CN104964944B - 一种双路红外光谱分析系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双路红外光谱分析系统，包括双路四气室光源、第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹²C检测器、第二¹²C检测器、第一¹³C气室、第二¹³C气室、第一¹³C检测器、第二¹³C检测器、信号处理装置、排气三通阀、第一标本吸入泵、第二标本吸入泵、第一标本吸入控制阀、第二标本吸入控制阀、第一标本容器、第二标本容器以及排气双头泵；所述双路四气室光源分别为第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室以及第二¹³C气室提供脉冲红外光信号。本发明涉及一种双路红外光谱分析系统的测试方法。本发明的测试性能稳定，精确度高，并能同时对患者呼气样气样本和患者呼气原气样本进行快速即时检测。

Description

一种双路红外光谱分析系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于¹³C呼气试验诊断疾病的分析系统，尤其涉及一种双路红外光谱分析系统及其检测方法。

背景技术

呼气试验是一种将标记化合物引入体内代谢后以呼气的方式进行体外检测的无创伤性测定方法。稳定同位素比值分析可在医学上用于诊断疾病，当受试者服用含同位素的药物后，通过测定呼气中同位素浓度或浓度比的变化可以确定生物体的代谢功能。自1987年Graham等人首次报道利用稳定同位素碳13(¹³CO₂)标记尿素呼气试验(¹³C－UBT)成功应用检测胃部Hp感染以来，呼气试验目前已经被广泛用于胃Hp感染、肝脏储备功能、胰腺外分泌功能等各方面的临床检测和研究，该方法具有安全、简便以及高灵敏、高特异性等特点，其无创、快捷、安全、精确、无放射性、无污染的优越性已成为世界公认的胃幽门螺旋杆菌医学检验方法的黄金标准。

早期稳定性同位素碳13(¹³CO₂)呼气检测设备是以气体同位素比值质谱仪作为检测平台，而这些设备多为进口且售价昂贵，因检测成本高昂和检测过程繁杂制约了¹³C－UBT的普及和发展。在相当一段时间里我国很多医疗机构特别是基层医疗单位仍采用放射性同位素碳14(¹⁴CO₂)标记的尿素进行呼气试验。公知的，¹⁴CO₂同位素是具有放射性且半衰期较长(T1/2＝5730年)的非稳定二氧化碳同位素，接触或服用¹⁴CO₂标记过的药品会在相当程度上对患者和使用者产生一定强度的核素辐射；服用¹⁴CO₂标记药物受试者的排泄物对环境(地下水源)污染也很深远。另外，同一受检者也不宜短期多次使用，特别是该检查对孕妇和儿童有严格使用禁忌限制，在发达国家¹⁴CO₂是按放射药品进行严格管理的，已经列为淘汰或禁用检测技术。毫无疑问，¹⁴C-UBT的方法是落后和有害的，其使用范围会越来越小。

在医学检验领域，快速即时检测(POCT)和低成本运营是新型医疗技术普及与发展的主要方向。目前，现有的对二氧化碳同位素¹³C做测试分析的红外光谱检测装置可以用于临床幽门螺旋杆菌的医学检验。但是这种红外光谱分析技术只配备一路二气室检测单元，在进行¹³C-UBT分析检测时，先要检测一组受试者未服用¹³CO₂尿素试剂之前的呼出气(原气)，然后再测试一组服用¹³CO₂尿素试剂后的呼出气(样气)，分别将两组呼出气用红外光谱检测系统进行分析，计算其服药前后呼出气体中的¹³CO₂变化量来判断受试者是否被胃幽门螺旋杆菌感染。这种方法采用前后顺序测试，检测时间较长(3min/test)，且因时间跨度还会带来时差漂移，而这种漂移对于痕量标本检测影响是很不利的，且因其规律性不强很难做到通过数据后处理的方法来弥补而影响到测量的稳定性和精确度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在于提供一种测试性能稳定，精确度高，并能同时对患者呼气样气样本和患者呼气原气样本进行快速即时检测的双路红外光谱分析系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双路红外光谱分析系统，包括双路四气室光源、第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹²C检测器、第二¹²C检测器、第一¹³C气室、第二¹³C气室、第一¹³C检测器、第二¹³C检测器、信号处理装置、排气三通阀、第一标本吸入泵、第二标本吸入泵、第一标本吸入控制阀、第二标本吸入控制阀、第一标本容器、第二标本容器以及排气双头泵；所述双路四气室光源分别为第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室以及第二¹³C气室提供脉冲红外光信号；所述第一¹²C检测器、第二¹²C检测器、第一¹³C检测器以及第二¹³C检测器分别用于一一对应地接收通过第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将接收到的脉冲红外光信号传输给所述信号处理装置；所述第一¹³C气室上设有一第一气体标本入口，所述第一标本吸入泵的出气端通过第一气体标本入口与第一¹³C气室相连通，所述第一标本吸入泵的进气端通过第一标本吸入控制阀与第一标本容器相连，所述第一标本吸入控制阀上还连接有一第一CO₂过滤器；所述第二¹³C气室上设有一第二气体标本入口，所述第二标本吸入泵的出气端通过第二气体标本入口与第二¹³C气室相连通，所述第二标本吸入泵的进气端通过第二标本吸入控制阀与第二标本容器相连，所述第二标本吸入控制阀上还连接有一第二CO₂过滤器；所述第一¹²C气室上设有一第一气体标本出口，所述排气三通阀的一端通过第一气体标本出口与第一¹²C气室相连通，所述第二¹²C气室上设有一第二气体标本出口，所述排气三通阀的另一端通过第二气体标本出口与第二¹²C气室相连通，所述排气三通阀的第三端与排气双头泵相连。

