CN102841082B - 双信号肺癌呼出气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双信号肺癌呼出气体检测系统，包括荧光检测装置、可见光检测装置、气体反应装置和光谱仪；荧光检测装置包括光纤探头、激发光源支撑台、电机Ⅰ、激发光源转换台、滤光片安装板和旋转轴Ⅰ；可见光检测装置包括LED光源板和摄像头；气体反应装置包括电机Ⅱ、气体反应室、反应台、旋转轴Ⅱ、卟啉传感器片子、气泵和驱动电机Ⅱ水平移动的驱动机构；气体反应室位于荧光检测装置和可见光检测装置之间，气体反应室高于LED光源板和激发光源转换台并低于摄像头和滤光片安装板。本发明采用荧光光谱和可见光颜色两种信号同时测量，通过交叉响应进行检测，检测快速，灵敏度高，大大提高了检测的准确度，而且价格便宜，操作简单。

Description

双信号肺癌呼出气体检测系统

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，尤其涉及一种双信号肺癌呼出气体检测系统。

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。

传统的肺癌检测方法主要有：1.使用大型仪器：X片、CT、PET等，价格昂贵，普通人难以接受；2.痰检：准确率很低；3.活检：有创、一般是CT等大型仪器检测疑似后才考虑；4.常规呼出气体检测：临床还未见应用，还在实验阶段，需使用气相色谱（GC）、气—质联用等技术，且操作复杂、耗时较长，设备也很昂贵，误差较大。

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一种价格便宜，操作简单，检测快速，灵敏度高，能有效提高准确度的双信号肺癌呼出气体检测系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

双信号肺癌呼出气体检测系统，包括荧光检测装置、可见光检测装置、气体反应装置和光谱仪；

所述荧光检测装置包括光纤探头、激发光源支撑台、电机Ⅰ、激发光源转换台、滤光片安装板和旋转轴Ⅰ；所述电机Ⅰ固定在激发光源支撑台上，所述旋转轴Ⅰ穿过激发光源转换台和滤光片安装板并与激发光源转换台和滤光片安装板固定配合，旋转轴Ⅰ由电机Ⅰ驱动转动；所述激发光源转换台上设有至少三个与旋转轴Ⅰ等距离、且不同波长的激发光源，在滤光片安装板上设有与激发光源数量相等的滤光片，所述滤光片安装板上的滤光片与激发光源转换台上的激发光源在旋转轴Ⅰ的轴向上一一对应；所述光纤探头固定在激发光源支撑台上并与滤光片安装板上的滤光片的旋转轨迹对应；所述光纤探头通过光纤与光谱仪连接；

所述可见光检测装置包括LED光源板和摄像头；所述LED光源板的一侧设有一半圆孔，所述LED光源板上设有多个与半圆孔等距离的LED灯，所述摄像头位于LED 光源板的正上方；

所述气体反应装置包括电机Ⅱ、气体反应室、反应台、旋转轴Ⅱ、卟啉传感器片子、气泵和驱动电机Ⅱ水平移动的驱动机构；所述反应台位于气体反应室内，旋转轴Ⅱ穿过气体反应室的底部并与其转动、且密封配合，所述反应台固定在旋转轴Ⅱ的端部，旋转轴Ⅱ由电机Ⅱ驱动；所述卟啉传感器片子可拆卸的设置在反应台上，所述卟啉传感器片子上均布设有数个与旋转轴Ⅱ等距离的卟啉传感器；所述气体反应室的底部和气体反应室的顶盖均由透明材料制成，气体反应室上设有进气口和出气口，所述气泵与进气口连接；

所述气体反应室位于荧光检测装置和可见光检测装置之间，气体反应室的位置高度高于LED光源板和激发光源转换台，所述气体反应室的位置高度低于摄像头和滤光片安装板。

作为本发明的一种优选方案，所述驱动机构包括电机Ⅲ、底座、滑块、螺母块、导向杆和丝杆；所述导向杆固定设置在底座的上方，丝杆可转动的设置在底座的上方并由电机Ⅲ驱动转动，导向杆与丝杆平行，所述滑块和螺母块固定在电机Ⅱ的基座的下方并与底座滑动配合，滑块套在导向杆上并与其滑动配合，所述螺母块旋套在丝杆上。

作为本发明的另一种优选方案，所述电机Ⅱ安装在滑动工作台上，所述滑块和螺母块固定在滑动工作台的下方；在底座的一侧边上设有三个激光二极管，所述滑动工作台的侧边上设有光电管，所述光电管在滑动工作台移动过程中可与三个激光二极管依次对应；所述荧光检测装置和可见光检测装置与底座上靠近两端的两个激光二极管在竖直方向上一一对应。

