CN110269620A - 一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测方法及装置，包括：a.受试者将呼出气体经呼吸气罩和过滤器，将呼出气体中的水分与杂质过滤掉；b.实时监测呼气流速变化，生成呼气流速曲线；c.设备控制器判断呼气过程的前、中或者后期，进行阀门上下通道的启闭，将不相关呼气组分排出室外，将与肺泡交换的相关呼气组分通入气体传感器阵列的气室内部；设备控制器获得电压峰值变化曲线，通过电压峰值变化高度，计算出该呼气中的标志性VOCs气体实际浓度。该装置将肺功能参数与呼气VOCs成分、浓度参数两大参数结合进行预测、将数据用于评估疾病，其准确精度高，便于推广使用。

Description

一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及人体呼气标志性气体的检测方法，特别是一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测装置及方法。

背景技术

由于人类生活水平不断提高，平均寿命逐渐延长，人类对自身健康的全面了解越发地重视，对医疗技术的先进发展也更加期待。可是，癌症一直是世界范围内的主要死亡原因，预计到2030年，全球因癌症死亡人数将高达1300万。而癌症人群的早期诊断、筛查结果，将对癌症后期的有效控制，作用十分巨大，能显著降低癌症死亡概率。然而，目前大多数癌症等疾病的诊断方式，为侵入性诊断，对患者身体造成的创伤大，经济费用高，甚至一定的精神压力。因此，将非侵入式诊断方式作为癌症等疾病的早期筛查方式，具备巨大的实际意义与市场需求。

呼吸是人体正常代谢过程，呼气中的成分种类与浓度变化在一定程度上可以反映人体健康状态，其主要成分包括二氧化碳、氮气、氧气、水蒸气和惰性气体，剩下的成分为浓度级别在ppt-ppb之间的低浓度气体，包括异戊二烯、丙酮、苯等挥发性有机气体(volatileorganic compounds，VOCs)，以及氨气、一氧化氮等无机气体。其中，VOCs包含有大量的生理信息，可用于作为非侵入式诊断的分析样本。到目前为止，美国国家食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)已经通过以下6种呼出气体用于疾病检测，比如一氧化碳检测新生儿黄疸；氢气和甲烷诊断胃肠道疾病；一氧化氮检测哮喘；乙醇测试血液中酒精含量；烷烃类气体检测心脏移植排斥反应；碳13标志物诊断胃内幽门螺杆菌感染。由此可见，呼气中的VOCs气体，作为疾病诊断的分析样本，对于癌症人群的早期筛查与及时预防，具有巨大应用潜力。

已有研究表明，人体内部器官的组织细胞代谢改变，会造成呼气成分浓度的改变，甚至是呼气成分的改变，原因是细胞在癌变过程中，会增加氧自由基活动。氧自由基的增加会引发蛋白质、DNA等过氧化损伤，导致基因突变，造成致癌风险，同时细胞膜上的不饱和脂肪酸，也将发生脂质的过氧化反应，转化为烷烃类等VOCs气体。因此，对于受试者的呼气中，其烷烃类等VOCs的气体浓度突然增加，或者成分增加，与细胞癌变的潜在可能具有一定相关性。

此外，用肺功能参数，如肺活量、呼气流速等，判断呼吸道疾病，已有较好研究。比如，用一秒用力呼气容积/用力肺活量(FEV1/FVC)，与FEV1占预计值百分比(FEV1占预计值％)、呼气流量峰值(PEF)、最大呼气中段流量(MMEF)等，来作为诊断慢性阻塞性肺疾病的一种检测手段，已得到医学专家的重视。

然而，人体其他内源性疾病，比如肺癌、胃癌、肝癌、咽喉癌等，对肺功能以及肺部呼气成分，也有影响。而将肺功能参数与呼吸成分、浓度检测，相结合起来共同判定疾病、进一步提高无创诊断准确性的检测装置，却鲜有研究。同时，在采样过程中，选择合适的呼气时间段采样，对呼出气体即时检测，也成为非侵入式诊断技术的关键问题。因此，提供一种结合肺功能参数与呼气VOCs的检测方法是非常必要的。

