阅读说明：本技术 一种用于肝病快速筛查的便携式检测设备及检测方法 (Portable detection equipment and detection method for rapid screening of liver diseases ) 是由 王海容 韩宝庆 李长青 杨婉莹 陈家洛 吴昌龙 田汨龙 段滨 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于肝病快速筛查的便携式检测设备及其检测方法,包括样品气体采样袋、惰性气体载气瓶、微型电磁阀集成模块、富集器、色谱柱、传感单元和单片机单元,微型电磁阀集成模块将流经微通道的样品气体和惰性气体分别流经富集器和色谱柱,进行通道切换后进入富集器或色谱柱；传感单元将进入的样品气体感应并进行电信号提取；通过单片机单元控制各模块对信号进行传递、交互,依据不同程度肝病特征气体的指纹特征,利用单片机单元中的模式识别算法进行肝病的快速筛查诊断。本发明具有智能化、检测成本低、简单安全、检测时间短、易携带等特点,可以用于家庭、社区、诊所等更广泛的场合进行初步的疾病筛查。(The invention discloses portable detection equipment for rapidly screening liver diseases and a detection method thereof, wherein the portable detection equipment comprises a sample gas sampling bag, an inert gas carrying cylinder, a micro electromagnetic valve integration module, an enricher, a chromatographic column, a sensing unit and a single chip microcomputer unit, wherein the micro electromagnetic valve integration module respectively flows sample gas and inert gas which flow through a micro channel through the enricher and the chromatographic column, and the sample gas and the inert gas enter the enricher or the chromatographic column after channel switching is carried out; the sensing unit senses the entering sample gas and extracts an electric signal; the single chip microcomputer unit controls each module to transmit and interact signals, and according to the fingerprint characteristics of the liver disease characteristic gases with different degrees, the mode recognition algorithm in the single chip microcomputer unit is utilized to carry out rapid screening diagnosis on the liver diseases. The invention has the characteristics of intellectualization, low detection cost, simplicity, safety, short detection time, easy carrying and the like, and can be used for primary disease screening in wider occasions such as families, communities, clinics and the like.)

一种用于肝病快速筛查的便携式检测设备及检测方法

技术领域

本发明涉及一种肝病检测领域，尤其涉及一种肝病初筛的便携式检测设备及其检测方法。

背景技术

近些年肝病在全球范围内快速发展，发达及新兴国家均受影响。截至2015年12月底，欧洲、中国、美国分别有约1.88亿个、4.31亿个、1.01亿个主要慢性肝病病例。这其中中国的慢性肝病患者中乙型肝炎、丙型肝炎、酒精性脂肪性肝病、非酒精性脂肪性肝病患者人数分别约为：9314万人、2431万人、24635万人、6827万人。而根据2018年国际癌症研究中心的一份最新报告，中国的肝癌发病率已位居第九，根据人口规模估计中国的肝癌患者人数是全球最多的。据估计，中国有多达700万人患有肝硬化，乙肝和丙肝则分别影响着9000万人和1000万人，非酒精性脂肪肝病则影响着约1.73～3.38亿人，酒精性肝病估计至少影响6200万人。据专业研究机构预测，伴随着人们的物质生活愈来愈丰富，未来肝脏疾病在人口患病率方面仍有进一步扩大的态势。由此可见，我国乃至世界在肝病早期发现、诊断治疗等方面面临巨大挑战。

肝病具有动态演变的特点，通常正常人约20～30％患有非酒精性脂肪肝病，这其中约有7～30％会发展成非酒精性脂肪肝炎，这部分肝炎中又约有10～20％会发展为肝纤维化，直至到肝硬化、肝癌。如果能早期进行肝病的精准分型检测，就可以及时对高危患者进行早期干预，又可缓解肝病检测医疗资源紧张这一现状。目前，肝活检是临床上对肝纤维化分级的金标准。这种侵入性手术约有5.9％的并发症几率以及令人担忧的出血风险。所以说，活检这种创伤大、高成本、复杂且专业的检测手段并不适合对人群进行大范围的肝病筛查。因此寻求一种无创、简单、低成本、安全的检测手段尤为必要。

与传统的活检相比，呼气分析是一种非侵入性的诊断方法，其具有无创、低成本低、简单安全等优点。研究显示：人体呼气中包含有3000多种挥发性有机气体(VOCs)。当人体脏器或组织损伤或病变导致功能变化时，会相应地引起很多代谢VOCs浓度的改变，通过检查这些呼气VOCs浓度即可诊断脏器损伤与病变程度。

