CN113686790A - 一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统及方法，包括：净化装置，用于对获取的被测呼出气体进行除杂处理；分析装置，用于利用高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器对除杂后的被测呼出气体进行平行检测，根据平行检测的两种检测结果得到肺癌筛查结果；其中，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图，根据标准特征光谱图和VOCs气体对应的特征光谱图确定VOCs气体的浓度和组分种类；基于石墨烯传感器中石墨烯电导率的变化得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体的浓度与组分种类。适用于更加广泛与方便的肺癌早期筛查与风险评估。

Description

一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统及方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
由于肺癌早期症状不明显，导致肺癌患者往往有明显症状后一经确诊便是中晚期，故肺癌早期的筛查尤为重要。目前常规胸部X射线不易发现肺部小结节病变，漏诊率高；胸部CT剂量较高，辐射可能会对人体产生不良影响，不适用于早期及普遍性筛查；通过抽血化验方法可靠性低，不适用于肺癌的筛查；而基因检测所对应的特异性肺癌发病率较低，不具有普遍性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统及方法，基于肺癌和非肺癌呼出气体中挥发性有机物VOCs的组分种类与含量的差异，通过高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器平行检测被测会出气体中的VOCs，其检测结果更加精确，适用于更加广泛与方便的肺癌早期筛查与风险评估。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，包括：
净化装置，用于对获取的被测呼出气体进行除杂处理；
分析装置，用于利用高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器对除杂后的被测呼出气体进行平行检测，根据平行检测的两种检测结果得到肺癌筛查结果；
其中，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图，根据标准特征光谱图和VOCs气体对应的特征光谱图确定VOCs气体的浓度和组分种类；
基于石墨烯传感器中石墨烯电导率的变化得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体的浓度与组分种类。
作为可选择的实施方式，所述呼出气体检测系统还包括佩戴装置，用于获取被测呼出气体，包括呼气吹嘴、连接头与进气口，呼气吹嘴通过连接头连接在进气口上。
作为可选择的实施方式，所述进气口为单向进气口，由三个相同圆心角的薄片组成。
作为可选择的实施方式，所述净化装置包括多层过滤网，在过滤网中填充用于过滤气体的过滤物。
作为可选择的实施方式，所述过滤物包括铁粉、无水氯化钙、氢氧化钠固体。
作为可选择的实施方式，所述净化装置包括进气阀与气泵，进气阀与气泵连接后用于充入惰性气体，以平衡被测呼出气体除杂后降低的压强。
作为可选择的实施方式，所述分析装置包括可旋转的搅动扇，搅动扇用于均匀混合气体。
作为可选择的实施方式，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图的过程包括，将干涉光通过除杂后的被测呼出气体，得到VOCs气体中各组分对应的干涉信号，根据干涉信号得到VOCs气体中各组分对应的特征光谱图。
作为可选择的实施方式，所述呼出气体检测系统还包括排气装置，排气装置与分析装置通过排气管道相连接，排气管道上设自由开合的排气阀门，排气管道外接排气泵。
第二方面，本发明提供一种用于肺癌筛查的呼出气体检测方法，包括：
对获取的被测呼出气体进行除杂处理；
利用高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器对除杂后的被测呼出气体进行平行检测，根据平行检测的两种检测结果得到肺癌筛查结果；
其中，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图，根据标准特征光谱图和VOCs气体对应的特征光谱图确定VOCs气体的浓度和组分种类；
基于石墨烯传感器中石墨烯电导率的变化得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体的浓度与组分种类。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
与现有肺癌筛查系统相比，本发明基于肺癌和非肺癌呼出气体中挥发性有机物VOCs的组分种类与含量的差异提出用于肺癌早期筛查的呼出气体检测系统，通过高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器的平行检测方法检测呼出气体中VOCs气体的含量与组分，以此特异性地筛查早期肺癌，速度更快，结果更加精确。
本发明的系统在使用过程中不会产生电离辐射或创伤，对检测人员以及受试者均安全无害，避免了有创检查容易造成感染的风险，适用人群更加广泛，适用于更加广泛与方便的肺癌早期筛查与风险评估。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的用于肺癌筛查的呼出气体检测系统示意图；
