CN104142308A - 一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的feno检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统，涉及医疗器械设备领域，具体地说是一种采用LED宽带光源结合腔增强吸收光谱技术的一氧化氮检测系统。本系统主要由光源部分、FENO浓度检测部分和NO吸收信号分析部分组成，光源采用LED发光二极管，FENO浓度检测部分由两个准直和两个凸透镜，以及两个凹球面高反镜组成的光学谐振腔、进气口以及两个洗气排气口等构成，NO吸收信号分析部分则由光谱仪、数据采集处理系统和显示器组成。本发明的优点是：采用宽带光源集合腔增强吸收光谱技术，有效提高了检测的灵敏度，实时检测，检测极限达到ppm量级，特异性好且无污染，有效满足医疗检测的应用需求。

Description

一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统，具体地说是一种用LED发光二极管作光源，结合腔增强吸收光谱技术对人呼出一氧化氮气体浓度(即fractional concentration of exhaled nitri coxide FENO)进行实时在线检测的系统，属于医疗器械设备领域。

背景技术

当今社会的高速发展，空气与环境污染严重，导致呼吸系统疾病已经越来越趋向于低龄化与致命化，由于呼吸系统感染导致的各种顽疾也在不断发生着变化，传统技术已经不足以完全应对现代疾病的诊断和治疗，作为一种常见的呼吸系统疾病，气道炎症在临床上十分常见，通常表现为发烧、咳嗽和哮喘等；其特点多呈慢性、反复、不易治愈。快速准确的对气道炎症进行诊断，对治疗方案和指导用药有重要参考价值。目前的气道炎症检测方法分为有创技术和无创技术，有创技术主要有支镜镜下粘膜活检、支气管肺泡灌洗，这两种直接监测的方法能够直接检测气道炎症，是气道炎症的“金标准”，但是有创技术属于侵入性监测，会引起气道高反应，可以作为研究工具，不能够作为临床常规技术开展；无创技术则主要有支气管激发试验一气道高反应性测定(BHR)、诱导痰检测(SI)、呼出冷凝物检测(EBC)和呼出气一氧化氮测定等，支气管激发试验通过外界药物刺激，使支气管平滑肌收缩，再用肺功能做指标，判断支气管狭窄的程度，用于测定气道高反应性，这种方法是目前诊断气道炎症疾病的依据之一，但是此方法不能直接反应气道炎症，对设备要求较高，还具有一定的危险性，不适于肺功能较差以及急性发作的患者，敏感性高而特异性较低，具有滞后性。诱导痰检测(SI)是通过吸入雾化高渗盐水诱导痰液生成，并对痰液中的细胞成分和上清液可溶性介质进行分析研究的一种检测方法，此方法影响因素较多，个体差异性大，会出现一定副作用，约有40％的患者诱导不出痰。呼出气冷凝物检测(EBC)通过对呼出气冷凝液中的生化标记物进行检测来分析判断气道炎症，此方法目前尚无统一方法和标准、无法质量控制，仍处于研究阶段。呼出气一氧化氮(FENO)是国际上首个、也是目前唯一用于临床常规的直接检测气道炎症的生物学指标，众多研究表明，气道炎症患者的呼出气和血浆中均含有高浓度NO，检测呼出气一氧化氮可以直接反映患者气道炎症，通过检测患者呼出气中一氧化氮浓度的增高来进行气道炎症的临床诊断，有着较高的特异度和敏感度。目前的呼出气一氧化氮检测方法主要是电化学方法，利用NO与O₃或者H₂O₂等反应产生化学发光，通过发光强度来判断NO浓度，属于间接的测量，需要对呼吸样品进行处理，不能实时在线反应呼气浓度，且检测时引入的外源性气体会影响NO测定的特异性。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高灵敏度、实时在线、非侵入无创式和特异性较强的FENO检测系统，一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统。本发明将LED宽带光源与腔增强吸收光谱技术相结合，根据气体的吸收光谱特性，实时在线测量气道炎症患者呼出气中的一氧化氮浓度，确保及时准确的对气道炎症做出诊断。

本发明的技术方案是：一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统，主要由光源部分、FENO浓度检测部分和NO吸收信号分析部分组成。所述的光源部分由LED驱动电源、LED发光二极管组成；FENO浓度检测部分由两个准直透镜、两个凸透镜、滤光片、两个凹球面高反镜组成的光学谐振腔以及进气口和两个洗气排气口组成；NO吸收信号分析部分则由光谱仪、数据采集处理系统和显示器组成，三个部分通过两根光纤连接在一起进行工作。其中，LED发光二极管作为检测光源，出射光经过光纤传输至FENO浓度检测部分，由一组准直透镜和凸透镜耦合穿过滤光片进入光学谐振腔中，患者将呼出的气体吹入谐振腔，光束在谐振腔中多次反射传播，经过吸收后的出射光束再由另一组凸透镜和准直透镜汇聚耦合到光纤中传输至NO吸收信号分析部分，由光谱仪和数据采集及处理系统进行处理分析，最终将检测结果呈现在显示器上。

