CN111921296B - 一种人体呼出气处理系统及其处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种人体呼出气处理系统及其处理方法，进气口设有气管Ⅰ、气管Ⅱ，气管Ⅰ、气管Ⅱ分别连接二位三通电磁阀的两个进气端口，二位三通电磁阀的出气端口通过气管连通膜式气体干燥管，膜式气体干燥管的内膜与外管之间形成密闭空间，内膜的一端连通气管，内膜的另一端通过气管连通至出气口，在内膜与二位三通电磁阀连通的气管上设置质量流量计、质量流量控制计，在内膜与出气口连通的气管上设置温湿度记录仪，仅在外管与内膜的连接处开设一通孔用来与真空泵的吸气口密封连接；气管Ⅱ上安装有加热管线和微粒过滤器；本发明可以在减少对VOCs影响的前提下，快速稳定地对呼出气进行湿度控制，并对呼出气中的颗粒物和小液滴过滤，且系统具有自清洁功能。

Description

一种人体呼出气处理系统及其处理方法
技术领域
本发明涉及一种气体处理系统，具体是一种人体呼出气处理系统及其处理方法，属于生物医疗设备技术领域，尤其适用于涉及色谱质谱联用的人体呼出气成分的分析测定、呼出气的电子鼻分析等应用场景。
背景技术
人体新陈代谢的部分产物可由血液运送至肺部，通过气体交换进入肺泡而出现在呼出气体中。代谢组学和预防医学已经证实，呼出气中的挥发性有机化合物(VOCs)会随着人体发生病变而改变。目前在人体呼出气中检测到的挥发性有机化合物(VOCs)多达上千种，平均每个个体呼出气中的挥发性有机化合物(VOCs)数量在200种左右。近年来，呼出气体检测作为一种了解人体生理代谢过程和疾病状况的方法受到越来越多的重视，这些化合物包括烷烃、烯烃、醛酮类化合物、含硫化合物和含氮化合物等。近年来，学术界和企业都有大量学者就呼气分析的应用进行探索，呼出气体中挥发性有机化合物(VOCs)的检测与常规空气中VOCs气体的分析相比，具有一定的特殊性。首先，人体呼出气体中挥发性有机化合物(VOCs)的浓度水平很低，通常在ppbv级别，这对采集、储存、处理和分析方法的灵敏度都提出很高要求；其次，人体呼出的气体含有大量的水，水的存在对于气相色谱类的检测方法是一个不利因素，因为很多检测挥发性有机化合物(VOCs)使用的色谱柱对样品中的水分十分敏感；另外，在样品吸附富集过程中，水的存在会导致吸附剂吸附挥发性有机化合物(VOCs)的能力下降，此外，由于呼出气体成分非常复杂，样品的采集、储存和处理方法也受到限制，极容易在处理过程中造成样品中挥发性有机化合物(VOCs)的缺失或增加，因此呼出气的处理系统显著影响着呼出气成分检测，然而现有技术并没有专门研制呼出气针对性的处理系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种人体呼出气处理系统及其处理方法，可以在减少对呼出气挥发性有机化合物(VOCs)影响的前提下，快速稳定地对呼出气进行湿度控制，并对呼出气中的颗粒物和小液滴过滤，且系统具有自清洁功能。
为了实现上述目的，本发明提供一种人体呼出气处理系统，包括箱体以及将箱体内部分开设置的竖向隔板，竖向隔板的一侧为气体处理组件，另一侧为器件集成面板；在气体处理组件一侧的箱体上设置进气口和出气口，进气口设有与背景空气连通的气管Ⅰ、与呼出气连通的气管Ⅱ，气管Ⅰ、气管Ⅱ分别连接二位三通电磁阀的两个进气端口，二位三通电磁阀的出气端口通过气管连通膜式气体干燥管，膜式气体干燥管由内膜、外管构成，且内膜与外管之间形成密闭空间，内膜的一端连通气管，内膜的另一端通过气管连通至出气口，在内膜与二位三通电磁阀连通的气管上设置质量流量计、质量流量控制计，在内膜与出气口连通的气管上设置温湿度记录仪，仅在外管与内膜的连接处开设一通孔用来与真空泵的吸气口密封连接；气管Ⅱ上安装有加热管线、微粒过滤器；
