CN113167769B - 具有过载检测的气体分析采样 - Google Patents

Abstract

一种气体采样设备，其适合于例如利用来自在气体入口(G_I)处接收的气体样本(G_S)中的挥发性有机化合物(VOC)来对来自吸管(T)中对来自对象的呼气进行采样。气体回路(GC)提供从所述气体入口(G_I)到连接吸附管(T)的端口(P)的流动路径，从而将气体样本(G_S)加载到吸附管(T)。所述流动路径中的VOC检测器(DT1)用于在采样过程中检测VOC浓度。控制模块(CM)基于来自VOC检测器(DT1)的输出连续计算VOC累积和的量度，并且然后将该量度与预定阈值(TH)进行比较。当所述量度超过阈值(TH)时，所述控制模块(CM)生成输出(O)，然后优选地相应地停止采样过程，响应于所述输出(O)而例如通过控制流动路径中的泵或阀来停止气体流入。这样的设备可以消除吸附管过载的问题，从而导致需要重新进行无效的气体测量。因此，所述设备可以节省时间、成本和风险。

Description

具有过载检测的气体分析采样

技术领域

本发明总体涉及气体的采样和分析，例如气体的医学采样和分析，例如从人呼气或基于来自皮肤、尿液、粪便或其他体液的样本的气体。具体地，本发明涉及一种适于在不使吸附管过载的情况下对吸附管中的气体进行采样的方法和设备。

背景技术

在健康和疾病中呼气分析是一个日益引起临床关注的领域。使用呼吸作为生物样本很有吸引力，因为呼吸收集廉价、易于执行并且无创。挥发性有机化合物(VOC)从皮肤、尿液、粪便中排出，并且最值得一提的是通过呼气排出。除肺源性外，VOC也源于血液，反映了整个身体中任何与生理、病理或病原体相关的生化过程。这样，呼气分析可以允许对身体内的任何地方的疾病过程进行新陈代谢指纹识别。

通常，在临床环境中，固定的预定呼吸体积流过吸附管，以避免吸附管超载并因此破坏样本的问题。即使利用这种实践，吸附管的超载仍然是一个问题，由于大量超载干扰了VOC的定量捕获，因此使大量的呼吸样本无法用于进一步的分析。失败的测量需要重做，即采样和分析(例如，利用气相色谱-质谱系统)，从而导致时间延迟、额外的负担和成本、以及增加的风险。有时甚至可能无法重做测量，并且因此导致样本的致命丢失。

发明内容

沿循以上内容，本发明的发明人已经意识到，用于在吸附管中进行气体采样的改进的设备和方法是有利的。具体地，这样的方法和设备优选地解决了在采样过程中吸附管过载的上述问题。

在第一方面中，本发明提供了一种气体采样装置，所述气体采样设备被布置为在采样过程中用来自例如人的呼吸的气体样本的挥发性有机化合物(VOC)加载到相关的吸附管，所述气体采样设备包括：

气体入口，其被布置为接收气体样本，

端口，其被布置为接收相关联的吸附管，

气体回路，其被连接到所述气体入口并且被布置为提供用于将气体样本引导至所述端口的流动路径，从而允许所述气体样本加载到相关联的吸附管，

至少一个VOC检测器，其被布置为感测端口上游或下游的流动路径中的气体，所述VOC检测器被布置为根据感测到的VOC化合物浓度来生成输出信号，以及

控制模块，其被连接到所述至少一个VOC检测器，并且被布置为响应于来自所述检测器的所述输出信号来计算指示VOC的累积和的量度，并且将所述量度与预定阈值进行比较，并且其中，所述控制模块被布置为在所述量度超过所述预定阈值的情况下生成输出。

这样的气体采样设备是有利的，因为发明人已经意识到使用相当简单的VOC检测器，可以在采样过程中监视施加到吸附管上的VOC的量。当通过阈值确定已达到的针对采样过程的预定VOC累积总和时，控制模块将生成输出以指示采样过程应停止。因此，可以避免吸附管过载的问题。来自所述控制模块的输出可用于向用户生成信号，以用手动方式停止采样过程。替代地或额外地，来自控制模块的输出可以控制流动路径中的阀，和/或控制用于迫使气体样本通过吸附管的泵。因此，可以以简单的方式提供采样过程的自动停止，例如关闭阀和/或停止泵，从而避免吸附管过载。

