本實(shí)用新型涉及一種微量混合氣體檢測設(shè)備和檢測技術(shù)類，特別是一種含有二氧化碳濃度修正的呼出氣多組分檢測儀。

背景技術(shù)：

氫呼氣試驗(yàn)已被世界各國多個領(lǐng)域的專家廣泛應(yīng)用于診斷碳水化合物吸收不良、小腸細(xì)菌過度生長等病癥，因其具有簡便、迅速及無創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已作為一種非侵入性胃腸功能檢查方法。小腸中存在的產(chǎn)甲烷菌會利用氫和二氧化碳生產(chǎn)甲烷，單純的氫呼氣實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于這類人群會產(chǎn)生假陰性結(jié)果。在氫呼氣試驗(yàn)中同時加入對甲烷含量的測定,對排除假陰性結(jié)果及提高相關(guān)疾病的確診率將更有意義。甲烷和氫呼氣檢測是一種簡便、無創(chuàng)、重復(fù)性好、特異性高的胃腸功能檢查方法，隨著對呼氣試驗(yàn)認(rèn)識的提高與設(shè)備的改進(jìn),它將會更多地被應(yīng)用于胃腸病臨床工作中。

現(xiàn)階段甲烷和氫呼氣檢測一般采用氣相色譜技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、固態(tài)傳感器技術(shù)等檢測手段。氣相色譜儀是一種用于精確分離復(fù)雜樣品中化合物的化學(xué)分析儀器，但是由于設(shè)備復(fù)雜昂貴，所需檢查時間較長，難以實(shí)現(xiàn)多樣本、大數(shù)據(jù)的檢測需求。電化學(xué)技術(shù)使用的氫氣傳感器是一種化學(xué)燃料電池,利用呼出氣體中的氫與其中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，把產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成電流。但是由于在檢測氣體時要消耗傳感器內(nèi)的化學(xué)物質(zhì),隨著檢測次數(shù)的增加,其結(jié)果的穩(wěn)定性和敏感性逐漸降低。上述技術(shù)都不滿足甲烷和氫呼氣檢測的實(shí)際需求。

此外，人體呼吸節(jié)律過程中，與血液中氣體發(fā)生交換的肺泡氣含有較多的代謝物質(zhì)，在采集樣本時，待測者一次呼氣的不同階段所含氫氣甲烷含量不同，檢測結(jié)果可比性較差，不利于診斷分析。現(xiàn)階段檢測技術(shù)與設(shè)備對采氣限制條件較多，且很難保證完全獲取肺泡氣，增加操作復(fù)雜度并影響推廣。

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的臨床應(yīng)用，需要提出一種可以同時檢測甲烷、氫和二氧化碳的小型一體化檢測儀器，其具有快速方便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定和可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，并能根據(jù)二氧化碳濃度修正檢測值，降低樣本采集限制條件，減少呼氣采集等人為因素造成的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實(shí)用新型的目的在于解決上述檢測手段中儀器龐大、操作復(fù)雜、檢測周期長、檢測結(jié)果誤差大、用戶交互不友好、壽命短等缺點(diǎn)，提供一種含有二氧化碳濃度修正，并可以快速同時檢測甲烷、氫和二氧化碳，且操作簡便，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、重復(fù)性均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，有利于大規(guī)模臨床應(yīng)用推廣的小型一體化檢測儀器。

本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種二氧化碳濃度修正的呼出氣多組分檢測儀，包括過濾瓶、載氣氣泵、干燥管、進(jìn)樣氣泵、樣品環(huán)、第一兩相三通電磁閥、第二兩相三通電磁閥、第三兩相三通電磁閥、色譜柱和檢測氣室；干燥管、第二兩相三通電磁閥、樣品環(huán)、第三兩相三通電磁閥、進(jìn)樣氣泵依次連通構(gòu)成進(jìn)樣通路；過濾瓶、載氣氣泵、第一兩相三通電磁閥、色譜柱、檢測氣室依次連通構(gòu)成清洗通路；第一兩相三通電磁閥、第二兩相三通電磁閥、第三兩相三通電磁閥同時切換氣路通路，使得過濾瓶、載氣氣泵、第三兩相三通電磁閥、樣品環(huán)、第二兩相三通電磁閥、第一兩相三通電磁閥、色譜柱、檢測氣室依次連通構(gòu)成檢測通路；所述檢測氣室為長方體結(jié)構(gòu)，在正面開有第一PCB板槽，上部開有二氧化碳傳感器通氣口，下部開有金屬氧化物半導(dǎo)體(metaloxidesemiconductor，MOS)傳感器槽；MOS傳感器槽的底部開有圓柱形槽，構(gòu)成氣體反應(yīng)室，氣體反應(yīng)室剛好覆蓋MOS傳感器的敏感材料，MOS傳感器裝配在第一PCB板上，第一PCB板嵌入第一PCB板槽內(nèi)，同時使得MOS傳感器嵌于MOS傳感器槽；檢測氣室背面開有第二PCB板槽，上部開有二氧化碳傳感器槽，二氧化碳傳感器裝配在第二PCB板上，第二PCB板嵌入第二PCB板槽內(nèi)，同時使得二氧化碳傳感器嵌于二氧化碳傳感器槽；檢測氣室的一個側(cè)壁分別開有與氣體反應(yīng)室的頂部和側(cè)壁連通的進(jìn)氣口和出氣口；另一側(cè)壁開有測溫孔；頂面開有控溫模塊裝配孔。