优选的，所述双路四气室光源包括光源基座、共轴斩光片、共轴斩光器电机、光源恒流PWM驱动板以及安装在光源基座上的第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源、第二¹²C光源；所述共轴斩光片位于第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源、第二¹²C光源的前端，所述光源恒流PWM驱动板用于控制第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源以及第二¹²C光源的工作状态，所述共轴斩光电机用于驱动共轴斩光片从而将第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源以及第二¹²C光源发出的稳定红外光信号转换为脉冲红外光信号。

优选的，所述信号处理装置包括用于接收脉冲红外光信号的前置放大滤波电路、A/D信号输出端以及主控电路，所述前置放大滤波电路通过A/D信号输出端与主控电路相连，所述主控电路还通过一串口连接线与上位机相连。

优选的，所述双路四气室光源、第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹²C检测器、第二¹²C检测器、第一¹³C气室、第二¹³C气室、第一¹³C检测器、第二¹³C检测器、信号处理装置以及排气三通阀均密闭安装于一密封屏蔽盒内。

优选的，所述第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室以及第二¹³C气室的内壁均进行了高反射镀金处理。

本发明还包括一种双路红外光谱分析系统的测试方法，其包括如下步骤：

步骤1、第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀分别接通各自对应的第一CO₂过滤器和第二CO₂过滤器，并分别通过第一标本吸入泵以及第二标本吸入泵吸入空气，所吸入的空气分别通过第一CO₂过滤器和第二CO₂过滤器后均变为不含CO₂成分的零气；

步骤2、零气依次被吸入第一¹³C气室以及第一¹²C气室，同理零气也依次被吸入第二¹³C气室以及第二¹²C气室，第一标本吸入泵和第二标本吸入泵均低匀速循环N秒钟后，通过第一¹²C检测器、第一¹³C检测器、第二¹²C检测器以及第二¹³C检测器同时对应地接收通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将该分别通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的各个脉冲红外光信号均传输给信号处理装置，从而使得信号处理装置得出各个气室的¹²C和¹³C光谱强度值，即第一零气¹²C光强¹²R₁、第一零气¹³C光强¹³R₁、第二零气¹²C光强¹²R₂以及第二零气¹³C光强¹³R₂，其中脉冲红外光信号由双路四气室光源提供；

步骤3、关闭第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀后，打开排气三通阀，并启动排气双头泵以排出第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹³C气室中的零气，排气双头泵运行一段时间之后，若各个气室的光谱强度值达到最大，则关闭排气三通阀和排气双头泵；

步骤4、将装有患者呼气原气标本的第一标本容器和装有患者呼气样气标本的第二标本容器分别对应地连接到第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀上；

步骤5、第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀分别接通各自对应的第一标本容器和第二标本容器，并通过第一标本吸入泵和第二标本吸入泵对应地将第一标本容器中的患者呼气原气标本和第二标本容器中的患者呼气样气标本分别吸入第一¹³C气室和第二¹³C气室，其中患者呼气原气标本还通过第一¹³C气室进入第一¹²C气室，患者呼气样气标本还通过第二¹³C气室进入第二¹²C气室；

步骤6、第一标本吸入泵、第二标本吸入泵均低匀速循环N秒钟后，通过第一¹²C检测器、第一¹³C检测器、第二¹²C检测器以及第二¹³C检测器同时对应地接收通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将该分别通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的各个脉冲红外光信号均传输给信号处理装置，从而使得信号处理装置得出各个气室的¹²C和¹³C光谱强度值，即第一原气¹²C光强¹²P、第一原气¹³C光强¹³P、第二样气¹²C光强¹²S、第二样气¹³C光强¹³S。优选的，步骤6之后还包括如下步骤：

步骤7、与信号处理装置中的主控电路相连的上位机根据第一零气¹²C光强¹²R₁、第一零气¹³C光强¹³R₁、第二零气¹²C光强¹²R₂、第二零气¹³C光强¹³R₂、第一原气¹²C光强¹²P、第一原气¹³C光强¹³P、第二样气¹²C光强¹²S以及第二样气¹³C光强¹³S得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中¹³C同位素的变化量δ。优选的，步骤8包括以下子步骤：

步骤71、根据朗博-比尔定律计算出各个气室的光强吸收率，即原气¹²C0₂光强吸收率¹²A(p)、原气¹³C0₂光强吸收率¹³A(p)、样气¹²C0₂光强吸收率¹²A(s)以及样气¹³C0₂光强吸收率¹³A(s)；

