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CN111157480A - 一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置 - Google Patents

一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置 Download PDF

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CN111157480A CN202010076637.4A CN202010076637A CN111157480A CN 111157480 A CN111157480 A CN 111157480A CN 202010076637 A CN202010076637 A CN 202010076637A CN 111157480 A CN111157480 A CN 111157480A
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黄钢
郝丽俊
朱君
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Shanghai University of Medicine and Health Sciences
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Shanghai University of Medicine and Health Sciences
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Abstract

本发明涉及一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，包括：面罩，包括进气口和出气口；吸气通道，与面罩的进气口连接，设有第一单向阀；呼气通道，与面罩的出气口连接，设有第二单向阀；气路切换件，连接于与呼气通道上，实现待检测呼出气路与充气气路的切换；检测气室，与呼气通道连接，该检测气室内设有与外部上位机连接的至少一个二氧化碳传感器；在检测前，通过气路切换件导通充气气路对检测气室进行气室清扫和初始化；在检测时，通过气路切换件导通待检测呼出气路，人体呼出气体经呼气通道进入检测气室，通过二氧化碳传感器实现呼出气体的二氧化碳实时动态定量检测。与现有技术相比，本发明具有检测精度高、使用方便等优点。

Description

一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置
技术领域
本发明属于一种医疗器械，涉及一种二氧化碳检测装置，尤其是涉及一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置。
背景技术
人体呼吸系统是人体的八大系统之一。呼吸维持着人类正常的生理活动，同时也是衡量人体健康的重要指标。无论是呼吸系统发生病变，还是其他主要内脏器官发生病变，当这些病变恶化到一定程度都会影响到呼吸中枢；大部分内脏器官系统功能衰竭，经常会引起呼吸功能的衰竭；呼吸功能的衰竭又加重其他内脏器官系统功能衰竭，形成恶性循环。
呼吸的作用是与外界气体进行气体交换，吸入O2，呼出代谢产物CO2，所以可以直接反映人体的生理状况。
目前，用于二氧化碳气体分析的电子测量系统主要由红外分析仪和质谱仪。临床红外分析仪一般用于呼吸二氧化碳气体麻醉气体麻醉分析；而质谱仪一般被认为是进行呼吸气体分析的最佳手段，因为它具有快速反应，测量干燥气体的能力，测量准确性和稳定性等特点。但这些系统缺点也比较显著：成本较高、尺寸较大、需定期维护，此外，这类产品需要恒定的样品抽取，温度和湿度的变化，会导致分析结果出现延迟、降低响应速度等。
用于监测CO2的仪器或模块有直流式和旁流式两种，第一种方式比较多的采取有创方式，而第二种方式则通过采样检测。这两种方式不便于长时间连续监测，且没有考虑对呼出气体中CO2的后处理，可能会造成人体吸入气体中CO2浓度过高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，包括：
面罩，包括进气口和出气口；
吸气通道，与所述面罩的进气口连接，所述吸气通道内设有第一单向阀；
呼气通道，与所述面罩的出气口连接，所述呼气通道内设有第二单向阀；
气路切换件，连接于与所述呼气通道上，实现待检测呼出气路与充气气路的切换；
检测气室，与所述呼气通道连接，该检测气室内设有与外部上位机连接的至少一个二氧化碳传感器；
在检测前，通过气路切换件导通充气气路对所述检测气室进行气室清扫和初始化；在检测时，通过气路切换件导通待检测呼出气路，人体呼出气体经所述呼气通道进入检测气室，通过二氧化碳传感器实现呼出气体的二氧化碳实时动态定量检测。
进一步地，所述气路切换件为三通阀。
进一步地，所述检测气室内还设有与外部上位机连接的微泵。
进一步地，还包括二氧化碳吸收器，连接于所述检测气室末端。
