專利名稱：用于測量呼吸氣中丙酮的裝置的制作方法
技術領域：
用于測量呼吸氣中丙酮的裝置
發明領域本實用新型涉及一種人體呼吸氣測量技術，尤其是涉及一種針對呼吸氣中丙酮的測量技術，具體涉及一種呼吸氣中丙酮的測量裝置。
背景技術：
糖尿病是一個在世界范圍內越來越嚴重的問題。世界衛生組織報道2000年全球糖尿病患者數目為1. 71億，并預計到2030年這個數目將上升至3. 36億。目前，中國糖尿病的發病率高達9. 7%，全國糖尿病人接近一億且糖尿病發病呈年輕化趨勢，中國已成為全球范圍糖尿病增長最快的國家和地區，而且超越印度成為糖尿病第一大國。根據世界衛生組織2005年發布的預測數據，如不采取有效措施，2005年至2015年之間，因中風、糖尿病和心臟病將導致中國的國民收入損失5580億美元(相當于39060億元人民幣)，這將對中國的可持續發展造成潛在威脅。糖尿病是糖、蛋白質、脂肪、水和電解質等一系列代謝紊亂綜合征。從醫學角度上看，糖尿病是由胰島素絕對或相對缺乏導致復雜的代謝紊亂，主要表現為葡萄糖含量增加或密集脂肪組織增生。在缺乏胰島素的情形下，人體直接的能量來源已不再是葡萄糖，取而代之的是酮類。酮類，也稱作“酮體”，是一類當胰島素不足時在人體內產生的化學物質。酮 (例如丙酮)產生于血液當中，并能通過尿液和呼吸系統等渠道排出體外。血液中的氣相丙酮通過肺泡與肺泡氣(呼出氣)達到平衡，呼吸氣中丙酮濃度在某種程度上反映了糖尿病患者的代謝情況。人體通過肺部排出丙酮，使得呼吸氣有股水果香味。如果體內有大量的丙酮產生并且通過血液、尿液和呼吸系統傳遍全身各部，這種情況通常意味著人體內沒有足夠的胰島素或者是不能利用胰島素以適當的方式產生人體細胞所需要的能量。因此，當體內的葡萄糖無法直接提供能量時，新陳代謝將燃燒脂肪，在脂肪氧化過程產生更多的酮體， 并將其作為一種替代的能源來源。在健康人體的血液中，酮的含量始終保持一定的水平，但糖尿病患者體內酮含量水平會有顯著的增加，這種由糖尿病導致的酮含量升高是一種最常見的病理現象。酮類包括乙酰乙酸鹽(AcAc)、3-β羥基丁酸鹽(3ΗΒ)和丙酮。在糖尿病酮癥酸中毒(DKA)中，低的胰島素含量導致大量酮的產生。如附圖1所示，在低碳水化合物條件下，AcAc在脂肪酸代謝中積累，3ΗΒ是AcAc在線粒體中的還原產物。這兩種主要的酮體都是富含能量的化合物，它們能將能量從肝臟細胞轉移到其他組織細胞。丙酮是AcAc自發的脫羧酸而產生的，是酮癥酸中毒患者呼吸氣中水果甜味的貢獻者。目前可行的糖尿病初篩和診斷測試方法存在著不便利、不太愉快等缺點。例如空腹血糖測試(FPG)和口服葡萄糖耐量試驗(OGTT)，這些測量方法需要靜脈抽血且是以禁食為基礎的測試，使得測量只能在早上進行。OGTT是在病人攝入75克口服葡萄糖含片2個小時后進行。大量的研究評估了這些方法在不同人群中的效果。FPG測試的特異性(正確判斷沒有疾病)超過96%，但靈敏度(正確識別疾病)只有50%左右。這樣，由單一的FPG 測試大約有一半的糖尿病患者可能被誤診。OGTT的靈敏度和特異性分別為73%和80%，但這種測試方法的重現性相對較差(變異系數約為17% )。再者，血糖的自我監測通常是通過刺破手指，提取一滴血液，再用葡萄糖化學敏感試紙測試。一般來說，為了嚴格控制血糖含量并有效地減少并發癥，建議糖尿病患者每天檢查4-7次。這種糖尿病測試導致的生理上的痛苦和日常費用通常以每天兩倍的速度增長。由于這些限制，科學家們一直在尋找非侵入性糖尿病血糖監測的有效方法。