CN105784433B

CN105784433B - 一种人体呼出气体中VOCs和EBCs的并行采集装置

Info

Publication number: CN105784433B
Application number: CN201610130580.5A
Authority: CN
Inventors: 王平; 郎朗; 邹莹畅; 张希; 高凡; 盛佳靖; 张旭升; 吴谦
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2036-03-08
Also published as: CN105784433A

Abstract

本发明公开了一种人体呼出气体中VOCs和EBCs的并行采集装置，可以实现VOCs和EBC的同时采集。通过一个嵌套式储气腔将呼出气体分为三路，分别通过二氧化碳传感器、VOCs富集管和气体冷凝装置。利用填充有吸附剂的富集管收集呼出气体中的VOCs，利用气体冷凝装置收集呼出气体中的EBC，其中流经富集管的呼出气体流速由一个质量流量计控制，通过二氧化碳传感器检测呼出气体中的二氧化碳浓度并结合相应动态阈值算判别呼出气体中的非代谢腔气体。气体采集流程由单片机电路进行监控。本发明体积小、成本低、便携化，可以快速并可靠地在各种场合并行收集人体呼出气体中的VOCs和EBC。

Description

一种人体呼出气体中VOCs和EBCs的并行采集装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其涉及一种人体呼出气体中挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)和人体呼出气体冷凝物(Exhaled BreathCondensates,EBCs)的并行采集装置，可以同时并行采集呼出气体中的VOCs和EBCs。

背景技术

目前，国内外有大量针对呼出气体的研究，主要集中在针对VOCs和EBCs的领域。VOCs的收集方式包括主要包括气袋收集、富集管收集等；EBCs的收集主要是通过冷凝装置将呼出气体冷凝并收集冷凝液。

在VOCs收集方面，目前已经有一些市场化仪器，但普遍存在一些不足。部分仪器采用气袋收集，对有效成分的富集能力不强，收集样本不便于转移；部分仪器没有考虑气路温度对VOCs冷凝的影响；VOCs中的有效成分来源于肺泡气体，目前的气体采集仪器没有对肺泡气体和死腔气体的有效甄别手段。上述问题对呼出气体样本中VOCs的浓度和有效性都造成了干扰。

EBCs在呼出气体中以气溶胶的形式存在，包含蛋白质、核酸、电解质等，可以反映人体代谢信息。EBC的理化特点和生理特点和VOCs形成了很好互补。目前已有部分研究对VOCs和EBCs进行了综合分析，但多为分别收集，在采集手段上缺乏标准控制和集成化仪器。

发明内容

本发明针对国际上对呼出气体的研究和临床采集中的不足，提拱了一种人体呼出气体中VOCs和EBCs的并行采集装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种人体呼出气体中VOCs和EBCs的并行采集装置，主要包括：吹气装置、储气腔、二氧化碳传感器、第一微型真空泵、填充吸附剂的富集管、质量流量计、第二微型真空泵、总控制电路、加热带、按键模块、显示模块、气体冷凝装置；其中，所述吹气装置连接储气腔的进气口，储气腔的出气口连接气体冷凝装置；储气腔的第一气体采集口与二氧化碳传感器相连，储气腔的第二气体采集口与富集管的一端相连；二氧化碳传感器与第一微型真空泵连接；富集管的另一端与质量流量计相连；加热带包裹在储气腔的外壁，用于保持储气腔在采集过程中温度恒定以防止呼出气体在储气腔中冷凝；质量流量计与第二微型真空泵相连；

所述二氧化碳传感器、第一微型真空泵、质量流量计、第二微型真空泵、加热带、按键模块、显示模块、气体冷凝装置均与总控制电路相连。

进一步的，所述吹气装置由第一单向阀、第二单向阀、咬嘴和三通阀组成；三通阀的三个接口与第一单向阀、第二单向阀、咬嘴相连，即三通阀的第一个接口与咬嘴相连，三通阀的第二个接口与第一单向阀相连，三通阀的第三个接口与第二单向阀相连；所述第一单向阀使气流只进不出，第二单向阀使气流只出不进；所述第二单向阀与储气腔的进气口相连。

进一步的，所述第一单向阀、第二单向阀结构相同，均包括单向阀出气端、单向阀进气端和带孔的软性薄膜；所述单向阀出气端为中空柱状结构，单向阀进气端的一个端面开有两个半圆通孔；所述软性薄膜夹在单向阀进气端和单向阀出气端中间，用以实现气流的单向流动；单向阀进气端的一个开有两个半圆通孔的端面靠近软性薄膜；第一单向阀的单向阀出气端与三通阀的第二个接口相连；第二单向阀的单向阀进气端与三通阀的第三个接口相连。

