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专利名称：：呼气检测装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及呼气检测领域，更具体地说，涉及一种个人用呼气检测装置，检测呼气中作为疾病标志物的气体分子，进行个人自检与监护。
背景技术：
：呼气检测是中国传统医学四珍中的"闻气辨病"的科学延伸。例如古人根据呼气烂苹果味(丙酮)判断糖尿病、霉臭味(氨气)判断肾脏问题等。这种过去仅凭嗅觉的经验方法借助于现代分析仪器，现在已经成为一门诊断科学。近年来采用微型气体传感器开发的便携式呼气氢气、硫化物与一氧化氮等检测仪已经分别用于胃肠病、口腔病和胃肠病的检测。然而目前它们并不像糖尿病血糖仪的应用那样普及，还未普及到社区诊所和家庭个人。呼气看起来比验血方便简单，但呼气的取样和;险测却较为复杂困难，目前还必须由专业人员或经过培训后操作，而且检测仪需要利用钢瓶配气并按照严格的程序定期标定，通常要7天一次。生的气体分子，而气道又包括口腔、募腔、气管、支气管与肺泡等部分。呼气检测是测试其中体内由某一部分产生的作为疾病标志物的气体分子。因此首先要吸入除去该标志物分子的空气，然后排除不是该部分产生的呼气。胃肠病与口腔病检测的分别是肺泡气与口腔气，而译喘病检测的则通常是排除了口腔和鼻腔气的气道气。检测装置需要测试者保持一定范围的呼气流量来划分呼气的时段，并按时段进行排空和取样。呼气的流量、压力、温度、湿度与其它气体均可能对测量产生干扰，必须控制或消除。其中的检测器或传感器受这些因素或环境的影响均会发生信号漂移，必须定期标定。只有解决呼气的取样与测试的标定问题，呼气检测仪才能像血糖检测仪那样获得广泛的应用，走进社区诊所与家庭。申请号US2004/0082872的美国专利公开了一种嗜喘呼气一氧化氮检测装置，采用流量与压力控制器、气泵与气体缓冲室等构成的反馈气路，通过与呼气压力测量值成正比的声光强弱信号，提醒测试者调节呼气的流量到规定的数值，分别排空与取样，并利用恒温、恒湿与恒流的条件下进行测量。申请号为2006/0195040的美国专利公布了一种更为复杂的呼气检测装置，包括了由更多的流量与压力控制器、气泵与缓冲室等构成的串并联气路，分别控制排放、取样与测量过程。引入越来越多的先进的微流体机械与微电子信息处理的器件，固然解决了其中的一个或两个问题，但同时也带来了复杂度增加、可靠性下降与制造和使用成本的增加。而这些可能反而事与愿违地限制了呼气检测装置的推广使用。另外一个悬而未决的问题是必须的频繁标定。仅就这一点就足以使家庭甚至许多医院诊所用户望而止步。
发明内容本发明针对目前呼气检测技术的不足提供了一种呼气检测装置，可以有效自动的控制呼气的排放、取样与检测而无需标定与任何专业维护。本发明提供的呼气检测装置包括一个检测气路和一个控制单元。检测气路用于呼气的排放、取样与测量，而且可以对同一样品保持相同的流量与压力条件进行多次的测量。控制单元用来控制检测气路的功能与性能，并对测量信号进行处理、存储与显示。该检测装置使用方便、简单可靠，其中一个最重要的特征是不需要外部标定，而是通过对同一样品多次测量信号的处理确定被测气体的浓度，而且对测试者呼气、取样和测量的流量和压力等自动调节与控制，保证检测结果的可靠性和一致性。本发明上述的以及其它的特征、性质和优势将通过下面结合附图、具体实施说明以及实施例的描述而变得更加明显。将参照附图结合在下面的具体实施说明、实施例与权利要求更加详细地描述本发明。