CN107991472A - 复合式呼气检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及呼气检测领域，提供一种成本低且操作和维护方便的复合式呼气检测方法和装置，应用于呼气甲烷和氢的临床常规检测。一种方法是采用一个金属氧化物/碳纳米管传感器与氧传感器、氢传感器串联；另一种方法两个金属氧化物/碳纳米管传感器并联于氧传感器后端；多个传感器同时对被测气体进行分析得到多组信号，然后对于多组信号进行组合运算得到甲烷和氢的浓度。

Description

复合式呼气检测方法和装置
技术领域
本发明涉及呼气检测领域。
背景技术
肠道菌群失衡或紊乱的一个重要特征是小肠细菌过度生长(SIBO)。肠道过度生长的细菌将代谢产生氢与甲烷气，并从肺部呼出，可以通过呼气分析测定。因此，呼气氢与甲烷测定可以用来检测肠道菌群失衡或SIBO及其相关的胃肠道等疾病。2017年的《北美胃肠道疾病氢与甲烷呼气测试共识》（Hydrogen & Methane-based Breath testing ingastrointestinal disorders _ The north American consensus）对此做了详尽的描述，要求氢与甲烷呼气测试能够达到ppm的测量下限与精度，同时要根据测定的呼出气二氧化碳或氧气的浓度对测定的呼出氢与甲烷的浓度进行校准。
然而，目前缺乏能够同时满足上述呼气测试要求的商业化临床常规检测技术。甲烷呼气测试依靠的主要是两种实验室仪器（例如见综述文献：B P J de Lacy Costello etal，The Importance of Methane Breath Testing，J. Breath Res. 7(2013) 024001(8pp)）。一种是美国Quintron公司的Breath Tracker SC呼气分析仪，该仪器属于气相色谱技术，采用固态传感器分别检测气相色谱柱分离的的氢与甲烷呼出气体。另外一种是英国Bedfont公司的GastroCHECK与德国MEC公司的Lactotest 202的呼气分析仪，采用电化学传感器测定呼气氢，用特制的非分光红外NDIR传感器检测呼气甲烷。通常，市场上的NDIR与催化燃烧及金属氧化物传感器一样，主要用于工业与环境气体检测，检测的下限基本上都在100ppm之上，不能满足1ppm甲烷呼气测定的要求。特制的NDIR虽然可以达到1-5ppm的检测下限与精度，但与气相色谱仪器一样，有下述缺陷：
1）设备昂贵；
2）操作维护复杂，每次开机预热时间长且必须检验校准；
3）样本气体分析时间长，检测效率低；
4）抗干扰能力差，对环境及呼气湿度与温度变化极为敏感。
由于上述问题，这些实验室技术通常被称为“呼气试验”。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低且操作和维护方便的复合式呼气检测方法，应用于呼气甲烷和氢的临床常规检测，以克服现有仪器和技术的缺陷。
本发明提供了一种复合式呼气检测方法，采用可以在室温条件下检测ppm级的甲烷和氢气的金属氧化物/碳纳米管传感器，配合氢传感器和氧传感器同时对被测气体进行分析，然后对于3组信号进行组合运算得到甲烷、氢气和氧气的浓度。所述氧传感器、氢传感器、金属氧化物/碳纳米管传感器通过管路串联连接。所述氢传感器为电化学传感器；所述氧传感器为电化学传感器或荧光氧传感器。
