CN106370832B - 智能呼气分子诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能呼气分子诊断系统。智能呼气分子诊断系统，包括取样模块、存储模块、送样模块、检测模块和控制分析模块。取样模块能够对人体呼出的气体间隔地取出定量的气体样本并送入存储模块。送样模块能够抽取气体样本并经过净化处理送入检测模块。检测模块包括反应池、生物传感器和光谱分析单元。反应池内具有反应腔，生物传感器具有生物芯片，生物芯片能够与人体呼出气体中的生物标志物反应并将生物标志物吸收，光谱分析单元具有能够检测生物芯片吸收生物标志物前后的光谱的光路结构。控制分析模块能够对光谱进行数据处理获得生物标志物的含量。本发明的检测方式新颖，能够获得生物芯片的连续光谱，检测特异性好、精度高，可靠性好。
Description
技术领域
本发明属于呼气分子诊断领域，具体涉及以人体呼出的化合物为检测标志物的呼气分子诊断系统装置。
背景技术
正常人体呼出的气体中,除了氮、氧和二氧化碳之外,还包含着其他许多种化合物,通过检测这些化合物的含量即可诊断疾病。
瑞士苏黎世联邦理工学院近日公布的一项研究成果表明，每个人在呼吸时呼出的化合物和人类的指纹一样独一无二，医生甚至可以根据这些化合物来诊断疾病。同时，由于呼气测试法还能获得与尿液检查以及血液检查相近的结果，因此未来不但可以用来诊断疾病，还可能会用于运动员兴奋剂检测。该项研究成果已经发表在国际权威生物学类学术杂志《PLoS ONE》上。
在欧美国家，呼气分子诊断已成为呼吸系统及消化系统的金标技术，并用于心肺、肠胃、肾肝、糖尿病及癌症等疾病的医学研究与临床检验，被期望用于常见病、多发病、慢性病、流行病与职业病的基层筛查及家庭自检。
由于人体呼出气体中的生物标志物浓度极低，以ppb即10亿分之几为单位计，精确测定其浓度非常困难。
当前呼吸分析仪器仍主要依赖于大且昂贵的仪器，例如气相色谱仪(GC)及质谱仪(MS)，使得这些仪器不能广泛地应用。
还有的呼吸分析仪器是以电化学检测原理制成的检测装置，虽然体积小、但无法实现连续动态监测生物标志物、检测费用高、特异性差等局限性，不能充分满足临床需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种特异性好、准确性高、成本低、具有高频动态检测、无线传输及大数据分析功能的智能呼气分子诊断系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种智能呼气分子诊断系统，用于检测人体呼出气体中的生物标志物含量。所述智能呼气分子诊断系统包括依次连接的取样模块、存储模块、送样模块、检测模块以及分别与取样模块、存储模块、送样模块和检测模块连接的控制分析模块。所述取样模块能够对人体呼出的气体间隔地取出定量的气体样本并送入存储模块。所述存储模块具有多个存储单元，所述多个存储单元能够依次存放取样模块送来的气体样本。所述送样模块能够抽取存储模块内存放的气体样本并经过净化处理送入检测模块。所述检测模块包括生物传感器、反应池和光谱分析单元。所述反应池内具有与送样模块连通的反应腔，所述生物传感器具有能够伸入反应腔中的生物芯片，所述生物芯片能够与气体样本中的生物标志物反应并将生物标志物吸收，所述光谱分析单元具有能够检测生物芯片吸收生物标志物前后的光谱的光路结构。所述控制分析模块能够分别控制取样模块、存储模块、送样模块和检测模块工作，所述控制分析模块还能够获取检测模块的生物芯片吸收生物标志物前后的光谱并对光谱进行数据处理获得人体呼出气体的生物标志物含量。
具体的，所述取样模块包括与人体的嘴部或鼻腔相接的呼气采样嘴、与呼气采样嘴连通的气体管路和取样管路，所述气体管路中设置有取样阀，所述取样阀连接取样管路，所述取样管路与存储模块连通，所述控制分析模块与取样阀连接并能够控制取样阀切换状态使取样阀能够对人体呼出气体多次定量取样。
具体的，所述多个存储单元的储气体积相等，所述多个存储单元分别与取样模块以及送样模块连接。
具体的，所述送样模块包括通过气路依次连接的气泵、气阀、过滤单元、干燥单元和干扰气体去除单元，所述气泵与存储模块连接并能将存储模块中存放的气体样本抽取送入送样模块的气路中，所述气体样本依次经气阀、过滤单元、干燥单元和干扰气体去除单元进入反应池的反应腔，所述气阀能够控制送样模块的气路的导通/关断，所述过滤单元能够去除气体样本中的颗粒物，所述干燥单元能够去除气体样本中的水汽使气体样本干燥，所述干扰气体去除单元能够去除气体样本中除生物标志物外能够与生物芯片反应的干扰气体。
