CN204903382U - 在线检测人体呼气标识性顺磁气体分子浓度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于在线人体呼气检测技术领域，具体为一种在线检测人体呼气中的标识性顺磁气体分子浓度的装置。本实用新型装置包括取样模块、检测模块，两个模块协调配合工作，可以在线实时检测呼气中的一氧化氮和二氧化氮顺磁性气体分子的浓度。本实用新型利用法拉第旋光原理解决现有装置受呼气中的水和二氧化碳分子的干扰，无需对呼气样气进行干燥过滤处理，避免了因干燥过滤处理而损失掉部分一氧化氮浓度的问题，提高了呼气检测的精度和可靠性。本实用新型通过合理的结构设计使整个装置突破了现有装置存在的体积庞大，检测耗时长，对样气的流速和压强的要求高等技术难点，拓宽了适用人群。

Description

在线检测人体呼气标识性顺磁气体分子浓度的装置

技术领域

本实用新型属于在线人体呼气检测技术领域，具体涉及一种利用双调制法拉第光谱技术在线检测人体呼气标识性顺磁气体分子浓度的装置。

背景技术

呼气检测作为我国传统医学“望闻问切”之一的诊断疾病的方法已经有了很久的研究历史。而随着现代医学技术的不断发展，通过呼气检测方法来诊断人体的某些疾病已经成为现在医学领域研究的热点。尤其在最近这几年，随着气体传感器的快速发展，研究人员基于人体呼气检测研发出各种各样的高精度，便携式的呼气检测仪，通过检测人体呼气中的一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氧气(O2)、氢气(H2)、硫化物(XS)等气体分子的含量来间接的诊断人体胃肠病、口腔病、呼吸道等疾病。医学研究表明，人体呼气中除了氮气（N2）、氧气（O2）、水（H2O）、二氧化碳（CO2）还含有很多种气体分子，浓度一般在ppm甚至ppb量级，这些气体分子主要通过外界吸入和人体自身部分器官产生。例如一氧化氮主要是人体肺部及呼吸道炎症产生的，通过定量检测呼气中一氧化氮(NO)的含量可以帮助医生诊断哮喘，慢性咳嗽、肺动脉高压、慢阻肺等慢性气道炎症。因此，通过检测人体呼气中的特定气体分子的浓度来诊断人体疾病是有科学的依据。

目前基于呼气的检测装置应用的原理主要有电化学法，化学荧光法。利用电化学法和化学荧光法检测呼气中的某些气体分子的含量虽然检测精度也可以达到ppm量级，甚至ppb量级，但基于这两类检测原理的检测装置一般存在装置体积庞大，装置寿命短，检测时间长，受水气（H2O）和二氧化碳（CO2）等干扰气体分子的影响较大。非常不利于气体检测装置的便携式、低功耗、高精度和高灵敏度的发展趋势，很难实现呼气检测装置的普及和商业化发展。

现有技术的技术方案中，基于电化学法的呼气检测装置利用电化学原理对人体呼气中的具有标志性的气体分子进行探测，这类方法虽然可以实现对气体定量的检测，但基于该技术的检测装置往往存在体积比较庞大，检测气体耗时较长，检测的灵敏度和精度相对比较低等缺点，而且装置使用寿命短，相对成本较高，尤其对呼气的压力和湿度要求比较高，使得检测装置的受用人群受到极大限制。该类装置因受到温度，压力，气流等诸多因素的存在，往往只能存在与实验室，难以普及到医疗行业。基于化学荧光法的呼气检测装置可以实现ppm量级，甚至ppb量级的呼气检测，但由于人体呼气中存在水和二氧化碳等干扰分子的存在，使得检测的可靠性和灵敏度相对较低。而且化学荧光法检测呼气需要臭氧(O3）作为反应气体，存在二次污染，且需要经常校准，装置性价比和可靠性低，检测结果存疑。

现有技术的缺点主要为：

检测实时性差，耗时长；

装置寿命短，相对成本高；

易受二氧化碳和水的影响，影响呼气检测的可靠性和检测精度；

使用过程需要反应物，会产生二次污染；

对呼气的流速和压强要求较高，适用人群窄；

检测过程需对样气进行干燥过滤处理，会损耗掉部分一氧化氮，检测结果可靠性低；

无法实现对两种分子的同时检测。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有呼气检测装置存在的诸多技术缺陷，提出一种基于双调制法拉第光谱技术的高稳定性，高灵敏度，高可靠性的探测顺磁气体分子浓度的装置。

