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CN113176229A - 一种呼气检测方法 - Google Patents

一种呼气检测方法 Download PDF

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CN113176229A
CN113176229A CN202110465162.2A CN202110465162A CN113176229A CN 113176229 A CN113176229 A CN 113176229A CN 202110465162 A CN202110465162 A CN 202110465162A CN 113176229 A CN113176229 A CN 113176229A
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CN
China
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laser
signal
gas
detection method
dfb laser
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Pending
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CN202110465162.2A
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English (en)
Inventor
王彪
戴童欣
连厚泉
黄硕
李奥奇
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Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

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Abstract

本发明提供一种呼气检测方法，包括以下步骤：S1：将人体呼出气体采集并注入空分复用气室；S2：使用双激光器扫描待测气体频谱；S3：使用光电探测器接收并传输气体吸收后的信号；S4：通过锁相放大单元对信号进行提取。本发明能有效的提升检测速度、灵敏度和气体选择性；该系统的操作过程均由设备自动完成，减轻了工作人员的负担。检测结束后，生成参考报告传输至电脑和打印机，用于辅助医生后续治疗的决策，减轻了医生的负担。还具有检测精度高、检测时间短和抗干扰能力好等优点。具有重要的临床意义和广阔的应用前景。

Description

一种呼气检测方法
技术领域
本发明涉及激光光谱技术领域，具体涉及一种呼气检测方法。
背景技术
人类呼出的气体反映机体的代谢和病理状况，一些气体甚至可能成为某种疾病的生物标记物，能够为临床医生快速无创诊断和鉴别疾病提供依据。常用的人类呼出气体的检测技术包括气体色谱检测法(如电子鼻)、化学传感器法等，这些检测分析方法不仅操作复杂、仪器造价高，还需要定期校准；并且只能对单一成分的气体进行检测分析，不能对多种气体同时进行分析处理，检测过程响应速度较慢，待测气体的浓度难以得到实时测量，限制了它们在临床的广泛应用。
传统的甲烷氢气呼气检测采用的气相色谱技术和电化学法检测仪，必须对气体进行人工取样，再到实验室进行分析，所以在整个测量过程中，操作者的操作技能对检测精度有很大的影响，并且只能对单一成分的气体进行检测分析，不能对多种气体同时进行分析处理，检测过程响应速度较慢，待测气体的浓度难以得到实时测量。设备昂贵、操作维护复杂、分析时间长效率低、使用寿命短、抗干扰能力差，对环境及呼气湿度与温度变化极为敏感。
可调谐半导体二极管激光吸收光谱法(TDLAS)作为气体检测领域的新兴手段，现在已经发展成为常用的痕量气体的检测技术。TDLAS技术基于比尔-朗伯定律，通过测量光被气体吸收值得到与气体浓度相关的吸收强度。
发明内容
为了克服已有的技术问题，提升检测速度、灵敏度和气体选择性，本发明提供了一种呼气检测方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种呼气检测方法，包括以下步骤：
S1：将人体呼出气体采集并注入空分复用气室；
S2：使用双激光器扫描待测气体频谱；