器件集成面板一侧的箱体上设置PLC控制模块、控制面板、显示模块，PLC控制模块内集成有监测组件和数据输出组件并与控制面板建立串口通信，PLC控制模块分别与真空泵、温湿度记录仪、二位三通电磁阀电连接，二位三通电磁阀为二进一出式电磁阀，通电时空气管线侧端口贯通，背景空气接入气管Ⅰ，断电时呼出气管线侧端口贯通，呼出气接入气管Ⅱ。
为了快速实现加热，本发明的加热管线为加热丝，为了增加加热丝与气管的接触面积，提高加热效果，本发明设置了U型支架，并将U型支架围绕气管Ⅱ设置，在U型支架上均布有螺旋电热丝，电热丝由固定钉固定，在每次气体进入气管后，都会进行清洁，经过三次使用后可以更换气管。
由于聚四氟乙烯材质具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，本发明将气管的材质选用为聚四氟乙烯，为了便于更换气管，本发明将气管通过固定钉固定在气体处理组件一侧的箱体内部。
为了提高对气体的净化效果，本发明的微粒过滤器为内含超细玻璃纤维作滤料的超高效空气过滤器，主要用于捕集0.5um以下的颗粒灰尘及各种悬浮物，净化率可以达到99.9995％。
内膜为nafion膜，外管为聚四氟乙烯和不锈钢双层材料的复合管，nafion膜工作原理为膜吸收的水分基于磺酸基传递到另一侧管壁，具有气态除湿并保持气体组分不流失的优点，除湿的驱动力是膜内外的湿度差，所述真空泵工作时可以确保膜式气体干燥管的内膜和外管之间形成的密闭空间恒为干燥，其与待处理的呼出气形成稳定的湿度差从而达到稳定的除湿效果，避免了常规nafion管需要外接干燥气源的繁琐以及效果不稳定。
真空泵通过支架、固定钉固定气体处理组件侧的在箱体上。
质量流量计、质量流量控制计均为数字式，读数通过显示模块进行显示。
一种人体呼出气处理系统的处理方法，该处理方法包括工作模式和清洁模式，所述工作模式包括以下步骤：
(1)背景空气采集和处理：由PLC控制模块依次启动真空泵、二位三通电磁阀、质量流量计、质量流量控制计和温湿度记录仪，二位三通电磁阀呈通电状态，背景空气由进气口通过气管Ⅰ、气管进入箱体，经过处理后由出气口排出；
(2)呼出气进样和处理：采集空气后，将进气口连接气体采样袋，由PLC控制模块控制切换二位三通电磁阀至断电状态，呼出气由进气口通过气管Ⅱ、气管进入箱体，经过处理后由出气口排出；
在进气过程中，微粒过滤器用来过滤呼出气中颗粒物和小液滴，真空泵用来保持膜式气体干燥管的内膜和外管形成的密闭空间恒为干燥，构造nafion膜内外侧湿度差以除湿；质量流量计、质量流量控制计用来监测、调节进气流量；温湿度记录仪用来显示温湿度数据，温湿度记录仪内部预先设置湿度上限值，在湿度数据超出上限值时给出报警显示；上述温湿度数据、进气流量数据实时在显示模块上显示；气体全部排出后，PLC控制模块控制关闭质量流量计、质量流量控制计、温湿度记录仪和真空泵，结束工作模式；
所述清洁模式包括以下步骤：