优选的，所述生物传感器上设置有多个生物芯片，所述控制分析模块能够控制多个生物芯片按序进入反应池的反应腔中。
具体的，所述生物传感器具有能够旋转的转盘，所述多个生物芯片沿转盘的周向分布在转盘的边缘处，所述反应池的反应腔位于所述转盘的边缘处，所述生物传感器与反应腔配合的位置为检测位，当转盘转动使生物芯片到达检测位时，所述生物芯片被封闭入反应腔内。
进一步的，所述转盘的边缘沿转盘的周向设置有多个凹槽，所述生物芯片容置在凹槽内，所述生物传感器通过保护膜和密封圈将生物芯片封装在凹槽内，所述凹槽在转盘表面形成窗口，所述密封圈围绕在窗口的外周，所述保护膜封盖在密封圈和凹槽的窗口上使生物芯片被密封在凹槽内，当转盘转动使生物芯片到达检测位时，所述反应池能够将保护膜掀开使生物芯片露出在反应腔内并同时使生物芯片封闭在反应腔内。
优选的，所述生物芯片包括载体和细胞色素C，所述载体为气溶胶，所述细胞色素C分布在气溶胶内形成纳米结构的生物芯片。
优选的，所述智能呼气分子诊断系统还包括与控制分析模块连接的无线通信模块，所述控制分析模块能够将检测模块检测获得的数据分析处理后通过无线通信模块与外部无线终端或云服务器通信并将信息传递给外部无线终端或存储在云服务器中。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：智能呼气分子诊断系统通过取样模块对人体呼出气体多次取样，为后续的多次检测提供气体样本；通过送样模块去除气体样本中的干扰物质，提高检测结果的准确性；采用生物传感器的生物芯片与人体呼出的气体中的生物标志物反应并通过能够对生物芯片进行光谱分析的光路结构检测吸收生物标志物前后的生物芯片，检测方式新颖，能够获得生物芯片的连续光谱，检测精度高，可靠性好。
附图说明
图1为本发明智能呼气分子诊断系统的模块连接示意图；
图2为取样模块的结构示意图；
图3为存储模块的立体结构示意图；
图4为送样模块的模块连接示意图；
图5为转盘的立体结构示意图；
图6为生物传感器的局部剖视图；
图7为检测模块的一实施例的结构示意图；
其中：1、取样模块；2.存储模块；3、送样模块；4、检测模块；5、控制分析模块；6、无线通信模块；11、呼气采样嘴；12、气体管路；13、取样管路；14、取样阀；21、存储单元；31、气泵；32、气阀；33、过滤单元；34、干燥单元；35、干扰气体去除单元；100、生物传感器；101、转盘；102、凹槽；103、保护膜；104、密封圈；105、生物芯片；200、反应池；201、反应腔；300、光谱分析单元。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明所述的一种智能呼气分子诊断系统，是用于检测人体呼出气体中的生物标志物含量。本文中所述的生物标志物是指人体呼出气体中的化合物，临床上普遍公认并用于诊断疾病的标志物，比如一氧化氮、一氧化碳、氢气、甲烷、氨气、醛和硫化物等人体呼出的化合物或呼气分子。所述智能呼气分子诊断系统包括依次连接的取样模块1、存储模块2、送样模块3、检测模块4和分别与取样模块1、存储模块2、送样模块3和检测模块4连接的控制分析模块5，以及与控制分析模块5连接的无线通信模块6。
所述控制分析模块5能够分别控制取样模块1、存储模块2、送样模块3和检测模块4工作，所述控制分析模块5还能够获取检测模块4的生物芯片105吸收生物标志物前后的光谱并对光谱进行数据处理获得人体呼出气体中生物标志物的含量。所述控制分析模块5能够将检测模块4检测获得的数据分析处理后通过无线通信模块6与外部无线终端或云服务器通信并将信息传递给外部无线终端或存储在云服务器中。将检测数据无线传输给医生、患者、医疗机构以及研发机构，通过数据库的分析，为临床诊疗疾病提供依据、优化诊疗方案、跟踪随访、预防急性发作等方面均发挥重要作用。
所述取样模块1能够对人体呼出的气体间隔地取出定量的气体样本并送入存储模块2。具体的说，如图2所示，所述取样模块1包括与人体的嘴部或鼻腔相接的呼气采样嘴11、与呼气采样嘴11连通的气体管路12和取样管路13。所述气体管路12中设置有取样阀14，所述取样阀14连接取样管路13，所述取样管路13与存储模块2连通，所述控制分析模块5与取样阀14连接并能够控制取样阀14切换状态使取样阀14能够对人体呼出气体多次定量取样。这样，无需区分人体呼出气体的总量来确定生物标志物的含量，排除了因人体自身原因呼出气体总量不确定的影响。大大提高了检测的准确度。
