CN103315742B - 中医气机信息获取的生物学网络辨识方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了中医气机信息获取的生物学网络辨识方法及装置。装置可以对气机的升降出入进行测量。以时间肺活量建立的浊出率曲线；配合全身气体/气味的收集可以得到代表中医气机“升、降”的参数集。吸入与呼出的气体/气味成分、颗粒物及标志性微生物差异性比较可以得到代表中医气机“出、入”的参数集。装置对不同时间的呼出气/气味及其他气体/气味进行采集比较，得到关于气机升降出入信息的具体参数，对差异的比较可以得到机体状况的发展趋势。采集测量的三罐法，集气罐分别采样法收集呼出气；全身气采集法从病人体表收集病室气体；对比法，定比压缩红外光谱分析法分析气体；基于中医理论构建气机的动态数据与升降出入关系可识别的拓扑关系网。

Description

中医气机信息获取的生物学网络辨识方法及装置

技术领域

本发明涉及医学检测装置，特别涉及气机信息获取的生物学网络辨识方法，涉及到红外光谱分析检测方法，涉及到气体中微生物培养技术，借助改良的时间肺活量及全身气体联系中医气机升降出入的方法，体表气体特征识别方法，呼出气时间变量比较法。

背景技术

气机是气的运动，人体之气始终处于不断地运动之中，气的升、降、出、入运动推动和激发着人体脏腑经络的各种生理活动。从整体机体的生理活动来看，升与降，出与入之间必须协调平衡，只有在协调平衡的状态下，才能发挥其维持人体生命活动的作用。气机调畅是对气的升降出入运动平衡协调的生理状态的描述，当气的运动失去这种平衡时，人的生命活动就会出现异常即“气机失调”。所以，气机信息的变化对机体健康状态平衡的维持至关重要。

复杂网络理论的迅速发展为在整体水平上研究生物网络的结构组成和功能提供了新的技术平台。2004年Barabási等提出“网络生物学”概念，其主要依赖图论、信息学及最优化方法等学科的方法来建立网络模型，将复杂生物系统单元(基因、蛋白、代谢物)多层次复杂的相互作用形象地表达成网络图，通过分析网络的拓扑特征来获得对生物功能、疾病等生命活动更深入的了解。各类生物信息数据库的涌现及其不断完善为生物网络的构建提供了丰富的资源，本专利运用技术上可实现的人体气体气味获取技术，可获取的人体相关气味包括体味、大便气味、小便气味、痰液气味、呕吐物气味、嗳气、口臭、病室气味等。运用改良的时间肺活量构造的气机三罐比较法；标志性微生物检出法等，获取并构建成健康人闻诊信息的中医气机生物网络、浊出率气机辨识生物网络、呼出气微生物蛋白辨识生物网络、闻诊信息主客观联合辨识生物网络。

嗅气味可以分析人体气机的升降出入、体质类型、脏腑气血的盛衰、病邪所在的脏腑及病情的变化，对中医处方用药和判断疾病预后有重要参考意义。嗅味诊传统上一般采用医生感官评价的方法，但人的感觉器官易受环境、个体差异以及主观因素的干扰，从而降低了闻诊结果的准确性。以色谱类为代表的仪器分析方法虽可定性和定量分析气味成分，但该方法普遍存在耗时长、成本高、设备昂贵、有毒害等不足，不适合现场检测的需要。电子鼻是一种通用的气体分析装置，传感器阵列在设计上满足了广泛的要求，但人工嗅觉系统功能单一，无法完成整体气机的测量。

