凑和耐用的结构形式。在这种情况下，所有的操作部分，例如试样入口接管，一目了然地布置在仪器的操作侧。通过将与试样检查系统连接的试样入口系统组合在气体处理系统内，不仅保证了仪器操作的方便、可靠，而且通过特殊的测量气体引导可以将气量降低到30ml并且测量速度最快可达40个样本/小时。通过连续评估和检查试样进来和借助数字式I/O装置检测试样状况，通过测量、采集数据在分光计中进行数据检测，并借助总线接口I进行控制和信息交换，在明确分配各模块计划任务的情况下保证分析仪的统一控制。仪器的这种明确的模块式编制，已经证实对于识别故障及其排除是特别有利的。它允许连续地诊断仪器的内部状况并有助于将维护量降到最低程度。可选配的全自动进样系统是在借鉴了传统的质谱仪的基础上发展而来的，由于有效的改进了仪器的检测气室的容积，改进了不分光式红外线气体检测腔的结构和进样方式等，进一步提高了检测精度，使得不分光式红外线光谱分析仪可以象传统的质谱仪一样仅用10ml的最少检测气量即可达到临床检测所需要的精度。既克服了传统不分光式红外线光谱分析仪需要检测气量至少200-300ml以及不能连续检测太多样本的缺点，又克服了传统质谱仪的结构庞杂、操作繁复、易于发生故障的缺点。此进样系统的可选配性，给用户有了更多的选择，在每次样本量不多的情况下可以只选择气体分析系统；样本量大的情况下，可以选配全自动进样系统，每次可以连续检测至少40个样本，方便操作，大大解放人力。全自动进样系统是一个独立于气体分析系统主机的独立装置，通过特殊的连接装置与气体分析系统主机进行连接，通过特殊的软件配合，可以将10ml气体毫无浪费地导引至不分光红外线检测腔的气室内。全自动进样系统内包括一个可容纳至少40个样本的全自动转盘，全自动转盘在内部的微控制器的操纵下进行作业，保证了准确的定位、旋转，并配合取样针的取样，并借助总线接口I进行控制和信息交换，在明确分配各模块计划任务的情况下保证分析仪的统一控制。

不分光式红外线分析检测腔包括一测量模块和一个优化测量过程的恒温器，测量模块上装有微控制器A，恒温器是气密封闭的。借助于它们可以使测量数据达到极高的精度和稳定性。除了恒温外，气密的封闭整个光学系统防止外界空气中CO2含量的干扰，改造检测结构，采用国际上最新的不分光式红外线利用单检测腔检测多组分的原理，进一步缩小气室，使检测样本的气量缩小到最少10ml，这些都是呼气测量过程中达到测量数据采集和测量数据采集和测量数据检查方面高的精度要求的重要基础。此外，通过具有自己的用于控制、测量、数据采集和数据通信的微控制器的测量模块这种紧凑的结构形式，获得高度的机电稳定性。

气体处理系统内设有一计量与循环装置，计量与循环装置由试样入口系统与试样检查系统构成，可以由外界空气产生贫氮水煤气和循环引导试验气体。在这种情况下组合在计量与循环装置中的试样入口系统的结构，保证在由呼气袋测量时，让不可避免的外来气体容积降到最低程度。

试样入口系统由接管、阀组成；以及，被组合的计量与循环装置和用来冲洗管腔的贫氮水煤气装置通过改变计量时间实现可自由选择在测量模块的测量范围内的CO2浓度，并可通过循环导引测量气体达到量杯内的浓度平衡。呼气袋的连接软管直接装在阀的接管上。

试样入口系统与试样检查系统连接，以及，试样识别模块的信息在试样检查系统与数字式I/O装置之间交换。从试样检查系统判定是否有一个试样放在其中一个试样入口并防止使用者误操作。

被组合的计量与循环装置和用来冲洗管腔的贫氮水煤气装置实现在测量模块的测量极限范围内的CO2浓度的自由选择。试样入口的结构和将计量与循环装置及冲洗与贫氮水煤气装置组合在气体处理系统内，也保证在测量模块的测量极限范围内自由选择CO2浓度。这通过改变测量气体计量达到，其中通过循环引导测量气体获得在气室内的浓度平衡。

数字式I/O装置采用数字式控制和检测，并可扩展100ml气袋试样入口系统。

可选配的仅需10ml气量呼气试管的全自动进样系统内组合一个可容纳至少40个10ml气量呼气试管的全自动转盘通过内部的微控制器B，及总线接口II，微控制器B和总线接口II通过电缆与外部PC设备连接，并且其内部的10ml气体试样入口系统通过极细的进样针和管线与特殊连接装置与高精度的气体处理系统连接。

