CN102944448A

CN102944448A - 人体呼吸气体现场采样装置

Info

Publication number: CN102944448A
Application number: CN2012104481340A
Authority: CN
Inventors: 王平; 赵聪; 王镝; 陈星�; 王林; 邹莹畅; 张轩朗; 张希; 陈辰星; 安超
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-02-27

Abstract

本发明公开了一种人体呼吸气体现场采样装置，它包括：呼吸采样一次性吹嘴、储气腔、加热套管、吸附管、突破体积控制单元、单片机、干燥瓶、质量流量控制器、微型真空泵；本发明实现了对人体呼出气体中挥发性有机化合物的采样和富集，呼吸采样一次性吹嘴实现了对人呼吸气流走向的控制，储气腔的引入自动去除了人体无效解剖腔部分的气体干扰，突破体积控制单元精确控制采样时吸附管中吸附剂的突破体积性能，质量流量控制器实现了对采样流量的精确控制和测量。

Description

人体呼吸气体现场采样装置

技术领域

本发明涉及一种人体生理参数采样装置，特别涉及一种人体呼吸气体现场采样装置。

背景技术

目前，国内外广泛采用气袋进行呼吸气体的采样，这种方法虽然简便易行，但是难以避免气袋材料的污染。因为呼吸气体中的VOCs（Volatile Organic Compounds，挥发性有机化合物）含量很低，仅为ppb-ppt级，所以气袋轻微的污染都会对呼吸气体样本造成很大的影响，并直接影响呼吸样本检测结果。同时，呼吸气体中含有大量的高沸点VOCs，它们在常温下极易冷凝。而气袋在采样和搬运过程中，难以保持高温，势必有大量VOCs凝结在气袋壁上，造成样本的流失。此外，因为呼吸气体中的VOCs含量很低，需要进行富集后才能进行检测，而气袋本身并无富集功能，需要外接富集单元。在这种情况下，气袋相当于呼吸气体采样富集的冗余环节，很容易引入干扰。

进一步地，采样环境的温度对吸附管中吸附剂的突破体积（Breakthrough Volume）值有直接影响，突破体积表征了吸附剂对VOCs的捕获吸附能力，若不加以严格控制，将无法保证在每次采样时吸附剂的突破体积值的一致性，会造成呼吸样本检测结果的不准确。目前国外虽有呼吸气体采集装置的报道，但都未对吸附管中吸附剂的突破体积进行控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有国际上该研究方法和装置的不足，提供一种人体呼吸气体现场采样装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种人体呼吸气体现场采样装置，对呼出气体中的VOCs进行富集采样。它包括：呼吸采样一次性吹嘴、储气腔、加热套管、吸附管、突破体积控制单元、单片机、干燥瓶、质量流量控制器、微型真空泵；所述呼吸采样一次性吹嘴与储气腔相连，储气腔外部包裹加热套管，储气腔通过聚四氟乙烯连接件与吸附管相连，吸附管周围包裹突破体积控制单元，吸附管、干燥瓶、质量流量控制器和微型真空泵依次通过硅胶管相连，加热套管、突破体积控制单元、质量流量控制器和微型真空泵均与单片机相连，由单片机控制。其中，所述呼吸采样一次性吹嘴包括：咬嘴、三通管、第一单向阀和第二单向阀；所述突破体积控制单元包括：铝块上盖、铝块下盖、半导体制冷片、散热片和风扇。

本发明相对于现有技术，具有以下技术效果：本发明提供的一种人体呼吸气体现场采样装置，实现了对人体呼吸气体的准确、无污染、自动化采样和富集，呼吸采样吹嘴保证装置采得的是人体的呼出气体，长管形储气腔结构自动去除了无效解剖腔的干扰气体，储气腔外壁包裹加热套管保持40℃防止VOCs冷凝，突破体积控制单元通过精确控制吸附管中的吸附剂温度来保证每次采样中吸附剂突破体积性能的一致性，质量流量控制器精确控制和记录采样流量，单片机程序自动精确控制采样过程，最终人的呼出气体被富集在吸附管中，方便储存和运输，且不会损失呼吸样本的原始信息。

