CN114487190A - 一种基于光pid传感器的医用人体呼出voc气体检测装置 - Google Patents

一种基于光pid传感器的医用人体呼出voc气体检测装置 Download PDF

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Abstract

本公开属于医疗器械领域，公开一种基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，包括吹气口、干燥管、光PID传感器、主控制器、显示器，待检测的混合VOC气体经过吹气口进入至干燥管，干燥后的混合VOC气体通过至光PID传感器进行检测VOC气体的粗含量和成分，粗含量和成分的检测数据进行传输至主控制器，主控制器传输至显示器上，显示器进行显示检测的混合VOC气体内的分子及其含量。本公开能够准确地提高测量人呼出气体中VOC成分的含量。

Description

一种基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置
技术领域
本公开属于医疗器械领域，具体涉及一种基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置。
背景技术
现有利用气相色谱仪在人体呼出的VOC气体中发现200多种与疾病有关的代谢标志物以来，通过无创的体外诊断技术利用人呼出的VOC气体进行检测与诊断可以提取人体的一些健康信息，显著减轻本人在常规医疗检测时的痛苦。
上呼吸道肺结核、肺癌早期的VOC有机代谢标志物含量极低，例如：丙酮的浓度范围为0-1.5ppm，乙烷为0-0.08ppm。包括电化学、荧光法在内的现有检测技术存在精度低(分辨率>1ppm)、速度慢、体积较大等缺点，无法准确地测量人呼出气体中VOC成分的含量，不满足医疗诊断对检测精度的要求，无法用于高精度的VOC气体检测与诊断领域。
发明内容
针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，提高检测VOC气体的成分含量的精度。
本公开的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，包括吹气口、干燥管、光PID传感器、主控制器、显示器，待检测的混合VOC气体经过吹气口进入至干燥管，干燥后的混合VOC气体通过至光PID传感器进行检测VOC气体的粗含量和成分，粗含量和成分的检测数据进行传输至主控制器，主控制器传输至显示器上，显示器进行显示检测的混合VOC气体内的分子及其含量。
进一步地，所述气体检测装置包括PQ气相色谱柱，PQ气相色谱柱进行VOC气体分离。
进一步地，所述光PID传感器包括顶层蜂窝采集电极和下层的网格电极构成的振荡回路，并通过外设的VCO气体压控振荡电路施加振荡电场，并在电极间捕捉电离化的离子，产生振荡电流，振荡电流经过pA级低噪声放大电路，经I-V转换器件后利用低噪声运放放大微弱的电压信号。
进一步地，所述光PID传感器顶部的蜂窝采集电极的孔径200um-400um，光PID传感器的网格状振荡电极的间隔为25um。
进一步地，所述VOC气体的分离环境，分离环境中包含封装壳，吹气口设置在封装壳上，封装壳内设置有气室，待检测的VOC气体通过吹气口进入至气室，封装壳内设置有真空紫外灯，真空紫外灯的紫外线对气室内的待检测的VOC气体进行分离。
进一步地，所述封装壳上设置有反射挡光板。
进一步地，所述显示器采用LCD触摸屏。
本公开的有益效果：
本公开能够准确地提高测量人呼出气体中VOC成分的含量。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例的整体结构示意图；
图2是本公开实施例的局部结构示意图；
图3是本公开实施例的对VOC气体进行测试的结果照片。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
如图1所示，一种基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，包括吹气口1、干燥管2、光PID传感器4、主控制器5、显示器6，待检测的混合VOC气体经过吹气口1进入至干燥管2，干燥管2对混合VOC气体进行干燥，干燥后的混合VOC气体通过至光PID传感器4进行检测VOC气体的粗含量和成分，粗含量和成分的检测数据进行传输至主控制器5，主控制器5传输至显示器6上，显示器6进行显示检测的混合VOC气体内的分子及其含量。
在一些实施例中，包括PQ气相色谱柱3，当需要进行VOC气体具体细化分类时，将检测后的VOC气体进行进一步通入至PQ气相色谱柱3，进行VOC气体分离，细化分类以及分类后的含量，细化分类以及分类后的含量的检测数据进行传输至主控制器5，主控制器5传输至显示器6上，显示器6进行显示检测的混合VOC气体内细化分子及其含量。
当然在一些情况下，主控制器5对检测数据进行分析并进行存储，将不同病例情况下的VOC气体分析的检测数据进行收集，针对于病例情况进行一一匹配，将匹配后的数据传输至显示器6上，进行显示器6显示；当然，有时可参照现有技术标准，对不同病例对应呼出的VOC气体的检测数据进行一一匹配，构成形成病历，通过机器学习方法强化系统的病情诊断分析能力，实现医疗领域的呼气检测。
