一种生命探测装置及其应用的制作方法

本发明涉及一种生命探测装置及其应用，属于检测设备技术领域。

背景技术：

众所周知，NO在空气中能够被缓慢氧化生成红棕色的NO₂，具有刺激性气味，其毒性较大，对呼吸系统有强烈的刺激作用，进入人体易引起咳嗽、气喘、胸痛、肺气肿等不良症状。此外，NO是一种新型的细胞内信使分子，几乎遍及机体的各个部分；其本身并无毒性，但极易穿过细胞膜，扩散性强，容易结合血液中的血红素，从而造成血液缺氧而引起中枢神经麻痹。基于此，人们对NO的研究仍集中在大气污染物的监测、人体呼吸道疾病和阿尔茨默氏症的诊断等领域。

目前常见的生命探测器主要有声波震动生命探测器、雷达生命探测器、红外生命探测器等。声波振动生命探测器可实现快速搜索，而且价格低廉、仪器轻便，但是若声音信号经废墟碎片传播时会产生很大的衰减，对信号采集造成影响。此外，外界环境随声音信号的传播也会产生干扰。雷达生命探测仪可穿透书数米甚至数十米的石块或混凝土等障碍物进而对废墟下的幸存者进行探测。只要幸存者还有呼吸、心跳等代表生命信息的生理特征，都能被雷达探测到。但是外界坏境的干扰以及仪器运行时的背景噪声会对探测结果造成很大影响。红外线探测仪能对黑暗环境下的幸存者进行探测，并能将其状况清晰呈现，对救援工作有重要意义。但是红外线很容易被水蒸气或者玻璃等其它介质吸收，难以实现精准测量。

技术实现要素：

为此，本发明首先提供了一种生命探测装置，包括探测单元、数据传输单元和数据处理单元；所述探测单元用于探测目标空间的一氧化氮，所述数据传输单元用于将探测单元产生的数据信号传递到数据处理单元，所述数据处理单元用于将探测单元产生的数据信号，转换成NO的含量数值。

在本发明的一种实施方式中，所述探测单元的工作原理可以是应用紫外-可见光谱法、化学发光法、分光光度法、电化学法、色谱法和荧光分析法等检测NO含量。

在本发明的一种实施方式中，所述探测单元的工作原理是目标空间中的NO与O₃反应生成激发态二氧化氮(NO₂*)，NO₂*在返回基态的过程中释放能量并发光，通过发光强度来反应NO的浓度。

在本发明的一种实施方式中，所述探测单元、数据传输单元和数据处理单元可以整合在一起。

在本发明的一种实施方式中，所述探测单元可以是现有的氮氧化物分析仪或者化学发光氮氧化物分析仪。

在本发明的一种实施方式中，所述探测单元是一种NO传感器。

在本发明的一种实施方式中，所述数据传输单元包括第一通信模块和第二通信模块，分别与探测单元和数据处理单元通信连接。所述数据传输单元可以通过无线信号进行数据传输。

在本发明的一种实施方式中，所述生命探测装置还包括电源，例如太阳能电池。

在本发明的一种实施方式中，所述生命探测装置还包括警报装置，当数据处理单元得到的NO含量达到判断拐点时，发出警报信号。

在本发明的一种实施方式中，所述数据处理单元将探测单元产生的数据信号计算转换成NO浓度。

在本发明的一种实施方式中，所述数据处理单元具有显示屏，能够显示NO浓度随时间的变化情况。

本发明还提供一种应用上述生命探测装置探测生命的方法，包括以下步骤：

(1)获得NO含量的基值，

(2)探测目标空间的NO含量，

(3)将目标空间的NO含量与基指进行比较。

所述获得NO含量的基值可以是通过探测单元测得目标空间所处背景环境中的NO含量，也可以是人为输入目标空间所处背景环境中的NO含量的经验值。

所述探测目标空间的NO含量应尽量能采用灵敏度高、准确性好的测定方法。例如化学发光法，化学发光法检测NO的原理是NO与O₃反应生成激发态二氧化氮(NO₂*)，NO₂*在返回基态的过程中释放能量并发光，通过发光强度来反应NO的浓度。化学发光法灵敏度高、响应时间短、线性范围宽。

所述将目标空间的NO含量与基值进行比较，是指判断目标空间的NO含量与基值是否存在统计学意义上的显著差异。当目标空间的NO含量与基值相比，显著上升时，即可判定目标空间有活体生命；当目标空间的NO含量与基值相比，无显著差异时，即可判定目标空间无活体生命。