S3：使用光电探测器接收并传输气体吸收后的信号；
S4：通过锁相放大单元对信号进行提取。
优选地，如步骤S2的双激光器包括：第一DFB激光器以及第二DFB激光器；第一DFB激光器扫描H2频谱；第二DFB激光器扫描CH4频谱。
优选地，还包括用于驱动第一DFB激光器的第一激光器驱动温控单元，以及用于驱动第二DFB激光器的第二激光器驱动温控单元；第一激光器驱动温控单元以及第二激光器驱动温控单元输出驱动信号；驱动后的第一DFB激光器以及第二DFB激光器发射激光入射至空分复用气室。
优选地，第一激光器驱动温控单元和第二激光器驱动温控单元分别用于维持第一DFB激光器以及第二DFB激光器的正常工作温度。
优选地，如步骤S3的光电探测器用于接收空分复用气室中待测气体完全吸收后的光信号，并进行信号转换。
优选地，对驱动信号中的高频正弦波分量做二倍频，传输至锁相放大单元作为参考信号；光电探测器输出的信号传输至锁相放大单元作为检测信号。
优选地，如步骤S4的锁相放大单元包括高精度CMOS运算放大器、高精度解调器、锁相环以及D触发器；锁相放大单元对检测信号和参考信号进行相关运算，进行后续提取二次谐波，再将谐波信号放大，并提取幅值。
优选地，还包括以下步骤：
S5：数据拟合单元进行数据拟合分析并传输。
优选地，如步骤S5的数据拟合单元内部设置有计算机系统、存储系统和无线传输系统；计算机系统将收集到的信息数据进行分型；存储系统将收集到的信息数据存储；无线传输系统将信息数据无线上传到上位机。
本发明的有益效果：
本发明使用TDLAS技术建立甲烷氢气呼气检测系统，能有效的提升检测速度、灵敏度和气体选择性；克服传统方法中不能同时检测、精度低、寿命短、速度慢等缺点。本发明的检测方法可以实时高精度测量甲烷和氢气的气体浓度，并进行分析，帮助医务人员判断人体呼出气体与疾病之间的对应关系，大幅度地提升了患者的就诊效率，降低成本。
该系统的操作过程均由设备自动完成，减轻了工作人员的负担。检测结束后，生成参考报告传输至电脑和打印机，用于辅助医生后续治疗的决策，减轻了医生的负担。本发明还具有检测精度高、检测时间短和抗干扰能力好等优点。具有重要的临床意义和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种呼气检测方法的呼气检测系统结构框图。
其中附图标记为：
第一激光器驱动温控单元1、第二激光器驱动温控单元2、第一DFB激光器3、第二DFB激光器4、空分复用气室5、光电探测器6、锁相放大单元7、数据拟合单元8、上位机9、打印机10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明提供的一种呼气检测方法进行详细说明。
本发明提供的一种呼气检测方法包括以下步骤：
S1：将人体呼出气体采集并注入空分复用气室；
S2：使用双激光器扫描待测气体频谱；
S3：使用光电探测器接收并传输气体吸收后的信号；
S4：使用锁相放大单元对信号进行提取。
通过使用激光光谱技术空分复用的气体检测，构建测量人体呼气中两种组分气体浓度的检测系统，由激光能量的吸收程度反演人体呼气中甲烷和氢气的气体浓度；通过甲烷和氢气的呼气实验来判断糖类不耐受、小肠细菌过度增长(small intestinalbacterial overgrowth，SIBO)等胃肠道疾病。
图1为本发明的一种呼气检测方法的呼气检测系统结构框图。
如图1所示，使用分布式反馈激光器(DFB激光器)对呼入空分复用气室5的待测气体进行同步的频谱扫描。DFB激光器的特点是其线宽可以做到很窄，即可以做成非常近似于单色波的激光，所以当扫描单一气体频谱时会更加精准；且DFB激光器可实现较宽的波长调谐范围，气体选择性好。
步骤S2中的双激光器包括：第一DFB激光器3以及第二DFB激光器4；其中第一DFB激光器3扫描H2频谱；第二DFB激光器4扫描CH4频谱。
还包括用于驱动第一DFB激光器3的第一激光器驱动温控单元1，以及用于驱动第二DFB激光器4的第二激光器驱动温控单元2；第一激光器驱动温控单元1以及第二激光器驱动温控单元2输出驱动信号；驱动后的第一DFB激光器3以及第二DFB激光器4发射激光入射至空分复用气室5。
第一激光器驱动温控单元1和第二激光器驱动温控单元2分别用于维持第一DFB激光器3以及第二DFB激光器4的正常工作温度。
在本发明的一个实施例中，第一激光器驱动温控单元1和第二激光器驱动温控单元2均由具有微控制器的主控芯片、带独立使能端的运放芯片以及具有H桥结构的功率放大器构成。
