CN114343723A - 非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统及方法，系统包括：呼吸面罩和声音监测设备，呼吸面罩通过呼出采样通道与主气路连通，声音监测设备用于检测被采样人的响度发送至控制装置；生物气溶胶计数器安装在呼出采样通道上，并将检测到的呼出采样通道内生物气溶胶数量和生物气溶胶浓度发送至控制装置；气溶胶收集模块进气口与主气路出气口连通，气溶胶收集模块出气口和气体收集模块连通；控制模块用于当生物气溶胶浓度低于预设浓度，响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块；控制装置用于在检测过程中累计计算生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量，及根据累计生物气溶胶数量、已采样时间、目标生物气溶胶收集总数估算总采样时间。

Description

非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统及方法

技术领域

本发明涉及气溶胶采集相关技术领域，具体涉及非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统及方法。

背景技术

为了应对大范围的核酸PCR检测，目前对于人的核酸采样方法主要为鼻咽拭子法。该方法需要将采样头从口腔或者鼻腔深入被采样人的咽部进行刮蹭得，往往会带来采样人不适，不愿意配合检查。加之动作难度较高，采样人员往往采样量和位置不得当，都会造成检测的假阳性。通过呼出气进行疾病筛查受到广泛研究，传统的对人呼出气地采样方法为气袋采样，即人对一个气袋呼气，结束后该气袋密封保存，这种方法并不能保证气袋中样品满足检测需求。一种能同时对呼出气溶胶和呼出气进行同步高效收集的方法和设备对于疾病预防与控制具有重要实用意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术问题的一种或几种，提供一种非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，包括：

呼吸面罩，所述呼吸面罩上安装有声音监测设备，所述呼吸面罩通过呼出采样通道与主气路连通，所述声音监测设备用于检测被采样人的响度并发送至控制装置；

生物气溶胶计数器，所述生物气溶胶计数器安装在所述呼出采样通道上，并将检测到的所述呼出采样通道内的生物气溶胶数量和计算的生物气溶胶浓度发送至控制装置；

气溶胶收集模块，所述气溶胶收集模块的进气口与主气路的出气口连通，所述气溶胶收集模块的出气口和气体收集模块连通；

所述控制模块用于当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块；所述控制装置用于在检测过程中累计计算所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量，以及根据累计的生物气溶胶数量、已采样时间、目标生物气溶胶收集总数估算总采样时间。

本发明的有益效果是：由于人类正常说话可以产生大量生物气溶胶，如果此人患有可以通过呼吸系统传染的病症，则其产生的生物气溶胶中必然包含病原体，通过现有的一些手段即可对其进行检测，例如使用荧光PCR技术或者胶体金试纸检测等。因此，本发明的非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，通过在呼吸面罩上设置声音监测设备，利用声音监测设备测试被采样人是否按照设定要求说话，同时利用生物气溶胶计数器检测该过程中的生物气溶胶浓度，通过生物气溶胶计数器检测的气溶胶浓度进一步判断被采样人是否按照设定要求说话，是否按照要求佩戴呼吸面罩，当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块，提醒被采样人按照要求说话且检查呼吸面罩的佩戴情况，且当所述生物气溶胶浓度达到预设浓度时，所述控制装置估算得到采样时间，利用气溶胶收集模块进行气溶胶收集达到采样时间，同时利用气体收集模块对采样过程中的气体进行富集，确保采集到足够数量的生物气溶胶才停止采集，降低由于采样不足造成的假阴性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述主气路的进气口处安装有第一流量传感器并用于采集所述主气路的进气流量F3发送至控制装置，所述主气路的出气口处安装有第二流量传感器并用于采集所述主气路的出气流量F4发送至控制装置，所述生物气溶胶计数器与所述呼出采样通道的连接处安装有第三流量传感器并用于采集生物气溶胶计数器处的气体流量F2发送至控制装置；所述呼出采样通道内的气体流量为F1，所述F1+F3＝F2+F4；所述控制装置根据目标生物气溶胶收集总数N、每次采集中随时间累计的所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量n、已采样时间t_采、进气流量F3、出气流量F4以及气体流量F2 估算得到气溶胶总采样时间t_总1。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以通过流量传感器采集气体流量并发送至控制装置，作为计算采样时间的流量参数，提高采样时间的计算精度。由于在气溶胶采集过程中，各个气路中的气体流量达到平衡，F2、F3 以及F4都是由设备控制且检测得到的，因此呼出采样通道内的气体流量也是确定的，使计算得到的采样时间更加精确可靠。

