CN109938736B - 一种便携式呼出气采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式呼出气采集装置及方法，该装置包括壳体、一次性呼吸面罩、传感器组、流量计、富集装置、气路转换接头、主控电路板和气泵，被测试者通过一次性面罩呼气，呼出气通过流量计可测得体积。使用可拆卸四孔进气接头，与富集管、三通电磁阀联用，可实现采集气路切换。使用气敏传感器、温湿度传感器及压力传感器作为敏感器件，触发三通电磁阀和气泵工作，可收集被测试者上呼吸道及下呼吸道的呼出气。使用温度传感器与温控片联用，维持收集过程中富集管所处腔室温度，以收集呼出气中不同成分，便于后续标志物的检测。此外，结合流量计可获得不同物质在呼出气中的浓度，进而预判断血液或者肺部或者肠胃中各标志物浓度。
Description
技术领域
本发明属于呼吸检测领域，涉及一种便携式呼出气采集装置及方法。
背景技术
人体循环系统通过肺泡和呼吸系统进行物质交换，因此通过检测人体呼吸气体，可以间接检测人体内环境。和传统的诊断方法相比，呼吸诊断更加快捷方便，无创，副作用小。因而呼吸检测受到了越来越多的重视。目前，呼吸诊断在幽门螺旋杆菌的检测已经得到广泛的临床应用，呼出气体中氮氧化物浓度也被作为临床诊断哮喘的重要指标。呼吸检测也在糖尿病、肺癌等的早期诊断中得到了应用。此外，呼吸检测在驾驶员酒精浓度检测中也得到了广泛的使用。随着医学对检测效果、快速性，无创性等要求的提高，呼吸检测将在越来越多的领域得到应用，替代那些具有较多副作用的检测方法。
人体呼出气主要有两部分组成：一部分是来自上呼吸道的气体，在呼出气中被划分为“死腔气”；另一部分为来自下呼吸道的气体，主要来自肺泡深处，称为“肺泡气”，是与血液之间进行物质交换产生的气体，内含丰富的VOCs，是呼出气用作疾病诊断的目标成分。
在现有的呼出气收集装置中，往往不能很好地将死腔气与肺泡气加以区分，大大稀释了目标气体的浓度，不利于VOCs的收集。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种便携式呼出气采集装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种便携式呼出气采集装置，包括壳体、一次性呼吸面罩、传感器组、流量计、富集装置、气路转换接头、主控电路板和气泵；
所述一次性呼吸面罩安装在壳体的前端，其最外层为可充气式柔性材料，与人脸部相贴合，其尾部具有三个气孔，分别为进气孔、第一出气孔、第二出气孔，三个气孔均通过单向阀控制气体流动方向；所述第一出气孔与传感器组相对，所述传感器组包括CO2传感器和气压传感器，用于测量面罩腔体内CO2浓度和压力值；所述第二出气孔与流量计相连；
所述富集装置包括四个富集管和围绕在四个富集管外侧的温控片；所述温控片用于对腔体内部空气进行加热或降温；
所述气路转换接头包括四个两两对称的管路插孔，单个管路插孔包括外孔和内孔，外孔与富集管通过垫片相连接，内孔通过进样管与三通电磁阀相连接，每两个进样管通过一个三通电磁阀与一个支进样管相连，每两个支进样管通过一个三通电磁阀与气泵相连；
所述主控电路板用于接收传感器组采集的信号，并对三通电磁阀的通断、气泵的通断及温控片的温度进行控制。
进一步地，所述传感器组还包括温度传感器。
进一步地，所述富集管包括吸附剂材料；所述吸附剂材料包括Tenax-TA吸附剂、活性炭，两种吸附剂均为疏水性，用于排除掉呼出气中的水蒸气。
进一步地，所述富集管中，弱吸附剂排在强吸附剂之前。
进一步地，所述温控片使用半导体材料的Peltier效应，通过控制电流方向控制温控片对腔体内部空气进行加热和降温；在温控片表面贴有铂电阻Pt100，用于测量温控片温度，进而通过PID算法控制采集过程中富集管所处腔室的温度，在预设温度下，更利于对某种疾病标志物的筛选。
