CN104964948A - 一种检测幽门螺杆菌感染的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种检测幽门螺杆菌感染的系统，包括激光输出单元、锁频单元、检测单元、气路控制单元和显示单元。由激光温度控制器和激光电流控制器调节的半导体激光器输出波长，输出的激光通过光纤分束器分为两束，一束输入至锁频单元将波长稳定在吸收峰位置，另外一束进入检测单元，检测单元增加了一个怀特池装置，有效的增加了光路的长度，提高了检测的灵敏度，最后将检测单元得到的信号传输至显示单元，当显示单元的13CO2浓度超出预设的浓度值时告警器进行告警，从而快速检测病人胃中幽门螺杆菌的存在。本发明有效提高了检测的灵敏度，实时检测灵敏度处于ppm量级，大大缩短了检测周期，提高了检测的准确性、增加了系统的稳定性，降低了检测成本等，有效满足医疗检测的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械设备技术领域，涉及一种检测幽门螺杆菌感染系统，具体地说是采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术中的波长调制技术来检测幽门螺杆菌感染。
背景技术
幽门螺杆菌已被确定为慢性胃炎、消化性溃疡的主要致病因素。幽门螺杆菌感染可以引起胃黏膜充血、水肿，甚至形成糜烂、溃疡，而且与胃癌密切相关。全世界已有41％以上的人群感染了幽门螺杆菌，发展中国家甚至可达58.07％。10~20岁感染已达到50%以上，中国每年40万新发胃癌患者，占世界发病人数的42%；胃癌的死亡率居中国恶性肿瘤的首位，每年死亡人数达30万人。值得注意的是：30岁以下胃癌患者比率增高，比30年前翻了一翻。1994年国际癌症研究中心（IARC）将Hp列为第一类致癌因子。感染Hp者发展为胃癌的危险性比非感染人群高出4倍。因此，幽门螺杆菌感染如何快速、准确诊断是当今医学界面临的重大课题。
目前，医学界用于诊断胃中幽门螺杆菌感染要有以下几种方法：快速脲酶试验法、血清学E1SA法、胃黏膜病理活检法、细菌培养法、14C呼气试验法。快速脲酶试验法，价廉、简便、快速，不失为临床诊断幽门螺杆菌感染的较好方法，但易因个人经验差异、试剂质量、活检标本中可能混入血液等因素受到影响，使得准确性不高。血清学E1SA法，即通过抽血检测血清中幽门螺杆菌的抗体水平，被幽门螺杆菌感染后，其可在人体内生相应的幽门螺杆菌抗体，使检测呈现阳性结果，但一般感染后需要数月半载才呈阳性，在幽门螺杆菌感染初期时，作该项检测会出现假阴性结果，幽门螺杆菌即使被根除，该抗体下降缓慢，患者往往需要1-2年才能转阴，使治愈者长期背着“阳性”的黑锅。胃黏膜病理活检法，患者需要经受插镜之苦，若幽门螺杆菌呈灶性分布易导致漏诊(漏诊率10％)，但凭借医生丰富的操作经验和正确采样，可降低其漏诊率。细菌培养法是一种特异性高，敏感性强，技术设备要求不高，价廉的好方法，但条件苛刻，操作比较烦琐、复杂。14C呼气试验法，该项检查灵敏度高，特异性也很高，患者无痛苦，是近年来最受人们欢迎的一种检测幽门螺杆菌的方法，但由于该项检查存在放射线危害，儿童、孕妇、哺乳妇女和年迈体弱者应慎用，14C半衰期非常长，目前世界发达国家已禁止此项检查。
为了弥补目前幽门螺杆菌检测系统存在的不足，本发明将TDLAS技术中的波长调制技术引入到幽门螺杆菌检测系统。利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的一种技术，即半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，只有被测气体对激光吸收导致光强衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比。因此，通过测量激光强度衰减则可分析获得被测气体的浓度信息，将此技术应用到检测幽门螺杆菌上，通过检测13CO2浓度的大小从而来检测幽门螺杆菌的存在。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高、检测周期短、准确度高和检测成本低的检测幽门螺杆菌感染系统，可以非常准确快速地诊断出胃中是否感染幽门螺杆菌。