步骤72、制作¹²C0₂标准曲线以及¹³C0₂标准曲线，其中¹²C0₂标准曲线中以¹²C0₂浓度为横坐标、¹²C0₂光强吸收率为纵坐标，¹³C0₂标准曲线中以¹³C0₂浓度为横坐标、¹³C0₂光强吸收率为纵坐标；

步骤73、根据各个气室的光强吸收率以及¹²C0₂标准曲线和¹³C0₂标准曲线，得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C同位素变化量δ¹³C(DOB)。

优选的，步骤7之后还包括如下步骤：

步骤8、得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C变化量δ¹³C(DOB)后，交换第一标本容器和第二标本容器的位置，再重复步骤1到步骤7以得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的另一¹³C同位素变化量δ′¹³C(DOB)，再取两次¹³C同位素变化量δ¹³C(DOB)和δ′¹³C(DOB)的平均值作为最终的¹³C同位素变化量。

本发明的有益效果如下：

本发明的双路红外光谱分析系统能同时对患者呼气样气样本和患者呼气原气样本进行快速即时检测，可缩短检测时间，提高检测效率。即在具体的使用过程中，会使得每患者的检测时间缩短一半，加上其它优化设计改进，目标检测时间可到1min/test，比现有技术的检测效率成倍地提高了。同时该系统的测试性能稳定，检测结果的精确度高，并能够进行快速即时的检测。本发明的系统中采用的红外光源的频响特性和重复性较好，且具有低成本、可直接调制等特点。而且其采用多气泵气体标本泵浦结构，便于对样本抽取和排出进行分工管理，提高了检测速率，也避免了传统方法单一气泵连续不停工作导致的性能下降和寿命缩短等问题。

更为重要的是，该系统不但可用于更先进的自动型大通量检测平台的扩展应用(60test/h)，也可用作已有成熟产品从2通道至16通道的升级换代，对于¹³C-UBT的更广泛的普及应用意义重大非凡。

本发明的测试方法能够有效地测试分析呼气测试的数据，得出更为准确的检测结果。在测试过程中可通过交换测试求平均值的方法求得更为精准地数据，使得检测结果更为可靠。

附图说明

图1为本发明一种双路红外光谱分析系统的较佳实施方式的结构图。

附图标记：1、共轴斩光器电机；2、共轴斩光片；3、光源基座；0A、第1路进气口；0B、第2路进气口；4A、第一¹³C光源；4B、第一¹²C光源；4C、第二¹³C光源；4D、第二¹²C光源；5A、第一¹²C气室；5B、第二¹²C气室；6A、第一¹²C检测器；6B、第二¹²C检测器；7A、第一¹³C气室；7B、第二¹³C气室；8A、第一¹³C检测器；8B、第二¹³C检测器；9A—、第一气体标本入口；9B、第二气体标本入口；10A、第一气体标本出口；10B、第二气体标本出口；11、前置放大滤波电路；12、A/D信号输出端；13、密封屏蔽盒；14、排气三通阀；15A、第一标本吸入泵；15B、第二标本吸入泵；16A、第一CO₂过滤器；16B、第二CO₂过滤器；17A、第一标本吸入控制阀；17B、第二标本吸入控制阀；18A、第一标本容器；18B、第二标本容器；19、排气双头泵；20、主控电路；21、光源恒流PWM驱动板；22、串口连接线；23、上位机；24、打印机；25—操作员；26—患者；27—帕尔贴元件；28A—第一¹²C光谱滤波器；28B--第二¹²C光谱滤波器。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

请参见图1，本发明涉及一种双路红外光谱分析系统，其根据¹²CO₂和¹³CO₂在波长4.3um和4.4um附近分别有仅0.1um的细微特异性吸收差异，匹配最佳的高选择性红外检测器可分别测定¹²CO₂和¹³CO₂的光谱吸收强度变化达到计算其浓度变化的目的。

其较佳实施方式包括双路四气室光源、第一¹²C气室5A、第二¹²C气室5B、第一¹²C检测器6A、第二¹²C检测器6B、第一¹³C气室7A、第二¹³C气室7B、第一¹³C检测器8A、第二¹³C检测器8B、信号处理装置、排气三通阀14、第一标本吸入泵15A、第二标本吸入泵15B、第一标本吸入控制阀17A、第二标本吸入控制阀17B、第一标本容器18A、第二标本容器18A以及排气双头泵19；双路四气室光源分别为第一¹²C气室5A、第二¹²C气室5B、第一¹³C气室7A以及第二¹³C气室7B提供脉冲红外光信号；第一¹²C检测器6A、第二¹²C检测器6B、第一¹³C检测器8A以及第二¹³C检测器8B分别用于一一对应地接收通过第一¹²C气室5A、第二¹²C气室5B、第一¹³C气室7A以及第二¹³C气室7B的脉冲红外光信号，并将接收到的脉冲红外光信号传输给信号处理装置；第一¹³C气室7A上设有一第一气体标本入口9A，第一标本吸入泵15A的出气端通过第一气体标本入口9A与第一¹³C气室7A相连通，第一标本吸入泵15A的进气端通过第一标本吸入控制阀17A与第一标本容器18A相连，第一标本吸入控制阀17A上还连接有一第一CO₂过滤器16A；第二¹³C气室7B上设有一第二气体标本入口9B，第二标本吸入泵15B的出气端通过第二气体标本入口9B与第二¹³C气室7B相连通，第二标本吸入泵15B的进气端通过第二标本吸入控制阀17B与第二标本容器18B相连，第二标本吸入控制阀17B上还连接有一第二CO₂过滤器16B；第一¹²C气室5A上设有一第一气体标本出口10A，排气三通阀14的一端通过第一气体标本出口10A与第一¹²C气室5A相连通，第二¹²C气室5B上设有一第二气体标本出口10B，14排气三通阀的另一端通过第二气体标本出口10B与第二¹²C气室5B相连通，排气三通阀14的第三端与排气双头泵19相连。

