CN117347614A - 一种呼吸气体检测系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种呼吸气体检测系统及其控制方法，包括气体采集设备、气体检测设备和控制处理设备，气体检测设备包括：气室，开设有通气腔；通道，与气室连通，并沿气室的轴向发散分布；连接层，与通道背离气室的一端固定连接；传感器，与连接层密封连接，传感器的检测端延伸至通道的内部，传感器的检测端高度小于通道的高度；气盖，与通气腔的两端可拆卸连接，气盖上开设有通气孔，传感器的检测端高度小于通道的高度，传感器的检测端未直接与气室中的气流接触，气室内部的气体流动方式为逐渐扩散到传感器表面，在整体意义上减轻了不同气体流速对传感器响应的影响，相对于传统设计，恒定了传感器的表面温度，大大的提高了呼吸感知设备对目标气体检测的准确性。

Description

一种呼吸气体检测系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及呼吸气体检测技术领域，尤其涉及一种呼吸气体检测系统及其控制方法。

背景技术

随着口呼出气中的某些特定气体成分可以作为患者存在某种疾病或临床反应的指标被证实后，相关研究人员便一直致力于将基于口呼出气成份感知的呼吸分析方法应用于疾病的无创诊断领域中，其中如何从呼出气中精准捕获有指向意义的生物标志物是一项复杂的工作，对研究人员所使用的设备精度有很高的要求。

然而，气体传感器在使用过程中，由于本身工作原理的限制，导致其对气体流速变化十分敏感，气流速度的变化使传感器的检测表面温度难以恒定，影响检测数据的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种呼吸气体检测系统及其控制方法，以解决上述背景技术中提到的气流速度的变化使传感器的检测表面温度难以恒定，影响检测数据的准确性的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种呼吸气体检测系统，包括气体采集设备、气体检测设备和控制处理设备，其特征在于，所述气体检测设备包括：气室，开设有通气腔；通道，设置于所述气室的外壁，并与所述气室连通；连接层，与所述通道背离所述气室的一端固定连接；传感器，与所述连接层密封连接，所述传感器的检测端延伸至所述通道的内部，并与所述通道靠近所述气室的一端具有间隙；气盖，与所述通气腔的两端可拆卸连接，并开设有通气孔。

可选的，所述通道的数量为多个，并沿所述气室的轴向发散分布，且均对应安装有所述传感器，所述传感器为气体传感器或气体温度调制传感器。

可选的，所述气室为正多棱柱体，且内部设有圆柱形通气腔；所述通道均匀分布于所述气室的外部表面；所述连接层为多个，且依次首尾固定连接；所述气盖数量为两个且为半球形状，分别与所述通气腔的两个通气端通过螺纹连接固定。

可选的，所述气体采集设备包括：真空泵；三通阀；中介腔，所述中介腔内部固定安装有气压传感器；所述真空泵、所述三通阀、所述中介腔与所述气室连通设置。

可选的，所述真空泵数量为三个，分别为第一真空泵、第二真空泵、第三真空泵；所述三通阀数量为两个，分别为第一三通阀、第二三通阀；所述第一真空泵、所述第一三通阀、所述中介腔、所述第二真空泵、所述第二三通阀、所述气室、所述第三真空泵依次连通设置。

可选的，所述控制处理设备包括：微型计算机，分别与所述第一真空泵、所述第一三通阀、所述气压传感器，所述第二真空泵、所述第二三通阀、所述第三真空泵电性连接；信号处理电路，与所述传感器电性连接；数据采集卡，一端与所述信号处理电路电性连接，另一端与外部计算机设备电性连接。

可选的，所述信号处理电路包括：分压电路；滤波器；放大器；温度调制电路，与具有温度调制功能的所述传感器电性连接，所述分压电路、所述滤波器、所述放大器与所述传感器电性连接。