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中图1是本发明的呼气检测装置的结构具体实施例方式本发明的呼气检测装置如图l所示，其中检测气路包括1是呼气滤嘴，用来除去呼气中的病毒、细菌、微粒或水汽等，测试者由此呼气或吸气，开始检测；2是一进二出型二位三通电磁阀，两个出口一个用于排空，另一个连接到3用于取样；3是活塞气泵，其中活塞为电动马达驱动的线性传动杆(图中未标明)进行线性位移，位移的速度与行程由电动马达的转速与时间控制，由连接到2的管线进行取样，并由连接到4的管线输送样品进行测量，取样与测量的流量与压力由活塞恒速的线性位移调节与控制；4是二位二通电磁阀，取样时关闭，测量时打开；5是对被测气体电信号响应的气敏元件，优选的是电化学类型；6是细长盘管形成的活塞流管，气体通过时前后气体不发生混合；7是对呼气压力或流量电信号响应的压敏元件。8是该呼气检测装置的控制单元，通过与电磁阀2与4、气敏元件5、活塞气泵6与压敏元件7的电路连接(图中虚线)进行呼气排放、取样与测'量过程的控制，并通过微处理器进行信号采集、处理、存储，并通过液晶显示检测结果以及必须的控制参数。此外该控制单元还包括和呼气流量成正比的声光提示。本发明呼气检测装置的具体实施方式如下测试者由l进行呼气。该呼气首先从排气阀2排空。呼气口设置的气敏元件7用来根据测量的呼气流量(压力)估算需要排空的时间。到该时间后，活塞气泵开始以期望的呼气流量进行恒流恒压取样。该阶段如果测试者过强的呼气使呼气流量大于期望值，则该部分呼气无法进入活塞气泵，只能从排气阀排出。反之当呼气过弱或呼气流量过低时，活塞气泵则增加测试者气道的呼气流量到期望值。因此该阶段进入活塞气泵的均是具有流量期望值的呼气。本发明活塞气泵驱动的恒流恒压过程结合排气阀的取样与弥补了传统方法的不足。传统方法中，虽然测试者可以通过取样气路中设置的流量与压力控制器并结合声光提示调节自己的呼气流量，但该调节需要一个过程，有时甚至不一定产生预期的效果，反而使测试者紧张而效果更差。而且调节过程可能出现的过高或过低流量的呼气也可能被取样。这种情况尤其发生在呼吸困难、听觉与视觉困难的人群，包括老人、病人和幼儿。而大多数测试者初次接受呼气检测时，通常都是呼气过强。显然，本发明的取样技术适合于所有这些情况，而且如果取样过程中出现呼气太强的情况，会自动地将其排空。当满足取样流量要求的呼气样品在活塞气泵中积累到预定的气量时，其中的活塞开始反向移动，将呼气样品输送至为气敏元件4进行测量。此时活塞的移动速度按测量期望的流速与压力设定并恒定。传统的检测装置中，呼气样品是从存放呼气样品的气室中由气泵驱输送到气敏元件，并结合流量压力控制装置保证恒流恒压的测量条件。而本发明则将气泵、样品室与流量压力控制装置结合成一个活塞气泵装置，结构与操作简单可靠。然而，本发明装置一个最为突出、传统装置并不具有的是无需外部标定的特征。本发明者申请号为sw2008002的中国专利揭示了一种通过电化学气敏元件循环电极电解求取气体浓度的方法。按照该方法，如果利用本发明装置中活塞气泵4中活塞的往复运动，便会形成一个同一呼气样品反复通过气路3456、由电化学气敏元件5循环电解的过程。本发明装置中活塞流管6就是为此而设置的。在活塞气泵中活塞的往复运动中，呼气样品从活塞气泵进入该管并排挤管内的气体流入环境，然后再返回到活塞气泵，如此往复。其间呼气样品通过气敏元件4经历恒流恒压的电解过程。对长度L与流通截面A的管道和流量Q的流动，化工或流体工程提出的活塞流条件是L/A〉kD/Q,其中D为被测气体在呼气样品中的分子扩散系数，而k是一个常数，越大越接近活塞流，实际取值范围为10-1000。此外必须考虑的是如何保证在气体往返经过气敏元件是相同的流速与压力条件。气体往返的流速可以恒定，但从活塞气泵到活塞流管时压力从高压到环境压力，而返回时则从环境压力到一个低压。如果该压力变化相对于流速对被测气体的电解速率的影响可以忽略，则往返可以简单的保持相同的速率。