有研究表明肝脏病人的疾病发展和多种生理代谢特征VOCs气体的浓度密切相关(如异戊二烯、二硫化碳、乙烷等)。尤其是异戊二烯气体用于晚期肝病的诊断效果显著，具有明显的统计学意义。异戊二烯是人类内源性产生的反应性脂族烃。它是人类呼吸中发现的主要碳氢化合物，被认为是胆固醇合成的副产物，因此也作为胆固醇生物合成的标志。在晚期肝纤维化患者中，该合成途径可能会受到损害，而这种低血浆胆固醇水平则就是晚期肝病患者的特征。由此可见，通过检测呼气排出的这些特征气体的浓度水平，可以及早且快速地对肝病进行分级诊断。

以非酒精性脂肪肝病为例。通常情况下，正常人约20～30％患有非酒精性脂肪肝病，这其中约有7～30％会发展成非酒精性脂肪肝炎，这部分肝炎中又约有10～20％会发展为肝纤维化，直至到肝硬化、肝癌。如果能早期进行肝病的精准分型检测，就可以及时对高危患者进行早期干预，做到早发现早治疗。目前，肝活检是临床上对肝纤维化分级的金标准。这种侵入性手术创伤大、成本高、操作复杂，不适合作为对人群进行大范围肝病筛查的检测手段。

目前常用的呼气分析方法主要包括气相色谱质谱(GC-MS)，质子转移反应质谱(PTR-MS)，离子迁移谱(IMS)等技术。但是，这些方法均存在仪器成本高、操作复杂、分析时间长等问题，不利于针对重大慢性肝病进行大规模的低成本、快速筛查。因此研究出一种非侵入性、低成本、快速可便携的肝病呼气检测设备在肝病早期防治领域具有重要的意义，同时在将来更加完善的智慧医疗领域也具有非常广阔的应用前景。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明提供了一种用于肝病快速筛查的便携式检测设备及其检测方法，基于气相色谱技术与神经网络模式识别算法的结合，可以准确地检测特征VOCs气体的种类与浓度特征，并以此对人体脏器的损伤与病变程度做出筛查诊断。这种方法最大的特点是检测门槛及成本低、无痛、简单安全、便携、低功耗等，非常适合针对大规模人群进行重大疾病隐患初级普查。本发明可用于非侵入性的肝病呼气检测，其成本低、对重大慢性肝病可快速进行检测。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种用于肝病快速筛查的便携式检测设备，包括：

采样袋，用于承装样品气体，并与微型电磁阀集成模块连通；

载气瓶，用于承装惰性气体，并与微型电磁阀集成模块连通；

微型电磁阀集成模块，将流经微通道的样品气体和惰性气体分别流经富集器和色谱柱，进行通道切换后进入富集器或色谱柱；

富集器，用于实现样品气体的吸附和加热脱附；

色谱柱，用于实现对样品气体中复杂特征气体在时间轴上的分离；

传感单元，用于将进入单元的样品气体感应并进行响应电信号提取，并将获取的不同程度肝病特征气体的响应信息传递至单片机单元；

单片机单元，用于控制采样袋和载气瓶的流量控制模块、微型电磁阀、真空泵的开闭；实现富集器、色谱柱的加热/测温模块的温度闭环控制；对传感单元供电及感应信号的采集与处理；

所述采样袋、载气瓶分别连通微型电磁阀集成模块，微型电磁阀集成模块分别连通富集器、色谱柱和真空泵，色谱柱连通传感单元，传感单元、真空泵、色谱柱、富集器、流量控制模块和微型电磁阀集成模块分别连接单片机单元。

上述方案中，所述微型电磁阀集成模块中设有通道安装块和若干个微型电磁阀，通道安装块为在聚合物材质上设微通道，若干个微型电磁阀分别固定在通道安装块上。

上述方案中，所述采样袋和载气瓶分别通过流量控制模块连通至微型电磁阀集成模块。

上述方案中，所述富集器内含微纳米吸附材料和设有加热/测温模块。

上述方案中，所述色谱柱内壁涂覆有纳米固定相材料和设有加热/测温模块。

上述方案中，所述传感单元包括若干个金属氧化物传感器和湿度传感器。

上述方案中，所述传感单元经信号处理电路连接至单片机单元；所述单片机单元连接有显示及数据处理模块。

本发明进而提供了一种基于所述设备用于肝病快速筛查的便携式检测方法，包括：

气体采样阶段：真空泵开启，采样袋内样品气体经第一流量控制模块，通过微型电磁阀集成模块进入富集器实现样品气体吸附，残余气体流经微型电磁阀集成模块，从真空泵出口排出；

