專利名稱：呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種醫(yī)療設(shè)備，尤其涉及一種基于生化傳感器的無創(chuàng)肺癌檢測(cè)裝置，應(yīng)用于患者呼出氣體采集及標(biāo)準(zhǔn)化過程。
背景技術(shù)：
肺癌是目前世界上最常見的惡性腫瘤之一。近三十年以來，盡管人們對(duì)肺癌的診斷及治療有了很大的提高，但肺癌仍是嚴(yán)重威脅人們健康和生命的疾病。肺癌患者就診時(shí)多已屬中晚期，失去手術(shù)機(jī)會(huì)。有資料表明早期診斷和治療的肺癌，其5年生存率由20%(III期)提高至70% ( I期)，進(jìn)步十分顯著。因此肺癌的早期診斷和高危人群的篩選是降低死亡率的關(guān)鍵。理想的早期診斷工具應(yīng)具有敏感性和特異性皆良好、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、可重復(fù)性、檢測(cè)費(fèi)用低等的優(yōu)點(diǎn)。過去肺癌的篩查(尤其在高危人群中)所使用的篩選技術(shù)，如傳統(tǒng)·的X線、痰脫落細(xì)胞檢查等并沒有降低被篩選人群肺癌死亡率。近年出現(xiàn)了一些新技術(shù)和新方法，比如胸部X線的計(jì)算機(jī)輔助圖像分析(computer-assisted image analysis ofchestradiographs)、基于聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chainreaction, PCR )的痰檢、突光支氣管鏡檢(fluorescence bronchoscopy)和螺旋CT(spiral CTscanning)、正電子發(fā)射體層成像(positron emissiontomography, PET),以及分子損傷檢測(cè)技術(shù)等,應(yīng)用于肺癌早期診斷及分期、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)病情方面取得一定進(jìn)步，但由于其費(fèi)用昂貴、方法較復(fù)雜，技術(shù)要求高，目前難以作為常規(guī)的肺癌早期診斷及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段。呼吸氣體診斷(breath test)通過檢測(cè)人體呼吸氣體改變,反映相應(yīng)組織細(xì)胞代謝改變，逐漸成為一種極具發(fā)展前景的診斷方法。肺癌檢測(cè)最大的困難在于肺癌病人呼出氣體中VOCS含量小(僅為PPb數(shù)量級(jí))。傳統(tǒng)的氣象色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和滴定或者紫外吸收比色法受儀器及檢測(cè)周期限制，應(yīng)用受到很大限制。與基于氣敏傳感器的電子鼻類似的生化傳感器技術(shù)因其能夠?qū)崿F(xiàn)快速、連續(xù)、在線和原位測(cè)量而受到廣泛關(guān)注。在基于生化傳感器的無創(chuàng)肺癌呼吸氣體檢測(cè)中，需要對(duì)患者呼出氣體進(jìn)行采集及標(biāo)準(zhǔn)化。這是由于每個(gè)人呼出氣體溫度不同，而生化傳感器反應(yīng)的本質(zhì)就是化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)需要一定的溫度，在室溫下的反應(yīng)顯然較慢；而反應(yīng)所處環(huán)境溫度過高時(shí)，則可能導(dǎo)致生化傳感器中的生化材料分解失活而喪失功能。同時(shí)，如果要保證生化傳感器對(duì)不同受測(cè)對(duì)象反應(yīng)結(jié)果的特異性，也需要傳感器工作在相對(duì)一致的溫度(一般為60攝氏度)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本實(shí)用新型的目的在于提供了一種可以對(duì)待測(cè)者呼出氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)定溫加熱，保證受測(cè)氣體溫度相對(duì)精確的呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案[0008]呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