针对于光PID传感器4，在本申请中顶层蜂窝采集电极和下层的网格电极构成的振荡回路，并通过外设的VCO气体压控振荡电路施加振荡电场，并在电极间捕捉电离化的离子，产生振荡电流，交由后续电路采集并放大；使用时，待测VOC气体分子电离产生的离子经过振荡电极阵列时，由于矩阵电极的存在，离子采集效率会被显著提升。再配合后续的I-V转换器、运放芯片以及参比电压，数字化后发送给主控制器5。
在本申请中，针对于VOC气体的分离环境，分离环境中包含封装壳，吹气口1设置在封装壳上，封装壳内设置有气室，待检测的VOC气体通过吹气口1进入至气室，封装壳内设置有真空紫外灯，真空紫外灯的紫外线对气室内的待检测的VOC气体进行分离，真空紫外灯的紫外线发射面上设置有顶层蜂窝收集电极和底层网格振荡电极，通过顶层蜂窝采集电极和下层的网格电极构成的振荡回路，并通过外设的VCO气体压控振荡电路施加振荡电场，并在电极间捕捉电离化的离子，产生振荡电流，交由后续电路采集并放大，进行信息传输，从而采集VOC气体的成分以及含量；根据振荡电场的强度和频率的不同，可以对离子的捕获情况进行调整。
顶部罩上封闭的气室，采用真空脂涂抹在密封垫圈上，除了出入气孔外，该气室在真空脂的作用下完全封闭，使传感器内气体浓度与输入气体保持一致，在其中部，传感器顶层设计蜂窝状的收集电极，配合下方网格状的振荡电极，分别接到直流电压源和振荡电压源，用以提高离子采集的效率。
在电场的作用下气体分子电离产生的离子被电极捕获产生微电流，采用I-V转换器件将电流转换为电压，并用低噪声运放将其微弱电压信号放大。真空紫外灯封装在传感气室下方，通过电寻址的方式激发紫外灯发光，采用10.6eV光子能量激发VOC气体，当输入气体的电离能低于10.6eV时，该气体成分的分子被电离，产生的离子可以被收集与放大电路检测到，当输入气体成分的电离能高于10.6eV时，该成分分子不发生电离，不影响检测结果。
封装壳上设置有反射挡光板，反射挡光板起到反射紫外光并阻挡外界光线的作用，可以使被灰尘等遮挡的气体被反射后的紫外光充分电离。
兼具高气体灵敏度与气体泵吸时的效率，采用激光直写技术，在系统中直接绘入电极形状，通过激光振镜在电极表面光刻出形貌。传感器顶部的蜂窝电极的孔径在200-400um，而传感器的网格状振荡电极的间隔为25um。
利用蜂窝状的收集电极和网格振荡电极构成的信号输出端连接外围的pA级低噪声放大电路，经过I-V转换器件后利用低噪声运放放大微弱的电压信号，通过高精度ADC测量电压信号实现对被测气体的超高精度检测。
通过PQ气相色谱柱3可以将VOC气体分离；由于不同气体分子在气相色谱柱内通过的速率不同，所以输入的气体的不同成分将会按速度的快慢先后依次到达传感器，在检测的结果上将形成近似阶梯状逐级升高的波形，每级阶梯对应一种气体成分，利用开发的气体浓度-采样时间(分钟)系统，计算每级阶梯间的差值，可以通过时间分辨曲线分辨混合气体。
显示器6采用LCD触摸屏的设计，可以对检测和分析的结果进行显示，通过触控的方式与用户进行交互。用户可以通过屏幕设置传感器的校准值并发送校准指令。
使用时：
(1)将被测的人体呼出气体用气袋采集，为了排除采集过程中额外吸入的空气，将气袋中后收集到的三分之一气体用针管取出至1L的气袋里，作为分析气体。
(2)如需识别混合气体，将气体导入干燥管2，经过干燥后导入VOC分离专用的PQ气相色谱柱3。采用微气泵为气路提供合适的负压，配合气体流量计和TEC温控仪，使每次测量均在恒温、恒压、恒流速的情况下运行，保证传感器的测试准确度。
(3)主控制板通过高精度低噪声LDO输出5V电压以驱动真空紫外灯，在紫外灯光的照射下，电离能低于紫外光能量的待测物质会电离，等待后续信号采集。
(4)通过顶层蜂窝采集电极和下层的网格电极构成的振荡回路，并通过外设的VCO气体压控振荡电路施加振荡电场，并在电极间捕捉电离化的离子，产生振荡电流，交由后续电路采集并放大，根据振荡电场的强度和频率的不同，可以对离子的捕获情况进行调整。
(5)待测VOC气体分子电离产生的离子经过振荡电极阵列时，由于矩阵电极的存在，离子采集效率会被显著提升。再配合后续的I-V转换器、运放芯片以及参比电压，数字化后发送给控制核心。
(6)如图3所示，对数字化后信号的幅值和周期进行分析，控制核心通过对不同气体构成条件下的读出曲线进行定性检测和定量分析。根据美国胸科学会联合欧洲呼吸学会(ATS/ERS)技术标准，对不同病例呼出气体的构成形成病历，通过机器学习方法提取传感器数据图谱的特征，通过与已知的不同病情下的曲线进行对比分析，计算特征的相关程度，强化系统的病情诊断分析能力，实现医疗领域的呼气检测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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公开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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内。