进一步，所述气溶胶总采样时间为t_总1＝N·t_采·F2/(n·η·(F4-F3-F2))，其中，η为气溶胶收集模块的气溶胶采集效率。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于生物气溶胶数量是随时间变化的，所计算的采样时间也随之变化，通过实时分析气流中的生物气溶胶浓度计算采集进度，估算采集时间，确保采集到足够数量的生物气溶胶才停止采集，降低由于采样不足造成的假阴性。

进一步，所述气体收集模块还用于所述气溶胶收集模块出气口处呼出气的收集，所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V时，所需时间t_总2＝V/(F4-F3-F2)；所述控制装置计算总采样时间t_总为t_总1和t_总2中较大的值；当t_总2≥t_总1时，气溶胶收集模块收集到的实际生物气溶胶收集总数N_实际＝(F4-F3-F2)·n·η/F2，其中，η为气溶胶收集模块的气溶胶采集效率，气体收集模块实际的收集体积为V_实际＝V；当t_总2＜t_总1时，气溶胶收集模块收集到的实际生物气溶胶收集总数为N_实际＝N，气体收集模块实际的收集体积为V_实际＝t_总·(F4-F3-F2)。

采用上述进一步方案的有益效果是：如果气溶胶收集达到目标生物气溶胶收集总数时，气体体积可能还不能达到目标体积，可以继续收集气溶胶和气体，直到气体体积达到目标气体收集体积，此时气溶胶的数量已经大于目标生物气溶胶收集总数，能够满足采样需求。如果气体收集达到目标气体收集体积，气溶胶可能还达不到目标生物气溶胶收集总数，可以继续收集气溶胶和气体，直到气溶胶数量达到目标生物气溶胶收集总数，此时收集气体的体积已经大于目标气体收集体积，能够满足采样需求。

进一步，所述主气路的进气口处安装有第一气泵，所述气体收集模块的出气口处安装有第二气泵。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一气泵可以控制主体路中的气体流量，第二气泵可以驱动装置内的气溶胶和气体流动。

进一步，所述呼出采样通道上还设有气流补给模块，所述气流补给模块位于所述呼吸面罩与所述生物气溶胶计数器之间。

采用上述进一步方案的有益效果是：气流补给模块可以从外部环境输入干净空气进入呼出采样通道。

进一步，还包括消毒模块，所述消毒模块与所述主气路连接，并用于当采样完成后进行消毒；所述消毒模块连接有第三气泵。

采用上述进一步方案的有益效果是：当整个装置使用前或使用后，可以采用消毒模块清洁整个装置。

进一步，所述气溶胶收集模块的出气口和气体收集模块的进气口之间连接有第二过滤器。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以将一些小颗粒气溶胶过滤掉，然后再进行气体收集。

非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的方法，采用所述系统实现，包括以下步骤：

S1，通过呼吸面罩上安装的声音监测设备检测被采样人的响度并发送至控制装置，所述呼吸面罩通过呼出采样通道与主气路连通，所述声音监测设备用于检测被采样人的响度并发送至控制装置；

S2，通过呼出采样通道上的生物气溶胶计数器，检测呼出采样通道内的生物气溶胶数量并计算的生物气溶胶浓度发送至控制装置；

S3，当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，控制装置发送提醒信号至提醒模块；当所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量达到预设值时，所述控制装置估算总采样时间和剩余采集时间。

本发明的有益效果是：当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块，提醒被采样人按照要求说话且检查呼吸面罩的佩戴情况，且当所述生物气溶胶浓度达到预设浓度时，所述控制装置计算得到采样时间，利用气溶胶收集模块进行气溶胶收集达到采样时间，同时利用气体收集模块对采样过程中的气体进行富集达到采样时间，确保采集到足够数量的生物气溶胶才停止采集，降低由于采样不足造成的假阴性。

进一步，S3还包括，所述控制装置还用于比较所述气溶胶收集模块收集到达目标生物气溶胶收集总数所需时间t_总1和所述气体收集模块收集到达目标气体体积所需时间t_总2；

当t_总2≥t_总1时，所述控制装置用于待所述气溶胶收集模块收集到达目标生物气溶胶收集总数N后，继续计算所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量n，直到所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V；

当t_总2＜t_总1时，所述控制装置用于待所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V后，继续计算所述气体收集模块收集的气体体积V_实际，直到所述气溶胶收集模块达到目标生物气溶胶收集总数N。