本发明的另一种实施例，一种应用于上述任意一项的呼吸气体检测系统的控制方法，其特征在于，包括：所述微型计算机开启所述第一真空泵、所述第一三通阀的进气口与出气口、所述第二真空泵、所述第三真空泵、所述第二三通阀的进气口与出气口，所述传感器连续采集所述第一真空泵吸入的外部空气数据，所述外部空气数据稳定性后，将所述稳定后的空气数据作为基线数据；关闭所述第一真空泵、所述第一三通阀的进气口，开启所述气压传感器，将所述中介腔与所述气室的内部空气排出；关闭所述第一三通阀的出气口，开启所述第一真空泵、所述第一三通阀的排气口，所述第一真空泵吸入口呼气体，所述第一三通阀的排气口将死腔空气排出；关闭所述第一三通阀的排气口、所述第二真空泵、所述第二三通阀的进气口、开启所述第一三通阀的出气口、所述气压传感器，当所述中介腔中气压达到预设阈值时，关闭所述第一三通阀的出气口、所述第一真空泵；开启所述第二真空泵、所述第二三通阀的进气口和出气口，当所述中介腔中气压不再下降时，关闭所述第二三通阀的出气口、所述第二真空泵；所述传感器连续采集所述口呼气体数据。

可选的，还包括：所述微型计算机开启所述第一真空泵、所述第一三通阀的进气口和出气口、所述第二真空泵、所述第二三通阀的进气口和排气口，持续预设时长，关闭所述第二三通阀的排气口，开启所述第二三通阀的出气口、所述第三真空泵，持续预设时长，关闭所述第一真空泵、所述第二真空泵、所述第三真空泵、所述第一三通阀、所述第二三通阀。

可选的，所述数据采集卡通过外部计算机设备控制输出温度阶梯信号，将所述温度阶梯信号传递至所述信号处理电路中的温度阶梯电路，所述温度阶梯电路通过分段阶梯式电压加热，控制具有温度调制功能的所述传感器的温度分段阶梯式变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中，传感器，与所述连接层密封连接，所述传感器的检测端延伸至所述通道的内部，所述传感器的检测端高度小于所述通道的高度；在所述气室的外部发散分布多个所述通道，用于安装所述传感器，可以避免来自多面的气体直接吹拂所述传感器表面，从而在不同的气体流速的环境中得到最为稳定的响应结果，所述传感器的检测端高度小于所述通道的高度，所述传感器的检测端未直接与所述气室中的气流接触，所述气室内部的气体流动方式为逐渐扩散到传感器表面，在整体意义上减轻了不同气体流速对所述传感器响应的影响，相对于传统设计，恒定了所述传感器的表面温度，大大的提高了呼吸感知设备对目标气体检测的准确性。

附图说明

图1为本发明的气室结构示意图。

图2为本发明的气盖结构示意图。

图3为本发明的气体检测流程示意图。

图4为本发明的传感器结构示意图。

图5为本发明的传感器另一结构示意图。

图6为本发明的阶梯式温度调制响应图。

图7为本发明的功能结构示意图。

图8为本发明的控制方法流程图。

图中，1-气室、2-通道、3-连接层、4-气盖、5-传感器、501-检测端、502-限位凸起、503-电路板、504-接线端、6-第一真空泵、7-第一三通阀、8-中介腔、9-气压传感器、10-微型计算机、11-数据采集卡、12-信号处理电路、13-第二真空泵、14-第二三通阀、15-第三真空泵、16-控制处理设备、17-气体检测设备、18-气体采集设备。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的方案进行清楚、完整的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，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。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参照图1-图8，本发明的一种呼吸气体检测系统，包括气体采集设备18、气体检测设备17和控制处理设备16，其特征在于，所述气体检测设备17包括：气室1，开设有通气腔；通道2，设置于所述气室1的外壁，并与所述气室1连通；在所述气室1的外部设置有所述通道2，用于安装所述传感器5，可以避免来自多面的气体直接吹拂所述传感器5表面，从而在不同的气体流速的环境中得到最为稳定的响应结果；连接层3，与所述通道2背离所述气室1的一端固定连接；传感器5，与所述连接层3密封连接，所述传感器5上设置有限位凸起502，通过所述限位凸起502与所述连接层3抵接密封，也可通过粘胶方式密封固定，所述传感器5的检测端501延伸至所述通道2的内部，并与所述通道2靠近所述气室1的一端具有间隙；所述传感器5的检测端501高度小于所述通道2的高度，所述传感器5的检测端501未直接与所述气室1中的气流接触，所述气室1内部的气体流动方式为逐渐扩散到所述传感器5表面，在整体意义上减轻了不同气体流速对所述传感器5响应的影响，相对于传统设计，恒定了所述传感器5的表面温度，大大的提高了呼吸感知设备对目标气体检测的准确性；气盖4，与所述通气腔的两端可拆卸连接，所述气盖4上开设有通气孔。