作为本发明的又一种优选方案，所述气体反应室的顶盖通过磁铁吸附在气体反应室上并与气体反应室的顶部密封配合。

作为本发明的一种改进方案，还包括ARM芯片，所述ARM芯片分别与光谱仪、摄像头和PIC单片机连接，所述电机Ⅰ、电机Ⅱ、电机Ⅲ、气泵、激发光源、LED灯和激光二极管均由PIC单片机控制。

与现有技术相比，本发明的双信号肺癌呼出气体检测系统具有如下优点：

1、本发明采用荧光光谱和可见光颜色两种信号同时测量，通过交叉响应进行检测，检测快速，灵敏度高，大大提高了检测的准确度，而且价格便宜，操作简单。

2、气体反应装置中采用电机驱动反应台转动，可以使待测的肺癌呼出气体在气体反应室中均匀分布，而无需像其他的一些气体检测装置那样设计复杂的反应室来控制气体的流速、平流等进而使气体能均匀分布在反应室中。

3、卟啉传感器片子上的卟啉传感器是专门针对肺癌呼出标志性气体设计的多种卟啉，这些卟啉与肺癌标志气体反应后会反生相应的荧光及可见光的改变。卟啉传感器片子上使用不同的敏感材料可用于检测不同的气体，并不限于肺癌呼出气体，也可以是氨气、二氧化硫、甲醛等工业、环境安全等其它的挥发性气体检测，系统检测气体浓度可达ppb级。

附图说明

图1为双信号肺癌呼出气体检测系统的结构示意图；

图2为外壳的结构示意图；

图3为激发光源支撑台的结构示意图；

图4为电机Ⅰ的结构示意图；

图5为激发光源连接轴的结构示意图；

图6为激发光源转换台、滤光片安装板和旋转轴Ⅰ配合的结构示意图；

图7为激发光源的结构示意图；

图8为LED光源板的结构示意图；

图9为反应台和旋转轴Ⅱ配合的结构示意图；

图10为卟啉传感器片子的结构示意图；

图11为气体反应室的结构示意图；

图12为气体反应室顶盖的结构示意图；

图13为底座、导向杆和丝杆配合的结构示意图；

图14为滑动工作台的结构示意图。

附图中： 1—光纤探头； 2—激发光源支撑台； 3—电机Ⅰ； 4—激发光源； 5—激发光源转换台； 6—滤光片安装板； 7—旋转轴Ⅰ； 8—滤光片； 9—光谱仪； 10—LED光源板； 11—摄像头； 12—半圆孔； 13—LED灯； 14—电机Ⅱ； 15—气体反应室； 16—反应台； 17—旋转轴Ⅱ； 18—卟啉传感器片子； 19—气泵； 20—卟啉传感器； 21—顶盖； 22—进气口； 23—出气口； 24—电机Ⅲ； 25—底座； 26—滑块； 27—螺母块； 28—导向杆； 29—丝杆； 30—滑动工作台； 31—激光二极管； 32—光电管； 33—磁块； 34—外壳； 35—液晶屏； 36—活动盖； 37—光纤探头安装板； 38—电机安装板； 39—连接板； 40—行星减速器； 41—激发光源连接轴； 42—动力输出轴； 43—定位销孔； 44—圆台； 45—行星减速器； 46—联轴器； 47—片子定位销； 48—定位孔； 49—行星减速器； 50—联轴器； 51—支撑板； 52—光谱仪固定台。

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，双信号肺癌呼出气体检测系统，包括荧光检测装置、可见光检测装置、气体反应装置、光谱仪9、ARM芯片和外壳34。外壳34的结构如图2所示，荧光检测装置、可见光检测装置、气体反应装置和ARM芯片均安装在外壳34内，光谱仪9通过光谱仪固定台52固定在外壳34的内壁上。外壳34的正面板上安装有用于触摸、控制和显示的液晶屏35，在外壳34的顶部设有一凹腔，凹腔内设有一更换卟啉传感器片子18的活动盖36（通过该活动盖36可完成换片工艺）。液晶屏35用于人机交互，与ARM芯片连接，若使用USB将系统与计算机连接，则液晶屏35将自动关闭，相关的数据分析也将由安装在计算机上的软件进行分析处理。