附图说明

图1为本发明非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的装置的结构示意图；

图2为本发明生物气溶胶计数器的结构示意图；

图3为本发明气溶胶收集模块实施方式一的结构示意图；

图4为本发明气溶胶收集模块实施方式二的结构示意图；

图5为本发明气体收集模块的结构示意图；

图6为本发明消毒模块的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、呼吸面罩；2、声音监测设备；3、气流补给模块；

4、生物气溶胶计数器；41、激光器；42、气溶胶计数管路；43、荧光光强探测器；44、球面镜；45、散射光光强探测器；46、气溶胶管道；47、第四气泵；

5、呼出采样通道；6、主气路；7、第一气泵；8、第一过滤器；

9、消毒模块；91、消毒气雾出口；92、外部气体入口；93、消毒液容器；94、超声气雾发生器；95、消毒液补充容器；96、消毒液加注口；97、高压电源模块；98、杀菌电极；99、接地电极；

10、第三气泵；11、粒径切割筛选器；111、主管路；112、第一气流管路；113、气流通孔；

12、气溶胶收集器；121、锥形结构；122、采样基；123、封闭外壳； 124、第二气流管路；125、传液管；

13、第二过滤器；14、气体收集模块；141、富集管；142、缠绕器；143、输气进口；144、输气管路；145、支持电路板；

15、第二气泵。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例的一种非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，包括：

呼吸面罩1，所述呼吸面罩1上安装有声音监测设备2，所述呼吸面罩1 通过呼出采样通道5与主气路6连通，所述声音监测设备2用于检测被采样人的响度并发送至控制装置；

生物气溶胶计数器4，所述生物气溶胶计数器4安装在所述呼出采样通道5上，并将检测到的所述呼出采样通道5内的生物气溶胶数量和计算的生物气溶胶浓度发送至控制装置；

气溶胶收集模块，所述气溶胶收集模块的进气口与主气路6的出气口连通，所述气溶胶收集模块的出气口和气体收集模块连通；

所述控制模块用于当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块；所述控制装置用于在检测过程中累计计算所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量，以及根据累计的生物气溶胶数量、已采样时间、目标生物气溶胶收集总数估算总采样时间。

本实施例的一个具体方案为，所述主气路6的进气口处安装有第一流量传感器并用于采集所述主气路6的进气流量F3发送至控制装置，所述主气路6的出气口处安装有第二流量传感器并用于采集所述主气路6的出气流量 F4发送至控制装置，所述生物气溶胶计数器4与所述呼出采样通道5的连接处安装有第三流量传感器并用于采集生物气溶胶计数器4处的气体流量 F2发送至控制装置；所述呼出采样通道5内的气体流量为F1，所述 F1+F3＝F2+F4；所述控制装置根据目标生物气溶胶收集总数N、每次采集中随时间累计的所述生物气溶胶计数器4的生物气溶胶数量n、已采样时间t_采、进气流量F3、出气流量F4以及气体流量F2估算得到气溶胶总采样时间t_总1。由于在气溶胶采集过程中，各个气路中的气体流量达到平衡，F2、F3以及F4都是由设备控制且检测得到的，因此呼出采样通道内的气体流量也是确定的，使计算得到的采样时间更加精确可靠。

本实施例的所述气溶胶总采样时间为t_总1＝N·t_采·F2/(n·η·(F4-F3-F2))，其中，η为气溶胶收集模块的气溶胶采集效率。由于生物气溶胶数量并不是不变的，所计算的采样时间也不是不变的，通过实时分析气流中的生物气溶胶浓度计算采集进度，估算采集时间，确保采集到足够数量的生物气溶胶才停止采集，降低由于采样不足造成的假阴性。所述系统还用于呼出气的收集，所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V时，所需时间t_总2＝V/(F4-F3-F2)，因此所述气体收集模块收集呼出气的总所需时间t_总2＝V/(F4-F3-F2)。

其中，由于本实施例的系统能够同时收集人体呼出气溶胶与气体，因此所述控制装置需要计算总采样时间t_总为t_总1和t_总2中较大的值，剩余气溶胶采样时间t_剩＝t_总-t_采；当t_总2≥t_总1时，气溶胶收集模块收集到的实际生物气溶胶收集总数N_实际＝(F4-F3-F2)·n·η/F2，其中，η为气溶胶收集模块的气溶胶采集效率，气体收集模块实际的收集体积为V_实际＝V；当t_总2＜t_总1时，气溶胶收集模块收集到的实际生物气溶胶收集总数为N_实际＝N，气体收集模块实际的收集体积为V_实际＝t_总·(F4-F3-F2)。