具体的，第一标本容器18A以及第二标本容器18B可以分别由患者26呼入服药前的气体以及服药后的气体，其中服药前呼入的气体为患者呼气原气样本，服药后呼入的气体为患者呼气样气样本。

本发明采用了三个气泵作为气体标本的泵浦抽运，其中排气双头泵的流量较大，负责大功率快速排出各个气室内检测过的废弃的气体标本；而另外两个流量较小的气泵为第一标本吸入泵和第二标本吸入泵分别作为将各自独立气路的呼气样本抽进和进行内部循环的泵浦，可高效率的做气体标本的转移和抽运，以减少测试时间，从而提高检测效率。

其中，双路四气室光源包括光源基座3、共轴斩光片2、共轴斩光器电机1、光源恒流PWM驱动板21以及安装在光源基座3上的第一¹³C光源4A、第一¹²C光源4B、第二¹³C光源4C、第二¹²C光源4D；共轴斩光片2位于第一¹³C光源4A、第一¹²C光源4B、第二¹³C光源4C、第二¹²C光源4D的前端，光源恒流PWM驱动板21用于控制第一¹³C光源4A、第一¹²C光源4B、第二¹³C光源4C以及第二¹²C光源4D的工作状态，共轴斩光电机1用于驱动共轴斩光片2从而将第一¹³C光源4A、第一¹²C光源4B、第二¹³C光源4C以及第二¹²C光源4D发出的稳定红外光信号转换为脉冲红外光信号。

优选的，第一¹³C光源4A、第一¹²C光源4B、第二¹³C光源4C以及第二¹²C光源4D可以均为采用MEMS工艺制作的窄带(2-10um)中红外光源。对上述各个红外光源采用恒功率加反馈自动调整的方法，可使得辐射出的红外能量恒定不变，增加系统光谱稳定性。更为优选的，第一¹²C检测器6A、第二¹²C检测器6B、第一¹³C检测器8A以及第二¹³C检测器8B可以均为热释电红外探测器。这种型号的组合选择可以达到成本较低、稳定性和检测精密度较高的要求。

而且，共轴斩光器电机1带动共轴斩光片2对第一¹³C光源4A、第一¹²C光源4B、第二¹³C光源4C以及第二¹²C光源4D做同步斩波调制以产生红外脉冲信号，并用红外脉冲信号激励对应的第一¹²C检测器6A、第二¹²C检测器6B、第一¹³C检测器8A以及第二¹³C检测器8B，这样可使得各个检测器获取较高一致性和同步性的频率响应，确保双路输出的红外脉冲信号的一致性。

当然，双路四气室光源也可以是采用PWM脉冲调制发生器作为激励源驱动各个红外光源，使得红外光源工作处于频闪状态以发出红外脉冲信号。这种设计会使各个红外光源的使用寿命大大提高，同时也因去掉共轴斩光器电机以及共轴斩光片等结构后，整个双路红外光谱分析系统的体积也会大大减小，更适合小型化结构。同时，采用PWM脉冲调制发生器作为激励源也可以对激励频率做任意调整，频响特性也更加优异，与传统的机械斩波光源的传导散热相比，散热不需要通过介质实现，因而具有瞬时响应的优点。

其中，信号处理装置包括用于接收脉冲红外光信号的前置放大滤波电路11、A/D信号输出端12以及主控电路20，前置放大滤波电路11通过A/D信号输出端12与主控电路20相连，主控电路20还通过一串口连接线22与上位机23相连。

具体的，上位机23还可以连接外部的打印机24，以打印需要的检测报告。操作员25可以根据实际需要对上位机23进行操作。

其中，双路四气室光源、第一¹²C气室5A、第二¹²C气室5B、第一¹²C检测器6A、第二¹²C检测器6B、第一¹³C气室7A、第二¹³C气室7B、第一¹³C检测器8A、第二¹³C检测器8B、信号处理装置以及排气三通阀14均密闭安装于一密封屏蔽盒13内。其目的是便于对上述器件实施温度控制和防止外部电磁辐射对其产生电磁干扰，从而提高检测的精确度。

