CN102662421A - 一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置，包括单片机、中部设有热电偶Ⅰ的密封腔、耐热黏土棒、气体通道和电加热丝；耐热黏土棒沿密封腔的轴线设置，电加热丝缠绕在耐热黏土棒上，气体通道绕在耐热黏土棒外；密封腔上设有与气体通道的一端内连通、带有热电偶Ⅱ的进风口，密封腔上设有与气体通道的另一端内连通、带热电偶Ⅲ的出风口；热电偶检测信号输入单片机。本发明采用热电偶测温配对密封腔内置的气体通道，对受测者呼出气体进行定温加热，通过控制密封腔内的温度达到控制待测气体的最终温度，保证温度控制的准确性，实时性好，可控性好，可为后续的生化传感器提供定温受测气体，保证其反应所需温度条件和结果的一致性。

Description

一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，尤其涉及一种基于生化传感器的无创肺癌检测装置，应用于患者呼出气体采集及标准化过程。

背景技术

肺癌是目前世界上最常见的恶性肿瘤之一。近三十年以来，尽管人们对肺癌的诊断及治疗有了很大的提高，但肺癌仍是严重威胁人们健康和生命的疾病。肺癌患者就诊时多已属中晚期，失去手术机会。有资料表明：早期诊断和治疗的肺癌，其5年生存率由20%（Ⅲ期）提高至70%（Ⅰ期），进步十分显著。因此肺癌的早期诊断和高危人群的筛选是降低死亡率的关键。

理想的早期诊断工具应具有敏感性和特异性皆良好、设备简单、操作方便、可重复性、检测费用低等的优点。过去肺癌的筛查（尤其在高危人群中）所使用的筛选技术，如传统的X线、痰脱落细胞检查等并没有降低被筛选人群肺癌死亡率。近年出现了一些新技术和新方法，比如胸部X线的计算机辅助图像分析( computer-assisted image analysis of chestradiographs)、基于聚合酶链反应(polymerase chainreaction, PCR )的痰检、荧光支气管镜检(fluorescence bronchoscopy)和螺旋CT(spiral CTscanning)、正电子发射体层成像(positron emissiontomography,PET)，以及分子损伤检测技术等，应用于肺癌早期诊断及分期、动态监测病情方面取得一定进步，但由于其费用昂贵、方法较复杂，技术要求高，目前难以作为常规的肺癌早期诊断及动态监测手段。

呼吸气体诊断（breath test）通过检测人体呼吸气体改变，反映相应组织细胞代谢改变，逐渐成为一种极具发展前景的诊断方法。肺癌检测最大的困难在于肺癌病人呼出气体中VOCS含量小（仅为PPb数量级）。传统的气象色谱质谱联用技术和滴定或者紫外吸收比色法受仪器及检测周期限制，应用受到很大限制。与基于气敏传感器的电子鼻类似的生化传感器技术因其能够实现快速、连续、在线和原位测量而受到广泛关注。

在基于生化传感器的无创肺癌呼吸气体检测中，需要对患者呼出气体进行采集及标准化。这是由于每个人呼出气体温度不同，而生化传感器反应的本质就是化学反应，根据化学反应动力学，反应需要一定的温度，在室温下的反应显然较慢；而反应所处环境温度过高时，则可能导致生化传感器中的生化材料分解失活而丧失功能。同时，如果要保证生化传感器对不同受测对象反应结果的特异性，也需要传感器工作在相对一致的温度（一般为60摄氏度）。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供了一种可以对待测者呼出气体进行实时定温加热，保证受测气体温度相对精确的用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置，包括温控器和单片机；

所述温控器包括密封腔以及设置在密封腔内的耐热黏土棒、气体通道和电加热丝；所述密封腔为圆柱状，耐热黏土棒沿密封腔的轴线设置，所述电加热丝呈螺旋结构缠绕在耐热黏土棒上，所述气体通道呈螺旋结构绕在耐热黏土棒外并与电加热丝间隙配合；所述密封腔的一端上设有与气体通道的一端内连通的进风口，所述密封腔的另一端上设有与气体通道的另一端内连通的出风口；所述密封腔的中部设有检测气体通道所在环境温度的热电偶Ⅰ，所述进风口内设有检测输入气体通道的气体温度的热电偶Ⅱ，所述出风口内设有检测输出气体通道的气体温度的热电偶Ⅲ；

所述热电偶Ⅰ、热电偶Ⅱ和热电偶Ⅲ检测的温度信号输入单片机，所述电加热丝由单片机控制。

作为本发明的一种优选方案，所述温控器至少为两个或两个以上，两个或两个以上的温控器依次串联。

作为本发明的另一种优选方案，所述单片机采用16F877单片机，16F877单片机与上位机通讯。

与现有技术相比，本发明的一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置具有如下优点：

1、本发明采用热电偶测温配对密封腔内置气体通道，对受测者呼出气体进行定温加热；在温度控制方面，通过单片机控制密封腔内的温度达到控制待测气体的最终温度，保证温度控制的准确性。同时，该装置实时性好，可控性好，可为后续的生化传感器提供定温受测气体，保证其反应所需温度条件和结果的一致性。

