CN102175634B - 呼吸气中丙酮的测量方法及其实施装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呼吸气中丙酮的测量方法及其实施装置，是通过将采集到的呼吸气样品气体注入呼吸气丙酮测量装置的吸收池内，将测量光导入呼吸气丙酮测量装置的吸收池，由光测量器测量出穿过吸收池内呼吸气样品气体透射出来的测量光吸收光谱，再由计算机系统将测得的呼吸气样品气体的吸收光谱与已知丙酮浓度的含丙酮混合气的吸收光谱进行比较，得出呼吸气样品中的丙酮含量。本发明能准确快速地测量出呼吸气中的丙酮含量，其完成与公开，是呼吸气丙酮测量技术的一步重大进展，大大推进了呼吸气丙酮测量技术的进步。根据人体呼吸气中丙酮含量与糖尿病之间关系，本发明可用于糖尿病的诊断，并可广泛用于糖尿病的日常健康检查和糖尿病的临床快速筛选。

Description

呼吸气中丙酮的测量方法及其实施装置

发明领域

本发明涉及一种人体呼吸气的测量技术，尤其是一种针对呼吸气中丙酮的测量技术，具体涉及一种呼吸气中丙酮的测量方法及其实施装置。

背景技术

糖尿病是一个在世界范围内越来越严重的问题。世界卫生组织报道2000年全球糖尿病患者数目为1.71亿，并预计到2030年这个数目将上升至3.36亿。目前，中国糖尿病的发病率高达9.7％，全国糖尿病人接近一亿且糖尿病发病呈年轻化趋势，中国已成为全球范围糖尿病增长最快的国家和地区，而且超越印度成为糖尿病第一大国。根据世界卫生组织2005年发布的预测数据，如不采取有效措施，2005年至2015年之间，因中风、糖尿病和心脏病将导致中国的国民收入损失5580亿美元(相当于39060亿元人民币)，这将对中国的可持续发展造成潜在威胁。

糖尿病是糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱综合征。从医学角度上看，糖尿病是由胰岛素绝对或相对缺乏导致复杂的代谢紊乱，主要表现为葡萄糖含量增加或密集脂肪组织增生。在缺乏胰岛素的情形下，人体直接的能量来源已不再是葡萄糖，取而代之的是酮类。酮类，也称作“酮体”，是一类当胰岛素不足时在人体内产生的化学物质。酮(例如丙酮)产生于血液当中，并能通过尿液和呼吸系统等渠道排出体外。血液中的气相丙酮通过肺泡与肺泡气(呼出气)达到平衡，呼吸气中丙酮浓度在某种程度上反映了糖尿病患者的代谢情况。人体通过肺部排出丙酮，使得呼吸气有股水果香味。如果体内有大量的丙酮产生并且通过血液、尿液和呼吸系统传遍全身各部，这种情况通常意味着人体内没有足够的胰岛素或者是不能利用胰岛素以适当的方式产生人体细胞所需要的能量。因此，当体内的葡萄糖无法直接提供能量时，新陈代谢将燃烧脂肪，在脂肪氧化过程产生更多的酮体，并将其作为一种替代的能源来源。在健康人体的血液中，酮的含量始终保持一定的水平，但糖尿病患者体内酮含量水平会有显著的增加，这种由糖尿病导致的酮含量升高是一种最常见的病理现象。酮类包括乙酰乙酸盐(AcAc)、3-β羟基丁酸盐(3HB)和丙酮。在糖尿病酮症酸中毒(DKA)中，低的胰岛素含量导致大量酮的产生。如附图1所示，在低碳水化合物条件下，AcAc在脂肪酸代谢中积累，3HB是AcAc在线粒体中的还原产物。这两种主要的酮体都是富含能量的化合物，它们能将能量从肝脏细胞转移到其他组织细胞。丙酮是AcAc自发的脱羧酸而产生的，是酮症酸中毒患者呼吸气中水果甜味的贡献者。