本发明采用的金属氧化物/碳纳米管传感器，是利用200810242877.6《金属氧化物/碳纳米管气体传感器》中提出的方法制备的，可以在室温条件下检测ppm级的甲烷，但由于半导体传感器的气敏特性，制作的金属氧化物/碳纳米管传感器实际上对氢气、甲烷、氧气都有响应，响应信号∆V由三部分构成：
∆V=Vs-V0=SH2*CH2+SCH4*CCH4+SO2*CO2 （1）
其中：Vs—样品气在传感器上输出信号
V0—零点气在传感器上输出信号
SH2，SCH4，SO2—氢气、甲烷、氧气在传感器上灵敏度
CH2，CCH4，CO2—样品气中氢气、甲烷、氧气的浓度
因而需要运用一定方法对氢气和氧气的贡献进行扣除，需要确定样品气中Ｈ2和Ｏ2的浓度，以及氢气 、甲烷和氧气在金属氧化物/碳纳米管传感器上的灵敏度。氢气和氧气浓度大小可以通过气路中的氢气和氧气传感器的检测计算得到，选用氢气和氧气传感器有很好的选择性，不会对甲烷有响应。而甲烷、氢气和氧气在金属氧化物/碳纳米管传感器上的灵敏度则需要预先进行标定，可以有以下几种情况。
第一种情况，氢气、甲烷、氧气在金属氧化物/碳纳米管传感器上的响应在一定量程范围内是线性的。这种情况，数据处理起来就最简单，将公式（1）做简单的推导，得到：
CCH4=（∆V-SH2*CH2 *-SO2*CO2）/SCH4 （2）
只需将电化学传感器测试得到的氧气、氢气浓度和标定好的SO2、SH2、SCH4，带入公式（2）计算即可得到CCH4 。
第二种情况，氢气、氧气在金属氧化物/碳纳米管传感器上的响应在较大量程范围内是线性的，但对甲烷是非线性的。对这种情况，就要将计算过程分为两步，第一步先利用公式（3）计算出甲烷的信号贡献部分VCH4，然后在找到CCH4 与VCH4的非线性关系公式，可以为公式（4）-（6）中举例的乘幂公式、对数公式或二次项公式：
4∆V-SH2*CH2 *-SO2*CO2 （3）
CCH4 =a* VCH4^b （4）
CCH4 =a*Ln（VCH4）+b （5）
CCH4=a*VCH4*VCH4+b*VCH4+c （6）。
第三种情况，氢气、氧气 、甲烷在金属氧化物/碳纳米管传感器上的响应在更大量程范围内都是非线性的。这种情况是实际最可能发生的情况。这样就不能通过标定好的SO2、SH2计算得到VCH4，因为SO2、SH2不是一个确定值，而是需要通过非线性公式计算的得到，公式可以（7）-（9）中举例的SH2的乘幂公式、对数公式或二次项公式：
SH2 =a* CH2^b （7）
SH2 =a*Ln（CH2）+b （8）
SH2=a* CH2* CH2+b* CH2+c （9）
将电化学传感器测试得到的氧气或氢气浓度带入公式计算得到SO2或SH2，然后在带入公式（3）计算出甲烷的信号贡献部分VCH4，然后在找到CCH4 与VCH4的非线性关系公式计算得到CCH4。
按北美共识，计算得到的甲烷浓度还要进行利用氧气或二氧化碳浓度进行肺泡气校准，校准后的甲烷和H２浓度才是最终用于诊断判断的浓度。
本发明的一种实现装置如图1所示，是由三通电磁阀（101）、分析泵（302）、氧传感器（201）、氢传感器（202）、预热调湿装置（401）和金属氧化物/碳纳米管传感器（203）串联组成检测通路，空气过滤器（501）通过三通电磁阀（101）相连到检测通路，压力传感器（205）连接到三通电磁阀（101）和分析泵（302）之间。所述压力传感器（205）用于检测通路中的气压，避免因前端气流不通、抽真空造成的测试不准的现象。所述空气过滤器（501）用于过滤空气中干扰气体CO、VOC及粉尘。所述预热调湿装置（401）将进入到金属氧化物/碳纳米管传感器的气体预热调湿，以降低样本气流对金属氧化物/碳纳米管传感器（203）输出信号造成的影响。所述三通电磁阀（101）用于切换测试样品气或过滤后的空气。所述氢传感器（202）为电化学传感器。所述氧传感器（201）可以为电化学传感器或荧光传感器。
