一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及呼吸成分中的挥发性有机化合物检测技术领域，特别是涉及一种便携式丙酮呼吸分析仪。
【背景技术】
[0002]本发明涉及一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪。该分析仪是基于超灵敏、高选择性的光腔衰荡光谱技术(CRDS)。
[0003]主要针对减肥人士在控制饮食、体育锻炼和药物控制等过程中，对减肥效果实时反馈的需求，而当前的减肥效果通过体重测量及三维测量等手段，不能将减肥效果反应在当下，从而发明一种通过测量呼吸成分中的挥发性有机化合物(VOCs)丙酮的含量实时在线监测减肥效果-脂肪燃烧的基于CRDS技术的便携式丙酮呼吸分析仪。该发明属于生物医学领域。
[0004]肥胖的根本原因是能量摄入超过能量消耗。热量来源于摄入食物中的供能物质:蛋白质(4kcal/g)，脂肪(9kcal/g)，碳水化合物(4kcal/g)，热量消耗主要由三方面:基础代谢，身体活动和食物热效应。减肥属于以减少人体过度的脂肪、体重为目的的行为方式，是指某类体重超标的肥胖人群用各种方法如:跳舞、瑜伽等，变回曲线体型。设法纠正肥胖者异常反应造成的不当行为，即用行为科学分析肥胖者摄食行为的特征和运动类型，以此为基础，合理修正导致肥胖的行动。
[0005]所有减肥方法均是直接或间接围绕热量为中心，有效指标为减少热量。
[0006]减肥的困难之一是缺乏实时的反馈。努力减肥的显著效果通常不显示在当下。但人们在处于不稳定的、中间过渡状态的节食或断裂过程中，总想知道自己正在做的是否正确或有效果。因此需要一种监测和实时了解减肥效果的仪器，用于了解自己的减肥情况，选择适合自己的体重控制方式，比如控制食物摄入量、使用减肥类保健品、减肥类药物和体育锻炼等途径。
[0007]丙酮是脂肪燃烧代谢成分，血液中的代谢产物能够通过气血屏障进入肺部，进而引起呼出气组分的改变，使得排出体外的某些特定气体浓度升高，因此呼吸丙酮与血液酮体具有强的相关性。本发明快速、准确地测量人体呼吸气体成分中的丙酮含量监测人体减肥过程中的脂肪燃烧情况，对减肥人士所采用的体重管理方式进行评估，从而给出指导方向。而当前的减肥效果通过体重测量及三维测量等手段，不能将减肥效果反应在当下，进行实时的减肥效果评估，无法给出体重监管的指导方向。目前市场上有推出利用试纸测量尿酮来测量减肥效果的方法，检测尿酮的方法只能给出半量化测量，无法提供准确的参考，而且该方法不能进行实时在线检测。
【发明内容】
[0008]本发明针对目前评估减肥效果方法的局限性(如前面介绍)，发明一种可以通过无创伤的测量方法(呼吸分析方法)实时在线测量呼吸丙酮水平的呼吸分析仪，该仪器能够实现对人体呼吸丙酮浓度的实时准确测量，直接显示脂肪燃烧情况，并能将数据同步上传网络显示在各种终端电子设备，该发明对于减肥人士和其他需要及时了解脂肪燃烧情况的人群，能实及时掌握自己的脂肪燃烧情况，及时调整体重监管方案，进而对其减肥效果有明显提高。该仪器可用于减肥人士在家里、健身房、体重管理中心、医院及社区体育锻炼中心等场地，便于需要的人士及时了解自己的脂肪燃烧情况。
[0009]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:采用电流调制法实现激光与谐振腔耦合和腔衰荡信号产生，也即通过周期性调制激光二极管工作电流的方式实现激光与谐振腔腔模的耦合，当某一个谐振腔腔模被激发后，通过关断激光器的工作电流来切断其激光输出，实现腔衰荡信号的产生。这样的设计避免了光开关和压电换能器等光学和机械部件的使用，不仅简化了系统结构，而且提升了稳定性。系统主要由光学平台和电子控制两部分构成:光学平台部分主要包括激光器、气体样品室(光学谐振腔)、探测器及其它附件等，其功能是实现光谱信号的获取。其中，气体样品室不仅用于容纳待测气体样品，它更是一个光学谐振腔，其两端是两片高反射率反射镜，形成一个稳定谐振腔，使得激光能够在腔内往复传播，实现腔衰荡光谱的产生。