一种微型柔性光声池及其构成的人体呼出气体检测系统

本发明涉及气体检测，具体涉及一种微型柔性光声池及其构成的人体呼出气体检测系统。

背景技术：

1、分析人体呼出气是一种有效的无损诊断方式，例如通过分析呼出气中的丙酮能够检测糖尿病。《黄帝内经》中“望闻问切”之闻诊，包括听声音和嗅气味，而嗅气味就是呼吸气体分析。随着现代医学科技的发展和多学科的交叉融合，用于慢性疾病诊断的呼出气分析技术快速发展。光声光谱技术因其灵敏度高、选择性好、安全无损和实时性好等优点在呼出气检测领域有广泛的应用前景。

2、然而，传统的光声光谱呼出气检测技术仍存在以下问题。

3、(1)人体呼出气气量较小，皮肤呼出气的气量更是远小于肺呼出气。传统尺寸的共振型光声池的容积较大，不适用于皮肤呼出气检测，较大的光声池也无法做成可穿戴式设备。共振型光声池的共振频率通常与光声池长度成反比。因此，小型化光声池的共振频率通常较高。由于电容式麦克风灵敏度高，因此光声光谱中常采用电容式麦克风检测光声信号。然而，电容式麦克风在高频的响应通常较差，这就导致小型化光声池的灵敏度较低。

4、(2)传统的光声池的进气方式为泵吸式，其存在一个进气口和一个出气口。进气口连接待测气体环境，出气口则与抽气泵相连。该方式需要额外的气路控制系统，体积大和成本高。由于光声池直接通过开放的进气口与外界环境相连，外界环境的噪声极易通过进气口耦合到光声池中，严重影响光声池的检测精度。同时，对于小型化光声池而言，进出气口的尺寸相对较大，因此其易引起声泄漏而影响光声池的共振模式和灵敏度。对于皮肤呼出气检测而言，由于皮肤呼出气速率较慢，而泵吸式的流量通常较高，因此容易将空气等其他干扰气体吸入光声池内影响检测精度。同时泵吸式会使进气口处的皮肤处于负压，易造成生理不适。现有的技术通过在光声池壁上打微孔的方式实现扩散式检测方法。然而，该方法需要采用飞秒激光器加工等技术，加工成本高、工序复杂。

5、(3)传统光声池通常由硬质金属加工而成，光声池腔体并不能弯曲、形变。受骨骼和肌肉结构的影响，人体不同部位的皮肤形状各异。传统光声池并不能根据测量位置的皮肤改变形状，因此无法与皮肤很好地贴合。硬质光声池作为穿戴式设备也会使人体感到不适。同时，传统光声池的光声信号激发和共振模式也不允许其做成柔性结构。以光声光谱气体检测领域中最常用的圆柱形光声池为例，激励光源直接照通光声池的腔体。若腔体被弯折，则吸收光程和声共振模式都会改变，严重影响光声池的性能。

6、(4)人体呼出气成分复杂，常需要多组分同时检测。而传统光声池通常只能有一个入射光路，难以通过多光源耦合实现多组分气体同时检测。例如常见的圆柱形光声池，其入射光只能沿着轴向传播，难以实现多光源耦合。

7、公开号为cn115096847a的中国发明专利申请公开了一种单腔式多组分光声光谱气体检测装置和方法，该装置包括函数信号发生器、电流驱动器、激光器模块、光开关、光声池、微音器、锁相放大器以及计算处理单元；但是该装置无法检测人体呼出气。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的缺点，本发明的目的在于提供一种微型柔性光声池及其构成的人体呼出气体检测系统，通过对微型柔性光声池的材质和尺寸的设置，能够同时实现小型化和检测灵敏度高；设置阻声透气膜，能够使微型柔性光声池无需配备额外的气路控制系统，进而不会产生抽气泵导致的噪声污染；本发明的结构能够根据人体皮肤或呼吸面罩等载体的情况自由改变形状，很好地与载体贴合，减少作为穿戴式设备给人带来的不适；本发明具有体积小、共振频率低、灵敏度高、可测多组分气体、成本低、噪声低、易穿戴的特点。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种微型柔性光声池，包括第一共振腔1，第一共振腔1一端连通有第一麦克风2，第一共振腔1远离第一麦克风2的侧壁与第三共振腔5连通，第三共振腔5与第二共振腔3的侧壁连通，第二共振腔3远离与第三共振腔5连通的位置处的一端连通有第二麦克风4，所述第一共振腔1、第二共振腔3以及第三共振腔5的外表面覆盖有阻声透气膜，所述第一共振腔1和第二共振腔3的两个端面处均设置有光学窗口片6。

4、所述微型柔性光声池的长宽高均不大于5cm，第一共振腔1和第二共振腔3的内径大于第三共振腔5的内径，所述第三共振腔5的长度不大于18cm；所述阻声透气膜的厚度为0.03-0.3mm，孔径为0.1-1μm。

