一种呼出气分析装置及方法与流程

本发明涉及一种呼出气分析装置及方法，特别是涉及一种基于呼出气中的生物标记来进行健康状态评估和疾病诊断的呼出气分析装置及方法。

背景技术：

1、人类呼出的气体中不仅包含氧气、氮气、二氧化碳和水蒸气这些广为人知的成分，还包含有上千种痕量挥发性有机物(volatile organic compounds，vocs)，它们是人体各个器官和细胞进行新陈代谢的产物，直接反映了人体的健康和疾病状态。基于呼出气进行疾病诊断的历史由来已久，古希腊时期的医生以及中医“望闻问切”中的“闻”都通过病人呼出气中的特征气味来诊断疾病。经过长期的医学实践，医生能够很容易分辨出糖尿病、晚期肝病、肾衰竭和肺脓肿患者呼吸中的“水果味”(酮类)、“霉味”、“鱼腥味”、“尿味”和“腐臭味”。1970年代诺贝尔奖得主linus pauling教授等人使用气相色谱在人类呼出气中检测出250种vocs(pnas,1971,68(10),2374-2376)。此后全世界越来越多的科研团队开始了呼出气的研究，目前已经形成了呼出气代谢组学。对上百种呼出气vocs组成的图谱进行模式识别，可同时诊断十几种甚至更多的疾病，结合医疗大数据和人工智能技术，能进一步提高诊断的精准性并扩大适应症。呼出气检测的相关研究经过50年的发展，呼出气vocs与疾病的相关性已变得越来越清晰且明确。人类呼气组学数据库(human breathomics database)是目前最全面的人体呼出气知识库，记录了至少2766篇参考文献,913种潜在vocs生物标记物和60种呼出气相关的疾病，这些相关性涉及数十万临床样本的支持。

2、人体呼出气中的vocs有多种可能来源，大致可以分为两类：内源性vocs和外源性vocs。内源性vocs主要是来自于肺部、呼吸道，甚至是全身各处的代谢活动中产物。内源性vocs经血液循环到达肺部，再经血气交换从肺泡进入呼吸道呼出体外。因此，呼出气内源性vocs检测是一种快速、无创的检测方法，可以对人体健康状态进行系统性、全身性的检测。外源性vocs是外部环境/因素带来的结果，比如体内微生物的代谢产物、特定外部环境的曝露、以及饮食、吸烟和药物摄入等。这些外部因素对人体健康有着直接和间接的影响，同样也有很重要的医学研究价值。

3、目前，研究人员开发出了很多不同的检测技术用于人体呼出气的检测，包括气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometry,gcms)、质子转移反应-质谱(proton transfer reaction-mass spectrometry,ptr-ms)、选择离子流管-质谱(selective ion flow tube-mass spectrometry,sift-ms)、离子迁移谱(ion mobilityspectrometry,ims)、电子鼻(e-nose)等。不同的检测技术在灵敏度、特异性、多组分鉴定、分析通量、成本、易用性等方面各有优势。尽管呼出气中存在上千种vocs，但它们大多都是以痕量形式存在，浓度介于ppt至ppb之间。这些数量众多的vocs与各种各样的疾病之间存在着极其复杂的联系和对应关系，目前还没有确切的证据表明健康人群和患病人群呼出气vocs在种类上有什么区别，其差别主要在于某些特定vocs的浓度上有差异。尤其是对于类似癌症这样的复杂疾病，其潜在的vocs生物标志物往往有几种，甚至几十种。对这些vocs的准确定量定性分析，直接决定了对于疾病状态判别的准确度。除了上述各种各样的检测技术，呼出气的采样技术对于呼出气vocs的准确鉴定同样重要。

4、目前，现有的呼出气采样技术五花八门，种类繁多，包括使用不同材料制成的各种采样容器、不同的采样时机和时长，以及选择性吸附特定类别的vocs。这些采样技术本质上都是为了尽可能地收集和富集特定的目标vocs,同时滤除其他基质的干扰，以提高检测的灵敏度和信噪比。比如，美国专利us11033203中公开了一种便携式的呼出气离线采样装置，用于从病人的呼出气中采集部分样品，其通过压力传感器感知采样器内部气体压力，超过预定阈值后，通过采样泵进行采样，并通过吸附材料吸附对应的呼出气样品，然后将采集的样品送去检测装置进行检测。该方法可以对呼出气中的特定成份进行富集，可以提供后续检测的灵敏度，然而既丢失了呼出气中的气体组份的信息，也没有记录呼吸相关的时间信息，因此影响了其适用范围以及检测的准确性和可靠性。美国专利us11026596中公开了一种呼出气中四氢大麻酚的检测方法，该方法通过特异性结合对四氢大麻酚加合荧光标签，并激活荧光标签后，检测荧光强度以完成四氢大麻酚的检测。该方法有助于增强检测的特异性和灵敏度，然而仅限于对靶向物质的检测，且可同时检测的靶向物质的数量非常有限。