本发明还提供一种应用上述生命探测装置监测生命体征的方法，包括以下步骤：

(1)获得特定时间、目标空间中生命体正常生命活动状态下，空气中NO含量的值，作为初始值，

(2)持续或间歇测定目标空间的NO含量，当目标空间的NO含量与初始值相比，出现下降或上升拐点时，系统提示异常。

所述拐点的判断方法包括但不限于移动平均法、连续曲线求导法、泰勒公式判断法等。

作为人体呼出气体中的一种活性成分，NO并非百害而无一利，它不同于CO₂、CO、NH₃、H₂S等，不会由动植物腐败产生，具有特异性。我们发现NO从人体呼出后会逐步自然衰变为一种稳定的气体成分，且该活性成分的含量与人体活动密切相关，人数多，活动剧烈时呼出量也大。因此，NO作为生命指示性气体，对其含量的变化进行精准测定，不仅能反映环境中人员的存在和数量，还可判断出他们的生存状态。本发明提供了一种基于监测NO含量变化的生命探测装置及其应用，能精准判断目标空间中有无生命体征，确保灾后救援工作快速、高效进行，还能为银行金库、档案馆等场合的防盗监控提供保障。

附图说明

图1一人在1m³空间里NO气体浓度随时间的累积变化情况。(设定每人换气量为4L/min，呼出气中NO浓度为15ppb。)

图2不同人数不同体积的空间中NO气体的浓度变化情况。(设定每人换气量为4L/min，呼出气中NO浓度为15ppb。其中，实线代表1人1m³空间，虚线代表10人50m³空间，点线代表1人5m³空间。)

图3一人在1m³空间中近400min时停止呼吸，其NO变化情况。(设定每人换气量为4L/min，呼出气中NO浓度为15ppb。)

图4不同人数不同体积的空间中人停止呼吸后NO气体的浓度变化情况。(设定每人换气量为4L/min，呼出气中NO浓度为15ppb。其中，实线代表1人1m³空间，虚线代表10人50m³空间，点线代表1人5m³空间。)

图5一人在5m³的空间中NO浓度变化情况。其中，实线表示600min后人停止呼吸并且停止换气后的NO变化情况，虚线则为人停止呼吸但是换气继续工作的情况。(设定每人换气量为4L/min，呼出气中NO浓度为15ppb。)

图6测试系统示意图

图7三名测试员进出30m³的空间NO浓度变化图。(a)模拟曲线图和(b)生命探测装置实测图。

图8五名测试员进出70m³的空间NO浓度变化图。(a)模拟曲线图和(b)生命探测装置实测图。

图9七名测试员进出70m³的空间NO浓度变化图

图10六名测试员进出70m³的空间NO浓度变化图

图11在有/无干扰气体条件下环境中NO浓度变化图

图12在干扰气体存在下，五名测试员进出30m³的密闭空间NO浓度变化图。其中，(a)换气系统关闭和(b)换气系统常开。

具体实施方式

实施例1生命探测装置的设计原理

设计生命探测装置的理论模型，包括以下假定的条件：(1)人体所处的空间为一种半封闭空间，有定量的新鲜空气输入，同时有等量的废气排出，以保证人体正常呼吸需求；(2)设定除了人体呼吸外，体系里没有额外的NO输入(如其它生物或物质的燃烧)；(3)人体呼出的气体与空间中原有的气体能在短时间内混合均匀。

半封闭空间内人持续呼吸时NO气体浓度的变化推导过程如下：

以第t分钟半封闭空间内的NO的物质的量，加上第t+1分钟内产生的NO的物质的量，然后减去第t+1分钟所排出的NO的物质的量，再乘以NO的衰减系数，得到第t+1分钟时半封闭空间内NO的量。第t+1分钟时半封闭空间内NO的浓度写成如下表达式：

