本發(fā)明涉及呼吸模擬，，尤其涉及一種用于電子鼻標定的動態(tài)呼吸模擬裝置及方法。

背景技術：

1、呼吸作為人體重要的生理過程，是體內環(huán)境與外界交換物質的方式之一，呼出氣體中包含大量體內新陳代謝的產(chǎn)物。人體呼出氣體成分超過3000多種，現(xiàn)已定量分析的有1000多種，其中一部分是通過人體自身代謝所產(chǎn)生的內源性氣體，當中包括種類繁多的可揮發(fā)性有機物(volatile?organic?compounds，vocs)。在特定的病理情況下，通過對呼出氣體中標志物的檢測能及時診斷健康狀態(tài)。目前，眾多機構和學者已通過對呼出氣體標志物檢測分析推測體內是否存在病變。例如，人體呼出氣體中氨氣與腎衰竭的致病因素相關，通過對呼出氣體丙酮的檢測能篩查出糖尿病，呼出氣體中碳的同位素可以幫助檢測與幽門螺旋桿菌相關的疾病。

2、近些年，隨著人們對無損診斷方式的需求日益增強，呼吸氣體診斷成為重要的研究課題。呼出氣體診斷是通過對呼出氣體中與疾病相關的特異性物質進行分析，進而研究患者體內代謝情況并進行疾病早期預判。因其操作簡單、快速、低成本以及對患者無損傷的特點受到了廣泛的應用。現(xiàn)今，已在腎病、糖尿病、肝臟疾病或腸胃疾病等代謝疾病診斷中率先應用。

3、呼吸檢測因其無創(chuàng)的特性在國內外掀起了研究熱潮，目前已涌現(xiàn)出眾多呼吸氣體檢測技術和設備。其中，氣相色譜技術因具有高精度和高靈敏度的特性，已用于定性定量分析混合氣體中未知組分。目前，色譜檢測方法已經(jīng)達到了皮克以下的檢測下限，研究人員通常采用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(gc-mc)來分析檢測人體呼出氣體中的有機易揮發(fā)物。氣體質譜檢測通過質子轉移反應質譜(ptr-ms)、離子分子反應質譜(imr-ms)和選擇離子流管質譜(sift-ms)等分析方法對體內呼氣中的有機易揮發(fā)物進行檢測分析。目前，在痕量氣體成分和濃度檢測中取得了理想的效果，已達到了ppb和ppt量級檢測下限。除上述兩種氣體檢測技術，光譜分析技術也被應用于氣體檢測，光譜分析技術包含有化學催化發(fā)光光譜、拉曼光譜以及紅外吸收光譜等，已在甲醇濃度、一氧化氮濃度等檢測方向達到了理想效果。

4、但是，上述提到的呼出氣體檢測方法需要借助造價高昂且操作復雜的電子設備進行，又因檢測時間較長，分析成本高的特點無法在臨床上對疾病標識物進行快速檢測，限制了它們在臨床上的發(fā)展應用。基于此，開發(fā)一種操作簡單，價格低廉，快速有效，高精度高靈敏度的檢測技術迫在眉睫。

5、隨著傳感器技術和計算機技術的融合發(fā)展，為疾病篩查和診斷提供了新型檢測方案。目前，利用傳感器技術進行氣體檢測引起了世界范圍內研究者們的廣泛關注。其中，“電子鼻”檢測法廣泛應用了氣體傳感器技術，“電子鼻”是由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復雜氣體能力的嗅覺模擬裝置?！半娮颖恰蓖ㄟ^傳感器的氧化還原反應能實現(xiàn)對不同氣體的檢測，找出人體呼出氣體中與疾病的相關性，結合模式識別方法對疾病進行初步篩查。在氣敏材料和傳感器技術的發(fā)展下，“電子鼻”不斷完善優(yōu)化，在過去20年內已被廣泛運用于食品及化學工業(yè)、環(huán)境安全、醫(yī)藥衛(wèi)生等檢測領域。和傳統(tǒng)的檢測方法相比，“電子鼻”檢測技術快捷、價格低廉更適合快速篩查疾病，也為普通家庭的健康監(jiān)測提供了可能性。