為了這個目標，各國投入大量的資金、人力以開發非侵入性測試技術，包括以拉曼光譜、紅外光譜、近紅外光譜、光聲光譜、光散射和偏振變化進行測試。但迄今為止，這些技術都未達到令人滿意的實際應用水平。人的呼吸氣中存在多種揮發性的有機化合物(VOCs)，根據呼吸氣中揮發性有機化合物診斷人患疾病具有悠久的歷史。古希臘時期的醫生就已經知道，人體呼吸氣的香氣可以為疾病診斷提供線索。精明的醫師通常對病人的呼吸氣氣味非常警覺，可根據病人的呼吸氣味常常能預判出病人所患的疾病，如糖尿病人的呼吸氣味有水果香味，晚期肝癌病人的呼吸氣味有腥惡臭霉味，腎臟衰竭病人的呼吸氣味有尿味，肺膿瘍腐爛病人的呼吸氣味有惡臭味。對人呼吸氣進行分析開始于1970年，Pauling和其合作伙伴利用氣相色譜鑒定了 200余份人的呼吸氣樣品。從那以后，有關呼吸物質的生理意義和患者的臨床情況的呼吸指標的相關性的問題已經變得越來越受到重視。1990年以來，研究人員一直在試圖揭示各種呼吸物質和人體身體狀況之間的關系。在對呼吸氣體的化學物質鑒定研究中發現丙酮與血糖含量有關，并可作為糖尿病診斷的替代性生物標志物。健康人呼吸氣中丙酮含量在幾百ppbv，而糖尿病患者呼吸氣中丙酮濃度范圍則很廣，最高可達數百甚至數千ppm，具體取決于個人的生理狀況和血糖含量。由于人與人之間呼吸氣中VOCs組成成分差別很大，并且至少包括數百種化學成分，呼吸氣中丙酮濃度可低至幾百ppbv，所以準確測定呼吸氣丙酮含量是個很大的挑戰。氣相色譜與質譜儀、火焰電離測量器等的聯用技術是目前呼吸氣丙酮測量的主要手段。這些方法需要龐大的設備和熟練的操作人員，并且樣品的采集、運輸、儲存和分離非常復雜耗時，因此這些方法不適用于實驗室外的測量與應用，例如糖尿病的日常監測和預診斷。此外，呼吸氣中痕量的丙酮在這些復雜的預處理過程中容易丟失，這是因為丙酮是可揮發性的化學活性物質。其它的一些測量方法(如光尋址電位傳感器和電子鼻)對具體的組分選擇性較小，因此，呼吸氣中雜質對丙酮測量的干擾是不可避免的。最近，腔衰竭光譜技術被用于丙酮測量，測量范圍為紫外線和近紅外線波長范圍內。雖然已有報道說丙酮蒸氣測量法的丙酮濃度測量限為1. 5ppmv，但潮濕的呼吸氣很容易影響腔鏡反射率，且在不影響丙酮微含量情況下完全濾除呼吸氣中大量的水蒸氣是非常困難的，因為丙酮與水幾乎可以以任意比例互溶，因此呼吸氣濕度可能影響測量的靈敏度。此外，測量設備系統要用到高功率脈沖激光，由其所增加的成本在呼吸氣分析中是個額外的負擔。文獻也報道了另一種測量呼吸氣丙酮的方法，該方法基于丙酮與堿性水楊醛發生反應形成有色產物并在藍色區域內有吸收，而且可被發射中心在465nm的氮化鎵基發光二極管測量。用這種方法測量丙酮，丙酮的濃度測量限可低至14ppbv。然而，在實際呼吸樣品分析中反應系統的記憶效應與痕量松散的丙酮是個潛在的問題
實用新型內容
[0010]針對現有技術的人體呼吸氣中丙酮的測量技術現狀，本實用新型的目的旨在提供一種新的能夠準確快速測定呼吸氣中丙酮含量的裝置，以推進呼吸氣丙酮測量技術的發展。本實用新型提供的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其構成主要包括，呼吸氣樣品氣體采集裝置、測量光源裝置、作為吸收池的中空光纖管、光檢測器和信號處理控制器，中空光纖管與呼吸氣樣品氣體采集裝置管連接，測量光源裝置通過光纖與中空光纖管一端連接，將測量光源裝置發射出的測量光導入中空光纖管，中空光纖管的另一端通過光纖與光檢測器連接，將穿過中空光纖管內呼吸氣樣品氣體透射出來的測量光傳導給光檢測器，光檢測器與信號處理控制器信號連接，將光檢測器檢測到的呼吸氣樣品氣體吸收光譜信號與已知丙酮濃度的含丙酮混合氣的吸收光譜進行比較，得出呼吸氣樣品氣體中的丙酮含量。