如图3所示，所述存储模块2具有多个存储单元21，所述多个存储单元21能够依次存放取样模块1送来的气体样本。所述多个存储单元21的储气体积相等，所述多个存储单元21分别与取样模块1以及送样模块3连接。所述存储模块2通过管路设计能够依次存储取样阀14送来的气体样本以及依次将存储单元21接入送样模块3种为送样模块3提供气体样本。
所述送样模块3能够抽取存储模块2内存放的气体样本并经过净化处理送入检测模块4。如图4所示，具体的说，所述送样模块3包括通过气路依次连接的气泵31、气阀32、过滤单元33、干燥单元34和干扰气体去除单元35。所述气泵31与存储模块2连接并能将存储模块2中存放的气体样本抽取送入送样模块3的气路中。所述气体样本依次经气阀32、过滤单元33、干燥单元34和干扰气体去除单元35进入检测模块4中。所述气阀32能够控制送样模块3的气路的导通/关断，所述过滤单元33能够去除气体样本中的颗粒物，所述干燥单元34能够去除气体样本中的水汽使气体样本干燥，所述干扰气体去除单元35能够去除气体样本中除生物标志物外能够与生物芯片105反应的干扰气体，比如一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等化合物。这样，能够有效提高检测结果的准确性。
如图7所示，所述检测模块4包括生物传感器100、反应池200和光谱分析单元300。所述反应池200内具有与送样模块3的干扰气体去除单元35连通的反应腔201。所述生物传感器100具有能够伸入反应腔201中的生物芯片105，所述生物芯片105能够与气体样本中的生物标志物反应并将生物标志物吸收。所述光谱分析单元300具有能够检测生物芯片105吸收生物标志物前后的光谱的光路结构。
所述生物传感器100上设置有多个生物芯片105，所述控制分析模块5能够控制多个生物芯片105按序进入反应池200的反应腔201中。本实施例中，如图5和图6所示，所述生物传感器100具有能够旋转的转盘101。所述多个生物芯片105沿转盘101的周向分布在转盘101的边缘处。所述反应池200的反应腔201位于所述转盘101的边缘处。所述生物传感器100与反应腔201配合的位置为检测位，当转盘101转动使生物芯片105到达检测位时，所述生物芯片105被封闭入反应腔201内。
具体的说，所述转盘101的边缘沿转盘101的周向设置有多个凹槽102，所述生物芯片105容置在凹槽102内。所述生物芯片105包括载体和细胞色素C，所述载体为气溶胶，所述细胞色素C分布在气溶胶内形成纳米结构的生物芯片105。通过机械开模的方式在转盘101上形成容置生物芯片105的凹槽102，能够有效控制生物芯片105的厚度，大大提高了多个生物芯片105的一致性，使检测的结果可靠性大大提高。所述生物传感器100通过保护膜103和密封圈104将生物芯片105封装在凹槽102内。所述凹槽102在转盘101表面形成窗口，所述密封圈104围绕在窗口的外周，所述保护膜103封盖在密封圈104和凹槽102的窗口上使生物芯片105被密封在凹槽102内。当转盘101转动使生物芯片105到达检测位时，所述反应池200能够将保护膜103掀开使生物芯片105露出在反应腔201内并同时使生物芯片105封闭在反应腔201内。这样，能够有效保证细胞色素C的活性，降低细胞色素C失活的可能。进而有效保证了检测的有效性。
根据上述，本发明的智能呼气分子诊断系统通过取样模块1对人体呼出气体多次取样，为后续的多次检测提供气体样本.通过送样模块3去除气体样本中的干扰物质，提高检测结果的准确性。采用生物传感器100的生物芯片105与人体呼出的气体中的生物标志物反应并通过能够对生物芯片105进行光谱分析的光路结构检测吸收生物标志物前后的生物芯片105，检测方式新颖，能够获得生物芯片105的连续光谱，检测精度高，可靠性好。通过生物芯片105吸收生物标志物前后的光谱分析获得人体呼出气体中生物标志物的含量，为后续的气道炎症的诊断、治疗提供准确的检测数据，有效帮助患者治疗气道炎症相关的疾病。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。
Claims (6)
1.一种智能呼气分子诊断系统，用于检测人体呼出气体中的生物标志物含量，其特征在于：所述智能呼气分子诊断系统包括依次连接的取样模块(1)、存储模块(2)、送样模块(3)、检测模块(4)以及分别与取样模块(1)、存储模块(2)、送样模块(3)和检测模块(4)连接的控制分析模块(5)，
所述取样模块(1)能够对人体呼出的气体间隔地取出定量的气体样本并送入存储模块(2)；
