一种二氧化碳浓度修正的呼出气多组分检测仪及检测方法与流程

本发明涉及一种微量混合气体检测设备和检测技术类，特别是一种含有二氧化碳浓度修正的呼出气多组分检测仪及检测方法。

背景技术：

氢呼气试验已被世界各国多个领域的专家广泛应用于诊断碳水化合物吸收不良、小肠细菌过度生长等病症，因其具有简便、迅速及无创等优点，现已作为一种非侵入性胃肠功能检查方法。小肠中存在的产甲烷菌会利用氢和二氧化碳生产甲烷，单纯的氢呼气实验应用于这类人群会产生假阴性结果。在氢呼气试验中同时加入对甲烷含量的测定,对排除假阴性结果及提高相关疾病的确诊率将更有意义。甲烷和氢呼气检测是一种简便、无创、重复性好、特异性高的胃肠功能检查方法，随着对呼气试验认识的提高与设备的改进,它将会更多地被应用于胃肠病临床工作中。

现阶段甲烷和氢呼气检测一般采用气相色谱技术、电化学技术、固态传感器技术等检测手段。气相色谱仪是一种用于精确分离复杂样品中化合物的化学分析仪器，但是由于设备复杂昂贵，所需检查时间较长，难以实现多样本、大数据的检测需求。电化学技术使用的氢气传感器是一种化学燃料电池,利用呼出气体中的氢与其中的化学物质发生反应，把产生的能量转化成电流。但是由于在检测气体时要消耗传感器内的化学物质,随着检测次数的增加,其结果的稳定性和敏感性逐渐降低。上述技术都不满足甲烷和氢呼气检测的实际需求。

此外，人体呼吸节律过程中，与血液中气体发生交换的肺泡气含有较多的代谢物质，在采集样本时，待测者一次呼气的不同阶段所含氢气甲烷含量不同，检测结果可比性较差，不利于诊断分析。现阶段检测技术与设备对采气限制条件较多，且很难保证完全获取肺泡气，增加操作复杂度并影响推广。

为了实现大规模的临床应用，需要提出一种可以同时检测甲烷、氢和二氧化碳的小型一体化检测仪器，其具有快速方便、数据准确、性能稳定和可重复性高等优点，并能根据二氧化碳浓度修正检测值，降低样本采集限制条件，减少呼气采集等人为因素造成的误差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于解决上述检测手段中仪器庞大、操作复杂、检测周期长、检测结果误差大、用户交互不友好、寿命短等缺点，提供一种含有二氧化碳浓度修正，并可以快速同时检测甲烷、氢和二氧化碳，且操作简便，准确性、稳定性、重复性均满足国家标准，有利于大规模临床应用推广的小型一体化检测仪器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种二氧化碳浓度修正的呼出气多组分检测仪，包括过滤瓶、载气气泵、干燥管、进样气泵、样品环、第一两相三通电磁阀、第二两相三通电磁阀、第三两相三通电磁阀、色谱柱和检测气室；干燥管、第二两相三通电磁阀、样品环、第三两相三通电磁阀、进样气泵依次连通构成进样通路；过滤瓶、载气气泵、第一两相三通电磁阀、色谱柱、检测气室依次连通构成清洗通路；第一两相三通电磁阀、第二两相三通电磁阀、第三两相三通电磁阀同时切换气路通路，使得过滤瓶、载气气泵、第三两相三通电磁阀、样品环、第二两相三通电磁阀、第一两相三通电磁阀、色谱柱、检测气室依次连通构成检测通路；所述检测气室为长方体结构，在正面开有第一PCB板槽，上部开有二氧化碳传感器通气口，下部开有金属氧化物半导体(metaloxidesemiconductor，MOS)传感器槽；MOS传感器槽的底部开有圆柱形槽，构成气体反应室，气体反应室刚好覆盖MOS传感器的敏感材料，MOS传感器装配在第一PCB板上，第一PCB板嵌入第一PCB板槽内，同时使得MOS传感器嵌于MOS传感器槽；检测气室背面开有第二PCB板槽，上部开有二氧化碳传感器槽，二氧化碳传感器装配在第二PCB板上，第二PCB板嵌入第二PCB板槽内，同时使得二氧化碳传感器嵌于二氧化碳传感器槽；检测气室的一个侧壁分别开有与气体反应室的顶部和侧壁连通的进气口和出气口；另一侧壁开有测温孔；顶面开有控温模块装配孔。

