专利名称：自标定呼出气体分析设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及呼气气体检测领域。
背景技术：
呼气一氧化氮作为气道炎症的标志物用于哮喘等呼吸病的检测分析已经获得医疗界充分肯定。欧洲与美国分别在1997年与1999年制定了呼气一氧化氮检测推荐标准，并在 2005 年联合制定与公布了该项标准(“ATS/ERS Recommendations for StandardizedProcedures for the Online and Offline Measurement of Exhaled Low RespiratoryNitric Oxide and Nasal Nitric Oxide, 2005”，ATS 为美国咽喉学会缩写，ERC 为欧洲呼 吸学会缩写，以下简称《标准》)。该《标准》用来指导如何进行检测与将检测结果用于哮喘等呼吸病的诊断与疗效评价。《标准》对呼气检测提出了高灵敏度与高选择性要求，例如，对一氧化氮检测的精度和下限必须低于5ppb，检测必须在控制的气流与压力范围内进行，检测的结果不得受到温度、湿度与其它气体的干扰。通常能够满足这一要求的是按此标准开发的化学发光分析仪。该仪器属于实验室分析仪器，不仅贵重，而且需要频繁的标定与专业维护，因此临床应用与推广受到极大限制。为此，人们一直试图利用微小的气体传感器开发便携式呼气检测仪，甚至可以像糖尿病血糖检测仪那样，用于家庭健康护理。公开号为CN16814635的中国专利(对应的美国专利申请号US20040082872)公布了一种便携式呼气一氧化氮检测仪。该发明主要利用标准推荐、也是化学发光分析仪采用的恒温、恒压、恒流和恒湿等控制装置避免呼气样品与环境的温度、压力、气流与湿度对一氧化氮传感器的干扰。然而该发明并未说明呼气中其它气体的干扰以及消除或避免的方法。此外这些通常用于实验室分析仪器中的控制装置使得检测仪结构十分复杂，而且只能在规定的室内温度与湿度条件下实现有效的控制。公开号为7352465的美国专利揭示了一种利用生物光学传感器检测呼气一氧化氮的检测仪。与电化学传感器一样，在低于PPm的检测范围内，该传感器对湿度与呼气中一些气体，例如二氧化碳等十分敏感。该专利采用3A分子筛和氧化铝等多孔介质分别去除水分子与二氧化碳。然而，由于呼气中还存在其它干扰气体，一一除去所有干扰气体即使有可能，但也十分复杂与昂贵。另外一个非常重要、但上述以及其它发明尚未提及的问题是传感器与检测的标定方法。受到外部(温度、湿度、干扰气体等)与内部(检测部件的失活或老化)条件的影响，所有传感器与检测仪或分析仪的性能都会衰减，通常表现为零点与信号的漂移。因此使用中需要对零点与灵敏度进行频繁的标定，而这些标定通常需要外部辅助设备与专业操作。虽然可以采取频繁更换传感器与检测部件的方法避免标定，但为此付出的代价可能比标定更闻。
发明内容
本发明将揭示一种可直接对呼出气体进行测量而无需标准气对传感器进行标定的方法与装置，该装置与方法同时能提高测试的选择性、准确性与稳定性。该设备包括呼气控制模块、取样模块、检测模块及控制模块，分别用于对测试者进行呼气的排放与取样，对所述呼气控制模块、取样模块与检测模块进行控制、并进行信息的收集、处理、存储与通讯；所述取样模块包括至少气室，用于暂时存放呼出气体的一部分，其中至少一个气室中的气体用于直接测量，至少一个气室中的气体经电解导致其浓度定量变化后再进行测量，两个气室通过三通电磁阀与检测模块相连；所述检测模块由阀门、传感器、气泵及管路组成，用于将至少两个气室中的气体分别通入传感器进行测量。上述设备中的两个气室可通过二位三通阀串联连接，此时三通电磁阀的公共端接检测模块。上述设备中的两个气室也可并联连接，此时所述两个气室进出气端分别通过二位二通阀并联后与呼气控制模块与检测模块连接。利用上述设备进行呼气分析测量的过程如下
按预定的流量、压力及呼气时间呼气到所述设备中；
将未经浓度调整气室中的气体通入传感器进行测量，测量结果满足测量方程；
对至少一个气室中的气体进行电解，记录电解电量用于计算电解导致的浓度变化，该浓度变化满足质量方程；
将至少一个经过浓度调整气室中的气体通入传感器进行测量，结果满足测量方程； 由上述多个测量方程与质量方程计算呼气样品气体浓度及传感器的灵敏度。另外，本发明设备与方法利用电化学电解技术对现场呼出气体样品浓度定量调整，然后由差值分析算法直接计算呼气样品浓度，相当于每次测量在现场呼气条件下进行了一次自标定，因而可最大程度地消除呼气与环境温度、湿度、压力与干扰气体的影响，保证了对一氧化氮检测的选择性、准确性与稳定性，在PPb浓度范围内的检测时也不需要对检测器及所检测气体进行精密的温湿度控制，简化了仪器设计，也无需对检测器的灵敏度进行标定维护。