進(jìn)一步地，所述的進(jìn)樣通路中，在第三兩相三通電磁閥和進(jìn)樣氣泵之間接有第一流量計與第一精密流量調(diào)節(jié)閥，可監(jiān)測并調(diào)節(jié)進(jìn)樣流量在合適的范圍，以保證在較短的時間內(nèi)完成進(jìn)樣，并使樣本氣體完全充滿樣本環(huán)。

進(jìn)一步地，所述的清洗通路和檢測通路中，在第一兩相三通電磁閥和載氣氣泵之間接有第二流量計與第二精密流量調(diào)節(jié)閥，可監(jiān)測并調(diào)節(jié)載氣流量為一恒定值，以保證清洗狀態(tài)時，過濾后的空氣持續(xù)且穩(wěn)定地流過傳感器表面，得到穩(wěn)定的基線。

進(jìn)一步地，載氣氣泵配有溫度傳感器與風(fēng)扇，溫度傳感器監(jiān)控載氣氣泵工作時的發(fā)熱狀態(tài)，由溫度反饋控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為載氣氣泵降溫，保證載氣氣泵正常工作并延長使用壽命。

進(jìn)一步地，所述的色譜柱材質(zhì)為不銹鋼，填充材料為60-80目的HayeSep Q材料，外徑四分之一英寸，長度75厘米。

進(jìn)一步地，所述的檢測氣室為金屬材質(zhì)，以保證較大的熱慣性。所述的測溫孔裝配有溫度傳感器，所述的控溫模塊裝配孔裝配有控溫模塊，控溫模塊包括加熱器與過溫保護(hù)開關(guān)。其中加熱器與溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對檢測氣室的測溫與控溫，以盡可能抑制溫度漂移對傳感器輸出造成的影響，當(dāng)溫度過高時保護(hù)開關(guān)自動斷開以保護(hù)傳感器不受損壞。

進(jìn)一步地，所述檢測儀還包括用戶交互模塊，所述的用戶交互模塊包括按鍵、液晶屏、熱敏打印模塊、USB與串口接口。按鍵選擇檢測儀的工作模式與功能操作，檢測結(jié)果可顯示于液晶屏上或直接打印，也可通過USB與串口接口傳輸至上位機(jī)。

本實(shí)用新型的有益效果是：

其一，具有二氧化碳濃度同步檢測功能?？筛鶕?jù)二氧化碳濃度修正氫氣、甲烷濃度值，修正后的氫氣、甲烷濃度被歸一化到同一水平，消除了不同呼氣階段造成的差異。有利于降低樣本采集限制條件，減少呼氣采集等人為因素造成的誤差，使檢測結(jié)果更具可比性，為相關(guān)疾病的初篩與診斷提供更可靠的檢測數(shù)據(jù)。

其二，獨(dú)特的檢測氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計。氣體反應(yīng)室形成微小空間，經(jīng)色譜柱分離后的氣體各組分從氣體反應(yīng)室的頂部垂直流向MOS傳感器表面，并從側(cè)壁連通的出氣口排出，以保證MOS傳感器快速給出輸出響應(yīng)，并在短時間內(nèi)恢復(fù)基線。檢測氣室為熱慣性較大的金屬材質(zhì)，加熱器與溫度傳感器實(shí)現(xiàn)檢測氣室的測溫與控溫，以抑制溫度漂移對傳感器輸出造成的影響，提高檢測過程的穩(wěn)定性與重復(fù)性。