(1)由PLC控制模块控制打开加热管线、启动二位三通电磁阀，在出气口外接高纯氮气，通过压入气泵或是减压阀和质量流量控制计将高纯氮气压入气管中，高纯氮气沿着气管快速流向加热管线，由加热管线内部的螺旋电热丝对管壁上附着的挥发性有机化合物进行恒温老化清洁后通过进气口排出，结束清洁模式。
本发明步骤(2)中温湿度记录仪内部预先设置的湿度上限值为10％RH。
与现有技术相比，本发明在气体处理组件一侧的箱体上设置进气口和出气口，进气口设有与背景空气连通的气管Ⅰ、与呼出气连通的气管Ⅱ，气管Ⅰ、气管Ⅱ分别连接二位三通电磁阀的两个进气端口，二位三通电磁阀的出气端口通过气管连通膜式气体干燥管，膜式气体干燥管由内膜、外管构成，且内膜与外管之间形成密闭空间，内膜的一端连通气管，内膜的另一端通过气管连通至出气口，在内膜与二位三通电磁阀连通的气管上设置质量流量计、质量流量控制计，在内膜与出气口连通的气管上设置温湿度记录仪，仅在外管与内膜的连接处开设一通孔用来与真空泵的吸气口密封连接；气管Ⅱ上安装有加热管线微粒过滤器；二位三通电磁阀为二进一出式电磁阀，通电时空气管线侧端口贯通，背景空气接入气管Ⅰ，断电时呼出气管线侧端口贯通，呼出气接入气管Ⅱ；本发明的呼出气处理系统分为工作模式和清洁模式，在工作模式下，气管易于在呼出气和背景空气中切换，实现气体进样、除湿与过滤，利用真空泵基于nafion膜水分子迁移特性构造湿度差来控制湿度，相比于干燥剂等通用手段具有对呼出气VOCs成分影响小、控制湿度灵敏的优点；本发明材料优选聚四氟乙烯，具有吸附性低、本底极低、惰性好、气体交换效应低的优点，尽可能地降低处理系统对呼出气VOCs的影响；此外，使用超细玻璃纤维过滤器具有高效、憎水性高、化学稳定性好、容尘能力强的优点，超细玻璃纤维毡的微米级空隙能够有效拦截、过滤、收集气路中的小液滴和固体颗粒物，为后续的呼出气测定降低干扰因素；在清洁模式下，由PLC控制模块控制打开加热管线，出气口外接高纯氮气，高纯氮气迅速沿着气管反向吹扫管线，至加热管线处由其内部的螺旋电热丝对管壁上附着的挥发性有机化合物进行清洁并通过进气口排出；呼出气中包含有上千种有机挥发组分，为了更快速地对呼出气中的代谢组分或疾病标志物进行分析，可以以背景空气的成分作为基线对照，背景空气和呼出气成分比较类似，只有呼出气中的个人代谢产物是不同之处，本发明设计了能够切换处理背景空气和呼出气且互不干扰的并行气路，为探究人体呼出气成分和疾病的生物标志物提供更多便利，同时保证气路尽可能的精简，从而降低设备对气体中成分的影响；本发明的处理系统湿度调节灵敏，并且在减少对呼出气挥发性有机化合物(VOCs)影响的前提下，过滤掉呼出气中的小液滴和固体颗粒物，同时具备背景空气进样、自清洁等功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为发明PLC控制模块的原理框图；
图3是本发明应用于电子鼻前端时背景空气与呼出气处理的对比图。
图中：1、箱体，2、竖向隔板，3、气体处理组件，4、器件集成面板，5、进气口，6、气管，6.1、气管Ⅰ，6.2、气管Ⅱ，7、加热管线，8、微粒过滤器，9、质量流量计，10、质量流量控制计，11.1、内膜，11.2、外管，12、真空泵，13、支架，14、固定钉，15、温湿度记录仪，16、二位三通电磁阀，17、出气口，18、PLC控制模块，19、控制面板，20、显示模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，一种人体呼出气处理系统，包括箱体1以及将箱体