本发明的另一种实施方式，所述通道2的数量为多个，并沿所述气室(1)的轴向发散分布，且均对应安装有所述传感器5，本发明相对其他自研疾病诊断用呼吸分析设备来说，针对无创疾病诊断进行了特异化的传感器阵列设计，使设备对关联疾病的生物标志物的识别更加敏感与精确，所述传感器5作为疾病诊断用呼吸分析设备的核心部件之一，传感器阵列中所述传感器5的选择直接决定了设备可识别气体样本的范围与精度，为了提高设备的精确性；所述传感器5为气体传感器或气体温度调制传感器，所述传感器5为二氧化碳传感器、氨气传感器、挥发性有机物传感器、丁烷，丙烷传感器、乙醇传感器、丙酮，氨气，硫化氢温度调制传感器、丙酮，氨气，硫化氢传感器、氢气，一氧化碳温度调制传感器、氨气，硫化氢传感器、乙醇温度调制传感器、温湿度传感器中的其中一种。

设计团队比较了来自各国的多家所述传感器5制造商的各类产品，并通过实际采集健康受试者与糖尿病患者的口呼出气样本进行二分类实验，综合考虑了传感器的性能，最佳工作温度，稳定性，交叉响应问题，可捕获目标气体范围等因素后，最后选定了由十个气敏传感器与一个湿温度传感器组成本发明的传感器阵列，本发明中所使用的传感器组的基本信息如表1所示：

表1：气体检测设备传感器基本信息表

由上述内容可知，本发明的有益效果在于，通过观察可以发现，本发明所使用的传感器阵列设计有两个特点，第一点是，同一种生物标志物可能被多个所述传感器5捕获，通常所述传感器5为气敏传感器，多个捕获的气体例如丙酮，氨气等，这是由于所使用的气敏传感器绝大多数都属于金属氧化物传感器，它们具有结构简单，价格低廉，检测灵敏度高，反应速度快等优势，但存在交叉响应的问题，也就是一个气敏传感器可以对多种目标气体产生响应，即使有些目标气体并不是它的主要捕获对象，这就导致如果对某种重要生物标志物，例如氨气，只设置一个可以捕获它的气敏传感器，在分析结果的时候无法判断气敏传感器的响应是氨气引起的，还是有不确定的其他气体对结果产生了影响，而在本发明中，对重要的生物标志物，都设置了多个气敏传感器进行捕获，由于多个气敏传感器之间的对目标气体的敏感程度不同，最后在结果中会显示出有差异的响应，这种互补性可以使得后续的分析过程中使用模式识别方法更好地对疾病进行诊断。

第二点是，在本发明中设置了具有温度调制功能的所述传感器5，首先需要提及的是，本发明中所使用的金属氧化物传感器的敏感程度与工作温度存在强相关性，通常存在一个最佳工作温度，当所述传感器温度趋近最佳工作温度时，灵敏度会增强；当所述传感器温度远离最佳工作温度时，灵敏度会减弱；因此，如果使所述传感器在一个以分段阶梯电压变化的温度下工作，不同目标气体所造成的响应会有所不同，从而在交叉响应中显示出差别，并带来更加丰富的感知信息；在实际应用中，设计团队通过对具有温度调制功能的所述传感器进行温度调制，能够多方面的获取数据且获得不同温度下的传感器数据以对比分析，大大的提高了呼吸气体检测系统的准确性。

本发明的另一种实施方式，所述气室1为正多棱柱体，且内部设有圆柱形通气腔；在便于放置的同时，又能够使得通气腔内的气体更均匀的扩散，所述通道2均匀分布于所述气室1的外部表面；所述连接层3为多个，且依次首尾固定连接；所述气盖4数量为两个且为半球形状，分别与所述通气腔的两个通气端通过螺纹连接固定，从而形成密闭的气体采集环境，防止受到外界的干扰而影响数据的有效性。