反之，必须产生一个流速的差异弥补压差的影响，保持相同的电解条件。按照sw2008002的中国专利公布的方法，根据每次测得的电解响应电流I(t),可由下式来确定被测气体的浓度C=I(0)/2,303kNFV其中，1(0)=起始或第一次测量的响应信号电流V=呼气样品的体积N=被测气体分子参与电解反应的电荷数F=法拉第常数K=[ln(I(t)—ln(I(O))]A，通过回归分析求出确定然而在本发明装置的实际应用中，并不需要每次都采用该方法确定被测气体的浓度。而是将该方法作为一种定期校准或标定的手段，如同传统检测装置所采用的定期标定方法样。本质的区别只是本发明装置的用户不再需外部配置的标准配气钢瓶和遵循厂商制定的标定程序，而是需要时启动本发明装置提供的标定按钮即可。应用实施例一本例用来^L明本发明如何用于呼气一氧化氮的个人^f企测或自4企。该检测可能是目前临床应用中要求^难度最高的呼气检测。为此，美国与欧洲从1997年起数度修改推荐的呼气一氧化氮检测标准，并在2005年联合制定并公布了统一的标准，对取样与检测要求的推荐要点如下1.吸气2-3秒，吸入含有低于5ppb—氧化氮的安全卫生的气体；2.呼气压力为5-20毫米水柱，防止鼻腔气进入；3.呼吸流量为45-55毫升/秒，持续至少6秒，以保证300毫升的呼气中包括可供排放和取样分析的气体；4.检测包括a)低于5ppb的检测下限与精度(灵敏度要求)；b)避免各种来自呼气中干扰气体的影响(选择性要求)；c)检测的流速、温度、压力与湿度保持一致或消除它们的影响；d)每次检测最好校正零点，至少每天一次；e)定期标定(通常7天一次)。本应用实施例用来表明本发明装置的用户自检时可以同时满足上述推荐的要求。参见图1。过滤器1由3A分子筛与传统的医疗用呼吸过滤器构成，此外连接一个单向阀控制流向的标准推荐的高锰酸钾/活性炭过滤管，用于吸气中去除空气中的一氧化氮。活塞取样泵4的筒体直径与最大行程分别为5与5.1厘米，由此产生的最大容积略大于100毫升。气敏元件4为发明者在申请号为sw2008001的中国专利中使用的电化学气敏元件。活塞流管由内经1厘米、长度40厘米的聚四氟乙烯软管构成，容积略大于30毫升。所有部件的连接部分采用内径为5毫米的塑料接管。表一表明了本发明呼气检测装置对呼气一氧化氮检测的所有细节。其中的零点校正由于已经成为呼气一氧化氮检测的一种标准化的方法而未在本发明的具体实时方式中描述。其具体的实施是让呼气或空气利用吸气使用的一氧化氮过滤装置后作为零点气，进入检测装置进行零点校正。检测的结果实际上是呼气一氧化氮的测量信号与该零点信号的差值。如果测量与零点校正时保持相同的温度、湿度、流量、压力与干扰气体的组成，该差值部分消除了这些因素的影响，或者说消除了这些因素造成的零点或基线漂移。但零点校正并不能校正这些因素以及气敏元件本身老化或失活导致的信号或灵敏度的漂移。这些影响必须遍过标定进行校正。从表一可以看出，包括吸气、呼气的排放与取样、测量、零点校正与标定等均由测试者本人结合本发明装置的自动过程而进行。被检测者只需要对着本发明装置提供的呼吸滤嘴自由的吸气与呼气IO秒钟，然后等待本发明装置提供的检测维果。每隔一定时间，本发明装置会按照检测的次数或使用的时间自动的进行一次标定。如果标定失败，本发明装置会提示用户像更换手机电池一样更换气敏元件或者其它有问题的部件。表一本发明呼气检测装置用于呼气一氧化氮检测的过程<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>应用实施例二本例用来说明本发明如何用于胃肠病呼气氩气的个人检测。呼气一氧化氮检测属内源或呼气成分直接检测。而呼气氩气则属于指示剂呼气检测，通过口服一种肠道细菌可酵解的试验糖后检测作为酵解产物气体氳气或甲烷的浓度变化，由此诊断胃肠道病理生理状态。