1内部分开设置的竖向隔板2，竖向隔板2的一侧为气体处理组件3，另一侧为器件集成面板4；在气体处理组件3一侧的箱体1上设置进气口5和出气口17，进气口5设有与背景空气连通的气管Ⅰ6.1、与呼出气连通的气管Ⅱ6.2，气管Ⅰ6.1、气管Ⅱ6.2分别连接二位三通电磁阀16的两个进气端口，二位三通电磁阀16的出气端口通过气管6连通膜式气体干燥管，膜式气体干燥管由内膜11.1、外管11.2构成，且内膜11.1与外管11.2之间形成密闭空间，内膜11.1的一端连通气管6，内膜11.1的另一端通过气管6连通至出气口17，在内膜11.1与二位三通电磁阀16连通的气管6上设置质量流量计9、质量流量控制计10，在内膜11.1与出气口17连通的气管6上设置温湿度记录仪15，仅在外管11.2与内膜11.1的连接处开设一通孔用来与真空泵12的吸气口密封连接；气管Ⅱ6.2上安装有加热管线7、微粒过滤器8；
器件集成面板4一侧的箱体上设置PLC控制模块18、控制面板19、显示模块20，PLC控制模块18内集成有监测组件和数据输出组件并与控制面板19建立串口通信，PLC控制模块18分别与真空泵12、温湿度记录仪15、二位三通电磁阀16电连接，二位三通电磁阀16为二进一出式电磁阀，通电时空气管线侧端口贯通，背景空气接入气管Ⅰ6.1，断电时呼出气管线侧端口贯通，呼出气接入气管Ⅱ6.2。
加热管线7由U型支架和螺旋电热丝组成，U型支架围绕气管Ⅱ6.2设置，并在U型支架上均布有螺旋电热丝。
气管6为聚四氟乙烯材质，由固定钉固定在气体处理组件3一侧的箱体内部。
微粒过滤器8为内含超细玻璃纤维作滤料的超高效空气过滤器。
内膜11.1为nafion膜，外管11.2为聚四氟乙烯和不锈钢双层材料的复合管。
真空泵12通过支架13、固定钉14固定气体处理组件3侧的在箱体1上。
质量流量计9、质量流量控制计10均为数字式，读数在显示模块20上显示。
一种人体呼出气处理系统的处理方法，该处理方法包括工作模式和清洁模式，所述工作模式包括以下步骤：
(1)背景空气采集和处理：由PLC控制模块18依次启动真空泵12、二位三通电磁阀16、质量流量计9、质量流量控制计10和温湿度记录仪15，二位三通电磁阀16呈通电状态，背景空气由进气口5通过气管Ⅰ6.1、气管6进入箱体，经过处理后由出气口17排出；
(2)呼出气进样和处理：采集空气后，将进气口5连接气体采样袋，由PLC控制模块18控制切换二位三通电磁阀16至断电状态，呼出气由进气口5通过气管Ⅱ6.2、气管6进入箱体，经过处理后由出气口17排出；
在进气过程中，微粒过滤器8用来过滤呼出气中颗粒物和小液滴，真空泵12用来保持膜式气体干燥管的内膜11.1和外管11.2形成的密闭空间恒为干燥，构造nafion膜内外侧湿度差以除湿；质量流量计9、质量流量控制计10用来监测、调节进气流量；温湿度记录仪15用来显示温湿度数据，温湿度记录仪15内部预先设置湿度上限值，在湿度数据超出上限值时给出报警显示；上述温湿度数据、进气流量数据实时在显示模块20上显示；气体全部排出后，PLC控制模块18控制关闭质量流量计9、质量流量控制计10、温湿度记录仪15和真空泵12，结束工作模式；
所述清洁模式包括以下步骤：
(1)由PLC控制模块18控制打开加热管线7、启动二位三通电磁阀16，在出气口17外接高纯氮气，通过压入气泵或是减压阀和质量流量控制计将高纯氮气压入气管6中，高纯氮气沿着气管6快速流向加热管线7，由加热管线7内部的螺旋电热丝对管壁上附着的挥发性有机化合物进行恒温老化清洁后通过进气口5排出，结束清洁模式。