在上述技術方案中，測量光源優選能發射波長在200-400nm范圍的紫外光源，測量光源可以是連續光源、窄帶光源或線光源，既可以在連續模式下工作也可在脈沖模式下工作，具體取決于實際需求。當在連續模式下工作時，可用一個光學過濾器維持光束形狀。 紫外光源具體可以選用氘燈、空心陰極燈、汞燈、鹵燈、光二極管、激光或其它的光源。在上述技術方案中，作為吸收池的中空光纖管，其長度可以從幾厘米到數米長，甚至更長，一般可為3cm至5000cm，最好是在50cm至150cm之間。其直徑可以從不到1毫米至1厘米，一般可為0. Imm至10mm，最好是在1至5毫米之間。由空心光纖管制作的作為吸收池的中空光波導纖維管，在測量過程中呼吸樣本氣體從中空光纖管一端流進，從另一端流出。在上述技術方案中，所述光檢測器可以是任何的光強度敏感探測器，如光二極管， 固體測量器，光電倍增管(PMT)，光譜儀等等。在上述技術方案中，測量光源發出的測量光最好是經透鏡聚焦后由光纖導入中空光纖管；穿過中空光纖管內呼吸氣樣品氣體透射出來的測量光，最好也是經透鏡聚焦后由光纖傳導給光檢測器。在上述技術方案中，所述信號處理控制器可以是任何可以編程的具有數據信號處理功能的設備，如計算機系統、CPU系統、甚至手機等，優先采用具有采集及顯示功能的計算機系統，以利于數據的采集和儲存。在上述技術方案中，將測量光導入中空光纖管的優選方案是，光纖是通過將剝除包層的光纖芯插入中空光纖管內實現與中空光纖管連接；進一步優選的方案，光纖芯通過支架設置在中空光纖管的中央。在上述技術方案中，呼吸氣樣品氣體采集裝置可以是任何設備，只要能將呼吸氣注入吸收池內即可。但不管什么形式，最好在呼吸氣樣品氣體采集裝置的氣體輸送管路上設計由控制閥控制閉通的三通接管。這是因為人的呼出氣分為兩個部分，一部分呼出氣叫作“死空間空氣”，來自氣管和支氣管，這兩個地方沒有發生呼吸氣與血液間的交換，另一部分來自于肺部深處，是通過肺泡與血液發生過交換的氣體。正常人肺泡呼吸氣包含大量的 VOCs,是從血液中經肺泡細胞膜上被動擴散出來的，因此呼吸氣樣品氣體應是來自于這一部分的呼吸氣。在采集裝置的氣體輸送管路上設計由控制閥控制閉通的三通接管，是為了用于防止不需要的來自氣管和支氣管的“死空間空氣”進入作為吸收池的中空光纖管，而只許來自于肺部深處的呼吸氣進入作為吸收池的中空光纖管，以保證能夠正確地測量出呼吸氣中的丙酮含量。本實用新型公開的用于測量呼吸中丙酮的裝置，采用光纖將測量光導入作為吸收池與波導管的空心光纖管，用光檢測器通過測量注入空心光纖管內呼吸樣本氣體吸收光譜來測量呼吸氣的丙酮含量，是以光纖和空心光纖管為基本測量原件的測量裝置，具有光纖和空心光纖管所具有的性能與特點。光纖的性能特點，第一，在很大的波長范圍內，光纖具有低衰減；第二，光纖相對較小的尺寸和均勻的橫截面，使得它們很容易進行表面安裝或將其嵌入其它材料；第三，光纖器件不受電磁接口的影響，使其可在惡劣的甚至敵對的環境中使用；第四，可用于測量多種物理參數，包括應變力、溫度、壓力、濕度、振動和各種化學品； 第五，光纖器件可以重復利用，并且可以多種用途捆綁在一起應用。