进一步的，所述储气腔由第一储气部件和第二储气部件组成；第一储气部件的第一连接端可伸缩地嵌套在第二储气部件的第二连接端内；所述第一储气部件上具有长度调整卡齿，气体冷凝装置开有与长度调整卡齿相配合的齿槽，通过长度调整卡齿来调整第一储气部件在第二储气部件中的长度；所述加热带包裹在第一储气部件和第二储气部件的外壁；所述第一储气部件上开有出气口；所述第二储气部件上开有进气口、第一气体采集口和第二气体采集口。

进一步的，所述总控制电路包括单片机、通信模块、电源模块和交互模块；其中，所述通信模块、电源模块、交互模块均与单片机相连，单片机对电路逻辑进行控制；通信模块分别与质量流量计、二氧化碳传感器和气体冷凝装置相连，用于向质量流量计、二氧化碳传感器和气体冷凝装置发送串口控制命令，并接受返回的流量信号、二氧化碳浓度以及温度信号，同时向仪器外部提供单独的串口和USB接口，用于和PC端进行数据交换；电源管块与所有需要供电的部件连接提供适配电压，并通过单片机直接控制部件的工作和停止；交互模块分别与按键模块和显示模块相连，对用户行为和反馈进行控制；交互模块用于控制按键模块和显示模块的行为；按键模块用于用户对仪器进行操作；显示模块用于显示仪器控制和采集状态；加热带和气体冷凝装置均与单片机相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.将VOCs采集和EBCs采集集成，实现了对同一被试者不同呼出气体成分的同时采集，并具有完善的参数设定和严格的流程控制，有效降低环境因素的影响的同时，为多种参数组合下VOCs和EBCs的独立分析和对比分析提供条件。

2.在采集过程中保持气路恒温，有效减少高沸点VOCs在采集仪器中的冷凝，增加了收集到的样本中有效有机物的数量。

3.利用二氧化碳传感器进行代谢腔气体和死腔气体的甄别，对VOCs的采集更加精准，防止死腔气体对样本造成污染和干扰。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明的吹气装置的剖面结构图；

图3是本发明的第一单向阀和第二单向阀的结构图；

图4是本发明的储气腔的剖面结构图；

图5是本发明的第一储气腔部件的透视图；

图6是本发明的第二储气腔部件的透视图；

图7是本发明的总控制电路的整体逻辑框图；

图中，1.吹气装置，2.储气腔，3.二氧化碳传感器，4.第一微型真空泵，5.富集管，6.质量流量计，7.第二微型真空泵，8.总控制电路，9.温度控制模块，10.按键模块，11.显示模块，12.气体冷凝装置，13.第一单向阀，14.第二单向阀，15.咬嘴,16.三通阀，17.单向阀出气端，18.单向阀进气端,19.带孔软性薄膜，20.第一储气腔部件，21.第二储气腔部件，23.第一连接端，24.长度调整卡齿，25.出气口，26.第二连接端，27.第一气体采集口，28.第二气体采集口，29.进气口，30.单片机，31.通信模块，32.电源模块，33，交互模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明主要包括：吹气装置1、可伸缩二段式柱状储气腔2、二氧化碳传感器3、第一微型真空泵4、填充吸附剂的富集管5、质量流量计6、第二微型真空泵7、总控制电路8、加热带9、按键模块10、显示模块11、气体冷凝装置12；其中，所述吹气装置1连接储气腔2的进气口29，储气腔2的出气口25连接气体冷凝装置12；储气腔2的第一气体采集口27与二氧化碳传感器3相连，储气腔2的第二气体采集口28与富集管5的一端相连；二氧化碳传感器3与第一微型真空泵4连接，在采集过程中保持恒定采集速率；富集管5的另一端与质量流量计6相连；加热带9包裹在储气腔2的外壁，用于保持储气腔2在采集过程中温度恒定以防止呼出气体在储气腔2中冷凝；质量流量计6与第二微型真空泵7相连，实现对采集流量的精确控制和采集总量的累计统计；

所述二氧化碳传感器3、第一微型真空泵4、质量流量计6、第二微型真空泵7、加热带9、按键模块10、显示模块11、气体冷凝装置12均与总控制电路8相连。

如图2所示，所述吹气装置1由第一单向阀13、第二单向阀14、咬嘴15和三通阀16组成；三通阀16的三个接口与第一单向阀13、第二单向阀14、咬嘴15相连，即三通阀的第一个接口与咬嘴相连，三通阀的第二个接口与第一单向阀相连，三通阀的第三个接口与第二单向阀相连；所述第一单向阀13使气流只进不出，第二单向阀14使气流只出不进；所述第二单向阀14与储气腔2的进气口29相连。