进一步地，第一¹²C气室5A、第二¹²C气室5B、第一¹³C气室7A以及第二¹³C气室7B的内壁均进行了高反射镀金处理。高反射镀金处理是在气室加工过程的工艺处理手段。当该系统进行测试时，呼气标本含有大量水汽，久之，可能会造成各个气室内壁氧化而降低光的传输效率，故采用镀金加工(一般多为24K金)可有效防范上述问题出现，延长设备的使用寿命和使用稳定性。该高反射镀金处理能够最大程度地降低光传输损耗，提高各个检测器的响应效率。其中各个检测器的噪声小于40μV/Hz1/2，电压响应率达到90000V/W。

更进一步地，可以在第一¹³C气室7A与第一¹³C光源4A之间加一¹²CO₂光谱滤波器，从而降低高浓度的¹²CO₂对极低浓度的¹³CO₂的交叉干扰度。同理也可以在第二¹³C气室7A与第二¹³C光源4A之间加一¹²CO₂光谱滤波器。

另外，更进一步地，可以使用波尔贴器件和高效保温材料对各个气室进行恒温控制管理，其恒温精度可达到±0.1℃，这可有效降低外部气体标本吸入后其与各气室的温差对整个系统温度的温飘干扰。再者，各个检测元件对温度变化敏感，精密恒温可使得气体标本在吸入各个气室后得到温度补偿达到快速与系统温度平衡从而消除温差对检测结果的影响。

该系统的具体工作过程如下:

第一标本容器18A和第二标本容器18A中的患者气体标本分别被第一标本吸入泵15A和第二标本吸入泵15B吸入各自独立的气室中内，并保持一定压力和流速，其中第一标本容器18A中的患者气体标本依次进入第一¹³C气室7A和第二¹³C气室7B，第二标本容器18A中的患者气体标本依次进入第一¹²C气室5A和第二¹²C气室5B。第一¹³C光源4A、第一¹²C光源4B、第二¹³C光源4C以及第二¹²C光源4D在光源恒流PWM驱动板21的驱动下按照一定频率关断和接通，对应不同患者吸入气体浓度不同，第一¹²C检测器6A、第二¹²C检测器6B、第一¹³C检测器8A以及第二¹³C检测器8B会对脉冲红外信号有不同响应，并产生和脉冲红外信号相应的输出信号(朗伯比尔定律)，该输出信号经过前置放大滤波电路11滤波和放大后再通过A/D信号输出端12传送给控制电路20，经控制电路20处理后的输出信号则通过串口连接线22输出给上位机23进行处理，上位机能够将计算结果以病例报告形式由打印机24打印输出。标本测试完成后，排气双头泵19工作，排气双头泵19高速大流量的将检测过的两路废弃气体标本排出，并对各个气室进行扫气清洗以确保残留气体被彻底排出，这样可有效提高检测质量和缩减时间以提高检测效率。

本发明还包括一种双路红外光谱分析系统的测试方法，其包括如下步骤：

步骤S1、第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀分别接通各自对应的第一CO₂过滤器和第二CO₂过滤器，并分别通过第一标本吸入泵以及第二标本吸入泵吸入空气，所吸入的空气分别通过第一CO₂过滤器和第二CO₂过滤器后均变为不含CO₂成分的零气。

步骤S2、零气依次被吸入第一¹³C气室以及第一¹²C气室，同理零气也依次被吸入第二¹³C气室以及第二¹²C气室，第一标本吸入泵和第二标本吸入泵均低匀速循环N秒钟后，通过第一¹²C检测器、第一¹³C检测器、第二¹²C检测器以及第二¹³C检测器同时对应地接收通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将该分别通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的各个脉冲红外光信号均传输给信号处理装置，从而使得信号处理装置得出各个气室的¹²C和¹³C光谱强度值，即第一零气¹²C光强¹²R₁、第一零气¹³C光强¹³R₁、第二零气¹²C光强¹²R₂以及第二零气¹³C光强¹³R₂，其中脉冲红外光信号由双路四气室光源提供。

步骤S3、关闭第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀后，打开排气三通阀，并启动排气双头泵以排出第一¹²C气室、第二¹²C气室第一¹³C气室、第二¹³C气室中的零气，排气双头泵运行一段时间之后，若各个气室的光谱强度值达到最大，则关闭排气三通阀和排气双头泵。

步骤S4、将装有患者呼气原气标本的第一标本容器和装有患者呼气样气标本的第二标本容器分别对应地连接到第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀上。

步骤S5、第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀分别接通各自对应的第一标本容器和第二标本容器，并通过第一标本吸入泵和第二标本吸入泵对应地将第一标本容器中的患者呼气原气标本和第二标本容器中的患者呼气样气标本分别吸入第一¹³C气室和第二¹³C气室，其中患者呼气原气标本还通过第一¹³C气室进入第一¹²C气室，患者呼气样气标本还通过第二¹³C气室进入第二¹²C气室。

步骤S6、第一标本吸入泵、第二标本吸入泵均低匀速循环N秒钟后，通过第一¹²C检测器、第一¹³C检测器、第二¹²C检测器以及第二¹³C检测器同时对应地接收通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将该分别通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的各个脉冲红外光信号均传输给信号处理装置，从而使得信号处理装置得出各个气室的¹²C和¹³C光谱强度值，即第一原气¹²C光强¹²P、第一原气¹³C光强¹³P、第二样气¹²C光强¹²S、第二样气¹³C光强¹³S。