所述阈值可以是可调节的或可选择的，以便允许所述设备适合于具有不同VOC容量的不同类型的吸附管。所述阈值可以由用户手动输入，或者其可以由设备借助于用于读取吸附管上的代码类型码(例如条形码，QR码等)的条形码读取器自动输入，以及例如基于所存储的值列表来相应地选择阈值。

由于必需的VOC检测器是低成本元件，因此本发明适用于低成本气体采样设备，例如手持式呼吸采样设备。

本发明基于这样的见解：代替基于预定的气体体积来控制气体采样过程，可以检测施加到吸附管的总VOC，并且因此当己经达到吸附管的VOC容量时停止气体采样过程。

在下文中，将描述第一方面的优选实施例或特征。

气体采样设备可以包括VOC检测器，所述VOC检测器被布置在端口上游和/或下游的流动路径中。特别地，可能优选在端口的上游具有第一VOC检测器而在端口下游具有第二VOC检测器。如本领域技术人员所知，上游检测器最优选地是非破坏性的，优选地以导热率检测器的形式。下游检测器不必是非破坏性的，并且优选地是非选择性VOC检测器。用于下游检测器的示例包括：如技术人员已知的，化学试剂检测器(例如，金属氧化物，MOX)检测器，光电离检测器(PID)，石英晶体微量天平(QCM)检测器或微悬臂检测器。

在优选的实施例中，气体采样设备包括例如由电动机驱动的可控泵，并且被布置在流动路径中以生成流以迫使气体样本从气体入口到端口。优选地，泵被布置在端口的下游，以避免来自泵的颗粒进入吸附管。优选地，所述可控泵被布置为响应于来自所述控制模块的输出而停止以生成所述流量，从而停止相关联的吸附管的加载。因此，提供了气体采样过程的自动停止以避免吸附管的过载。

在另一个实施例中，所述气体采样设备在流动路径中包括可控阀，以响应于来自所述控制模块的输出来停止向所述端口的气体流动，从而停止对相关联的吸附管的加载。这是提供自动停止气体采样过程的一种替代方法。

在所述量度超过所述预定阈值的情况下，所述控制模块可以被布置为生成输出以向用户指示相关联的吸附管已被加载。例如，这种输出可以是视觉和/或听觉输出的形式，例如使用显示器、LED指示器和/或扬声器。然后，用户可以手动停止气体采样过程。

所述控制模块可以被布置为在多个不同的阈值之间进行选择，从而允许所述设备适应具有不同的VOC容量的不同类型的吸附管。特别地，所述气体采样设备可以包括被布置为读取相关联的吸附管的代码的代码读取器，并且其中，所述控制模块被布置为从所述代码读取器接收指示代码的输出，并相应地选择所述阈值。这可以允许自动适应于安装在设备端口中的给定吸附管的VOC加载容量。替代地或额外地，用户输入设备，例如触摸屏或旋钮或按钮，可用于接收来自用户的指示相关吸附管类型的输入，并且其中，所述控制模块被布置为根据来自所述用户的所述输入来选择所述阈值。这允许用户手动输入实际的吸附管类型，并且然后气体采样设备可以相应地调整其气体采样停止准则，例如基于所存储的针对不同类型的吸附管的阈值。

气体采样设备可包括布置在流动路径中的流量计，以测量通过端口的气体的量并相应地生成输出。然后，控制模块被布置为接收来自流量计的输出，并且计算指示在采样过程期间已经通过端口的气体的总体积的值，并且将所述值存储在数据库中。在现有方法中，所述体积通常是相同的，但是根据本发明的气体采样过程停止准则是基于VOC量而不是气体体积来确定的，因此给定气体采样过程中的实际气体体积可能会对于以后的分析是感兴趣的，尤其是为了能够计算出正确的浓度。

应当理解的是，提供流动路径的气体回路优选地具有诸如本领域技术人员已知的特性的管道等。

所述控制模块优选地包括处理器，所述处理器被编程为执行气体采样过程算法，所述气体采样过程算法包括在气体采样过程期间监视来自一个或多个VOC检测器的输出，并且连续地或至少定期地计算VOC的累积和的更新值，以便监测何时超过阈值。