其中，荧光检测装置包括光纤探头1、激发光源支撑台2、电机Ⅰ3、激发光源转换台5、滤光片安装板6、旋转轴Ⅰ7和激发光源连接轴41。激发光源支撑台2的结构如图3所示，激发光源支撑台2的顶部为光纤探头安装板37，激发光源支撑台2的底部为电机安装板38，在激发光源支撑台2的背面具有一连接板39，通过该连接板39的螺栓孔将该激发光源支撑台2固定连接在外壳34的内壁上。电机Ⅰ3采用步进电机，如图4所示，该步进电机带有行星减速器40，电机Ⅰ3安装在电机安装板38上，行星减速器40的动力输出轴42向上。激发光源连接轴41为中空结构，如图5所示，激发光源连接轴41的底部套在行星减速器40的动力输出轴42上，旋转轴Ⅰ7穿过激发光源转换台5和滤光片安装板6并与激发光源转换台5和滤光片安装板6固定配合，旋转轴Ⅰ7的底部插入激发光源连接轴41的顶部孔内，通过在激发光源连接轴41上设置的定位销孔43内插入锁紧定位销并将旋转轴Ⅰ7固定在激发光源连接轴41上，旋转轴Ⅰ7由电机Ⅰ3驱动转动。激发光源转换台5和滤光片安装板6的结构如图6所示，激发光源转换台5和滤光片安装板6均位于光纤探头安装板37和电机安装板38之间形成的空腔内，光纤探头安装板37和电机安装板38相互平行。激发光源转换台5上设有至少三个与旋转轴Ⅰ7等距离、且不同波长的激发光源4（本实施例中，在激发光源转换台5上设有三个激发光源4），激发光源的结构如图7所示，所有的激发光源4均位于激发光源转换台5上的一个半圆周上。在滤光片安装板6上设有与激发光源4数量相等的滤光片8（本实施例中，在滤光片安装板6上设有三个滤光片8），所有的滤光片8均位于滤光片安装板6上的一个半圆周上，滤光片安装板6上的滤光片8与激发光源转换台5上的激发光源4在旋转轴Ⅰ7的轴向上一一对应。在光纤探头安装板37上设有带有螺纹孔的圆台44，光纤探头1安装在圆台44上并与滤光片安装板6上的滤光片8的旋转轨迹在竖直方向上对应，光纤探头1通过光纤与光谱仪9连接。通过光纤探头1将透过滤波片8的荧光光谱信号输入光谱仪9，光谱仪9将测得的光谱数据送入ARM芯片。

可见光检测装置包括LED光源板10和摄像头11。LED光源板的结构如图8所示，LED光源板10的一侧设有一半圆孔12，LED光源板10上设有多个与半圆孔12等距离的LED灯13，摄像头11位于LED 光源板10的正上方，摄像头11与ARM芯片连接，摄像头11将可见光颜色信号（即图像数据）送入ARM芯片。

气体反应装置包括电机Ⅱ14、气体反应室15、反应台16、旋转轴Ⅱ17、卟啉传感器片子18、气泵19和驱动电机Ⅱ14水平移动的驱动机构。反应台16位于气体反应室15内，旋转轴Ⅱ17穿过气体反应室15的底部并通过密封轴承与气体反应室15的底部转动、且密封配合，反应台16固定在旋转轴Ⅱ17的端部，反应台16和旋转轴Ⅱ17连接的结构如图9所示。电机Ⅱ14采用步进电机，该步进电机带有行星减速器45，旋转轴Ⅱ17的底部通过联轴器46与行星减速器45的动力输出轴连接，旋转轴Ⅱ17由电机Ⅱ14驱动。在反应台16的上表面上设有三个片子定位销47，卟啉传感器片子18的结构如图10所示，在卟啉传感器片子18上设有与三个片子定位销47配合使用的定位孔48，该卟啉传感器片子18放置在反应台16上，三个片子定位销47分别插入对应的定位孔48中，进而使卟啉传感器片子18可拆卸的设置在反应台16上，卟啉传感器片子18上均布设有数个与旋转轴Ⅱ17等距离的卟啉传感器20。气体反应室15的底部和气体反应室的顶盖21均由透明材料制成，气体反应室15的结构如图11所示，顶盖21的结构如图12所示，在气体反应室15的侧壁上设有进气口22和出气口23，气泵19与进气口22连接。在该气体反应室15内通入肺癌呼出气体，步进电机驱动气体反应室15转动，可以使待测的肺癌呼出气体在气体反应室15中均匀分布，该气体反应装置可使肺癌呼出气体与卟啉传感器20发生反应。

气体反应室15位于荧光检测装置和可见光检测装置之间，气体反应室15的位置高度高于LED光源板10和激发光源转换台5，气体反应室15的位置高度低于摄像头11和滤光片安装板6。驱动机构可驱动气体反应室15移动到荧光检测装置和可见光检测装置。