优选的，步骤S6之后还包括如下步骤：

步骤S7、与信号处理装置中的主控电路相连的上位机根据第一零气¹²C光强¹²R₁、第一零气¹³C光强¹³R₁、第二零气¹²C光强¹²R₂、第二零气¹³C光强¹³R₂、第一原气¹²C光强¹²P、第一原气¹³C光强¹³P、第二样气¹²C光强¹²S以及第二样气¹³C光强¹³S得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中¹³C同位素的变化量δ。

优选的，步骤S7包括以下子步骤：

步骤S71、根据朗博-比尔定律计算出各个气室的光强吸收率，即原气¹²CO₂光强吸收率¹²A(p)、原气¹³CO₂光强吸收率¹³A(p)、样气¹²CO₂光强吸收率¹²A(s)以及样气¹³CO₂光强吸收率¹³A(s)。

其中，原气¹²CO₂光强吸收率¹²A(p)：¹²A(p)＝-log(¹²P/¹²R1)；

原气¹³CO₂光强吸收率¹³A(p):¹³A(p)＝-log(¹³P/¹³R1)；

样气¹²CO₂光强吸收率¹²A(s)：¹²A(s)＝-log(¹²S/¹²R₂)；

样气¹³CO₂光强吸收率¹³A(s):¹³A(s)＝-log(¹³S/¹³R₂)。

步骤S72、制作¹²CO₂标准曲线以及¹³CO₂标准曲线，其中¹²CO₂标准曲线中以¹²CO₂浓度为横坐标、¹²CO₂光强吸收率为纵坐标，¹³CO₂标准曲线中以¹³CO₂浓度为横坐标、¹³CO₂光强吸收率为纵坐标。

其中，根据公知的检测技术，光谱法气体浓度检测需要用已知浓度的¹²CO₂标准气(钢瓶气)和已知浓度的¹³CO₂标准气(瓶装气)对系统进行标定，在进行光谱强度吸收测量的基础上制作标准曲线，通过标准曲线查表计算¹²CO₂的浓度和¹³CO₂的浓度。

制作¹²CO₂标准曲线的具体过程如下：

一般而言，人的口吹气中CO₂浓度即使经过吹气辅导训练也不会超过6％，因此可采用测量约0.5％-6％内不同¹²CO₂浓度的光谱强度吸收率作为系统标定的量程范围。将¹²CO₂浓度作为横坐标，¹²CO₂光谱吸收率为纵坐标，故可以用最小二乘法拟合确定近似曲线用作标准曲线来查表计算¹²CO₂的浓度。

制作¹²CO₂标准曲线的具体过程如下：

自然界中，CO₂同位素中¹³CO₂与¹²CO₂的丰度比值大约为1％，因此选用约0.005％--约0.06％范围内不同¹³CO₂浓度的¹³CO₂光谱强度吸收率对系统做标定。将¹³CO₂浓度和¹³CO₂吸收率分别标成横坐标和纵坐标，并可用最小二乘法拟合确定近似曲线用作标准曲线来查表计算¹³CO₂的浓度。

步骤S73、根据各个气室的光强吸收率以及¹²CO₂标准曲线和¹³C0₂标准曲线，得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C同位素变化量δ¹³C(DOB)。

其中，患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C同位素变化量δ的具体计算过程如下：

以¹²Conc(p)和¹³Conc(p)分别表示上述标准曲线确定的原气¹²CO₂浓度和原气¹³CO₂的浓度；¹²Conc(s)和¹³Conc(s)表示用上述标准曲线确定的样气¹²CO₂浓度和样气¹³CO₂浓度。

故：(1)原气中的浓度比：¹³Conc(p)/¹²Conc(p)；

(2)样气中的浓度比：¹³Conc(s)/¹²Conc(s)。

此时，患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C同位素变化量δ¹³C(DOB)为：

δ¹³C(DOB)＝{[¹³Conc(s)/¹²Conc(s)]-[¹³Conc(p)/¹²Conc(p)]}*10³/[¹³Conc(p)/¹²Conc(p)]；

其中，DOB的定义就是原气和样气中13C/12C比值之差。在中国通常规定当DOB≥4时，则判定患者为幽门螺杆菌阳性。

优选的，步骤S7之后还包括如下步骤：

步骤S8、得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C变化量δ¹³C(DOB)后，交换第一标本容器和第二标本容器的位置，再重复步骤S1到步骤S7以得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的另一¹³C同位素变化量δ′¹³C(DOB)，再取两次¹³C同位素变化量δ¹³C(DOB)和δ′¹³C(DOB)的平均值作为最终的¹³C同位素变化量。

具体的，在设计双路红外光谱分析系统时，对于双路不对称引起的误差在独立测定同位素比值时产生的影响难以忽视。患者服药前吹气样品(原气)和服药后吹气样品(样气)是分别通过各自的进气口进入各自对应的气室独立测试，然后通过各自独立测量系统进行测量比较，来确定它们的相对差值。因此要求两路系统完全对称，才能得到正确的结果，否则将会引入较大的测试误差导致结果谬误。在工作实践中，两个独立系统尽管在器件选型过程中尽可能做到参数一致，但是还是存在各个气室的反射率；检测元件的响应率、噪声系数；光源的频谱离散性以及各自独立的泵浦效率、装配误差等多种影响因素。故很难做到两个系统完全一致，因此需要进行必要的矫正才能满足检测要求。

