一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩及其检测系统、检测方法

1.本发明涉及大规模疫情快速筛查技术领域，特别涉及一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩及其检测系统、检测方法。


背景技术：

2.目前对新冠病毒的大规模筛查和确诊首先是大规模人员聚集，集中采集口鼻咽部病毒样本，存放于专门的保存盒中，再利用荧光定量rt-pcr进行样本中新型冠状病毒核酸检测。这种检测方法存在检测周期长，效率低，检测过程不能实现闭环管理等缺陷，对大型新型冠状病毒患者的筛查、确诊和防疫，就显得力不从心。近来，大量研究和实践表明口鼻罩是一种高效、方便、安全、经济，可闭环管理的采集呼吸道病毒样本的重要技术手段，并公开了用于呼吸道感染病毒样本采集和检测的口鼻罩，以及口鼻罩的智能回收装置，比如一种气溶胶和飞沫新型冠状病毒病原体收集口罩与收集方法(cn111513377a)、降低新型冠病毒传染风险的咽拭子采集装置及其采集方法(cn111166391a)、用于新型冠状病毒肺炎病原体采样的口罩(cn210445776u)、一种用于收集呼气中新冠病毒核酸的口罩(cn212117167u)、适用于新型冠状病毒核酸检测取样采集的医用防护面罩(cn 212593581u)、一种面罩式新冠肺炎病毒咽拭子采集器(cn212414816u)、一种可检测新型冠状病毒肺炎病原体的口罩（cn 212483445 u）、一种用于疫情防控ai机器人的口罩回收装置（cn 212502176 u）、一种口罩检测回收机（cn 112320154 a）。
3.大量研究表明糖尿病患者呼气中丙酮的含量大于900ppb，甚至可达1800ppb，而健康人呼气中丙酮的含量为300-900ppb之间。最新研究发现新冠患者和其他呼吸系统患者呼出气中丙醇水平相比健康受试者显著升高，而新冠患者呼出气中丙酮水平相比其他呼吸系统感染患者和健康受试者显著降低（haoxuan chen, xiao qi, lu zhang, xinyue li, jianxin ma, chunyang zhang, huasong feng and maosheng yao. covid-19 screening using breath-borne volatile organic compounds. j. breath res., 15 (2021) 047104）。因此，呼气中的丙酮作为新冠病毒和糖尿病患者独一无二的“指纹”。
4.病毒样本采集口鼻罩在一定程度上有利于新冠病毒等呼吸道传染病筛查的闭环管理，降低了医患之间交叉感染的风险，提高了采集效率，智能口鼻罩回收装置也一定程度上促进了口鼻罩的闭环管理，但现有技术中从口鼻罩采集病毒样本还是需要后台进行人工采集，采集效率提升的幅度有限，而智能口鼻罩回收装置主要是对口鼻罩进行智能分类、消杀处理和再利用，不具备对传染性病毒样本进行自动化采集和检测诊断的功能，对疫情的筛查和确诊仍然需要后台专业人员对人工采集的口鼻罩样本通过rt-pcr来检测诊断。特别是，现有病毒样本采集口鼻罩不具备机读功能，不能通过口鼻罩智能回收装置实现回收、采集和诊断的有机统一和自动化，因而无法极大程度地提高筛查速度、实现闭环管理和及早制定疫情防控措施。因此，为了实现口鼻罩智能回收装置的回收、样本采集和诊断的有机统一和自动化，极大程度地提高筛查速度、实现闭环管理，为政府主管部门及早制定疫情防控
措施提供数据支撑，迫切需要研发一种可机读快速筛查新型冠状病毒患者的口鼻罩，以及批量回收可机读口鼻罩并同步实现自动化病毒样本采集和检测诊断的装置与方法来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩及其检测系统、检测方法，其目的是为了解决口鼻罩不具备机读功能，不能通过口鼻罩智能回收装置实现回收、采集和诊断的有机统一和自动化，因而无法极大程度地提高筛查速度、实现闭环管理和及早制定疫情防控措施的问题。
6.为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩：包括口罩体，所述口罩体的两边设置有耳挂，所述口罩体的上端设置有鼻梁筋，所述口罩体自内向外包括亲肤层、过滤层和防污层，所述过滤层的中央设置有可机读检测单元，所述可机读检测单元位于过滤层与亲肤层之间，所述可机读检测单元包括粘结层、支撑层以及响应丙酮刺激的薄膜层，所述薄膜层涂覆在所述支撑层上，所述粘结层围绕所述支撑层的四周布置以将支撑层设置在所述过滤层上。