C_t+1为第t+1分钟时半封闭空间内NO的浓度；

q为每分钟NO气体衰减后剩余的百分量；

C_t为第t分钟时半封闭空间内NO的浓度；

V₀是半封闭空间的体积；

C_b为人体呼吸呼出的气体中NO的浓度；

V_b为人体呼吸呼出的气体体积；

V_out为总排气量，即人体呼吸所呼出的气体和半封闭空间向外部排出的气体的总体积。(1)半封闭空间内人持续呼吸时NO气体浓度的变化情况

例如：V_out为8L/min(呼吸呼气4L/min，半封闭空间向外部排出4L/min)，V₀为1000L，人体呼出NO量C_b为15ppb，人体呼吸呼出气体V_b为4L/min，半衰期是3.5h，即q＝0.9976，则可以得到C_t+1＝0.9896C_t+0.0594，从而得到通式C_t＝5.711+(C₁-5.711)×0.9896^t-1。当C₁＝0.0582ppb，则半密闭空间内NO的浓度随时间变化的情况见图1。

由图1可知，1人在1m³空间里，NO的浓度随时间延长而增加，大约十小时后趋于稳定，其最后浓度可达5.7ppb，完全可以被检测到。

同理，可以得到更多不同情况下密闭空间中NO气体的变化情况，如图2所示，当1人在5m³空间里，20小时后NO气体浓度也能达到约3ppb，可以被设备检测到。即使此人在系统里生活一周(10080min)，体系里的浓度也仅为2.99ppb，增加并不明显。也就是说在10小时后系统里NO气体的浓度已基本达到平衡值。

(2)半封闭空间里从有人到无人时NO气体浓度的变化

t时刻后空间里的人不再呼吸时，只有空间的换气和气体成分的自然衰减对体系浓度造成改变。此后NO的浓度为：

例如：总体积和换气的体积不变，则C_n＝C_t(0.9936)^n-t。在图1的基础上，假设1m³空间里，1人在380min后停止了呼吸，则C＝5.603ppb，q＝0.9976。NO气体浓度变化如图3所示。同理，在图2中1人在5m³空间里的情形下，若人体突然停止呼吸，NO浓度变化情况如图4中点线曲线所示。

(3)半封闭空间里人停止了呼吸且换气系统也停止了工作

如图5所示，当换气系统停止工作时，NO浓度的变化只来源于自身的衰减，此时NO浓度随着时间的下降趋势变缓。

实施例2模拟生命探测

此处，以化学发光法检测NO为例，其原理为NO与O₃反应生成激发态二氧化氮(NO₂*)，NO₂*在返回基态的过程中释放能量并发光，通过发光强度来反应NO的浓度。

拐点判断采用移动平均法，即每增加一个时间间隔，就增加一个新近数据，去掉一个远期数据，得到一个新的平均值。设探测单元不同时间下测得NO含量序列为：x₁，x₂…x_t，根据移动平均法可以表示：

式中：x_t为最新观察值，N为参加移动平均的历史数据的个数，F_t+1为下一期预测值，即预测值是离预测期最近的一组历史数据(实际值)平均的结果。移动平均得到的平滑曲线出现极值F_max后，第n时刻，此处为所有预测期相对标准偏差的平均值，则F_n判为拐点，系统可提示报警。

在半封闭环境，选取不同体积的空间为实验对象，化学发光分析仪检测NO，通过监控密室内NO浓度的变化来判定人员生命活动。图6所示，其中，进气系统用于控制新鲜空气的输入以及废弃的排出；研究系统为办密闭环境，带有淋洗房；测试系统为整合里探测单元、数据传输单元的NO分析仪，例如武汉宇虹环保产业发展有限公司的TH-2001型化学发光氮氧化物分析仪；数据采集系统即数据处理单元，计算和显示NO含量随时间的变化情况。

(1)参照图6搭建实验装置，检查整个系统的气密性，开机运行NO分析仪，待仪器运行稳定后进行操作。

(2)打开进气系统，开始对研究系统进行换气。待NO浓度稳定，开始测试。

(3)考查不同人数的测试员通过淋洗房进入密闭空间后NO的浓度值，经一定时间后，人离开密闭空间，监测并记录密室内NO浓度随时间的变化。

(4)改变密闭空间的大小，重复上述实验。

测试一：

(1)研究对象：30m³的密闭空间

(2)测试人数：试验者3名

(3)换气系统：常开。

根据公式(1)，设定环境总体积V₀为30000L，人体呼出气中NO浓度C_b为30ppb，每人呼吸呼出气体V_b为10L/min，环境向外部排出30L/min，那么V_out为60L/min。而半衰期是3.5h，即q＝0.9976，则可以得到C_t+1＝0.9956C_t+0.0298，通式为C_t＝6.772+(C₁-6.772)×0.9956^t-1。当C₁＝0.2ppb，则环境中NO的浓度随时间变化的情况见图7(a)。环境中NO浓度随着时间增加而增大，当t＝60min时，人离开密闭空间，NO含量明显下降。