脱附进样阶段：富集器对样品气体加热脱附，载气经第二流量控制模块流经微型电磁阀集成模块微通道，进入富集器推动着脱附样品气体从富集器流出，并再次流经微型电磁阀集成模块微通道，然后流至色谱柱，样品气体与色谱柱固定相充分作用，残余气体依次沿色谱柱及传感单元排出；

分离清扫阶段：样品气体在与色谱柱固定相充分作用后，恒定流量的载气流经微型电磁阀集成模块微通道接从色谱柱进入，分离后的样品气体各组分依次从色谱柱流出至传感单元，各传感器感应电信号传输至单片机单元；载气一直通至色谱柱不再有样品气体析出为止；

富集清洗阶段：恒定流量的载气流经微型电磁阀集成模块微通道，直接进入富集器，对富集器内残留的气体进行清洗，接着流经微型电磁阀集成模块微通道，然后从真空泵泵出口处排出。

本发明的基于呼气检测的肝病快速筛查设备具有智能化、检测成本低、简单安全、检测时间短、易携带等特点，可以用于家庭、社区、诊所等更广泛的场合进行初步的疾病筛查。在此基础上根据检测结果再有针对性地到专业医院做进一步检查和治疗，则可以尽可能的降低活检对人们身体的创伤和痛苦，同时也可很大程度避免不必要的经济浪费，缓解专业医疗设备资源的紧张，并提高检测效率。

附图说明

图1为本发明用于肝病快速筛查的便携式检测设备的系统原理框图；

图2为本发明设备的气体采样阶段的工作示意图；

图3为本发明设备的脱附进样阶段的工作示意图；

图4为本发明设备的分离清扫阶段的工作示意图；

图5为本发明设备的富集清洗阶段的工作示意图。

图中：1、采样袋；2、第一流量控制模块；3、第一加热/测温模块；4、富集器；5、第二加热/测温模块；6、色谱柱；7、封装壳体；8、传感单元；9、金属氧化物传感器；10、湿度传感器；11、真空泵；12、微型电磁阀；13、微型电磁阀集成模块；14、第二流量控制模块；15、载气瓶；16、单片机单元；

17、信号处理电路；18、显示及数据处理模块；19、通道安装块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明实施例提供一种用于肝病快速筛查的便携式检测设备，包括采样袋1、载气瓶15、微型电磁阀集成模块13、富集器4、色谱柱6、传感单元8、真空泵11、单片机单元16、信号处理电路17、显示及数据处理模块18等。其中，微型电磁阀集成模块13分别连通采样袋1和载气瓶15，采样袋1通过第一流量控制模块2连通至微型电磁阀集成模块13，载气瓶15通过第二流量控制模块14连通至微型电磁阀集成模块13。

微型电磁阀集成模块13进一步分别连接富集器4、色谱柱6和真空泵11，富集器4上设有第一加热/测温模块3和两个接口，富集器4通过接口A、接口B并联在微型电磁阀集成模块13的接口a和接口c上；色谱柱6上设有第二加热/测温模块5和两个接口，色谱柱6通过接口C连接微型电磁阀集成模块13的接口b，另一端接口D连接至传感单元8的壳体入口。真空泵11通过泵入口连接微型电磁阀集成模块13的接口d，另一端连接外部空气环境。其中，第一流量控制模块2、第二流量控制模块14、微型电磁阀集成模块13、富集器4、色谱柱6、真空泵11、信号处理电路17和传感单元8均连接单片机单元16，单片机单元16连接至显示及数据处理模块18。

其中，采样袋1用于承装样品气体，采样袋1则选择一种适用于对低浓度(亚ppm级)挥发性有机化合物气体(VOCs)采样的、稳定性好的聚合物袋如特氟龙气体采样袋，第一流量控制模块2用于精确控制进样的流量。载气瓶15用于承装惰性气体，第二流量控制模块14则用于精确控制载气流量，惰性气体通常选择如氮气等。微型电磁阀集成模块13由聚合物材质内含微通道的通道安装块19和多个微型电磁阀12组成，若干个微型电磁阀分别固定在通道安装块19上，用于流路的切换。通道安装块19通过一体成型技术成型，内含微尺寸通道用于气体的流通。