本发明的另一种实施方式，所述气体采集设备18包括：真空泵，为微型真空泵；三通阀；中介腔8，所述中介腔8内部固定安装有气压传感器9；所述真空泵、所述三通阀、所述中介腔8与所述气室1连通设置，通过由所述控制处理设备16控制的所述气压传感器9实现了无气袋的呼吸分析设备的定量分析，最终使得患者不再需要额外使用气袋收集呼出气体，传统的设备需要首先使用气袋对气体进行收集再通入检测设备进行检测，对于基于气袋的自研疾病诊断用呼吸分析设备来说，缺点在于难以保证整个感知流程的洁净性，从气袋的选择，运输，乃至样本预处理等操作，都可能导致相关生物标志物的损失和污染，这主要取决于气袋与吸附剂的材料，并且由于在客观上增加了感知流程所需的步骤与设备，会对系统增加不受控制的不确定性，同时增加了整个流程的时间和经济成本；而本发明中呼吸气体检测设备，可以直接通过一次性吹口对设备的总进气路进行吹气，设备将自动完成对呼出气体的收集工作，并且通过所述第一三通阀7排除死腔空气的影响，对于其他众多基于无气袋的气体成分分析设备来说，样本的标准化采集都是一个问题，这些设备往往只是通过控制呼气时长来控制样本采集，这是不准确的，因为每个人的肺活量均有差异，即使是在相同的采样时长中也会呼出不同量的气体，从而导致不准确的结果，本发明通过使用所述中介腔8与所述气压传感器9，在简化了采样流程，去除了气袋的前提下还保证了气体标准化不会有大幅度缺失，大大的提高了检测数据的准确性。

本发明的另一种实施方式，所述真空泵数量为三个，分别为第一真空泵6、第二真空泵13、第三真空泵15；所述三通阀数量为两个，分别为第一三通阀7、第二三通阀14，所述三通阀的排气端与外界连接，进气端与所述真空泵连接，出气端与中介腔或气体采集设备18连接；通过控制所述真空泵、所述三通阀、对口呼气体进行检测，并且由于所述中介腔与所述所述气压传感器9的压力检测，使得气体样本的采集与输入均为标准检测量，所述第一真空泵6、所述第一三通阀7、所述中介腔8、所述第二真空泵13、所述第二三通阀14、所述气室1、所述第三真空泵15依次连通设置，在采集呼吸气体时，可将外界空气排除后再进行采集，降低了外界空气对数据的干扰效果，大大的提升了检测的准确性。

本发明的另一种实施方式，所述控制处理设备包括：微型计算机10，本发明中选用微型单板计算机型号为树莓派4b，分别与所述第一真空泵6、所述第一三通阀7、所述气压传感器9，所述第二真空泵13、所述第二三通阀14、所述第三真空泵电性连接15；信号处理电路12，与所述传感器5电性连接；所述传感器5针对疾病无创诊断领域进行了多种特异性设计，缓解了所述传感器5交叉响应的问题，同时在无气袋的设计中实现了定量收集样本，排除了死腔空气的影响，实现了设备的自动化控制，有效降低了使用门槛，大大的提高了准确性和使用效率，，数据采集卡11，本发明中选用DMP605(32位系统)、DMP205(64位系统)的数据采集卡11，一端与所述信号处理电路12电性连接，另一端与外部计算机设备电性连接。

本发明的另一种实施方式，所述信号处理电路12包括：分压电路；滤波器；放大器；温度调制电路，与具有温度调制功能的所述传感器电性连接，所述分压电路、所述滤波器、所述放大器与所述传感器电性连接温度调制信号通过改变所述传感器5的输入电压来改变所述传感器5温度，从而影响敏感度，本发明中通过将周期性连续变化的输入电压改为以分段阶梯式电压对所述传感器5进行加热，传统的温度调制方法是在单次感知中多次改变温度，而本发明所使用的温度阶梯调制则是在多个温度条件中进行多次感知，本发明的一种实施方式为，使用三段式加热方法，分别以150摄氏度，200摄氏度，300摄氏度的温度进行三次完整的感知过程，而不是在一次感知使用多个温度，此方式有两个有益效果，第一点它仍然保持了传统温度调制方法的优点，它同样可以在不同温度条件中展现不同气体的信息，不同温度下的多此感知实际上是将样本进行扩增，第二点是本方法得出的是周期性响应曲线，可以更好的观察到每个传感器响应幅值的变化，从而更好地解释分析的结果，解决了传统温度调制解释性不足的缺点。

