一种用于无创测量血液酮体水平的crds丙酮呼吸分析仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学技术领域，特别是涉及一种用于无创伤测量酮体水平的丙酮呼吸分析仪。
【背景技术】
[0002]本发明涉及一种用于无创伤测量酮体水平的丙酮呼吸分析仪。该分析仪是基于超灵敏、高选择性的光腔衰荡光谱技术(CRDS)。主要针对糖尿病患者和癫痫病患者(人类和动物)监管和治疗过程中需要监测酮体浓度，而目前的监测手段中，血液测量需要采取血样，疼痛且易感染，严重影响生活质量，尿检只能显示半量化测量，无法为疾病的监管和治疗提供准确的参考，从而发明一种通过测量呼吸成分中的挥发性有机化合物(VOCs)丙酮的含量来无创伤测量酮体水平的基于CRDS技术的丙酮呼吸分析仪。该发明属于生物医学领域。
[0003]有关病理学调查和研究表明，当人体的脏器或组织损伤或病变之后，其功能上的变化会相应地引起相应代谢产物的改变，这些代谢产物进入到血液中就会引起某些代谢产物含量的相对增高，通过检测代谢产物的浓度就可以诊断出脏器的损伤程度。因此，通过分析血液中某些特定成分诊断疾病已经成为现代医学诊断的一种常规手段。而血液中的代谢产物能够通过气血屏障进入肺部，进而引起呼出气组分的改变，使得排出体外的某些特定气体浓度升高，因而可以作为一些疾病的生物标志物。
[0004]随着人民生活水平的不断提高，糖尿病已经成为越来越严重的公共健康问题。中国是糖尿病患者数目增长速度最快的国家之一，患病已超过五千万。糖尿病可累及全身各个组织器官，引起多种并发症，而成为致死致残的主要原因。酮症酸中毒是严重的糖尿病急性并发症，需要紧急住院治疗。未经治疗或治疗不及时的酮症酸中毒能引起严重的疾病或死亡。
[0005]1型糖尿病患者容易发生糖尿病酮症酸中毒，高达15%?67%新诊断的儿童和青少年发生酮症酸中毒。酮症酸中毒的后果非常严重，但是了解这个疾病的症状，坚持规范治疗，规律地进行酮体检测可以帮助预防。酮体(acetone bodies)是脂肪酸在肝脏进行正常分解所生成的特殊中间产物，包括轻丁酸(β-hydroxybutyric acid约占78%)、乙酰乙酸(acetoacetic acid约占28%)和极少量的丙酮(acetone)约占2%。正常人的血液酮体水平低于0.5mM，然而在1型糖尿病患者常规的例行检查中，酮体水平在l-2mM(l-2 μ mol/mL)非常常见，对于严重的酮症患者血楽酮体浓度甚至超过25mmol/L。
[0006]测量毛细血管腔中的羟丁酸已经成为一型糖尿病患者日常监管中的常规检查。然而现有检测方法需要采血，疼痛且易感染，尤其1型患者多数为儿童或青少年，严重降低患者的生活质量。
[0007]癫痫是一组由神经元突然异常放电所引起的短暂大脑功能失调的慢性综合症。其中约20%的病人预后不好，被划归为难治性癫痫。据统计，现有的抗癫痫药物对难治性癫痫的治愈率仅为5%，而且长期使用易导致智力减退，记忆力下降、性格和行为改变。全世界约有1%的人口(六千五百万人)患有癫痫，近80%的病例都发生在发展中国家。
[0008]生酮饮食即通过控制患儿的进食量和饮食比例，主要是改变脂肪、蛋白质和碳水化合物之间的比例，搭配成高脂、低碳水化合物和适量蛋白的饮食。根据临床经验，在很多药物治疗无效后，生酮饮食疗法确实还有效，对于婴儿痉挛症，有效率达到80% -90%，其中完全控制发作的有40%，而且大部分是短期内(2周)就达到不发作。在生酮饮食时，患儿将处于一种酮症状态，酮体的浓度在体内的水平将会升高，虽然酮症对控制癫痫的机理还不清楚，但在生酮饮食治疗中需要频繁地测量酮体浓度。
[0009]目前检测酮体的两种方法:尿酮体检测和血酮体检测。血酮体测试为测β -羟丁酸，需要采取血样，疼痛且易感染，限制了酮体测定的频率。尿酮体测试为测乙酰乙酸，结果为半量化测量，仅能指示高、中、低或微量。
【发明内容】
[0010]本发明针对目前测量酮体水平方法的局限性(如前面介绍)，发明一种可以通过无创伤的测量方法(呼吸分析方法)测量酮体水平的呼吸分析仪，该仪器能够实现对人体呼吸丙酮浓度的实时准确测量，直接显示血液酮体水平和参考血糖水平，并能将数据同步上传网络显示在各种终端电子设备，该发明对于糖尿患者、癫痫病患者和其他需要测量酮体水平和了解血糖水平的患者，能实时掌握自己的代谢状况，促进疾病监管和治疗，进而对其健康状况和生活质量有明显的提尚。
