球状悬浮气体探测仪及其探测方法与流程

本发明涉及医疗器械气体探测，尤其涉及痕量气体光学探测，具体是指一种球状悬浮气体探测仪及其探测方法。

背景技术：

1、我国传统医学“望闻问切”之一——通过判断呼吸气味来诊断疾病的方法已有很久的研究历史。现代医学也证明人体排出体外的挥发性有机物与人体新陈代谢密切相关，经统计人体排出体外的气体中含有250余种痕量的挥发性化学物质(vocs)，其中的硫化氢、甲硫醇、二甲基硫、丙酮、异戊二烯、氨气、甲烷、乙烷等气体浓度，更是蕴含了人体大量的生理病理与癌症信息。实现对人体肠胃、肝脏、肺部、呼吸道、血液等器官和组织的快速诊断，是一种极具潜力的无创检测技术。一些专家都希望：呼吸检测能够与ct扫描结合起来使用，以减少不必要的活体检查次数。这使它列入当今高科技临床诊断工具(包括侵入性的结肠镜检查)中最有效、最好的手段。其中幽门螺杆菌的呼吸检测早已应用于临床之中，一氧化氮作为哮喘抗炎症治疗效果的检测指标也已经通过了美国的fda认证(sikoffp.e.,2004)。

2、目前最成熟高效的激光吸收光谱是为探测人体挥发性气体的一种基于分子具有独特的“指纹吸收光谱”，是实现分子成分定量分析和定性识别的分析技术。只是传统的怀特池、赫里奥特池虽然优势明显，但其存在光程调节复杂、结构粗笨、维护困难，其高反射率的腔镜造价高昂还需要复杂的稳定装置，系统稳定性较差。并且该检测池在每次测量后都需要用高纯氮气彻底冲洗消毒吹干，以免残存污染带来测量偏差、残留病毒带来交叉感染！

3、但是，为将特定疾病与人体呼气能一对一的关联起来，只依靠探测单个呼气分子是远远不够的，而且呼出气体中疾病标志物不仅含量极低、种类很多，现有技术也只停留在检测口鼻气息，尚无可同时检测人体外泄气体气味与疾病对应的检测方案。不同个体在不同时间段的代谢水平和生理状况存在差异，vocs的含量和组成存在波动和变化呼吸采样缺乏标准化采样流程也是导致结果重复性差的主要因素，同时进一步限制了呼吸活检在临床中的应用。因此，拥有一种可以分析多种人体外泄(呼气、排气、皮肤及毛发散发)vocs气体的技术将显得更为完善与重要。对更多种气体分子的测量才能够提供足够的大样本量信息来寻找特异性更强的气体气味的生物标记物和疾病的生理指标的关联性。为了对呼气vocs进行更准确的定性和定量分析，需要对采样的仪器装置进行合理地结构设计和条件优化、需要开发出对人体更全面、高灵敏、高精度、高信噪比的探测仪与探测方法，打破应用瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种具有高灵敏、高精度、高信噪比的球状悬浮气体探测仪及其探测方法。

2、针对现有激光检测存在价贵体大、波长单一，缺乏多气体同检查病方法。本发明在于：

3、目的之一，提供一种采用探测“口鼻气体+肠道排气+皮、发气味”的气体探测仪；

4、目的之二，提供一种采用套合“球状外壳+圆弧形光反射罩”的球状气体吸收池；

5、目的之三，提供一种采用设计“包裹气体样本+免清洗仪器腔”的样本处置方案；

6、目的之四，提供一种采用运行“吹抬球状悬浮+垂落抽吸回收”的样本运行方案；

7、目的之五，提供一种采用智能“激光痕量探测+综合分析评判”的探病查癌方案。

8、为此，本发明提供一种基于人体全身排泄气味判断疾病的探测仪及探测方法，设计出一种采用悬浮技术、球状套罩结构加长光程的气体漫反射吸收池来解决上述问题。且所述激光反射层的折射率大于所述吸收池体的腔体内壁折射率，大大提高了光程/腔体尺寸比值，应用于人体排泄物标识性气体浓度的在线检测的探测仪及探测方法。具有整体结构更加紧凑，操作更为简便、时间分辨率更高、成本更低，体积小、重量轻，在开发小型化、低功耗、轻便型多组分气体和应用领域具有重要的实用价值。相信一定会深受高度关注健康人群的喜爱，其生产制作简便高效又经济耐用、适于大规模推广应用。