目前可行的糖尿病初筛和诊断测试方法存在着不便利、不太愉快等缺点。例如空腹血糖测试(FPG)和口服葡萄糖耐量试验(OGTT)，这些测量方法需要静脉抽血且是以禁食为基础的测试，使得测量只能在早上进行。OGTT是在病人摄入75克口服葡萄糖含片2个小时后进行。大量的研究评估了这些方法在不同人群中的效果。FPG测试的特异性(正确判断没有疾病)超过96％，但灵敏度(正确识别疾病)只有50％左右。这样，由单一的FPG测试大约有一半的糖尿病患者可能被误诊。OGTT的灵敏度和特异性分别为73％和80％，但这种测试方法的重现性相对较差(变异系数约为17％)。再者，血糖的自我监测通常是通过刺破手指，提取一滴血液，再用葡萄糖化学敏感试纸测试。一般来说，为了严格控制血糖含量并有效地减少并发症，建议糖尿病患者每天检查4-7次。这种糖尿病测试导致的生理上的痛苦和日常费用通常以每天两倍的速度增长。由于这些限制，科学家们一直在寻找非侵入性糖尿病血糖监测的有效方法。为了这个目标，各国投入大量的资金、人力以开发非侵入性测试技术，包括以拉曼光谱、红外光谱、近红外光谱、光声光谱、光散射和偏振变化进行测试。但迄今为止，这些技术都未达到令人满意的实际应用水平。

人的呼吸气中存在多种挥发性的有机化合物(VOCs)，根据呼吸气中挥发性有机化合物诊断人患疾病具有悠久的历史。古希腊时期的医生就已经知道，人体呼吸气的香气可以为疾病诊断提供线索。精明的医师通常对病人的呼吸气气味非常警觉，可根据病人的呼吸气味常常能预判出病人所患的疾病，如糖尿病人的呼吸气味有水果香味，晚期肝癌病人的呼吸气味有腥恶臭霉味，肾脏衰竭病人的呼吸气味有尿味，肺脓疡腐烂病人的呼吸气味有恶臭味。

对人呼吸气进行分析开始于1970年，Pauling和其合作伙伴利用气相色谱鉴定了200余份人的呼吸气样品。从那以后，有关呼吸物质的生理意义和患者的临床情况的呼吸指标的相关性的问题已经变得越来越受到重视。1990年以来，研究人员一直在试图揭示各种呼吸物质和人体身体状况之间的关系。在对呼吸气体的化学物质鉴定研究中发现丙酮与血糖含量有关，并可作为糖尿病诊断的替代性生物标志物。健康人呼吸气中丙酮含量在几百ppbv，而糖尿病患者呼吸气中丙酮浓度范围则很广，最高可达数百甚至数千ppm，具体取决于个人的生理状况和血糖含量。由于人与人之间呼吸气中VOCs组成成分差别很大，并且至少包括数百种化学成分，呼吸气中丙酮浓度可低至几百ppbv，所以准确测定呼吸气丙酮含量是个很大的挑战。

气相色谱与质谱仪、火焰电离测量器等的联用技术是目前呼吸气丙酮测量的主要手段。这些方法需要庞大的设备和熟练的操作人员，并且样品的采集、运输、储存和分离非常复杂耗时，因此这些方法不适用于实验室外的测量与应用，例如糖尿病的日常监测和预诊断。此外，呼吸气中痕量的丙酮在这些复杂的预处理过程中容易丢失，这是因为丙酮是可挥发性的化学活性物质。其它的一些测量方法(如光寻址电位传感器和电子鼻)对具体的组分选择性较小，因此，呼吸气中杂质对丙酮测量的干扰是不可避免的。

最近，腔衰竭光谱技术被用于丙酮测量，测量范围为紫外线和近红外线波长范围内。虽然已有报道说丙酮蒸气测量法的丙酮浓度测量限为1.5ppmv，但潮湿的呼吸气很容易影响腔镜反射率，且在不影响丙酮微含量情况下完全滤除呼吸气中大量的水蒸气是非常困难的，因为丙酮与水几乎可以以任意比例互溶，因此呼吸气湿度可能影响测量的灵敏度。此外，测量设备系统要用到高功率脉冲激光，由其所增加的成本在呼吸气分析中是个额外的负担。