[0011]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:基于CRDS技术的丙酮呼吸分析仪系统，其特征在于系统主要由光学平台和电子控制两部分构成:光学平台部分主要包括激光器、气体样品室(光学谐振腔)、探测器及其它附件等，其功能是实现光谱信号的获取。其中，气体样品室不仅用于容纳待测气体样品，它更是一个光学谐振腔，其两端是两片高反射率反射镜，形成一个稳定谐振腔，使得激光能够在腔内往复传播，实现腔衰荡光谱的产生。该光学平台部分被固定于一块600mmX250mmX10mm(长宽厚)的铝板上，可整体移动而不需要重新调整光路。考虑到所采用激光器、气体样品室及探测器等主要器件的尺寸，该光学平台部分可以装载于一个内径Φ = 200_、长度L = 600mm的筒式耐压密封舱内。电子控制部分包括激光控制电源、真空栗、示波器和计算机等，主要完成信号采集、显示和处理功能。其中，真空栗用于将腔内气体样品栗出，示波器用于显示腔衰荡信号及对采集到的模拟信号进行A/D转换，再通过计算机中加载的软件进行数据处理，这三个设备分别可使用微型栗、数据采集卡和PC/104工控机代替以实现小型化。
[0012]根据所使用激光光源的不同，CRDS可分为使用脉冲激光的脉冲波腔衰荡光谱(Pulsed-CRDS)和使用连续激光的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)，波长范围覆盖紫外至红外波段。根据研究对象及需求的不同，激光器的种类也各不相同，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，掺钛蓝宝石(T1:Sapphire)激光器，Nd:YAG激光或准分子激光器栗浦的染料激光器和光参量振荡器(0P0)，量子级联激光器，半导体激光二极管，等等。
[0013]激光的不同特性，如脉宽和线宽等，都会影响到腔衰荡波形和定量探测结果。
[0014]CRDS高灵敏度探测能力主要在源于谐振腔的贡献，正是由于激光在谐振腔内的往返传播，使得激光经过吸收物质的光程有几个数量级倍的增加，相比于传统的吸收光谱学技术，CRDS的探测灵敏度也获得相应提高。最常见的谐振腔是有两面高反射率反射镜组成的稳定腔。除此之外，还有一些其它形式的谐振腔，例如，多面反射镜、内置布儒斯特角反射板、棱镜腔和光纤环路腔等等。这些形式的谐振腔针对不同的探测对象设计而成，虽然形式上各不相同，但其基本原理都类似。当只分析谐振腔构成而不考虑吸收物质情况下，影响腔衰荡时间大小的参数是腔长度d和腔镜反射率R。一般来说，常用谐振腔长度在十几厘米到几十厘米之间。
[0015]经过两面高反射率反射镜的反射后，到达探测器的激光强度信号非常微弱，而且腔衰荡信号的持续时间通常在纳秒到微秒量级不等，因此，需要响应速度快而且灵敏度高的光探测器进行探测，一般常用光电二极管和光电倍增管(PMT)。当使用宽波长激光进行扫描探测时，还可以使用光电二极管阵列和光电耦合器件(CCD)作为光电探测器，为了对快速、宽频的光谱信号进行同时探测，系统使用了条纹相机作为光探测器。
[0016]实测样品时，考虑到大气压的日变化，为了保证每次充入的气体样品体积一致，气体样品室内的压强通常保持在低压5Torr和高压750Torr之间。对实验气体样品进行测量的步骤如下:
首先使用氮气对气体样品室进行冲洗。冲洗完成后，样品室内压强保持在低压5Torr，此时样品室内气体为氮气，测量其腔衰荡时间τ0;
将氮气充入到样品室内，使得压强上升至750Torr，测量其衰荡时间；
重复进行步骤1、2，测量2?3次，取测量结果的平均值作为该条件下的衰荡时间值
τ 1 ;
将样品室内压强降为5Torr，充入待测气体样品，直至样品室内压强升至750Torr，测量其腔衰荡时间；将待测气体抽出，并使用氮气对气体样品腔进行冲洗3?4次，冲洗完成后，样品室内气体为氮气，压强为5Torr ；
重复进行步骤4、5，测量同一种待测气体样品的腔衰荡时间2?3次，取平均值为该条件