在本发明的一个实施例中，第一DFB激光器3以及第二DFB激光器4均通过光纤与空分复用气室5构建光的传输关系。第一DFB激光器3以及第二DFB激光器4产生的激光经光纤同时入射到空分复用气室5。空分复用气室5中设置有操作杆，通过操作杆控制激光的光程和光路，使激光能够被气体充分吸收。
空分复用气室5的输出端连接光电探测器6的输入端；光电探测器6用于接收空分复用气室5中被待测气体完全吸收后的光信号，并进行信号转换。
对第一激光器驱动温控单元1和第二激光器驱动温控单元2输出的驱动信号中的高频正弦波分量做二倍频，传输至锁相放大单元7作为参考信号；光电探测器6输出的信号传输至锁相放大单元7作为检测信号。
锁相放大单元7包括高精度CMOS运算放大器、高精度解调器、锁相环以及D触发器；锁相放大单元7接收光电探测器6输出的信号，并提取待测信号幅值。
在本发明的一个实施例中，从TDLAS技术的选频特性出发，通过锁相放大单元7进行后续提取二次谐波，获得对应频点检测浓度，提高系统检测精度，降低背景噪声，进一步提高系统可靠性。
锁相放大单元7检测时，对检测信号和参考信号进行相关运算，把谐波信号放大并提取其幅值，可使仪器抑制噪声的能力提高几个数量级。
本发明的呼气检测方法还包括以下步骤：
S5：数据拟合单元8进行数据拟合分析并传输。
数据拟合单元8内部设置有计算机系统、存储系统和无线传输系统；计算机系统将收集到的信息数据进行分型；存储系统将收集到的信息数据存储；无线传输系统将信息数据无线上传到上位机9。
在本发明的一个实施例中，实时无线上传检测数据至上位机9，并联网打印机10，打印参考报告，医护人员可根据参考报告的分析结果做近一步处理操作，为医护人员提供便利。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种呼气检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将人体呼出气体采集并注入空分复用气室(5)；
S2：使用双激光器扫描待测气体频谱；
S3：使用光电探测器(6)接收并传输气体吸收后的信号；
S4：通过锁相放大单元(7)对信号进行提取。
2.如权利要求1所述的呼气检测方法，其特征在于，如步骤S2所述的双激光器包括：第一DFB激光器(3)以及第二DFB激光器(4)；所述第一DFB激光器(3)扫描H2频谱；所述第二DFB激光器(4)扫描CH4频谱。
3.如权利要求2所述的呼气检测方法，其特征在于，还包括用于驱动所述第一DFB激光器(3)的第一激光器驱动温控单元(1)，以及用于驱动所述第二DFB激光器(4)的第二激光器驱动温控单元(2)；所述第一激光器驱动温控单元(1)以及所述第二激光器驱动温控单元(2)输出驱动信号；驱动后的所述第一DFB激光器(3)以及所述第二DFB激光器(4)发射激光入射至所述空分复用气室(5)。
4.如权利要求3所述的呼气检测方法，其特征在于，所述第一激光器驱动温控单元(1)和所述第二激光器驱动温控单元(2)分别用于维持所述第一DFB激光器(3)以及所述第二DFB激光器(4)的正常工作温度。
5.如权利要求3所述的呼气检测方法，其特征在于，如步骤S3所述的光电探测器(6)用于接收所述空分复用气室(5)中待测气体完全吸收后的光信号，并进行信号转换。
6.如权利要求5所述的呼气检测方法，其特征在于，对所述驱动信号中的高频正弦波分量做二倍频，传输至锁相放大单元(7)作为参考信号；所述光电探测器(6)输出的信号传输至锁相放大单元(7)作为检测信号。
7.如权利要求6所述的呼气检测方法，其特征在于，如步骤S4所述的锁相放大单元(7)包括高精度CMOS运算放大器、高精度解调器、锁相环以及D触发器；所述锁相放大单元(7)对检测信号和参考信号进行相关运算，进行后续提取二次谐波，再将谐波信号放大，并提取信号幅值。
8.如权利要求1所述的呼气检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S5：数据拟合单元(8)进行数据拟合分析并传输。
9.如权利要求8所述的呼气检测方法，其特征在于，如步骤S5所述的数据拟合单元(8)内部设置有计算机系统、存储系统和无线传输系统；所述计算机系统将收集到的信息数据进行分型；所述存储系统将收集到的信息数据存储；所述无线传输系统将信息数据无线上传到上位机(9)。
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