驱动机构包括电机Ⅲ24（采用步进电机）、行星减速器49、联轴器50、底座25、滑块26、螺母块27、导向杆28（本实施例中，导向杆28为两根）、丝杆29和滑动工作台30。两根导向杆28的两端固定在底座25的两端设置的支撑板51上，丝杆29的两端通过轴承可转动的设置在底座25的两端设置的支撑板51上，丝杆29位于两根导向杆28之间，导向杆28与丝杆29平行，如图13所示，电机Ⅲ24通过行星减速器49和联轴器50驱动丝杆29转动。滑块26和螺母块27固定在滑动工作台30的下方，电机Ⅱ14安装在滑动工作台30上，滑块26和螺母块27均与底座25滑动配合，两根导向杆28上均套有滑块26，滑块26与导向杆28滑动配合，螺母块27旋套在丝杆29上并与丝杆29螺纹配合。在底座25的一侧边上设有三个激光二极管31，滑动工作台30的侧边上设有光电管32（如图14所示），光电管32在滑动工作台30移动过程中可与三个激光二极管31依次对应。荧光检测装置和可见光检测装置与底座25上靠近两端的两个激光二极管31在竖直方向上一一对应。

在气体反应室15的顶部圆周上设有四个凹槽，凹槽内安装有磁铁，在气体反应室15的顶盖21上设有四个与凹槽内安装的磁铁相吸的磁铁33，气体反应室15的顶盖21通过相互吸附的磁铁33吸附在气体反应室15上并通过密封材料与气体反应室15的顶部密封配合。

ARM芯片分别与光谱仪9、摄像头11和PIC单片机（采用PIC16F877A）连接，电机Ⅰ3、电机Ⅱ14、电机Ⅲ24、气泵19、激发光源4、LED灯13和激光二极管31均由PIC单片机控制。ARM芯片和PIC单片机安装在电路板上，电路板安装在外壳34内，ARM芯片作为PIC单片机的上位机使用串口与之通讯。嵌入式系统ARM采用ARM9芯片S3C2440，也可采用其他嵌入式系统芯片。系统预留2个USB接口，其一用于将ARM处理结果及相关数据拷贝出来，另一个可用于与计算机之间的通讯。

使用该双信号肺癌呼出气体检测系统的工作流程：开机自检——通过活动盖36将卟啉传感器片子18放入气体反应室15内——电机Ⅲ24驱动丝杆29带动滑动工作台30及其上的部件从初始工位（中间的激光二极管位置）移动到荧光检测工位（右侧的荧光检测装置）——打开激发光源4，激发光源4在电机Ⅰ3的带动下运用多个激发光源4对反应前的卟啉传感器片子18上的各卟啉传感器20进行激发，并使用光谱仪9将测得的反应前的光谱数据送入ARM芯片——电机Ⅲ24驱动丝杆29带动滑动工作台30及其上的部件从荧光检测工位移动到可见光检测工位（左侧的可见光检测装置）——自动打开LED光源板10上的LED灯13，并打开摄像头11将测得的反应前的图像数据送入ARM芯片——电机Ⅱ14带动反应台16和卟啉传感器片子18旋转180度——使用摄像头11将测得的反应前的图像数据送入ARM芯片，关闭LED灯——将已收集并标准化的待检测的肺癌呼出气体通过气泵19送入气体反应室15——通过电机Ⅱ14带动反应台16和卟啉传感器片子18旋转数分钟，使得待检测的肺癌呼出气体均匀分布于气体反应室15中并与卟啉传感器片子18上的敏感点（即卟啉传感器20）充分反应——打开LED光源板10上的LED灯13，并开启摄像头11将测得的反应后的图像数据送入ARM芯片——电机Ⅱ14带动反应台16和卟啉传感器片子18旋转180度——使用摄像头11将测得的反应后的图像数据送入ARM芯片，关闭LED灯13——电机Ⅲ24驱动丝杆29带动滑动工作台30及其上的部件从可见光检测工位移动到荧光检测工位——打开激发光源4，激发光源4在电机Ⅰ3的带动下运用多个光源对反应后的卟啉传感器片子18上的敏感点（即卟啉传感器20）进行激发，并使用光谱仪9将测得的反应后的数据送入ARM芯片——关闭所有光源——气泵19通氮气清洗整个气体反应室15及气路，回收废气——电机Ⅲ24驱动丝杆29带动滑动工作台30及其上的部件回到初始工位——ARM芯片对荧光和可见光双信号进行分析处理，并给出检测结果。

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 (5)

