CN111505217A - 一种人体呼出气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学检测技术领域，提供了一种人体呼出气体检测系统，该系统包括了用于收集人体呼出气体的采集系统、将气体浓度转化为数字信号的检测和信号处理模块以及用于显示检测结果的显示模块。其中采集系统包括了气体收集袋、用于检测的检测室、气泵、逆止阀以及用于连接气袋、检测室、逆止阀和气泵的气路；检测和处理模块包括了气体浓度传感器、硬件电路、嵌入式系统；显示模块包括了LCD显示屏以及手机App。本发明可同时检测人体呼出气体中的氢气、二氧化碳、一氧化氮、氨气和一氧化碳，并初步判断测试者患有肝硬化、哮喘等疾病的可能性，可随时随地进行检测，为疾病早期诊断、提高人们生活质量做贡献。
Description
技术领域
本发明涉及医学检测及早期诊断技术领域，提供了一种人体呼出气体检测系统，具体为可以检测人体呼出气体中一些特定成分浓度并根据这些成分的浓度来判断测试者患病可能性的系统。
背景技术
目前，呼吸道疾病、肝硬化等检查都需要到医院进行检查才能得知是否患病，且部分疾病的检查需要进行有创检查，对患者不够友好。虽然已有检查呼出气体分析人体疾病的装置问世，但都为检查单一气体或分析一种疾病，且价格高昂。
人体细胞的新陈代谢不会产生氢气，呼出气体中的氢气来源是肠道细菌酵解碳水化合物，正常情况下，人体呼出的氢气为10ppm左右。而有研究发现，肝硬化患者呼气试验中氢气浓度为（18.86±14.16）ppm，健康者呼出氢气浓度为（5.97±2.86）ppm，其中肝硬化患者中有过半的人呼出气体中氢气浓度>20ppm，而健康人群中几乎没有人呼出氢气浓度>20ppm；
呼出一氧化碳的浓度主要受两个因素影响：机体内部代谢和外部环境吸入，内部代谢主要为亚铁血红素分解产生，其浓度水平在呼吸系统疾病及吸烟人群或被动吸烟人群中显著升高。研究发现，且吸烟者或有吸烟史人一氧化碳代谢速率高于普通人。而吸烟者呼出的一氧化碳浓度范围在8.1-15.7ppm，平均为12.39ppm左右；普通人则为4.2-12.4ppm，平均8.09ppm。另外，对肺癌手术患者机械通气后，单肺通气后换双肺通气时手术一侧的一氧化碳浓度偏高。肺移植手术后，发生闭塞性细支气管炎患者的呼出一氧化碳浓度偏高；
人体内源性一氧化氮，在气道或血管皮质细胞中由一氧化氮合酶催化L-精氨酸脱胍基产生，NO浓度与呼吸系统有一定关系。有研究显示，对于支气管哮喘疾病患者，呼出一氧化氮浓度为58.657ppb左右，咳嗽变异性哮喘呼出一氧化氮浓度约为55.497ppb，慢性阻塞性肺疾病呼出一氧化氮浓度为27.280ppb，初治涂阴肺结核患者呼出一氧化氮浓度为17.626ppb左右，而健康人群呼出平均一氧化氮浓度为18.9ppb。呼出气体中NO浓度高于36.5ppb时，要考虑患哮喘的可能性。常温常压下，一氧化氮极易与氧气发生反应生成等量的二氧化氮。
尿素氮含量与人体肾功能密切相关，可以作为肾功能的评判指标。而呼出气体中，氨气含量与尿素氮含量呈线性关系，因此，检测呼出气体中氨气的浓度即可分析患者肾功能情况。有研究显示，健康者呼出氨气的浓度一般在200ppb-500ppb之间，而肾功能出问题的患者呼出氨气则为2ppm左右。
因此，可以通过人体呼出的H2浓度判断测试者是否可能患有肝硬化；通过呼出一氧化碳浓度可以用于评估肺部（手术）损伤，并可辅助医生帮助患者戒烟；呼出气体中的一氧化氮浓度可以辅助判断是否患有哮喘，而呼出氨气浓度则可以用于评判测试者肾功能情况。另外，由于一氧化氮极易与氧气发生反应生成等量二氧化氮，所以系统直接采用二氧化氮传感器，检测基本完全反应后的二氧化氮浓度作为呼出气体中的一氧化氮浓度。
发明内容
为了克服现有的疾病检查手段为有创，且多数疾病发现晚导致影响疾病治疗，且现有呼出气体分析仪检查范围过于片面的问题，本发明提供一种新的人体呼出气体检测系统，该装置不仅便携，可供用户随时随地进行检查，早发现、早治疗，而且检查方法为无创方式，对用户充分友好，并能同时检测呼吸道、肾功能和肝功能，提升人们的生活质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种新的人体呼出气体检测系统，包括用于收集人体呼出气体的气体采集系统、将气体浓度转化为数字信号的检测和信号处理模块（硬件电路模块和嵌入式系统）以及用于显示检测结果的显示模块。所述气体采集系统通过硬件电路模块连接控嵌入式系统，所述控嵌入式系统连接显示模块。