本发明的另一种实施例，一种应用于上述任意一项的呼吸气体检测系统的控制方法，其特征在于，包括：所述微型计算机10开启所述第一真空泵6、所述第一三通阀7的进气口与出气口、所述第二真空泵13、所述第二三通阀14的进气口与出气口，所述传感器5连续采集所述第一真空泵6吸入的外部空气数据，所述外部空气数据稳定性后，将所述稳定后的空气数据作为基线数据，是为了排除外界空气对检测系统检测口呼气体数据的影响，为检测数据提供初始依据；关闭所述第一真空泵6、所述第一三通阀7的进气口，开启所述气压传感器9和所述第三真空泵15，将所述中介腔8与所述气室1的内部空气排出；能够在呼吸检测设备中创建逼近真空的环境，以防止后续的口呼气体样本被稀释，抽真空时间视具体需求而定，通常可以等待所述气压传感器9的值不再下降后进行下一阶段；关闭所述第一三通阀7的出气口，开启所述第一真空泵6、所述第一三通阀7的排气口，所述第一真空泵6吸入口呼气体，所述第一三通阀7的排气口将死腔空气排出；由于人体内的死腔空气很有可能受到外界环境乃至吸烟，饮食等因素影响，不能保证其中的生物标志物是在肌体的新陈代谢过程中产生还是受到其他因素污染，所以在本发明中，对这一部分样本不进行收集；关闭所述第一三通阀7的排气口、所述第二真空泵13、所述第二三通阀14的进气口、开启所述第一三通阀7的出气口、所述气压传感器9，当所述中介腔8中气压达到预设阈值时，关闭所述第一三通阀7的出气口、所述第一真空泵6；通过所述中介腔8中气压达到预设阈值，可以判断口呼气体在所述中介腔8中定量采集，后续检测设备可以针对定量的口呼气体进行检测，防止每次检测量不同而影响数据的准确，大大的提高了检测数据的准确性；开启所述第二真空泵13、所述第二三通阀14的进气口和出气口，当所述中介腔8中气压不再下降时，关闭所述第二三通阀14的出气口、所述第二真空泵13；所述传感器5连续采集所述口呼气体数据，本发明中开启时间设定为60秒以上。

本发明的另一种实施方式，还包括：所述微型计算机10开启所述第一真空泵6、所述第一三通阀7的进气口和出气口、所述第二真空泵13、所述第二三通阀14的进气口和排气口，持续预设时长，关闭所述第二三通阀14的排气口，开启所述第二三通阀14的出气口、所述第三真空泵15，持续预设时长，关闭所述第一真空泵6、所述第二真空泵13、所述第三真空泵15、所述第一三通阀7、所述第二三通阀14，以上是本发明完成一次口呼气体检测的完整流程，各阶段中微型真空泵与三通阀的开启，所述气压传感器9响应的读取皆有微型单板计算机自动化完成，并会将设备当前所处阶段显示在显示屏上，以简化用户的操作难度，避免错误操作的出现。

本发明的另一种实施方式，所述数据采集卡11通过外部计算机设备控制输出温度阶梯信号，将所述温度阶梯信号传递至所述信号处理电路12中的温度阶梯电路，所述温度阶梯电路通过分段阶梯式电压加热，控制具有温度调制功能的所述传感器5的温度分段阶梯式变化。

由上述内容可知，本发明的有益效果在于，可以在不同温度条件中，借由传感器灵敏度的差异，展现相同气体的不同响应，不同温度下的多此感知实际上是将样本进行扩增，得出的是复数个普通响应曲线的组合，可以更好的观察到每个传感器响应幅值的变化，从而缓解了金属氧化物传感器伴随的交叉响应问题，可在后续的模式识别方法中展现出更明显的差异性，并解决了传统温度调制方法解释性不足的缺点。

可以理解的是，金属氧化物气体传感器，它的工作原理简单来说是通过传感器表面对气体分析的吸附从而产生的化学或生物作用，或者通过物理吸附而带来的导电率的变化来反应对目标气体分子浓度的响应，这种响应一般以电压的形式展现。

需要理解的是，此类传感器对气体响应的敏感程度是与传感器表面温度呈相关关系的，通常存在一个最佳工作温度，处于此温度下的传感器对气体的敏感程度最强，并且当传感器表面温度逐渐趋近或远离最佳工作温度，传感器的敏感程度均会下降。与此同时，一种传感器并不只对一种气体产生响应，而是会对多种气体产生不同幅度的响应，这种性质最后在设备里的体现就是单个传感器的响应可能源于多种可能存在的气体成份，而一种气体成份也可能会引起多个传感器的响应，这被称为金属氧化物传感器的交叉响应特性。