步骤(2)中温湿度记录仪15内部预先设置的湿度上限值为10％RH。
本发明工作模式的处理时间与气体采样袋的体积大小有关，清洁模式的处理时间与高纯氮气源的压入速度有关，下面给出本发明的实施例。
实施例1
预先使用体积为1L的聚四氟乙烯采样袋采集得人体直接呼出气，出气口17与电子鼻相连以检测气样成分，电子鼻内置流量恒为400sccm的抽气泵为气路提供动力。启动系统，由PLC控制模块18依次启动真空泵12、二位三通电磁阀16、质量流量计9、质量流量控制计10和温湿度记录仪15，二位三通电磁阀16呈通电状态，背景空气由进气口5通过气管Ⅰ6.1进入，质量流量计设置为410sccm，质量流量计读数为410sccm，与质量流量计相符，温湿度记录仪显示26.1℃、5％RH且稳定，背景空气气样经过处理后由出气口17流入电子鼻；2min后将进气口5连接气体采样袋，由PLC控制模块18控制切换二位三通电磁阀16至断电状态，呼出气由进气口5通过气管Ⅱ6.2进入，质量流量计设置为410sccm，质量流量计读数为411sccm，与质量流量计相符，温湿度记录仪显示26.1℃、5％RH且稳定，经过处理后由出气口17流入电子鼻；背景空气和呼出气依次进入电子鼻，监测得的气体成分分析图谱对比图如图3所示。
关闭工作模式，PLC控制模块18控制关闭质量流量计9、质量流量控制计10、真空泵12、温湿度记录仪15和二位三通电磁阀16，开启清洁模式后，PLC控制模块18控制打开加热管线7，在出气口17接入高纯氮气气瓶，通过减压阀和质量流量控制计将氮气通入气管6中，质量流量控制计流量设为4L/min，清洁时间为1min，加热管线7内部的螺旋电热丝对管壁和滤膜上附着的挥发性有机化合物进行清洁，最终气流通过进气口5排出。

Claims (8)

1.一种人体呼出气处理系统的处理方法，包括箱体（1）以及将箱体（1）内部分开设置的竖向隔板（2），竖向隔板（2）的一侧为气体处理组件（3），另一侧为器件集成面板（4）；器件集成面板（4）一侧的箱体上设置PLC控制模块（18）、控制面板（19）、显示模块（20），PLC控制模块（18）内集成有监测组件和数据输出组件并与控制面板（19）建立串口通信；其特征在于，在气体处理组件（3）一侧的箱体（1）上设置进气口（5）和出气口（17），进气口（5）设有与背景空气连通的气管Ⅰ（6.1）、与呼出气连通的气管Ⅱ（6.2），气管Ⅰ（6.1）、气管Ⅱ（6.2）分别连接二位三通电磁阀（16）的两个进气端口，二位三通电磁阀（16）的出气端口通过气管（6）连通膜式气体干燥管，膜式气体干燥管由内膜（11.1）、外管（11.2）构成，且内膜（11.1）与外管（11.2）之间形成密闭空间，内膜（11.1）的一端连通气管（6），内膜（11.1）的另一端通过气管（6）连通至出气口（17），在内膜（11.1）与二位三通电磁阀（16）连通的气管（6）上设置质量流量计（9）、质量流量控制计（10），在内膜（11.1）与出气口（17）连通的气管（6）上设置温湿度记录仪（15），仅在外管（11.2）与内膜（11.1）的连接处开设一通孔用来与真空泵（12）的吸气口密封连接；气管Ⅱ（6.2）上安装有加热管线（7）、微粒过滤器（8）；