文献也报道了另一种测量呼吸气丙酮的方法，该方法基于丙酮与碱性水杨醛发生反应形成有色产物并在蓝色区域内有吸收，而且可被发射中心在465nm的氮化镓基发光二极管测量。用这种方法测量丙酮，丙酮的浓度测量限可低至14ppbv。然而，在实际呼吸样品分析中反应系统的记忆效应与痕量松散的丙酮是个潜在的问题。

发明内容

针对现有技术的人体呼吸气中丙酮的测量技术现状，本发明的目的旨在提供一种新的能够准确快速地测定呼吸气丙酮含量的测量方法及其实施装置，以推进呼吸气丙酮测量技术的发展。

本发明提供的呼吸气丙酮测量方法，其方案主要包括：

(1)将采集到的呼吸气样品气体注入呼吸气丙酮测量装置的吸收池内；

(2)将测量光导入呼吸气丙酮测量装置的吸收池，测量出吸收池内呼吸气样品气体的吸收光谱；

(3)将步骤(2)得到的呼吸气样品气体的吸收光谱与测得的已知丙酮浓度的含丙酮混合气的吸收光谱进行比较，得出呼吸气样品中的丙酮含量。

在上述技术方案中，测量光优选紫外光，当然也可以是其它光，如近红外光。测量吸收池内的呼吸气样品气体吸收光谱，可以通过测量从吸收池透射出来的光进行测量。

用于实施本发明提出的测量呼吸气中丙酮方法的装置，其构成主要包括，呼吸气样品气体采集装置、测量光源装置、作为吸收池的中空光纤管、光检测器和信号处理控制器，中空光纤管与呼吸气样品气体采集装置管连接，测量光源装置通过光纤与中空光纤管一端连接，将测量光源装置发射出的测量光导入中空光纤管，中空光纤管的另一端通过光纤与光检测器连接，将穿过中空光纤管内呼吸气样品气体透射出来的测量光传导给光检测器，光检测器与信号处理控制器信号连接，将光检测器检测到的呼吸气样品气体吸收光谱信号与已知丙酮浓度的含丙酮混合气的吸收光谱进行比较，得出呼吸气样品气体中的丙酮含量。

在上述技术方案中，测量光源优选能发射波长在200-400nm范围的紫外光源，测量光源可以是连续光源、窄带光源或线光源，既可以在连续模式下工作也可在脉冲模式下工作，具体取决于实际需求。当在连续模式下工作时，可用一个光学过滤器维持光束形状。紫外光源具体可以选用氘灯、空心阴极灯、汞灯、卤灯、光二极管、激光或其它的光源。

在上述技术方案中，作为吸收池的中空光纤管，其长度可以从几厘米到数米长，甚至更长，一般可为3cm至5000cm，最好是在50cm至150cm之间。其直径可以从不到1毫米至1厘米，一般可为0.1mm至10mm，最好是在1至5毫米之间。由空心光纤管制作的作为吸收池的中空光波导纤维管，在测量过程中呼吸样本气体从中空光纤管一端流进，从另一端流出。

在上述技术方案中，所述光检测器可以是任何的光强度敏感探测器，如光二极管，固体测量器，光电倍增管(PMT)，光谱仪等等。

在上述技术方案中，测量光源发出的测量光最好是经透镜聚焦后由光纤导入中空光纤管；穿过中空光纤管内呼吸气样品气体透射出来的测量光，最好也是经透镜聚焦后由光纤传导给光检测器。

在上述技术方案中，所述信号处理控制器可以是任何可以编程的具有数据信号处理功能的设备，如计算机系统、CPU系统、甚至手机等，优先采用具有采集及显示功能的计算机系统，以利于数据的采集和储存。

在上述技术方案中，将测量光导入中空光纤管的优选方案是，光纤是通过将剥除包层的光纤芯插入中空光纤管内实现与中空光纤管连接；进一步优选的方案，光纤芯通过支架设置在中空光纤管的中央。