事实上，金属氧化物传感器的交叉响应问题使得对气体成份的感知更加复杂以及困难，如果能缓解这个问题，可以在一定程度上提升感知的性能。我们从传感器敏感程度与温度的相关性得到启发，认为如果一个传感器会对多种气体成分产生响应，且传感器对不同气体的敏感程度随表面温度变化的规律与幅度是不同的，这样我们就可以通过人工改变传感器的温度来让不同气体成分在同一个传感器上展现出不同的响应值。

为了方便理解，这里举一个例子，假设我们有一个传感器A，它同时会对气体1，气体2，气体3，共三种气体产生响应，同时当A的温度为X度时，气体1，气体2，气体3贡献的响应电压分别为，电压1，电压2，电压3，总贡献为电压1+电压2+电压3。而当我们人工把A的温度改为Y度时，气体1，气体2，气体3的响应电压会随之改变，我们假设新结果为，电压A，电压B，电压C，总贡献为电压A+电压B+电压C。在这两种情况中，传感器最敏感的气体已经发生了改变，从而实现了在气体成份不改变的情况下，通过改变外部条件得到更多信息。当温度变化越多时，我们便可以得到更多样，更复杂的响应点，这种变化对于模式识别方法而言，是十分有效的。

对于温度调制方法的有效性的讨论，我们已经进行了相关实验，通过观察设备传感器组表格可知，设备中设置有相同传感器的通常模式与温度调制模式，例如(TGS2602)的温度调制模式与通常模式，因此我们可以使用这两个传感器的数据进行疾病分析，并根据分析结果判断两个通道中传感器的数据价值；

实验用传感器：TGS2602其主要目标气体为丙酮，氨气，硫化氢等具有强烈气味的气体

实验用样本量：健康样本：1291个

糖尿病样本：491个(对应丙酮)

肾病样本：398个(对应氨气)

其他肾病样本：140个(对应氨气)

胃炎与消化炎样本：241个(对应硫化氢)

胆病样本：137个(对应硫化氢)

实验用二分类方法：使用前向特征选择的逻辑回归方法

实验设计：分别将健康样本与各个疾病独立进行二分类实验，得出的结果为二分类正确率。

根据设备的传感器阵列设计表格可知，其中两个通道中分别设置有带有温度调制功能的TGS2602传感器，和普通的TGS2602传感器，两个传感器的数据的分类正确率对比表如表2所示：

表2：传感器的数据的分类正确率对比表

	糖尿病	肾病	其他肾病	胃炎与消化类	胆病
						通道6(温度调制)	0.7914	0.6839	0.6500	0.7225	0.7069
通道7(普通)	0.6825	0.6451	0.6278	0.6283	0.6724

实验中进行的是健康样本分别与糖尿病样本，其他肾病样本，肾病类样本，胃炎与消化类样本，胆病样本的二分类实验，依据为TGS2602的主要目标气体为丙酮(糖尿病)，氨气(肾病)以及硫化氢(消化道)等具有刺激性气味的气体。

可以发现，具备温度调制功能的传感器的数据的分类正确率相比普通传感器有着显著提高，证明使用温度调制方法来采集的数据可以在实际分析中展现出更丰富的信息，对于模式识别方法而言，是十分有效的。

在此基础上，我们采用阶梯式温度调制的方法，在多次感知中施加阶梯电压，在单次感知中不改变电压值，依此，我们得到的新响应曲线可参考如图6所示的阶段式温度调制响应图，数据由通道6传感器分别在2.5V与2.99V的加热电压下取得，应当理解的是，加热电压并不局限于2.5V和2.99V；

可以看出，阶梯式温度调制的响应曲线可理解为在不同温度条件下对同个气体样本进行多此采集，最后形成类似多个不同普通响应曲线的组合，可以更好的观察到每个传感器响应幅值的变化，从而更好地解释分析的结果，解决了传统温度调制解释性不足的缺点。这样我们就可以在保证温度调制方法本身的优势的前提下(可以从结果中明显看出，传感器响应有着明显的上升，这是由于温度改变了传感器本身对目标气体成份的敏感性)，展现出更好的可读性与解释性，因为普通响应曲线是清晰的。同时，第二版温度调制方法还具备额外的优势，它相当于对呼气样本进行样本扩增。这不仅仅对呼气样本有意义，实际上对于医疗样本而言，样本数的稀缺一直是一个关键问题，对于许多性能优异的模型都无法有效驱动。

因此，阶梯式温度调制方法具有重大意义，它不但同样可以在不同温度下展现出呼气样本更丰富的有效信息，还具备更好的可读性与解释性，同时在一定程度上完成了对呼气样本的扩增。