本实用新型提出的探测顺磁气体分子浓度的装置，主要包括检测模块和取样模块，参见图1和图2所示，两个模块之间协调配合工作共同实现呼气检测任务。本实用新型装置可以在线实时检测呼气中的一氧化氮和二氧化氮顺磁性气体分子的浓度。利用法拉第旋光原理的优势是只有一氧化氮和二氧化氮等顺磁分子具有很强的法拉第旋光信号，可以解决现有的装置受呼气中的水（H2O）和二氧化碳（CO2）等非顺磁分子的信号干扰，无需对呼气样气进行干燥过滤处理，避免了因干燥剂过滤处理而损失掉的部分一氧化氮（NO），提高了呼气检测的精度和可靠性。本实用新型通过合理的结构设计使整个装置突破了现在装置存在的体积庞大，检测耗时长，对样气的流速和压强的要求高等技术难点，拓宽了适用人群。而且本实用新型利用波长调制技术可以实现同时检测一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）两种顺磁分子，实现了装置的高效率使用，提高了呼气检测的精确。

所述检测模块包括：依次连接的激光源8、起偏器7、法拉第腔5、检偏器3、第一光电探测器2、信号解调器1，以及依次连接的平面高反射镜片13、参考法拉气体池12、第二光电探测器11、频率锁定器20；而且平面高反射镜片13接收来自检偏器3的一路光，频率锁定器20与激光源8连接；还有一与频率锁定器20连接的用于驱动法拉第腔5中电磁线圈的线圈驱动器10；其中：

激光源8，产生具有第二频率的波长调制的第一激光束，其中第二频率高于第一频率；

法拉第腔5，包括一腔体，该腔体内部充有利用第一频率的交变磁场调制的待测气体，腔体外部缠有产生第一交变磁场的电磁线圈；

起偏器7，将激光源8的波长调制的第一激光束转换成线偏振光，并将该偏振光入射到法拉第腔；

检偏器3，将从法拉第腔5的腔体输出的偏振调制的激光束转换成强度调制的激光束；

两个光电探测器2和11，其通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号；

线圈驱动器10，用于驱动线圈的微小交流信号放大；

频率锁定器20，利用所述波长调制的激光束对所述第一激光束进行波长校准或锁定；

信号解调器1，解调所述多个波长调制的第二激光束通过法拉第腔5的腔体之后通过光电转换输出的电信号；

平面高反射镜片13，其表面镀有高反射膜，其将改变激光束的传播方向并进入到所述法拉第腔内；

参考法拉气体池12，其为玻璃材质，其内充有配置好浓度的标准气体。

所述取样模块包括：呼气气嘴14、流量计15、气压控制阀16、压力控制泵17，以及法拉第腔5的进气嘴6、出气嘴4；呼气气嘴14、流量计15、气压控制阀16依次连接，气压控制阀16通过气管与法拉第腔5的进气嘴6连接，压力控制泵17通过气管与法拉第腔5的出气嘴4连接；其中：

呼气气嘴14，通过与气管连接，用于将测试者的呼气收集并通入到法拉第腔5的腔体；为塑料材质；

流量计15，用于监测呼气的流速大小；

进气嘴6，用于将呼气导入到法拉第腔5的腔体内，进行检测；

出气嘴4，用于排放法拉第腔5的腔体内被检测后的气体成分；

气压控制阀16，用于控制法拉第腔5的腔体内的样气的压力；

压力控制泵17，用于抽取法拉第腔5的腔体内的空气以降低压力。

本实用新型有益效果

（1）无需对样气进行干燥处理，检测的可靠性强；

（2）非侵入性设备，对人体无伤害；

（3）灵敏度高，检测时间短，单次成本低；

（4）不易受水（H2O）和二氧化碳（CO2）的干扰，误差非常低；

（5）对呼气流速及压强没有过高要求，患者适应性强；

（6）灵敏度高，数据实时连续，临床及科研可用性强；

（7）无需反应物，对环境无污染；

（8）使用寿命长，可靠性高；

（9）不同疾病对应不同特征分子，拓展性较好；

（10）可便携，可联网交互数据；

（11）可区分一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）同位素，实现同位素标定科学研究。

应该理解，属于本领域的普通人员通过更改部分器件结构或者部分控制软件即可实现针对氧气等其他顺磁性气体分子的检测，所涉及应用领域可以是医疗，环境，工业过程等都属于本实用新型所保护的范畴。