另一方面，采用生命探测装置对上述过程进行检测，测试结果如图7(b)所示。很明显，NO含量的变化趋势与图7(a)中模拟曲线基本一致，说明本方法切实可行。那么，对所测得的数据进行五点平均移动得到平滑曲线，在t＝61min时NO浓度出现最大值，F_max＝1.75123，第64min时NO浓度值为F_(t＝64)＝1.61588，且可确定空间无生命体征，系统报警。

测试二：

(1)研究对象：70m³的密闭空间

(2)测试人数：试验者5名

(3)换气系统：关闭

根据公式(1)，设定V_out为60L/min(呼吸呼气60L/min，半封闭空间向外部排出0L/min)，V₀为70000L，人体呼出NO量C_b为30ppb，人体呼吸呼出气体V_b为60L/min，半衰期是3.5h，即q＝0.9976，则可以得到C_t+1＝0.9965C_t+0.0256，从而得到通式C_t＝7.767+(C₁-7.767)×0.9965^t-1。当C₁＝0.2ppb，则空间内NO的浓度随时间变化的情况见图8(a)。环境中NO浓度随着时间增加而增大，当t＝60min时，人离开密闭空间，NO含量明显下降。与图7(a)相比，当换气系统关闭时，NO含量的降低仅来源于自身浓度的衰减，因此，下降速率变缓。

为了进一步验证模拟试验的准确性，采用生命探测装置对上述过程进行检测，测试结果如图8(b)所示。很明显，NO含量的变化趋势与图8(a)中模拟曲线基本一致，说明本方法切实可行。采用移动平均法进行平滑曲线，发现在t＝59min时NO浓度出现最大值，F_max＝1.4889；第62min时，NO浓度值为F_(t＝62)＝1.38022，且可确定空间无生命体征，系统报警。

测试三：

(1)研究对象：70m³的密闭空间

(2)测试人数：试验者7名

(3)换气系统：常开

当7人在密闭空间1h后离开，记录期间NO的浓度变化情况，测试结果如图9所示。当人进入密闭空间1h后，NO浓度增大到1.8ppb，人离开后10min，NO浓度下降到0.8ppb(降低了56％)。结果表明，在70m³空间下，7名测试员的NO含量的变化能被明显检测。同时，根据移动平均法求得平滑曲线，在t＝61min时，F_max＝1.6162，第65min时刻，可确定空间无生命体征，系统报警。

测试四：

(1)研究对象：70m³的密闭空间

(2)测试人数：试验者6名

(3)换气系统：人离开前开启，离开后关闭

当6人在密闭空间1h后离开，记录期间NO的浓度变化情况，测试结果如图10所示。当人进入后，NO浓度增大到0.9ppb，人离开后关闭换气系统，约30min能看到NO浓度降到0.4ppb(降低了56％)。结果表明，70m³空间下，6名测试员的NO含量的变化能被明显检测。同时，根据移动平均法求得平滑曲线，在t＝62min时F_max＝0.88376，第67min时刻，可确定空间无生命体征，系统报警。

测试五：

(1)研究对象：30m³的密闭空间

(2)测试人数：试验者5名

(3)杂质气体：汽油、二甲苯、油漆等

为了考察环境中杂质气体的影响，选用常见影响物进行测试，如图11所示，当有杂质气体存在的条件下，对生命探测装置测得的基线值并无太大影响，说明杂质气体对NO浓度检测没有干扰。在这种前提下，监测5人在空间停留30min后离开NO浓度的变化情况，并考查换气系统开/关对NO衰减的影响，测试结果如图12所示。在30m³空间下，5名测试员的NO含量能明显检测到，30min后，NO浓度涨到1.8-2.0ppb；随后人离开密室，NO浓度明显下降。当人离开后，换气系统开或关，能直接影响NO含量的衰减速率；对照图12(a)和12(b)，换气系统常开时，NO含量的变化来源于系统向外排出的以及自身衰减的，因此，下降速率快。

根据移动平均法求得平滑曲线，当换气系统关闭时，在t＝31min时NO含量出现最大值，F_max＝1.64844，第35min时刻，可确定空间无人存在，系统报警。当换气系统常开时，在t＝32min时NO含量出现最大值，F_max＝1.4605，第34min时刻，可确定空间无生命体征，系统报警。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。