在上述技术方案中，呼吸气样品气体采集装置可以是任何设备，只要能将呼吸气注入吸收池内即可。但不管什么形式，最好在呼吸气样品气体采集装置的气体输送管路上设计由控制阀控制闭通的三通接管。这是因为人的呼出气分为两个部分，一部分呼出气叫作“死空间空气”，来自气管和支气管，这两个地方没有发生呼吸气与血液间的交换，另一部分来自于肺部深处，是通过肺泡与血液发生过交换的气体。正常人肺泡呼吸气包含大量的VOCs，是从血液中经肺泡细胞膜上被动扩散出来的，因此呼吸气样品气体应是来自于这一部分的呼吸气。在采集装置的气体输送管路上设计由控制阀控制闭通的三通接管，是为了用于防止不需要的来自气管和支气管的“死空间空气”进入作为吸收池的中空光纤管，而只许来自于肺部深处的呼吸气进入作为吸收池的中空光纤管，以保证能够正确地测量出呼吸气中的丙酮含量。

本发明公开的实施本发明提出的呼吸气样品气体丙酮含量测量方法的装置，采用光纤将测量光导入作为吸收池与波导管的空心光纤管，用光检测器通过测量注入空心光纤管内呼吸样本气体吸收光谱来测量呼吸气的丙酮含量，是以光纤和空心光纤管为基本测量原件的测量装置，具有光纤和空心光纤管所具有的性能与特点。光纤的性能特点，第一，在很大的波长范围内，光纤具有低衰减；第二，光纤相对较小的尺寸和均匀的横截面，使得它们很容易进行表面安装或将其嵌入其它材料；第三，光纤器件不受电磁接口的影响，使其可在恶劣的甚至敌对的环境中使用；第四，可用于测量多种物理参数，包括应变力、温度、压力、湿度、振动和各种化学品；第五，光纤器件可以重复利用，并且可以多种用途捆绑在一起应用。空心光纤管在吸收测量方面独特优点，其一，空心光纤管可使同时作为吸收池和光传播的波导管小型化；其二，跟普通的吸收池相比，由于光在其内进行了多级反射，故其光吸收路径长度得到大幅度的延长，从而大大提高了测量的灵敏度；其三，空心光纤还具有高光学效率、低样品量、高灵敏度及快速响应的特性。

本发明提出的呼吸气样品气体丙酮含量测量装置，利用丙酮对特定波长的选择吸收性，以及光纤、空心光纤管的光传输特性，用其测量注入吸收池内的呼吸气样品气体的丙酮与特异性，具有响应时间短，呼吸气杂质干扰小，不受电磁接口的影响，测量灵敏度高的特点，呼吸气中存在的水蒸气不会干扰真实呼吸气样本的测量，可直接用于呼吸气丙酮的测量分析。本发明的完成与公开，大大推进了呼吸气丙酮测量技术的进步，是呼吸气丙酮测量技术一步重要的进展。

本发明公开的能够准确测量人呼吸气中丙酮含量的方法和装置，可根据人呼吸气中丙酮含量与糖尿病之间关系用于糖尿病的诊断，即可通过测量分析人呼吸气中丙酮含量，实现对糖尿病的诊断，这种糖尿病的诊断方法，是一种非侵入性的糖尿病诊断方法，完全不同于常规侵入性的检查方法(如刺破手指取液滴)，不会给病人带来任何的不适和疼痛，有助于糖尿病患者的病情控制，饮食控制，药物治疗和生活方式的改变。本发明的测量装置还可用于日常健康检查和糖尿病的临床快速筛选。