7.优选的，所述薄膜层由锗杂环戊二烯化合物溶解于10-3
m的二氯甲烷溶液中后形成的混合溶液涂覆而成。
8.本技术还提供了一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测系统，包括：回收模块，用于收集所述口鼻罩，并建立口鼻罩与用户的对应关系；处理模块，包括铺平单元和波长可调的光源，所述铺平单元铺平所述口鼻罩，所述光源照射所述口鼻罩；检测模块，包括光电转换单元和定位单元，所述定位单元用于调整光电转换单元位置以使所述光电转换单元可扫描所述可机读检测单元；中控模块，信号连接回收模块、处理模块、检测模块；所述中控模块向回收模块发出收集口鼻罩的指令，所述回收模块回收所述口鼻罩后将口鼻罩暂存于回收模块内，中控模块向处理模块发出处理指令，所述铺平单元铺平所述口鼻罩，光源调整照射位置和角度直至将可机读检测单元全部照射，中控模块向检测模块发出指令，定位单元驱动光源转换单元移动，光源转换单元拍摄在可机读检测单元，并将拍摄后的图像数字化处理，中控模块接收经过数字化处理的图像，并与预设在其内的阈值进行对比获得第一对比结果，依据第一对比结果，进行第二次检测，第二次检测为对比该用户对应的所有口鼻罩的数字化后的结果，并依照时间顺序获得变化趋势，获得第二对比结果。
9.优选的，所述回收模块还包括收纳单元、包装单元、喷涂单元，所述收纳单元用于收集口鼻罩，所述包装单元将所述口鼻罩采用可密封物进行预密封，所述喷涂单元对所述可密封物喷涂编码，所述喷涂单元将喷涂的编码存储至中控模块，所述中控模块还包括客户端，所述中控模块的编码与所述客户端生产的个人信息匹配并存储于中控模块内。
10.优选的，所述检测系统还包括消杀模块，所述消杀模块与所述中控模块信号连接，所述消杀模块用以对所述口鼻罩进行消杀，所述消杀模块向所述密封物中注入定量的酒精
或消毒液，所述回收模块对可密封物进行密封处理。
11.优选的，所述检测系统还包括提醒模块，所述提醒模块用于获取客户的个人信息，并根据个人信息的活跃度向对应用户发送口鼻罩更换提醒信息。
12.优选的，所述检测系统还包括门禁模块，所述门禁模块与所述中控模块信号连接，所述门禁模块依据第一对比结果和第二对比结果启闭门禁。
13.本技术还提供了一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测方法，包括：步骤1.向用户展示二维码，获取用户通过扫描二维填写的个人信息存贮于中控模块内，所述中控模块指令回收模块收集所述口鼻罩并对口鼻罩装袋、喷码，所述回收模块将所述喷码传递至所述中控模块内，并与个人信息配对存入数据库，所述回收模块将收集的口鼻罩存储于其内；步骤2.向处理模块发出处理指令，处理模块的铺平单元对收集的口鼻罩铺平，并调整处理模块的波长可调的光源的照射角度和位置；步骤3.向检测模块发出检测指令，所述检测模块的定位单元调整光电转换单元直至光电转换单元将可机读检测单元完全采集；步骤4.所述光电转换单元将采集到的图像数字化处理，并将数字化的结果保存至中控模块，并与预设在中控模块内的阈值进行比对。
14.优选的，检测方法还包括步骤5，所述步骤5为中控模块发出消杀指令，消杀模块对口鼻罩进行消杀处理，所述消杀处理包括注入酒精或者消毒液，中控模块向回收模块发出密封指令，回收模块对口鼻罩进行密封处理。
15.优选的，所述中控模块与防疫平台交互，以传递检测结果及个人信息。
16.本发明的上述方案有如下的有益效果：1.本发明通过光信号来表达新冠病毒检测的阳性和阴性结果，再通过光电转换单元将新冠病毒检测的阳性和阴性结果转换成可机读的电信号，从而实现检测的智能化和自动化，不仅大大提高检测速度，还实现了从传统的pcr人工接触式检测新冠病毒向机械非接触式检测转变。用非接触检测方式替代传统的接触式检测方法，一方面可实现患者单独、闭环完成整个筛查操作过程和直观、实时了解自身病情的特点，完全避免了传染性患者与医务人员之间交叉感染的风险，实现了真正意义上的闭环管理，另一方面因整个过程不需要医务人员的参与和pcr检测，极大地缩减了医务人员在防疫工作上的人工成本和传统检测成本。
