CN103293122A - 利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法 - Google Patents

Abstract

利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法，其特点是：利用两组不同脉冲重复频率的光梳，彼此拍频使光谱信号降低到微波频率范围，用简易的传统微波检测方法测量人体呼出气在整个光频段上的频谱吸收和位相信息，进而获得气体组分及痕量，通过分析每种气体光谱曲线的成分和相应吸收系数，判断可能病情。本发明利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法可快速一次性、大范围的测量人体呼出气的光谱，实现快速短时测量时间，以及可以实现对实时变化样品的准确测量。具有无创、定量、安全、简单、方便，快速，可重复性等优点，其敏感性及特异性优于传统的支气管镜检查。

Description

利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法

技术领域

本发明涉及一种利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法。属于激光光谱利用技术领域。

背景技术

2006-2010年北京、上海、广州、西安和沈阳5个城市的PM2.5年平均浓度从55μg/m³至182μg/m³不等，是世界卫生组织(WHO)《全球空气质量指南》年平均指导值(10μg/m³)的5～18倍，也是美国环境保护署(EPA)PM2.5年平均标准值(15μg/m³)的4～12倍。2013年1月12日以来，位于北京南三环、奥体中心等监测点的PM2.5实时浓度突破了900μg/m³，西直门污染监测点的监测值更是最高可达993μg/m³。因此，近期由于PM2.5升高导致呼吸疾病门诊及住院患者迅猛增加，严重影响我国居民的身体健康和生活质量。PM2.5与支气管哮喘（简称哮喘）、慢性咳嗽、慢性阻塞性肺疾病、间质性肺炎、矽肺以及肺癌等呼吸疾病的发生密切相关，其中PM2.5毒理作用诱发的支气管炎症及肺泡炎症是呼吸疾病发病的重要病因，是当前临床呼吸内科医师面临的严峻挑战和亟需研究的重点课题。有研究表明，当PM2.5年均质量浓度达到35μg/m³时，人群死亡风险比10μg/m³情况时约增加15%，大气中PM2.5每升高10μg/m³，人群呼吸系统疾病的死亡率则从2.1%增加到3.75%。

人体内的生理反应通常由许多相互作用的生化反应链组成的，并且互相之间由酶和激素来调节。在生化反应链上会产生一些对人体组织有用的物质，同时会产生许多分子终产物和一些过剩的中间产物，这些产物一部分蓄积在血液中，其它可通过肺的呼吸功能和肺的上皮细胞排出。因此，对于人体内特殊的生理反应能够从散布于肺中的痕量气体体现出来。由于每种成分都有其分子特征谱线，呼出气中的一氧化氮（NO）、一氧化碳、水蒸气、氨气等气体分子，通过分析它们的分子光谱，能得出各种组分的浓度，可研究呼吸中随时间变化的标志性的特殊物质，获得相应的病理生理过程情况。

检测呼出气体中的生物分子的痕量可作为气道炎症的标志物，可以为呼吸疾病的诊断和治疗提供科学依据。呼出气一氧化氮(fractional exhaled nitric oxide，FeNO)测定技术是一种无创、定量、安全、简单、方便，快速，具有可重复性，敏感性及特异性优于传统的支气管镜检查。2011年美国胸科学会推荐的FeNO临床指南指出：FeNO与血液中的炎症细胞计数呈高度正相关；在哮喘患者FeNO含量与气道炎症的严重程度呈高度正相关；FeNO与支气管镜下黏膜活检及气道激发试验有良好的相关性；FeNO能够预测个体患者对糖皮质激素的治疗反应性。美国胸科学会的FeNO临床指南推荐：使用FeNO可监测哮喘患者的气道炎症，FeNO可用于哮喘诊断、慢性咳嗽的诊断及监测，还可以预测气道高反应性，以及FeNO可作为呼吸系统疾病糖皮质激素治疗的指证及其治疗效果评估的指标。

而现有用于气体分析的常规光学检测方法有化学光谱法、中子活化分析法、质谱法、分光光度法、极谱法，以及分子吸收光谱法，其中以分子吸收光谱法的灵敏度和精密度最高，广泛应用于测定高纯材料中的痕量分析。但是，分子吸收光谱分析中由于化学组分干扰产生系统误差，同时，由于光散射产生较强的背景干扰信号。此外，基于色散型谱仪的吸收光谱技术大都是在高色散元件后用大面积探测器阵列记录光谱，光谱探测精度和谱宽范围相互牵制，扫描时间大都过长、扫描精度难控制、仪器过于庞大笨重、造价偏高。