由于有效的改进了仪器的检测气室的容积，改进了不分光式红外线气体检测腔的结构和进样方式等，进一步提高了检测精度，使得不分光式红外线光谱分析仪可以象传统的质谱仪一样仅用10ml的最少检测气量即可达到临床检测所需要的精度，既克服了传统不分光式红外线光谱分析仪需要检测气量至少200-300ml不能连续检测太多样本的缺点，又克服了传统质谱仪的结构庞杂、操作繁复、易于发生故障的缺点。此进样系统的可选配性，给用户有了更多的选择，在每次样本量不多的情况下可以只选择气体分析系统，样本量大的用户，可以选配全自动进样系统，每次可以连续检测至少40个样本，方便操作，大大解放人力，并且10ml的呼气试管的收集气体方式，可以大大减少样本的体积，使样本便于收集、储存、运输，节省空间，便于远程收集样本，集中检测。全自动进样系统是一个独立于气体分析系统主机的独立装置，通过特殊的连接装置与气体分析系统主机进行连接，通过特殊的软件配合，可以将10ml气体毫无浪费地导引至不分光的红外线检测腔的气室内，全自动进样系统内包括一个可容纳至少40个样本的全自动转盘，全自动转盘在内部的微控制器的操纵下进行作业，保证了准确的定位、旋转，并配合取样针的取样，并借助总线接口进行控制和信息交换，在明确分配各模块计划任务的情况下保证分析仪的统一控制。

总线接口I和总线接口II是标准化的CAN接口。这种已知的抗干扰能力可靠的CAN总线系统，保证统一控制分析仪器，在这种情况下，高精度碳十三红外线光谱分析仪的内部控制和内部PC设备的通信通过双线路实现。它的系统宽度使得故障识别和发出故障信号得以保证，因为CAN网络连续地适用于此CAN网络的数据工作。此外，CAN总线的特点在于其高度的灵活性。因为信息定向地进行数据传输，所以随时可以控制此分析系统，无需改变整体结构。因此随时扩展I/O装置和试样入口系统的数量。

外部PC设备配备有CAN插件和操作软件。该操作软件作为已知的WINDOWS界面的应用进行工作。从程序的特点在于对用户提供可靠的屏幕指导和提供一目了然的可靠检测结果。此外连续地监控系统参数如压力和温度，并报告使用过程中可能发生的故障。通过在操作软件中调整少量的技术参数可以方便地使分析仪器适用于不同的计划任务。尤其在应用于医学诊断领域的情况下，连续地监控分析仪器各模块的功能故障。

附图说明

图1为本发明的原理方框图

图中代码说明

1-不分光式红外线分析检测腔      2-气体处理系统

3-数字式I/O装置                 4-总线接口I

5-PC设备                        6-操作软件

9-微控制器A                     10-全自动进样系统

11-微控制器B                    12-总线接II

13-特殊连接装置                 14-全自动转盘

16-计量与循环装置               19-接管

20-阀                           21-试样识别模块

具体实施方式

下面结合图1对本发明进一步详细说明：

一种确定呼出气的CO2中同位素12C和13C比例的红外线光谱分析仪，包括一个不分光式红外线分析检测腔1、气体处理系统2、数字式I/O装置3、总线接口I 4和带操作软件6的外部PC设备5，其中，不分光式红外线分析检测腔1、气体处理系统2、数字式I/O装置3、总线接口I 4模块式的装在外壳内，并通过电缆与外部PC设备5连接；不分光式红外线分析检测腔1和数字式I/O装置3控制组合在气体处理系统2内的试样入口系统(图中未示)和试样检查系统(图中未示)；每个模块配备自己的微控制器A9，微控制器A9通过总线接口I 4与外部PC设备5连接；全自动进样系统10通过微控制器B11和总线接口II 12与外部PC设备5连接，全自动进样系统10内的气体进样针(图中未示)通过管线与特殊连接装置与气体处理系统2连接。

