一种用于呼出气电化学检测的末段肺泡气定容锁样与恒扩散反应控制装置及方法与流程

本发明涉及呼出气电化学检测，尤其涉及一种用于呼出气电化学检测的末段肺泡气定容锁样与恒扩散反应控制装置及方法。

背景技术：

1、呼出气中一氧化氮、一氧化碳、硫化氢、氨气、氢气等气体成分可通过电化学传感器进行检测。电化学传感器具有体积小、功耗低、响应速度快、便于嵌入便携式设备、桌面式检测设备或机器人检测模块等特点。

2、现有呼出气电化学检测设备通常将受试者呼出的气体直接导入传感器反应腔，或者通过简单限流后进入传感器。由于受试者呼气能力、呼气流量、呼气压力和呼气持续时间存在差异，同一目标气体在电化学传感器表面的作用时间和扩散条件容易发生变化，导致响应电流受呼气动作影响较大。

3、此外，电化学传感器的响应过程与扩散路径、样气体积、停留时间、传感器膜面状态以及反应腔排空恢复状态密切相关。若样气在末段肺泡气到达前即进入传感器，或者锁样体积不固定、扩散条件不稳定、排空恢复不充分，均可能降低检测重复性。在本发明中，末段有效呼气段是指受试者呼出气样本在满足死腔气排除条件，并满足呼气流量稳定条件、呼气压力稳定条件、呼出持续时间条件中的至少一种后形成的用于检测的呼出气段。部分方案仅依靠呼气压力触发或软件补偿处理检测数据，仍难以从气路和反应条件上消除用户吹气差异对电化学检测结果的影响。因此，需要一种能够将末段有效呼出气样本定容锁存，并在锁样后以稳定扩散条件作用于电化学传感器的装置及方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：呼出气电化学检测中，受试者呼气流速、压力和持续时间差异会影响进入电化学传感器的样气体积、停留时间和扩散反应条件，导致检测重复性和结果可靠性降低。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种用于呼出气电化学检测的末段肺泡气定容锁样与恒扩散反应控制装置，包括呼气入口、呼气状态检测单元、有效呼气判定单元、进样阀、定容锁样腔、后端隔离阀、恒扩散限流通道、电化学传感器反应腔、信号采集单元、排空阀、微泵、显示输出单元、存储单元和控制单元。呼气入口经呼气状态检测单元和进样阀与定容锁样腔连通，定容锁样腔经后端隔离阀和恒扩散限流通道与电化学传感器反应腔连通，电化学传感器反应腔经排空阀与微泵连通。呼气状态检测单元用于采集呼出气样本的流量、压力、持续时间或呼出体积中的至少一种。有效呼气判定单元用于根据呼出气样本的流量、压力、持续时间、呼出体积或死腔气排除条件，判定末段有效呼气段是否到达。控制单元在判定末段有效呼气段到达时，先控制进样阀打开以使呼出气样本进入定容锁样腔，随后关闭进样阀并使后端隔离阀处于关闭状态，使固定体积的呼出气样本封闭于定容锁样腔内。控制单元在锁样压力保持窗口内根据定容锁样腔的腔内压力变化判断固定体积的呼出气样本是否满足锁样保持条件；在满足锁样保持条件后，使定容锁样腔内的呼出气样本经恒扩散限流通道进入电化学传感器反应腔，使呼出气样本在固定扩散路径和固定采样窗口内与电化学传感器发生反应；显示输出单元用于输出检测结果、异常提示或重新检测提示，存储单元用于存储锁样记录、采样窗口参数和检测记录。

3、在优选实施方式中，定容锁样腔具有固定有效容积，固定有效容积由进样阀、后端隔离阀和定容锁样腔的内腔共同限定。恒扩散限流通道可以包括毛细管、微孔限流件或恒阻流道中的至少一种；在恒扩散限流通道与传感器反应腔之间设置扩散膜，使样气以受限扩散方式进入传感器反应腔。

4、在优选实施方式中，定容锁样腔设置有腔压检测点。控制单元根据锁样后的腔内压力保持情况判断是否存在泄漏、回吸或阀关闭异常。当腔内压力变化超过预设保持阈值时，控制单元禁止进入恒扩散采集状态，输出异常提示并执行排空恢复。

5、本发明还提供一种呼出气电化学检测方法，包括采集呼出气样本的流量、压力、持续时间或呼出体积，判断末段有效呼气段是否到达，在末段有效呼气段到达时打开进样阀，使呼出气样本进入定容锁样腔；随后关闭进样阀并使后端隔离阀处于关闭状态，以将固定体积的呼出气样本封闭于定容锁样腔内；在锁样压力保持窗口内判断定容锁样腔内的腔内压力变化是否满足锁样保持条件；在满足锁样保持条件后，使呼出气样本经恒扩散限流通道进入电化学传感器反应腔，在固定采样窗口内采集电化学响应信号，并在采样结束后排空残留气体。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：第一，本发明将受试者呼气过程与电化学传感器反应过程分离，使进入传感器反应腔的样气体积不随呼气强弱而变化；第二，本发明通过定容锁样腔和恒扩散限流通道形成固定体积、固定扩散路径和固定采样窗口，提高电化学响应的重复性；第三，本发明通过锁样压力保持窗口、湿度或冷凝风险状态对锁样和采集过程进行准入控制，降低泄漏、回吸、阀关闭异常或冷凝对检测结果的影响。