进一步地，所述的进样通路中，在第三两相三通电磁阀和进样气泵之间接有第一流量计与第一精密流量调节阀，可监测并调节进样流量在合适的范围，以保证在较短的时间内完成进样，并使样本气体完全充满样本环。

进一步地，所述的清洗通路和检测通路中，在第一两相三通电磁阀和载气气泵之间接有第二流量计与第二精密流量调节阀，可监测并调节载气流量为一恒定值，以保证清洗状态时，过滤后的空气持续且稳定地流过传感器表面，得到稳定的基线；检测状态时，使载气以恒定的流速把样本环中的待测气体推送至检测气室。

进一步地，载气气泵配有温度传感器与风扇，温度传感器监控载气气泵工作时的发热状态，由温度反馈控制风扇转速为载气气泵降温，保证载气气泵正常工作并延长使用寿命。

进一步地，所述的色谱柱材质为不锈钢，填充材料为60-80目的HayeSep Q材料，外径四分之一英寸，长度75厘米。

进一步地，所述的检测气室为金属材质，以保证较大的热惯性。所述的测温孔装配有温度传感器，所述的控温模块装配孔装配有控温模块，控温模块包括加热器与过温保护开关。其中加热器与温度传感器实现对检测气室的测温与控温，以尽可能抑制温度漂移对传感器输出造成的影响，当温度过高时保护开关自动断开以保护传感器不受损坏。

进一步地，所述的气体反应室形成微小空间，经色谱柱分离后的气体各组分经过所述的进气口，从气体反应室的顶部垂直流向MOS传感器表面，并从侧壁连通的出气口排出，以保证MOS传感器快速给出输出响应，并在短时间内恢复基线。

进一步地，所述检测仪还包括用户交互模块，所述的用户交互模块包括按键、液晶屏、热敏打印模块、USB与串口接口。按键选择检测仪的工作模式与功能操作，检测结果可显示于液晶屏上或直接打印，也可通过USB与串口接口传输至上位机。

一种利用上述检测仪检测呼出气多组分的方法，该方法包括以下步骤：

(1)仪器开机自检与预热。控制检测气室的温度在合适的恒定值，以避免呼出气体冷凝现象并抑制传感器输出响应的温度漂移，开机预热两小时后，检测气室温度为38±0.5℃，传感器输出基线基本达到稳定状态。

(2)清洗状态。过滤后的空气作为清洗与检测载气，由载气气泵抽入仪器内部，载气持续清洗色谱柱与检测气室，使传感器输出响应稳定在基线值；当载气流速在60±3mL/min的范围内时，允许仪器进入校准与检测状态。

(3)进样状态。用于校准的标准气或经干燥管过滤后的呼出气，由进样气泵抽入仪器内部，使待测气体完全充满样本环，并保证在较短的时间内完成进样。

(4)校准状态。仪器预设标准气中氢气、甲烷与二氧化碳的浓度，第一两相三通电磁阀、第二两相三通电磁阀、第三两相三通电磁阀同时切换气路通路，使载气把样本环中的标准气推出，先经过二氧化碳传感器检测二氧化碳浓度，再经过色谱柱分离，氢气与甲烷气体依次经过MOS传感器表面，传感器输出响应经计算后得出检测浓度，取检测浓度与标准浓度的差值作为检测结果的校准值。

(5)检测状态。样本环中的呼出气经步骤4所述的分离与检测后，得出氢气、甲烷和二氧化碳浓度。仪器预设二氧化碳浓度期望值，二氧化碳浓度期望值除以二氧化碳浓度检测值后得到修正因子，修正后的氢气、甲烷浓度等于氢气、甲烷浓度检测值乘以修正因子。呼出气中的二氧化碳浓度和计算后得到的修正因子，随不同的呼气阶段呈周期性变化。呼出气中的氢气浓度随二氧化碳浓度的变化而变化，修正后的氢气浓度值被归一化到同一水平，消除了不同呼气阶段造成的差异。