进一步地，所述气路切换件连接有自动充气组件，在通过气路切换件导通充气气路时，所述自动充气组件与充气气路连通。
进一步地，所述自动充气组件包括与外部上位机连接的气泵。
进一步地，所述自动充气组件的充气气源为环境气体或氧气。
进一步地，所述二氧化碳传感器为NDIR红外二氧化碳传感器。
进一步地，所述二氧化碳传感器平放于检测气室侧壁上。
进一步地，所述微泵设置于二氧化碳传感器对面。
进一步地，所述面罩的边缘轮廓与人体脸部轮廓相匹配。
进一步地，在设定时间段后，通过二氧化碳吸收器检测CO2呼出总量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过放置于检测气室中的至少一个高灵敏的二氧化碳传感器连续且实时动态检测呼出气体中的CO2，并对呼出气体中的CO2吸收处理，从而解决现有技术存在的不足和缺陷。
2、本发明通过切换气路，完成气路的自动冲扫和初始化检测，从而实现了测试的便捷化和对不同人体呼气检测的相对独立性。
3、本发明的进气口和出气口安装有单向阀，可保证气流的单向流入和单向流出，将呼出气体分离，且全部流向检测气室。
4、本发明进一步设置二氧化碳吸收器，通过单向阀、气体通道和二氧化碳吸收器，构建对于CO2封闭、但气流可正常进出的检测环境，从而可在不影响人体正常呼吸的情况下，实现对于人体呼出气体中CO2的动态检测；同时通过二氧化碳吸收器隔断呼出空气和环境空气中CO2的混合，构建了相对封闭的测量气室，实现了在不影响人体正常呼吸的情况下，对人体呼出气体中CO2的动态检测，同时降低对环境的污染。
5、本发明通过检测装置的设计，呼出气体通过单向阀全部进入检测气室，并正常排出，随着呼出气体的变化，由高灵敏的传感器检测其中的CO2浓度，方便医生通过代谢产物CO2的变化。
6、本发明检测气室内设置有微泵，可通过微泵对呼出气体进行整流，保持待测气流流速应相对稳定，且可避免气体涡流覆盖在传感器表面。
7、本申请使用和操作方便。在每次检测前，先对检测气室进行清洁，冲扫上一次测量残留的气体，并提供测量基准值。在检测时，将气路切换到呼气通路，可实时检测人体呼出气体中CO2的动态变化值。
附图说明
图1为本发明检测装置的结构图；
图2为本发明的呼气过程检测示意图；
图3为本发明的气路切换件在充气气路导通时的示意图；
图4为本发明的气路切换件在待检测呼出气路导通时的示意图；
图5为本发明的使用流程图；
附图：1-面罩，2-第一单向阀，3-第二单向阀，4-气路切换件，5-二氧化碳传感器，6-微泵，7-自动充气组件，8-二氧化碳吸收器，9-检测气室，10-流量计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图2所示，本实施例提供一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，包括面罩1、吸气通道、呼气通道、气路切换件4和检测气室9，其中，面罩1包括进气口和出气口，可佩戴在人脸上，用于收集人体经嘴巴和鼻孔呼出的气体并实现吸气；吸气通道与面罩1的进气口连接，其内设有第一单向阀2；呼气通道与面罩1的出气口连接，其内设有第二单向阀3；气路切换件4连接于与呼气通道上，根据检测的不同阶段，实现待检测呼出气路与充气气路的切换；检测气室9与呼气通道连接，该检测气室9内设有与外部上位机连接的至少一个二氧化碳传感器5，作为CO2的动态测试环境，测定呼出气体中CO2随时间变化的瞬时值。
吸气通道内的第一单向阀2控制进气口的气流方向，新鲜空气或不同浓度的氧气等经第一单向阀送入人体，同时避免呼出气体从进气口流出。呼气通道内的第二单向阀3控制出气口的气流方向，呼出气体经第二单向阀进入检测气室，同时避免呼出气体回流至人体。
在另一实施例中，呼气通道内可设置流量计10。
如图3所示，在每次检测前，通过气路切换件4导通充气气路对检测气室9进行气室清扫和初始化，同时利用封闭气室中相对稳定的气体获得测量基准值。充气的目的，一是吹扫气室，去除残余气体的影响；保持每次测量时气室内压强和温度恒定，构建稳定的测量环境；二是预热传感器，使传感器工作性能达到稳定，传感器响应及时；三是获得测量的基准值，去除环境影响。在检测时，如图4所示，通过气路切换件4导通待检测呼出气路，人体呼出气体经呼气通道进入检测气室9，通过二氧化碳传感器5实现呼出气体的二氧化碳实时动态定量检测。本实施例中，气路切换件4为三通阀。
在另一实施例中，检测气室9内还设有与外部上位机连接的微泵6，可通过微泵对呼出气体进行整流，保持待测气流流速应相对稳定，且可避免气体涡流覆盖在传感器表面，并解决气流不稳定，气体浓度被过分稀释而导致测量结果不准的问题。微泵6的尺寸根据检测气室的大小确定，且以不阻挡气流为原则，尺寸可尽量小一些。在检测气室9内，微泵6可放置在二氧化碳传感器5对面。
本实施例中，该检测装置还包括二氧化碳吸收器8，连接于检测气室9末端，用于吸收流出检测气室的气体中的CO2，同时避免空气中的CO2进入检测气室。由于二氧化碳吸收器8的设置，对呼出气体，检测气室是开放的，可以正常排放；但对呼出气体中的CO2，检测气室是封闭的。二氧化碳吸收器8可将呼出气体中的CO2和环境气体中的CO2吸收处理，阻断呼气气体和环境气体中的CO2进入检测气室。