6、在醫(yī)學領域，“電子鼻”已在糖尿病、腎病、呼吸道疾病以及肺癌、肝癌等疾病檢測中獲得重要突破并在臨床上驗證了其可行性。因其無創(chuàng)、便捷、快速的檢測特點受到眾多醫(yī)學機構和家庭個人的青睞，未來有望成為臨床上大規(guī)模使用的檢測手段。但目前，對于“電子鼻”的檢測和標定，多采用臨床人體試驗，測試時間較長、穩(wěn)定性較差且易受到患者健康狀態(tài)的影響，靈活性較差無法應對不同生理狀態(tài)下的測試需要，此外，環(huán)境因素也會對標定精度造成影響。以上出現(xiàn)的種種問題嚴重影響到“電子鼻”相關參數(shù)測試和標定，阻礙了“電子鼻”的發(fā)展和應用。因此，研發(fā)出一套穩(wěn)定且靈活的標定系統(tǒng)及測試方法具有非常重要的現(xiàn)實意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本技術實施例通過提供一種用于電子鼻標定的動態(tài)呼吸模擬裝置及方法，解決了現(xiàn)有技術中電子鼻的檢測和標定過程中穩(wěn)定性差、靈活性差的問題，提出了動態(tài)配氣系統(tǒng)和呼吸模擬裝置協(xié)同配合，結合機電控制技術，實現(xiàn)了人體呼吸系統(tǒng)的運行模擬，具備高度智能化，能按需模擬出不同呼吸頻率、潮氣量和呼吸深度下的人體呼吸狀態(tài)。

2、本技術實施例提供了一種用于電子鼻標定的動態(tài)呼吸模擬裝置，包括動態(tài)配氣系統(tǒng)1和呼吸模擬裝置2，所述動態(tài)配氣系統(tǒng)1，包括第一緩沖氣室15、第二混合氣室17、主控模塊19；所述第一緩沖氣室15設置多個進氣口與一個出氣口，所述進氣口連接待測氣源，所述出氣口連接第二混合氣室17；所述第二混氣室17進氣端連接稀釋氣源11和所述第一緩沖氣室15的出氣口，所述第二混氣室17出氣端與排氣管道111連接；所述主控模塊19連接多個氣體質量流量控制器14；所述氣體質量流量控制器14安裝于氣路管道；所述主控模塊19通過串口通信模塊與觸摸屏ⅰ110進行串口通信；

3、所述動態(tài)配氣系統(tǒng)1產(chǎn)生的氣體通過排氣管道111與呼吸模擬裝置2的進氣口25相連；所述呼吸模擬裝置2包括機械結構和電氣結構；

4、所述機械結構包括殼體24和氣缸26；所述殼體24前端安裝端蓋23，開設的進氣口25和出氣口28；所述進氣口25連接所述動態(tài)配氣系統(tǒng)1；所述出氣口28連接電子鼻；所述氣缸其內設置絲杠211；所述絲杠211的兩端分別連接活塞27與聯(lián)軸器212，且設有位移傳感器215；

5、所述電氣結構包括plc控制器219，所述plc控制器219將控制指令發(fā)送到伺服電機221的驅動器220控制所述伺服電機221轉動，驅使絲杠211帶動活塞27在氣缸26內進行往復運動完成吸氣和呼氣的效果，模擬人體呼吸運動。

6、優(yōu)選的，所述排氣管道111內置堿液或活性炭，用于吸收有害氣體或酸性氣體，所述排氣管道111后設置了氣泵112抽取純凈氣體對系統(tǒng)管道進行沖洗。