进一步的，所述LED二极管在其驱动电源驱动下发射出光，光经过光纤传输后由准直透镜准直出射至凸透镜。

进一步的，所述凸透镜将光束汇聚，汇聚光束经过滤波片后耦合进入光学谐振腔。

进一步的，所述光学谐振腔由两个凹球面高反镜组成，且在光学谐振腔的两侧分别有进气口和两个洗气排气口，患者使用前，先通过洗气排气口通入足量氮气对谐振腔进行清洁，以保证腔内没有其他气体的干扰，患者呼出气体由进气口吹入谐振腔，光束在谐振腔内多次来回传播，经过呼出气体中一氧化氮吸收后的光束出射的光传递至第二个凸透镜。

进一步的，所述第二个凸透镜将出射光束汇聚至第二个准直透镜，使出射光耦合进入光纤。

进一步的，所述光纤将光信号传输至光谱仪。

进一步的，所述光谱仪对光信号进行初步处理分析，然后将处理后的光信号传递至数据采集及处理系统。

进一步的，所述数据采集及处理系统首先将光信号采集转化为电信号，然后进行分析处理，计算出经过吸收后的光强度变化，得到患者呼出气体中一氧化氮的绝对浓度值。

进一步的，所述显示器测试结果呈现给用户。

本发明的工作原理是：所述LED光源产生一定波长范围的宽带光波信号，光传播经过谐振腔时由于一氧化氮的吸收作用发生光强衰减，通过测量透过谐振腔后的光强得到腔内一氧化氮气体的浓度，所以只要测得光强度变化就可以实时快速地计算出患者呼出的一氧化氮的浓度水平。

与现有技术相比，本发明的优点是：LED光源是宽带光源，可测的吸收区域更多，为利用吸收光谱技术检测一氧化氮提供了更多高吸收线强的的吸收谱线，使检测极限达到ppm甚至更低浓度量级；且选择光源的波长范围处于一氧化氮吸收峰特征波长处，避免其它物质干扰，特异性好；光学谐振腔增加了有效吸收光程，显著的提高了检测的灵敏度；系统可以实时在线检测患者呼出气体中的一氧化氮浓度，无创式采样，直接检测且不需要对呼气样品进行处理，避免了样品污染。综合以上几点，本发明具有灵敏度高，特异性好，无污染和实时在线等优点。

附图说明

附图为本发明的一种实施例的结构示意图。

其中：LED光源驱动1，LED发光二极管2，光纤3、14，准直透镜4、13凸透镜5、11，滤光片6，凹球面高反镜7、11，进气口10，洗气排气口8、9，光谱分析仪15，数据采集及处理系统16，显示器17。

具体实施方式

参阅附图为本发明一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统的具体实施例。一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统，包括：LED光源驱动1，LED发光二极管2，光纤3、14，准直透镜4、13，凸透镜5、11，滤光片6，凹球面高反镜7、11组成的光学谐振腔，进气口10，洗气排气口8、9，光谱分析仪15，数据采集及处理系统16和显示器17。本发明如附图所示，首先在洗气排气口8、9通入足量氮气对光学谐振腔进行清洗，目的是保证检测时患者的呼出气体不受其它空气成分干扰，采用宽带光源LED发光二极管2作为光源，由LED光源驱动1驱动LED发光二极管2发出一定强度和波长范围的光波，光经过光纤3传输，再由准直透镜4准直后经过凸透镜5汇聚，汇聚后的光束穿过滤光片6，经过滤光片6后的光束进入光学谐振腔，患者通过进气口10向腔内吹气，光在凹球面高反镜7、11的反射作用下在腔内多次传播，经过呼出气体中一氧化氮吸收后的光由光学谐振腔出射，出射光经过凸透镜12汇聚，然后再由另一个准直透镜13耦合进入光纤14内，由光纤14将衰减后的光信号输入给光谱仪15，光谱仪15对信号做初步的光谱分析，然后将信号传递至数据分析处理系统16，光信号在这里转化为电信号，并进行计算分析，根据光强度变化与一氧化氮浓度关系，实时在线得到患者的呼出气体中的一氧化氮浓度绝对值，最后将此结果呈现在显示器17上，得到检测结果。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (3)

1.一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统，主要由光源部分、FENO浓度检测部分和NO吸收信号分析部分组成。所述的光源部分由LED驱动电源、LED发光二极管组成；FENO浓度检测部分由两个准直透镜、两个凸透镜、滤光片、两个凹球面高反镜组成的光学谐振腔以及进气口和两个洗气排气口组成；NO吸收信号分析部分则由光谱仪、数据采集处理系统和显示器组成，三个部分通过两根光纤连接在一起进行工作。

2.如权利要求1所述的一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统，其特征在于：所述光学谐振腔由两个凹球面高反镜组成，且在光学谐振腔的两侧分别有进气口和两个洗气排气口，患者使用前，先通过洗气排气口通入足量氮气对谐振腔进行清洁，以保证腔内没有其他气体的干扰，患者呼出气体由进气口吹入谐振腔，光束在谐振腔内多次来回传播，经过呼出气体中一氧化氮吸收后的光束出射的光传递至第二个凸透镜。

3.如权利要求1所述的一种基于宽带光源腔增强吸收光谱的FENO检测系统，其特征在于：所述数据采集及处理系统首先将光信号采集转化为电信号，然后进行分析处理，计算出经过吸收后的光强度变化，得到患者呼出气体中一氧化氮的绝对浓度值。