其中，本实施例的声音监测设备2可以采用现有声音监测设备，所述生物气溶胶计数器4、气溶胶收集模块以及气体收集模块14均可以采用现有设备实现。

对于生物气溶胶计数器4，一种可选的方法为光散射与紫外诱导本征荧光方法进行测试。当气溶胶颗粒在气流的作用下进入生物气溶胶计数器4后，首先通过一个极小的小孔，从而使能够同时通过该小孔的颗粒最多只有一个。对于单个颗粒，当其粒径接近其光波长时，其对于光线的散射特征为米氏散射，具有较强的各向异性，并且散射光与其光学半径的平方成正比，因此可以用于对于颗粒粒径的估计。另一方面，由于生物颗粒中的蛋白质由氨基酸构成，而组成人体的氨基酸中胱氨酸、色氨酸、酪氨酸在受到紫外光激发后可产生本征荧光效应，其波长范围约为300-400nm。因此通过综合建模某个单个颗粒的粒径、在一定光谱范围内的荧光值后即可对判断该颗粒是否为生物气溶胶颗粒。

本实施例的生物气溶胶计数器的一个具体方案为，如图2所示，包括壳体以及设置在壳体内的激光器41、气溶胶计数管路42、荧光光强探测器43、球面镜44、散射光光强探测器45、气溶胶管道46、第四气泵47，壳体通过气溶胶计数管路42与呼出采样通道5连通，所述气溶胶计数管路42的一端为锥形口结构并伸入所述壳体内，所述气溶胶管道46的入口端也采用锥形口结构且与所述气溶胶计数管路42相对布置，所述气溶胶管道46的末端连接有第四气泵47，所述激光器41安装在所述壳体内侧壁上且沿垂直于所述气溶胶计数管路42的方向向所述气溶胶管道46与所述气溶胶计数管路42 之间的部分发射激光。所述荧光光强探测器43、球面镜44、散射光光强探测器45分别布置在所述气溶胶管道46与所述气溶胶计数管路42之间部分的四周，可选图2中的排布方式。

进一步的，所述激光器41用于发射特定波长的激光，具体用于探测气凝胶颗粒的粒径的激光波长选择范围为400-1000nm，用于探测气凝胶颗粒的荧光的激光波长选择范围为200-300nm，激光器41发射的激光在气凝胶颗粒通过路径上聚焦。气溶胶计数管路42一端的锥形口结构使气流中存在气凝胶颗粒时，同一时间通过该锥形口结构的气凝胶颗粒数最多只有一个。荧光光强探测器43具有滤光片，仅使特定波长范围的光通过进入该荧光光强探测器。球面镜44可以提高荧光收集效率。散射光光强探测器45具有滤光片，仅使特定波长范围的光通过进入探测器。气溶胶管道46可以使气溶胶颗粒快速通过，防止气溶胶颗粒在壳体内无规则飘动造成虚计数。第四气泵47可以驱动气流为气溶胶颗粒的移动提供曳力。

如图1所示，本实施例的一个优选方案为，所述主气路6的进气口处安装有第一气泵7，所述第一气泵7与主气路6之间连接有第一过滤器8，第一过滤器8用于从外部环境过滤干净空气进入主气路6；第一气泵7可以控制主体路6中的气体流量。其中，第一气泵7和第一过滤器8可以由洁净空气气瓶代替。

如图1所示，本实施例的一个可选方案为，所述气体收集模块14的出气口处安装有第二气泵15，第二气泵15用于驱动装置内部的气溶胶以及气体流动。

如图1所示，本实施例的一个优选方案为，所述呼出采样通道5上还设有气流补给模块3，所述气流补给模块3位于所述呼吸面罩1与所述生物气溶胶计数器4之间，气流补给模块3可以从外部环境输入干净空气进入呼出采样通道。其中，所述气流补给模块3可以采用过滤器，具体可以在呼出采样通道5上开设开口，并在开口处安装过滤器，过滤器可以从外部环境过滤干净空气进入到呼出采样通道5，用于增强呼出采样通道5内的气体流量。还可以在过滤器上安装气泵，用于向呼出采样通道5内泵入经过过滤的洁净空气。

如图1所示，本实施例的系统还包括消毒模块，所述消毒模块与所述主气路连接，并用于当采样完成后进行消毒；所述消毒模块连接有第三气泵。当整个装置使用前或使用后，可以采用消毒模块清洁整个装置。