(6)用户交互与待机状态。氢气、甲烷、二氧化碳浓度检测值与修正值，以及修正因子可显示于仪器的液晶屏上或通过热敏打印模块打印，也可通过串口或USB接口传输至上位机，进行后续的数据分析。一次检测完成时，第一两相三通电磁阀、第二两相三通电磁阀、第三两相三通电磁阀再次切换气路通路，仪器进入清洗状态，等待传感器响应恢复到基线值后，可进行下一次检测。

本发明的有益效果是：

其一，具有二氧化碳浓度同步检测功能。可根据二氧化碳浓度修正氢气、甲烷浓度值，修正后的氢气、甲烷浓度被归一化到同一水平，消除了不同呼气阶段造成的差异。该修正方法有利于降低样本采集限制条件，减少呼气采集等人为因素造成的误差，使检测结果更具可比性，为相关疾病的初筛与诊断提供更可靠的检测数据。

其二，独特的检测气室结构设计。气体反应室形成微小空间，经色谱柱分离后的气体各组分从气体反应室的顶部垂直流向MOS传感器表面，并从侧壁连通的出气口排出，以保证MOS传感器快速给出输出响应，并在短时间内恢复基线。检测气室为热惯性较大的金属材质，加热器与温度传感器实现检测气室的测温与控温，以抑制温度漂移对传感器输出造成的影响，提高检测过程的稳定性与重复性。

其三，精确的气路流量控制。在进样与载气通路中都配有精密流量调节阀与流量计，可调节与监测进样流量与载气流量。合适的进样流量使样本气体完全充满样本环，并保证在较短的时间内完成进样。合适的载气流量使氢气、甲烷特征峰相互分离无重叠，且可在短时间内恢复基线，使样本单次检测时间较短，以满足临床大样本量的检测需求。

其四，仪器整机小型一体化。仪器各模块结构简单、连接与布局最优化、体积较小，由微控制器控制实现二氧化碳浓度修正的甲烷氢呼气含量快速检测，结果可在屏幕上显示或上传至上位机。配有标准气可对仪器进行校准与验证测试。载气为过滤后的空气，无需特殊高纯气体，减少气瓶、压力转换与控制等部件的体积与复杂度。仪器整体操作简便，用户交互友好，自动化与智能化水平较高。

附图说明

图1是本发明的仪器整机示意图；

图2是本发明的仪器内部结构图；

图3是本发明的仪器气室结构图；

图4是本发明的气室控温与温度漂移曲线；

图5是本发明的气泵流速对输出响应的影响分析；

图6是本发明的呼出气二氧化碳浓度与修正因子；

图7是本发明的氢气检测浓度的二氧化碳修正结果；

图8是本发明的MOS传感器高浓度梯度响应；

图9是本发明的MOS传感器低浓度梯度响应。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种二氧化碳浓度修正的呼出气多组分检测仪的整机示意图，包括仪器箱体1，仪器箱体1外侧含有热敏打印模块2、USB与串口接口3、进样口4、干燥管5、过滤瓶6、液晶屏7和按键8。热敏打印模块2可现场打印检测结果，也可以通过USB与串口接口3传输至上位机进行后续数据分析。校准气与呼出气通过进样口4抽入仪器内部，干燥管5用于滤除呼出气体中的水分，过滤瓶6对室内空气进行过滤后作为载气清洗检测气室或推送样本环中的待测气体至二氧化碳传感器。液晶屏7用于显示功能主菜单与检测数据，可通过按键8选择设置、校准、运行和参数显示等模式，并控制完成仪器各项操作。