如图3所示，所述第一单向阀13、第二单向阀14结构相同，均包括单向阀出气端17、单向阀进气端18和带孔的软性薄膜19；所述单向阀出气端17为中空柱状结构，单向阀进气端18的一个端面开有两个半圆通孔；所述软性薄膜19夹在单向阀进气端18和单向阀出气端17中间，用以实现气流的单向流动；单向阀进气端18的一个开有两个半圆通孔的端面靠近软性薄膜19；单向阀进气端的一个开有两个半圆通孔的端面靠近软性薄膜；第一单向阀的单向阀出气端与三通阀的第二个接口相连；第二单向阀的单向阀进气端与三通阀的第三个接口相连。

如图4-6所示，所述储气腔2由第一储气部件20和第二储气部件21组成；第一储气部件20的第一连接端23可伸缩地嵌套在第二储气部件21的第二连接端26内；所述第一储气部件20上具有长度调整卡齿24，气体冷凝装置12开有与长度调整卡齿24相配合的齿槽，通过长度调整卡齿24来调整第一储气部件20在第二储气部件21中的长度；所述加热带9包裹在第一储气部件20和第二储气部件21的外壁；所述第一储气部件20上开有出气口25；所述第二储气部件21上开有进气口29、第一气体采集口27和第二气体采集口28。

如图7所示，所述总控制电路包括单片机30、通信模块31、电源模块32和交互模块33；其中，所述通信模块31、电源模块32、交互模块33均与单片机30相连，单片机30对电路逻辑进行控制；通信模块31分别与质量流量计6、二氧化碳传感器3和气体冷凝装置12相连，用于向质量流量计6、二氧化碳传感器3和气体冷凝装置12发送串口控制命令，并接受返回的流量信号、二氧化碳浓度以及温度信号，同时向仪器外部提供单独的串口和USB接口，用于和PC端进行数据交换；电源管块32与所有需要供电的部件连接提供适配电压，并通过单片机30直接控制部件的工作和停止；交互模块33分别与按键模块10和显示模块11相连，对用户行为和反馈进行控制；交互模块33用于控制按键模块10和显示模块11的行为；按键模块10用于用户对仪器进行操作；显示模块11用于显示仪器控制和采集状态；加热带9和气体冷凝装置12均与单片机30相连。

本发明的工作过程如下：

具体使用的时候，在采集开始前，加热带9和气体冷凝装置12根据总控制电路8中预设的采集温度参数对储气腔2进行温度的调整，气路加热至40摄氏度并保持恒温防止高沸点VOCs冷凝，气体冷凝装置12降低至预设温度，并让储气腔2内的温度稳定在预设温度。

仪器温度准备就绪后，使用者含住咬嘴15并平稳呼吸。当气流方向从图3中单向阀的进气端18流向单向阀的出气端17时，带孔软性薄膜19鼓起，气流可以通过；当气流方向从单向阀的出气端17流向单向阀的进气端18时，带孔软性薄膜19被单向阀进气端18的结构挡住无法鼓起，气流无法通过。当使用者呼气，图2中第一单向阀13关闭，第二单向阀14开启，呼出气体进入储气腔2；当使用者吸气时，图2中第一单向阀13开启，第二单向阀14关闭，使用者从外界环境中吸气同时保证储气腔中气体不会倒流。

气体采集过程中，第一微型真空泵4持续工作，二氧化碳传感器3随时监测第一气体采集口27的二氧化碳的浓度。总控制电路8对实时二氧化碳的浓度值进行换算，当二氧化碳浓度高于非代谢腔气体阈值时，第二微型真空泵7开启，质量流量计6控制流经富集管5的气体流速并统计累计流量，进行VOCs的采集；当二氧化碳的浓度低于阈值时，第二微型真空泵7关闭，暂时停止对VOCs的采集。其余气体经由第一储气腔部件20的出气端25进入气体冷凝装置12。气体冷凝装置12在采集过程中保持恒定低温，将呼出气体中的气溶胶分子与水蒸气冷凝为EBCs。

仪器的采集过程控制和采集参数设定均可以让使用者通过按键模块10进行控制，并通过显示控制模块11进行可视化呈现。使用者可以预设采集项目和温度、总量，并实时监控VOCs的采集量和EBCs采集时间，控制采集的进行和停止。采集流程由总控制电路8进行控制；仪器内部模块和仪器与外部PC之间的信息交互由通信模块31实现；控制与显示功能由交互模块33实现；电源模块32为所有电路和设备提供适配的电源，其通断状态由单片机30直接控制。本实施例中，气体冷凝装置12可以采用eco screen的产品，但不限于此；电源管理模块由三种LDO芯片和两种继电器组成：三种LDO芯片为uA7805芯片、uA7810芯片、REG1117-3.3芯片；REG1117-3.3芯片为单片机30和通信模块31提供3.3V；uA7805芯片为交互模块和CO2传感器提供5v直流电源；uA7810芯片为uA7805芯片和REG1117-3.3芯片提供10V直流电源，进行一级降压并起到保护作用；两种继电器为HHG1-0/032F-06和HHG1-0/32F-10；HHG1-0/032F-06将市电转化为12V不大于1A的直流电源，分别为两个微型真空泵和质量流量计供电；HHG1-0/32F-10将市电转化为36V不大于2A的直流电源，为加热带和气体冷凝装置提供36V较大电流的直流电源；单片机30可以采用型号为MSP430F5438的芯片，用于控制各个模块的工作状态。

