一种呼吸酮检测仪器及其气体采集与浓度计算方法与流程

本发明涉及呼吸气体检测，尤其涉及一种呼吸酮检测仪器及其气体采集与浓度计算方法。

背景技术：

1、酮体是人体在碳水化合物摄入不足时肝脏分解脂肪酸产生的一类代谢产物，主要包括乙酰乙酸、β-羟基丁酸和丙酮。其中丙酮具有挥发性，可通过呼吸排出体外，因此检测呼出气体中的丙酮浓度可间接反映体内酮体水平及脂肪代谢状态。呼吸酮检测在糖尿病酮症酸中毒预警、生酮饮食管理、减重效果监测等场景中具有重要的应用价值。

2、然而，现有的呼吸酮（丙酮）检测设备及方法存在以下不足：

3、第一，口腔及上呼吸道死腔气体的干扰。人体呼出气体包含两类成分：前段的“死腔气体”来源于口腔、咽部和气管等不参与气体交换的区域，其气体成分近似环境空气，丙酮浓度极低；后段的“肺泡气体”来源于肺部末端进行气体交换的肺泡区域，其丙酮浓度真实反映血液中的酮体水平。现有呼吸气体检测设备通常不具备有效区分死腔气体与肺泡气体的能力，导致采集的样本被死腔气体稀释，检测结果的代表性和精度受到严重影响。

4、第二，检测仪气道结构引入的系统误差未纳入浓度计算模型。呼出气体在流经检测仪内部气道时，由于气道截面变化、流速变化和气流分布不均匀等因素，传感器实际接触的气体浓度与受试者呼出气体的原始浓度之间存在固有偏差。现有方法通常假设传感器输出值直接对应呼出气体浓度，未将气道结构引入的误差作为浓度计算的修正因子。

5、第三，环境温湿度对传感器响应的显著影响。丙酮气体传感器，特别是基于氧化物半导体原理的气体传感器，其检测灵敏度随环境温度和湿度的变化而发生漂移。现有方法中，环境补偿多为离线标定或经验性的固定修正，缺乏与检测流程一体化的、基于实时环境参数动态计算的自适应补偿机制。

6、第四，现有方法中各修正环节相互独立，未形成完整的、具有确定运算顺序的多级校准体系。气道结构修正、温湿度补偿等各环节如果孤立执行或任意互换顺序，将无法消除各环节之间的相互耦合影响，导致最终输出浓度的系统性偏差。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：本发明旨在提供一种呼吸酮检测仪器及其气体采集与浓度计算方法，以解决以下技术问题：消除口腔及上呼吸道死腔气体对检测结果准确性的干扰；将检测仪内部气道结构引入的偏差纳入浓度计算模型，实现结构级误差修正；实现对环境温度和环境相对湿度的实时、动态补偿；构建具有确定运算顺序的三级校准体系，确保各修正环节之间的协同一致性，消除耦合误差。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种呼吸酮检测仪器，包括壳体，所述的壳体内设置有变径气道组件、集成控制和计算模块的线路板，所述的变径气道组件内安装有与所述线路板电气连接的传感器组；

3、所述的变径气道组件从左往右依次设置有吹嘴套、中间气道结构和排气管；

4、所述的中间气道结构中的右侧尾段气道腔室的直径小于左侧段的直径，所述吹嘴套的开口直径大于所述中间气道结构中左侧段气道腔室的直径，使呼出气体流经该变径气道组件时因截面面积收缩而产生气压梯度，抑制出口端气体向入口端逆流；

5、所述的中间气道结构为由上侧的导气板、下侧的密封盖和壳体配合形成的气道结构或者由一根进气管单独形成的气道结构。

6、进一步地，本发明所述的传感器组包括呼气气流经气体传感器、丙酮气体传感器、温度传感器和湿度传感器。

7、进一步地，本发明所述的中间气道结构内靠近右侧尾段处设置有传感器安装腔，所述的传感器组安装于所述传感器安装腔内且传感器组的工作端面凸出设置与所述中间气道结构的气道腔室内。