如图1所示，本实施例的所述气溶胶收集模块的出气口和气体收集模块的进气口之间连接有第二过滤器。可以将一些小颗粒气溶胶过滤掉，然后再进行气体收集。

如图1、图3和图4所示，本实施例的所述气溶胶收集模块的一个可选方案为，包括粒径切割筛选器11和气溶胶收集器12，所述粒径切割筛选器 11的进气口与所述主气路6的出气口连通，所述粒径切割筛选器11的出气口与所述气溶胶收集器12连通；所述粒径切割筛选器11通过第一气流管路 112与所述气体收集模块14连通，所述气溶胶收集器12通过第二气流管路124与所述气体收集模块14连通，所述第一气流管路112的流量大于所述第二气流管路124的流量。所述流量分配可以通过调整第一气流管路的内径大于第二气流管路的内径实现，也可以通过独立安装两个气泵实现。

如图1所示，所述气溶胶收集器12采用封闭外壳123；所述气体收集模块14的进气口处连接有第二过滤器13，所述第一气流管路112以及所述第二气流管路124分别与所述第二过滤器13连通，第二过滤器13可以用于过滤气流中的细小气溶胶颗粒。

本实施例的粒径切割筛选器用于将特定颗粒范围的气溶胶颗粒收集进入到气溶胶收集器12，大于该范围上限的气溶胶颗粒会大概率损失到粒径切割筛选器11上，小于该范围下限的气溶胶颗粒会大概率从第一气流管路112 进入到过滤器13，仅有在设计范围内的气溶胶颗粒会穿过圆形镂空气流通孔 113进而被收集。

如图3和图4所示，本实施例的所述粒径切割筛选器11包括主管路111，所述粒径切割筛选器11主管路111的出气口为锥形结构121，所述粒径切割筛选器11内设有挡板，所述挡板与所述粒径切割筛选器11的内侧壁固定连接，所述挡板上存在不少于一个的圆形镂空气流通孔113，所述圆形镂空气流通孔113位于所述第一气流管路112和所述粒径切割筛选器11的出气口之间。主管路111的气流中含有所有粒径的气溶胶；由于气流的偏转，第一气流管路112使小颗粒气溶胶通过，而大颗粒气溶胶继续保持在主管路111 中流通。采用锥形结构的粒径切割筛选器，可以进一步加速气溶胶颗粒为气溶胶颗粒提供更高的动能。所述挡板上存在不少于一个的圆形镂空气流通孔，有助于进一步调整收集气溶胶颗粒的粒径范围，大于设计粒径的气溶胶会被圆形镂空气流通孔的支撑结构阻挡而无法进入气溶胶收集器。圆形镂空气流通孔113用于进一步调整被收集的气溶胶颗粒的粒径范围，大于该范围上限的气溶胶颗粒会大概率损失到粒径切割筛选器11上，小于该范围下限的气溶胶颗粒会大概率从第一气流管路112进入到过滤器13，仅有在设计范围内的气溶胶颗粒会穿过圆形镂空气流通孔113进而通过锥形结构121被收集，因此该圆形镂空气流通孔可以调整被收集气溶胶颗粒的粒径。

本实施例的所述气溶胶收集器12可以是基于固态撞击、液态撞击、旋风湿壁收集等原理，在收集后产生的气流也进入第二过滤器13。

如图3和图4所示，所述气溶胶收集器12内设有采样基122，所述采样基122可以为固体采样基，也可以为液体采样基。

本实施例的粒径切割筛选器11有两种具体实施方式，分别为：

具体实施方式一，如图3所示，所述气溶胶收集器12内设有固体采样基，所述固体采样基与所述粒径切割筛选器11的出气口对应布置，所述固体采样基包括静电无纺布纤维、泡沫、滤纸中的任意一种；

具体实施方式二，如图4所示，所述气溶胶收集器12内设有液体采样基，所述粒径切割筛选器11的出气口伸入所述液体采样基内，所述气溶胶收集器12的底部连接有传液管125，所述传液管125上设有阀门；当采集结束后，该传液管上的阀门可以开启并用于将液体采样基传递到外部设备。液体采样基可以采用生理盐水、PBS缓冲液等。所述气溶胶收集器12用于盛放液体采样基，防止在工作时液体采样基由于气流产生液面波动而损失。

当气溶胶颗粒与气流一起运动时，气溶胶颗粒受到气流的曳力，当气流方向改变时，气溶胶颗粒由于自身存在惯性，其曲率半径较气流更大并且与气流方向产生偏差，因此通过设置第一气流管路，可使一部分大颗粒的气溶胶在存在曲率的位置来不及转向而与小颗粒气溶胶和气流分离，大颗粒的气溶胶分离后可通过气溶胶收集器进行收集，小颗粒气溶胶以及部分气流通过第一气流管路进入气体收集模块。第二气流管路用于与第一气流管路分配主气路的气流，第二气流管路内的气流流量小于第一气流管路内的气流流量。