工作原理：本发明中，传感器5，与所述连接层3密封连接，所述传感器5的检测端501延伸至所述通道2的内部，所述传感器5的检测端501高度小于所述通道2的高度；在所述气室1的外部发散分布多个所述通道2，用于安装所述传感器5，可以避免来自多面的气体直接吹拂所述传感器5表面，从而在不同的气体流速的环境中得到最为稳定的响应结果，所述传感器5的检测端501高度小于所述通道2的高度，所述传感器5的检测端501未直接与所述气室1中的气流接触，所述气室1内部的气体流动方式为逐渐扩散到所述传感器5表面，在整体意义上减轻了不同气体流速对所述传感器5响应的影响，相对于传统设计，恒定了所述传感器5的表面温度，大大的提高了呼吸感知设备对目标气体检测的准确性；本发明所使用的传感器阵列设计有两个特点，第一点是，同一种生物标志物可能被多个所述传感器5捕获，通常所述传感器55为气敏传感器，多个捕获的气体例如丙酮，氨气等，这是由于所使用的气敏传感器绝大多数都属于金属氧化物传感器，它们具有结构简单，价格低廉，检测灵敏度高，反应速度快等优势，但存在交叉响应的问题，也就是一个气敏传感器可以对多种目标气体产生响应，即使有些目标气体并不是它的主要捕获对象，这就导致如果对某种重要生物标志物，例如氨气，只设置一个可以捕获它的气敏传感器，在分析结果的时候无法判断气敏传感器的响应是氨气引起的，还是有不确定的其他气体对结果产生了影响，而在本发明中，对重要的生物标志物，都设置了多个气敏传感器进行捕获，由于多个气敏传感器之间的对目标气体的敏感程度不同，最后在结果中会显示出有差异的响应，这种互补性可以使得后续的分析过程中使用模式识别方法更好地对疾病进行诊断；通过由所述控制处理设备16控制的所述气压传感器9实现了无气袋的呼吸分析设备的定量分析，最终使得患者不再需要额外使用气袋收集呼出气体，传统的设备需要首先使用气袋对气体进行收集再通入检测设备进行检测，对于基于气袋的自研疾病诊断用呼吸分析设备来说，缺点在于难以保证整个感知流程的洁净性，从气袋的选择，运输，乃至样本预处理等操作，都可能导致相关生物标志物的损失和污染，这主要取决于气袋与吸附剂的材料，并且由于在客观上增加了感知流程所需的步骤与设备，会对系统增加不受控制的不确定性，同时增加了整个流程的时间和经济成本；而本发明中呼吸气体检测设备，可以直接通过一次性吹口对设备的总进气路进行吹气，设备将自动完成对呼出气体的收集工作，并且通过所述第一三通阀7排除死腔空气的影响，对于其他众多基于无气袋的气体成分分析设备来说，样本的标准化采集都是一个问题，这些设备往往只是通过控制呼气时长来控制样本采集，这是不准确的，因为每个人的肺活量均有差异，即使是在相同的采样时长中也会呼出不同量的气体，从而导致不准确的结果，本发明通过使用所述中介腔8与所述气压传感器9，在简化了采样流程，去除了气袋的前提下还保证了气体标准化不会有大幅度缺失，大大的提高了检测数据的准确性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种呼吸气体检测系统，包括气体采集设备(18)、气体检测设备(17)和控制处理设备(16)，其特征在于，所述气体检测设备(17)包括：

气室(1)，开设有通气腔；

通道(2)，设置于所述气室(1)的外壁，并与所述气室(1)连通；

连接层(3)，与所述通道(2)背离所述气室(1)的一端固定连接；

传感器(5)，与所述连接层(3)密封连接，所述传感器(5)的检测端(501)延伸至所述通道(2)的内部，并与所述通道(2)靠近所述气室(1)的一端具有间隙；

气盖(4)，与所述通气腔的两端可拆卸连接，并开设有通气孔。

2.根据权利要求1所述的呼吸气体检测系统，其特征在于，所述通道(2)的数量为多个，并沿所述气室(1)的轴向发散分布，且均对应安装有所述传感器(5)，所述传感器(5)为气体传感器或气体温度调制传感器。