空心光纖管在吸收測量方面獨特優點，其一，空心光纖管可使同時作為吸收池和光傳播的波導管小型化；其二，跟普通的吸收池相比，由于光在其內進行了多級反射，故其光吸收路徑長度得到大幅度的延長，從而大大提高了測量的靈敏度；其三，空心光纖還具有高光學效率、低樣品量、高靈敏度及快速響應的特性。本實用新型提出的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，利用丙酮對特定波長的選擇吸收性，以及光纖、空心光纖管的光傳輸特性，用其測量注入吸收池內的呼吸氣樣品氣體的丙酮與特異性，具有響應時間短，呼吸氣雜質干擾小，不受電磁接口的影響，測量靈敏度高的特點，呼吸氣中存在的水蒸氣不會干擾真實呼吸氣樣本的測量，可直接用于呼吸氣丙酮的測量分析。本實用新型的完成與公開，大大推進了呼吸氣丙酮測量技術的進步，是呼吸氣丙酮測量技術一步重要的進展。本實用新型公開的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，可根據人呼吸氣中丙酮含量與糖尿病之間關系用于糖尿病的診斷，即可通過測量分析人呼吸氣中丙酮含量，實現對糖尿病的診斷，這種糖尿病的診斷方法，是一種非侵入性的糖尿病診斷方法，完全不同于常規侵入性的檢查方法(如刺破手指取液滴)，不會給病人帶來任何的不適和疼痛，有助于糖尿病患者的病情控制，飲食控制，藥物治療和生活方式的改變。本實用新型還可用于日常健康檢查和糖尿病的臨床快速篩選。本實用新型用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，可集成手持設備，可在日常家庭中使用，用于糖尿病的常規監測。本實用新型提供的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，也可用于與呼吸氣中丙酮含量有特定關系的其它疾病的診斷。
圖1為丙酮代謝示意圖。圖2為本實用新型的呼吸氣丙酮測量裝置結構示意圖。圖3為圖2中的導入光纖、接口裝置和中空光纖管之間的聯接結構示意圖。圖4為圖3中A-A向斷面結構示意圖。圖5為紫外光譜區丙酮典型光譜圖。圖6為信號強度與傳統光源、丙酮濃度的多譜圖。圖7為呼吸氣丙酮含量定量測定的標準曲線圖。上述附圖中各圖示標號表識的對象分別為1-光源；2-聚焦透鏡；3-光纖；4-接口裝置；5-中空光纖管；6-聚焦透鏡；7-光纖；8-光檢測器；9-控制與數據處理器；10-光纖芯；11-支架；12-管連接頭；13-控制閥門；14-支管；15-呼吸嘴。
具體實施方式
以下結合附圖給出本實用新型的具體實施例，并通過實施例對本實用新型作進一步的具體描述。有必要在此指出，下面的實施例只是用于更好地闡述本實用新型的工作原理及其實際應用，以便于其它領域的技術人員將本實用新型用于其領域的各種設施中，并根據各種特定用途的設想進行改進。盡管本實用新型已通過文字揭露其首選實施方案，但通過閱讀這些技術文字說明可以領會其中的可優化性和可修改性，并在不偏離本實用新型的范圍和精神上進行改進，但這樣的改進應仍屬于本實用新型權利要求的保護范圍。 實施例本實施例用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其結構如圖2、圖3和圖4所示。