该光学平台部分被固定于一块600_X250_X 10mm(长宽厚)的铝板上，可整体移动而不需要重新调整光路。考虑到所采用激光器、气体样品室及探测器等主要器件的尺寸，该光学平台部分可以装载于一个内径Φ = 200_、长度L = 600mm的筒式耐压密封舱内。电子控制部分包括激光控制电源、真空栗、示波器和计算机等，主要完成信号采集、显示和处理功能。其中，真空栗用于将腔内气体样品栗出，示波器用于显示腔衰荡信号及对采集到的模拟信号进行A/D转换，再通过计算机中加载的软件进行数据处理，这三个设备分别可使用微型栗、数据采集卡和PC/104工控机代替以实现小型化。
[0010]根据所使用激光光源的不同，CRDS可分为使用脉冲激光的脉冲波腔衰荡光谱(Pulsed-CRDS)和使用连续激光的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)，波长范围覆盖紫外至红外波段。根据研究对象及需求的不同，激光器的种类也各不相同，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，掺钛蓝宝石(T1: sapphire)激光器，Nd: YAG激光或准分子激光器栗浦的染料激光器和光参量振荡器(0P0)，量子级联激光器，半导体激光二极管，等等。
[0011]为了实现激光与谐振腔模式的有效耦合，CW-CRDS系统中一般来说会增加如声光开关、压电换能器、光学耦合元件或实现类似功能的器件等等。而一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪要求传感器体积小、结构紧凑，同时稳定性要高。复杂的光路以及机械移动部件必然会使分析仪的稳定性受到影响，因此，系统采用了电流调制法实现激光与谐振腔模式的有效耦合以及腔衰荡现象的实现，其优点是可以代替光开关和压电换能器等光学和机械移动部件，有利于提尚实验系统的稳定性。
[0012]因此，传感器采用薄膜压力传感器，为型号为MKS870B的微型压力传感器。压力传感器安装在光学谐振腔上两个出气口中的一个上，测量范围为0.5-lOOOTorr，用于测量光学谐振腔内的压力。
[0013]其中，激光光源为波长可调谐激光二极管激光器，与其相连接的是一个温度及电流控制器，该控制器可控制激光器的工作温度及工作电流，并可接收外部调制信号，从而控制激光器的输出波长。出射激光光束首先经由准直器后变成平行光，然后再通过光隔离器，耦合进入由两面高反射率平凹反射镜组成的稳定谐振腔内。由于反射镜的高反射率，因此只有一小部分光可以进入谐振腔内，99%以上的激光能量将被反射回来。光隔离器的作用是使得激光只能单向通过，避免了光反馈对激光器的工作造成干扰。两面反射镜分别固定于一个管状腔的两端，形成一个密闭的气体样品室。探测器将从另一端出射的光信号转换成电信号后输入至示波器和数字延时/脉冲信号发生器。示波器在实现观察信号功能的同时，将模拟信号A/D转换成为数字信号，并交由计算机进行处理。
[0014]其中，呼出气样品采集的工具是使用一个单向阀将呼吸器面罩和气体样品袋连接起来，采集样品时将面罩覆盖住嘴和鼻子部位，这样呼出气将单向通过该单向阀，从而被采集到样品袋中，而通过该单向阀，受检者仍可以自由呼吸。
[0015]其中，谐振腔的前端没有装备声光、电光等形式的光开关，谐振腔上也没有压电换能器等器件，因此激光的关断和激光与谐振腔的耦合均由其它手段来实现。激光控制器在控制激光工作温度稳定的情况下，同时将在激光器的工作电流上加载一个来自函数信号发生器的三角波调制信号，该调制信号将使得激光频率(或者说波长)在一个微小的范围内变化。通常，该范围大于谐振腔的一个自由光谱区。这样，在三角波的一个扫描周期内，激光频率会至少两次与谐振腔的某一个谐振频率达到一致，当探测器捕捉的光强信号达到阈值时，数字延时/脉冲信号发生器将输出一个脉冲作为使能信号给激光控制器，使得激光二极管的工作电流处于其驱动阈值电流以下，激光器将停止输出激光，实现了切断激光的功能，可随之观察到腔衰荡现象。这样就在激光波长电流调制方式下实现了激光与谐振腔的耦合和激光的切断，省去了光开关及压