进一步地，所述主控电路板包括MCU控制模块、电源模块和通信模块；所述传感器组将采集到的信号输入MCU控制模块；所述MCU控制模块接收温控片的温度，并通过通讯模块将温度值传输至上位机，以及接收上位机的控制信号。
进一步地，所述一次性呼吸面罩通过单向阀将被测试者的呼出气从壳体结构中排出。
进一步地，所述一次性呼吸面罩的进气孔连接外部装置提供的不含VOCs的清洁空气。
一种应用上述便携式呼出气采集装置采集被测试者呼出气中的VOCs的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将活化好的富集管插入气路转换接头的外孔中并固定，设定温控片温度，进行预热；设定采样气流路径；
(2)被测试者手持呼出气采集装置，使一次性呼吸面罩紧贴面部；
(3)当温控片温度到达预设温度后，测试者开始呼气，在呼气过程中，CO2传感器及压力传感器采集面罩腔内气体浓度和气压，确定开始采样信号节点，主控电路板接收到信号后，启动气泵开始采样；
(4)采样过程中，调节三通电磁阀改变采样通路，以防止单个富集管吸附饱和及收集不同部位的呼出气并将其分离的目的；
(5)采样结束后，调整温控片温度，使富集管降低到室温，并拆下富集管密封以备下一步检测。
进一步地，在呼吸气采集过程中，通过PID算法控制温控片的温度，从而使得采集过程中富集管所处腔室的温度始终维持在预设温度。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种便携式呼出气采集装置，被测试者通过一次性面罩呼气，呼出气通过流量计可测得体积。使用可拆卸四孔进气接头，与富集管、三通电磁阀联用，可实现采集气路切换。使用气敏传感器、温湿度传感器及压力传感器作为敏感器件，触发三通电磁阀和气泵工作，可收集被测试者上呼吸道及下呼吸道的呼出气。使用温度传感器与温控片联用，维持收集过程中富集管所处腔室温度，以收集呼出气中不同成分，便于后续标志物的检测。此外，结合流量计可获得不同物质在呼出气中的浓度，进而预判断血液或者肺部或者肠胃中各标志物浓度。
附图说明
图1(a)是本发明呼出气采集装置整体结构图；
图1(b)是装置各部件拆分示意图；
图2是本发明一次性呼吸面罩结构图；
图3是本发明面罩呼出及吸入气体过程示意图；
图4是本发明富集装置示意图；
图5(a)是本发明气路转换接头连接示意图；
图5(b)是转换接头管路部分结构图；
图中：壳体1、一次性呼吸面罩2、可充气式柔性材料21、进气孔221、第一出气孔222、第二出气孔223、传感器组3、流量计4、富集装置5、温控片51、富集管52、气路转换接头6、三通电磁阀61、管路插孔62、垫片63、进样管64、支进样管65、主控电路板7、气泵8。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作详细描述，但并不是限制本发明。
如图1(a)、图1(b)所示，本发明提供的一种便携式呼出气采集装置，包括壳体1、一次性呼吸面罩2、传感器组3、流量计4、富集装置5、气路转换接头6、主控电路板7和气泵8。
如图2、3所示，所述一次性呼吸面罩2安装在壳体1的前端，采用一体成型结构；所述一次性呼吸面罩2的最外层为可充气式柔性材料21，与人脸部相贴合，可将测试者鼻部、口腔全部囊括面罩腔体内，还可以保证良好的气密性；所述一次性呼吸面罩2的尾部具有三个气孔，分别为进气孔221、第一出气孔222、第二出气孔223，三个气孔均通过单向阀控制气体流动方向；所述进气孔221可供被测试者吸气；所述第一出气孔222与传感器组3相对，所述传感器组3包括CO2传感器和气压传感器，用于测量面罩腔体内CO2浓度和压力值，以触发装置自动采气；所述第二出气孔223与流量计4相连，为主要气流通路。所述一次性呼吸面罩2通过单向阀将被测试者的呼出气从壳体结构中排出。所述一次性呼吸面罩2的进气孔221连接外部装置提供的不含VOCs的清洁空气。