若要采集机械通气病人的肺泡气样本进行测试，则还需要才增加二氧化碳的检测才能进行肺泡气校准，因为机械通气病人通常会加氧，病人吸入的氧浓度超过20.9%，因为采集到的肺泡气氧浓度也会偏高，如果用氧浓度进行校准，结果会有偏差，而二氧化碳浓度不会偏高，可以用来做肺泡气校准。因而本发明的另一种实现装置如图2所示，是由三通电磁阀（101）、分析泵（302）、氧传感器（201）、氢传感器（202）、二氧化碳传感器（204）、预热调湿装置（401）和金属氧化物/碳纳米管传感器（203）串联组成检测通路，空气过滤器（501）通过三通电磁阀（101）相连到检测通路，压力传感器（205）连接到三通电磁阀（101）和分析泵（302）之间。所述二氧化碳传感器（204）为NDIR传感器。
这个装置除了适用于机械通气病人的采样，还适合在高海拔地区的采样，因高海拔地区空气中氧浓度低，呼气中氧浓度也会偏低，采用二氧化碳校准呼气末会比氧校准的结果更加准确。
本发明提供了另一种复合式呼气检测方法，即并联方案，采用两个可以在室温条件下检测ppm级的甲烷和氢气的金属氧化物/碳纳米管传感器，配合氧传感器同时对被测气体进行分析，然后对于3组信号进行组合运算得到甲烷、氢气和氧气的浓度。所述两个金属氧化物/碳纳米管传感器通过管路并联连接，氧传感器串联与两个金属氧化物/碳纳米管传感器之前；所述氧传感器为电化学传感器或荧光氧传感器。所述两个金属氧化物/碳纳米管传感器采用不同配方及加工方法制成，对甲烷与氢气的响应大小不同，分别扣除氧气的贡献计算出甲烷和氢气的信号贡献部分∆V1和∆V2后，联立方程求解得到甲烷浓度CCH4 和氢气浓度CH2。通常氧气在金属氧化物/碳纳米管传感器上的响应在量程范围内都是线性的，而对甲烷和氢气的响应可以有以下两种情况：
一种情况是，金属氧化物/碳纳米管传感器对甲烷和氢气的响应是线性的，就是可以列出一下方程组：
∆V1= SH2，1*CH2+SCH4，2*CCH4 （10）
∆V2= SH2，2*CH2+SCH4，2*CCH4 （11）
解方程组（10,11）即可得到甲烷浓度CCH4 和氢气浓度CH2。
还有一种情况是，金属氧化物/碳纳米管传感器对甲烷和氢气的响应是非线性的，求解非线性方程组就要复杂一些，有两种方法，一种称为区间迭代法或称区间牛顿法，另一种方法称为不动点算法或称单纯形法。我们采用区间牛顿法，用区间变量代替点变量进行区间迭代，每迭代一步都可判断在所给区间解的存在惟一性或者是无解。
并联方案实现装置如图3所示，是由三通电磁阀（101）、分析泵（302）、氧传感器（201）、预热调湿装置（401）和两个金属氧化物/碳纳米管传感器（202，203）组成，两个金属氧化物/碳纳米管传感器并联接入检测通路，空气过滤器（501）通过三通电磁阀（101）相连到检测通路，压力传感器（205）连接到三通电磁阀（101）和分析泵（302）之间。两个金属氧化物/碳纳米管传感器的气流阻力相同，保证气流的稳定与平均分配。