7、優(yōu)選的，所述稀釋氣源11為純凈單一氣體，所述待測氣源濃度為1-1000ppm的氣體。

8、優(yōu)選的，所述主控模塊19由主控mcu、數(shù)據(jù)存儲單元以及串口通信模塊組成，主控mcu用于進行數(shù)據(jù)采集、輸出顯示以及氣體流量控制，完成各組分氣體濃度設定以及流量值的計算，由數(shù)據(jù)存儲單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，并通過通信串口將數(shù)據(jù)輸入mfc，從而控制氣體質量和流量大小。

9、優(yōu)選的，所述氣缸26前端設置有可調節(jié)螺母21；所述端蓋23上安裝緩沖螺絲22。

10、優(yōu)選的，所述伺服電機221內置旋轉編碼器，能根據(jù)驅動器發(fā)送脈沖個數(shù)來判斷伺服電機221是否完成指令，并將結果反饋至plc控制器219，plc控制器219能夠向驅動器220發(fā)送對應的脈沖個數(shù)，驅動器220接收命令后拖動伺服電機221轉動。

11、本技術還提出了一種用于電子鼻標定的動態(tài)呼吸模擬方法，包括以下步驟：

12、步驟1，根據(jù)動態(tài)配氣數(shù)學模型，完成各組分氣體濃度設定以及流量值的計算，并通過通信串口將數(shù)據(jù)輸入mfc；

13、步驟2，輸入濃度、流量等參數(shù)，控制氣體質量和流量大小，采用流量比混合法配置標準氣體，完成動態(tài)配氣；

14、步驟3，根據(jù)人體呼吸規(guī)律，構建呼吸數(shù)學模型；

15、步驟4，根據(jù)構建的呼吸模擬裝置數(shù)學模型，設計plc控制程序，使其能精確地控制呼吸頻率、潮氣量等呼吸參數(shù)；

16、步驟5，確定伺服電機脈沖數(shù)、脈沖頻率，驅動器驅動伺服電機221轉動，進而帶動絲杠與活塞運動。

17、優(yōu)選的，所述步驟2具體為：

18、在配置單組分標準氣體時，使用氮氣作為稀釋氣體，使用濃度為c1的原料氣配置濃度為c2的標準氣，則稀釋比為m＝c2/c1，原料氣和稀釋氣體的流量比為：f1:f2＝m:(1-m)；

19、在配置多組分標準氣體時，原料氣g1,g2...gk的濃度分別為c1,c2...ck,需要配置的混合標準氣的濃度為s1，s2...sk，則各組分的稀釋比為mk＝sk/ck，各組分原料氣流量與稀釋氣流量比為：

20、

21、優(yōu)選的，所述步驟3中呼吸數(shù)學模型為：

22、

23、其中，q(t)為呼吸流量，m(t)為每分鐘呼吸的次數(shù)，v(t)為呼吸的潮氣量。

24、本技術實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：

25、1、采用動態(tài)配氣系統(tǒng)和呼吸模擬裝置協(xié)同配合，并結合機電控制技術，實現(xiàn)了一體化操作，能按照一定的流量比或濃度比持續(xù)配置出標準測試氣體或混合氣體，并能迅速輸入動態(tài)呼吸模擬裝置；在配氣的同時呼吸模擬裝置同時工作，最大程度的減小了實驗誤差，為“電子鼻”的標定和校準提供了最佳測試環(huán)境；解決了電子鼻在檢測標定過程中靈活性差、配氣效率低、誤差大的問題。

26、2、本技術的動態(tài)配氣系統(tǒng)通過緩沖氣室和混合氣室及主控模塊的設置，可以精確地模擬單組分氣體或混合氣體，同時設置控制氣閥能保證各組分氣體比例的準確性與穩(wěn)定性。

27、3、本技術根據(jù)呼吸規(guī)律建立了人體呼吸數(shù)學模型，并以此設計plc控制程序；相較于傳統(tǒng)呼吸模擬裝置依靠手動扳動，難以實現(xiàn)連續(xù)切換頻率等缺點；本裝置自動化程度較高，通過plc控制程序驅動伺服電機來實現(xiàn)對呼吸頻率、潮氣量、呼吸深度等參數(shù)精確控制，最大程度模擬真實的呼吸狀態(tài)。