Claims

1.一种人体呼出气体中VOCs和EBCs的并行采集装置，其特征在于，主要包括：吹气装置（1）、储气腔（2）、二氧化碳传感器（3）、第一微型真空泵（4）、填充吸附剂的富集管（5）、质量流量计（6）、第二微型真空泵（7）、总控制电路（8）、加热带（9）、按键模块（10）、显示模块（11）、气体冷凝装置（12）；其中，所述吹气装置（1）连接储气腔（2）的进气口（29），储气腔（2）的出气口（25）连接气体冷凝装置（12）；储气腔（2）的第一气体采集口（27）与二氧化碳传感器（3）相连，储气腔（2）的第二气体采集口（28）与富集管（5）的一端相连；二氧化碳传感器（3）与第一微型真空泵（4）连接；富集管（5）的另一端与质量流量计（6）相连；加热带（9）包裹在储气腔（2）的外壁，用于保持储气腔（2）在采集过程中温度恒定以防止呼出气体在储气腔（2）中冷凝；质量流量计（6）与第二微型真空泵（7）相连；

所述二氧化碳传感器（3）、第一微型真空泵（4）、质量流量计（6）、第二微型真空泵（7）、加热带（9）、按键模块（10）、显示模块（11）、气体冷凝装置（12）均与总控制电路（8）相连；

所述吹气装置（1）由第一单向阀（13）、第二单向阀（14）、咬嘴（15）和三通阀（16）组成；三通阀（16）的三个接口与第一单向阀（13）、第二单向阀（14）、咬嘴（15）相连；所述第一单向阀（13）使气流只进不出，第二单向阀（14）使气流只出不进；所述第二单向阀（14）与储气腔（2）的进气口（29）相连；

所述第一单向阀（13）、第二单向阀（14）结构相同，均包括单向阀出气端（17）、单向阀进气端（18）和带孔的软性薄膜（19）；所述单向阀出气端（17）为中空柱状结构，单向阀进气端（18）的一个端面开有两个半圆通孔；所述软性薄膜（19）夹在单向阀进气端（18）和单向阀出气端（17）中间，用以实现气流的单向流动；单向阀进气端（18）的一个开有两个半圆通孔的端面靠近软性薄膜（19）；

所述储气腔（2）由第一储气部件（20）和第二储气部件（21）组成；第一储气部件（20）的第一连接端（23）可伸缩地嵌套在第二储气部件（21）的第二连接端（26）内；所述第一储气部件（20）上具有长度调整卡齿（24），气体冷凝装置（12）开有与长度调整卡齿（24）相配合的齿槽，通过长度调整卡齿（24）来调整第一储气部件（20）在第二储气部件（21）中的长度；所述加热带（9）包裹在第一储气部件（20）和第二储气部件（21）的外壁；所述第一储气部件（20）上开有出气口（25）；所述第二储气部件（21）上开有进气口（29）、第一气体采集口（27）和第二气体采集口（28）。

2.根据权利要求1所述的人体呼出气体中VOCs和EBCs的并行采集装置，其特征在于，所述总控制电路包括单片机（30）、通信模块（31）、电源模块（32）和交互模块（33）；其中，所述通信模块（31）、电源模块（32）、交互模块（33）均与单片机（30）相连，单片机（30）对电路逻辑进行控制；通信模块（31）分别与质量流量计（6）、二氧化碳传感器（3）和气体冷凝装置（12）相连，用于向质量流量计（6）、二氧化碳传感器（3）和气体冷凝装置（12）发送串口控制命令，并接受返回的流量信号、二氧化碳浓度以及温度信号，同时向仪器外部提供单独的串口和USB接口，用于和PC端进行数据交换；电源模块（32）与所有需要供电的部件连接提供适配电压，并通过单片机（30）直接控制部件的工作和停止；交互模块（33）分别与按键模块（10）和显示模块（11）相连，对用户行为和反馈进行控制；交互模块（33）用于控制按键模块（10）和显示模块（11）的行为；按键模块（10）用于用户对仪器进行操作；显示模块（11）用于显示仪器控制和采集状态；加热带（9）和气体冷凝装置（12）均与单片机（30）相连。