如图2所示，本发明的一种二氧化碳浓度修正的呼出气多组分检测仪的内部结构图。清洗状态时，过滤后的空气经过滤塞13滤除大颗粒物质，由载气气泵12抽入仪器内部，第二精密流量调节阀11调节载气流量在合适的恒定值，由第二流量计10进行监测，经过第一两相三通电磁阀16后，载气持续清洗色谱柱9与检测气室15，使传感器输出响应稳定在基线值。温度传感器监控载气气泵12工作时的发热状态，由温度反馈控制风扇14转速为载气气泵12降温，保证其正常工作并延长使用寿命。进样状态时，用于校准的标准气或经干燥管过滤后的呼出气，由进样气泵20抽入仪器内部，第一精密流量调节阀21调节进样流量在合适的恒定值，由第一流量计22进行监测，使待测气体完全充满样本环18，并保证在较短的时间内完成进样。校准状态时，仪器预设标准气中氢气、甲烷与二氧化碳的浓度，第一两相三通电磁阀16、第二两相三通电磁阀17、第三两相三通电磁阀19同时切换气路通路(虚线)，使载气把样本环18中的标准气推出，先经过二氧化碳传感器检测二氧化碳浓度，再经过色谱柱9分离，氢气与甲烷气体依次经过MOS传感器表面，传感器输出响应经计算后得出检测浓度，取检测浓度与标准浓度的差值作为检测结果的校准值。检测状态时，与校准状态类似，样本环18中的呼出气经分离与检测后，得出氢气、甲烷和二氧化碳浓度。仪器预设二氧化碳浓度期望值为5.5％(根据一般人体肺泡气二氧化碳浓度所设)，二氧化碳浓度期望值除以二氧化碳浓度检测值后得到修正因子，修正后的氢气、甲烷浓度等于氢气、甲烷浓度检测值乘以修正因子。氢气、甲烷、二氧化碳浓度检测值与修正值，以及修正因子可显示于仪器的液晶屏7上或通过热敏打印模块2打印，也可通过USB与串口接口3传输至上位机，进行后续的数据分析。一次检测完成时，第一两相三通电磁阀16、第二两相三通电磁阀17、第三两相三通电磁阀19再次切换气路通路(实线)，仪器进入清洗状态，等待传感器响应恢复到基线值后，可进行下一次检测。

如图3所示，本发明的一种二氧化碳浓度修正的呼出气多组分检测仪的气室结构图。检测气室为金属材质的长方体结构，以保证较大的热惯性。在正面开有第一PCB板槽24，上部开有二氧化碳传感器通气口23，下部开有MOS传感器槽25，MOS传感器槽25的底部开有圆柱形槽，构成气体反应室27，气体反应室27刚好覆盖MOS传感器的敏感材料，MOS传感器装配在第一PCB板上，第一PCB板嵌入第一PCB板槽24内，同时使得MOS传感器嵌于MOS传感器槽25。检测气室背面开有第二PCB板槽32，上部开有二氧化碳传感器槽31，二氧化碳传感器装配在第二PCB板上，第二PCB板嵌入第二PCB板槽32内，同时使得二氧化碳传感器嵌于二氧化碳传感器槽31。检测气室的一个侧壁分别开有与气体反应室的顶部和侧壁连通的进气口29和出气口28，另一侧壁开有测温孔26，顶面开有控温模块装配孔30。样本气通过二氧化碳传感器通气口23到达二氧化碳传感器，测得二氧化碳浓度。再从通气口流出到达色谱柱9前端，分离后的气体各组分经过进气口29，从气体反应室27的顶部垂直流向MOS传感器表面，并从侧壁连通的出气口28排出，以保证MOS传感器快速给出输出响应，并在短时间内恢复基线。MOS传感器高浓度梯度响应与低浓度梯度响应如图8和图9所示，输出响应形成典型双峰曲线，依次为氢气特征峰与甲烷特征峰。根据一般患者呼出气内氢气、甲烷最高浓度和所需灵敏度，设定仪器检测范围为0-500ppm，分辨率为1ppm。分析特征峰峰值与浓度梯度的相关性，得出拟合公式，传感器输出响应带入公式后可计算出氢气、甲烷浓度检测值。根据二氧化碳浓度计算修正因子，根据一般呼出气中二氧化碳浓度范围，设定修正因子小于4时，所测二氧化碳浓度有效，并对氢气、甲烷浓度检测值进行修正。测温孔26用于装配温度传感器，控温模块装配孔30用于装配加热器与热保护器，加热器与温度传感器实现对整个检测气室的测温与控温，以尽可能抑制温度漂移对传感器输出造成的影响，并当温度过高时保护开关自动断开以保护传感器不受损坏。