本发明的技术方案如下：
人呼出的气体中，13CO2非常小，当病人感染胃中感染了幽门螺杆菌，病人服下13C同位素标记尿素胶囊后，由于幽门螺杆菌内有尿酶，13C同位素标记尿素胶囊在尿素酶作用下水解，产生13CO2，13CO2经血液循环到达肺后随呼气排出，因此使得呼出的气体中13CO2的值变大。利用波长调制光谱技术再加上系统中加入怀特池大大的增加了光路的光程，从而具有的高探测灵敏度，可以准确地得到呼出气体中13CO2的浓度值的大小，根据这一大小可以确定病人胃中是否感染了幽门螺杆菌。
本发明采用可调谐半导体激光器与怀特池相结合，通过13CO2气体在2764nm波长附近吸收谱线的二次谐波来检测病人所呼出气体中13CO2的含量，然后利用已知浓度的13CO2气体的参考池比较，并且采用了PID伺服系统使激光输出的波长能够跟随输入设定值的任意变化的自动控制，精确的锁定在需要的波长上，通过二次谐波的峰值即可立即换算出病人所呼出气体的13CO2浓度。
本发明的一种检测幽门螺杆菌感染系统，包括激光输出单元、锁频单元、检测单元、气路控制单元和显示单元。所述的激光输出单元包括激光温度控制器、激光电流控制器、半导体激光器、光纤分束器。由激光温度控制器和激光电流控制器调节的半导体激光器输出波长，所述的半导体激光器的中心波长为200nm-10000nm（优选2764nm）。输出的激光通过光纤分束器分为两束，一束输入至锁频单元将波长稳定在吸收峰位置，另外一束进入检测单元，最后将检测单元得到的信号传输至显示单元，当显示单元的13CO2的浓度值超出预设的浓度值时告警器进行告警，从而快速检测出幽门螺杆菌的存在。
所述的检测单元包括怀特池、三个焦距相同的球面镜、锁相放大器二、软管、聚焦透镜、光电探测器二。光纤分束器输出的另一束激光传输至聚焦透镜，经会聚后的激光从怀特池上方的入光口进入，病人服下13C同位素标记尿素胶囊后，呼出的气体经过气路控制单元进入怀特池，经过怀特池中的三个焦距相同的球面镜，可以通过调节这三个焦距相同的球面镜调整入射光斑(像)和反射光斑(像)在场镜、后向反射镜一和后向反射镜二上的位置来改变反射次数调节光程，经过13CO2吸收后的光从怀特池的下端出射，并有光电探测器二接收，将激光信号转换为电信号，最终将电信号传输至锁相放大器二中，经锁相放大器二解调出的二次谐波信号直接与13CO2成比例，快速实时的反映了病人所呼出的气体中13C的含量。
进一步的，锁频单元中的锁相放大器一产生F1高频正弦信号、检测单元中的锁相放大器二产生F2高频正弦信号、PID伺服系统产生的控制信号同时加载至激光电流控制器。
进一步的，所述的锁频单元主要包括样品池、锁相放大器一、PID伺服系统。位于样品池的左侧中心处安装有输入法兰，位于样品池右侧中心放置了光电探测器一，样品池中含有已知浓度的13CO2，光纤分束器输出的一束激光经输入法兰输入至样品池中，经13CO2吸收后的光信号包括光电探测器一接收，光电探测器一将光信号转化为电信号后输入至锁相放大器一中。锁相放大器一经过解调产生的一次谐波信号输入至PID伺服系统，继而PID伺服系统将一次谐波信号所处位置与吸收峰的波长位置偏离的误差信号反馈至激光电流控制器，将激光输出的波长锁定在吸收峰至位置。
进一步的，所述的怀特池最大光程可以达到60.9m，密闭。其通过气路控制单元19来控制气体的进出和压力，实现检测所需条件，并通过气路控制单元19对怀特池进行自动清洗，以实现循环检测。
进一步的，所述的显示单元由计算机和告警器。检测单元输出的信号输入至计算机显示，若相对应的13CO2浓度超出预设的浓度值时告警器进行告警，从而快速病人的胃中是否有幽门螺杆菌的存在。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：