本发明制备的金属氧化物/碳纳米管传感器较一般的半导体的工作温度低很多，但作为一种半导体传感器，进传感器的气体温度与湿度变化，会造成敏感元件表面温度变化，进而造成灵敏度的变化，因而我们需要补偿这种变化或者降低这种影响，有两种方法可以消除影响。一种是进行温湿度校准，这个方法是半导体传感器的常规方法，由于生产时不可能每个传感器都做温湿度试验确定补偿公式，因而对传感器的一致性要求较高，如果不一致，校准公式就会不适用，测试结果就会产生偏差。而另一种方法是在传感器前设置一个气体预热调湿装置，将样本气预热调湿到一个固定的数值，这样就可以近似看成传感器在恒定的温湿度条件下工作，提高了传感器稳定性。我们通过大量试验，发现最优的温湿度是60℃及60℃对应的饱和湿度，进入到传感器的气体预热调湿到这个温湿度，既能达到避免气体温度与湿度的影响，又能提高检测的响应速度与准确性。
本发明使用的金属氧化物/碳纳米管传感器制作成本很低，且采用的氢气、氧气 、二氧化碳传感器都为成熟的商业化产品，价格也较为低廉，因而仪器的制作成本大大降低，有利于推广和普及。另外，本发明使用的金属氧化物/碳纳米管传感器较一般的半导体的工作温度低很多，不需要进行预热，通电即可使用，大大提高了仪器使用的便利性，也降低了维护的难度。
附图说明
图1为一种复合式呼气检测方法的结构示意图1。
图2为一种复合式呼气检测方法的结构示意图2。
图3为一种复合式呼气检测方法的结构示意图3。
图4为具体实施例1中金属氧化物/碳纳米管传感器的信号输出曲线。
具体实施方式
具体实施例一：
本实施例利用图1所示装置示意图组装一台复合式呼气检测仪。
氢传感器采用自制的电化学传感器，分辨率<1ppm，响应时间T90<15s。氧传感器选择英国城市公司的型号AO2的氧电化学传感器，分辨率<0.01%，响应时间T90<5s，寿命两年。预先标定要氧传感器与氢传感器的灵敏度。
利用200810242877.6《金属氧化物/碳纳米管气体传感器》中提出的方法，制备出可以在室温条件下检测ppm级的甲烷的金属氧化物/碳纳米管传感器。预先标定好制备的金属氧化物/碳纳米管传感器对氢气、氧气和甲烷的灵敏度，传感器对氧气测试量程范围内都是线性的，因而SO2为一定值，-10；传感器对氢气测试量程范围内是非线性的，SH2对CH2的拟合曲线为对数公式：SH2 =-10*Ln（CH2）+60；传感器对甲烷测试量程范围内也是非线性的，CCH4对VCH4的拟合曲线为二次项公式：CCH4=1.5*VCH4*VCH4-8*VCH4+12。
以下详述整个分析和计算过程：
1）样品分析阶段：将样品气袋与仪器连接好，开启分析泵（302）抽动气袋中的样品气依次通过氧传感器（201）、氢传感器（202）、预热调湿装置（401）和金属氧化物/碳纳米管传感器（203），40s后开启三通电磁阀（101），切换测试过滤空气过滤器（501）过滤的空气，这里是以空气作为零点气，因空气中的氢气与甲烷的含量可忽略不计；测试40s后关闭泵阀，得到分别由氧传感器（201）、氢传感器（202）和金属氧化物/碳纳米管传感器（203）输入的3组信号曲线，金属氧化物/碳纳米管传感器的信号曲线如图4所示。
2）计算氢气和氧气浓度：取氧传感器测试曲线中样品气阶段的平台信号均值，带入预先标定的氧传感器灵敏度公式计算得到氧气浓度。取氢传感器测试曲线中样品气与空气阶段的平台信号均值差，带入预先标定的氢传感器灵敏度公式计算得到氢气浓度。
3）计算VCH4：先将计算得到氢气浓度代入公式SH2 =-10*Ln（CH2）+60计算得到SH2，再将氢气与氧气浓度，SH2与SO2，带入公式VCH4=∆V-SH2*CH2 *-SO2*CO2计算得到VCH4。
4）计算CCH4：将步骤3计算得到的VCH4代入公式CCH4=1.5*VCH4*VCH4-8*VCH4+12，即可计算得到甲烷浓度。