本发明的测量装置可集成手持设备，可在日常家庭中使用，用于糖尿病的常规监测。

本发明提供的测量人呼吸气中丙酮含量的方法和装置，也可用于与呼吸气中丙酮含量有特定关系的其它疾病的诊断。

附图说明

图1为丙酮代谢示意图。

图2为本发明的呼吸气丙酮测量装置结构示意图。

图3为图2中的导入光纤、接口装置和中空光纤管之间的联接结构示意图。

图4为图3中A-A向断面结构示意图。

图5为紫外光谱区丙酮典型光谱图。

图6为信号强度与传统光源、丙酮浓度的多谱图。

图7为呼吸气丙酮含量定量测定的标准曲线图。

上述附图中各图示标号表识的对象分别为：1-光源；2-聚焦透镜；3-光纤；4-接口装置；5-中空光纤管；6-聚焦透镜；7-光纤；8-光检测器；9-控制与数据处理器；10-光纤芯；11-支架；12-管连接头；13-控制阀门；14-支管；15-呼吸嘴。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施例，并通过实施例对本发明作进一步的具体描述。有必要在此指出，下面的实施例只是用于更好地阐述本发明的工作原理及其实际应用，以便于其它领域的技术人员将本发明用于其领域的各种设施中，并根据各种特定用途的设想进行改进。尽管本发明已通过文字揭露其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

实施例

本实施例用于测量呼吸气中丙酮的装置，其结构如图2、图3和图4所示。以能连续发射波长在200-400nm范围紫外光的氘灯为测量光源1，测量光源发射的紫外测量光经第一聚焦透镜2聚焦后，由第一光束传导光纤3导入安装在接口装置4内、注入有呼吸气样品气体的同时作为吸收池与光传播波导管的中空光纤管5，穿过中空光纤管内呼吸气样品气体透射出来的测量光，经第二聚焦透镜6再聚焦后由第二光束传导光纤7传导给作为光检测器的光二极管8，光二极管8与作为控制与处理器的计算机系统9信号连接，将光二极管8检测到的穿过呼吸气样品气体透射出来的测量光吸收光谱信号送入计算机系统，计算机系统将光二极管检测到的吸收光谱数据信号与事先测到存入计算机储存器的、已知丙酮浓度的含丙酮混合气的吸收光谱数据信号进行比较，得出呼吸气样品气体中的丙酮含量。其中作为测量光传导器件的光纤，长度约50cm，直径约1mm。第一光束传导光纤3与中空光纤管5的具体连接，在接口装置4的空腔内，光纤的前端剥除塑料包层露出光纤芯，光纤芯并通过支架11插入安装在中空光纤管的中央内，使光纤芯耦合到中空光纤管内。呼吸气样品气体由采集装置采集到后注入作为吸收池的中空光纤管5，呼吸气样品气体采集装置由设计有呼吸嘴15的进口管、用于排放来自气管和支气管“死空间空气”的支管14和输送管构成，且在进口管、支管和输送管对接处设置有控制进口管与支管或输送管贯通或截断的控制阀13，以保证注入吸收池内的呼吸气样品气体为来自于肺部深处的呼吸气体，真实地测量出呼吸气体中的丙酮含量。呼吸气样品气体采集装置的输送管通过管接头12与接口装置4的呼吸气样品气体注入接管联接。

采用本发明的呼吸气丙酮测量装置测量呼吸气中丙酮含量的操作过程如下：先操作控制阀13将呼吸气样品气体采集装置的进口管与支管14调整至呈贯通状态，进口管与输送管呈截断状态，开通呼吸气丙酮测量装置的测量光源、光检测器、计算机系统等其他构成部分，测量装置调整好后，让呼吸气丙酮检者用嘴含住进口管的呼吸嘴15呼出呼吸气，让先呼出的前150ml左右呼吸气体从支管14排出，之后立即调整控制阀13，将进口管与支管14截断，进口管与输送管贯通，让在后呼出的来自于肺部深处的剩余呼吸气，即呼吸气样品气体，约350ml注入作为入吸收池与波导管的中空光纤管内5，测量光源1产生的测量光束经透镜2聚焦后，由光纤3将测量光导入中空光纤管，测量光穿过中空光纤管内的呼吸气样品气体透射出来，再经透镜6聚焦后由光纤7传导给光检测器8，由光检测器检测出呼吸气样品气体吸收光谱信号，光检测器将检测到的呼吸气样品气体的吸收光谱信号输送给计算机系统9，由计算机系统将检测到的吸收光谱数据信号与事先测到存入计算机储存器的、已知丙酮浓度的含丙酮混合气的吸收光谱数据信号进行比较，得出呼吸气样品气体中的丙酮含量。