发明内容

一、设计结构

本发明的目的在于提供中医气机信息获取的生物学网络辨识方法及装置，还可用于医疗和教学领域。

为了实现上述目的，本发明采用以下设计结构：中医气机信息获取的生物学网络辨识方法及装置，包括标准气室1，标准气室1里放置信息采集平台2，墙壁上悬挂显示屏3，信息采集平台2上放置基于气机信息获取的生物学网络辨识装置4。基于气机信息获取的生物学网络辨识装置4包括呼出气采集罩5，呼出气采集罩5内面装有温度传感器6，呼出气采集罩5连接导气管7，导气管7内面装有气体流速传感器8，导气管7里面是气体颗粒物质及微生物滤过栅26，导气管7上装有通气阀9，导气管7连接膜气室10，膜气室10里装有压力传感器11，膜气室10连接第一气罐12，以此类推，每一个导气管分别连接第二气罐13、第三气罐14和雾霾气室15，以上各气罐分别连接压缩气罐16，压缩气罐16连接排气管17，各气罐连接导线电路管18，信息采集平台的一端放置全身气体采集仪19，全身气体采集仪19包括集气柱20、操作手柄21、集气膜22，操作手柄上包括采样按钮23、清洗按钮24、电源25。在环境气室缺失的情况下，增设换气阀28，第五气罐29。后端红外比色检测及微生物培养装置由培养液入口30，培养皿31，密闭式气体培养皿，压缩气罐红外比色管32，红外比色检测33仪，取样管34组成。

作为优选，所述呼出气采集罩，内部安装有温度传感器，测量气体的温度。

作为优选，所述导气管为聚乙烯导管，内部安装有气体流速传感器以测量气体的流速，气体颗粒物质滤过栅以检测气体中的颗粒物质，导气管上安装有通气阀。

作为优选，所述膜气室，内部安装有压力传感器，测量气体的压力。

作为优选，所述全身气体采集仪，包括集气柱、操作手柄、集气膜、采样按钮、清洗按钮和电池。全身气体采集仪放置于信息采集平台上。

作为优选，后端数据分析电路中设有相应的信号检测与分析系统、能够对传感器检测样品得到的数据进行转化分析。电路系统流程为前置放大电路，调理电路，模数转换电路，输出信号转化为全身气机升降出入仿真模型，触屏结构可以使受试者对自己的气机特征有更直观的视觉感受。同时在显示器上显示诊断数据与结论。

二、使用方法：

(1)本装置置于标准气室内，通过空气压缩机将标准比例的空气释放到气室中，并在对角出口排风管处排风10分钟，保证标准气室内的气体相似于标准气体成分比例。房间温度27度，相对湿度50％。

(2)连接嗅味诊检测装置的电源接口，打开后端的气体参数分析平台，运行控制软件，将气室中的标准气体600ml压缩后通向装置的呼气罩，测试标准气室气体的参数，构建气室的基础成分谱线，并且将这些作为基线值，用以对比受试者的呼气成分。防止环境气体成分变化导致的误差。

(3)将储气室顶端的活塞压下，保证内部没有气体，然后将膜气室内的气体用微型抽气泵抽出，使其变为干瘪状。导气管内的残余气体作为系统误差已经被程序包括在内，不影响最终的计算。此时整个装置已经准备完毕。

(4)受检者在屋外进行标准化清洗后，进入房间。对准装置呼出气采集罩平静呼吸一次，然后等待标准气罐收集到气体之后，换下气罐，再进行一次最大程度用力呼吸，呼吸完成之后将上面的阀门拧紧，再次提取标准600ml气体到标准气罐，多余的气体通过排气管排出。前端传感器获取数据并得出浊出率曲线和气机升降的功能信息，报告显示在壁挂式显示器上。气罐样本经压缩到60ml标准压缩气罐内。受试者便可以移去面罩，准备全身气采集。

(5)通过全身气体采集装置向受检者表面发射薄膜，薄膜贴附在人体表面之后，将全身气采集器调整到负压抽气模式。并通过气体负压抽气收集全身气体进入全身气采集管，即第三气罐。收集到的气体相当于病室气或者说是医生的嗅诊信息的机体气体信息。同样将气罐中的气体600ml压缩为60ml。

(6)全身气采集后等待时间距首次呼气测量15分钟后，再重复一次呼气试验，获取呼出气体样本，对以上三次测量得到的三罐气体样本同时进行红外比色分析。并对样本各自气体成分健康人群的呼吸值比较并统计差异，三罐气体两两之间相互比较，对其中有差异的成分进行分析，这些比较内容与方法被命名为气机三罐比较法，得到的是多层次动态的比较信息，能够获取机体气机动态的升降出入与代谢水平。