1) 灵敏度高：由于可调谐半导体激光吸收光谱技术，并采用怀特池装置，有效的增加了气体吸收的光程，有效地提高了检测的灵敏度，实时检测灵敏度处于ppm量级，有效满足医疗检测的应用。
2) 检测周期短：由于采用了波长调制吸收光谱技术，直接测量病人呼出气体中13CO2，根据13CO2值的大小可以确定病人胃中是否感染了幽门螺杆菌，在不失灵敏度的情况下，其时间分辨率可以在秒量级，大大缩短了检测周期。
3) 准确度高：由于使用的是窄线宽的可调谐半导体激光器作为检测的激光光源，利用13CO2吸收值比较大的激光器2764nm来实现对其浓度的检测，由于13CO2光谱的“指纹”特征，消除了其他气体和12CO2的干扰，提高了检测的准确度。
4) 处理简单：由于本发明采用了PID伺服系统，传统的用法是锁相放大器解调加载高频正弦波的三角波信号的吸收信号，其获取的数据处理需要拟合才能反演出浓度，而PID伺服系统使激光输出的波长能够跟随输入设定值的任意变化的自动控制，精确的锁定在需要的波长上，通过锁相放大器获取的信息就是传统谐波信号的谱线中心点，通过二次谐波的峰值即可立即换算出13CO2浓度，从而减少通过拟合二次谐波信号带来的处理过程，进一步提高了响应速率。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明控制系统框图。
具体实施方式
参阅附图1和2为本发明一种检测幽门螺杆菌感染系统的实施例，包括为激光输出单元1、锁频单元2、检测单元3、显示单元4、半导体激光器5、激光温度控制器6、激光电流控制器7、光纤分束器8、PID伺服系统9、、样品池10、输入法兰11、光电探测器一12、锁相放大器一13、出气管14、聚焦透镜15、光电探测器二16、怀特池17、三个焦距相同的球面镜18、场镜18（1）、后向反射镜一18（2）、后向反射镜二18（3）、气路控制单元19、锁相放大器二20、计算机21、告警器22、传感器23、电磁阀一24、氮气瓶25、电磁阀二26、负压泵27、进气阀28、控制模块29。
如图1所示的检测幽门螺杆菌感染系统中，激光输出单元1包括激光温度控制器6、激光电流控制器7、半导体激光器5、光纤分束器8；所述的半导体激光器5的中心波长为200nm-10000nm由激光温度控制器6和激光电流控制器7控制；所述的检测单元包括怀特池17、三个焦距相同的球面镜18、锁相放大器二20、气路控制单元19、聚焦透镜15、光电探测器二16；光纤分束器8输出的另一束激光传输至聚焦透镜15，经会聚后的激光从怀特池17上方的入光口进入，病人服下13C同位素标记尿素胶囊后，呼出的气体经过气路控制单元19进入怀特池17，经过怀特池17中的三个焦距相同的球面镜18，可以通过调节这三个焦距相同的球面镜18调整入射光斑(像)和反射光斑(像)在场镜18（1）、后向反射镜一18（2）和后向反射镜二18（3）上的位置来改变反射次数调节光程，经过13CO2吸收后的光从怀特池17的下端出射，并有光电探测器二16接收，将激光信号转换为电信号，最终将电信号传输至锁相放大器二22中，经锁相放大器二22解调出的二次谐波信号直接与13CO2成比例，快速实时的反映了病人所呼出的气体中13C的含量。
所述锁频单元2包括PID伺服系统9、锁相放大器一13和样品池10，其中锁频单元2中的锁相放大器一13产生F1高频正弦信号、检测单元3中的锁相放大器二20产生F2高频正弦信号、PID伺服系统9产生的控制信号同时加载至激光电流控制器7。
所述的锁频单元2主要包括样品池10、锁相放大器一13、PID伺服系统9；位于样品池10的左侧中心处安装有输入法兰11，位于样品池10右侧中心放置了光电探测器一12，样品池10中含有已知浓度的13CO2，光纤分束器8输出的一束激光经输入法兰11输入至样品池10中，经13CO2吸收后的光信号包括光电探测器一12接收，光电探测器一12将光信号转化为电信号后输入至锁相放大器一13中；锁相放大器一13经过解调产生的一次谐波信号输入至PID伺服系统9，继而PID伺服系统9将一次谐波信号所处位置与吸收峰的波长位置偏离的误差信号反馈至激光电流控制器7，将激光输出的波长锁定在吸收峰至位置。