Claims (7)

1.一种基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，其特征在于，包括吹气口(1)、干燥管(2)、光PID传感器(4)、主控制器(5)、显示器(6)，待检测的混合VOC气体经过吹气口(1)进入至干燥管(2)，干燥后的混合VOC气体通过至光PID传感器(4)进行检测VOC气体的粗含量和成分，粗含量和成分的检测数据进行传输至主控制器(5)，主控制器(5)传输至显示器(6)上，显示器(6)进行显示检测的混合VOC气体内的分子及其含量。
2.根据权利要求1所述的基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，其特征在于，所述气体检测装置包括PQ气相色谱柱(3)，PQ气相色谱柱(3)进行VOC气体分离。
3.根据权利要求1所述的基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，其特征在于，所述光PID传感器(4)包括顶层蜂窝采集电极和下层的网格电极构成的振荡回路，并通过外设的VCO气体压控振荡电路施加振荡电场，并在电极间捕捉电离化的离子，产生振荡电流，振荡电流经过pA级低噪声放大电路，经I-V转换器件后利用低噪声运放放大微弱的电压信号。
4.根据权利要求3所述的基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，其特征在于，所述光PID传感器(4)顶部的蜂窝采集电极的孔径在200um-400um，而光PID传感器(4)的网格状振荡电极的间隔为25um。
5.根据权利要求1所述的基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，其特征在于，所述VOC气体的分离环境，分离环境中包含封装壳，吹气口(1)设置在封装壳上，封装壳内设置有气室，待检测的VOC气体通过吹气口(1)进入至气室，封装壳内设置有真空紫外灯，真空紫外灯的紫外线对气室内的待检测的VOC气体进行分离。
6.根据权利要求5所述的基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，其特征在于，所述封装壳上设置有反射挡光板。
7.根据权利要求1所述的基于光PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置，其特征在于，所述显示器(6)采用LCD触摸屏。
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