如图1和图5所示，本实施例的所述气体收集模块14的一个可选方案为，包括富集管141、缠绕器142以及输气管路144，所述缠绕器142缠绕在所述富集管141外侧壁上且两端分别与支持电路板145连接，所述输气管路144套设在所述富集管141内，所述输气管路144的输气进口143与所述气溶胶收集模块的出气口连通，所述输气管路144的输气出口处连接有阀门，当采集结束提高温度后，该输气管路144可以开启并用于将呼出气的富集气传递到外部设备。

如图5所示，本实施例的气体收集模块14有两种具体实施方式，分别为：

具体实施方式一，所述富集管141可以采用冷凝管，此时缠绕器142采用缠绕变温器；冷凝管用于流过气体时将气体冷凝在冷凝管的内壁上；缠绕变温器用于在富集气体时提供低温，采集结束后释放气体时提供高温。气体收集模块可以采用冷凝管和缠绕变温器形成的冷肼机构进行气体富集。冷阱常用于富集气化温度较高的有机物与无机物，具体是降低气体温度，是其中气化温度较高的有机物与无机物液化，在收集完毕后加热得到高浓度气体。

具体实施方式二，所述富集管141可以采用吸附管，此时缠绕器142采用缠绕加热器。吸附管内带有吸附材料，用于流过气体时将气体吸附在吸附材料上；缠绕加热器用于采集结束后释放气体时提供高温。气体收集模块可以采用吸附管和缠绕加热器形成的吸附机构进行气体富集。吸附可用于的气体范围较广，具体是通过活性炭、分子筛、多孔树脂等高比表面积材料将气体中的化学气体吸附，在收集完毕后快速加热吸附剂得到高浓度气体。

如图1和图6所示，本实施例的消毒模块9包括消毒箱体、超声气雾发生器94、消毒液容器93，所述消毒箱体上分别开设有消毒气雾出口91和外部气体入口92，所述消毒气雾出口91与所述主气路6通过管路连通，所述外部气体入口92通过管路与所述第三气泵10连通；所述消毒液容器93位于所述消毒箱体内，所述超声气雾发生器94位于所述消毒液容器93内。可以通过超声气雾发生器将消毒液容器中的消毒液进行雾化，并通过第三气泵输出到整个装置中进行消毒。

如图6所示，本实施例的一个优选方案为，还包括消毒液补充容器95，所述消毒液补充容器95与所述消毒液容器93连通，所述消毒液补充容器95 高于所述消毒液容器93，所述消毒箱体上开设有与所述消毒液容器93连通的消毒液加注口96。为了有效进行超声气雾发生，消毒液气雾发生器所在消毒液容器的液面高度有限，当消毒液消耗后从消毒液补充容器补充，使消毒液气雾发生器处于高效雾化对应的液面高度，消毒液从补充容器进入消毒容器由液泵输送并使用液面高度传感器检测液面高度。

如图6所示，本实施例的一个优选方案为，还包括高压电极，所述高压电极安装在所述消毒箱体的上部靠近气流的位置；所述高压电极包括高压端 98和接地端99，可用于产生活性离子或/和臭氧。所述高压电极的高压端98 和接地端99分别与高压电源模块97连接，高压电源模块97用于产生直流高压或者交流高频高压，当高压电源模块97模式为直流高压时，高压电极 98的材料为裸露金属，产生电弧放电；当高压电源模块模式为交流高频高压时，高压电极98的表面覆盖有薄层绝缘体，产生介质阻挡放电，所产生的物质由电极距离、电压、频率等调控，产生的物质包括活性离子、臭氧等。采用高压电极与消毒液气雾发生器结合的消毒方式，消毒效果更好。

本实施例的消毒模块9用于清洁整个装置。本实施例的消毒模块9的原理为使用消毒、氧化、灭活化学物质使被生物质和有关化学气体氧化变质，之后通过第二气泵15吸走。其可选的消毒液为：双氧水、环氧乙烷、过氧乙酸等，也可以通过高压电极放电等手段产生活性离子、臭氧等实现目的，也可以多种方法联用。例如，即包括有活性离子发生电极，也包括有臭氧发生电极，同时消毒液气雾发生器也同时产生消毒气雾进行消毒，而且消毒气雾在通过消毒气雾出口的时候能够带走高压电极产生的活性离子、臭氧等，增强消毒杀菌效果。