所述的气路控制单元19包括与怀特池17相连的压力传感器23、与怀特池17相连通的电磁阀一24，与电磁阀一24连通的氮气瓶25、与怀特池17相连通的电磁阀二26、与电磁阀二26相连通的负压泵27、与怀特池相连通的进气阀28、控制电磁阀一24电磁阀二26负压泵27进气阀28协同工作的控制模块29；呼出气体通过进气阀门28进入怀特池17，启动控制模块29控制负压泵27、压力传感器23使怀特池内气体压力达到检测要求指标时，电磁阀26闭合，负压泵27停止，等待若干秒钟，同时给检测单元3发检测信号，启动检测单元3检测出呼出气体中13CO2含量；若干秒定时结束后，电磁阀26打开，负压泵27启动，当怀特池17内压力达到-60kpa至-100kpa时（通常选择-90kpa），电磁阀26闭合，负压泵27停止，电磁阀24打开，向怀特池17内冲入氮气清洗怀特池，当怀特池17内压力达到0kpa时，电磁阀24闭合，电磁阀26打开，负压泵27启动，当怀特池17内压力达到-90kpa时，电磁阀26闭合，负压泵停止，等待下一次检测。
半导体激光器输出的激光通过光纤分束器分为两束，一束输入至锁频单元将波长稳定在吸收峰位置，另外一束进入检测单元，最后将检测单元得到的信号传输至显示单元，当显示单元的13CO2的浓度值超出预设的浓度值时告警器进行告警，打印检测结果。
本发明采用中心波长为2764nm的半导体激光器5作为13CO2的检测激光光源，利用激光温度控制器6、激光电流控制器7将半导体激光器5的输出中心波长调谐至13CO2的最佳吸收处。锁相放大器一13、锁相放大器二20分别产生F1，F2的高频正弦波信号加载至激光电流控制器7,对半导体激光器5的输出激光进行频率调制，半导体激光器5输出的光信号通过光纤分束器8分为10%，90%的两束激光分别传输至输入法兰11和聚焦透镜15。经输入法兰11的光束穿过含有一定浓度13CO2的样品池，经13CO2吸收后的光信号包括光电探测器一12接收，光电探测器一12将光信号转化为电信号后输入至锁相放大器一13中。锁相放大器一13经过解调产生的一次谐波信号输入至PID伺服系统9，继而PID伺服系统9将一次谐波信号所处位置与吸收峰的波长位置偏离的误差信号反馈至激光电流控制器7，将激光输出的波长锁定在吸收峰至位置。
让服下13C同位素标记尿素胶囊的病人通过气体控制单元19连续向怀特池17内呼出气体，气体控制单元19自动将怀特池内压力调节到检测所需压力，经过怀特池17中的三个焦距相同的球面镜18，可以通过调节这三个焦距相同的球面镜调整入射光斑(像)和反射光斑(像)在场镜18（1）和后向反射镜一18（2）和后向反射镜二18（3）上的位置来改变反射次数调节光程，所述的怀特池17的最大光程可以达到60.9m，经过13CO2吸收后的光从怀特池17的下端出射，并有光电探测器二16接收，将激光信号转换为电信号，最终将电信号传输至锁相放大器二20中，经锁相放大器二20解调出的二次谐波信号输入至计算机21显示，若相对应的13CO2浓度超出预设的浓度值时告警器22进行告警，快速实时的反映了病人所呼出的气体中13C的含量从而检测幽门螺杆菌的存在。
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专利范围之中。
Claims (5)