(7)采集特殊环境下的空气样本，装入标准气罐，首先进行红外比色确定成分，然后将气罐气体装入仪器连接导气管并将气体压入膜气室，从呼吸气采集罩内吸气并呼出，同样经过膜气室采集后进入标准气罐，压缩到压缩气罐后再次进行红外比色，得出数据数值除以10，与之前的采样气体进行比较，获取特定气体样本在呼吸道的粘附率及其对机体的影响信息。

检测结束后，用清洗泵吸取滤清空气清洗传感器，使装置的响应恢复至基线值，空压机换气30s后，即可进行下次测量。

三、测量原理

在呼出气的过程中气体通过导管进入膜气室，呼气导管内前端的10cm处设置有仿生鼻毛微生物传感器。传感器上有检测空气中微小介质颗粒的生物活性酶。这些酶的检测是通过与特定的微生物相结合，然后在一定时间内与生物酶发生化学反应导致仿生鼻毛上的电抗发生改变，在短时间内(10-20分钟)通过微生物反应产生的代谢物与MEMS串联式压电传感器相连接，得到微生物的代谢活性以及含量。同时，一些颗粒性的物质伴随着呼出气中的水分对仿生鼻毛的撞击与黏附作用也会导致部分仿生鼻毛的电抗值发生漂移。对漂移量的曲线变化模式的判断可以分辨出肺部呼出气的颗粒的数量以及粘度。在设计过程中，考虑到呼气颗粒物质与仿生鼻毛的粘附率，在本专利设计的结构中，颗粒物为PM10-PM2.5的范围内等效滤过率为10％。

仿生鼻毛表面生物酶传感器对呼出气体的微生物进行初步检测后，如果发现有致病微生物的存在，会引起传感器电位的变化，如果出现变化，就需要通过对呼出气体的气体样本进行微生物培养，确定为生物的菌群种类，并对其生物学特性进行进一步分析。

呼出气在导气管前段经过设置有流速传感器、计时器和有压力传感器的部位时，当呼出气被流速检测器检测到之后，计时器便开始计时，整个导气管及其后端联通的膜气室内部的压力与肺构成了连通腔，所以求内部的压力值等于肺部排气压力，流速传感器能够计算出当下时间的气体流速，整个球体的体积为700ml，略大于气体采集罐的体积，在膜气室未完全张开之前，连通腔气压几乎上等于大气压，呼吸的外部阻力几乎为零。当呼出气体超过700ml时，由于膜气室的弹性扩张，腔内的压力与膜气室本身的弹性张力产生的压力一致并同步呈现线性关系，通过对压力的测量，就可以得出最大呼气状态下呼出气体的体积，从而计算出在给定阻力情况下呼出气体的量以及其他相关参数。利用压力传感器传感器对呼气1秒、2秒、3秒后的压力变化情况，描记出时间-压力-呼气量曲线，也就是时间肺活量。实现对单次呼出气体的量的变化以及机体呼吸功能的检测。然后联系中医气机的升降出入的理论，将时间肺活量转换为浊出率曲线，得到气机升降出入的部分数据化指标。

然后将集气罐活塞提起，将膜气室内的气体通过负压传入集气罐内，采集600ml然后通过其中的压力泵压缩成60ml，进入压缩气室。由于每次呼吸的过程真正进行气体交换的气体体积仅有潮气量的六分之一。人每次吸入的600ml气体中，有约100ml的气体与体内发生了气体交换，呼出的气体中能够代表机体代谢的成分浓度就比较低，加上人体有许多气体代成分代谢都是ppb级的，所以检测起来，尤其是针对气体所占比重的方面就容易产生误差。把气体压缩为原来提及的十分之一以后，检测的精度就提高了10倍，而内部气体的成分与比例则不变化，与同等倍数压缩标准气室气体进行比较，便可以得出呼出气体的成分以及比例。

压缩气室内的气体收集采用标准红外比色管，放置于红外光检测平台上便可以进行红外比色检测。现有技术可以测得20多种气体分子的浓度如一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、氨等无机物，CH₄、C₂H₄等烷烃、烯烃和其他烃类及有机物。乙醇、丙酮、氨气、硫化氢、吲哚等特殊疾病产生的气体都可以由红外光传感器得到。