图2为本发明实施例1提供的单向进气口截面图；
图3为本发明实施例2提供的用于肺癌筛查的呼出气体检测方法示意图；
其中，1、呼气吹嘴；2、连接头；3、进气口；4、第一连接管道；5、过滤网；6、气泵；7、进气阀；8、第二连接管道；9、搅动扇；10、高光谱成像光谱仪；11、连接阀门；12、石墨烯传感器；13、石墨烯电阻数据处理器；14、第三连接线路；15、显示屏；16、排气阀门；17、排气管道；18、排气泵。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，包括：
净化装置，用于对获取的被测呼出气体进行除杂处理；
分析装置，用于利用高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器对除杂后的被测呼出气体进行平行检测，根据平行检测的两种检测结果得到肺癌筛查结果；
其中，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图，根据标准特征光谱图和VOCs气体对应的特征光谱图确定VOCs气体的浓度和组分种类；
基于石墨烯传感器中石墨烯电导率的变化得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体的浓度与组分种类。
在本实施例中，该系统还包括佩戴装置，用于对受试者呼出气体的收集，且能够防止外界气体的进入；包括呼气吹嘴1、连接头2与进气口3，呼气吹嘴1通过连接头2连接在进气口3上；
优选地，考虑到设备的消毒问题，呼气吹嘴1采用一次性呼气吹嘴，便于更换与消毒，减少二次污染，并降低呼吸系统疾病的传染风险。
优选地，连接头2与呼气吹嘴1紧密连接，将在连接头2上涂抹不易挥发的有机物，用于隔绝外界环境，避免内部呼出气体外泄所造成的检测结果不准确的问题。
优选地，进气口3为单向进气口，单向进气口为连接头2下端与第一连接管道4相连接的三个薄片；
优选地，薄片采用扇形弹性橡胶薄片；
优选地，三个薄片的圆心角均为120°，如图2所示，此时进气口3的三个薄片可以相互支撑，且有气流从外部进入时便于打开，以使气流完整有效的进入系统；外界气流停止时，三个弹性薄片由于弹力重新闭合，达到单向进气的作用。
优选地，佩戴装置与分析装置之间通过密闭的第一连接管道4相连接。
在本实施例中，净化装置用于对呼出气体的除杂和净化，便于VOCs信息的采集与分析；
净化装置包括多层过滤网5，用于对呼出气体中与检测无关的气体进行过滤；
优选地，在过滤网5中填充铁粉、无水氯化钙、氢氧化钠固体等过滤物进行过滤；
优选地，呼出气体中无检测价值的气体包括水蒸气、二氧化碳、氧气等。
在本实施例中，净化装置还包括进气阀7与外接的气泵6，进气阀7与气泵6连接后用于充入惰性气体，以平衡净化除去无机气体时减少的压强，防止因为压强不平衡造成吹气后外界气体的进入。
优选地，进气阀7与气泵6密闭性良好，且可开合。
优选地，惰性气体包括氮气。
优选地，净化装置与分析装置之间通过密闭的第二连接管道8相连接。
在本实施例中，分析装置包括相互平行的两种VOCs检测方法，具体为傅里叶变换红外光谱法以及石墨烯传感器分析法；傅里叶变换红外光谱法为通过高光谱成像光谱仪，利用光谱图进行VOCs信号的第一次检测，石墨烯传感器分析法为通过石墨烯传感器12与石墨烯电阻数据处理器13进行VOCs信号的第二次检测。
在本实施例中，分析装置包括可旋转的小型的搅动扇9，搅动扇9用于使气体在密闭腔室内混合均匀，防止由于气体进入的先后顺序及混合不均匀造成的传感器不能接收到有效信号的问题；
同时，搅动扇9通过旋转引起密闭腔室内气流的运动，便于得到稳定气流，稳定气流可进入高光谱成像光谱仪进行平行检测。
优选地，在密闭腔室侧面设有出口，出口上设有连接阀门11，连接阀门11可以自由开合；
优选地，连接阀门11的一侧连接高光谱成像光谱仪10的进气口，高光谱成像光谱仪通过检测密闭腔室内进入的气体来确定VOCs的种类及含量。
高光谱成像光谱仪的工作原理为：光源发出平行光束进入干涉系统，经过干涉仪调整后形成的干涉光通过检测样品，并获得含有光谱信息的干涉信号，将干涉信号传输至检测器，将干涉信号转换为电信号，再将电信号传入电脑或主控板后计算得到光谱图；
当检测样品为气体时，光束经过气体中VOCs的各组分时，由于分子不同官能团的特性而得到不同的干涉信号，通过处理干涉信号即可得到具有VOCs各组分对应分子的特征光谱图，通过标准光谱图与特征光谱图的比对即可得知待测气体中VOCs各组分气体的浓度与含量，从而得到光谱图，以进行肺癌风险评估及预测。
在本实施例中，石墨烯传感器分析法中，石墨烯传感器12的特点在于其二维层状多孔结构以及其所对应的相当大的比表面积，这些特点让其具有极强的吸附能力，可以吸附相当小的气体分子，而且石墨烯的电导率会随着吸附气体分子的数量以及大小有相对应的改变，通过测量其电导率的改变能够得知气体分子的浓度与组分，基于石墨烯的气体传感器即石墨烯传感器，将石墨烯作为气敏材料，并在其两端引出电极，接入检测电路即得到石墨烯传感器；
石墨烯电阻数据处理器13包括检测电路和数据处理装置，通过将石墨烯电导率的变化所得到的数据转换为对应检测气体中特定VOCs的浓度与组分，并将其传输到显示屏上15。
优选地，分析装置中的石墨烯电阻数据处理器13与显示装置通过第三连接线路相连接。
在本实施例中，该系统还包括显示装置，显示装置包括两部分，一部分为通过高光谱成像光谱仪得到的光谱图，另一部分为石墨烯电阻数据处理器得到的并呈现在显示屏上的数据，两部分数据相互平行，相互印证，提高检测精确性。