发明内容

针对肺活量等肺功能参数的实时检测、个体呼气时长不一致、人体呼气成分复杂的三大核心问题，本发明的目的在于提出一种能够实时监测呼气流量变化、具备与疾病相关联的特定气体成分检测方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测方法，包括如下步骤：

a.受试者将呼出气体经呼吸气罩和过滤器，将呼出气体中的水分与杂质过滤掉；

b.利用过滤器中的流速传感器实时监测呼气流速变化；同时，将呼气流速数据在设备控制器上实时记录，生成呼气流速曲线v(n)，其中，n为采样点；

c.设备控制器根据呼气流速变化规律，以及流速传感器实时反馈的呼气流速，判断此刻是在呼气过程的前期、中期或者后期；

如果在前期与中期，设备控制器则发出指令，打开安装在过滤器后的阀门下通道，关闭阀门的上通道，将不相关呼气组分排出室外；

如果在呼气后期阶段，设备控制器判断呼气流速降低到呼气流速最高值的80％时，发出指令，关闭阀门下通道，打开阀门上通道，将与肺泡交换的相关呼气组分通入安装在阀门上通道后的气体传感器阵列的气室内部；气体传感器阵列将与标志性VOCs气体反应，设备控制器获得电压峰值变化曲线，通过电压峰值变化高度，计算出该呼气中的标志性VOCs气体实际浓度；

d.设备控制器根据生成的呼气流速曲线v(n)，由公式计算得到肺功能参数；

e.将所得的肺功能参数结合计算得到的标志性VOCs气体浓度通过设备控制器输出。

进一步，所述步骤c中，通过电压峰值变化高度，计算出该呼气中的VOCs气体实际浓度过程如下：

c1)在判断标志性VOCs的实际浓度之前，将不同浓度梯度的标志性VOCs气体从低到高的浓度梯度依次通入到气体传感器阵列21中的气室，引起与浓度对应的电压峰值变化；浓度越高的标志性VOCs气体，引起的气体传感器阵列的电压峰值变化高度越高；将不同浓度的标志性VOCs气体所对应的电压峰值变化高度，记录在设备控制器40中，作为标定数据；

c2)设备控制器40将获得的实际电压峰值变化高度，与设备控制器40内部已经标定完成的电压峰值变化高度数据作比较，选择最贴近的、标定好的电压峰值变化高度所对应的标志性呼气VOCs浓度，作为人体呼气VOCs的实际浓度。

进一步，所述步骤d中，计算得到肺功能参数的公式如下：

设定流速传感器采样点的时间间隔为T，过滤器的流道横截面面积为S，则有：

PEF＝MAX(v(n),n＝1,2,3...)(3)

其中，v_n为第n个呼气流速采样点，v_n+1为第n+1个呼气流速采样点，N为采样的所有数据点；FVC代表用力肺活量；FEV1/FVC代表一秒用力呼气容积/用力肺活量；PEF代表峰值呼气流速；MMEF代表最大呼气中段流量。

本发明进而给出了一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测装置，包括吸气罩、过滤器、气体流速传感器、阀门、气体传感器阵列和设备控制器；所述吸气罩、过滤器和阀门依次对接，气体流速传感器设在过滤器中并与设备控制器相连，阀门出口与气体传感器阵列对接，阀门和气体传感器阵列连接至设备控制器。

进一步，所述阀门包括上通道和下通道，上通道进口与过滤器对接，上通道出口与气体传感器阵列对接，上下通道分别设不同气体排出阀。

进一步，所述设备控制器包括微处理器、温控器、信号识别模块、显示模块、电源模块和按键模块；所述微处理器分别连接温控器、信号识别模块、显示模块、电源模块和按键模块；温控器和信号识别模块分别与气体传感器阵列连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

该装置将肺功能参数与呼气VOCs成分、浓度参数两大参数结合进行预测、将数据用于评估疾病，其准确度更高。该装置通过呼气流速变化规律，对流速进行积分、计算处理，得到肺功能评价参数。同时系统自动选择呼气过程的末段气体，即实际与肺泡进行气体交换的主要代谢气体，作为疾病检测的测试样本，将测试样本通入针对标志性VOCs气体响应的气体传感器阵列，获得标志性VOCs气体组分的响应峰值，将响应峰值转化为标志性VOCs气体的浓度。最后，将肺功能参数与传感器电压响应峰值作为某疾病的共同诊断依据，判断受试者具有患病风险，以便决定是否进一步测试。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是人体呼气流速变化规律示意图；

图2是本发明实施例的基于人体呼气的装置示意图；

图3是本发明实施例的装置模块示意图。

图中：10、呼吸气罩；11、过滤器；20、气体流速传感器；21、固体电解质气体传感器阵列；30、阀门；40、控制器。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1是基于正态曲线的人体呼气流速变化规律概念图。人体呼气流速随时间的变化规律，可以近似看作正态曲线的变化。根据时间轴，将呼气过程分为三个阶段：第一阶段，为呼气起速阶段；流速从0上升至最高速的80％，该阶段排出的气体是人体最后吸入的空气；第二阶段，为呼气高速阶段；为呼气高速阶段，流速保持80％及以上，该阶段将肺部主要体积的气体排出；第三阶段，为呼气降速阶段，流速从最高速的80％下降为0，该阶段排出的气体是与肺泡进行气体交换的气体，为内部器官代谢作用的产物之一，具有较高测试价值。