全身气体采集到的气体包括人体通过皮肤散发出来的代谢气体，也包括人体表面的微生物菌群产生的代谢气体。综合起来可以代表病人身上的气味，也能够代表病人所在病房里的病室气体。医生诊断的过程中常会有此经历，不同的病人身上散发出的气味不一样，不同的科室也有不同的气味。尽管每一个人都有自己独特的气味，但是在病理状态下，同一种病症类型所产生的气体具有共性特征。这样的信息具有医生诊病嗅觉所获得的诊断信息-客观机体气味的成分模式-分析得到气急升降出入信息三维度特征的特点。可以建立主客观联合辩证的数据化模式。

通过上测量，得到三罐压缩气体，由于三罐气都装在同规格的标准红外比色管。均可以使用红外比色测试迅速获取气体变化信息，如果仿生鼻毛没有检测出微生物，就可以单纯依据代谢气体，呼出气体的成分与变化得出被测者气机的升降出入仿克莱因瓶曲面图，将测量值与通过气机信息网络转化为机体内部的气机运行状态。如果检测出微生物，那么压缩气罐内的气体样本将需要送往微生物培养装置中，对气体中的微生物成分及含量进行进一步的检查。获取气体理化性质、气体中微生物及蛋白等信息，并得出病理诊断报告。

三罐气进行比较分析，并与标准气室进行比较分析。可得到人体代谢生成的各种气体，如果有某些疾病所带有的特征性气体，就可以通过对气体的类型以及含量来对疾病的类型与状态进行进一步的判断。通过两次呼气值的对比，可以对这种疾病的发展方向进行分析。如果第二次呼出气体中的特征性气体减少，或许可以说明机体正在向好的方面转归。如果气体的量不变或者增加，则应考虑手段进行干预或治疗。

装置同样可以检测非标准空气环境下的气体出入特征以及对气机的影响。通过呼吸雾霾气并做检测，获取相应的特征气体图谱。实验组成员已经自发的进行了雾霾气呼吸实验，得到结论，呼吸高浓度的雾霾气体，大部分通过呼吸道的鼻毛，纤毛以及上面的粘液吸附，通过痰液，或鼻腔分泌物排出，长时间呼吸时咽喉部位会有干涩感，而人体的自我保护机制会对纳入的气体的有害部分进行有效的防御。至于含氮量，实验得出结论，吸入与呼出气体的含氮量不变。大气成分中的主要气体成分就是氮气，与雾霾与否无关。

本装置通过气机三罐比较法实现实时检测、通过定间隔重复测量实现连续观察、运用微生物培养及代谢产物连续检测实现动态分析、通过对系列化的数据进行整合，实现气机-气体-气味的空间构建与气机动态变化的时间轴响应曲线关联。在这种时间-空间网络构架中获取诊断相关节点并输出作为诊断报告。信息包括气体类型，变化特征，代谢活性，典型模式，气机升降出入属性以及转归方向。运用到统计识别模式，BP神经网络设计，浊出率模式识别等分析技术，通过构建气体分析回归方程对三维空间量与一维时间量进行关联。

本发明作为基于气机信息获取的生物学网络辨识方法及装置，在不同的场合，有不同的型号，一款即作为本专利详细描述的装置，能够对机体全方位气体样本提取与测量，包括通过标准集气罐对不同时间状态下的呼出气进行收集。检测包括呼出气、全身气的成分、温度、浊出率以及蛋白、微生物的菌群的种类与特点，其中呼出气温度，湿度以及浊出率是立即得到的信息，在做常规体检时，可以利用这种方式得到气机出入状态。极大地优于单纯的肺功能测量。滞后的测量数据包括气体成分分析，从分子代谢的角度衡量机体的气机出入水平。所有的出入最后能够通过仿克莱因瓶曲面关系得到气机的升降信息，最终归纳出气机升降出入的循环状态。

当标准气室无法实现时，就用一个灌装气体29代替标准气室，如图7所示，此时呼气装置如下：两种方案，一是通过两个呼气口呼气，二是通过中间的换气阀28进行手工换气室。检测的过程为：收集标准气室的气体到第五气罐，灌装有标准含量气体，而且设计环境可以提前进行数据录入，将环境气体预先经过红外光波长检测，得到了标准光谱。然后进行同样的检测即可。