9、为了实现上述目的，本发明的球状悬浮气体探测仪及其探测方法如下：

10、该球状悬浮气体探测仪，其主要特点是，所述的气体探测仪包括：

11、呈椭圆形的底座、机壳以及顶盖，所述的机壳呈空心，并固定设置在所述的底座之上，所述的顶盖套设在所述的机壳的顶部；

12、所述的机壳上设置有人机交互单元，且机壳内部设置有球状吸收池，所述的球状吸收池的内部设置有一悬浮单元，所述的球状吸收池的上侧还设置有一进样单元，所述的球状吸收池的左右两侧均设置有光路探测单元，以及所述的球状吸收池的左侧还并列设置有信号采集处理单元和稳压电源单元。

13、较佳地，所述的顶盖上还设置有身份证读卡器、体温传感器、视频传感器、计算机模块、通讯模块、社保卡读卡器，其中，所述的身份证读卡器和社保卡读卡器均用于验证被测者的身份；所述的体温传感器用于检测被测者的体温数据；所述的视频传感器用于检测被测者的体貌特征；所述的计算机模块和通讯模块用于将获取到的信息发送至用户端以及云端大数据中心进行保存。

14、较佳地，所述的人机交互单元嵌设在所述的机壳外侧的正立面上，由设置有扬声器模块与语音模块的触摸控制屏组成，用于展示当前气体探测仪的各个功能操作界面，并显示和播报可供选择的选项以及相应的功能探测结果。

15、较佳地，所述的球状吸收池为一低温控制型吸收池，由内层套设有球状空壳的光反射罩构成，所述的光反射罩采用具有开孔三维网状骨架结构的聚氨酯泡沫陶瓷材料，且在正面下方还设置有一进样口，所述的进样口用于进行人体多种外泄气体的探测；所述的球状空壳为包含上半球球壳和下半球球壳的铝合金材料精密铸造球体，且在所述的上半球球壳和下半球球壳直径啮合处的平面上还分别设置有第一凹凸卡槽和第二凹凸卡槽，所述的第一凹凸卡槽和第二凹凸卡槽用于将所述的上半球球壳和下半球球壳进行紧密套接，且所述的第一凹凸卡槽的上方设置有第一内凹抓手，所述的第二凹凸卡槽的下方设置有第二内凹抓手；且所述的上半球球壳的顶部中心位置处还设置有活性炭滤层，所述的活性炭滤层的上方还设置有一圆形排风口；所述的下半球球壳上设置有一可移动的空心金属托架，所述的空心金属托架用于承托固定所述的光反射罩；所述的下半球球壳的背面设置有带有活性炭层过滤空气的进风口，所述的进风口用于供所述的球状吸收池吸入过滤气体；所述的下半球球壳底部的中心位置处设置有一回收口，所述的回收口用于回收废弃的探测样本，且在所述的回收口的下部还设置有一皂液回收盒；所述的下半球球壳的底部下侧还设置有一支撑框架，所述的支撑框架用于将所述的球状吸收池固定设置在所述的气体探测仪的底座上。

16、较佳地，所述的球状吸收池在所述的上半球球壳的右上方开设有一上侧通孔，所述的上侧通孔的光学孔洞具有满足所述的光反射罩进行多重反射处理的15°入射角，所述的上侧通孔用于从不同角度发射入射激光；所述的球状吸收池在下半球球壳的左下方开设有一下侧通孔，所述的入射激光通过所述的球状吸收池内部的聚氨酯泡沫陶瓷材料的漫反射面多次漫反射后会聚到所述的下侧通孔射出。