如图4所示，所述富集装置5包括四个富集管52和围绕在四个富集管52外侧的温控片51；所述温控片51用于对腔体内部空气进行加热或降温。
所述富集管52包括吸附剂材料；所述吸附剂材料包括Tenax-TA吸附剂、活性炭，两种吸附剂均是疏水性的，可以排除掉呼出气中的大部分水蒸气；不同温度下Tenax-TA吸附剂对同一种物质的吸附能力不同，同温度下Tenax-TA吸附剂对不同物质的吸附能力也不同；活性炭纤维对无机气体如H2S、NO、NO2、SO2等均有良好的吸附能力。
所述富集管52中，弱吸附剂排在强吸附剂之前，因此，挥发性最小的VOCs被捕获在管前端最弱的吸附剂上，并且相继更多的VOCs被越来越强的吸附剂捕获到管的后方，最易挥发的物质被捕获在远端。
所述温控片51使用半导体材料的Peltier效应，即当直流电通过两种不同半导体材料串联而成的电偶时，在电偶两端分别吸收和放出热量，电流方向变化后，吸收和放出热量端交换；因此可以通过控制电流方向控制温控片51对腔体内部空气进行加热和降温；在温控片51表面贴有铂电阻Pt100，通过导热硅脂粘连，用于测量温控片51温度，进而通过PID算法控制采集过程中富集管52所处腔室的温度，在预设温度下，更利于对某种疾病标志物的筛选。
如图5(a)、图5(b)所示，所述气路转换接头6通过三通电磁阀控制气路切换，包括四个两两对称的管路插孔62，单个管路插孔62包括外孔和内孔，外孔与富集管52通过垫片63相连接，以增加进样气密性，内孔通过进样管64与三通电磁阀61相连接，每两个进样管64通过一个三通电磁阀61与一个支进样管65相连，每两个支进样管65通过一个三通电磁阀61与气泵8相连；在实际收集过程中，可通过电磁阀切换气路以收集到不同的呼出气样本；
所述主控电路板7用于接收传感器组3采集的信号，并对三通电磁阀61的通断、气泵8的通断及温控片51的温度进行控制。所述主控电路板7包括MCU控制模块、电源模块和通信模块；所述传感器组3将采集到的信号输入MCU控制模块；所述MCU控制模块接收温控片51的温度，并通过通讯模块将温度值传输至上位机，以及接收上位机的控制信号。
应用上述便携式呼出气采集装置采集被测试者呼出气中的VOCs的方法，包括以下步骤：
(1)将活化好的富集管52插入气路转换接头6的外孔中并固定，通过上位机设定温控片52温度，使富集管52所在空腔达到所需温度，通过PID算法控制温控片(51)的温度，从而使得采集过程中富集管(52)所处腔室的温度始终维持在预设温度；调整三通电磁阀61通路，设定采样气流路径；
(2)被测试者手持呼出气采集装置，使一次性呼吸面罩2紧贴面部，一次性呼吸面罩2的进气孔221与清洁空气气源相接；
(3)当温控片51温度到达预设温度后，测试者开始呼气，在呼气过程中，CO2传感器及压力传感器采集面罩腔内气体浓度和气压，确定开始采样信号节点，主控电路板7接收到信号后，启动气泵8开始采样；
(4)采样过程中，可根据预设时间自动调节三通电磁阀61改变采样通路，以防止单个富集管52吸附饱和；也可经由上位机改变采样通路，以达到收集不同部位的呼出气并将其分离的目的；
(5)采样结束后，调整温控片51温度，使富集管52降低到室温，并拆下富集管52密封以备下一步检测；上位机给出本次采样的信号波形及气体流量。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种便携式呼出气采集装置，其特征在于，包括壳体（1）、一次性呼吸面罩（2）、传感器组（3）、流量计（4）、富集装置（5）、气路转换接头（6）、主控电路板（7）和气泵（8）；