在第二方面中，本发明提供了一种包括根据第一方面的气体采样设备的手持式呼吸采样设备，其中，气体入口被布置用于接收呼气。气体入口可以是布置在手持式设备的壳体的外部上的嘴件的形式，以允许对象、人或动物直接呼吸到嘴件中并由此提供要被采样的气体样本。可以使用其他管配件进行连接，以从与对象连接的机械呼吸机(重症监护室或OR)接收呼吸的空气。更进一步地，所述气体入口可以被布置用于安装具有要被分析的气体样本的气囊。

在第三方面中，本发明是一种在采样过程中对吸附管中的气体进行采样的方法，所述方法包括：

在气体入口接收气体样本，

引导来自所述气体入口的气体样本以加载吸附管，

在采样过程中使用检测器检测挥发性有机化合物的浓度，

监测在取样过程中响应于检测到的挥发性有机化合物浓度而指示挥发性有机化合物累积总数的量度，

将所述量度与预定阈值进行比较，并且

在所述量度超过所述预定阈值的情况下停止所述采样过程。

特别地，监测、比较和停止的步骤可以由包括相应编程的处理器的控制模块自动执行。

通常，应当理解，在本发明的范围内，可以以任何可能的方式来组合和耦合本发明的各个方面。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面、特征和优势将变得显而易见并将得以阐述。

附图说明

仅以范例的方式参考附图描述本发明的实施例，其中，

图1图示了指示吸附管过载的问题的曲线图，

图2以示意性形式图示了气体采样设备的实施例，

图3图示了呼吸采样设备的实施例，并且

图4图示了方法实施例的步骤。

具体实施方式

通常通过使预定的气体体积流过吸附管来填充吸附管。如果体积太低，则捕获到少量的VOC，降低了测量的灵敏度。另一方面，如果体积太大，则吸附管过载，大量的挥发性有机化合物会显著改变其他挥发性有机化合物的捕获。对后续色谱分析的干扰可能非常严重，以致于无法定量确定VOC的浓度，从而导致需要重做的失败的测量。

图1图示了两个曲线图，其示出了来自具有用于加载到吸附管的气体采样的临床试验的示例。这两个曲线图示出了计数与时间的关系，即色谱图。上方的曲线图指示来自机械通气ICU患者的良好捕获的呼吸样本。来自另一名机械通气ICU患者的底部色谱图由于乙醇的大量存在而严重变形。当然，在保留时间很短的情况下，其他VOC的量无法定量确定，使得该样本无法用于进一步分析。通过使用VOC检测器提供气体采样过程停止准则的本发明可以解决该问题。

图2图示了气体采样设备实施例的元件的框图，所述气体采样设备实施例被布置为在采样过程中用来自气体样本G_S的VOC加载吸附管T。所述设备具有气体入口G_I，以接收气体样本G_S，以进入气体管路GC。端口P被布置为例如通过使用者手动进入管T来接收吸附管T。气体管路GC连接气体入口G_I，并提供将气体样本G_S引导到端口P的流动路径，从而允许气体样本G_S加载到相关联的吸附管T。VOC检测器DT1，这里被示出在端口P的上游并且因此在管T的上游，被布置为感测流动路径中的气体，并且VOC检测器DT1根据感测到的VOC浓度来生成输出信号VC。

包括处理器的控制模块CM被连接到VOC检测器DT1，并且从检测器DT1接收输出信号VC，并且作为响应计算指示VOC的累积和的量度。因此，确定并优选地连续监测在采样过程期间己经通过检测器DT1的VOC的总和，并将其与为针对实际吸附管T设置的预定阈值TH进行比较。然后，控制模块CM在测得的VOC累计测量值超过阈值TH的情况下生成输出O。因此，通过适当地选择阈值TH，可以确保控制模块CM生成输出O，例如到其他元件(例如阀或泵或光或声音发生器)的电输出，以确保气体采样过程在吸附管T加载时但在过载之前停止。这可以完全自动完成，或者借助于通过向然后可以手动停止气体采样过程的用户发信号来完成。

图3图示了呼吸采样设备实施例的示意性概图，其中气体回路GC提供了将气体入口G_I与安装在端口P中的吸附管T连接的流动路径。人向气体入口G_I(例如嘴件)中呼气，然后呼吸进入腔体CV。腔体CV可以是在医院环境中将ICU患者连接到机械呼吸机的软管，并且然后使用一小股侧流来对呼吸进行采样。否则，腔体CV将是采样袋，例如Tedlar bar，在此，人呼出到袋内，然后将呼吸从该袋中采样到吸附管T上(在该人完成呼出气的袋装满后)。此外，腔体CV可以是人呼气到的口鼻罩。更进一步，腔体CV可以是长管，其中通过从该管采样来填充吸附管。