图2是本发明实施例的一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测装置示意图。该装置由四部分构成，分别是过滤部分、传感部分、气体流路部分与控制部分。过滤部分为呼吸气罩10、过滤器11；传感部分为气体流速传感器20、固体电解质气体传感器阵列21；气体流路部分为阀门30；控制部分为设备控制器40。吸气罩10、过滤器11和阀门30依次对接，气体流速传感器20设在过滤器11中并与设备控制器40相连，阀门30出口与气体传感器阵列21对接，阀门30和气体传感器阵列21连接至设备控制器40。阀门30包括上通道和下通道，上通道进口与过滤器11对接，上通道出口与气体传感器阵列21对接，上下通道分别设不同气体排出阀。

图3是本发明实施例的装置模块示意图，设备控制器40包括微处理器、温控器、信号识别模块、显示模块、电源模块和按键模块；所述微处理器分别连接温控器、信号识别模块、显示模块、电源模块和按键模块；温控器和信号识别模块分别与气体传感器阵列连接。

利用该装置进行一口气检测疾病的过程如下：

a.呼气：受试者持续大力呼出肺部气体。其中，呼气气罩10完全密封嘴部，气体流速传感器20保证工作状态。

过滤：整个呼气阶段，过滤器11将呼气中的水分吸收，并不会对气流流速以及气体组分造成干扰。

受试者将呼出气体经呼吸气罩10和过滤器11，将呼出气体中的水分与杂质过滤掉，避免了水分和杂质对气体传感器阵列的影响，从而使得干燥、干净的呼出气体不断通入后续设备中。

b.流速监控：利用过滤器11中的流速传感器20对呼气流速进行实时监测，将监测数据反馈到设备控制器40，将呼气流速数据在设备控制器40上实时记录，生成呼气流速曲线v(n)，其中，n为采样点。

c.呼气排出：由设备控制器40中编写好的判断程序，判断安装在过滤器11后的阀门30上下口的通断状态。设备控制器40判断目前是在呼气过程的前期、中期或者后期；

处于呼气前期与中期，设备控制器40则发出指令，控制阀门30上通道关闭，下通道打开，使非价值测试气体排出；

如果在呼气后期阶段，设备控制器40判断呼气流速降低到最高流速值的80％，进入呼气后期阶段，发出指令，关闭阀门30下通道，打开阀门30上通道，将与肺泡交换的相关呼气组分通入安装在阀门30上通道后的气体传感器阵列21的气室内部。气体传感器阵列21将与标志性VOCs气体反应，设备控制器40获得电压峰值变化曲线，通过电压峰值变化高度，计算出该呼气中的标志性VOCs气体实际浓度，具体方法如下：

c1)在判断标志性VOCs的实际浓度之前，将不同浓度梯度的标志性VOCs气体从低到高的浓度梯度依次通入到气体传感器阵列21中的气室，引起与浓度对应的电压峰值变化；浓度越高的标志性VOCs气体，引起的气体传感器阵列的电压峰值变化高度越高；将不同浓度的标志性VOCs气体所对应的电压峰值变化高度，记录在设备控制器40中，作为标定数据；

c2)设备控制器40将获得的实际电压峰值变化高度，与设备控制器40内部已经标定完成的电压峰值变化高度数据作比较，选择最贴近的、标定好的电压峰值变化高度所对应的标志性呼气VOCs浓度，作为人体呼气VOCs的实际浓度。

固体电解质气体传感器阵列21中的气敏材料对呼气中某几个组分响应较高，如异戊二烯、丙酮、苯等，对其余组分响应不明显，其反应过程对应着电压峰值变化反应出来，记录在设备控制器40中，形成多维的电压峰值变化图谱，提高了疾病的检测准确性。

d.肺功能参数计算：呼气结束，结合气体流速传感器20记录的完整呼气流速曲线，在设备控制器40中积分、计算得到肺功能参数FVC、FEV1/FVC等，具体过程如下：

设定流速传感器20采样点的时间间隔为T，过滤器11的流道横截面面积为；

因为采样间隔极短，因此流速曲线上的每段线条可近似看作短直线。

PEF＝MAX(v(n),n＝1,2,3...)(3)

