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
【专利摘要】本实用新型公开了一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪，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，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。
【专利说明】
一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪
技术领域
[0001]本实用新型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]本实用新型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。该实用新型属于生物医学领域。
[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。本实用新型快速、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]本实用新型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，该实用新型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]为实现本实用新型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 mm X 250 mm X10 mm (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Φ400 _、长度X-600 _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(NdiYAG)激光器，掺钛蓝宝石(T1: sapphire)激光器，NdiYAG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，Cff-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，省去了光开关及压电换能器等器件。这样的设计不仅使得系统更加简洁，而且提高了系统在恶劣环境下工作所必须的稳定性。该电流调制方法的具体实现方式及时序控制见【具体实施方式】。所述的模数转换器用于将光电倍增管产生的模拟电信号采样量化为数字信号，供计算机进行数字信号处理。
[0016]其中，所述的计算机为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于进行数据处理。光电倍增管探测到每一个衰荡波形送至模数转换器，数字化为1000个数据点并输入到计算机。然后用一个简单的指数衰减函数对数据点进行拟合，得到信号衰减时间。
[0017]采用电流调制方案的CW-CRDS实验系统主要由激光器及其控制器、光隔离器、气体样品室、光探测器以及电流调制器件等构成。
[0018]仪器中采用的是一种半导体分布反馈式激光二极管。与常见激光器中使用镜面组成谐振腔来实现产生激光所必须的反馈作用不同的是，它采用折射率周期变化的结构来实现谐振腔反馈功能，也即通过一组衍射光栅结构的布喇格散射提供反馈。该光栅结构具有很好的波长选择性，而且由于其结构微小，因此不仅可以保证输出激光波长的单色性，而可以实现单纵模输出。由于制作半导体DFB激光器的材料折射率随温度变化，当改变其工作温度时，激光器内的光栅结构将发生变化，其输出波长也将相应改变。因此可以通过改变激光器的工作温度，实现波长调谐。
[0019]其中，DFB激光二极管来自日本NTT Electronics (NEL)公司，采用14针蝶形封装，结构十分紧凑，如图2所示。
[0020]图3是上述半导体激光二极管固定夹具，无插拔力的插槽和弹簧式的夹钳使激光二极管的固定与拆卸操作十分简便。激光二极管固定夹具的尺寸仅为32 mm X 102 mm X140 _，最大工作电流可达2A。
[0021]通过定义与蝶形封装激光二极管相连的14针管脚，可以为半导体激光器提供电流控制并提供散热。该夹具提供标准接口，便于和半导体激光控制器相连。
[0022]半导体激光控制器(ILX Lightwave, LDC-3724C)实际上分为电流源和温度控制器两部分功能，。首先，它是一个基于微处理器控制的电流源，可为中、低功率的激光二极管提供200/500 mA量程的高精度电流控制，其电流控制精度高达16位，具有高稳定性、低噪声等优点。该控制器采取了一系列有效的激光二极管保护措施，包括缓启动(slowstart turn-on)、可调电流限制值、输出短接、浪涌抑制保护和输出快速关闭(fast outputshut-off)等。其中，输出快速关闭特性不仅可以使激光二极管免于接触不良带来的影响，而且可以保证产生腔衰荡所必需的激光快速关断。在实现电流控制时，该控制器具有三种工作模式:低带宽恒流模式、高带宽恒流模式和恒功率模式。其中，恒流模式均支持外部信号调制，低带宽恒流模式支持外部调制信号频率最大为15 KHz，而高带宽模式下则高达IMHz0