其三，精確的氣路流量控制。在進(jìn)樣與載氣通路中都配有精密流量調(diào)節(jié)閥與流量計，可調(diào)節(jié)與監(jiān)測進(jìn)樣流量與載氣流量。合適的進(jìn)樣流量使樣本氣體完全充滿樣本環(huán)，并保證在較短的時間內(nèi)完成進(jìn)樣。合適的載氣流量使氫氣、甲烷特征峰相互分離無重疊，且可在短時間內(nèi)恢復(fù)基線，使樣本單次檢測時間較短，以滿足臨床大樣本量的檢測需求。

其四，儀器整機(jī)小型一體化。儀器各模塊結(jié)構(gòu)簡單、連接與布局最優(yōu)化、體積較小，由微控制器控制實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度修正的甲烷氫呼氣含量快速檢測，結(jié)果可在屏幕上顯示或上傳至上位機(jī)。配有標(biāo)準(zhǔn)氣可對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)與驗(yàn)證測試。載氣為過濾后的空氣，無需特殊高純氣體，減少氣瓶、壓力轉(zhuǎn)換與控制等部件的體積與復(fù)雜度。儀器整體操作簡便，用戶交互友好，自動化與智能化水平較高。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的儀器整機(jī)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本實(shí)用新型的儀器氣室結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本實(shí)用新型的氣室控溫與溫度漂移曲線；

圖5是本實(shí)用新型的氣泵流速對輸出響應(yīng)的影響分析；

圖6是本實(shí)用新型的呼出氣二氧化碳濃度與修正因子；

圖7是本實(shí)用新型的氫氣檢測濃度的二氧化碳修正結(jié)果；

圖8是本實(shí)用新型的MOS傳感器高濃度梯度響應(yīng)；

圖9是本實(shí)用新型的MOS傳感器低濃度梯度響應(yīng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型一種二氧化碳濃度修正的呼出氣多組分檢測儀的整機(jī)示意圖，包括儀器箱體1，儀器箱體1外側(cè)含有熱敏打印模塊2、USB與串口接口3、進(jìn)樣口4、干燥管5、過濾瓶6、液晶屏7和按鍵8。熱敏打印模塊2可現(xiàn)場打印檢測結(jié)果，也可以通過USB與串口接口3傳輸至上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。校準(zhǔn)氣與呼出氣通過進(jìn)樣口4抽入儀器內(nèi)部，干燥管5用于濾除呼出氣體中的水分，過濾瓶6對室內(nèi)空氣進(jìn)行過濾后作為載氣清洗檢測氣室或推送樣本環(huán)中的待測氣體至二氧化碳傳感器。液晶屏7用于顯示功能主菜單與檢測數(shù)據(jù)，可通過按鍵8選擇設(shè)置、校準(zhǔn)、運(yùn)行和參數(shù)顯示等模式，并控制完成儀器各項(xiàng)操作。

如圖2所示，本實(shí)用新型的一種二氧化碳濃度修正的呼出氣多組分檢測儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。清洗狀態(tài)時，過濾后的空氣經(jīng)過濾塞13濾除大顆粒物質(zhì)，由載氣氣泵12抽入儀器內(nèi)部，第二精密流量調(diào)節(jié)閥11調(diào)節(jié)載氣流量在合適的恒定值，由第二流量計10進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)過第一兩相三通電磁閥16后，載氣持續(xù)清洗色譜柱9與檢測氣室15，使傳感器輸出響應(yīng)穩(wěn)定在基線值。溫度傳感器監(jiān)控載氣氣泵12工作時的發(fā)熱狀態(tài)，由溫度反饋控制風(fēng)扇14轉(zhuǎn)速為載氣氣泵12降溫，保證其正常工作并延長使用壽命。進(jìn)樣狀態(tài)時，用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)氣或經(jīng)干燥管過濾后的呼出氣，由進(jìn)樣氣泵20抽入儀器內(nèi)部，第一精密流量調(diào)節(jié)閥21調(diào)節(jié)進(jìn)樣流量在合適的恒定值，由第一流量計22進(jìn)行監(jiān)測，使待測氣體完全充滿樣本環(huán)18，并保證在較短的時間內(nèi)完成進(jìn)樣。校準(zhǔn)狀態(tài)時，儀器預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氣中氫氣、甲烷與二氧化碳的濃度，第一兩相三通電磁閥16、第二兩相三通電磁閥17、第三兩相三通電磁閥19同時切換氣路通路(虛線)，使載氣把樣本環(huán)18中的標(biāo)準(zhǔn)氣推出，先經(jīng)過二氧化碳傳感器檢測二氧化碳濃度，再經(jīng)過色譜柱9分離，氫氣與甲烷氣體依次經(jīng)過MOS傳感器表面，傳感器輸出響應(yīng)經(jīng)計算后得出檢測濃度，取檢測濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度的差值作為檢測結(jié)果的校準(zhǔn)值。檢測狀態(tài)時，與校準(zhǔn)狀態(tài)類似，樣本環(huán)18中的呼出氣經(jīng)分離與檢測后，得出氫氣、甲烷和二氧化碳濃度。儀器預(yù)設(shè)二氧化碳濃度期望值為5.5％(根據(jù)一般人體肺泡氣二氧化碳濃度所設(shè))，二氧化碳濃度期望值除以二氧化碳濃度檢測值后得到修正因子，修正后的氫氣、甲烷濃度等于氫氣、甲烷濃度檢測值乘以修正因子。氫氣、甲烷、二氧化碳濃度檢測值與修正值，以及修正因子可顯示于儀器的液晶屏7上或通過熱敏打印模塊2打印，也可通過USB與串口接口3傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。一次檢測完成時，第一兩相三通電磁閥16、第二兩相三通電磁閥17、第三兩相三通電磁閥19再次切換氣路通路(實(shí)線)，儀器進(jìn)入清洗狀態(tài)，等待傳感器響應(yīng)恢復(fù)到基線值后，可進(jìn)行下一次檢測。