所述气体采集系统包括依次连接的单向气阀A、气体采样袋、除湿膜、气体泵A、气体泵B、气体检测室、单向气阀B；所述气体检测室内设有气体传感器、湿度传感器。气体采集系统包括了用于存放人体呼出气体的气体采样袋、用于检测的检测室、用于将气体泵入检测室的气体泵、防止杂质进入和气体逆流的逆止阀（两个单向气阀）以及用于连接气袋、检测室、逆止阀和气泵的气路。
进一步的，所述气体传感器包括3个，分别为二氧化碳传感器、氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器和氢气传感器。
进一步的，所述硬件电路模块包括电桥电路、蓝牙模块、电源模块、差分放大电路、低通滤波电路、上拉电阻；电桥电路用于对二氧化碳传感器信号进行处理；蓝牙模块用于将所测得信息通过BLE蓝牙发送到手机app；电源模块用于对传感器、显示模块等进行供电；差分放大电路对电桥电路输出电压进行放大；上拉电阻用于对氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器信号进行预处理。硬件处理电路包含了将传感器输出接到5V电压的上拉电阻、用于对信号预处理的电桥电路、用于放大电桥输出的AD620及电容电阻组成的差分放大电路以及OP27和电容电阻组成的低通滤波电路。
进一步的，所述电源电路包含了用于连接充电宝供电的USB2.0接口和用于将5V转为±5V的DCDC模块。
进一步的，所述嵌入式系统为STM32F103单片机。嵌入式系统对所采集信号进一步处理并根据特定气体的浓度判断被试者患病的可能性。
进一步的，所述嵌入式系统中写入了由传感器获取的各种气体信号经由硬件电路处理并由AD转化为数字信号后计算成气体浓度信息的代码、通过I2C总线驱动氢气传感器正常工作并获得氢气浓度的程序、驱动温湿度传感器正常工作并活得温湿度信息的程序，以及将上述结果通过SPI总线发送到LCD显示屏、通过蓝牙模块以BLE发送到手机app并显示的程序。
进一步的，所述显示模块包括显示器和手机App。显示模块包括了用于显示气体成份浓度数据并提供生活指导的LCD显示屏以及手机App。
进一步的，所述显示器为LCD显示屏。
进一步的，二氧化碳传感器连接电桥电路, 电桥电路连接差分放大电路, 差分放大电路连接低通滤波电路, 氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器连接上拉电阻, 氢气传感器、湿度传感器、低通滤波电路、上拉电阻连接控嵌入式系统, 嵌入式系统连接显示器, 嵌入式系统通过蓝牙模块连接手机App。通过气体传感器进行气体浓度检测，利用气体采集袋存放人体呼出气体，并通过气泵将气体泵入到装有检测一氧化碳、二氧化氮、氨气、氢气、二氧化碳浓度的气体传感器的检测室中进行检测，传感器输出信号连接到硬件处理电路处理后，将测量结果发送到嵌入式系统进行计算和进一步处理，并通过LCD显示，同时通过BLE蓝牙发送到显示诊断结果、疾病相关信息以及生活指导的手机app，方便用户查看更多信息。进一步地，所述气体检测室包含了可检测一氧化碳、二氧化氮、氨气浓度的传感器、氢气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器以及温湿度传感器。进一步的，所述手机APP包含了可以打开、搜索并连接蓝牙设备的蓝牙部分、用于实时显示测量结果的显示部分以及方便用户查看疾病相关信息以及如何调理的扩展部分。
有益效果
本发明提供的便携式人体呼出气体检测系统可以解决传统疾病检查有创的问题，只需要测试者吹一口气便可以得知身体一些方面的健康状况。并且系统方便携带，检测条件无限制，方便测试者随时进行测量，为疾病早期诊断提供了帮助，也为疾病治疗创造有利条件。另外，本发明也克服了市面上存在的呼出气体检测仪体积过大或所能检测的气体种类过少的问题，可以同时检测一氧化碳、氨气、一氧化氮、二氧化碳、氢气等气体，为人类健康做贡献。
附图说明
图1是系统整体框架图。
图2是氨气、一氧化碳、二氧化氮传感器信号预处理部分的原理图。
图3是二氧化碳传感器的电桥输出电路原理图。
图4是对二氧化碳传感器所接电桥输出的差分放大和低通滤波电路原理图。
图5是电源模块。
图6为信号流图。