富集器4内含微纳米吸附材料，用于对痕量特征气体的浓缩提取，实现样品气体的吸附和加热脱附。第一加热/测温模块3用于精确控制富集器4的工作温度，完成脱附和清洗。色谱柱6内壁涂覆有纳米固定相材料，用于实现对复杂特征气体在时间轴上的分离；第二加热/测温模块5用于精确控制色谱柱6的工作温度。传感单元8由多个不同选择性、不同灵敏度的金属氧化物传感器9和湿度传感器10组成，并在小体积封装壳体7内封装，封装壳体7留有用于排气的壳体出口，其中多个金属氧化物传感器9采用神经网络模式识别的方法进行疾病特征气体检测、识别，湿度传感器10则用于对传感器信号进行湿度补偿，以提高检测精确度。传感单元8的所有金属氧化物传感器9和湿度传感器10都被封装在一个小体积的封装壳体7内，气体从封装壳体7入口进入并和敏感材料进行感应，然后从封装壳体7出口排出。样品气体进入传感单元8并和各传感器敏感电极接触且产生对应的感应信号，传感单元8的感应信号经过信号处理电路17的去噪、滤波及模数转换，再输入至单片机单元16。单片机单元16对处理后的感应信号采用特征提取的方法提取特征，然后依据不同程度肝病特征气体的指纹特征，运用模式识别算法进行肝病的快速筛查及诊断。

单片机单元16将模拟信号加载到各个执行元件上，具体是控制流量控制模块的开启度、微型电磁阀12的开闭、真空泵11的开闭；实现富集器4、色谱柱6各加热/测温模块的温度闭环控制；实现对传感单元8各传感器的供电及感应信号的采集与处理；实现与显示及数据处理模块18之间的信号传递、交互。

真空泵11和通道安装块19的接口d相连，用于提供系统负压。

本发明装置工作时，单片机单元16发出控制信号实现对第一流量控制模块2、第二流量控制模块14、微型电磁阀12、第一加热/测温模块3、第二加热/测温模块5、传感单元8、真空泵11的供电和控制，其中对第一加热/测温模块3、第二加热/测温模块5实现闭环温度控制。信号处理电路17将传感单元8的响应信号进行去噪、滤波、模数转换后发送到单片机单元16，单片机单元16再将算法处理过的数字信号发送到显示及数据处理模块18进行显示或人工数据分析、处理。其中，显示及数据处理模块18用于进行采集数据的结果显示、数据后处理以及各执行元件的参数控制与交互。

本发明给出的一种用于肝病快速筛查的便携式检测设备的检测方法如图2、图3、图4、图5所示，包括下述步骤：

1)气体采样阶段：如图2所示，采样袋1连接至第一流量控制模块2入口处，真空泵11开启，第一流量控制模块2负责保持恒定的进样流量，样品气体在真空力的作用下，按照一定流路通过微型电磁阀集成模块13，进入富集器4实现气体吸附，且残余气体又流经微型电磁阀集成模块13，并从真空泵11出口排出。

2)脱附进样阶段：如图3所示，富集器4加热进行脱附，载气在第二流量控制模块14的恒定流量限制下，流经微型电磁阀集成模块13微通道，从富集器4的接口B进入，推动着脱附气体从富集器4的接口A流出，并再次流经微型电磁阀集成模块13微通道，然后从微通道接口b流出至色谱柱6的接口C进入，样品气体与色谱柱6固定相充分作用，之后残余气体依次沿着色谱柱6的接口D及传感单元8的壳体出口排出。

3)分离清扫阶段：如图4所示，样品气体在与色谱柱6固定相充分作用后，恒定流量的载气流经微型电磁阀集成模块13微通道，直接从色谱柱6的接口C进入，分离后的样品气体各组分依次从色谱柱6的接口D流出至传感单元8，各传感器通过与样品气体的充分感应，进而产生反应其状态的相应电信号，各传感器感应电信号传输至单片机单元16，利用单片机单元16中的模式识别算法进行肝病的快速筛查诊断；载气一直通至色谱柱6不再有样品气体析出为止。

4)富集清洗阶段：如图5所示，为下次测试循环做准备，恒定流量的载气流经微型电磁阀集成模块13微通道，直接从富集器4的接口A口进入，对富集器4内残留的气体进行清洗，接着从富集器4的接口B流出，再流经微型电磁阀集成模块13微通道，然后从真空泵11泵出口处排出。

上述过程实现了将进入的样品气体感应并进行特征提取，依据不同程度肝病特征气体的指纹特征，利用单片机单元16中的模式识别算法进行肝病的快速筛查诊断。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围。