附图说明

图1是人体呼吸气体现场采样装置的系统结构图；

图2是呼吸采样一次性吹嘴结构图；

图3是呼吸采样一次性吹嘴剖面结构图；

图4是呼吸采样单向阀的结构图；

图5是突破体积控制单元的结构图；

图6是人体呼吸气体现场采样装置的软件流程图；

图中，呼吸采样一次性吹嘴1、储气腔2、加热套管3、支架4、聚四氟乙烯连接件5、吸附管6、突破体积控制单元7、单片机8、干燥瓶9、质量流量控制器10、微型真空泵11、仪器底板12、仪器前面板13、液晶14、控制按钮15、咬嘴16、三通管17、第一单向阀18、第二单向阀19、第一单向装置20、带孔薄膜21、第二单向装置22、铝块上盖23、铝块下盖24、半导体制冷片25、散热片26、风扇27。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明一种人体呼吸气体现场采样装置包括：呼吸采样一次性吹嘴1、储气腔2、加热套管3、吸附管6、突破体积控制单元7、干燥瓶9、质量流量控制器10、微型真空泵11。其中，所述呼吸采样一次性吹嘴1与储气腔2相连，储气腔2外部包裹加热套管3，储气腔2通过聚四氟乙烯连接件5与吸附管6相连，吸附管6周围包裹突破体积控制单元7，吸附管6、干燥瓶9、质量流量控制器10和微型真空泵11依次通过硅胶管相连，加热套管3、突破体积控制单元7、质量流量控制器10和微型真空泵11均与单片机8相连，由单片机8控制。

被试者通过呼吸采样一次性吹嘴1向储气腔2中吹入呼出气体，由于储气腔2的细长管型结构，呼出气体在其中以圆柱状分布，来自口腔和上呼吸道等无效解剖腔的气体先于参与肺泡气体交换过的肺底气体被呼出，故在储气腔2靠近被试者一端开辟一采样口可采集到肺底气体。同时储气腔2被加热套管3包裹保持40℃，可防止VOCs在管壁上冷凝。储气腔2由支架4支撑并调节到合适被试者呼吸采样的高度。

被试者呼出的肺底气体在微型真空泵11的带动下，经过吸附管6被填充于其中的吸附剂富集，质量流量控制器10控制采样的流速并同时计算采样的累积流量，当累积流量达到要求，装置自动停止呼吸气体采样。质量流量控制器10前接入干燥瓶9，干燥瓶9中装有硅胶干燥剂，以去除呼出气体中的水蒸气，保护质量流量控制器10中的流量传感器。在采样过程中，突破体积控制单元7工作使得吸附管6内吸附剂温度保持在20℃，保证在每次采样中环境温度的变化不会对吸附剂突破体积性能造成影响。干燥瓶9、质量流量控制器10、微型真空泵11安装在仪器底板12上，液晶14和控制按钮15安装在仪器前面板13上，操作人员可以方便地从液晶14上得知装置的工作状态，并且可以通过控制按钮15控制装置的采样过程。

如图2和图3所示，呼吸采样一次性吹嘴1包括：咬嘴16、三通管17、第一单向阀18和第二单向阀19。其中，三通管17左端连接咬嘴16，右端连接第一单向阀18，下端连接第二单向阀19。被试者将咬嘴16含在口腔内，通过三通管17下端的第二单向阀19吸气，通过三通管17右端的第一单向阀18呼气，吸气和呼气时的气流走向分别如图3中实线和虚线箭头所示。三通管17右端的第一单向阀18直接连接储气腔2，确保进入储气腔2的完全是人的呼出气体。此外，呼吸采样一次性吹嘴1为一次性使用物品，确保被试者之间不会交叉感染。

如图4所示，第一单向阀18和第二单向阀19包括：第一单向装置20、带孔薄膜21、第二单向装置22。其中，第一单向装置20是中通结构，第二单向装置22一面有挡板，挡板上有两个半圆形孔，带孔薄膜21中间有一小孔，小孔直径小于第二单向装置22挡板上两个半圆形孔之间的距离。第一单向装置20一端有四个小凸起结构，与第二单向装置22挡板上的四个凹槽紧密配合，将带孔薄膜21夹在两者之间。当气流从第一单向装置20流向第二单向装置22时，带孔薄膜21向第二单向装置22方向鼓起，由于第二单向装置22有挡板，带孔薄膜21的小孔被挡板堵死，气流无法通过；当气流从第二单向装置22流向第一单向装置20时，带孔薄膜21向第一单向装置20方向鼓起，由于第一单向装置20是中通结构，气流可顺利通过带孔薄膜21的小孔，如此达到单向通气的目的。由于带孔薄膜21是软性塑料薄膜结构，单向阀18对气体的阻力很小，即便是身体虚弱的被试者也可以轻易地完成吹气过程。