图5显示了波长220nm-320nm范围内的紫外光丙酮的典型吸收轮廓，为本发明提供了参考信息。图6显示了信号强度与传统窄线光源、丙酮浓度的多重光谱图。用不同波长的线光源，如267nm，285nm，279nm，对不同浓度的丙酮进行测量，如图6所示。

发明人采用本发明的测量装置，对一系列不同质量浓度的丙酮-空气混合气标准样本进行测量，制作了一条标准曲线。测量时使用质量流量控制器进行浓度稀释。图7显示了信号强度与丙酮浓度的标准工作曲线。如图7所示，丙酮信号强度随着其浓度的增加而升高，可根据制作的这个标准工作曲线进行呼吸气丙酮浓度的定量测量。

上面以文字和附图说明的方式阐释了本发明的结构和使用方法，并非详尽无遗或限制于上述所述具体形式，显而易见可根据上面所述进行适当的修改和优化。

Claims (8)

1.一种呼吸气中丙酮的测量方法，其特征在于包括：

（1）将采集到的呼吸气样品气体注入呼吸气丙酮测量装置中作为紫外光吸收池的中空光纤管；

（2）将波长200-400nm的紫外光测量光导入呼吸气丙酮测量装置中作为紫外光吸收池的中空光纤管，通过测量从紫外光吸收池中空光纤管透射出来的光测量出呼吸气样品气体的吸收光谱；

（3）将步骤（2）得到的呼吸气样品气体的吸收光谱与已知丙酮浓度的含丙酮混合气的吸收光谱进行比较，得出呼吸气样品中的丙酮含量。

2.实施权利要求1所述方法的呼吸气丙酮测量装置，其特征在于包括呼吸气样品气体采集装置、紫外光光源装置、作为紫外光吸收池的中空光纤管、光检测器和信号处理控制器，中空光纤管与呼吸气样品气体采集装置管连接，紫外光光源装置通过光纤与中空光纤管一端连接，将紫外光光源装置发射出的紫外光导入中空光纤管，中空光纤管的另一端通过光纤与光检测器连接，将穿过中空光纤管内呼吸气样品气体透射出来的测量光传导给光检测器，光检测器与信号处理控制器信号连接，将光检测器检测得到的呼吸气样品气体吸收光谱信号与已知丙酮浓度的含丙酮混合气的吸收光谱进行比较，得出呼吸气样品气体中的丙酮含量，所述紫外光光源为能发射波长在200-400nm范围的紫外光光源，所述呼吸气样品气体采集装置的气体输送管路上设计有由控制阀控制闭通的三通接管。

3.根据权利要求2所述的呼吸气丙酮测量装置，其特征在于紫外光光源为连续光源、窄带光源或线光源。

4.根据权利要求3所述的呼吸气丙酮测量装置，其特征在于紫外光光源为以脉冲模式或连续模式发出紫外光的光源。

5.根据权利要求2至4之一所述的呼吸气丙酮测量装置，其特征在于所述中空光纤管，其直径为0.1mm至10mm，长度为3cm至5000cm。

6.根据权利要求2至4之一所述的呼吸气丙酮测量装置，其特征在于紫外光光源发出的紫外光经透镜聚焦由光纤导入中空光纤管，穿过呼吸气样品气体从中空光纤管透射出来的测量光经透镜聚焦后由光纤导入光检测器。

7.根据权利要求2至4之一所述的呼吸气丙酮测量装置，其特征在于将紫外光导入中空光纤管，光纤是通过将光纤芯插入中空光纤管内实现与中空光纤管连接。

8.根据权利要求7所述的呼吸气丙酮测量装置，其特征在于剥除包层的光纤芯通过支架设置在中空光纤管的中央。

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