[0023]其次，该控制器集成了一个快速、高精度的32 W温度控制电源，因此，它又是一个温度控制电源。它的温控电源与电流源的供电是相互分离的。该温控电源的精度同样是16位，温度校正传感器的测量准确度为0.05 ° C。表4-2列出了该控制器的一些典型性能指标。另外，LDC-3724C配有IEEE-488型GPIB接口和B型USB接口，便于编程实现自动远程控制。
[0024]激光器输出光被光路中的反射端面将一部分光又反射回激光器谐振腔中的现象称为光反馈。光反馈效应会影响激光器的输出特性，破坏激光器输出光的相干性及稳定性。在CW-CRDS实验系统中，由于构成谐振腔的反射镜具有很高的反射率(> 99.9%)，只有一小部分的光可以入射到谐振腔内，绝大部分的光都被反射回来，因此光路中的光反馈严重。虽然蝶形封装的激光二极管内置隔离度为30 dB，但为了进一步消除光反馈效应，系统中另外装备了一个光隔离器。该光隔离器定制于Thorlabs公司，采用吸收膜偏振片制成，具有结构紧凑的优点。其中心波长为1625 nm，通光孔径4 mm，光透过率在81-85%之间，承受连续激光的额定功率值为25 W/cm2。
[0025]气体样品室主要由三部分组成:钢制管状腔、反射镜夹具和反射镜，钢制管状腔长500 mm、内径35 mm，配有三个进出气口。管状腔表面镀有一层石英，具有防腐蚀的功能。样品室两端各有一个反射镜夹具与管状腔的端口相连接，该反射镜夹具用于夹持和固定反射镜。反射镜夹具装备的三个调整螺杆用于调整反射镜角度，而两面反射镜实际上组成了一个CRDS系统的谐振腔。
[0026]这样，管状腔、反射镜夹具和反射镜共同组成了一个密闭的气体样品室。该样品室的功能之一是容纳待分析气体，密封结构可以避免外界环境对分析过程的影响，而且可以通过控制样品室内气体压强来控制气体样品体积，便于反演待测物质浓度；功能之二，它实际上又是一个谐振腔，是CRDS技术中重要组成部分，激光在样品室内往复传播，增加了吸收光程，大大提高了对痕量气体的探测灵敏度。激光在谐振腔内来回传播次数，不仅与样品的吸收有关，而且与谐振腔的稳定性和反射镜的反射率有关。稳定性更高的谐振腔损耗更小，反射率的提高可以使得透射光强减少，增加光在谐振腔内的反射次数。
[0027]从谐振腔出射的腔衰荡光信号由一个铟镓砷光电二极管进行探测并转化成电信号，该探测器的波长响应范围为700 — 1800 nm，峰值响应位于1550 nm附近，在1600和1650 nm处的光电响应度分别为1.05和0.90 A/W。探测器增益8档可调，最高可达70dB。当增益为O dB档时，其带宽值为17 MHz，上升时间21 ns;当增益升至40 dB时，带宽为320 KHz，上升时间L I μ S。
[0028]函数信号发生器输出的三角波被作为外部调制信号输入到激光控制器中，使得激光二极管的输出光频率在一个很小的范围内(根据谐振腔自由光谱区大小确定)周期性改变，当激光频率与谐振腔的谐振频率一致时，谐振腔的腔模将被激发，激光耦合到谐振腔内，以此完成激光与谐振腔的耦合。
[0029]数字延迟/脉冲信号发生器的功能有两方面。其一，监测光探测器信号强度，设定阈值，当信号强度超过阈值时，发出同步脉冲信号给示波器，采集腔衰荡信号。其二，发出脉冲信号作为使能信号给激光控制器，使激光供电电流低于其工作阈值电流，完成关断激光功能。来自函数信号发生器和数字延时/脉冲信号发生器的信号将通过一个合路器合成一路信号后输入到激光控制器中。
[0030]示波器用于腔衰荡信号的实时显示、平均和模数(A/D)转换功能。该示波器带宽60MHz，垂直分辨率8位，存储深度为2.5 K，采样率lGS/s，这样在Iys内将最多可以采集到1000个数据点用于对腔衰荡信号进行单指数拟合。
[0031]计算机中加载的软件将对来自示波器的腔衰荡数字信号进行单指数拟合，得到腔衰荡时间τ。
【附图说明】
[0032]图1所示为实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪的示意图；
[0033]图2所示为激光器结构图；
[0034]图3所示为半导体激光二极管的固定夹具结构图。
[0035]图4所示为CW-CRDS系统的控制流程图。
【具体实施方式】
[0036]以下结合具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0037]—种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪，包括激光器I及激光控制器6、光隔离器4、气体样品室11、光探测器5以及电流调制器件，所述气体样品室主要由三部分组成:钢制管状腔、反射镜夹具和反射镜。
[0038]所述钢制管状腔长500 mm、内径35 mm,配有三个进出气口 3 ;管状腔表面镀有一层石英；所述气体样品室11两端各有一个反射镜夹具与管状腔的端口相连接，所述反射镜夹具装备三个调整螺杆，微调反射镜的角度。
[0039]所述反射镜为一对高反射率反射镜，分别装配在所述反射镜夹具里，构成一个稳定的谐振腔，高反射镜两面分别采用球状垫片和波纹垫片夹持镀膜高反镜，在球状垫片上再加一层环状垫片用于腔体密封，同时腔体最外侧加载一块带有光学窗口的不锈钢块密封，并采用M6螺柱锁紧。