5）肺泡气校准：用氧气浓度进行肺泡气校准，将甲烷和H２浓度乘以一个系数进行呼气末校准得到最终的甲烷和H２浓度，校准系数公式为：氧浓度<14%时，校准系数为1；14%<氧浓度<18%时，校准系数=0.0711X2-1.9523X+14.459（式中X为氧浓度）；氧浓度>18%时系数为2.33。校准后的甲烷和氢气浓度才是最终用于诊断判断的浓度。
以下为使用本实施例装置对氢气、甲烷、氧气标准混合气准确性及重复性的测试结果，以及样品气袋的测试结果：
表1 复合式呼气检测仪准确性测试数据
表2 复合式呼气检测仪重复性测试数据
表3 复合式呼气检测仪对呼气样本气袋的测试数据
具体实施例二：
本实施例利用图2所示装置示意图组装一台复合式呼气检测仪。本实施例是实施例一的基础上增加一个CO2传感器，使用的CO2传感器是GSS公司的NDIR传感器，量程为0-20%，精度0.1%。测试与计算过程与实施例一的区别在于，最后采用的是CO2浓度进行肺泡气校准，将甲烷和氢气浓度乘以一个系数进行呼气末校准得到最终的甲烷和氢气浓度，校准系数公式为：校准系数=5.5/实测CO2浓度，若CO2浓度超出范围2-7%的，按2%或7%计算。
具体实施例三：
本实施例利用图3所示装置示意图组装一台复合式呼气检测仪。
本实施例使用氧传感器选择英国城市公司的型号AO2的氧电化学传感器，分辨率<0.01%，响应时间T90<5s，寿命两年。预先标定要氧传感器的灵敏度。
本实施例使用的两个金属氧化物/碳纳米管传感器S1和S2，是利用200810242877.6《金属氧化物/碳纳米管气体传感器》中提出的方法，按不同配比及加工方法制备得到的，两个传感器对甲烷与氢气的响应大小不同，S1对甲烷的响应较大，S2对氢气的响应较大。两个金属氧化物/碳纳米管传感器S1和S2对氢气、氧气和甲烷测试量程范围内都是线性的，因而灵敏度都为一定值，预先标定要两个传感器对氢气、氧气和甲烷的灵敏度。
以下详述整个分析和计算过程：
1）样品分析阶段：将样品气袋与仪器连接好，开启分析泵（302）抽动气袋中的样品气依次通过氧传感器（201）、预热调湿装置（401）和两个金属氧化物/碳纳米管传感器（202，203），40s后开启三通电磁阀（101），切换测试过滤空气过滤器（501）过滤的空气，这里是以空气作为零点气，因空气中的氢气与甲烷的含量可忽略不计；测试40s后关闭泵阀，得到分别由氧传感器（201）、和两个金属氧化物/碳纳米管传感器（202，203）输入的3组信号曲线。
2）计算氧气浓度：取氧传感器测试曲线中样品气阶段的平台信号均值，带入预先标定的氧传感器灵敏度公式计算得到氧气浓度。
3）计算∆V1和∆V2：取S1和S2的曲线中样品气与空气阶段的平台信号均值差，再扣除两个传感器各自对氧气灵敏度与氧气浓度乘积，计算得到∆V1和∆V2。
4）计算CCH4和CH2：将步骤3计算得到的∆V1和∆V2和S1和S2对氢气与甲烷的灵敏度代入方程组，即可计算得到甲烷和氢气浓度。
∆V1= SH2，1*CH2+SCH4，2*CCH4 （12）
∆V2= SH2，2*CH2+SCH4，2*CCH4 （13）
5）肺泡气校准：同实施例一采用氧气浓度进行肺泡气校准，校准后的甲烷和氢气浓度才是最终用于诊断判断的浓度。
本发明不限于显示和描述的实施例，但是任何变化和改进都在所附权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种复合式呼气检测方法，采用金属氧化物/碳纳米管传感器，配合氢传感器和氧传感器同时对被测气体进行分析，然后对于3组信号进行组合运算得到甲烷、氢气和氧气的浓度，其特征在于：