图7本发明的结构示意图。
其中：1、气体采集系统；2、硬件电路模块；3、嵌入式系统；4、显示模块；5、单向气阀A；6、气体收集袋；7、除湿膜；8、气体泵A；9、检测室；10、气体泵B；11、二氧化碳传感器；12、氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器；13、氢气传感器；14、温湿度传感器；15、单向气阀B；16、电桥电路；17、蓝牙模块；18、电源模块；19、差分放大电路；20、低通滤波电路；21、上拉电阻；22、LCD显示屏；23、手机app。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，其中图中的1为气体采集系统；2为硬件电路模块；3为嵌入式系统；4为显示模块；5为采集模块中的气体逆止阀，用于防止气体溢出；6为气体收集袋，用于暂时存放被试者呼出气体；7为除湿膜；8为气体泵，用于将被试者呼出气体泵入到检测室；9为检测室，内有气体传感器用于检测气体浓度；10为气体泵，用于测试结束后将空气泵入检测室，清洁检测室并保持传感器灵敏度；11为二氧化碳传感器；12为氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器；13为氢气传感器；14为温湿度传感器，用于检测呼出气体的温湿度情况；15为气体逆止阀，用于防止空气中杂质进入检测室；16为电桥电路，用于对二氧化碳传感器信号进行处理；17为蓝牙模块，用于将所测得信息通过BLE蓝牙发送到手机app；18为电源模块，用于对传感器、显示模块等进行供电；19为差分放大电路，对电桥电路输出电压进行放大；20为低通滤波电路；21为上拉电阻，用于对氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器信号进行预处理；22为LCD显示屏；23为手机app，用于显示测量结果及一些疾病的相关信息。
请参阅附图1-7，本发明提供一种技术方案：一种人体呼出气体检测系统，包括气体采集系统、硬件电路模块、嵌入式系统、显示模块。
气体采集系统包括依次连接的单向气阀A、气体采样袋、除湿膜、气体泵A、气体泵B、气体检测室、单向气阀B；；气体检测室内设有气体传感器、湿度传感器；其中气体传感器包括3个，分别为二氧化碳传感器、氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器和氢气传感器。单向气阀A通过气体导管连接到气体收集袋；单向气阀B通过气体导管连接在检测室末端；气体泵A两端分别连接气体收集袋和检测室；气体泵B两端分别连接空气和气体检测室。
硬件电路模块包括蓝牙模块和电源模块、上拉电阻、电桥电路、差分放大电路、低通滤波电路及所需电容电阻显示模块包括手机app和LCD显示屏；电源模块分别与差分放大电路、电桥电路、上拉电阻、低通滤波电路、蓝牙模块、嵌入式系统和气体传感器、温湿度传感器相连；电桥电路、差分放大电路、低通滤波电路单向信号连接。电源模块用于对传感器、显示模块等进行供电；差分放大电路对电桥电路输出电压进行放大；上拉电阻用于对氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器信号进行预处理。硬件处理电路包含了将传感器输出接到5V电压的上拉电阻、用于对信号预处理的电桥电路、用于放大电桥输出的AD620及电容电阻组成的差分放大电路以及OP27和电容电阻组成的低通滤波电路。电源电路包含了用于连接充电宝供电的USB2.0接口和用于将5V转为±5V的DCDC模块。
蓝牙模块为JDY18。
嵌入式系统为stm32f103。嵌入式系统中写入了由传感器获取的各种气体信号经由硬件电路处理并由AD转化为数字信号后计算成气体浓度信息的代码、通过I2C总线驱动氢气传感器正常工作并获得氢气浓度的程序、驱动温湿度传感器正常工作并活得温湿度信息的程序，以及将上述结果通过SPI总线发送到LCD显示屏、通过蓝牙模块以BLE蓝牙发送到手机app并显示的程序。
温湿度传感器为DHT11。
app可以显示检测结果并提供生活指导。