以能連續發射波長在200-400nm范圍紫外光的氘燈為測量光源1，測量光源發射的紫外測量光經第一聚焦透鏡2聚焦后，由第一光束傳導光纖3導入安裝在接口裝置4內、注入有呼吸氣樣品氣體的同時作為吸收池與光傳播波導管的中空光纖管5，穿過中空光纖管內呼吸氣樣品氣體透射出來的測量光，經第二聚焦透鏡6再聚焦后由第二光束傳導光纖7傳導給作為光檢測器的光二極管8，光二極管8與作為控制與處理器的計算機系統9信號連接，將光二極管8檢測到的穿過呼吸氣樣品氣體透射出來的測量光吸收光譜信號送入計算機系統，計算機系統將光二極管檢測到的吸收光譜數據信號與事先測到存入計算機儲存器的、已知丙酮濃度的含丙酮混合氣的吸收光譜數據信號進行比較，得出呼吸氣樣品氣體中的丙酮含量。 其中作為測量光傳導器件的光纖，長度約50cm，直徑約1mm。第一光束傳導光纖3與中空光纖管5的具體連接，在接口裝置4的空腔內，光纖的前端剝除塑料包層露出光纖芯，光纖芯并通過支架11插入安裝在中空光纖管的中央內，使光纖芯耦合到中空光纖管內。呼吸氣樣品氣體由采集裝置采集到后注入作為吸收池的中空光纖管5，呼吸氣樣品氣體采集裝置由設計有呼吸嘴15的進口管、用于排放來自氣管和支氣管“死空間空氣”的支管14和輸送管構成，且在進口管、支管和輸送管對接處設置有控制進口管與支管或輸送管貫通或截斷的控制閥13，以保證注入吸收池內的呼吸氣樣品氣體為來自于肺部深處的呼吸氣體，真實地測量出呼吸氣體中的丙酮含量。呼吸氣樣品氣體采集裝置的輸送管通過管接頭12與接口裝置4的呼吸氣樣品氣體注入接管聯接。采用本實用新型的呼吸氣丙酮測量裝置測量呼吸氣中丙酮含量的操作過程如下 先操作控制閥13將呼吸氣樣品氣體采集裝置的進口管與支管14調整至呈貫通狀態，進口管與輸送管呈截斷狀態，開通呼吸氣丙酮測量裝置的測量光源、光檢測器、計算機系統等其他構成部分，測量裝置調整好后，讓呼吸氣丙酮檢者用嘴含住進口管的呼吸嘴15呼出呼吸氣，讓先呼出的前150ml左右呼吸氣體從支管14排出，之后立即調整控制閥13，將進口管與支管14截斷，進口管與輸送管貫通，讓在后呼出的來自于肺部深處的剩余呼吸氣，即呼吸氣樣品氣體，約350ml注入作為入吸收池與波導管的中空光纖管內5，測量光源1產生的測量光束經透鏡2聚焦后，由光纖3將測量光導入中空光纖管，測量光穿過中空光纖管內的呼吸氣樣品氣體透射出來，再經透鏡6聚焦后由光纖7傳導給光檢測器8，由光檢測器檢測出呼吸氣樣品氣體吸收光譜信號，光檢測器將檢測到的呼吸氣樣品氣體的吸收光譜信號輸送給計算機系統9，由計算機系統將檢測到的吸收光譜數據信號與事先測到存入計算機儲存器的、已知丙酮濃度的含丙酮混合氣的吸收光譜數據信號進行比較，得出呼吸氣樣品氣體中的丙酮含量。圖5顯示了波長220nm-320nm范圍內的紫外光丙酮的 典型吸收輪廓，為本實用新型提供了參考信息。圖6顯示了信號強度與傳統窄線光源、丙酮濃度的多重光譜圖。用不同波長的線光源，如267nm，285nm，279nm，對不同濃度的丙酮進行測量，如圖6所示。發明人采用本實用新型提供的呼吸氣丙酮測量裝置，對一系列不同質量濃度的丙酮_空氣混合氣標準樣本進行測量，制作了一條標準曲線。測量時使用質量流量控制器進行濃度稀釋。圖7顯示了信號強度與丙酮濃度的標準工作曲線。如圖7所示，丙酮信號強度隨著其濃度的增加而升高，可根據制作的這個標準工作曲線進行呼吸氣丙酮濃度的定量測量。上面以文字和附圖說明的方式闡釋了本實用新型的結構和使用方法，并非詳盡無遺或限制于上述所述具體形式，顯而易見可根據上面所述進行適當的修改和優化。