本实施例的非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，利用呼吸面罩贴合人面部和口腔，隔绝外部空气；利用声音监测设备检测被采样人说话声音大小；利用生物气溶胶计数器从呼出采样通道抽取一定比例的气体实时检测其中的生物气溶胶浓度。在使用时，先将呼吸面罩罩设在待采样人的面部并与口鼻对应，声音监测设备、生物气溶胶计数器、气溶胶收集模块以及气体收集模块处于运行工作状态，待采样人开始说话，生物气溶胶计数器开始工作并检测呼出采样通道内的气溶胶浓度，同时呼出采样通道形成小流量气流，将人呼出的气体与气溶胶颗粒转移至主气路中，主气路将呼出采样通道内的小流量气路与第一气泵输入的外部净化空气混合提高流量，方便进行气溶胶碰撞采集，最后再通过气溶胶收集模块以及气体收集模块收集气溶胶和气体。如果声音监测设备测得的被采样人的说话响度较低时，可以提醒被采样人提高音量；当生物气溶胶计数器检测的气溶胶浓度较低时，可以提醒被采样人提高音量，同时检查呼吸面罩是否贴合面部。当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块；所述控制装置用于当所述生物气溶胶浓度达到预设浓度时，实时计算得到采样时间，当采集采样时间后，采集得到的气溶胶达到采样需求即停止采样。

由于人类正常说话可以产生大量生物气溶胶，如果此人患有可以通过呼吸系统传染的病症，则其产生的生物气溶胶中必然包含病原体，通过现有的一些手段即可对其进行检测，例如使用荧光PCR技术或者胶体金试纸检测等。因此，本实施例的非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，通过在呼吸面罩上设置声音监测设备，利用声音监测设备测试被采样人是否按照设定要求说话，同时利用生物气溶胶计数器检测该过程中的生物气溶胶浓度，通过生物气溶胶计数器检测的气溶胶浓度进一步判断被采样人是否按照设定要求说话，是否按照要求佩戴呼吸面罩，当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块，提醒被采样人按照要求说话且检查呼吸面罩的佩戴情况，且当所述生物气溶胶浓度达到预设浓度时，所述控制装置计算得到采样时间，利用气溶胶收集模块进行气溶胶收集达到采样时间，同时利用气体收集模块对采样过程中的气体进行富集达到采样时间，确保采集到足够数量的生物气溶胶才停止采集，降低由于采样不足造成的假阴性。

实施例2

本实施例的一种非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的方法，采用所述系统实现，包括以下步骤：

S1，通过呼吸面罩上安装的声音监测设备检测被采样人的响度并发送至控制装置，所述呼吸面罩通过呼出采样通道与主气路连通，所述声音监测设备用于检测被采样人的响度并发送至控制装置；

S2，通过呼出采样通道上的生物气溶胶计数器，检测呼出采样通道内的生物气溶胶数量并计算的生物气溶胶浓度发送至控制装置；

S3，当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，控制装置发送提醒信号至提醒模块；当所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量达到预设值时，所述控制装置估算总采样时间和剩余采集时间。当采样结束后，开启消毒模块以及第三气泵，对系统进行消毒。

S3还包括，所述控制装置还用于比较所述气溶胶收集模块收集到达目标生物气溶胶收集总数所需时间t_总1和所述气体收集模块收集到达目标气体体积所需时间t_总2；

当t_总2≥t_总1时，所述控制装置用于待所述气溶胶收集模块收集到达目标生物气溶胶收集总数N后，继续计算所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量n，直到所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V；

当t_总2＜t_总1时，所述控制装置用于待所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V后，继续计算所述气体收集模块收集的气体体积V_实际，直到所述气溶胶收集模块达到目标生物气溶胶收集总数N。

当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块，提醒被采样人按照要求说话且检查呼吸面罩的佩戴情况，且当所述生物气溶胶浓度达到预设浓度时，所述控制装置计算得到采样时间，利用气溶胶收集模块进行气溶胶收集达到采样时间，同时利用气体收集模块对采样过程中的气体进行富集达到采样时间，确保采集到足够数量的生物气溶胶才停止采集，降低由于采样不足造成的假阴性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，其特征在于，包括：