步骤S8中，取两次¹³C同位素变化量δ¹³C(DOB)和δ′¹³C(DOB)的平均值作为最终的¹³C同位素变化量的依据如下：

1和2分别代表患者服药前吹气样品(原气)的进样通道和患者服药后吹气样品(样气)的进样通道。

首先定义：

其中，R1为原气通道¹³C/¹²C同位素浓度比值；R2为样气通道¹³C/¹²C同位素浓度比值。

如果用同一CO₂标本气样同时送入两个通道做同位素比值测试结果为R1＝R2,则有则表示这两个独立通道1和2完全对称，无须做偏差矫正。

反之，在对同一标本气样测试分析就会产生两路¹³C/¹²C同位素比值R₁≠R2的结果，也即则表示这两个独立通道1和2不对称，需要做偏差矫正。

一般而言，两个通道完全对称的情形几乎不存在。为此，矫正的方法分以下步骤进行，先使用同一标准气样(口吹气或钢瓶气)两袋分别同时插人第1和第2路气室通道进气口，按以下算法测得δ¹ _1-2的值：

整理公式得：

在得到δ_1-2值后，将两袋样品交叉换位再次插入第1和第2路气室通道，测得δ² _1-2为：

整理公式得：

又因为：

所以：

将公式(2)和公式(4)相加得：

将公式(2)和公式(4)相减得：

移向整理公式得：

由公式(1)和(3)可见：当△R₁、△R₂愈大时，δ的测量值与真值差别愈大。即两通道的不对称性越大时，δ的测量值偏离真值越大；当△R1＝△R2＝0时，δ的测量值等于真值，即两通道完全对称。

由公式(2)和公式(5)得知，δ的测量值与真值的差异为可由公式(6)计算得到。如果需要校正时，可采用交换通道进样的方法，将两次测得的结果代入公式(5)计算取平均值，即可消除通道不对称性引起δ值的变化。

分析计算表明，双路红外光谱分析系统在对同一样气标本进行测试中，δ值不为零是由两独立气室系统不对称引起的，在对系统进行矫正时采用以上公式(5)可有效消除所述的不对称差异，确保双路同时测试结果的可靠性。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双路红外光谱分析系统，其特征在于，包括双路四气室光源、第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹²C检测器、第二¹²C检测器、第一¹³C气室、第二¹³C气室、第一¹³C检测器、第二¹³C检测器、信号处理装置、排气三通阀、第一标本吸入泵、第二标本吸入泵、第一标本吸入控制阀、第二标本吸入控制阀、第一标本容器、第二标本容器以及排气双头泵；所述双路四气室光源分别为第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室以及第二¹³C气室提供脉冲红外光信号；所述第一¹²C检测器、第二¹²C检测器、第一¹³C检测器以及第二¹³C检测器分别用于一一对应地接收通过第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将接收到的脉冲红外光信号传输给所述信号处理装置；所述第一¹³C气室上设有一第一气体标本入口，所述第一标本吸入泵的出气端通过第一气体标本入口与第一¹³C气室相连通，所述第一标本吸入泵的进气端通过第一标本吸入控制阀与第一标本容器相连，所述第一标本吸入控制阀上还连接有一第一CO₂过滤器；所述第二¹³C气室上设有一第二气体标本入口，所述第二标本吸入泵的出气端通过第二气体标本入口与第二¹³C气室相连通，所述第二标本吸入泵的进气端通过第二标本吸入控制阀与第二标本容器相连，所述第二标本吸入控制阀上还连接有一第二CO₂过滤器；所述第一¹²C气室上设有一第一气体标本出口，所述排气三通阀的一端通过第一气体标本出口与第一¹²C气室相连通，所述第二¹²C气室上设有一第二气体标本出口，所述排气三通阀的另一端通过第二气体标本出口与第二¹²C气室相连通，所述排气三通阀的第三端与排气双头泵相连。

2.如权利要求1所述的双路红外光谱分析系统，其特征在于：所述双路四气室光源包括光源基座、共轴斩光片、共轴斩光器电机、光源恒流PWM驱动板以及安装在光源基座上的第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源、第二¹²C光源；所述共轴斩光片位于第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源、第二¹²C光源的前端，所述光源恒流PWM驱动板用于控制第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源以及第二¹²C光源的工作状态，所述共轴斩光器电机用于驱动共轴斩光片从而将第一¹³C光源、第一¹²C光源、第二¹³C光源以及第二¹²C光源发出的稳定红外光信号转换为脉冲红外光信号。

3.如权利要求1所述的双路红外光谱分析系统，其特征在于：所述信号处理装置包括用于接收脉冲红外光信号的前置放大滤波电路、A/D信号输出端以及主控电路，所述前置放大滤波电路通过A/D信号输出端与主控电路相连，所述主控电路还通过一串口连接线与上位机相连。