目前，采用高分辨光学技术针对PM2.5与呼吸疾病发病的研究极少，在临床中尚无非创伤性、直接检测气道炎症的有效方法。

光学频率梳，即“光梳”，在精密测量领域大显身手，其光谱范围宽、脉宽窄、重复频率稳定性高等优良的时频域特性给精密光谱测量、时间频率测量和绝对距离测量提供了新的技术手段。高功率光梳及光梳光谱技术相比医用连续激光优势尽显，皮秒甚至飞秒量级的脉冲宽度、极宽的光谱范围、数十瓦的平均功率、稳定的载波包络相位，使光梳具有非凡的检测能力和测量灵敏度。飞秒光梳技术大大提高了光学频率测量的精确度，可使频率测量误差控制在10^-15量级。这种超快时间的瞬态特性可作为时间探针来研究或测量其他技术手段无法得到的瞬态事件和信息。藉此特点，高功率光梳可以用于精确地测定物质化学成分，如人体呼出气体中的多种化学组分。目前，利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法至今未见报道，未有相关成熟技术出现。

发明内容

本发明公开了一种利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法，可以有效克服分子吸收光谱分析中由于化学组分干扰产生系统误差；色散型谱仪的吸收光谱技术采用大面积探测器阵列记录光谱，导致光谱探测精度和谱宽范围相互牵制，扫描时间长、精度难控制、仪器过于庞大笨重、造价高等弊端。本发明通过采用高分辨率、高灵敏度的光梳光谱技术实现对人体呼出气NO含量的灵敏检测，无创、定量、安全、简单、方便，快速，具有可重复性；敏感性及特异性优于传统的支气管镜检查。

本发明技术内容是这样实现的：

利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法，其特点是：利用两组不同脉冲重复频率的光梳，彼此拍频使光谱信号降低到微波频率范围，用简易的传统微波检测方法测量人体呼出气在整个光频段上的频谱吸收和位相信息，进而获得气体组分及痕量，通过分析每种气体光谱曲线的成分和相应吸收系数，判断可能病情；具体包括以下步骤：

a)测试者端坐于座位上，调整至平稳呼吸。

b)测试者待平稳呼吸几次后，一次呼气至肺活量，尽量呼出全部气体。

c)测试者用嘴巴含紧过滤器，通过过滤器吸气至肺活量；吸气时保证腭咽闭合，避免鼻腔NO的污染。该过滤器的作用在于滤除空气中的外源性NO（残余NO的含量应小于5ppb），排除呼出气测量过程中的外界干扰。

d)平稳呼出肺中的气体。保持呼气管上的压力计的示数在5厘米至20厘米水柱之间；保持呼气管上连有的气体流速计的气体流速在50ml/s附近。

e)光梳激光在呼气管末端的样品腔内通过往返至少两次，以增加呼出气体的吸收程长，提高检测灵敏度；样品腔内设置有温度传感器和气压传感器，用于计算机后续计算处理的温度和气压校准。

f)将通过气体样品的探测光梳激光和未通过气体样品的参考光梳进行拍频，采用平衡探测法和频谱分析技术，得出吸收光谱的特征频率峰。

g)将特征频率峰导入计算机，通过傅里叶变换得到光谱波长的吸收峰；经过温度校准和压力校准后，得出呼出气体中NO浓度的单次测量值。

h)为了得到准确可靠的FeNO的稳态浓度，测试者至少要重复呼气三次，每次间隔至少30s，测量值允许偏差10％以内，最后以平均值的方式显示最终有效测量结果。

i)以FeNO三次测量浓度值的平均值为数据，与标准人群的FeNO的浓度值相比较，进行临床诊断。

本发明的优点和积极效果如下：

本发明利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法，可快速一次性、大范围的测量人体呼出气的光谱，实现快速短时测量时间，以及可以实现对实时变化样品的准确测量。具有无创、定量、安全、简单、方便，快速，可重复性等优点，其敏感性及特异性优于传统的支气管镜检查。

附图说明

图1为利用光梳激光光谱检测仪检测人体呼出气的方法框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

光梳激光光谱检测仪包括软硬件两部分，其中硬件部分包括计算机、光梳发生器、吸气管、呼气管、气体样品腔、过滤器、温度传感器、气压传感器、光电探测器和频谱分析模块；其中软件部分包括系统控制软件、傅里叶频谱与光谱还原算法、以及人体呼出气所含气体的标准数据库。

吸气管一端连接过滤器，过滤器与人口腔连通，呼气管上连接有压力计、气体流速计，末端连接气体样品腔，气体样品腔用于容纳测试者的呼出气体，气体样品腔内设置有温度传感器和气压传感器，气体样品腔两端各设置一个反射镜。