1.一种用于呼出气电化学检测的末段肺泡气定容锁样与恒扩散反应控制装置，包括呼气入口、呼气状态检测单元、有效呼气判定单元、进样阀、定容锁样腔、后端隔离阀、恒扩散限流通道、电化学传感器反应腔、信号采集单元、排空阀、微泵、显示输出单元、存储单元和控制单元，其特征是，所述呼气入口经所述呼气状态检测单元和所述进样阀与所述定容锁样腔连通，所述定容锁样腔经所述后端隔离阀和所述恒扩散限流通道与所述电化学传感器反应腔连通，所述电化学传感器反应腔经所述排空阀与所述微泵连通；所述呼气状态检测单元用于采集呼出气样本的流量、压力、持续时间或呼出体积中的至少一种；所述有效呼气判定单元用于根据所述呼气状态检测单元的输出，在呼出气样本满足死腔气排除条件以及流量条件、压力条件、持续时间条件中的至少一种时，判定末段有效呼气段到达；所述控制单元在判定末段有效呼气段到达时，控制所述进样阀打开以使呼出气样本进入所述定容锁样腔，并在定容锁样状态下关闭所述进样阀且使所述后端隔离阀处于关闭状态，从而将固定体积的呼出气样本封闭于所述定容锁样腔内；所述控制单元在锁样压力保持窗口内根据所述定容锁样腔的腔内压力变化判断所述固定体积的呼出气样本是否满足锁样保持条件，在满足所述锁样保持条件后，控制所述定容锁样腔内的呼出气样本经所述恒扩散限流通道进入所述电化学传感器反应腔，使所述呼出气样本在固定扩散路径和固定采样窗口内与电化学传感器发生反应；所述信号采集单元采集所述固定采样窗口内的电化学响应信号；所述控制单元与所述显示输出单元和所述存储单元连接，所述排空阀和所述微泵在采样结束后排出所述定容锁样腔和所述电化学传感器反应腔内的残留气体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述定容锁样腔具有固定有效容积，所述固定有效容积由所述进样阀、所述后端隔离阀和所述定容锁样腔的内腔共同限定，用于使进入所述电化学传感器反应腔的样气量不随受试者呼气流速变化而变化。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述有效呼气判定单元在累计呼出体积达到死腔排除阈值，且呼气流量达到预设流量范围、呼气压力达到预设压力范围或持续时间达到预设时间中的至少一项满足时，判定末段有效呼气段到达，并向所述控制单元输出锁样触发信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述控制单元被配置为依次执行呼气准备状态、有效呼气判定状态、进样状态、定容锁样状态、压力保持判断状态、恒扩散采集状态和排空恢复状态，在所述定容锁样状态下关闭所述进样阀和所述后端隔离阀，在所述压力保持判断状态下判断腔内压力变化是否满足预设保持条件，在所述恒扩散采集状态下开启所述后端隔离阀或使所述后端隔离阀处于预定开度，使所述定容锁样腔内的呼出气样本经所述恒扩散限流通道以受限流量或受限扩散方式进入所述电化学传感器反应腔。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述恒扩散限流通道包括毛细管、微孔限流件、恒阻流道中的至少一种；所述恒扩散限流通道与所述电化学传感器反应腔之间还设置有扩散膜，用于使呼出气样本以受限扩散方式作用于电化学传感器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述定容锁样腔设置有腔压检测点，所述控制单元在定容锁样状态下通过所述腔压检测点获取锁样压力保持窗口内的腔内压力变化，并根据锁样后的腔内压力保持情况判断所述定容锁样腔是否存在泄漏、回吸或阀关闭异常，当腔内压力变化超过预设保持阈值时，禁止进入所述恒扩散采集状态，输出异常提示并执行排空恢复。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述信号采集单元在所述定容锁样腔与所述电化学传感器反应腔连通后的预设延迟时间之后进入有效采样窗口，并在对应恒扩散采集阶段的有效采样窗口内采集稳态电流、响应上升斜率、响应面积或响应峰值中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述控制单元在采样结束后控制所述排空阀和所述微泵排出残留气体，并在电化学传感器基线恢复至预设范围后允许下一次检测。

9.一种采用权利要求1至8中任一项所述装置的呼出气电化学检测方法，其特征是，包括采集呼出气样本的流量、压力、持续时间或呼出体积，判断末段有效呼气段是否到达，在末段有效呼气段到达时打开进样阀，使呼出气样本进入定容锁样腔；随后关闭进样阀并使后端隔离阀处于关闭状态，以将固定体积的呼出气样本封闭于定容锁样腔内；在锁样压力保持窗口内判断所述定容锁样腔内的腔内压力变化是否满足锁样保持条件；在满足所述锁样保持条件后，使所述呼出气样本经恒扩散限流通道进入电化学传感器反应腔，在固定采样窗口内采集电化学响应信号，并在采样结束后排空残留气体。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，在锁样完成后读取或判断定容锁样腔的腔内压力保持情况以及湿度状态或冷凝风险状态，当腔内压力变化超过预设保持阈值、湿度超过预设湿度阈值或检测到冷凝风险时，停止恒扩散采集，输出异常提示并执行排空恢复。