4.如权利要求1所述的双路红外光谱分析系统，其特征在于：所述双路四气室光源、第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹²C检测器、第二¹²C检测器、第一¹³C气室、第二¹³C气室、第一¹³C检测器、第二¹³C检测器、信号处理装置以及排气三通阀均密闭安装于一密封屏蔽盒内。

5.如权利要求1所述的双路红外光谱分析系统，其特征在于：所述第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室以及第二¹³C气室的内壁均进行了高反射镀金处理。

6.一种如权利要求1所述的双路红外光谱分析系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀分别接通各自对应的第一CO₂过滤器和第二CO₂过滤器，并分别通过第一标本吸入泵以及第二标本吸入泵吸入空气，所吸入的空气分别通过第一CO₂过滤器和第二CO₂过滤器后均变为不含CO₂成分的零气；

步骤2、零气依次被吸入第一¹³C气室以及第一¹²C气室，同理零气也依次被吸入第二¹³C气室以及第二¹²C气室，第一标本吸入泵和第二标本吸入泵均低匀速循环N秒钟后，通过第一¹²C检测器、第一¹³C检测器、第二¹²C检测器以及第二¹³C检测器同时对应地接收通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将分别通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的各个脉冲红外光信号均传输给信号处理装置，从而使得信号处理装置得出各个气室的¹²C和¹³C光谱强度值，即第一零气¹²C光强¹²R₁、第一零气¹³C光强¹³R₁、第二零气¹²C光强¹²R₂以及第二零气¹³C光强¹³R₂，其中脉冲红外光信号由双路四气室光源提供；

步骤3、关闭第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀后，打开排气三通阀，并启动排气双头泵以排出第一¹²C气室、第二¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹³C气室中的零气，排气双头泵运行一段时间之后，若各个气室的光谱强度值达到最大，则关闭排气三通阀和排气双头泵；

步骤4、将装有患者呼气原气标本的第一标本容器和装有患者呼气样气标本的第二标本容器分别对应地连接到第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀上；

步骤5、第一标本吸入控制阀和第二标本吸入控制阀分别接通各自对应的第一标本容器和第二标本容器，并通过第一标本吸入泵和第二标本吸入泵对应地将第一标本容器中的患者呼气原气标本和第二标本容器中的患者呼气样气标本分别吸入第一¹³C气室和第二¹³C气室，其中患者呼气原气标本还通过第一¹³C气室进入第一¹²C气室，患者呼气样气标本还通过第二¹³C气室进入第二¹²C气室；

步骤6、第一标本吸入泵、第二标本吸入泵均低匀速循环N秒钟后，通过第一¹²C检测器、第一¹³C检测器、第二¹²C检测器以及第二¹³C检测器同时对应地接收通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的脉冲红外光信号，并将分别通过第一¹²C气室、第一¹³C气室、第二¹²C气室以及第二¹³C气室的各个脉冲红外光信号均传输给信号处理装置，从而使得信号处理装置得出各个气室的¹²C和¹³C光谱强度值，即第一原气¹²C光强¹²P、第一原气¹³C光强¹³P、第二样气¹²C光强¹²S、第二样气¹³C光强¹³S。

7.如权利要求6所述的双路红外光谱分析系统的测试方法，其特征在于，步骤6之后还包括如下步骤：

步骤7、与信号处理装置中的主控电路相连的上位机根据第一零气¹²C光强¹²R₁、第一零气¹³C光强¹³R₁、第二零气¹²C光强¹²R₂、第二零气¹³C光强¹³R₂、第一原气¹²C光强¹²P、第一原气¹³C光强¹³P、第二样气¹²C光强¹²S以及第二样气¹³C光强¹³S得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中¹³C同位素的变化量δ。

8.如权利要求7所述的双路红外光谱分析系统的测试方法，其特征在于，步骤7包括以下子步骤：

步骤71、根据朗博-比尔定律计算出各个气室的光强吸收率，即原气¹²C0₂光强吸收率¹²A(p)、原气¹³C0₂光强吸收率¹³A(p)、样气¹²C0₂光强吸收率¹²A(s)以及样气¹³C0₂光强吸收率¹³A(s)；

步骤72、制作¹²C0₂标准曲线以及¹³C0₂标准曲线，其中¹²C0₂标准曲线中以¹²C0₂浓度为横坐标、¹²C0₂光强吸收率为纵坐标，¹³C0₂标准曲线中以¹³C0₂浓度为横坐标、¹³C0₂光强吸收率为纵坐标；

步骤73、根据各个气室的光强吸收率以及¹²C0₂标准曲线和¹³C0₂标准曲线，得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C同位素变化量δ。

9.如权利要求7所述的双路红外光谱分析系统的测试方法，其特征在于，步骤7之后还包括如下步骤：

步骤8、得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的¹³C变化量δ¹³C(DOB)后，交换第一标本容器和第二标本容器的位置，再重复步骤1到步骤7以得出患者呼气样气标本和患者呼气原气标本中的另一¹³C同位素变化量δ′¹³C(DOB)，再取两次¹³C同位素变化量δ¹³C(DOB)和δ′¹³C(DOB)的平均值作为最终的¹³C同位素变化量。