呼吸面罩，所述呼吸面罩上安装有声音监测设备，所述呼吸面罩通过呼出采样通道与主气路连通，所述声音监测设备用于检测被采样人的响度并发送至控制装置；

生物气溶胶计数器，所述生物气溶胶计数器安装在所述呼出采样通道上，并将检测到的所述呼出采样通道内的生物气溶胶数量和计算的生物气溶胶浓度发送至控制装置；

气溶胶收集模块，所述气溶胶收集模块的进气口与主气路的出气口连通，所述气溶胶收集模块的出气口和气体收集模块连通；

所述控制模块用于当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，发送提醒信号至提醒模块；所述控制装置用于在检测过程中累计计算所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量，以及根据累计的生物气溶胶数量、已采样时间、目标生物气溶胶收集总数估算总采样时间。

2.根据权利要求1所述非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，其特征在于，所述主气路的进气口处安装有第一流量传感器并用于采集所述主气路的进气流量F3发送至控制装置，所述主气路的出气口处安装有第二流量传感器并用于采集所述主气路的出气流量F4发送至控制装置，所述生物气溶胶计数器与所述呼出采样通道的连接处安装有第三流量传感器并用于采集生物气溶胶计数器处的气体流量F2发送至控制装置；所述呼出采样通道内的气体流量为F1，所述F1+F3＝F2+F4；所述控制装置根据目标生物气溶胶收集总数N、每次采集中随时间累计的所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量n、已采样时间t_采、进气流量F3、出气流量F4以及气体流量F2估算得到气溶胶总采样时间t_总1。

3.根据权利要求2所述非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，其特征在于，所述气溶胶总采样时间为t_总1＝N·t_采·F2/(n·η·(F4-F3-F2))，其中，η为气溶胶收集模块的气溶胶采集效率。

4.根据权利要求2或3所述非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，其特征在于，所述气体收集模块还用于所述气溶胶收集模块出气口处呼出气的收集，所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V时，所需时间t_总2＝V/(F4-F3-F2)；所述控制装置计算总采样时间t_总为t_总1和t_总2中较大的值；当t_总2≥t_总1时，气溶胶收集模块收集到的实际生物气溶胶收集总数N_实际＝(F4-F3-F2)·n·η/F2，其中，η为气溶胶收集模块的气溶胶采集效率，气体收集模块实际的收集体积为V_实际＝V；当t_总2＜t_总1时，气溶胶收集模块收集到的实际生物气溶胶收集总数为N_实际＝N，气体收集模块实际的收集体积为V_实际＝t_总·(F4-F3-F2)。

5.根据权利要求1至3任一项所述非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，其特征在于，所述主气路的进气口处安装有第一气泵，所述气体收集模块的出气口处安装有第二气泵。

6.根据权利要求1至3任一项所述非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，其特征在于，所述呼出采样通道上还设有气流补给模块，所述气流补给模块位于所述呼吸面罩与所述生物气溶胶计数器之间；所述气溶胶收集模块的出气口和气体收集模块的进气口之间连接有第二过滤器。

7.根据权利要求1至3任一项所述非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的系统，其特征在于，还包括消毒模块，所述消毒模块与所述主气路连接，并用于当采样完成后进行消毒；所述消毒模块连接有第三气泵。

8.非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述系统实现，包括以下步骤：

S1，通过呼吸面罩上安装的声音监测设备检测被采样人的响度并发送至控制装置，所述呼吸面罩通过呼出采样通道与主气路连通，所述声音监测设备用于检测被采样人的响度并发送至控制装置；

S2，通过呼出采样通道上的生物气溶胶计数器，检测呼出采样通道内的生物气溶胶数量并计算的生物气溶胶浓度发送至控制装置；

S3，当所述生物气溶胶浓度低于预设浓度，且所述响度低于预设响度时，控制装置发送提醒信号至提醒模块；当所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量达到预设值时，所述控制装置估算总采样时间和剩余采集时间。

9.根据权利要求8所述非侵入式同时收集人体呼出气溶胶与气体的方法，其特征在于，S3还包括，所述控制装置还用于比较所述气溶胶收集模块收集到达目标生物气溶胶收集总数所需时间t_总1和所述气体收集模块收集到达目标气体体积所需时间t_总2；

当t_总2≥t_总1时，所述控制装置用于待所述气溶胶收集模块收集到达目标生物气溶胶收集总数N后，继续计算所述生物气溶胶计数器的生物气溶胶数量n，直到所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V；

当t_总2＜t_总1时，所述控制装置用于待所述气体收集模块收集达到目标气体收集体积V后，继续计算所述气体收集模块收集的气体体积V_实际，直到所述气溶胶收集模块达到目标生物气溶胶收集总数N。

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