2、该装置结构简单，易实现模块化，可有效的与呼吸气体检测系统的其他部分无缝衔接工作，从而保证整个呼吸气体检测系统的稳定及快速检验。

附图说明

图1为单个温控器的结构示意图；

图2为三个温控器串联的结构示意图；

图3为温度控制装置的流程图；

图4为单片机控制的流程图。

附图中： 1—温控器； 2—密封腔； 3—耐热黏土棒； 4—气体通道； 5—电加热丝； 6—进风口； 7—出风口； 8—热电偶Ⅰ； 9—热电偶II。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置，包括温控器1和单片机。温控器1包括密封腔2以及设置在密封腔2内的耐热黏土棒3、气体通道4和电加热丝5。密封腔2为圆柱状，耐热黏土棒3沿密封腔2的轴线设置。电加热丝5呈螺旋结构缠绕在耐热黏土棒3上，电加热丝5作为发热件，电加热丝5采用螺旋结构可对密封腔2内的空间进行有效的均匀加热。气体通道4呈螺旋结构绕在耐热黏土棒3外并与电加热丝5间隙配合，螺旋结构的气体通道4旨在延长气体加热距离，并与加热气体良好的接触，增加气体受热时间，提高加热效率；该螺旋结构的气体通道4还可以保证其中的气流稳定，而稳定慢速的气体流动利于气体温度检测及实时控制，保证温度控制精确。密封腔2的一端上设有与气体通道4的一端内连通的进风口6，密封腔2的另一端上设有与气体通道4的另一端内连通的出风口7。密封腔2的中部设有检测气体通道4所在环境温度的热电偶Ⅰ8，进风口6内设有检测输入气体通道4的气体温度的热电偶Ⅱ9，出风口7内设有检测输出气体通道4的气体温度的热电偶Ⅲ。本实施例中，热电偶Ⅰ8、热电偶Ⅱ9和热电偶Ⅲ均采用镍铬——镍硅热电偶，热电偶Ⅰ8、热电偶Ⅱ9和热电偶Ⅲ检测的温度信号输入单片机，电加热丝5由单片机控制，单片机采用16F877单片机，用I/O口对电加热丝5的加热时间进行控制。

温控器1至少为两个或两个以上，两个或两个以上的温控器1依次串联。本实施例采用了三个温控器1串联，如图2所示。由于气体是流动的，一次加热处理很难保证气体温度准确达到要求，故采用多级温控器串联，即使用多个加热装置，将前一级出风口气体的温度作为后一级温度加热装置动作的参考，从而保证最后得到的气体温度。

单片机采用16F877单片机，16F877单片机与上位机通讯。每个温控器1独立工作，均采用16F877单片机控制（即基于PIC的数字PID控制）。其中与PIC进行通信的上位机可以是PC或ARM，采用串行通讯，如图3所示。控制部分主要有输入模块、输出模块、单片机和上位机，其中单片机（即PIC）的作用为核心控制，上位机在程序控制中用于调节PID算法的参数以及反应温度控制的效果。输入模块主要完成对温度信号的采集和转换工作，由温度传感器及其与单片机的接口部分组成。采用镍铬——镍硅热电偶，温度测量电路将变得非常简单。热电偶结构简单，可以测高达1000℃以上的高温；它本身尺寸小，动态响应快，电压信号便于传送。热电偶输出的信号送给模数转换器，模数转化器与单片机相连，就能实现温度值读取等操作。输出模块由光耦、N沟道增强型MOS管（其作为高速开关）及相应电路组成。当单片机的I/O口输出为低电平时光耦导通，MOS管打开，控制电热丝通电加热；反之，当单片机的I/O口输出为高电平时光耦阻断，控制电热丝断电。

首先检测进风口的气体温度，结合目标温度、热交换定律，计算密封腔内所需的温度。采用PID算法进行软件控制，通过单片机与上位机的通讯，监控温度调节品质，并通过设置PID算法的参数保证实际工作中密封腔温度调节精确可控。由热交换定律，可推导出密封腔温度                                               

为待加热气体在加热装置的进口温度

和出口温度

的函数，即可以由

和

计算出要达到这样的加热效果所需的密封腔温度，如图4所示。将密封腔温度

作为本设计的控制对象。本设计的控制核心为16F877单片机，首先由“镍铬——镍硅热电偶”每隔一定时间对

和

进行采样和转换，由

和计算出密封腔的实际理论温度

送给单片机，单片机将输入的温度值与内部指定单元的给定温度值进行比较。如果

，则按照设计好的PID算法对偏差（

）进行运算、处理，得到一个调节量。这里的调节量实际上对应着加热源（电加热丝）打开或断开的时间。同时单片机将

通过串口通讯传送给上位机，动态显示温度控制效果，配合调整PID算法的参数——比例常数（Kp）、积分常数（Ki）和微分常数（Kd），从而保证温度调节的品质。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置，其特征在于：包括温控器（1）和单片机；

所述温控器（1）包括密封腔（2）以及设置在密封腔（2）内的耐热黏土棒（3）、气体通道（4）和电加热丝（5）；所述密封腔（2）为圆柱状，耐热黏土棒（3）沿密封腔（2）的轴线设置，所述电加热丝（5）呈螺旋结构缠绕在耐热黏土棒（3）上，所述气体通道（4）呈螺旋结构绕在耐热黏土棒（3）外并与电加热丝（5）间隙配合；所述密封腔（2）的一端上设有与气体通道（4）的一端内连通的进风口（6），所述密封腔（2）的另一端上设有与气体通道（4）的另一端内连通的出风口（7）；所述密封腔（2）的中部设有检测气体通道（4）所在环境温度的热电偶Ⅰ（8），所述进风口（6）内设有检测输入气体通道（4）的气体温度的热电偶Ⅱ（9），所述出风口（7）内设有检测输出气体通道（4）的气体温度的热电偶Ⅲ；

所述热电偶Ⅰ（8）、热电偶Ⅱ（9）和热电偶Ⅲ检测的温度信号输入单片机，所述电加热丝（5）由单片机控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置，其特征在于：所述温控器（1）至少为两个或两个以上，两个或两个以上的温控器（1）依次串联。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于肺癌检测呼吸气体标准化的温度控制装置，其特征在于：所述单片机采用16F877单片机，16F877单片机与上位机通讯。

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