17.2.本发明将可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩和可批量智能回收口鼻罩的检测系统有机结合，实现回收、样本采集和诊断的有机统一。一方面完全避免了样本之间的相互影响，极大程度地提高了阳性检测率，另一方面可批量、连续、快速检测，极大程度提高大规模疫情筛查速度，为大规模新冠病毒传染的监管和防疫工作开辟了新方向。
18.3.本发明可实现口鼻罩与用户个人身份信息和行程信息关联匹配，使得可机读口鼻罩还具有指导追踪新冠病毒患者行程的功能，为政府主管部门了解疫情发展趋势和及时制定疫情防控措施提供了数据支撑，可以提前发现疫情，以使相关部门采取相应的措施，防止疫情范围的扩大，并极大地核减了政府主管部门的工作量和人工成本。
19.4.本发明的装置可与用户的gps智能手机关联，比如通过微信小程序或app实时获取其行程信息，对那些定期活动度大的人群，科学精准督促他们佩戴口鼻罩，并主动提醒更
换口鼻罩，并能够定位回收的口鼻罩，实现主动防疫的目标。
20.5.本发明将检测结果和口鼻罩佩戴者的匹配信息进行分类管理，通过该装置对特定位置或特定行程口鼻罩佩戴者群体进行检测，极大的减低了成本，缩小了追踪范围。
21.6.本发明可机读快速筛查新型冠状病毒患者的口鼻罩的结构简单，制作成本低，适用于大规模生产与推广。
附图说明
22.图1是可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩；图2是可机读检测单元的示意图；图3是检测系统示意图;图4是检测方法的步骤示意图。
23.【附图标记说明】1-口罩体；2、鼻梁筋；3、耳挂；4、可机读检测单元；5、粘接层；6、支撑层；7、薄膜层。
具体实施方式
24.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
25.如图1-2所示，本发明的实施例提供了一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩，包括口罩体1，设置在口罩体1两边的耳挂3、以及设置在口罩体1上端的鼻梁筋2，其中口罩体1自内向外包括亲肤层、过滤层和防污层。在过滤层上设置有可机读检测单元4，可机读检测单元尺寸为2-4cm见方。可机读检测单元4靠近亲肤层一侧，可机读检测单元4设置在过滤层的中央，方便可机读检测单元4与呼出的气体发生充分的反应。
26.具体的，可机读检测单元4包括粘接层5、支撑层6和薄膜层7，其中薄膜层7由可响应丙酮刺激的材料制成。薄膜层7涂覆在支撑层6上，粘接层5围绕支撑层6的四周布置确保将支撑层6固定在过滤层上并且保证薄膜层7位于过滤层和支撑层6之间。优选的，薄膜层7的厚度为：0.1-2mm。
27.前述的薄膜层7响应丙酮刺激有如下三种方式：第一种，丙酮诱导发光材料暗淡，这种材料可以受丙酮浓度的影响，浓度越高，其发光亮度越低。由该材料制成的可机读检测单元能够反应不同浓度的丙酮，并通过亮度被机读。。这类材料包括1）.锗杂环戊二烯化合物、2）1,1-二取代2,3,4,5-四苯基锗醇（1,1-disubstituted 2,3,4,5-tetraphenylgermole）；3）金（i）络合物（异氰苯与 c6f5–
au的络合）。
28.第二种，丙酮诱导不发光材料发光，这种材料平时不发光，受到丙酮刺激时发光，并且随着丙酮浓度的增强，发光亮度逐渐增强。这类材料包括1）.2-氨基-3-（（e）-（4-（二乙氨基）苄叉）氨基）马来腈（2-amino-3-((e)-(4-(diethylamino)benzylidene)amino)maleonitrile），一种二氨基苯腈功能化席夫碱；2）.3,4-二（2,6-二异丙基）-苯基-1,1,2,5-四苯基硅油（3,4-bis(2,6-diisopropyl)
‑ꢀ
phenyl-1,1,2,5-tetraphenyl
‑ꢀ
silole）。
29.第三种，丙酮诱导发光颜色转换，这种材料在有丙酮的刺激下，逐渐向另一种颜色转变，依照丙酮含量的不同，颜色转变的程度也不同。该材料制成的可机读检测单元4平时
为一种颜色，在丙酮刺激时发射另一种颜色的光。这类材料包括1）四苯乙烯取代吡啶盐（tetraphenylethene-substituted pyridinium salt）；2）含邻碳硼烷的聚（芴）（o-carborane-containing poly(fluorene)）。