17、较佳地，所述的悬浮单元包括电加热片、半导体制冷片、抽排风扇、吹抬风扇；其中，

18、所述的电加热片以及半导体制冷片用于调整所述的球状吸收池内的温度和湿度；

19、所述的抽排风扇设置在所述的上半球球壳的活性炭滤层以及圆形排风口之间，用于控制被测气体样本进行提升与悬浮；

20、所述的吹抬风扇设置在所述的下半球球壳下部的左右两侧，用于给待测的气体样本提供向上的支撑力。

21、较佳地，所述的悬浮单元还包括一螺旋风幕，所述的螺旋风幕进一步包括风幕圆管、三通接头、细小通孔、转动风挡、气泵以及回转构件；其中，

22、所述的风幕圆管由切割为四段空心圆弧弯管与四个三通接头插接而成，所述的三通接头边缘接口用于插接所述的气泵的出风口，所述的风幕圆管及三通接头的侧平面与外侧面上均分别设置有2排等距分布、且沿圆弧弯管切线斜向出口设置的细小通孔，所述的转动风挡为半圆形的转动模块，其设置在所述的风幕圆管内侧，通过转动控制用于防止所述的螺旋风幕遮挡待测样本流通至所述的球状吸收池的中心；所述的气泵用于为所述的螺旋风幕提供产生风幕的风力；所述的风幕圆管、三通接头、转动风挡以及气泵均套设固定在所述的回转构件的空心圆环平面上，并整体固设在所述的空心金属托架上。

23、较佳地，所述的悬浮单元还包括温湿度控制器和调功器模块，其中，所述的温湿度控制器和调功器模块均设置在所述的球状吸收池的左侧，所述的温湿度控制器通过控制所述的电加热片或半导体制冷片，对所述的球状吸收池内的温度值和湿度值进行调节，并通过液晶数字面板进行数值的显示；所述的调功器模块通过监测所述的温湿度控制器获取的调控数据，控制所述的球状吸收池内部温度的升降，并在所述的气体探测仪达到抽排阶段时，控制所述的抽排风扇的工作功率，加速样本废气的抽排。

24、较佳地，所述的进样单元包括皂泡模块，其中，

25、所述的皂泡模块具体包括：皂液存储器、皂液缓渗器、皂液加温器、起泡绒圈和喇叭起泡口；所述的皂液存储器设置在所述的球状吸收池上，并与皂液缓渗器相连接；所述的皂液缓渗器的下端与起泡绒圈相连接，所述的皂液加温器为一石墨烯加温薄膜，贴附在所述的皂液缓渗器上；所述的起泡绒圈贴附在所述的喇叭起泡口上；

26、所述的皂液存储器为一不规则罐体，且底部与所述的上半球球壳的外圆弧相贴合的内凹圆弧状，左右两个侧面均与所述的球状吸收池的直径相平齐；所述的皂液缓渗器为呈双排设置的扁平状塑料件；所述的起泡绒圈为绒圈向内散开的叶状结构，用于为皂液膜渗透成型提供导向及支撑；所述的喇叭起泡口设置在所述的下半球球壳的侧壁上。

27、较佳地，所述的进样单元还包括：气路滤材和气路配件，所述的气路滤材和气路配件组合设置在所述的喇叭起泡口的内侧；其中，

28、所述的气路滤材具体包括数个吸水棉以及多孔材料，所述的吸水棉用于吸附过滤气体中的水汽，所述的多孔材料为金属有机多孔材料fji-h14，用于吸附过滤气体中的二氧化碳；

29、所述的气路配件具体包括一次性吹嘴、一次性塑料止水阀、塑料止回阀以及抽气管套，其中，所述的一次性吹嘴设置在所述的吸水棉的上部，所述的一次性塑料止水阀设置在所述的气路配件的前插接模块上，且所述的前插接模块与所述的吸水棉相连接；所述的塑料止回阀设置在所述的气路配件的后插接模块上，且所述的后插接模块与所述的多孔材料相连接。

30、较佳地，所述的进样单元还包括监控模块、气流传感器以及真空泵，其中，

31、所述的监控模块为网络监控1080p摄像头，用于监控皂泡气体样本在所述的球状吸收池内不同时间阶段的运转状态；

32、所述的气流传感器能够限定输入的气体量，用于控制受测者即时输入气体的流量，以此来控制皂泡气体样本的体积；

33、所述的真空泵设置有抽气口以及排气口，所述的抽气口用于吸入待检测样本气体，所述的排气口用于清除与所述的喇叭气泡口相连通的通道内的样本气体。

34、较佳地，所述的光路探测单元包括：激光驱动器、可调谐激光器、光电耦合器、准直透镜、聚焦透镜以及光电探测器，其中，

35、所述的激光驱动器采用分时驱动方式，设置在所述的球状吸收池的右侧底部，所述的激光驱动器的输出端与数个所述的可调谐激光器的输入控制端相连接，用于驱动所述的可调谐激光器对待检测气体进行激光强度的探测；