从腔体CV，吸附管T由生成通过吸附管T的气流可控泵PMP加载。所述泵PMP由控制模块CM控制，即至少停止，例如也被启动，并且泵PMP可以提供通过吸附管T的固定流量。泵可以由质量流量控制器控制，所述流量控制器将气体的流量调整到预定值。最好将泵放置在吸附管T的下游，使得源自患者的VOC不能被捕获在泵材料中，并且从泵PMP出来的VOC不被吸附在吸附管T中。

上游VOC检测器DT1和下游VOC检测器DT2被连接到控制模块CM，控制模块CM接收指示瞬时VOC浓度的它们各自的输出VC1、VC2。然后，控制模块相应地计算VOC的累积和，并将其与预定阈值进行比较。当超过或至少达到阈值时，控制模块将生成输出O，以使泵PMP停止，并且从而停止采样过程。

最优选地，上游VOC检测器DT1是热导率检测器，而下游VOC检测器DT2可以例如是：化学电阻(例如金属氧化物，MOX)检测器，光电离检测器(PID)，石英微天平(QCM)检测器或微悬臂检测器。

流量计FM被布置为连续地测量气体流量并相应地产生输出V，并且控制模块CM接收该输出V并作为响应在气体采样过程期间计算气体的总体积TV。然后将这个TV值存储在数据库DB中，以便以后在加载的吸附管T的VOC成分分析期间使用。

如图4图示了在采样过程中用于对吸附管中的气体进行采样的方法的实施例的步骤。该方法包括在气体入口处向R_GS接收气体样本，例如呼气。然后将气体样本从气体入口引导G_GS，以通过管或管路加载到吸附管，并且吸附管优选通过端口连接到管或管路，以允许移除吸附管以进一步分析VOC成分。在采样过程期间，用吸附管上游或下游的检测器D_VCC检测VOC浓度。在采样过程期间，响应于检测到的VOC浓度，将M_CVC监视指示VOC累积和的度量。例如，这可以通过相加或积分从VOC检测器接收的VOC浓度值来执行，其中，采样过程开始时，已经重置了VOC的累积和。连续地或至少以较小的时间间隔，重复将表示VOC的累积和的所述量度与预定阈值进行比较C_TH的过程。如果观察到所述量度超过预定阈值，或者已经基于所述量度与阈值之间的关系建立了用于停止的等效规则，则停止采样过程ST_SP。该方法可以包括响应于关于吸附管的信息，特别是其VOC容量而选择阈值的初始步骤，以确保采样过程继续直到吸附管被完全加载但没有过载为止。用户，例如医务人员，可以手动输入吸附管的类型或数量或VOC容量，或者可以通过代码读取器等自动读取吸附管的类型，并且然后可以相应地自动选择阈值。

综上所述，本发明提供了一种气体采样设备，所述气体采样设备适用于例如利用来自气体入口处接收的气体样本中的VOC来对吸附管中的对象的呼气进行采样。气体回路提供从所述气体入口到连接吸附管的端口流动路径，从而将气体样本加载到吸附管。所述流动路径中的VOC检测器用于在采样过程中检测VOC浓度。控制模块基于来自VOC检测器的输出连续计算VOC累积和的量度，并且然后将该量度与预定阈值进行比较。当所述量度超过阈值时，所述控制模块生成输出，然后优选地相应地停止采样过程，响应于所述输出而例如通过控制流动路径中的泵或阀来停止气体流入。这样的设备可以消除吸附管过载的问题，从而导致需要重新进行无效的气体测量。因此，所述设备可以节省时间、成本和风险。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求书中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。可以将计算机程序存储/分布在与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的部分提供的诸如光存储介质或者固态介质的合适介质上，但是还可以以诸如经因特网或者其它有线或无线电信系统的其它形式分布。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种气体采样设备，其被布置为在采样过程中利用来自气体样本(G_S)的挥发性有机化合物来加载相关联的吸附管(T)，所述气体采样设备包括：

气体入口(G_I)，其被布置为接收所述气体样本(G_S)，

端口(P)，其被布置为接收所述相关联的吸附管(T)，

气体管路(GC)，其被连接到所述气体入口(G_I)，并且被布置为提供将所述气体样本(G_S)引导至所述端口(P)的流动路径，从而允许所述气体样本(G_S)加载到所述相关联的吸附管(T)，