如圖3所示，本實(shí)用新型的一種二氧化碳濃度修正的呼出氣多組分檢測儀的氣室結(jié)構(gòu)圖。檢測氣室為金屬材質(zhì)的長方體結(jié)構(gòu)，以保證較大的熱慣性。在正面開有第一PCB板槽24，上部開有二氧化碳傳感器通氣口23，下部開有MOS傳感器槽25，MOS傳感器槽25的底部開有圓柱形槽，構(gòu)成氣體反應(yīng)室27，氣體反應(yīng)室27剛好覆蓋MOS傳感器的敏感材料，MOS傳感器裝配在第一PCB板上，第一PCB板嵌入第一PCB板槽24內(nèi)，同時使得MOS傳感器嵌于MOS傳感器槽25。檢測氣室背面開有第二PCB板槽32，上部開有二氧化碳傳感器槽31，二氧化碳傳感器裝配在第二PCB板上，第二PCB板嵌入第二PCB板槽32內(nèi)，同時使得二氧化碳傳感器嵌于二氧化碳傳感器槽31。檢測氣室的一個側(cè)壁分別開有與氣體反應(yīng)室的頂部和側(cè)壁連通的進(jìn)氣口29和出氣口28，另一側(cè)壁開有測溫孔26，頂面開有控溫模塊裝配孔30。樣本氣通過二氧化碳傳感器通氣口23到達(dá)二氧化碳傳感器，測得二氧化碳濃度。再從通氣口流出到達(dá)色譜柱9前端，分離后的氣體各組分經(jīng)過進(jìn)氣口29，從氣體反應(yīng)室27的頂部垂直流向MOS傳感器表面，并從側(cè)壁連通的出氣口28排出，以保證MOS傳感器快速給出輸出響應(yīng)，并在短時間內(nèi)恢復(fù)基線。MOS傳感器高濃度梯度響應(yīng)與低濃度梯度響應(yīng)如圖8和圖9所示，輸出響應(yīng)形成典型雙峰曲線，依次為氫氣特征峰與甲烷特征峰。根據(jù)一般患者呼出氣內(nèi)氫氣、甲烷最高濃度和所需靈敏度，設(shè)定儀器檢測范圍為0-500ppm，分辨率為1ppm。分析特征峰峰值與濃度梯度的相關(guān)性，得出擬合公式，傳感器輸出響應(yīng)帶入公式后可計算出氫氣、甲烷濃度檢測值。根據(jù)二氧化碳濃度計算修正因子，根據(jù)一般呼出氣中二氧化碳濃度范圍，設(shè)定修正因子小于4時，所測二氧化碳濃度有效，并對氫氣、甲烷濃度檢測值進(jìn)行修正。測溫孔26用于裝配溫度傳感器，控溫模塊裝配孔30用于裝配加熱器與熱保護(hù)器，加熱器與溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對整個檢測氣室的測溫與控溫，以盡可能抑制溫度漂移對傳感器輸出造成的影響，并當(dāng)溫度過高時保護(hù)開關(guān)自動斷開以保護(hù)傳感器不受損壞。