[0040]所述反射镜的反射面直接与气体样品接触，与钢管共同构成了一个密封性良好的气体样品室。
[0041]所述电流调制器件包括函数信号发生器10、数字延迟/脉冲信号发生器7、示波器8以及计算机9 ;所述函数信号发生器10输出的三角波被作为外部调制信号输入到激光控制器6中；激光控制器6与激光器I通过半导体激光二极管固定夹具卡接，所述激光器I采用半导体分布反馈式激光二极管，为14针蝶形封装；通过接口类型为FC/APC的单模光纤尾纤输出。
[0042]所述数字延迟/脉冲信号发生器7监测光探测器信号强度，并发出脉冲信号，所述脉冲信号与所述函数信号发生器的信号通过一个合路器合成一路信号后输入到所述激光控制器中。
[0043]所述的薄膜压力传感器安装在钢制管状腔的一个出气口处，其测量范围为0.5-1000Torr。
[0044]Cff-CRDS系统的控制流程如图4所示。在该系统中，激光器I既可以始终输出单波长，也可以通过控制其工作温度使其输出波长不断改变，因此，可以说该系统具有单波长和波长扫描两种工作模式。其中，波长扫描模式控制流程如下:
[0045]设定激光控制器6的电流参数，数字延时/脉冲信号发生器触发阈值和脉冲输出参数，函数信号发生器10的三角波调制信号参数，以及设定激光控制器6初始温度参数。
[0046]将合成后的激光器I电流控制信号和温度控制信号输入至激光二极管夹具，此时激光器I输出激光。
[0047]使用光电探测器5实时探测谐振腔的输出光强，并将探测器5信号分为两路，分别输入至数字延时/脉冲信号发生器7和示波器8。
[0048]数字延时/脉冲信号发生器7对来自探测器5的信号进行实时监测，当其强度达到预设触发阈值时，数字延时/脉冲信号发生器7将同时输出两路触发信号，其中一路作为使能信号用于关断激光输出，另一路信号用于触发示波器8。
[0049]被触发后的示波器8对腔衰荡信号进行采集，直至采集到η个腔衰荡事件过程。
[0050]示波器8采集完成后，将重新设定激光控制器6的温度参数，重复2 — 5步，直至完成温度扫描。
[0051]其中，所述的计算机9为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于进行数据处理。光电倍增管探测到每一个衰荡波形送至模数转换器，数字化为1000个数据点并输入到计算机。然后用一个简单的指数衰减函数对数据点进行拟合，得到信号衰减时间，具体步骤如下:
[0052]首先，选取一定长度的腔衰荡信号时间窗口，通常从腔衰荡信号强度最强的时间点开始选取，时间窗口的宽度不同也会影响到拟合结果。
[0053]其次，对该时间窗口内的数据进行自然对数(In)运算，此时信号数据与横坐标时间轴的函数关系由指数函数变为线性函数。
[0054]最后，对上一步获得的数据进行线性拟合，所得拟合斜率的倒数即为腔衰荡时间。
[0055]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪，其特征在于:包括激光器及激光控制器、光隔离器、气体样品室、光探测器以及电流调制器件，所述气体样品室主要由三部分组成:钢制管状腔、反射镜夹具和反射镜；所述钢制管状腔长500mm、内径35mm，配有三个进出气口 ；管状腔表面镀有一层石英；所述气体样品室两端各有一个反射镜夹具与管状腔的端口相连接，所述反射镜夹具装备三个调整螺杆，微调反射镜的角度；所述反射镜为一对高反射率反射镜，分别装配在所述反射镜夹具里，构成一个稳定的谐振腔，高反射镜两面分别采用球状垫片和波纹垫片夹持镀膜高反镜，在球状垫片上再加一层环状垫片用于腔体密封，同时腔体最外侧加载一块带有光学窗口的不锈钢块密封，并采用M6螺柱锁紧；所述反射镜的反射面直接与气体样品接触，与钢管共同构成了一个密封性良好的气体样品室。2.根据权利要求1所述的一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪，其特征在于所述电流调制器件包括函数信号发生器、数字延迟/脉冲信号发生器、示波器以及计算机；所述函数信号发生器输出的三角波被作为外部调制信号输入到激光控制器中；激光控制器与激光器通过半导体激光二极管固定夹具卡接，所述激光器采用半导体分布反馈式激光二极管，为14针蝶形封装；通过接口类型为FC/APC的单模光纤尾纤输出。3.根据权利要求2所述的一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪，其特征在于所述数字延迟/脉冲信号发生器监测光探测器信号强度，并发出脉冲信号，所述脉冲信号与所述函数信号发生器的信号通过一个合路器合成一路信号后输入到所述激光控制器中。4.根据权利要求3所述的一种实时在线监测脂肪燃烧的便携式丙酮呼吸分析仪，其特征在于薄膜压力传感器安装在钢制管状腔的一个出气口处，其测量范围为0.5-1000Torr。
【文档编号】G01N21/17GK205484001SQ201520628778
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年8月20日
【发明人】不公告发明人
【申请人】苏州华和呼吸气体分析研究所有限公司