作为本发明的一个实例，在检测仪外侧有一个气嘴，被试者通过气嘴呼出气体到仪器内部的气体收集袋中，启动气泵（8），将呼出气体泵入到检测室中，开始测量，当测得浓度基本稳定后即可关闭气泵（8），完成测量。此时打开气泵（10）泵入空气到检测室，一段时间后关闭，用于清洁检测室。被试者此时可以在手机app（23）及LCD显示屏（22）上看到自己的测量结果，包括呼出气体中的二氧化碳、一氧化碳、一氧化氮、氨气及氢气浓度，如果呼出气体中某些成分浓度异常，手机app会进行提示，被试者可以在手机app中查看患病的可能性以及疾病的一些介绍、如何治疗等具体信息。
总之，本发明具有结构简单、容易操作、便携、成本低廉、精度较高、适用范围广等有点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚可见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实例中的技术方案也可经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他方式。
Claims (9)
1.一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：包括气体采集系统（1）、硬件电路模块（2）、控嵌入式系统（3）及显示模块（4）；所述气体采集系统（1）通过硬件电路模块（2）连接到嵌入式系统（3），所述控嵌入式系统（3）连接显示模块（4）。
2.根据权利要求1所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：所述气体采集系统（1）包括依次连接的单向气阀A（5）、气体采样袋（6）、除湿膜（7）、气体泵A（8）、气体泵B（10）、气体检测室（9）、单向气阀B（15）；所述气体检测室（9）内设有气体传感器、湿度传感器（14）。
3.根据权利要求2所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：所述气体传感器包括3个，分别为二氧化碳传感器（11）、氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器（12）和氢气传感器（13）。
4.根据权利要求3所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：所述硬件电路模块（2）包括电桥电路（16）、蓝牙模块（17）、电源模块（18）、差分放大电路（19）、低通滤波电路（20）、上拉电阻（21）；电桥电路（16）用于对二氧化碳传感器信号进行处理；蓝牙模块（17）用于将所测得信息通过BLE蓝牙发送到手机app；电源模块（18）用于供电；差分放大电路（19）对电桥电路输出电压进行放大；上拉电阻（21）用于对氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器（12）信号进行预处理。
5.根据权利要求3所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：电源电路包含了用于连接充电宝供电的USB2.0接口和用于将5V转为±5V的DCDC模块。
6.根据权利要求1-4所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：所述嵌入式系统（3）为STM32F103单片机。
7.根据权利要求6所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：所述显示模块（4）包括显示器（22）和手机App（23）。
8.根据权利要求7所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：所述二氧化碳传感器（11）连接电桥电路（16）, 所述电桥电路（16）连接差分放大电路（19）,所述差分放大电路（19）连接低通滤波电路（20）, 所述氨气/一氧化碳/二氧化氮传感器（12）连接上拉电阻（21）, 所述氢气传感器（13）、湿度传感器（14）、低通滤波电路（20）、上拉电阻（21）连接控嵌入式系统（3）, 所述嵌入式系统（3）连接显示器（22）, 所述嵌入式系统（3）通过蓝牙模块（17）连接手机App（23）。
9.根据权利要求7所述的一种人体呼出气体检测系统，其特征在于：所述显示器（22）为LCD显示屏。
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