PLC控制模块（18）分别与真空泵（12）、温湿度记录仪（15）、二位三通电磁阀（16）电连接，二位三通电磁阀（16）为二进一出式电磁阀，通电时空气管线侧端口贯通，背景空气接入气管Ⅰ（6.1），断电时呼出气管线侧端口贯通，呼出气接入气管Ⅱ（6.2）；
该处理系统的处理方法包括工作模式和清洁模式，所述工作模式包括以下步骤：
（1）背景空气采集和处理：由PLC控制模块（18）依次启动真空泵（12）、二位三通电磁阀（16）、质量流量计（9）、质量流量控制计（10）和温湿度记录仪（15），二位三通电磁阀（16）呈通电状态，背景空气由进气口（5）通过气管Ⅰ（6.1）、气管（6）进入箱体，经过处理后由出气口（17）排出；
（2）呼出气进样和处理：采集空气后，将进气口（5）连接气体采样袋，由PLC控制模块（18）控制切换二位三通电磁阀(16)至断电状态，呼出气由进气口（5）通过气管Ⅱ（6.2）、气管（6）进入箱体，经过处理后由出气口（17）排出；
在进气过程中，微粒过滤器（8）用来过滤呼出气中颗粒物和小液滴，真空泵（12）用来保持膜式气体干燥管的内膜（11.1）和外管（11.2）形成的密闭空间恒为干燥，构造nafion膜内外侧湿度差以除湿；质量流量计（9）、质量流量控制计（10）用来监测、调节进气流量；温湿度记录仪（15）用来显示温湿度数据，温湿度记录仪（15）内部预先设置湿度上限值，在湿度数据超出上限值时给出报警显示；上述温湿度数据、进气流量数据实时在显示模块（20）上显示；气体全部排出后，PLC控制模块（18）控制关闭质量流量计（9）、质量流量控制计（10）、温湿度记录仪（15）和真空泵（12），结束工作模式；
所述清洁模式包括以下步骤：
（1）由PLC控制模块（18）控制打开加热管线（7）、启动二位三通电磁阀（16），在出气口（17）外接高纯氮气，通过压入气泵或是减压阀和质量流量控制计将高纯氮气压入气管（6）中，高纯氮气沿着气管（6）快速流向加热管线（7），由加热管线（7）内部的螺旋电热丝对管壁上附着的挥发性有机化合物进行恒温老化清洁后通过进气口（5）排出，结束清洁模式。
2.根据权利要求1所述的一种人体呼出气处理系统的处理方法，其特征在于，加热管线（7）由U型支架和螺旋电热丝组成，U型支架围绕气管Ⅱ（6.2）设置，并在U型支架上均布有螺旋电热丝。
3.根据权利要求1或2所述的一种人体呼出气处理系统的处理方法，其特征在于，气管（6）为聚四氟乙烯材质，由固定钉固定在气体处理组件（3）一侧的箱体内部。
4.根据权利要求1或2所述的一种人体呼出气处理系统的处理方法，其特征在于，微粒过滤器（8）为内含超细玻璃纤维作滤料的超高效空气过滤器。
5.根据权利要求1或2所述的一种人体呼出气处理系统的处理方法，其特征在于，内膜（11.1）为nafion膜，外管（11.2）为聚四氟乙烯和不锈钢双层材料的复合管。
6.根据权利要求1或2所述的一种人体呼出气处理系统的处理方法，其特征在于，真空泵（12）通过支架（13）、固定钉（14）固定气体处理组件（3）侧的在箱体（1）上。
7.根据权利要求1或2所述的一种人体呼出气处理系统的处理方法，其特征在于，质量流量计（9）、质量流量控制计（10）均为数字式，读数在显示模块（20）上显示。
8.根据权利要求1所述的一种人体呼出气处理系统的处理方法，其特征在于，步骤（2）中温湿度记录仪（15）内部预先设置的湿度上限值为10%RH。
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