CN104198433A - 一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置及方法，激光器温度控制板和激光器电流控制板控制DFB激光器，信号发生板产生锯齿波和正弦波，使激光器输出特定吸收波长的激光经光纤准直器准直后进入光声气体池，经两片高反射率凹面镜多次反射与待测气体发生作用，由微型麦克风探测到的光声信号送入前置放大器后进入锁相放大器，最终由电脑和数据采集卡采集和处理。测试人通过呼吸气嘴吹气进入水汽干燥瓶去除水汽后进入光声气体池，且气压控制泵，温度检测计和压力检测计控制池内压力，并进行温度和压力的采集用于反演浓度校准。本发明设计独特、结构新颖，原位在线检测，避免了其他检测技术的复杂性，提高了检测精度。

Description

一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置及方法，更具体的说是一种基于光声光谱技术和波长调制吸收光谱技术的应用于人体呼吸标识性气体浓度的在线检测的装置及方法。

背景技术

随着现代医学科技的发展和多学科的交叉融合，作为医学研究前言的重大疾病早期诊断技术也在不断突破和创新。尤其是用于重大疾病诊断的呼吸生物标记物技术得到了快速发展。医学研究表明，人类呼出气体中除氮气(N₂)、氧气(O₂)、二氧化碳(CO₂)、水汽(H₂O)和惰性气体外还含有许多ppm(parts-per-million，10^-6)甚至是ppb(parts-per-billion，10^-9)浓度量级的其它气体，这些气体的浓度不仅与血液中的相应气体分子的含量有定量的关系，还与血液中其它分子的浓度有关系。实际上人类呼出的气体中含有数百种分子，这些分子足以提供有关疾病的多种信息。例如：呼出气体中的微量的氨气(NH₃)、氮氧化物、酸和酮类已被确定与肾脏、肝脏功能障碍、肝性脑病、哮喘、糖尿病、癌症和溃疡有关，呼出气体中的二硫化碳，乙炔、丁烷和戊烷与神经系统疾病有关，甚至有人发现肺癌和早期乳腺癌患者呼出的气体中含有较高浓度的乙烷。因而通过对呼吸气体成分及浓度的测量实现某些疾病的诊断具有科学依据并可能对医学诊断、处置技术产生重大的影响。

目前呼出气检测主要有三个方向，基于质谱技术的检测，基于电传感器的检测以及基于光谱的检测。传统用于呼吸检测的气相色谱-质谱的分析方法可以将呼吸气体标志物的测量精度达到ppb乃至ppt量级，但是该方法耗费时间长，仪器体积庞大，成本较高，目前只适宜于实验室研究，无法进入实质的临床阶段，很难实现仪器的便携化而走入社区及家庭。在这众多检测手段中，光声光谱检测技术是一种没有背景噪声的检测技术，具有极高的极限灵敏度，同时由于分子或原子光谱的独一无二性和激光技术的迅猛发展，光声光谱检测技术又具有选择性好，响应速度快，体积小，成本低，同时可以监测多种特征气体的优势，在呼出气检测中具有广大的应用前景，有望成为未来呼吸气体分析领域的首选技术。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光声光谱技术和波长调制吸收光谱技术的应用于人体呼吸标识性气体浓度检测的装置及方法，以满足医学检测领域对呼吸气体标识性气体的快速、准确在线监测。

本发明的技术方案如下：一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置，该装置分为以下三个部分：一是光学系统，二是信号监测与收集处理系统，三是气路系统，其中，光学系统包括：激光器温度控制板，激光器电流控制板，DFB激光器，信号发生板，FC/APC的尾纤，光纤准直器，平面高反射镜片，光声气体池，石英窗片，激光光束和两片高反射率凹面镜；信号监测与收集处理系统包括：微型麦克风，前置放大器，锁相放大器，电脑和数据采集卡；气路系统包括：呼吸气嘴，气管，水汽干燥瓶，进气嘴，出气嘴，气压控制泵，温度检测计和压力检测计；激光器温度控制板，激光器电流控制板控制DFB激光器输出特定波长的激光，信号发生板产生低频锯齿波和高频正弦波的调制信号，调制信号进行叠加加在DFB激光器的引脚上，对激光器的输出波长产生调制，调制以后的激光光束通过FC/APC的尾纤与光纤准直器连接，准直以后的激光光束通过平面高反射镜片反射后透过光声气体池的石英窗片进入光声气体池，进入光声气体池的激光光束经两边的两片高反射率凹面镜多次反射，在光声气体池中对待测气体形成多次作用，光声信号经过安装在光声气体池中部的微型麦克风获得，微型麦克风获得的吸收光声信号送入前置放大器进行信号的放大，放大以后的信号由锁相放大器完成信号的解调获得待测气体的二次谐波信号，二次谐波信号由安装在电脑内部的数据采集卡采集进行后续的处理和气体浓度的反演，光声气体池中安装有温度检测计和压力检测计用于实时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正；待测气体为人类呼吸气体通过呼吸气嘴收集以后，经过气管进入水汽干燥瓶中的浓硫酸溶液去除水汽后通过进气嘴进入光声气体池形成待测气体，气体通过出气嘴，压力泵和压力检测计控制排出光声气体池。