5、所述第一共振腔1，第二共振腔3和第三共振腔5的材质均为柔性材料聚氨酯、聚四氟乙烯或硅胶；所述第一共振腔1，第二共振腔3和第三共振腔5的形状均为中空的圆柱体；所述阻声透气膜为一片表面布满微孔的薄膜，阻声透气膜的材质为聚四氟乙烯。

6、所述第三共振腔15包括n+1个短共振腔51和n个长共振腔52，n为任意正整数；所述n+1个短共振腔51和n个长共振腔52依次垂直错开首尾连通；所述第一共振腔1和第二共振腔3的侧壁均与短共振腔51连通。

7、所述第一共振腔1、第二共振腔3以及第三共振腔5平铺在同一水平面，即微型柔性光声池为平铺式结构，其中n取1-20；所述第一共振腔1、第二共振腔3以及第三共振腔5折叠在一起，即微型柔性光声池为折叠式结构，其中n取2-100，最多折叠五层。

8、所述短共振腔51的长度大于短共振腔51的内径，且大不于短共振腔51内径的5倍；所述长共振腔52的长度不大于5cm。

9、所述第三共振腔5的形状为螺旋形，即微型柔性光声池为螺旋式结构，所述第三共振腔5的长度为0.5-18cm。

10、一种人体呼出气体的检测系统，包括：

11、信号发生器7：所述信号发生器7的第一信号输出端与光源控制器8的信号输入端连接，用于输出正弦波、方波或锯齿波的周期信号到光源控制器8；所述信号发生器7的第二信号输出端与锁相放大器11的第一信号输入端连接，用于输出方波参考信号到锁相放大器11；

12、光源控制器8：所述光源控制器8的信号输出端与激光器9的信号输入端连接，用于根据周期信号对激光器9发射的激光光束进行波长或幅值调制；

13、激光器9：所述激光器9的激光输出端与微型柔性光声池的激光输入端相连，用于向微型柔性光声池发射经过光源控制器8调制后的激光光束；

14、微型柔性光声池：所述微型柔性光声池的第一麦克风2和第二麦克风3的信号输出端均与麦克风驱动电路10的信号输入端连接；微型柔性光声池预先通入待测气体，进入微型柔性光声池的调制激光光束穿过待测气体，产生光声效应；所述微型柔性光声池的第一麦克风2和第二麦克风3探测光声效应产生的声波信号并将其转化为电压信号；

15、麦克风驱动电路10：所述麦克风驱动电路10的信号输出端与锁相放大器11的第二信号输入端连接，用于向锁相放大器11传输电压信号；

16、锁相放大器11：所述锁相放大器11的信号输出端与上位机12的信号输入端连接，根据信号发生器7输出的方波参考信号，对麦克风驱动电路10输入的电压信号进行滤波解调放大，得到特征电压信号；

17、上位机12：用于根据锁相放大器11输入的特征电压信号检测人体呼出气体的浓度和种类。

18、所述麦克风驱动电路10包括差分电路和相加电路。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、(1)本发明通过设置微型柔性光声池的长宽高皆不大于5cm，实现了一阶共振频率不高于2000hz的低频共振，而常见的麦克风在2000hz以下有较好的声学响应，因此本发明的微型柔性光声池结构同时实现了小型化和灵敏度高的要求，能够检测出人体呼出气量极小的呼出气成分。

21、(2)与传统的泵吸式光声池相比，本发明的微型柔性光声池是基于阻声透气膜的扩散式光声池，因此无需配备额外的气路控制系统，设备体积更小、成本更低并且没有抽气泵导致噪声。所述阻声透气膜在保证光声池内外气体交换的前提下，还能作为硬声场边界阻隔外界噪声并防止声泄漏，从而保持微型柔性光声池的共振模式和高灵敏度。

22、(3)与泵吸式光声池相比，本发明的第一共振腔，第二共振腔和第三共振腔选用的材质均为柔性材料聚氨酯、聚四氟乙烯或硅胶，能够根据人体皮肤或呼吸面罩等载体的情况自由改变形状，很好地与载体贴合，减少了作为穿戴式设备给人带来的不适，对穿戴者活动的限制也远小于传统光声池。

23、(4)与传统单入射光路的光声池相比，本发明设置了第一共振腔和第二共振腔两条入射光路，因而允许多一倍的入射光进入微型柔性光声池，极易产生多光源耦合，实现了人体呼出气的多组分同时检测。

24、(5)本发明的阻声透气膜覆盖在第一共振腔，第二共振腔和第三共振腔的表面，通过扩散的方式使待测气体快速充满微型柔性光声池，其响应速度不亚于传统泵吸式光声池；阻声透气膜属于微型柔性光声池的可更换配件，可根据实际应用需要更改其厚度、孔径参数；与飞秒激光打孔技术的扩散式光声池相比，本发明的阻声透气膜加工简单，成本低廉。

25、综上所述，与现有技术相比，本发明具有体积小、共振频率低、灵敏度高、可测多组分气体、成本低、噪声低、易穿戴的特点。