如图5所示，突破体积控制单元7包括：铝块上盖23、铝块下盖24、半导体制冷片25、散热片26和风扇27。其中，铝块上盖23和铝块下盖24通过上下扣合紧密包裹吸附管6，半导体制冷片25的制冷面通过导热硅胶贴附在铝块下盖24之下，半导体制冷片25的散热面通过导热硅胶贴附在散热片26之上，散热片26与风扇27相连，增加散热的效果。在采样过程中，突破体积控制单元7在单片机8的控制下精确保持在20℃，确保了每次呼吸采样时吸附剂突破体积性能的一致性。并且在20℃时，吸附剂对呼吸样本中VOCs的突破体积值较大，表示此时吸附剂对VOCs的捕获和吸附能力较强，有利于提高呼吸采样和富集的效果。

所述质量流量控制器10精确控制呼吸气体采样的瞬时流量，并记录采样的累积流量。当累积流量值满足采样要求时，通知单片机8停止采样。质量流量控制器10可采用北京七星华创公司CS200系列质量流量控制器，只要所用装置能够精确控制气体采样的瞬时流量并记录累积流量即可，故不限于此。

如图6所示，人体呼吸气体现场采样装置软件流程如下：开机后软件先完成各个部件的初始化，此后对加热套管3和突破体积控制单元7的温度进行控制。当温度达到要求并且稳定后，单片机8接通微型真空泵11的控制端，等待采样开始。当操作人员按下控制按钮15时采样开始，质量流量控制器10精确控制呼吸气体采样的瞬时流量，并记录采样的累积流量。当累积流量值大于1L时，采样结束，单片机8自动断开微型真空泵11的控制端并复位控制按钮15。如此完成一次呼吸气体现场采样，此后装置返回初始状态等待下一次采样。软件按照所用的美国德州仪器公司MSP430F169单片机的技术手册，采用标准C430语言编写。

人体呼吸气体现场采样装置的工作过程如下：在装置开机前先将呼吸采样一次性吹嘴1连接到储气腔2，吸附管6装入突破体积控制单元7，吸附管6一端通过聚四氟乙烯连接件5接到储气腔2，另一端通过硅胶管连到干燥瓶9。开机预热完成后，被试者戴上鼻夹，端坐于装置前，嘴巴咬住呼吸采样一次性吹嘴1的咬嘴16，通过口腔呼吸。操作人员按下控制按钮15，采样过程开始，质量流量控制器10自动控制采样的瞬时流量，并记录采样的累积流量。当累积流量大于1L时，采样自动结束，被试者可离开，操作人员更换新的呼吸采样一次性吹嘴1和吸附管6，开始下一位被试者的呼吸采样。

Claims

1.一种人体呼吸气体现场采样装置，其特征在于，它包括：呼吸采样一次性吹嘴（1）、储气腔（2）、加热套管（3）、吸附管（6）、突破体积控制单元（7）、单片机（8）、干燥瓶（9）、质量流量控制器（10）和微型真空泵（11）等；其中，所述一次性吹嘴（1）与储气腔（2）相连，储气腔（2）外部包裹加热套管（3），储气腔（2）通过聚四氟乙烯连接件（5）与吸附管（6）相连，吸附管（6）周围包裹突破体积控制单元（7），吸附管（6）、干燥瓶（9）、质量流量控制器（10）和微型真空泵（11）依次通过硅胶管相连，加热套管（3）、突破体积控制单元（7）、质量流量控制器（10）和微型真空泵（11）均与单片机（8）相连，由单片机（8）控制。

2.根据权利要求1所述人体呼吸气体现场采样装置，其特征在于，所述呼吸采样一次性吹嘴（1）包括：咬嘴（16）、三通管（17）、第一单向阀（18）和第二单向阀（19）等；其中，三通管（17）为一管状三通结构，左端连接一个咬嘴（16）、右端连接第一单向阀（18）、下端连接第二单向阀（19），第一单向阀（18）和第二单向阀（19）所允许通过的气流走向相反。

3.根据权利要求2所述人体呼吸气体现场采样装置，其特征在于，所述第一单向阀（18）和第二单向阀（19）均包括：第一单向装置（20）、带孔薄膜（21）和第二单向装置（22）等；其中，第一单向装置（20）与第二单向装置（22）紧密配合，将带孔薄膜（21）夹在两者之间，同时带孔薄膜（21）上的小孔紧贴在第二单向装置（22）的挡板上。

4.根据权利要求1所述人体呼吸气体现场采样装置，其特征在于，所述突破体积控制单元（7）包括：铝块上盖（23）、铝块下盖（24）、半导体制冷片（25）、散热片（26）和风扇（27）等；其中，铝块上盖（23）和铝块下盖（24）通过上下扣合紧密包裹吸附管（6），半导体制冷片（25）的制冷面通过导热硅胶贴附在铝块下盖（24）之下，半导体制冷片（25）的散热面通过导热硅胶贴附在散热片（26）之上，散热片（26）与风扇（27）相连。