显示装置的主体部分为显示屏15，显示屏15通过与分析装置的有线连接感知其信号，并显示最终数据、检测报告以及用于对比的标准数据和受试者基础信息等，从而给出检测与风险评估的最终结果。
在本实施例中，该系统还包括排气装置，排气装置与分析装置的密闭腔室通过排气管道17相连接，排气管道17上设可自由开合的排气阀门16，排气管道17外连接排气泵18，可以快速排出整个系统内的剩余气体，且不影响下一次检测。
在更多实施例中，还提供如图3所示的用于肺癌筛查的呼出气体检测方法，包括：
对获取的被测呼出气体进行除杂处理；
利用高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器对除杂后的被测呼出气体进行平行检测，根据平行检测的两种检测结果得到肺癌筛查结果；
其中，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图，根据标准特征光谱图和VOCs气体对应的特征光谱图确定VOCs气体的浓度和组分种类；
基于石墨烯传感器中石墨烯电导率的变化得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体的浓度与组分种类。
具体地，将呼气吹嘴1安装在连接头2上，并在连接处涂抹不易挥发的有机物以隔绝外界环境，受试者清水漱口后对呼气吹嘴1呼气，呼气完成后进气口3自动关闭；
稍待片刻后，打开进气阀7，并通过气泵6充入一定量的对检测结果无影响的惰性气体，充气完成后关闭进气阀7；
等待一段时间，此时气体中的VOCs与充入的惰性气体一同进入分析装置，通过搅动扇9旋转搅拌均匀后，一部分气体通过连接阀门11进入高光谱成像光谱仪10进行检测；
另一部分与密闭腔室内的石墨烯传感器12充分接触后，将信息传递给VOCs石墨烯电阻数据处理器13，经过数据处理过程后，通过第三连接线路14将信息传递给显示屏15，从而在显示屏上显示处理分析的结果、标准数据以及受试者的基础信息，用于综合分析受试者的肺癌患病情况；
数据分析处理完成后，打开排气阀门16与排气泵18，将剩余气体排出。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，包括：
净化装置，用于对获取的被测呼出气体进行除杂处理；
分析装置，用于利用高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器对除杂后的被测呼出气体进行平行检测，根据平行检测的两种检测结果得到肺癌筛查结果；
其中，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图，根据标准特征光谱图和VOCs气体对应的特征光谱图确定VOCs气体的浓度和组分种类；
基于石墨烯传感器中石墨烯电导率的变化得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体的浓度与组分种类。
2.如权利要求1所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，所述呼出气体检测系统还包括佩戴装置，用于获取被测呼出气体，包括呼气吹嘴、连接头与进气口，呼气吹嘴通过连接头连接在进气口上。
3.如权利要求2所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，所述进气口为单向进气口，由三个相同圆心角的薄片组成。
4.如权利要求1所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，所述净化装置包括多层过滤网，在过滤网中填充用于过滤气体的过滤物。
5.如权利要求4所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，所述过滤物包括铁粉、无水氯化钙、氢氧化钠固体。
6.如权利要求1所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，所述净化装置包括进气阀与气泵，进气阀与气泵连接后用于充入惰性气体，以平衡被测呼出气体除杂后降低的压强。
7.如权利要求1所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，所述分析装置包括可旋转的搅动扇，搅动扇用于均匀混合气体。
8.如权利要求1所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图的过程包括，将干涉光通过除杂后的被测呼出气体，得到VOCs气体中各组分对应的干涉信号，根据干涉信号得到VOCs气体中各组分对应的特征光谱图。
9.如权利要求1所述的一种用于肺癌筛查的呼出气体检测系统，其特征在于，所述呼出气体检测系统还包括排气装置，排气装置与分析装置通过排气管道相连接，排气管道上设自由开合的排气阀门，排气管道外接排气泵。
10.一种用于肺癌筛查的呼出气体检测方法，其特征在于，包括：
对获取的被测呼出气体进行除杂处理；
利用高光谱成像光谱仪和石墨烯传感器对除杂后的被测呼出气体进行平行检测，根据平行检测的两种检测结果得到肺癌筛查结果；
其中，基于高光谱成像光谱仪得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体对应的特征光谱图，根据标准特征光谱图和VOCs气体对应的特征光谱图确定VOCs气体的浓度和组分种类；
基于石墨烯传感器中石墨烯电导率的变化得到除杂后的被测呼出气体中VOCs气体的浓度与组分种类。
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