其中，v_n为第n个呼气流速采样点，v_n+1为第n+1个呼气流速采样点，N为采样的所有数据点；FVC(forced vital capacity)代表用力肺活量；FEV1/FVC(forced expiratoryvolume in one second/forced vital capacity)代表一秒用力呼气容积/用力肺活量；PEF(peak expiratory flow)代表峰值呼气流速；MMEF((maximal mid-expiratory flowcurve)代表最大呼气中段流量。

e.设备控制器40将所得的肺功能参数结合计算得到的标志性VOCs气体浓度利用神经网络算法，对已计算完毕的肺功能参数与传感器电压峰值图谱进行数据分析，消除各类干扰的影响，提取有效数据作为疾病检测的依据，判断受试者生理状态，并通过设备控制器40输出。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.受试者将呼出气体经呼吸气罩和过滤器，将呼出气体中的水分与杂质过滤掉；

b.利用过滤器中的流速传感器实时监测呼气流速变化；同时，将呼气流速数据在设备控制器上实时记录，生成呼气流速曲线v(n)，其中，n为采样点；

c.设备控制器根据呼气流速变化规律，以及流速传感器实时反馈的呼气流速，判断此刻是在呼气过程的前期、中期或者后期；

如果在前期与中期，设备控制器则发出指令，打开安装在过滤器后的阀门下通道，关闭阀门的上通道，将不相关呼气组分排出室外；

如果在呼气后期阶段，设备控制器判断呼气流速降低到呼气流速最高值的80％时，发出指令，关闭阀门下通道，打开阀门上通道，将与肺泡交换的相关呼气组分通入安装在阀门上通道后的气体传感器阵列的气室内部；气体传感器阵列将与标志性VOCs气体反应，设备控制器获得电压峰值变化曲线，通过电压峰值变化高度，计算出该呼气中的标志性VOCs气体实际浓度；

d.设备控制器根据生成的呼气流速曲线v(n)，由公式计算得到肺功能参数；

e.将所得的肺功能参数结合计算得到的标志性VOCs气体浓度通过设备控制器输出。

2.根据权利要求1所述的一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测方法，其特征在于，所述步骤c中，通过电压峰值变化高度，计算出该呼气中的VOCs气体实际浓度过程如下：

c1)在判断标志性VOCs的实际浓度之前，将不同浓度梯度的标志性VOCs气体从低到高的浓度梯度依次通入到气体传感器阵列中的气室，引起与浓度对应的电压峰值变化；浓度越高的标志性VOCs气体，引起的气体传感器阵列的电压峰值变化高度越高；将不同浓度的标志性VOCs气体所对应的电压峰值变化高度，记录在设备控制器中，作为标定数据；

c2)设备控制器将获得的实际电压峰值变化高度，与设备控制器内部已经标定完成的电压峰值变化高度数据作比较，选择最贴近的、标定好的电压峰值变化高度所对应的标志性呼气VOCs浓度，作为人体呼气VOCs的实际浓度。

3.根据权利要求1所述的一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测方法，其特征在于，所述步骤d中，计算得到肺功能参数的公式如下：

设定流速传感器采样点的时间间隔为T，过滤器的流道横截面面积为S，则有：

PEF＝MAX(v(n),n＝1,2,3...) (3)

其中，v_n为第n个呼气流速采样点，v_n+1为第n+1个呼气流速采样点，N为采样的所有数据点；FVC代表用力肺活量；FEV1/FVC代表一秒用力呼气容积/用力肺活量；PEF代表峰值呼气流速；MMEF代表最大呼气中段流量。

4.一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测装置，其特征在于，包括吸气罩、过滤器、气体流速传感器、阀门、气体传感器阵列和设备控制器；所述呼气罩、过滤器和阀门依次对接，气体流速传感器设在过滤器中并与设备控制器相连，阀门上通道出口与气体传感器阵列对接；阀门和气体传感器阵列连接至设备控制器。

5.根据权利要求4所述的一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测装置，其特征在于，所述阀门包括上通道和下通道，上通道进口与过滤器对接，上通道出口与气体传感器阵列对接，上下通道分别设不同气体排出阀。

6.根据权利要求4所述的一种人体肺功能参数与呼气VOCs相结合的检测装置，其特征在于，所述设备控制器包括微处理器、温控器、信号识别模块、显示模块、电源模块和按键模块；所述微处理器分别连接温控器、信号识别模块、显示模块、电源模块和按键模块；温控器和信号识别模块分别与气体传感器阵列连接。