本品另一款便捷式气机信息获取的生物学网络辨识设备，是着重对呼吸气体以及浊出率曲线的值进行采集与测量，不再设置环境标准气室，测量环境尽可能保持在室内空气流通较好的地方。可以随时对机体的气机升降出入水平进行判断。如图9所示。

附图说明

图1.标准气室及气机信息获取的生物学网络辨识装置结构图

图2.标准气室及基于气机信息检测的生物学网络辨识装置实物模式图

图3.气机升降出入采集装置

图4.呼吸气体采集装置实物图

图5.气体颗粒物质滤过栅

图6.全身气采集仪(侧视图)

图7简易气机信息生物学网络辨识装置结构图(无标准气室)

图8红外比色检测装置及其微生物培养系统

图9.便捷式气机信息获取的生物学网络辨识设备

具体实施方式

使用的呼出气采集罩为口鼻两通道呼气结构，仿生设计可以使口呼气以及鼻呼气时，没有呼出气体泄漏情况，材料可以为有机塑料，生物医用材料等，下同。

导气管内径2cm，足以保证呼气时不会因为管道阻力导致测量误差。仿生鼻毛设结构为MEMS超微结构，顶端放置有生物酶传感器，通过换能，能够在较短的延时状态下测量到呼出气的微生物菌群特征及数量。导气管前端设置有温度传感器，能够通过气体温度的变化量计算出气体的温度，流速传感器实时测量呼出气体的流速。仿生鼻毛在导气管内部固定，在距端口1cm，2cm3cm处设置3层。经过测量可得每次通气，在颗粒物质一定范围之内，滤过率均为10％。固定仿生鼻毛的导气管能够及时拆卸更换，经过处理后可循环使用。

导气管后端连接膜气室，能够在第一时间里获取定额700ml的大气压下的呼出气气体样本，综合前端的传感器信号与容积-压力信号，分阶段对浊出率曲线进行绘制，得到潮气量浊出曲线与补呼气量-压力线性曲线等代表浊出率值的线性关系。弹性系数在3000ml体积扩张范围变化下为固定值。能够线性的推导出压力-气体体积的对应值。

标准气罐罐体材料外层采用透明有机玻璃制成，内壁涂有防光涂料。保证气体不会受到光照影响。罐体底面积为30cm²高20cm²，顶盖为移动活塞式设计，顶端进气口为膜气室中压入的气体。

压缩气罐外层与标准气罐相似，内层采用红外比色管，体积等比缩小十倍，为60ml容积。

数据传输与分析技术已有成品，已证明可行。包括标准气室内部的空气进样空压机，排风口等，由于不在专利保护范围，故本专利未进行描述。

Claims (9)

1.一种中医气机信息获取的生物学网络辨识装置，它通过对呼气过程、呼出气体及全身气体的分时段定间隔检测，联系医生诊断病人时获取的嗅味诊信息与中医气机升降出入理论，构建气机升降出入‐气味‐气体微观指标的对应关系；整个装置包括标准气室(1)，信息采集平台(2)，显示屏(3)，气机获取装置(4)；

所述气机获取装置(4)包括呼出气采集罩(5)，呼出气采集罩(5)连接导气管(7)，导气管(7)内面装有气体流速传感器(8)，导气管(7)里面是仿生鼻毛气体颗粒物质检测栅(26)，导气管(7)上装有通气阀(9)，其中一个导气管(7)连接膜气室(10)，膜气室(10)里装有压力传感器(11)，膜气室(10)连接第一气罐(12)，其余导气管分别连接第二气罐(13)、第三气罐(14)和雾霾气室(15)，以上各气罐分别连接压缩气罐(16)，压缩气罐(16)连接排气管(17)，第一气罐(12)、第二气罐(13)、第三气罐(14)、雾霾气室(15)以及压缩气罐(16)的信号连接信号线(18)，信息采集平台的一端放置全身气体采集仪(19)，信号线(18)连接显示屏(3)。