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I是本发明的设备气路结果示意图之一；
图2是本发明的设备气路结果示意图之二；
图3利用该分析设备对(T300ppb NO气体进行测试的结果与配气浓度间的关系；
图4利用该分析设备对15、75及200ppbN0气体连续测量40天的稳定性数据。
具体实施方式
对呼气一氧化氮的检测，《标准》推荐的呼气流量与压力分别在50毫升/秒与5-20毫米水柱，呼气时间大于6秒，由此至少呼出大约为300毫升的呼气样品，前一部分由于是口腔而非气道或肺部的气体必须排放，后一部分用于检测。此外还必须考虑的是如何同时排出检测仪气路与部件内原来存在的气体，避免这些气体混入进入的呼气，影响检测的可靠性。呼气控制模块的设计充分考虑上述标准对呼气流量、压力、时间控制的要求，通过对气路阻力的调整实现对呼气压力的控制，通过设置流量压力反馈装置实现对呼气流量的控制，通过软件实现对采样时间的控制，而对于气路中原有气体的排空，设计原则是保证检测仪气路与气体经过的部件均保持活塞流的流动状态，气体推动前面原来存在的气体，不发生流动方向前后的气体混合，直至将前面的气体以及呼气的前一部份气体排出检测仪。活塞流的产生与保持取决于流速、流动距离、流通截面以及流动部件的几何形状，最常见的活塞流装置为细长的管道。另外的设计考虑是尽量避免检测仪内部装置或部件中的死体积。 图I是根据呼气一氧化氮检测标准要求及自标定气体检测要求设计的自标定呼气气体分析设备气路结构示意图，它包括呼气控制模块100、取样模块、检测模块及控制模块，分别用于对测试者进行呼气的排放与取样，对所述呼气控制模块、取样模块与检测模块进行控制、并进行信息的收集、处理、存储与通讯
所述取样模块包括两个气室201、202，用于暂时存放呼出气体的一部分，其中一个气室201中的气体用于直接测量，另一个气室202与阀门304、气泵502、电化学一氧化氮电解池601及阀门305构成循环气路，该气室中的气体经电化学一氧化氮电解池601循环电解导致其浓度定量变化后再进行测量，两个气室通过二位三通电磁阀302与检测模块相连，两气室的体积均为30ml ;所述检测模块由二位三通电磁阀302、一氧化氮传感器401、气泵501及管路组成，用于将两个气室中的气体分别通入一氧化氮传感器401进行测量。打开阀门310、303，控制三通阀302、关闭阀门303、304，将75ppb —氧化氮标准气经过阀门301、气室201、三通阀302、气室202、阀门305通入所述设备中进行后续测量，其测量过程如下
1)控制三通阀302，通过泵501抽取气室201中的气体经过传感器401，记录传感器401的稳态响应电流，该传感器的响应满足关系
S^kC=O. 165 (uA)(I)
其中S1为传感器响应值、k为传感器灵敏度、C为气体浓度
2)打开阀门303、304，关闭阀门305，通过气泵502使气体经气室202、阀门303、电化学一氧化氮电解池601、阀门304后回到气室202。在此循环过程中，电解池对气室中的一氧化氮气体进行电解导致其浓度下降，该过程满足关系
Q= / i201dt =nFV* Δ C=4. 95 (uC)(2)
其中Q为响应消耗电量、 201为电解池201电解电流、t为循环电解时间、η为法拉第常数、V为气室体积、Λ C为电解导致气体浓度的变化量。3)切换三通阀302，通过泵501抽取气室202中的气体经过传感器401，记录传感器401的稳态响应电流，该传感器的响应满足关系
S2=k(C- Δ C)=0. 123 (uA)(3)由方程(I) (3)联立可求得
k=nFV(S1-S2)/ f i201dt =2. 21 (nA/ppb)(4)
C= SiASl-S〗)* f i201dt/ (nFV) =75. 2 (ppb)(5)
上述方法求得的传感器灵敏度为2. 2nA/ppb,与用标准气直接计算得到的灵敏度(公式⑴)吻合。通过呼气控制模块直接对设备呼气将将呼出气体收集气室201及202中，重复上述步骤(I)、(2)、(3)计算出传感器401对一氧化氮的灵敏度为2 . 25nA/ppb, 口呼气一氧化氮浓度为16. 7ppb,灵敏度与标准气测试结果接近，口呼气测试结果也与瑞典Aerocrine公司的NIOX的测试结果17. 2ppb无显著差异。由此可见，上述装置与方法可以在不需要标准气体的情况下确定传感器202的灵 敏度的同时，也可以测量样品气浓度。图3是利用该分析设备对(T300ppb NO气体进行测试的结果，结果表明该测试仪在(T300ppb范围内测量结果与配气浓度基本吻合。图4是利用该分析设备对15、75及200ppbN0气体连续测量40天的数据，结果表