置，包括溫控器和單片機(jī)；所述溫控器包括密封腔以及設(shè)置在密封腔內(nèi)的耐熱黏土棒、氣體通道和電加熱絲；所述密封腔為圓柱狀，耐熱黏土棒沿密封腔的軸線設(shè)置，所述電加熱絲呈螺旋結(jié)構(gòu)纏繞在耐熱黏土棒上，所述氣體通道呈螺旋結(jié)構(gòu)繞在耐熱黏土棒外并與電加熱絲間隙配合；所述密封腔的一端上設(shè)有與氣體通道的一端內(nèi)連通的進(jìn)風(fēng)口，所述密封腔的另一端上設(shè)有與氣體通道的另一端內(nèi)連通的出風(fēng)口 ；所述密封腔的中部設(shè)有檢測(cè)氣體通道所在環(huán)境溫度的熱電偶I，所述進(jìn)風(fēng)口內(nèi)設(shè)有檢測(cè)輸入氣體通道的氣體溫度的熱電偶II，所述出風(fēng)口內(nèi)設(shè)有檢測(cè)輸出氣體通道的氣體溫度的熱電偶III ；所述熱電偶I、熱電偶II和熱電偶III檢測(cè)的溫度信號(hào)輸入單片機(jī)，所述電加熱絲由單片機(jī)控制。 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述溫控器至少為兩個(gè)或兩個(gè)以上，兩個(gè)或兩個(gè)以上的溫控器依次串聯(lián)。
作為本實(shí)用新型的另一種優(yōu)選方案，所述單片機(jī)采用16F877單片機(jī)，16F877單片機(jī)與上位機(jī)通訊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置具有如下優(yōu)
占-
^ \\\ ·I、本實(shí)用新型采用熱電偶測(cè)溫配對(duì)密封腔內(nèi)置氣體通道，對(duì)受測(cè)者呼出氣體進(jìn)行定溫加熱；在溫度控制方面，通過單片機(jī)控制密封腔內(nèi)的溫度達(dá)到控制待測(cè)氣體的最終溫度，保證溫度控制的準(zhǔn)確性。同時(shí)，該裝置實(shí)時(shí)性好，可控性好，可為后續(xù)的生化傳感器提供定溫受測(cè)氣體，保證其反應(yīng)所需溫度條件和結(jié)果的一致性。2、該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)模塊化，可有效的與呼吸氣體檢測(cè)系統(tǒng)的其他部分無縫銜接工作，從而保證整個(gè)呼吸氣體檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定及快速檢驗(yàn)。

圖I為單個(gè)溫控器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為三個(gè)溫控器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為溫度控制裝置的流程圖；圖4為單片機(jī)控制的流程圖。附圖中I一溫控器；2—密封腔；3—耐熱黏土棒；4一氣體通道；5—電加熱絲；6—進(jìn)風(fēng)口 ； 7—出風(fēng)口 ； 8一熱電偶I ; 9一熱電偶II。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖I所示，呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置，包括溫控器I和單片機(jī)。溫控器I包括密封腔2以及設(shè)置在密封腔2內(nèi)的耐熱黏土棒3、氣體通道4和電加熱絲5。密封腔2為圓柱狀，耐熱黏土棒3沿密封腔2的軸線設(shè)置。電加熱絲5呈螺旋結(jié)構(gòu)纏繞在耐熱黏土棒3上，電加熱絲5作為發(fā)熱件，電加熱絲5采用螺旋結(jié)構(gòu)可對(duì)密封腔2內(nèi)的空間進(jìn)行有效的均勻加熱。氣體通道4呈螺旋結(jié)構(gòu)繞在耐熱黏土棒3外并與電加熱絲5間隙配合，螺旋結(jié)構(gòu)的氣體通道4旨在延長(zhǎng)氣體加熱距離，并與加熱氣體良好的接觸，增加氣體受熱時(shí)間，提高加熱效率；該螺旋結(jié)構(gòu)的氣體通道4還可以保證其中的氣流穩(wěn)定，而穩(wěn)定慢速的氣體流動(dòng)利于氣體溫度檢測(cè)及實(shí)時(shí)控制，保證溫度控制精確。