2.根据权利要求1所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识装置，其特征在于：所述标准气室(1)是在标准大气条件下海平面的气压，构建的一个20平米的房间，室温25℃，相对湿度50％；气机获取装置(4)通过气机三罐比较法，所述气机三罐比较法为将两次采集到的呼出气，一次采集到的全身气对比标准气进行等容积下的红外比色检测与标志性微生物培养，将数据进行时间序列与空间序列的比较,得出差值及其特性信息；标志性微生物培养法得到浊出率曲线以及气体、气机、气味的诊断信息，并对机体气机升降出入的状态与变化进行辨识，所述浊出率曲线为呼出气到达膜气室时，膜气室的压力薄膜会膨胀，借助改良的时间肺活量参数指标，记录的时间‐压力变化曲线。

3.根据权利要求2所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识装置，其特征在于：所述的呼出气采集罩(5)采集人体呼出气，内面装有温度传感器(6)，测量气体的温度；后端连接导气管(7)，其与导气管连接处安装有气体流速传感器(8)以测量气体的流速。

4.根据权利要求2所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识装置，其特征在于：导气管上安装有通气阀(9)；导气管内部前端固定有所述的仿生鼻毛气体颗粒物质检测栅(26)，用于检测气体中的颗粒物质与微生物，仿生鼻毛上有仿生鼻毛表面生物酶传感器对呼出气体的微生物进行初步检测后，如果发现有致病微生物的存在，会引起传感器电位的变化。

5.根据权利要求2所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识装置，其特征在于：所述的膜气室(10)，内部安装有压力传感器(11)，测量气体的压力；当呼出气到达膜气室时，膜气室的压力薄膜会膨胀，借助改良的时间肺活量参数指标，可记录时间‐压力变化曲线，反映机体浊出率变化。

6.根据权利要求2所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识装置，其特征在于：所述的全身气体采集仪(19)，将前端薄膜发射到人体表面，将整个人体包裹，然后全身气体采集仪(19)运用负压原理采集包裹内部气体；提取标准气罐同样的容积600ml进入标准600ml气罐，并被压缩为60ml的压缩气罐，压缩气罐内为红外比色管，用于分析气体成分及其标志性微生物的培养。

7.根据权利要求1所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识装置，其特征在于：还包括红外比色及微生物培养装置，其由培养液入口(30)、密闭式气体培养皿(31)、压缩气罐红外比色管(32)、红外比色检测仪(33)、取样管(34)组成。

8.一种中医气机信息获取的生物学网络辨识方法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)调整权利要求6所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识装置到待测状态；

(2)受试者进行标准化的清洁，进去气室；

(3)对准呼出气采集罩平静呼吸一次，然后打开标准气罐进气阀，采集呼出气，取出并更换新的标准气罐，然后要求受试者深吸气，用力最大限度呼气，记录数据，收集气体，将多余的气体通过排气管放掉；

(4)隔15分钟后，再重复上面的呼气试验；

(5)在两次气体采集的中间时间，通过全身气体采集仪，对人体表面发射薄膜，采集受试者全身气体；此气体便等同于收集病室气体，相似于医生诊病所感受到的病人身上散发出的气味；

(6)将上述步骤3、步骤4及步骤5三次测量采集到的呼出气及全身气对比标准气，进行等容积下的红外比色检测与标志性微生物培养，将数据进行时间序列与空间序列的比较；得出差值及其特性信息；

(7)测试完毕，受试者离开；

(8)通风换气半分钟，恢复标准气室，准备下一位受试者测量。

9.如权利要求8所述的中医气机信息获取的生物学网络辨识方法，其特征在于：将三次测量采集到的呼出气，全身气对比标准气进行等容积下的红外比色检测与标志性微生物培养，将数据进行时间序列与空间序列的比较；得出差值及其特性信息；这种比较方法为气机三罐比较法；运用气机三罐比较法对三次测量得到的气体进行比较得出变化的机体气机升降出入水平，结合气体‐气机‐气味网络拓扑图；实现检测数据‐主观嗅觉感受‐气机升降出入的网络关联，获取气机升降出入的动态信息与发展趋势。