明其稳定性非常好。以上通过通过一氧化氮传感器标定的实例说明了该装置的工作原理及过程，由原理可知，只要传感器的响应满足响应方程(1)，过程(2)能够建立质量方程(2)，通过步骤
(3)进行二次测量就能对传感器401的灵敏度进行标定，而对传感器类型没有限制，可以为电化学传感器、半导体传感器、催化燃烧传感器、红外传感器等。如果一氧化氮传感器401的响应是非线性的，也可通过设置多个气室，每个气室控制不同的循环电解时间，产生不同变化浓度的气体进行测量，建构由多个质量方程及测量方程组成的方程组，完成对非线性传感器参数的标定及气体浓度的测量。由上述分析可见，本发明设备与方法利用电化学电解技术对现场呼出气体样品浓度定量调整，然后由差值分析算法直接计算呼气样品浓度，相当于每次测量在现场呼气条件下进行了一次自标定，因而可最大程度地消除呼气与环境温度、湿度、压力与干扰气体的影响，保证了对一氧化氮检测的选择性、准确性与稳定性，在PPb浓度范围内的检测时也不需要对检测器及所检测气体进行精密的温湿度控制，简化了仪器设计，也无需对检测器的灵敏度进行标定维护。图2是依据同一发明思路搭建的自标定呼气分析设备气路另一种实现方式，与上述实施例不同的是，本实现方式中两个气室是并联连接的，呼气时通过呼气控制模块IOOa将气体同时呼入气室201a与202a，分析测试时分别控制阀门301a、302a、303a及306a使两个气室的气体分别通入传感器进行测量，测试分析过程同上。上述实施例介绍的是利用电化学一氧化氮传感器测试呼气一氧化氮的设备与方法，实际上，从上述分析原理及测试过程来看，所述设备与方法对传感器的类型选择并没有限制，因而通过选择不同的传感器，如一氧化碳、氢气、氨气、醛类等传感器，所述方法与装置也可用于上述气体的自标定分析。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。
权利要求
1.自标定呼出气体分析设备，包括呼气控制模块、取样模块、检测模块及控制模块，分别用于对测试者进行呼气的排放与取样，对所述呼气控制模块、取样模块与检测模块进行控制、并进行信息的收集、处理、存储与通讯；其特征在于所述取样模块包括至少气室，用于暂时存放呼出气体的一部分，其中至少一个气室中的气体用于直接测量，至少一个气室中的气体经电解导致其浓度定量变化后再进行测量，两个气室通过阀门与检测模块相连；所述检测模块由阀门、传感器、气泵及管路组成，用于将至少两个气室中的气体分别通入传感器进行测量。
2.如权利要求I所述自标定呼出气体分析设备，其特征在于其中所述两个气室通过二位三通电磁阀串联连接,三通电磁阀的公共端接检测模块。
3.如权利要求I所述自标定呼出气体分析设备，其特征在于其中所述两个气室进出气端分别通过二位二通阀并联后与呼气控制模块与检测模块连接。
4.呼出气体分析方法，该方法使用权利要求I所述设备，其特征在于 按预定的流量、压力及呼气时间呼气到所述设备中； 将未经浓度调整气室中的气体通入传感器进行测量，测量结果满足测量方程； 对至少一个气室中的气体进行电解，记录电解电量用于计算电解导致的浓度变化，该浓度变化满足质量方程； 将至少一个经过浓度调整气室中的气体通入传感器进行测量，结果满足测量方程； 由上述多个测量方程与质量方程计算呼气样品气体浓度及传感器的灵敏度。
全文摘要
自标定呼出气体分析设备，包括呼气控制模块、取样模块、检测模块及控制模块，分别用于对测试者进行呼气的排放与取样，对所述呼气控制模块、取样模块与检测模块进行控制、并进行信息的收集、处理、存储与通讯；所述取样模块包括至少气室，用于暂时存放呼出气体的一部分，其中至少一个气室中的气体用于直接测量，至少一个气室中的气体经电解导致其浓度定量变化后再进行测量，两个气室通过阀门与检测模块相连；所述检测模块由阀门、传感器、气泵及管路组成，用于将至少两个气室中的气体分别通入传感器进行测量。
文档编号G01N27/416GK102937617SQ201210468268
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年8月13日
发明者谢雷, 韩杰 申请人:尚沃医疗电子无锡有限公司