密封腔2的一端上設(shè)有與氣體通道4的一端內(nèi)連通的進(jìn)風(fēng)口 6，密封腔2的另一端上設(shè)有與氣體通道4的另一端內(nèi)連通的出風(fēng)口 7。密封腔2的中部設(shè)有檢測(cè)氣體通道4所在環(huán)境溫度的熱電偶I 8，進(jìn)風(fēng)口 6內(nèi)設(shè)有檢測(cè)輸入氣體通道4的氣體溫度的熱電偶II 9，出風(fēng)口 7內(nèi)設(shè)有檢測(cè)輸出氣體通道4的氣體溫度的熱電偶III。本實(shí)施例中，熱電偶I 8、熱電偶II 9和熱電偶III均采用鎳鉻——鎳硅熱電偶，熱電偶I 8、熱電偶II 9和熱電偶III檢測(cè)的溫度信號(hào)輸入單片機(jī)，電加熱絲5由單片機(jī)控制，單片機(jī)采用16F877單片機(jī)，用I/O 口對(duì)電加熱絲5的加熱時(shí)間進(jìn)行控制。溫控器I至少為兩個(gè)或兩個(gè)以上，兩個(gè)或兩個(gè)以上的溫控器I依次串聯(lián)。本實(shí)施例采用了三個(gè)溫控器I串聯(lián)，如圖2所示。由于氣體是流動(dòng)的，一次加熱處理很難保證氣體溫度準(zhǔn)確達(dá)到要求，故采用多級(jí)溫控器串聯(lián)，即使用多個(gè)加熱裝置，將前一級(jí)出風(fēng)口氣體的溫度作為后一級(jí)溫度加熱裝置動(dòng)作的參考，從而保證最后得到的氣體溫度。單片機(jī)采用16F877單片機(jī)，16F877單片機(jī)與上位機(jī)通訊。每個(gè)溫控器I獨(dú)立工 作，均采用16F877單片機(jī)控制(即基于PIC的數(shù)字PID控制)。其中與PIC進(jìn)行通信的上位機(jī)可以是PC或ARM，采用串行通訊，如圖3所示?？刂撇糠种饕休斎肽K、輸出模塊、單片機(jī)和上位機(jī)，其中單片機(jī)(即PIC)的作用為核心控制，上位機(jī)在程序控制中用于調(diào)節(jié)PID算法的參數(shù)以及反應(yīng)溫度控制的效果。輸入模塊主要完成對(duì)溫度信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換工作，由溫度傳感器及其與單片機(jī)的接口部分組成。采用鎳鉻——鎳硅熱電偶，溫度測(cè)量電路將變得非常簡(jiǎn)單。熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以測(cè)高達(dá)1000°C以上的高溫；它本身尺寸小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，電壓信號(hào)便于傳送。熱電偶輸出的信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)化器與單片機(jī)相連，就能實(shí)現(xiàn)溫度值讀取等操作。輸出模塊由光耦、N溝道增強(qiáng)型MOS管(其作為高速開關(guān))及相應(yīng)電路組成。當(dāng)單片機(jī)的I/O 口輸出為低電平時(shí)光耦導(dǎo)通，MOS管打開，控制電熱絲通電加熱；反之，當(dāng)單片機(jī)的I/O 口輸出為高電平時(shí)光耦阻斷，控制電熱絲斷電。首先檢測(cè)進(jìn)風(fēng)口的氣體溫度，結(jié)合目標(biāo)溫度、熱交換定律，計(jì)算密封腔內(nèi)所需的溫度。采用PID算法進(jìn)行軟件控制，通過單片機(jī)與上位機(jī)的通訊，監(jiān)控溫度調(diào)節(jié)品質(zhì)，并通過設(shè)置PID算法的參數(shù)保證實(shí)際工作中密封腔溫度調(diào)節(jié)精確可控。由熱交換定律，可推導(dǎo)出密封腔溫度7為待加熱氣體在加熱
裝置的進(jìn)口溫度 L和出口溫度L的函數(shù)，即可以由TL和U計(jì)算出要達(dá)到這樣的加熱效果所需的密封腔溫度，如圖4所示。將密封腔溫度Γ作為本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象。本設(shè)計(jì)的控制核心為16F877單片機(jī)，首先由“鎳鉻一一鎳硅熱電偶”每隔一定時(shí)間對(duì)4和L進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，由4和7_計(jì)算出密封腔的實(shí)際理論溫度？;送給單片機(jī)，單片機(jī)將輸入的溫度值與內(nèi)部指定單元的給定溫度值T進(jìn)行比較。如果7；本Γ ,則按照設(shè)計(jì)好的PID算法對(duì)偏差(7；-Γ)進(jìn)行運(yùn)算、處理，得到一個(gè)調(diào)節(jié)量。這里的調(diào)節(jié)量實(shí)際上對(duì)應(yīng)著加熱源(電加熱絲)