8、进一步地，本发明所述的壳体内右端设置有与所述变径气道组件的排气管连通的排气室，所述的排气室内设置有排气风扇，所述排气室处的壳体上开设有排气口。

9、进一步地，本发明所述的壳体由前盖和后盖上下可拆卸拼接而成。

10、本发明还采用一种呼吸酮检测仪器的气体采集与浓度计算方法，包括以下步骤：

11、步骤一、呼吸气体定向采集：

12、受试者通过吹嘴套向变径气道组件内吹入呼出气体，气体经中间气道结构流经传感器组的工作端面后进入排气管，再经排气室内的排气风扇抽吸后从排气口排出；其中，所述中间气道结构的右侧尾段气道腔室直径小于左侧段直径，吹嘴套的开口直径大于中间气道结构左侧段直径，气体流经变径气道组件时因截面面积逐级收缩而产生气压梯度，抑制传感器安装腔内的气体向吹嘴套方向逆向回流；

13、步骤二、基于气道体积的定量采集控制：

14、获取变径气道组件的内部总体积、获取流经吹嘴套后侧的入射流量、以及流经传感器安装腔处的出射流量，计算入射流量与出射流量的流量差；

15、基于所述总体积与所述流量差的比值关系，结合预设的安全系数，计算有效吹气时间；

16、当吹气持续时间达到有效吹气时间时，判定传感器安装腔内的气体已充盈并达到稳定气流状态，开启采集窗口，将此时传感器组输出的信号作为有效检测信号；

17、步骤三、环境参数实时补偿：

18、在气体采集过程中，通过传感器组中的温度传感器和湿度传感器实时获取环境温度和相对湿度；

19、基于环境温度与标准标定温度的偏差，结合预设的温度补偿系数计算温度补偿因子；

20、基于相对湿度与标准标定湿度的偏差，结合预设的湿度补偿系数计算湿度补偿因子；

21、步骤四、浓度计算与输出：

22、获取丙酮气体传感器输出的原始浓度粗测值；先利用预设的气道体积修正系数对原始浓度粗测值进行结构误差修正，得到一级修正浓度；再利用步骤三得到的温度补偿因子和湿度补偿因子对一级修正浓度进行环境误差补偿，得到二级修正浓度；最后利用预设的标准浓度拟合方程将二级修正浓度换算为校准后的最终呼吸酮浓度并输出；其中，步骤四中所述结构误差修正、环境误差补偿和标准浓度拟合的运算顺序依次执行，不可调换。

23、进一步地，步骤二中判定传感器安装腔内的气体已充盈并达到稳定气流状态时，还同时满足传感器组输出的信号强度达到最大值或进入稳定平台期。

24、进一步地，所述温度补偿因子和湿度补偿因子为乘法因子，步骤四中二级修正浓度＝一级修正浓度×温度补偿因子×湿度补偿因子。

25、进一步地，步骤一中所述吹嘴套开口直径与中间气道结构左侧段直径的比值范围为1.5:1～3:1。

26、进一步地，步骤三中所述标准标定温度为25℃，所述标准标定湿度为50%相对湿度。

27、本发明的有益效果是：

28、1.本发明在结构上通过变径气道的入口端直径大于出口端直径、截面面积逐级收缩的结构设计，使呼出气体在流经气道时因截面收缩而形成气压梯度，无需额外设置单向阀即可有效抑制气体逆向回流，实现单向气体采集，结构简单、可靠性高；

29、2.本发明基于气道总体积与入射流量、出射流量之差精确计算有效吹气时间，确保传感器安装腔内采集的为肺部末端呼出气体，从根本上消除死腔气体干扰，提升检测结果的代表性和重复性；

30、3.本发明通过对温度和湿度进行基于标定系数的实时动态补偿，显著降低环境因素引入的测量误差，使设备在不同环境条件下均能保持稳定的检测精度；

31、4.本发明通过三级顺序校准算法将结构修正、环境补偿和标准拟合按确定的先后顺序有机串联，消除各误差源之间的耦合影响，使最终输出浓度更接近真实值。