所述一次性呼吸面罩（2）安装在壳体（1）的前端，其最外层为可充气式柔性材料（21），与人脸部相贴合，其尾部具有三个气孔，分别为进气孔（221）、第一出气孔（222）、第二出气孔（223），三个气孔均通过单向阀控制气体流动方向；所述第一出气孔（222）与传感器组（3）相对，所述传感器组（3）包括CO2传感器和气压传感器，用于测量面罩腔体内CO2浓度和压力值；所述第二出气孔（223）与流量计（4）相连；
所述富集装置（5）包括四个富集管（52）和围绕在四个富集管（52）外侧的温控片（51）；所述富集管（52）包括吸附剂材料；所述富集管（52）中，弱吸附剂排在强吸附剂之前；所述温控片（51）使用半导体材料的Peltier效应，通过控制电流方向控制温控片（51）对腔体内部空气进行加热和降温；在温控片（51）表面贴有铂电阻Pt100，用于测量温控片（51）温度，进而通过PID算法控制采集过程中富集管（52）所处腔室的温度，在预设温度下，更利于对某种疾病标志物的筛选；
所述气路转换接头（6）包括四个两两对称的管路插孔（62），单个管路插孔（62）包括外孔和内孔，外孔与富集管（52）通过垫片（63）相连接，内孔通过进样管（64）与三通电磁阀（61）相连接，每两个进样管（64）通过一个三通电磁阀（61）与一个支进样管（65）相连，每两个支进样管（65）通过一个三通电磁阀（61）与气泵（8）相连；
所述主控电路板（7）用于接收传感器组（3）采集的信号，并对三通电磁阀（61）的通断、气泵（8）的通断及温控片（51）的温度进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种便携式呼出气采集装置，其特征在于，所述传感器组（3）还包括温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种便携式呼出气采集装置，其特征在于，所述吸附剂材料包括Tenax-TA吸附剂、活性炭，两种吸附剂均为疏水性，用于排除掉呼出气中的水蒸气。
4.根据权利要求1所述的一种便携式呼出气采集装置，其特征在于，所述主控电路板（7）包括MCU控制模块、电源模块和通信模块；所述传感器组（3）将采集到的信号输入MCU控制模块；所述MCU控制模块接收温控片（51）的温度，并通过通讯模块将温度值传输至上位机，以及接收上位机的控制信号。
5.根据权利要求1所述一种便携式呼出气采集装置，其特征在于，所述一次性呼吸面罩（2）通过单向阀将被测试者的呼出气从壳体结构中排出。
6.根据权利要求1所述一种便携式呼出气采集装置，其特征在于，所述一次性呼吸面罩（2）的进气孔（221）连接外部装置提供的不含VOCs的清洁空气。
7.一种应用权利要求1-6中任一项所述便携式呼出气采集装置采集被测试者呼出气中的VOCs的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将活化好的富集管（52）插入气路转换接头（6）的外孔中并固定，设定温控片（52）温度，进行预热；设定采样气流路径；
（2）被测试者手持呼出气采集装置，使一次性呼吸面罩（2）紧贴面部；
（3）当温控片（51）温度到达预设温度后，测试者开始呼气，在呼气过程中，CO2传感器及压力传感器采集面罩腔内气体浓度和气压，确定开始采样信号节点，主控电路板（7）接收到信号后，启动气泵（8）开始采样；
（4）采样过程中，调节三通电磁阀（61）改变采样通路，以防止单个富集管（52）吸附饱和及收集不同部位的呼出气并将其分离的目的；
（5）采样结束后，调整温控片（51）温度，使富集管（52）降低到室温，并拆下富集管（52）密封以备下一步检测。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在呼吸气采集过程中，通过PID算法控制温控片（51）的温度，从而使得采集过程中富集管（52）所处腔室的温度始终维持在预设温度。
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