本实用新型的技术关键点

本实用新型的技术关键点在于其所述的两个组成模块。所述取样模块能够精准无损耗的将呼气样气导引到所述的法拉第腔中，其所属的每一个组件缺一都不可能完成对测试者呼气的准确无耗采样。所述的检测模块其每一个组成部件的性能参数，相对位置都是不能随意变换的，任何微小的变动都可能造成呼气检测的结果不准确。尤其是所述的信号解调器以及基于信号解调器的所述控制模块的控制程序和算法都是本实用新型的技术关键所在。本实用新型的呼气检测装置所达到的以下三个功能效果是现有技术方案无法实现的：

（1）可以消除呼气检测过程中水（H2O）和二氧化碳（CO2）对检测精度的影响

本实用新型的在线检测人体呼气中标识性顺磁一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）分子浓度的装置，关键在于利用法拉第旋光光谱技术可以实现在整个检测过程人体呼气中的水和二氧化碳对检测的结果没有影响，因为法拉第旋光光谱技术只对那些顺磁性分子有作用，本实用新型可以达到对一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）两种分子的选择性检测。而传统的基于电化学法和化学荧光法的呼气检测装置都会受到水和二氧化碳（CO2）干扰。传统方法为了消除水和二氧化碳（CO2）的对检测精度的影响务必会对呼气进行过滤，以消除部分水（H2O）和二氧化碳（CO2），但由于一氧化氮（NO）反应活性非常高，在过滤水（H2O）和二氧化碳（CO2）时干燥剂会将部分一氧化氮（NO）反应掉，导致整个检测结果的可靠性低。而本实用新型可以忽略水和二氧化碳（CO2）的影响，检测结果的可靠性强。

（2）可以同时检测一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）两种顺磁性分子

本实用新型的另一关键技术在于利用波长调制技术可以实现同时检测呼气中的一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）两种顺磁性分子。所述的同时检测两种顺磁分子其关键在于波长调制技术可以实现对所述激光源实现波长调制，使对一氧化氮（NO）的检测波长点和二氧化氮（NO2）检测波长点的激光源调制在不同的频率，通过对不同分子的激光的波长频率以及锁相解调实现频率的区分，达到利用同一光路同时检测两种分子的功能，提高系统功能性，降低了仪器成本。实现了对呼气中的二氧化氮（NO2）浓度的检测，结合一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）两种顺磁分子的检测结果使得整个结果可靠性强。

（3）样品流速可控，检测领域大

化学荧光法为了与臭氧（O3）混合产生最强信号，对样品流速有一个最优化的值；而法拉第旋光技术由于是非接触式样品分析，对样品流速没有特殊要求。低流速可以应用于样品量小的检测领域如(昆虫，小型动植物代谢分析)，高流速可应用于流速大的领域等。用户可以根据需要自由调整样品采集流速。

附图说明

图1为本实用新型装置的整体架构组成模块图。

图2为本实用新型装置的关键组成部件图。

图3为本实用新型装置的呼气检测流程图。

图中标号：1为解调器；2、11为光电探测器；3为检偏器；4为出气嘴；5为法拉第腔；6为进气嘴；7为起偏器；8为激光源；9为波长调制频率；10线圈驱动器；12为参考法拉气体池；13为平面高反射镜片；14为呼气气嘴；15为流量计；16为压力控制阀；17压力控制泵；18为气管；19为PC机；20为频率锁定器。