36、数个所述的可调谐激光器均设置在所述的球状吸收池的右侧底部，且每一个所述的可调谐激光器均与一个对应的准直透镜相连接，各个所述的准直透镜均设置在所述的光电耦合器上；

37、所述的光电耦合器设置在所述的球状吸收池的右上侧位置处，用于通过所述的准直透镜将经过光路耦合处理后的光束准直输出到所述的球状吸收池中；

38、数个所述的准直透镜均设置在所述的球状吸收池的右上侧以及所述的光电耦合器的出光口上，所述的准直透镜的准直处与所述的球状吸收池右上方的上侧通孔相对齐，用于将耦合输出的激光束准直输出到所述的球状吸收池内，且所述的可调谐激光器输出的激光将通过所述的准直透镜进行调整；

39、数个所述的聚焦透镜均设置在所述的球状吸收池的左下侧以及对应的光电探测器的入光口，且所述的聚焦透镜的聚焦处与所述的球状吸收池左下方的下侧通孔相对齐；

40、数个所述的光电探测器设置在对应的所述的聚焦透镜的后端，用于探测穿透所述的球状吸收池内部的激光。

41、较佳地，所述的信号采集处理单元具有多个数字输入通道和模拟输出通道，所述的数字输入通道用于将所述的计算机模块产生的模拟驱动信号转换成数字信号后，输入到所述的可调谐激光器中；所述的模拟输出通道用于供所述的光电探测器进行信号输入；

42、所述的稳压电源单元用于为所述的气体探测仪提供稳定的电压源。

43、该采用球状悬浮气体探测仪进行探测处理的方法，所述的方法包含上述所述的球状悬浮气体探测仪，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

44、(1)建立一种通过探测身体气味筛查疾病信息集合的标准模型，并在所述的标准模型中建立健康人体气味数据库以及异常人体气味数据库；

45、(2)被测者面向所述的球状悬浮气体探测仪进行端坐，直至呼吸平稳；

46、(3)启动人机交互单元、悬浮单元、信号采集处理单元以及稳压电源单元；

47、(4)排空探测仪内部管道，启动真空泵，通过活性炭滤层往进样单元通道中的真空泵、气流传感器、前插接模块、喇叭起泡口和球状吸收池中输入已过滤的气体，清理所述的进样单元中的残留气体；同时启动抽排风扇清洗并抽排所述的球状吸收池内存留的气体抽排干净；

48、(5)启动皂泡模块的皂液加温器，在达到33℃时将皂液逐步渗透滴落至起泡绒圈上；

49、(6)根据所述的人机交互单元当前展示的选项要求，选择所需的探测方式和对应接插件；

50、(7)进行待检测气体样本的准备；

51、(8)通过悬浮单元对皂泡气体样本进行悬浮处理；

52、(9)导入皂泡后，所述的球状吸收池内的监控模块随即将监测信号发送至可调谐激光器处，使得激光经准直透镜准直后可耦合进入球状吸收池内；

53、(10)进入球状吸收池内的入射光束通过直射与漫反射形成均匀光场，并与待测气体发生作用；经球状吸收池透射发出的激光由聚焦透镜多路透射聚焦至光电探测器处进行光路探测处理，并将计算得到的特征峰频率导入计算机模块；

54、(11)将采集到的被测者的身体气味与所述的健康人体气味数据库以及异常人体气味数据库进行数据对比以及验证处理；

55、(12)通过计算机模块将对比结果发送至人机交互单元处，并以视频或语音形式进行告知；

56、(13)通过通讯模块将收集到的探测结果以及验证结果通过gsm网络发送至用户端，并通过数据网络发送至大数据中心进行数据存储；

57、(14)待完成探测后所述的球状悬浮气体探测仪即自动加载皂泡废液及样本废气的抽排回收程序，进行环境清洗。

58、采用了本发明的该球状悬浮气体探测仪及其探测方法，其采用球状气体吸收池，使得光谱系统的整体结构更为简洁紧凑，体积、重量、功耗和成本等方面显著降低，具有精度高，时间短、成本低，光程长、容积小、结构简单、稳定性好、实用性强、经济适用，易于批产的优点，可极大地提高医诊效率，具有较大的研发价值和可观的发展空间。