进一步的，所述的光声气体池其主材料为不锈钢材料，其长度及镜片安装位置根据光声方程式计算得到。

进一步的，所述的光声气体池，所述的平面高反射镜片与两片高反射率凹面镜其表面镀高反射膜，其反射率在99.8％以上，且根据不同待测气体的吸收波长选择镀不同的反射膜。

本发明另外提供一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方法，利用上述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置，该方法当光声气体池内的待测气体被光照射后，气体分子吸收特定波长的光辐射后被激发到高能态，在气体分子从高能态向低能态的无辐射跃迁过程中，引起了气体的温度和压强变化，如果对入射光进行强度调制或波长调制，光声池内气体温度便会呈现出与调制频率相同的温度变化，进而导致压强的变化，当调制频率在声频范围内时，便产生声音信号，声音信号的变化反映了吸收物浓度的变化，通过光声信号的测量，就可以对待测气体浓度和组分进行光谱分析；其中：

所述的DFB激光器为尾纤输出的FC/APC法兰盘的可调谐半导体激光器；

所述的激光器温度控制板其控制DFB激光器范围在20-75℃，精度0.005℃；

所述的激光器电流控制板其控制DFB激光器范围在0-250mA，转移函数50mA/V；

所述的微型麦克风为电容式驻极微音器可以保证其稳定性和灵敏度；

所述的前置放大器为采用放大器芯片设计完成的电路信号放大模块；

所述的锁相放大器为采用AD630积分器设计完成的信号解调电路模块；

所述的水汽干燥瓶其去除水汽的溶液为浓硫酸溶液。

进一步的，所述的光声气体池两边的窗片安装角度为严格的布儒斯特角为35度，其材质为2mm厚度的CaF₂平面镜片。

进一步的，所述的光声气体池中安装有气室温度检测计和气室压力检测计用于实时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正。

进一步的，所述的信号发生板可以同时产生高频正弦波信号和低频锯齿波信号，锯齿波信号实现吸收谱线的扫描，正弦波信号实现信号的调制和为锁相放大器提供参考信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)呼出气检测属于非侵入式的，安全无痛，不会带来血液和尿液检测的不便和尴尬；

(2)呼出气与体液和尿液相比是一种相对简单的混合物，易于完成分析检测，与尿液和血液检查相比更简单；

(3)呼出气分析还可以动态的实时连续地监测人体内某种物质成分的变化过程；

(4)呼出气分析提供了其他分析手段得不到的呼吸作用的直接相关信息；

(5)该系统结构简单，易于操作，价格低廉，响应快速，可以非常方便的对呼吸气体标示物进行在线监测。

附图说明

图1为本发明整体系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明包括的系统部件可分为以下三个部分：一是光学系统，二是信号监测与收集处理系统，三是气路系统。其中，光学系统包括：激光器温度控制板1，激光器电流控制板2，DFB激光器3，信号发生板4，FC/APC的尾纤5，光纤准直器6，平面高反射镜片7，光声气体池8，石英窗片9，激光光束10和两片高反射率凹面镜11。信号监测与收集处理系统包括：微型麦克风13，前置放大器14，锁相放大器15，电脑16和数据采集卡17。气路系统包括：呼吸气嘴18，气管19，水汽干燥瓶20，进气嘴21，出气嘴22，气压控制泵23，温度检测计24和压力检测计25。