所述存储模块(2)具有多个存储单元(21)，所述多个存储单元(21)能够依次存放取样模块(1)送来的气体样本；所述多个存储单元(21)的储气体积相等，每一个存储单元(21)被配置为存放间隔取出的定量的气体样本；所述存储模块(2)被配置为通过管路设计依次将存储单元(21)接入送样模块(3)中为送样模块(3)提供气体样本；
所述送样模块(3)能够抽取存储模块(2)内存放的气体样本并经过净化处理送入检测模块(4)；
所述检测模块(4)包括生物传感器(100)、反应池(200)和光谱分析单元(300)，所述反应池(200)内具有与送样模块(3)连通的反应腔(201)，以使所述反应腔(201)依次获得从所述存储单元(21)送入所述送样模块(3)的气体样本，所述生物传感器(100)具有能够伸入反应腔(201)中的生物芯片(105)，所述生物芯片(105)能够与气体样本中的生物标志物反应并将生物标志物吸收，所述光谱分析单元(300)具有能够检测生物芯片(105)吸收生物标志物前后的光谱的光路结构；
所述生物传感器(100)具有能够旋转的转盘(101)，所述转盘(101)的边缘沿转盘(101)的周向设置有多个凹槽(102)，所述生物芯片(105)容置在凹槽(102)内，并通过保护膜(103)和密封圈(104)将生物芯片(105)封装在凹槽(102)内，所述凹槽(102)在转盘(101)表面形成窗口，所述密封圈(104)围绕在窗口的外周，所述保护膜(103)封盖在密封圈(104)和凹槽(102)的窗口上使生物芯片(105)被密封在凹槽(102)内；
所述反应腔(201)的数量为一个，所述反应池(200)的反应腔(201)位于所述转盘(101)的边缘处，所述生物传感器(100)与反应腔(201)配合的位置为检测位，当转盘(101)转动使不同凹槽(102)内的生物芯片(105)在不同的时间到达检测位时，所述反应池(200)能够将保护膜(103)掀开使生物芯片(105)露出在反应腔(201)内并同时使生物芯片(105)封闭在反应腔(201)内；
所述控制分析模块(5)能够分别控制取样模块(1)、存储模块(2)、送样模块(3)和检测模块(4)工作，所述控制分析模块(5)还能够获取检测模块(4)的生物芯片(105)吸收生物标志物前后的光谱并对光谱进行数据处理获得人体呼出气体中生物标志物的含量。
2.根据权利要求1所述的一种智能呼气分子诊断系统，其特征在于：所述取样模块(1)包括与人体的嘴部或鼻腔相接的呼气采样嘴(11)、与呼气采样嘴(11)连通的气体管路(12)和取样管路(13)，所述气体管路(12)中设置有取样阀(14)，所述取样阀(14)连接取样管路(13)，所述取样管路(13)与存储模块(2)连通，所述控制分析模块(5)与取样阀(14)连接并能够控制取样阀(14)切换状态使取样阀(14)能够对人体呼出气体多次定量取样。
3.根据权利要求1所述的一种智能呼气分子诊断系统，其特征在于：所述多个存储单元(21)分别与取样模块(1)以及送样模块(3)连接。
4.根据权利要求1所述的一种智能呼气分子诊断系统，其特征在于：所述送样模块(3)包括通过气路依次连接的气泵(31)、气阀(32)、过滤单元(33)、干燥单元(34)和干扰气体去除单元(35)，所述气泵(31)与存储模块(2)连接并能将存储模块(2)中存放的气体样本抽取送入送样模块(3)的气路中，所述气体样本依次经气阀(32)、过滤单元(33)、干燥单元(34)和干扰气体去除单元(35)进入反应池(200)的反应腔(201)，所述气阀(32)能够控制送样模块(3)的气路的导通/关断，所述过滤单元(33)能够去除气体样本中的颗粒物，所述干燥单元(34)能够去除气体样本中的水汽使气体样本干燥，所述干扰气体去除单元(35)能够去除气体样本中除生物标志物外能够与生物芯片(105)反应的干扰气体。
5.根据权利要求1所述的一种智能呼气分子诊断系统，其特征在于：所述生物芯片(105)包括载体和细胞色素C，所述载体为气溶胶，所述细胞色素C分布在气溶胶内形成纳米结构的生物芯片(105)。
6.根据权利要求1所述的一种智能呼气分子诊断系统，其特征在于：所述智能呼气分子诊断系统还包括与控制分析模块(5)连接的无线通信模块(6)，所述控制分析模块(5)能够将检测模块(4)检测获得的数据分析处理后通过无线通信模块(6)与外部无线终端或云服务器通信并将信息传递给外部无线终端或存储在云服务器中。
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