利用本實(shí)用新型檢測儀進(jìn)行檢測的整體流程如下(以檢測甲烷氫呼氣為例)：

(1)儀器開機(jī)自檢與預(yù)熱。程序自動判斷載氣流量是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，加熱器對檢測氣室進(jìn)行升溫，溫度傳感器實(shí)時測量檢測氣室的溫度作為反饋，通過PID控溫算法把檢測氣室的溫度控制在合適的恒定值，以避免呼出氣體冷凝現(xiàn)象并抑制傳感器輸出響應(yīng)的溫度漂移。氣室控溫與傳感器溫度漂移曲線如圖4所示，開機(jī)預(yù)熱兩小時后，檢測氣室溫度為38±0.5℃(可調(diào))，傳感器輸出基線基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)清洗狀態(tài)。過濾后的空氣作為清洗與檢測載氣，由載氣氣泵抽入儀器內(nèi)部，第二精密流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)載氣流量在合適的恒定值，由第二流量計進(jìn)行監(jiān)測，載氣持續(xù)清洗色譜柱與檢測氣室，使傳感器輸出響應(yīng)穩(wěn)定在基線值。氣泵流速對傳感器輸出響應(yīng)的影響如圖5所示，流速較大時，出峰較快，峰值響應(yīng)較大，但氫氣峰與甲烷峰之間重疊較多，不易區(qū)分。流速較小時，兩個特征峰分離較開，但恢復(fù)基線時間較久，導(dǎo)致單次樣本檢測周期過長，不利于臨床大樣本量的分析。綜合考慮檢測準(zhǔn)確性與檢測時間，當(dāng)載氣流速在60±3mL/min的范圍內(nèi)時，允許儀器進(jìn)入校準(zhǔn)與檢測狀態(tài)。

(3)進(jìn)樣狀態(tài)。用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)氣或經(jīng)干燥管過濾后的呼出氣(體積>30mL)，由進(jìn)樣氣泵抽入儀器內(nèi)部，第一精密流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)樣流量在合適的恒定值，由第一流量計進(jìn)行監(jiān)測，使待測氣體完全充滿樣本環(huán)，并保證在較短的時間內(nèi)完成進(jìn)樣。

(4)校準(zhǔn)狀態(tài)。儀器預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氣中氫氣、甲烷與二氧化碳的濃度，第一兩相三通電磁閥、第二兩相三通電磁閥、第三兩相三通電磁閥同時切換氣路通路，使載氣把樣本環(huán)中的標(biāo)準(zhǔn)氣推出，先經(jīng)過二氧化碳傳感器檢測二氧化碳濃度，再經(jīng)過色譜柱分離，氫氣與甲烷氣體依次經(jīng)過MOS傳感器表面，傳感器輸出響應(yīng)經(jīng)計算后得出檢測濃度，取檢測濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度的差值作為檢測結(jié)果的校準(zhǔn)值。

(5)檢測狀態(tài)。與校準(zhǔn)狀態(tài)類似，樣本環(huán)中的呼出氣經(jīng)分離與檢測后，得出氫氣、甲烷和二氧化碳濃度。儀器預(yù)設(shè)二氧化碳濃度期望值為5.5％(根據(jù)一般人體肺泡氣二氧化碳濃度所設(shè))，二氧化碳濃度期望值除以二氧化碳濃度檢測值后得到修正因子，修正后的氫氣、甲烷濃度等于氫氣、甲烷濃度檢測值乘以修正因子。呼出氣二氧化碳濃度與修正因子如圖6所示，呼出氣中的二氧化碳濃度和計算后得到的修正因子，隨不同的呼氣階段(如死腔氣體與肺泡氣等)呈周期性變化。氫氣檢測濃度的二氧化碳修正結(jié)果如圖7所示，呼出氣中的氫氣濃度隨二氧化碳濃度的變化而變化，修正后的氫氣濃度值被歸一化到同一水平，消除了不同呼氣階段造成的差異。該修正方法有利于降低樣本采集限制條件，減少呼氣采集等人為因素造成的誤差，使檢測結(jié)果更具可比性，為相關(guān)疾病的初篩與診斷提供更可靠的檢測數(shù)據(jù)。

(6)用戶交互與待機(jī)狀態(tài)。氫氣、甲烷、二氧化碳濃度檢測值與修正值，以及修正因子可顯示于儀器的液晶屏上或通過熱敏打印模塊打印，也可通過USB與串口接口傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。一次檢測完成時，第一兩相三通電磁閥、第二兩相三通電磁閥、第三兩相三通電磁閥再次切換氣路通路，儀器進(jìn)入清洗狀態(tài)，等待傳感器響應(yīng)恢復(fù)到基線值后，可進(jìn)行下一次檢測。

以上實(shí)施例僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。