至少一个挥发性有机化合物检测器(DT1)，其被布置为感测所述端口(P)的上游或下游的所述流动路径中的气体，所述检测器(DT1)被布置为根据感测到的挥发性有机化合物的浓度来生成输出信号(VC)，以及

控制模块(CM)，其被连接到所述至少一个挥发性有机化合物检测器(DT1)，并且被布置为响应于来自所述检测器(DT1)的所述输出信号(VC)而计算指示挥发性有机化合物的累积和的量度，并且将所述量度与预定阈值(TH)进行比较，并且其中，所述控制模块(CM)被布置为在所述量度超过所述预定阈值(TH)的情况下生成指示停止所述采样过程的输出(O)，以避免所述相关联的吸附管过载。

2.根据权利要求1所述的气体采样设备，包括布置在所述端口(P)上游的所述流动路径中的挥发性有机化合物检测器(DT1)。

3.根据权利要求1所述的气体采样设备，包括布置在所述端口(P)下游的所述流动路径中的挥发性有机化合物检测器(DT2)。

4.根据权利要求1所述的气体采样设备，包括布置在所述端口(P)上游的所述流动路径中的第一挥发性有机化合物检测器(DT1)，以及布置在所述端口(P)下游的所述流动路径中的第二挥发性有机化合物检测器(DT2)。

5.根据权利要求1所述的气体采样设备，包括：可控泵(PMP)，其被布置在所述流动路径中，并且被布置为生成流以迫使所述气体样本(G_S)从所述气体入口(G_I)流向所述端口(P)。

6.根据权利要求5所述的气体采样设备，其中，所述可控泵(PMP)被布置为响应于来自所述控制模块(CM)的所述输出(O)而停止生成所述流，从而停止对所述相关联的吸附管(T)的加载。

7.根据权利要求1所述的气体采样设备，包括所述流动路径中的可控阀，以响应于来自所述控制模块(CM)的所述输出(O)而停止向所述端口(P)的气体的流动，从而停止对所述相关联的吸附管(T)的加载。

8.根据权利要求1所述的气体采样设备，其中，在所述量度超过所述预定阈值(TH)的情况下，所述控制模块(CM)被布置为生成输出(O)以向用户指示所述相关联的吸附管(T)已被完全加载。

9.根据权利要求1所述的气体采样设备，其中，所述控制模块(CM)被布置为在多个不同的预定阈值(TH)之间进行选择。

10.根据权利要求9所述的气体采样设备，包括：代码读取器，其被布置为读取所述相关联的吸附管(T)的代码，并且其中，所述控制模块(CM)被布置为从所述代码读取器接收指示所述代码的输出，并且被布置为相应地选择所述预定阈值(TH)。

11.根据权利要求9所述的气体采样设备，包括用户输入设备，所述用户输入设备被布置为从用户接收指示所述相关联的吸附管(T)的类型的输入，并且其中，所述控制模块(CM)被布置为根据来自所述用户的所述输入来选择所述预定阈值(TH)。

12.根据权利要求1所述的气体采样设备，包括流量计(FM)，所述流量计被布置在所述流动路径中，以测量通过所述端口(P)的气体的体积，并且相应地生成输出(V)。

13.根据权利要求12所述的气体采样设备，其中，所述控制模块(CM)被布置为接收来自所述流量计(FM)的所述输出(V)，并且计算指示在所述采样过程期间已经通过所述端口(P)的气体的总体积(TV)的值，并且将所述值存储在数据库(DB)中。

14.一种手持式呼吸采样设备，其包括根据权利要求1所述的气体采样设备，其中，所述气体入口(G_I)被布置为接收呼气。

15.一种在采样过程中对吸附管中的气体进行采样的方法，所述方法包括：

在气体入口处接收(R_GS)气体样本，

引导(G_GS)来自所述气体入口的所述气体样本以加载到所述吸附管，

在所述采样过程中利用检测器来检测(D_VCC)挥发性有机化合物浓度，

监测(M_CVC)在所述采样过程中响应于检测到的挥发性有机化合物浓度而指示挥发性有机化合物的累积和的量度，

将所述量度与预定阈值进行比较(C_TH)，并且

在所述量度超过所述预定阈值的情况下停止(ST_SP)所述采样过程，以避免所述吸附管过载。