打開或斷開的時(shí)間。同時(shí)單片機(jī)將τ通過串口通訊傳送給上位機(jī)，動(dòng)態(tài)顯示溫度控制效果，配合調(diào)整PID算法的參數(shù)一比例常數(shù)(Kp)、積分常數(shù)(Ki)和微分常數(shù)(Kd)，從而保證溫度調(diào)節(jié)的品質(zhì)。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中?！?br> 權(quán)利要求1.呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置，其特征在于包括溫控器(I)和單片機(jī)； 所述溫控器(I)包括密封腔(2)以及設(shè)置在密封腔(2)內(nèi)的耐熱黏土棒(3)、氣體通道(4)和電加熱絲(5);所述密封腔(2)為圓柱狀，耐熱黏土棒(3)沿密封腔(2)的軸線設(shè)置，所述電加熱絲(5)呈螺旋結(jié)構(gòu)纏繞在耐熱黏土棒(3)上，所述氣體通道(4)呈螺旋結(jié)構(gòu)繞在耐熱黏土棒(3)外并與電加熱絲(5)間隙配合；所述密封腔(2)的一端上設(shè)有與氣體通道(4)的一端內(nèi)連通的進(jìn)風(fēng)口(6)，所述密封腔(2)的另一端上設(shè)有與氣體通道(4)的另一端內(nèi)連通的出風(fēng)口(7);所述密封腔(2)的中部設(shè)有檢測(cè)氣體通道(4)所在環(huán)境溫度的熱電偶I (8)，所述進(jìn)風(fēng)口(6)內(nèi)設(shè)有檢測(cè)輸入氣體通道(4)的氣體溫度的熱電偶II (9)，所述出風(fēng)口 (7)內(nèi)設(shè)有檢測(cè)輸出氣體通道(4)的氣體溫度的熱電偶III ； 所述熱電偶I (8)、熱電偶II (9)和熱電偶III檢測(cè)的溫度信號(hào)輸入單片機(jī)，所述電加熱絲(5)由單片機(jī)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置，其特征在于所述溫控器(I)至少為兩個(gè)或兩個(gè)以上，兩個(gè)或兩個(gè)以上的溫控器(I)依次串聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置，其特征在于所述單片機(jī)采用16F877單片機(jī)，16F877單片機(jī)與上位機(jī)通訊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種呼吸氣體采樣標(biāo)準(zhǔn)化溫度控制裝置，包括單片機(jī)、中部設(shè)有熱電偶Ⅰ的密封腔、耐熱黏土棒、氣體通道和電加熱絲；耐熱黏土棒沿密封腔的軸線設(shè)置，電加熱絲纏繞在耐熱黏土棒上，氣體通道繞在耐熱黏土棒外；密封腔上設(shè)有與氣體通道的一端內(nèi)連通、帶有熱電偶Ⅱ的進(jìn)風(fēng)口，密封腔上設(shè)有與氣體通道的另一端內(nèi)連通、帶熱電偶Ⅲ的出風(fēng)口；熱電偶檢測(cè)信號(hào)輸入單片機(jī)。本實(shí)用新型采用熱電偶測(cè)溫配對(duì)密封腔內(nèi)置的氣體通道，對(duì)受測(cè)者呼出氣體進(jìn)行定溫加熱，通過控制密封腔內(nèi)的溫度達(dá)到控制待測(cè)氣體的最終溫度，保證溫度控制的準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)性好，可控性好，可為后續(xù)的生化傳感器提供定溫受測(cè)氣體，保證其反應(yīng)所需溫度條件和結(jié)果的一致性。
文檔編號(hào)G05D23/22GK202583915SQ20122026901
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者羅小剛, 張佳佳, 侯長(zhǎng)軍, 霍丹群, 法煥寶, 楊眉, 雷靳燦 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)