光梳激光光谱检测人体呼出气的方法：利用两组不同脉冲重复频率的光梳，彼此拍频使光谱信号降低到微波频率范围，用简易的传统微波检测方法测量人体呼出气在整个光频段上的频谱吸收和位相信息，进而获得气体组分及痕量，通过分析每种气体光谱曲线的成分和相应吸收系数，判断可能病情。具体按照如下步骤进行：

如图1所示：测试者端坐于座位上，调整至平稳呼吸。

测试者待平稳呼吸几次后，一次呼气至肺活量，尽量呼出全部气体。

测试者用嘴巴含紧过滤器，通过过滤器吸气至肺活量。吸气时保证腭咽闭合，避免鼻腔NO的污染。该过滤器的作用在于滤除空气中的外源性NO（残余NO的含量应小于5ppb），排除呼出气测量过程中的外界干扰。

平稳呼出肺中的气体。保持呼气管上连有的压力计的示数在5厘米至20厘米水柱之间。保持呼气管上连有的流速计的气体流速在50ml/s附近。

呼气管的末端连接有气体样品腔。气体样品腔用于容纳测试者的呼出气体。光梳激光由腔两端的反射镜在腔内往返多次。往返多次的好处可以增加呼出气体的吸收程长，提高检测灵敏度。样品腔内设置有温度传感器和气压传感器，用于计算机后续计算处理的温度和气压校准。

将通过气体样品的探测光梳激光和未通过气体样品的参考光梳进行拍频，采用平衡探测法和频谱分析技术，得出吸收光谱的特征频率峰。

将特征频率峰导入计算机，通过傅里叶变换得到光谱波长的吸收峰。经过温度校准和压力校准后，得出呼出气体中NO浓度的单次测量值。

为了得到准确可靠的FeNO的稳态浓度，测试者至少要重复呼气三次。每次间隔至少30s，测量值可允许偏差10％以内，最后以平均值的方式显示最终有效测量结果。

以FeNO三次测量浓度值的平均值为数据，与标准人群的FeNO的浓度值相比较，进行临床诊断。由于哮喘患者的FeNO浓度升高，与其它的临床气道炎症标志有及好的相关性，所以可用于临床对哮喘的诊断及鉴别诊断。患者FeNO浓度与哮喘的活动性相关，可以用于监测哮喘患者的病情变化，及时给予预防治疗。在临床症状出现之前即可检测到患者之FeNO浓度升高，即患者呼气NO浓度升高预示哮喘症状将加重。其中，FeNO浓度小于25ppb（儿童应小于20ppb）为正常值。FeNO浓度在25-50ppb之间（儿童在20-35ppb之间）需临床观察。FeNO浓度大于50ppb（儿童大于35ppb），测试者可能患有呼吸系统验证，需要临床治疗。

Claims (1)

1.利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法，其特征在于：利用两组不同脉冲重复频率的光梳，彼此拍频使光谱信号降低到微波频率范围，用简易的传统微波检测方法测量人体呼出气在整个光频段上的频谱吸收和位相信息，进而获得气体组分及痕量，通过分析每种气体光谱曲线的成分和相应吸收系数，判断可能病情；具体包括以下步骤：

a)测试者端坐于座位上，调整至平稳呼吸；

b)测试者待平稳呼吸几次后，一次呼气至肺活量，尽量呼出全部气体；

c)测试者用嘴巴含紧过滤器，通过过滤器吸气至肺活量；吸气时保证腭咽闭合，避免鼻腔NO的污染；

d)平稳呼出肺中的气体。保持呼气管上的压力计的示数在5厘米至20厘米水柱之间；保持呼气管上连有的气体流速计的气体流速在50ml/s附近；

e)光梳激光在呼气管末端的样品腔内通过往返至少两次，以增加呼出气体的吸收程长，提高检测灵敏度；样品腔内设置有温度传感器和气压传感器，用于计算机后续计算处理的温度和气压校准；

f)将通过气体样品的探测光梳激光和未通过气体样品的参考光梳进行拍频，采用平衡探测法和频谱分析技术，得出吸收光谱的特征频率峰；

g)将特征频率峰导入计算机，通过傅里叶变换得到光谱波长的吸收峰；经过温度校准和压力校准后，得出呼出气体中NO浓度的单次测量值；

h)为了得到准确可靠的FeNO的稳态浓度，测试者至少要重复呼气三次，每次间隔至少30s，测量值允许偏差10％以内，最后以平均值的方式显示最终有效测量结果；

i)以FeNO三次测量浓度值的平均值为数据，与标准人群的FeNO的浓度值相比较，进行临床诊断。