具体实施方式

由图1所示，本实用新型装置包括取样模块、检测模块，具体为：

所述取样模块包括：

呼气气嘴14，与气管连接，塑料材质，用于将测试者的呼气收集并通入到法拉第腔；

气管18，塑胶材料，用于连接各个取样部件；

流量计15，用于监测呼气的流速大小；

进气嘴6，用于将呼气导入到法拉第腔进行检测；

出气嘴4，用于排放法拉第腔内被检测后的气体成分；

气压控制阀16，用于控制法拉第腔内的样气的压力；

压力控制泵17，用于抽取法拉第腔内的空气以降低压力。

所述检测模块包括：

激光源8，其产生具有第二频率的波长调制的第一激光束，其中第二频率高于第一频率；

法拉第腔5，包括一腔体，该腔体内部充有利用第一频率的交变磁场调制的待测气体，腔体外部缠有产生第一交变磁场的电磁线圈；

起偏器7，其将波长调制的第一激光束转换成线偏振光，并将该偏振光入射到法拉第腔；

检偏器3，其将从法拉第腔输出的偏振调制的激光束转换成强度调制的激光束；

两个光电探测器，其通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号；

线圈驱动器10，其将用于驱动线圈的微小交流信号放大。

频率锁定器20，其利用所述波长调制的激光束对所述第一激光束进行波长校准或锁定；

信号解调器1，其解调所述多个波长调制的第二激光束通过法拉第腔之后通过光电转换输出的电信号；

平面高反射镜片13，其表面镀有高反射膜，其将改变激光束的传播方向并进入到所述法拉第腔内；

波长调制频率9，即为所述的第二调制频率f1，由信号解调器1产生，实现对激光源的波长调制；

参考法拉气体池12，其为玻璃材质，其内充有配置好浓度的标准气体；

具体细节如下：

所述激光源8包括激光器及其控制器，通过对控制器进行设定，可以控制激光器输出第一激光束和经波长调制后的多个第二激光束，所述对控制器设定，可设定其输出电流和激光源的工作温度，以实现对激光源的波长输出控制；

所述法拉第腔5包括腔体和电磁线圈，所述腔体为玻璃材质以保证磁场不被屏蔽，用于储存要检测的样气。所述电磁线圈缠绕在法拉第腔体上，对其加载第一频率的信号可以产生一个对法拉第腔内样气调制的电磁场；

所述信号解调器1其解调多个波长调制的第二激光束通过法拉第腔之后通过光电探测器转换输出的电信号，所述多个第二激光束的每一个被波长调制以产生多个波长调制的第二激光束，多个波长调制的第二激光束具有各自不同的第三频率，各自不同的第三频率高于第一频率并且不同于所述第二频率；

所述气压控制阀16对其进行压力参数设定即可对法拉第腔内的压力锁定到一个固定的压力点。

结合图2所示的检测模块，对本实用新型的各个具体部件之间的控制关系和工作流程详细描述如下：

所述检测模块包括一个法拉第腔，其内部充有利用第一频率f0的交变磁场调制的待测气体。激光源8产生具有第二频率f1的波长调制的第一激光束。如上所述，第二频率f1高于第一频率f0。起偏器将波长调制的第一激光束转换成线偏振光，并将该偏振光入射到法拉第腔腔体。法拉第腔之后是检偏器，其将从法拉第腔输出的偏振被调制的激光束转换成强度调制的激光束。然后是光电探测器2，其通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号。最后通过信号解调器1来解调电信号以获得第一待测气体的光谱信息；信号解调器中包括有乘法器、低通滤波器等，所述乘法器对输入信号和参考信号进行乘法运算，将两路输入信号变为一路输出信号，然后对所述一路输出信号经过所述低通滤波器运算，将信号高频部分滤除，让低频部分通过，实现了高频噪声的过滤；最后第一解调器将解调的结果传输到PC机19，实现数据的输出和分析。

所述的第一激光束经过检偏器之后分成两束，一束进入光电探测器2，另外一束光束经过平面反射镜13进入参考气体池12产生分子吸收，带有一氧化氮（NO）或者二氧化氮（NO2）分子吸收光谱信息的进入到光电探测器11，光电探测器11将光强度调制的激光束转换为电信号，最后光电探测器11输出的电信号被频率锁定器20接收，频率锁定器20对载有分子吸收光谱信息激光束进行分子之后会输出用于调制激光源的第三频率，实现激光源输出频率的锁定。所述频率锁定器中设置有频率锁定算法PID，PID为应用比例、积分、微分运算，将激光器的输出频率锁定到一个固定的频率点，实现了激光器的稳定输出，从而缩短检测周期。