两类检测相比，前者对检测的精度与检测下限要求较高，通常在ppb或更低的浓度范围；而后者检测的范围则在ppm的高浓度范围，市场上大多数气体传感器都能满足该项要求，然而该项检测更为由于需要口服指示剂并观察呼气浓度随时间的变化成冗长的检测过程，一般需要每半小时一次检测一次，共检测6至10次，共需要4到5个小时，有时还须要分几天进行检测。而且每次测试均需要反复呼气几次，并要求测试者自己控制呼气流量在40毫升/秒左右，每次呼气而且要尽可能的长，累计的呼气时间可能需要70秒钟，以便检测仪能够利用足够的气量或重复的测量提供稳定可靠的结果。上述要求结合对呼气排放与取样的控制以及标定等因素已经成为呼气氢气检测方法问世30余年、检测仪已经从台式装置演变到手掌型装置，但仍未能像个人用血糖检测仪那样普及的主要原因。本发明应用实施例用来表明本发明呼气检测装置可以使个人用户满足这些要求。由于空气中的氢气浓度与测试者未服用测试剂前的呼气浓度大致相同(0-2ppm),而服用后的呼气氩气浓度变化大都增加到10-30ppm，因此通常不需要吸气过程而直接的呼气取样与检测。因此采用实施例一中描述的呼气一氧化氮检测装置用于呼气氩气检测时，不需要吸气过滤通道。而且呼气的排放与取样也相对简单。此外可以采用市场上供应的工业气体检测用电化学氬气传感器。该传感器的检测精度与下限为lppm的量级。表二比较了本发明呼气检测装置与市场上一种呼气氩气检测仪的应用实施情况。表二本发明呼气检测装置用于呼气氲气检测与传统仪器的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>通过表二的比较可以清楚看出本发明呼气检测装置的特征和优势。对呼气氢气检测，不经提高了检测的可靠性，而且显著简化了操作使用的条件。个人用户只需要针对不同检测的内容，按照对应的检测步骤即可完成所有的冲企测。上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。权利要求1.一种呼气检测装置，其特征在于，包括检测气路，该检测气路对呼气进行排放、取样与一次或多次测量；控制单元，该控制单元对所述排放、取样与测量自动控制、并对测量信号处理与输出显示检测结果。2.如权利要求1所述的呼气检测装置，其特征在于，所述检测气路包括呼吸滤嘴，用于除去气体中微粒、病毒、细菌、部分水汽等；压敏元件，用于测量呼气的压力或流量；活塞气泵，用于恒速与恒压的取样与气体输送；气敏元件，用于测量呼气中被测气体的浓度；活塞流管，用于使气体经该管流动时前后之间不发生混合。3.如权利要求2所述的检测气路，其特征在于，所述活塞气泵中的活塞以恒速线性位移的方式进行恒流恒压取样、并以往复运动的方式进行恒流恒压气体输送，活塞的线性位移的速度与行程被所述控制单元自动控制。4.如权利要求2所述的检测气路，其特征在于，所述气敏元件包括电化学、氧化物半导体、碳纳米管等对被测气体电信号响应的气敏元件，信号由所述控制单元处理，优选的是电化学气敏元件。5.如权利要求1所述的呼气检测装置，其特征在于，所述控制单元包括微处理器用于过程控制、信号采集、处理与存储；液晶显示用于显示检测与标定结果。全文摘要本发明揭示了一种呼气检测装置。该装置包括一个检测气路和一个控制单元。检测气路包括呼吸滤嘴、压敏元件、活塞气泵、气敏元件、活塞流管与电磁阀。检测气路对呼气取样后，通过活塞气泵的往复运动，可以对同一样品多次测量。多次测量值可以用来确定被测气体的浓度而无需多次取样以及外部标定。控制单元对取样与测量过程自动控制、并对检测信号采集、处理与输出显示。文档编号G01N33/50GK101393199SQ200810196518公开日2009年3月25日申请日期2008年9月8日优先权日2008年9月8日发明者杰韩申请人:无锡尚沃生物科技有限公司