權利要求1.一種用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于包括呼吸氣樣品氣體采集裝置、測量光源裝置、作為吸收池的中空光纖管、光檢測器和信號處理控制器，中空光纖管與呼吸氣樣品氣體采集裝置管連接，測量光源裝置通過光纖與中空光纖管一端連接，將測量光源裝置發射出的測量光導入中空光纖管，中空光纖管的另一端通過光纖與光檢測器連接，將穿過中空光纖管內呼吸氣樣品氣體透射出來的測量光傳導給光檢測器，光檢測器與信號處理控制器信號連接，將光檢測器檢測得到的呼吸氣樣品氣體吸收光譜信號與已知丙酮濃度的含丙酮混合氣的吸收光譜進行比較，得出呼吸氣樣品氣體中的丙酮含量。
2.根據權利要求1所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于所述測量光光源為能發射波長在200-400nm范圍的紫外光光源。
3.根據權利要求2所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于紫外光光源為連續光源、窄帶光源或線光源。
4.根據權利要求3所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于紫外光光源為以脈沖模式或連續模式發出紫外光的光源。
5.根據權利要求1至4之一所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于所述中空光纖管，其直徑為0. Imm至10mm，長度為3cm至5000cm。
6.根據權利要求1至4之一所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于測量光源發出的測量光經透鏡聚焦由光纖導入中空光纖管。
7.根據權利要求1至4之一所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于穿過呼吸氣樣品氣體從中空光纖管透射出來的測量光經透鏡聚焦后由光纖導入光檢測器。
8.根據權利要求1至4之一所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于將測量光導入中空光纖管，光纖是通過將光纖芯插入中空光纖管內實現與中空光纖管連接。
9.根據權利要求7所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于剝除包層的光纖芯通過支架設置在中空光纖管的中央。
10.根據權利要求1至4之一所述的用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其特征在于呼吸氣樣品氣體采集裝置的氣體輸送管路上設計有由控制閥控制閉通的三通接管。
專利摘要本實用新型公開了一種用于測量呼吸氣中丙酮的裝置，其結構包括呼吸氣樣品氣體采集裝置、測量光源裝置、作為吸收池的中空光纖管、光檢測器和信號處理控制器，中空光纖管與呼吸氣樣品氣體采集裝置管連接，測量光源裝置通過光纖與中空光纖管一端連接，中空光纖管的另一端通過光纖與光檢測器連接，光檢測器與信號處理控制器信號連接。本實用新型能準確快速地測量出呼吸氣中的丙酮含量，其完成與公開，是呼吸氣丙酮測量技術的一步重大進展，大大推進了呼吸氣丙酮測量技術的進步。根據人體呼吸氣中丙酮含量與糖尿病之間的關系，本實用新型可用于糖尿病的診斷，并可將其廣泛用于糖尿病的日常健康檢查和糖尿病的臨床快速篩選。
文檔編號G01N21/31GK202018425SQ20112006192
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月10日 優先權日2011年3月10日
發明者曹文清, 段憶翔 申請人:四川大學