结合图3所示的呼气检测流程，对本实用新型的具体使用方式详细描述如下：

首先，打开电源给对应的光电器件提供所需的电压和电流，待电源稳定后打开装置的开关，开关打开后其内部的初始化程序和算法进行初步运行实现对装置内部的激光源，多个探测器，流量计，压力控制阀，压力控制泵，信号解调器，法拉第腔等光电部件进行初始化设定，使整个装置达到检测预热状态；待检测装置稳定后即可发送给装置开始检测的指令。

当装置进入待测状态后，由医护人员将测试者带到指定的测试位置，并通过呼气气嘴进行呼气采样，在采样的同时，装置已经开始检测测试者呼气中的一氧化氮(NO)或者二氧化氮(NO2)的含量，呼气采样结束同时装置检测结束，并通过PC机将检测的结果显示打印出报告，最后根据检测结果有医护人员开出相应的诊断措施。

所述初始化设定，其在于将激光源的控制器的电流和温度设定在特定的范围之内，使激光源输出的波长在我们检测顺磁分子一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的波长范围内；其还在于初始化解调器的输出用于波长调制的第一频率，第二频率和第三频率；其还在于初始化设定压力控制阀所要控制的法拉第腔的压力点；其还在于初始化设定控制软件模块所要控制的其他部件及驱动程序，以保证检测过程准确、安全、完整。

Claims (1)

1.一种在线检测人体呼气标识性顺磁气体分子浓度的装置，其特征在于包括检测模块、取样模块；

所述检测模块包括：依次连接的激光源（8）、起偏器（7）、法拉第腔（5）、检偏器（3）、第一光电探测器（2）、信号解调器（1），以及依次连接的平面高反射镜片（13）、参考法拉气体池（12）、第二光电探测器（11）、频率锁定器（20）；而且平面高反射镜片（13）接收来自检偏器（3）的一路光，频率锁定器（20）与激光源（8）连接；还有一与信号解调器（1）连接的用于驱动法拉第腔（5）中电磁线圈的线圈驱动器（10）；其中：

激光源（8），产生具有第二频率的波长调制的第一激光束，其中第二频率高于第一频率；

法拉第腔（5），包括一腔体，该腔体内部充有利用第一频率的交变磁场调制的待测气体，腔体的外部缠有产生第一交变磁场的电磁线圈；

起偏器（7），将激光源（8）的波长调制的第一激光束转换成线偏振光，并将该偏振光入射到法拉第腔；

检偏器（3），将从法拉第腔（5）的腔体输出的偏振调制的激光束转换成强度调制的激光束；

两个光电探测器（2和11），其通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号；

线圈驱动器（10），用于驱动线圈的微小交流信号放大；

频率锁定器（20），利用所述波长调制的激光束对所述第一激光束进行波长校准或锁定；

信号解调器（1），解调多个波长调制的第二激光束通过法拉第腔（5）的腔体之后通过光电转换输出的电信号；

平面高反射镜片（13），其表面镀有高反射膜，用于改变激光束的传播方向，并使其进入到所述法拉第腔内；

参考法拉气体池（12），其内充有配置好浓度的标准气体；

所述取样模块包括：呼气气嘴（14）、流量计（15）、气压控制阀（16）、压力控制泵（17），以及法拉第腔（5）的进气嘴（6）、出气嘴（4）；呼气气嘴（14）、流量计（15）、气压控制阀（16）依次连接，气压控制阀（16）通过气管与法拉第腔（5）的进气嘴（6）连接，压力控制泵（17）通过气管与法拉第腔（5）的出气嘴（4）连接；其中：

呼气气嘴（14），通过与气管连接，用于将测试者的呼气收集并通入到法拉第腔（5）的腔体；

流量计（15），用于监测呼气的流速大小；

进气嘴（6），用于将呼气导入到法拉第腔（5）的腔体内进行检测；

出气嘴（4），用于排放法拉第腔（5）的腔体内被检测后的气体成分；

气压控制阀（16），用于控制法拉第腔（5）的腔体内样气的压力；

压力控制泵（17），用于抽取法拉第腔（5）的腔体内的空气，以降低压力。