30.在本实施例中，采用第一种材料制成的可机读检测单元4，该材料为锗杂环戊二烯化合物。采用现有技术制作有锗杂环戊二烯化合物的薄膜层7。
31.在本实施例中，以第一种材料制成的可机读检测单元4为例，阐述其诊断原理：当呼气中不含有丙酮时，第一种材料在紫外光激发下发射明亮的荧光，此时为第一亮度，代表着该口鼻罩处于未使用状态即出厂状态。新型冠状病毒携带者使用该口罩时，为第二亮度，正常人使用该口鼻罩时，为第三亮度。由于第一种材料的响应特性，第二亮度高于第三亮度，通过可机读信号将第一亮度、第二亮度和第三亮度的光信号转换为电信号进行比对，判断使用者是否为新型冠状病毒携带者。需要注意的是，第一亮度、第二亮度和第三亮度均为范围值，所以第二亮度位于第一亮度和第三亮度之间时，即可认定该口鼻罩使用者为新型冠状病毒的携带者。另外两种可与丙酮响应的材料的可机读方式与第一种原理相似。
32.如图3,本技术还公开了一种应用前述可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测系统，包括回收模块、处理模块、检测模块和中控模块，其中中控模块作为控制部件，对其他的模块发出指令并且接收其他模块的反馈，回收模块用于收集并存储前述的口鼻罩、处理模块用于处理收集的口鼻罩，将其处理为便于检测的形式，检测模块用于扫描可机读检测单元4，并将扫描结果反馈至中控模块。
33.中控模块向回收模块发出收集口鼻罩的指令，回收模块在收到指令后收集口鼻罩，并将口鼻罩暂存于回收模块内。具体的，回收模块包括收纳单元、包装单元、喷涂单元，其中收纳单元收集口鼻罩，包装单元用于对口鼻罩进行预密封处理，在包装单元对口鼻罩进行预密封时，可以采用半封装的方式进行处理，保证多个口鼻罩之间不会存在飞沫的相互污染。在本实施例中，考虑口鼻罩形状的特殊性，密封物采用夹链自封袋，该夹链自封袋一端开口，该开口处设置有夹链。前述的半封装指的是口鼻罩装入夹链自封袋，但不进行封口，便于后续模块的处理。
34.喷涂单元对可密封物喷涂编码，并将该编码反馈至中控模块。中控模块还包括客户端，该客户端可以依托于如手机、平板等移动电子设备存在。中控模块与客户端发生交互，由客户端收集个人信息并存储在中控模块内。该个人信息包括个人身份信息和行程信息。个人信息与前述的编码形成配对，方便建立起个人信息和该用户的多个口鼻罩编码之间的联系。
35.进一步的，处理模块在回收模块处理后，对口鼻罩进行进一步的处理，处理模块包括铺平单元和波长可调的光源，其中铺平单元用于铺平口鼻罩，保证口鼻罩完全展开，光源照射口鼻罩，在光源的照射下，激发可机读检测单元4光线发生变化。优选的，光源选择紫外线。
36.进一步的，检测模块包括定位单元和光电转化单元，其中定位单元用于调整光电转化单元的位置，光电转化单元用于采集可机读检测单元4的图像信息，定位单元保证光电转化单元可以将可机读检测单元4完全扫描，保证检测结果的完整性。
37.光电转化单元包括摄像元件和数字化元件，光电转化单元用于将拍摄到的图像经过数字化元件处理形成数字信号，并将该数字信号传递至中控模块，与预设在中控模块内
的阈值进行对比获得第一对比结果，判断该口鼻罩的佩带者是否为新型冠状病毒携带者。依据第一比对结果，判断是否进行第二次检测，第二次检测中，需要对该用户对应的多个口鼻罩的数字化进行比对，并分析判断，获得第二对比结果。摄像元件具有放大采集的功能，用于放大口鼻罩的图像。
38.若前述的第一检测结果判断该用户为非新型冠状病毒携带者，则进行第二次检测获得第二检测结果，第二次检测的目的是排除用户因携带口鼻罩时间过短，未能使得可机读检测单元4发生响应造成的漏检。第二次检测依照时间顺序检测该用户名下全部口鼻罩的数字化结果，并比对变化趋势。同样的以第一种材料即丙酮猝灭聚集诱导发光材料的发光为例，在第一次检测中，判断结果为非新型冠状病毒携带者，随后对该用户的所有口鼻罩进行检测，若该用户的所有口鼻罩依照时间顺序获得的数字化结果是光强逐渐增加的，说明该用户有很大的可能携带新型冠状病毒。
39.一种应用前述可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测系统还包括消杀模块，消杀模块与中控模块信号相连，消杀模块用于对经过拍摄的口罩进行无害化处理。消杀模块在中控模块的指令下，向可密封物内注入酒精或者消毒液，以杀灭口鼻罩中可能存在的新型冠状病毒，避免口鼻罩产生二次污染。注入酒精或者消毒液的可密封物被回收模块密封处理，保证可密封物的密封性。对应在本实施例中指的是将夹链自封袋通过夹链封闭开口。