1.双信号肺癌呼出气体检测系统，其特征在于：包括荧光检测装置、可见光检测装置、气体反应装置和光谱仪（9）；

所述荧光检测装置包括光纤探头（1）、激发光源支撑台（2）、电机Ⅰ（3）、激发光源转换台（5）、滤光片安装板（6）和旋转轴Ⅰ（7）；所述电机Ⅰ（3）固定在激发光源支撑台（2）上，所述旋转轴Ⅰ（7）穿过激发光源转换台（5）和滤光片安装板（6）并与激发光源转换台（5）和滤光片安装板（6）固定配合，旋转轴Ⅰ（7）由电机Ⅰ（3）驱动转动；所述激发光源转换台（5）上设有至少三个与旋转轴Ⅰ（7）等距离、且不同波长的激发光源（4），在滤光片安装板（6）上设有与激发光源（4）数量相等的滤光片（8），所述滤光片安装板（6）上的滤光片（8）与激发光源转换台（5）上的激发光源（4）在旋转轴Ⅰ（7）的轴向上一一对应；所述光纤探头（1）固定在激发光源支撑台（2）上并与滤光片安装板（6）上的滤光片（8）的旋转轨迹对应；所述光纤探头（1）通过光纤与光谱仪（9）连接；

所述可见光检测装置包括LED光源板（10）和摄像头（11）；所述LED光源板（10）的一侧设有一半圆孔（12），所述LED光源板（10）上设有多个与半圆孔（12）等距离的LED灯（13），所述摄像头（11）位于LED 光源板（10）的正上方；

所述气体反应装置包括电机Ⅱ（14）、气体反应室（15）、反应台（16）、旋转轴Ⅱ（17）、卟啉传感器片子（18）、气泵（19）和驱动电机Ⅱ（14）水平移动的驱动机构；所述反应台（16）位于气体反应室（15）内，旋转轴Ⅱ（17）穿过气体反应室（15）的底部并与其转动、且密封配合，所述反应台（16）固定在旋转轴Ⅱ（17）的端部，旋转轴Ⅱ（17）由电机Ⅱ（14）驱动；所述卟啉传感器片子（18）可拆卸的设置在反应台（16）上，所述卟啉传感器片子（18）上均布设有数个与旋转轴Ⅱ（17）等距离的卟啉传感器（20）；所述气体反应室（15）的底部和气体反应室的顶盖（21）均由透明材料制成，气体反应室（15）上设有进气口（22）和出气口（23），所述气泵（19）与进气口（22）连接；

所述气体反应室（15）位于荧光检测装置和可见光检测装置之间，气体反应室（15）的位置高度高于LED光源板（10）和激发光源转换台（5），所述气体反应室（15）的位置高度低于摄像头（11）和滤光片安装板（6）。

2.根据权利要求1所述的双信号肺癌呼出气体检测系统，其特征在于：所述驱动机构包括电机Ⅲ（24）、底座（25）、滑块（26）、螺母块（27）、导向杆（28）和丝杆（29）；所述导向杆（28）固定设置在底座（25）的上方，丝杆（29）可转动的设置在底座（25）的上方并由电机Ⅲ（24）驱动转动，导向杆（28）与丝杆（29）平行，所述滑块（26）和螺母块（27）固定在电机Ⅱ（14）的基座的下方并与底座（25）滑动配合，滑块（26）套在导向杆（28）上并与其滑动配合，所述螺母块（27）旋套在丝杆（29）上。

3.根据权利要求2所述的双信号肺癌呼出气体检测系统，其特征在于：所述电机Ⅱ（14）安装在滑动工作台（30）上，所述滑块（26）和螺母块（27）固定在滑动工作台（30）的下方；在底座（25）的一侧边上设有三个激光二极管（31），所述滑动工作台（30）的侧边上设有光电管（32），所述光电管（32）在滑动工作台（30）移动过程中可与三个激光二极管（31）依次对应；所述荧光检测装置和可见光检测装置与底座（25）上靠近两端的两个激光二极管（31）在竖直方向上一一对应。

4.根据权利要求1所述的双信号肺癌呼出气体检测系统，其特征在于：所述气体反应室（15）的顶盖（21）通过磁铁（33）吸附在气体反应室（15）上并与气体反应室（15）的顶部密封配合。

5.根据权利要求3所述的双信号肺癌呼出气体检测系统，其特征在于：还包括ARM芯片，所述ARM芯片分别与光谱仪（9）、摄像头（11）和PIC单片机连接，所述电机Ⅰ（3）、电机Ⅱ（14）、电机Ⅲ（24）、气泵（19）、激发光源（4）、LED灯（13）和激光二极管（31）均由PIC单片机控制。