1.一种检测幽门螺杆菌感染的系统，其特征在于包括激光输出单元（1）、锁频单元（2）、检测单元（3）、气路控制单元（19）和和显示单元（4）；所述的激光输出单元（1）包括激光温度控制器（6）、激光电流控制器（7）、半导体激光器（5）、光纤分束器（8）；所述的半导体激光器（5）的中心波长为200nm-10000nm由激光温度控制器（6）和激光电流控制器（7）控制；所述的检测单元包括怀特池（17）、三个焦距相同的球面镜（18）、锁相放大器二（20）、气路控制单元（19）、聚焦透镜（15）、光电探测器二（16）；光纤分束器（8）输出的另一束激光传输至聚焦透镜（15），经会聚后的激光从怀特池（17）上方的入光口进入，病人服下13C同位素标记尿素胶囊后，呼出的气体经过气路控制单元（19）进入怀特池（17），经过怀特池（17）中的三个焦距相同的球面镜（18），可以通过调节这三个焦距相同的球面镜（18）调整入射光斑(像)和反射光斑(像)在场镜（18（1））、后向反射镜一（18（2））和后向反射镜二（18（3））上的位置来改变反射次数调节光程，经过13CO2吸收后的光从怀特池（17）的下端出射，并有光电探测器二（16）接收，将激光信号转换为电信号，最终将电信号传输至锁相放大器二（22）中，经锁相放大器二（22）解调出的二次谐波信号直接与13CO2成比例，快速实时的反映了病人所呼出的气体中13C的含量。
2.如权利要求1所述的一种检测幽门螺杆菌感染的系统，其特征在于：所述锁频单元2包括PID伺服系统（9）、锁相放大器一（13）和样品池（10），其中锁频单元2中的锁相放大器一（13）产生F1高频正弦信号、检测单元（3）中的锁相放大器二（20）产生F2高频正弦信号、PID伺服系统（9）产生的控制信号同时加载至激光电流控制器（7）。
3.如权利要求1所述的一种检测幽门螺杆菌感染的系统，其特征在于：所述的锁频单元2主要包括样品池（10）、锁相放大器一（13）、PID伺服系统（9）；位于样品池（10）的左侧中心处安装有输入法兰（11），位于样品池（10）右侧中心放置了光电探测器一（12），样品池（10）中含有已知浓度的13CO2，光纤分束器（8）输出的一束激光经输入法兰（11）输入至样品池（10）中，经13CO2吸收后的光信号包括光电探测器一（12）接收，光电探测器一（12）将光信号转化为电信号后输入至锁相放大器一（13）中；锁相放大器一（13）经过解调产生的一次谐波信号输入至PID伺服系统（9），继而PID伺服系统（9）将一次谐波信号所处位置与吸收峰的波长位置偏离的误差信号反馈至激光电流控制器（7），将激光输出的波长锁定在吸收峰至位置。
4.如权利要求1所述的一种检测幽门螺杆菌感染的系统，其特征在于：所述的气路控制单元（19）包括与怀特池（17）相连的压力传感器（23）、与怀特池（17）相连通的电磁阀一24，与电磁阀一24连通的氮气瓶（25）、与怀特池（17）相连通的电磁阀二（26）、与电磁阀二（26）相连通的负压泵（27）、与怀特池相连通的进气阀（28）、控制电磁阀一24电磁阀二（26）负压泵（27）进气阀（28）协同工作的控制模块（29）；呼出气体通过进气阀门（28）进入怀特池（17），启动控制模块（29）控制负压泵（27）、压力传感器（23）使怀特池内气体压力达到检测要求指标时，电磁阀（26）闭合，负压泵（27）停止，等待若干秒钟，同时给检测单元3发检测信号，启动检测单元（3）检测出呼出气体中13CO2含量；若干秒定时结束后，电磁阀（26）打开，负压泵（27）启动，当怀特池（17）内压力达到-60 kpa 至-100 kpa时，电磁阀（26）闭合，负压泵（27）停止，电磁阀24打开，向怀特池（17）内冲入氮气清洗怀特池，当怀特池（17）内压力达到0kpa时，电磁阀24闭合，电磁阀（26）打开，负压泵（27）启动，当怀特池（17）内压力达到-90kpa时，电磁阀（26）闭合，负压泵停止，等待下一次检测。
5.如权利要求1所述的一种检测幽门螺杆菌感染的系统，其特征在于：半导体激光器输出的激光通过光纤分束器分为两束，一束输入至锁频单元将波长稳定在吸收峰位置，另外一束进入检测单元，最后将检测单元得到的信号传输至显示单元，当显示单元的13CO2的浓度值超出预设的浓度值时告警器进行告警，打印检测结果。
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