利用本发明检测仪进行检测的整体流程如下(以检测甲烷氢呼气为例)：

(1)仪器开机自检与预热。程序自动判断载气流量是否在设定的范围内，加热器对检测气室进行升温，温度传感器实时测量检测气室的温度作为反馈，通过PID控温算法把检测气室的温度控制在合适的恒定值，以避免呼出气体冷凝现象并抑制传感器输出响应的温度漂移。气室控温与传感器温度漂移曲线如图4所示，开机预热两小时后，检测气室温度为38±0.5℃(可调)，传感器输出基线基本达到稳定状态。

(2)清洗状态。过滤后的空气作为清洗与检测载气，由载气气泵抽入仪器内部，第二精密流量调节阀调节载气流量在合适的恒定值，由第二流量计进行监测，载气持续清洗色谱柱与检测气室，使传感器输出响应稳定在基线值。气泵流速对传感器输出响应的影响如图5所示，流速较大时，出峰较快，峰值响应较大，但氢气峰与甲烷峰之间重叠较多，不易区分。流速较小时，两个特征峰分离较开，但恢复基线时间较久，导致单次样本检测周期过长，不利于临床大样本量的分析。综合考虑检测准确性与检测时间，当载气流速在60±3mL/min的范围内时，允许仪器进入校准与检测状态。

(3)进样状态。用于校准的标准气或经干燥管过滤后的呼出气(体积>30mL)，由进样气泵抽入仪器内部，第一精密流量调节阀调节进样流量在合适的恒定值，由第一流量计进行监测，使待测气体完全充满样本环，并保证在较短的时间内完成进样。

(4)校准状态。仪器预设标准气中氢气、甲烷与二氧化碳的浓度，第一两相三通电磁阀、第二两相三通电磁阀、第三两相三通电磁阀同时切换气路通路，使载气把样本环中的标准气推出，先经过二氧化碳传感器检测二氧化碳浓度，再经过色谱柱分离，氢气与甲烷气体依次经过MOS传感器表面，传感器输出响应经计算后得出检测浓度，取检测浓度与标准浓度的差值作为检测结果的校准值。

(5)检测状态。与校准状态类似，样本环中的呼出气经分离与检测后，得出氢气、甲烷和二氧化碳浓度。仪器预设二氧化碳浓度期望值为5.5％(根据一般人体肺泡气二氧化碳浓度所设)，二氧化碳浓度期望值除以二氧化碳浓度检测值后得到修正因子，修正后的氢气、甲烷浓度等于氢气、甲烷浓度检测值乘以修正因子。呼出气二氧化碳浓度与修正因子如图6所示，呼出气中的二氧化碳浓度和计算后得到的修正因子，随不同的呼气阶段(如死腔气体与肺泡气等)呈周期性变化。氢气检测浓度的二氧化碳修正结果如图7所示，呼出气中的氢气浓度随二氧化碳浓度的变化而变化，修正后的氢气浓度值被归一化到同一水平，消除了不同呼气阶段造成的差异。该修正方法有利于降低样本采集限制条件，减少呼气采集等人为因素造成的误差，使检测结果更具可比性，为相关疾病的初筛与诊断提供更可靠的检测数据。

(6)用户交互与待机状态。氢气、甲烷、二氧化碳浓度检测值与修正值，以及修正因子可显示于仪器的液晶屏上或通过热敏打印模块打印，也可通过USB与串口接口传输至上位机，进行后续的数据分析。一次检测完成时，第一两相三通电磁阀、第二两相三通电磁阀、第三两相三通电磁阀再次切换气路通路，仪器进入清洗状态，等待传感器响应恢复到基线值后，可进行下一次检测。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。