40.一种应用前述可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测系统还包括提醒模块，提醒模块用于获取个人信息，并且根据个人信息的活跃度提醒对应用户更换口鼻罩。
41.一种应用前述可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测系统还包括门禁模块，其中门禁模块与中控模块信号连接，门禁模块依据中控模块获得的第一比对结果和第二比对结果，进行启闭，仅在第一对比结果和第二对比结果均为非新型冠状病毒携带者才开启门禁，其他对比结果均不开启门禁。
42.门禁模块根据中控模块的反馈进行实时控制，特别是在机场、火车站、高铁站、超市、影院等人员密集场所能够进行实时快速筛查，即提高了过检速度，又可以现场实时筛查出疑是患者，通过控制门禁模块来阻止其进入公共场所。
43.一种应用前述可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测系统还可以与防疫平台交互，用于将结果、个人信息传递至防疫平台，实现大数字化。
44.本技术还公开了一种可机读无创筛查新型冠状病毒的口鼻罩的检测方法，包括：步骤1，向用户展示二维码，获取用户通过扫描二维填写的个人信息存贮于中控模块内，所述中控模块指令所述回收模块收集所述口鼻罩并对口鼻罩装袋、喷码，所述回收模块将所述喷码传递至所述中控模块内，并与个人信息配对存入数据库，所述回收模块将收集的口鼻罩存储于其内；在本步骤中，其目的在于建立用户与该用户的多个口鼻罩之间的对应关系，便于进行数据追踪以及动态检测。
45.步骤2.中控模块向处理模块发出处理指令，处理模块的铺平单元对收集的口鼻罩铺平，并调整处理模块的波长可调的光源的照射角度和位置；在本步骤中，其目的是展平口鼻罩或者说可机读检测单元4，避免因可机读检测单元4被遮盖影响检测效果。
46.步骤3.向检测模块发出检测指令，所述检测模块的定位单元调整光电转换单元的照射位置和角度直至光电转换单元将可机读检测单元4完全采集；步骤4.所述光电转换单元将采集到的图像数字化处理，并将数字化的结果保存至中控模块，并与预设在中控模块内的阈值进行比对获得第一检测结果，并根据第一检测结果判断是否对同一用户的多个口鼻罩进行数字化的结果对比获取第二检测结果。
47.在步骤3和步骤4中，光电转化单元包括摄像元件和数字化元件，其中摄像元件可以是高清摄像头，高清摄像头对可机读检测单元4进行多次拍照，数字化单元将图片数字化处理，提取特征，并与预设在中控模块内的阈值进行比对，根据比对结果进行判断是否为新型冠状病毒携带者使用的口罩。
48.若前述的第一检测结果判断该用户为非新型冠状病毒携带者，则进行第二次检测获得第二检测结果，第二次检测的目的是排除用户因携带口鼻罩时间过短，未能使得可机读检测单元4发生响应造成的漏检。第二次检测依照时间顺序检测该用户名下全部口鼻罩的数字化结果，并比对变化趋势。同样的以第一种材料即丙酮猝灭聚集诱导发光材料的发光为例，在第一次检测中，判断结果为非新型冠状病毒携带者，随后对该用户的所有口鼻罩进行检测，若该用户的所有口鼻罩依照时间顺序获得的数字化结果是光强逐渐增加的，说明该用户有很大的可能携带新型冠状病毒。
49.本方法还包括步骤5，步骤5为中控模块发出消杀指令，消杀模块对口鼻罩进行消杀处理，消杀处理包括注入酒精或者消毒等方式，中控模块想回收模块发出密封指令，回收模块对口鼻罩进行密封处理。
50.本方法还能与防疫平台进行数据交互，将检测的结果发送至防疫平台，并且对检测结果进行分类统计和趋势变化处理，建立用户数据库，并将检测结果反馈给用户，同时将统计结果和趋势变化等数据提供给政府主管部门。
51.本方法还能与现有的门禁系统发生交互，将第一检测结果和第二检测结果发送至门禁系统，进而控制门禁系统的启闭。当第一检测结果和第二检测结果中任一项判断该用户为新型冠状病毒携带者或者是可能携带者，则门禁保持关闭；当第一检测结果和第二检测结果均判定该用户未携带新型冠状病毒，则门禁打开。
52.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。