通过将所有的功能元件布置在仪器内，形成一种紧凑和耐用的结构形式。在这种情况下，所有的操作部分，例如试样入口的接管19，一目了然地布置在仪器的操作侧。通过将与试样检查系统连接的试样入口系统组合在气体处理系统2内，不仅保证了仪器操作的方便、可靠，而且通过特殊的测量气体引导可以将气量降低到30ml，并且测量速度最快可达40个样本/小时。通过连续评估和检查试样进来和借助数字式I/O装置3检测试样状况，通过测量、采集数据在分光计中进行数据检测，并借助总线接口I 4进行控制和信息交换，在明确分配各模块计划任务的情况下保证分析仪的统一控制。仪器的这种明确的模块式编制，已经证实对于识别故障及其排除是特别有利的。它允许连续地诊断仪器的内部状况并有助于将维护量降到最低程度。可选配的全自动进样系统10是在借鉴了传统的质谱仪的基础上发展而来的，由于有效的改进了仪器的检测气室的容积，改进了不分光式红外线气体检测腔1的结构和进样方式等，进一步提高了检测精度，使得不分光式红外线光谱分析仪可以象传统的质谱仪一样仅用10ml的最少检测气量即可达到临床检测所需要的精度。既克服了传统不分光式红外线光谱分析仪需要检测气量至少200-300ml和不能连续检测太多样本的缺点，又克服了传统质谱仪的结构庞杂、操作繁复、易于发生故障的缺点。此进样系统的可选配性，给用户有了更多的选择，在每次样本量不多的情况下可以只选择气体分析系统，样本量大的用户，可以选配全自动进样系统，每次可以连续检测至少40个样本，方便操作，大大解放人力。全自动进样系统10是一个独立于气体分析系统主机的独立装置，通过特殊的连接装置与气体分析系统主机进行连接，通过特殊的软件配合，可以将10ml气体毫无浪费地导引至不分光式红外线检测腔1的气室内，全自动进样系统10内包括一个可容纳至少40个样本的全自动转盘14，全自动转盘14在内部的微控制器B11的操纵下进行作业，保证了准确的定位、旋转，并配合取样针的取样，并借助总线接口I 4进行控制和信息交换，在明确分配各模块计划任务的情况下保证分析仪的统一控制。

不分光式红外线分析检测腔1包括一测量模块(图中未示)和一个优化测量过程的恒温器(图中未示)，测量模块上装有微控制器A9，恒温器是气密封闭的。借助于它们可以使测量数据达到极高的精度和稳定性。除了恒温外，气密的封闭整个光学系统防止外界空气中CO2含量的干扰，改造检测结构，采用国际上最新的不分光式红外线利用单检测腔检测多组分的原理，进一步缩小气室，使检测样本的气量缩小到最少10ml，这些都是呼气测量过程中达到测量数据采集和测量数据采集和测量数据检查方面高的精度要求的重要基础。此外，通过具有自己的用于控制、测量、数据采集和数据通信的微控制器的测量模块这种紧凑的结构形式，获得高度的机电稳定性。

气体处理系统2内设有一计量与循环装置16，计量与循环装置16由试样入口系统与试样检查系统构成，可以由外界空气产生贫氮水煤气和循环引导试验气体。在这种情况下组合在计量与循环装置16中的试样入口系统的结构，保证在由呼气袋测量时，让不可避免的外来气体容积降到最低程度。

试样入口系统由接管19与阀20组成；被组合的计量与循环装置16和用来冲洗管腔的贫氮水煤气装置(图中未示)通过改变计量时间实现可自由选择在测量模块的测量范围内的CO2浓度，并可通过循环导引测量气体达到量杯内的浓度平衡。呼气袋的连接软管直接装在阀20的接管19上。

试样入口系统与试样检查系统连接，试样识别模块21的信息在试样检查系统与数字式I/O装置3之间交换。从试样检查系统判定是否有一个试样放在其中一个试样入口并防止使用者误操作。

被组合的计量与循环装置16和用来冲洗管腔的贫氮水煤气装置实现在测量模块的测量极限范围内的CO2浓度的自由选择。试样入口系统的结构和将计量与循环装置16及冲洗与贫氮水煤气装置组合在气体处理系统2内，也保证在测量模块的测量极限范围内自由选择CO2浓度。这通过改变测量气体计量达到，其中通过循环引导测量气体获得在气室内的浓度平衡。

数字式I/O装置3采用数字式控制和检测，并可扩展100ml气袋试样入口系统。

可选配的仅需10ml气量呼气试管的全自动进样系统10内组合一个可容纳至少40个10ml气量呼气试管的全自动转盘14通过内部的微控制器B11，及总线接口II 12，微控制器B11和总线接口II 12通过电缆与外部PC设备5连接，并且其内部的10ml气体试样入口系统通过极细的进样针和管线与特殊连接装置与高精度的气体处理系统2连接。