3.根据权利要求1所述的呼吸气体检测系统，其特征在于，所述气室(1)为正多棱柱体，且内部设有圆柱形通气腔；所述通道(2)均匀分布于所述气室(1)的外部表面；所述连接层(3)为多个，且依次首尾固定连接；所述气盖(4)数量为两个且为半球形状，分别与所述通气腔的两个通气端通过螺纹连接固定。

4.根据权利要求1所述的呼吸气体检测系统，其特征在于，所述气体采集设备(18)包括：

真空泵；

三通阀；

中介腔(8)，所述中介腔(8)内部固定安装有气压传感器(9)；所述真空泵、所述三通阀、所述中介腔(8)与所述气室(1)连通设置。

5.根据权利要求4所述的呼吸气体检测系统，其特征在于，所述真空泵数量为三个，分别为第一真空泵(6)、第二真空泵(13)、第三真空泵(15)；所述三通阀数量为两个，分别为第一三通阀(7)、第二三通阀(14)；所述第一真空泵(6)、所述第一三通阀(7)、所述中介腔(8)、所述第二真空泵(13)、所述第二三通阀(14)、所述气室(1)、所述第三真空泵(15)依次连通设置。

6.根据权利要求5所述的呼吸气体检测系统，其特征在于，所述控制处理设备包括：

微型计算机(10)，分别与所述第一真空泵(6)、所述第一三通阀(7)、所述气压传感器(9)，所述第二真空泵(13)、所述第二三通阀(14)、所述第三真空泵(15)电性连接；

信号处理电路(12)，与所述传感器(5)电性连接；

数据采集卡(11)，一端与所述信号处理电路(12)电性连接，另一端与外部计算机设备电性连接。

7.根据权利要求6所述的呼吸气体检测系统，其特征在于，所述信号处理电路(12)包括：

分压电路；

滤波器；

放大器；

温度调制电路，与具有温度调制功能的所述传感器电性连接，所述分压电路、所述滤波器、所述放大器与所述传感器电性连接。

8.一种应用于权利要求6-7中任意一项的呼吸气体检测系统的控制方法，其特征在于，包括：

S100，所述微型计算机(10)开启所述第一真空泵(6)、所述第一三通阀(7)的进气口与出气口、所述第二真空泵(13)、所述第二三通阀(14)的进气口与出气口、第三真空泵(15)，所述传感器(5)连续采集所述第一真空泵(6)吸入的外部空气数据，并将所述空气数据作为基线数据；

S200，关闭所述第一真空泵(6)、所述第一三通阀(7)的进气口，开启所述气压传感器(9)，将所述中介腔(8)与所述气室(1)内部空气排出；

S300,关闭所述第一三通阀(7)的出气口，开启所述第一真空泵(6)、所述第一三通阀(7)的排气口，所述第一真空泵(6)吸入口呼气体，所述第一三通阀(7)的排气口将死腔空气排出；

S400，关闭所述第一三通阀(7)的排气口、所述第二真空泵(13)、所述第二三通阀(14)的进气口、开启所述第一三通阀(7)的出气口、所述气压传感器(9)，当所述中介腔(8)中气压达到预设阈值时，关闭所述第一三通阀(7)的出气口、所述第一真空泵(6)；

S500,开启所述第二真空泵(13)、所述第二三通阀(14)的进气口和出气口，当所述中介腔(8)中气压不再下降时，关闭所述第二三通阀(14)的出气口、所述第二真空泵(13)，所述传感器(5)连续采集所述口呼气体数据。

9.根据权利要求8所述的呼吸气体检测系统的控制方法，其特征在于，

还包括：

S600,所述微型计算机(10)开启所述第一真空泵(6)、所述第一三通阀(7)的进气口和出气口、所述第二真空泵(13)、所述第二三通阀(14)的进气口和排气口，持续预设时长，关闭所述第二三通阀(14)的排气口，开启所述第二三通阀(14)的出气口、所述第三真空泵(15)，持续预设时长，关闭所述第一真空泵(6)、所述第二真空泵(13)、所述第三真空泵(15)、所述第一三通阀(7)、所述第二三通阀(14)。

10.根据权利要求9所述的呼吸气体检测系统的控制方法，其特征在于，所述数据采集卡(11)通过外部计算机设备控制输出温度阶梯信号，将所述温度阶梯信号传递至所述信号处理电路12中的温度阶梯电路，所述温度阶梯电路通过分段阶梯式电压加热，控制具有温度调制功能的所述传感器5的温度分段阶梯式变化。