二氧化碳吸收器8包括透气外壳和设置于透气外壳内的二氧化碳吸收剂，且透气外壳上安装有过滤膜，防止二氧化碳吸收剂散乱。本实施例中，二氧化碳吸收剂采用氢氧化钙。二氧化碳吸收器8的出气口包含指示剂或报警器，提醒及时更换二氧化碳吸收剂。
二氧化碳吸收器8能稳定吸收呼出气体中的CO2并能检测出累积的CO2，不仅能有效避免空气中的CO2再进入检测气室，同时能评价CO2呼出总量。
气路切换件4连接有自动充气组件7，在通过气路切换件4导通充气气路时，自动充气组件7与充气气路连通。本实施例中，自动充气组件7包括与外部上位机连接的气泵。自动充气组件7的充气气源(定标气体或基准气体)为环境气体(新鲜空气)或氧气。
本实施例中，二氧化碳传感器5为NDIR红外二氧化碳传感器。检测气室中的呼出气体是动态变化的，利用高灵敏高响应的传感器可实时测得随时间变化的呼出气体中CO2浓度的瞬时值。其中，传感器的检测性能受环境温度、湿度和压力影响。二氧化碳传感器平放在检测气室管道侧壁上，避免呼气涡流覆盖在传感器表面，不能够及时响应。
本实施例中，面罩1的边缘轮廓与人体脸部轮廓相匹配。
上述检测装置的气路管道选择化学性能稳定、不吸附气体的材料，如铝合金材料。气路管道的宽度不宜太窄，以免气道阻力太大，影响正常呼气；在宽度确定的情况下，再选择合适的长度。
如图5所示，上述人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置的工作过程如下：
在每次测量前，先有一段时间的准备期，在此期间，完成测量气室的清洁和测量基准值的获取。待测得稳定的基准值后，保持充气维持在一定的速度，直到测量人体呼气。当收到呼气测量命令后，气路切换到呼气通路，实时检测呼气中CO2的浓度值。
上述检测装置的一个具体应用为：幽门螺旋杆菌内有尿素酶，可将尿素分解为二氧化碳。在尿素呼气试验检查幽门螺旋杆菌的感染时，首先将尿素底物引入体内，当胃内HP遇到尿素时，就会把它分解成二氧化碳。二氧化碳经胃肠道吸收经血液循环到达肺后随呼气排出。而正常人没有幽门螺旋杆菌，不分解尿素，尿素经泌尿系统排出。对比检测吞入尿素底物前后，人体呼出气体中的CO2变化情况，即可准确地判断有无幽门螺旋杆菌感染。该装置可通过实时检测人体呼出气体中CO2的浓度，动态了解尿素的转化情况，进而实时了解体内幽门螺旋杆菌的存在与否。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，包括：
面罩(1)，包括进气口和出气口；
吸气通道，与所述面罩(1)的进气口连接，所述吸气通道内设有第一单向阀(2)；
呼气通道，与所述面罩(1)的出气口连接，所述呼气通道内设有第二单向阀(3)；
气路切换件(4)，连接于与所述呼气通道上，实现待检测呼出气路与充气气路的切换；
检测气室(9)，与所述呼气通道连接，该检测气室(9)内设有与外部上位机连接的至少一个二氧化碳传感器(5)；
在检测前，通过气路切换件(4)导通充气气路对所述检测气室(9)进行气室清扫和初始化；在检测时，通过气路切换件(4)导通待检测呼出气路，人体呼出气体经所述呼气通道进入检测气室(9)，通过二氧化碳传感器(5)实现呼出气体的二氧化碳实时动态定量检测。
2.根据权利要求1所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，所述气路切换件(4)为三通阀。
3.根据权利要求1所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，所述检测气室(9)内还设有与外部上位机连接的微泵(6)。
4.根据权利要求1所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，还包括二氧化碳吸收器(8)，连接于所述检测气室(9)末端。
5.根据权利要求1所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，所述气路切换件(4)连接有自动充气组件(7)，在通过气路切换件(4)导通充气气路时，所述自动充气组件(7)与充气气路连通。
6.根据权利要求5所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，所述自动充气组件(7)包括与外部上位机连接的气泵。
7.根据权利要求5所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，所述自动充气组件(7)的充气气源为环境气体或氧气。
8.根据权利要求1所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，所述二氧化碳传感器(5)为NDIR红外二氧化碳传感器。
9.根据权利要求1所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，所述面罩(1)的边缘轮廓与人体脸部轮廓相匹配。
10.根据权利要求4所述的人体呼出气体二氧化碳实时动态定量检测装置，其特征在于，在设定时间段后，通过二氧化碳吸收器(8)检测CO2呼出总量。
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