由于有效的改进了仪器的检测气室的容积，改进了不分光式红外线气体检测腔1的结构和进样方式等，进一步提高了检测精度，使得不分光式红外线光谱分析仪可以象传统的质谱仪一样仅用10ml的最少检测气量即可达到临床检测所需要的精度，既克服了传统不分光式红外线光谱分析仪需要检测气量至少200-300ml不能连续检测太多样本的缺点，又克服了传统质谱仪的结构庞杂、操作繁复、易于发生故障的缺点。此进样系统的可选配性，给用户有了更多的选择，在每次样本量不多的情况下可以只选择气体分析系统，样本量大的用户，可以选配全自动进样系统，每次可以连续检测至少40个样本，方便操作，大大解放人力，并且10ml的呼气试管的收集气体方式，可以大大减少样本的体积，使样本便于收集、储存、运输，节省空间，便于远程收集样本，集中检测。全自动进样系统10是一个独立于气体分析系统主机的独立装置，通过特殊的连接装置与气体分析系统主机进行连接，通过特殊的软件配合，可以将10ml气体毫无浪费地导引至不分光式红外线分析检测腔1的气室内，全自动进样系统10内包括一个可容纳至少40个样本的全自动转盘14，全自动转盘14在内部的微控制器B11的操纵下进行作业，保证了准确的定位、旋转，并配合取样针的取样，并借助总线接口II 12进行控制和信息交换，在明确分配各模块计划任务的情况下保证分析仪的统一控制。

总线接口I 4和总线接口II 12是标准化的CAN接口。这种已知的抗干扰能力可靠的CAN总线系统，保证统一控制分析仪器，在这种情况下，高精度碳十三红外线光谱分析仪的内部控制和外部PC设备5的通信通过双线路实现。它的系统宽度使得故障识别和发出故障信号得以保证，因为CAN网络连续地适用于此CAN网络的数据工作。此外，CAN总线的特点在于其高度的灵活性。因为信息定向地进行数据传输，所以随时可以控制此分析系统，无需改变整体结构。因此也可以随时扩展数字式I/O装置3和100ml气袋试样入口系统的数量。

外部PC设备5配备有CAN插件和操作软件6。操作软件6作为已知的WINDOWS界面的应用进行工作。从程序的特点在于对用户提供可靠的屏幕指导和提供一目了然的可靠检测结果。此外连续地监控系统参数如压力和温度，并报告使用过程中可能发生的故障。通过在操作软件6中调整少量的技术参数可以方便地使分析仪器适用于不同的计划任务。尤其在应用于医学诊断领域的情况下，连续地监控分析仪器各模块的功能故障。

Claims (10)

1.一种确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，包括一个不分光式红外线分析检测腔、气体处理系统、数字式I/O装置、总线接口I和带操作软件的外部PC设备，其特征为：不分光式红外线分析检测腔、气体处理系统、数字式I/O装置、总线接口I模块式地装在外壳内，并通过电缆与外部PC设备连接；不分光式红外线分析检测腔和数字式I/O装置控制组合在气体处理系统内的试样入口系统和试样检查系统；每个模块配备自己的微控制器A，微控制器A通过总线接口I与外部PC设备连接；一全自动进样系统通过微控制器B和总线接口II与外部PC设备连接，全自动进样系统内的气体进样针通过管线与特殊连接装置与气体处理系统连接，且不分光式红外线分析检测腔采用更为细小的腔室。

2.根据权利要求1所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：不分光式红外线分析检测腔包括一测量模块和一个优化测量过程的恒温器，测量模块上装有微控制器A，恒温器是气密封闭的。

3.根据权利要求1所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：气体处理系统内设有一计量与循环装置，计量与循环装置由试样入口系统与试样检查系统构成。

4.根据权利要求3所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：试样入口系统由接管和阀组成；以及，被组合的计量与循环装置和用来冲洗管腔的贫氮水煤气装置通过改变计量时间实现可自由选择在测量模块的测量范围内的CO2浓度，并可通过循环导引测量气体达到量杯内的浓度平衡。

5.根据权利要求3所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：试样入口系统与试样检查系统连接，以及，试样识别模块的信息在试样检查系统与数字式I/O装置之间交换。

6.根据权利要求3所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：被组合的计量与循环装置和用来冲洗管腔的贫氮水煤气装置实现在测量模块的测量极限范围内的CO2浓度的自由选择。

7.根据权利要求1至6之一所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：数字式I/O装置采用数字式控制和检测，并可扩展100ml气袋试样入口系统。

8.根据权利要求1所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：可选配的仅需10ml气量呼气试管的全自动进样系统内组合一个可容纳至少40个10ml气量呼气试管的全自动转盘通过内部的微控制器B，及总线接口II，微控制器B和总线接口II通过电缆与外部PC设备连接，并且其内部的10ml气体试样入口系统通过极细的进样针和管线与特殊连接装置与高精度的气体处理系统连接。

9.根据权利要求1或8所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：总线接口I和总线接口II是标准化的CAN接口。

10.根据权利要求1所述的确定呼出气的CO2中12C和13C比例的红外线光谱分析仪，其特征为：外部PC设备配备有CAN插件和操作软件。