所述氧传感器、氢传感器、金属氧化物/碳纳米管传感器通过管路串联连接；
所述氧传感器和氢传感器为电化学传感器；
所述金属氧化物/碳纳米管传感器为在室温条件下检测ppm级的甲烷和氢气的半导体传感器；
所述金属氧化物/碳纳米管传感器对氢气、甲烷、氧气都有响应，扣除氢气和氧气的贡献计算出甲烷的信号贡献部分VCH4后，根据甲烷浓度CCH4 与VCH4的关系公式计算得到CCH4。
2.如权利要求1所述一种复合式呼气检测方法，其特征在于：所述金属氧化物/碳纳米管传感器对氢气、甲烷、氧气的响应在量程范围内都为线性时，只需将电化学传感器测试得到的氧气浓度CO2、氢气浓度CH2和标定好的灵敏度SO2、SH2、SCH4，带入公式CCH4=（∆V-SH2*CH2 *-SO2*CO2）/SCH4计算即可得到甲烷浓度CCH4 。
3.如权利要求1所述一种复合式呼气检测方法，其特征在于：所述金属氧化物/碳纳米管传感器对氢气、氧气的响应在量程范围内都为线性的而甲烷是非线性时，先利用公式VCH4=∆V-SH2*CH2 *-SO2*CO2计算出甲烷的信号贡献部分VCH4后，根据甲烷浓度CCH4 与VCH4的非线性关系公式计算得到CCH4。
4.如权利要求3所述一种复合式呼气检测方法，其特征在于：甲烷浓度CCH4 与VCH4的非线性关系公式可以为乘幂公式、对数公式或二次项公式。
5.如权利要求1所述一种复合式呼气检测方法，其特征在于：所述金属氧化物/碳纳米管传感器对氢气、甲烷、氧气的响应在量程范围内都为非线性时，通过SH2与氢气浓度CH2、SO2与氧气浓度CO2的非线性关系公式计算出SH2和SO2，再利用公式VCH4=∆V-SH2*CH2 *-SO2*CO2计算出甲烷的信号贡献部分VCH4，然后再根据CCH4 与VCH4的非线性关系公式计算得到CCH4。
6.如权利要求5所述一种复合式呼气检测方法，其特征在于：SH2与氢气浓度CH2、SO2与氧气浓度CO2、甲烷浓度CCH4 与VCH4的非线性关系公式可以为乘幂公式、对数公式或二次项公式。
7.一种复合式呼气检测方法，采用两个金属氧化物/碳纳米管传感器，配合氧传感器同时对被测气体进行分析，然后对于3组信号进行组合运算得到甲烷、氢气和氧气的浓度，其特征在于：
所述两个金属氧化物/碳纳米管传感器通过管路并联连接，氧传感器串联于两个金属氧化物/碳纳米管传感器之前；
所述氧传感器为电化学传感器或荧光氧传感器；
所述两个金属氧化物/碳纳米管传感器都为在室温条件下检测ppm级的甲烷和氢气的半导体传感器；
所述两个金属氧化物/碳纳米管传感器对甲烷与氢气的响应大小不同，分别扣除氧气的贡献计算出甲烷和氢气的信号贡献部分∆V1和∆V2后，联立方程求解得到甲烷浓度CCH4和氢气浓度CH2。
8.一种复合式呼气检测装置，其特征在于：是由三通电磁阀（101）、分析泵（302）、氧传感器（201）、预热调湿装置（401）和两个金属氧化物/碳纳米管传感器（202，203）组成；空气过滤器（501）通过三通电磁阀（101）相连到检测通路，压力传感器（205）连接到三通电磁阀（101）和分析泵（302）之间；所述两个金属氧化物/碳纳米管传感器并联接入检测通路，气流阻力相同，保证气流的稳定与平均分配。
9.如权利要求8所述一种复合式呼气检测装置，其特征在于：所述预热调湿装置（401）将进入到金属氧化物/碳纳米管传感器的气体预热调湿，最优的温湿度是60℃及60℃对应的饱和湿度。
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