本发明实施的具体过程为：首先，激光器温度控制板1，激光器电流控制板2设置在合适的控制数值使DFB激光器3输出针对某种气体的特定吸收波长的激光，信号发生板4产生低频锯齿波和高频正弦波的调制信号，调制信号进行叠加加在DFB激光器3的Laser Diode引脚和Ground引脚上，对激光器的输出波长产生调制作用。调制以后的激光光束通过FC/APC的尾纤5与光纤准直器6连接，准直以后的激光光束通过平面高反射镜片7反射后透过光声气体池8的石英窗片9进入光声气体池8，进入光声气体池8的激光光束10经两边的两片高反射率凹面镜11多次反射，在光声气体池8中对待测气体12(呼吸气体通过呼吸气嘴18收集以后，经过气管19进入水汽干燥瓶20中的浓硫酸溶液去除水汽后通过进气嘴21进入光声气体池8形成待测气体，气体通过出气嘴22，气室压力泵23和压力检测计25控制排出光声气体池8)形成多次反射作用，作用形成的光声信号经过安装在光声气体池8中部的微型麦克风13获得。微型麦克风13获得的吸收光声信号送入前置放大器14进行信号的放大。放大以后的信号由锁相放大器15完成信号的解调获得待测气体的二次谐波信号。二次谐波信号由安装在电脑16内部的数据采集卡17采集进行后续的处理和气体浓度的反演。光声气体池8中安装有温度检测计24和压力检测计25用于实时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置，其特征在于，该装置分为以下三个部分：一是光学系统，二是信号监测与收集处理系统，三是气路系统，其中，光学系统包括：激光器温度控制板(1)，激光器电流控制板(2)，DFB激光器(3)，信号发生板(4)，FC/APC的尾纤(5)，光纤准直器(6)，平面高反射镜片(7)，光声气体池(8)，石英窗片(9)，激光光束(10)和两片高反射率凹面镜(11)；信号监测与收集处理系统包括：微型麦克风(13)，前置放大器(14)，锁相放大器(15)，电脑(16)和数据采集卡(17)；气路系统包括：呼吸气嘴(18)，气管(19)，水汽干燥瓶(20)，进气嘴(21)，出气嘴(22)，气压控制泵(23)，温度检测计(24)和压力检测计(25)；激光器温度控制板(1)，激光器电流控制板(2)控制DFB激光器(3)输出特定波长的激光，信号发生板(4)产生低频锯齿波和高频正弦波的调制信号，调制信号进行叠加加在DFB激光器(3)的引脚上，对激光器的输出波长产生调制，调制以后的激光光束通过FC/APC的尾纤(5)与光纤准直器(6)连接，准直以后的激光光束通过平面高反射镜片(7)反射后透过光声气体池(8)的石英窗片(9)进入光声气体池(8)，进入光声气体池(8)的激光光束(10)经两边的两片高反射率凹面镜(11)多次反射，在光声气体池(8)中对待测气体(12)形成多次作用，光声信号经过安装在光声气体池(8)中部的微型麦克风(13)获得，微型麦克风(13)获得的吸收光声信号送入前置放大器(14)进行信号的放大，放大以后的信号由锁相放大器(15)完成信号的解调获得待测气体的二次谐波信号，二次谐波信号由安装在电脑(16)内部的数据采集卡(17)采集进行后续的处理和气体浓度的反演，光声气体池(8)中安装有温度检测计(24)和压力检测计(25)用于实时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正；待测气体(12)为人类呼吸气体通过呼吸气嘴(18)收集以后，经过气管(19)进入水汽干燥瓶(20)中的浓硫酸溶液去除水汽后通过进气嘴(21)进入光声气体池(8)形成待测气体，气体通过出气嘴(22)，压力泵(23)和压力检测计(25)控制排出光声气体池(8)。

2.根据权利要求1所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置，其特征在于：所述的光声气体池(8)其主材料为不锈钢材料，其长度及镜片安装位置根据光声方程式计算得到。

3.根据权利要求2所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置，其特征在于：所述的光声气体池(8)，所述的平面高反射镜片(7)与两片高反射率凹面镜(11)其表面镀高反射膜，其反射率在99.8％以上，且根据不同待测气体的吸收波长选择镀不同的反射膜。

4.一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方法，利用权利要求1所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置，其特征在于：该方法当光声气体池(8)内的待测气体(12)被光照射后，气体分子吸收特定波长的光辐射后被激发到高能态，在气体分子从高能态向低能态的无辐射跃迁过程中，引起了气体的温度和压强变化，如果对入射光进行强度调制或波长调制，光声池内气体温度便会呈现出与调制频率相同的温度变化，进而导致压强的变化，当调制频率在声频范围内时，便产生声音信号，声音信号的变化反映了吸收物浓度的变化，通过光声信号的测量，就可以对待测气体浓度和组分进行光谱分析；其中：

所述的DFB激光器(3)为尾纤输出的FC/APC法兰盘的可调谐半导体激光器；

所述的激光器温度控制板(1)其控制DFB激光器(3)范围在20-75℃，精度0.005℃；

所述的激光器电流控制板(2)其控制DFB激光器(3)范围在0-250mA，转移函数50mA/V；

所述的微型麦克风(13)为电容式驻极微音器可以保证其稳定性和灵敏度；

所述的前置放大器(14)为采用放大器芯片设计完成的电路信号放大模块；

所述的锁相放大器(15)为采用AD630积分器设计完成的信号解调电路模块；

所述的水汽干燥瓶(20)其去除水汽的溶液为浓硫酸溶液。

5.根据权利要求4所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方法，其特征在于：所述的光声气体池(8)两边的窗片(9)安装角度为严格的布儒斯特角为35度，其材质为2mm厚度的CaF₂平面镜片。

6.根据权利要求4所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方法，其特征在于：所述的光声气体池(8)中安装有温度检测计(24)和压力检测计(25)用于实时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正。

7.根据权利要求4所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方法，其特征在于：所述的信号发生板(4)可以同时产生高频正弦波信号和低频锯齿波信号，锯齿波信号实现吸收谱线的扫描，正弦波信号实现信号的调制和为锁相放大器提供参考信号。