5、然而，这些采样方式本质上都不可能无损和高保真地将呼出气中的vocs收集下来并送到检测装置上进行检测，所有呼出气中的vocs会有不同程度的种类或者浓度上的损失，不仅影响检测结果中各种各样vocs的相对浓度，甚至有很多vocs被选择性地丢失了。对于目标生物标志物不够明确的情况下，这类采样方式会极大影响检测结果的准确性和稳定性。因此，本发明提出了一种全组分、实时收集和检测的呼出气检测技术和方法，避免了采样过程对呼出气vocs的组份和浓度产生任何程度的影响，得到呼出气全组分的检测结果，并根据实际的需求，对检测结果进行分析来裁剪和组合使用检测到的vocs数据以此实现多种疾病同时、高效、准确地检测。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种呼出气分析装置，包括采样组件、检测组件和数据分析组件；所述采集组件用于采集并实时传送所有呼出气至检测组件，所述检测组件对采集的所有呼出气进行实时检测以确定其各成份和相应的浓度，所述数据分析组件用于记录呼出气的组成成份和浓度，以及其随时间的变化，并形成原始检测数据，再根据从原始检测数据中得到的特征信息识别出呼吸周期并将每个呼吸周期划分为至少两个呼吸阶段，从原始数据中抽取至少一个呼吸阶段的非全周期数据作为有效数据，然后对有效数据进行进一步处理以评估呼出气供体是否处于特定的医学状态。本发明的呼出气分析装置可以对呼出气的进行全组分实时检测，并根据检测数据自动鉴别呼吸周期和阶段，基于不同呼吸阶段的检测数据可同时对多种疾病进行准确检测。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种呼出气分析装置，包括采集组件、检测组件和数据分析组件，所述采集组件用于采集并实时传送所有呼出气至检测组件，所述检测组件对采集的所有呼出气进行实时检测以确定其各成份和相应的浓度，所述数据分析组件用于记录呼出气的组成成份和浓度，以及其随时间的变化，并形成原始检测数据，再根据从原始检测数据中得到的特征信息识别出呼吸周期并将每个呼吸周期划分为至少两个呼吸阶段，从原始数据中抽取至少一个呼吸阶段的非全周期数据作为有效数据，然后对有效数据进行进一步处理以评估呼出气供体是否处于特定的医学状态。

3、进一步，根据上述的呼出气分析装置，其中：所述采集组件与检测组件和数据分析组件连接在一起，在呼出气的采集过程没有中间存储和转运过程，能实时连续地将呼出气传送至下游的检测组件，同样检测组件持续不间断地进行工作，不仅能对呼出气的成份组成和浓度进行实时检测，同时能监测呼出气的组成/浓度随时间的变化，下游的数据分析组件首先将完整的时间流信息记录下来，每一个时间点的信息包括但不限于呼出气中的成份组成信息、各成份的浓度信息以及所有组份的总浓度信息等。上述的所有信息被作为原始检测数据进行保存和下一步的处理。进一步的，数据分析组件通过对原始检测数据的初步分析从中提取出特征信息识别出完整的呼吸周期，并将呼吸周期划分为至少两个呼吸阶段。不同呼吸阶段对应的检测数据具有不同的应用价值，根据实际情况，从原始数据中抽取至少一个呼吸阶段的非全周期数据作为有效数据。通过对有效数据做进一步的高级分析可以评估呼出气的供体是否处于某种特定的医学状态。所述高级分析包括但不限于数据格式转换、人工智能算法处理、数据库检索和匹配等。

4、值得一提的是，根据后续不同的医学状态评估需求，可以反复从已经永久记录的原始数据中抽取不同的有效数据。同时，又因为原始数据中包括了全组分的呼出气检测信息，所以本发明提出的呼出气分析装置可以实现比现有检测方式更多、更准确的医学状态评估。

5、根据上述的呼出气分析装置，其中：所述采集组件包含载气部件和过滤部件，所述载气部件用于传送呼出气中的挥发性组份，所述过滤部件用于滤除呼出气中的非挥发性组份。

6、进一步，根据上述的呼出气分析装置，其中：所述采集组件中的载气部件利用高纯度的惰性气体对呼出气进行载送，比如纯度不低于99.99％的氮气、氩气、氦气等；所述过滤部件基于吸附、冷凝、尺寸排阻等原理，将载气和/或呼出气中的灰尘、气溶胶、微生物颗粒、核酸、蛋白质、非挥发性分子、水蒸汽等滤除，以减少对下游分析装置的污染，降低装置的维护需求，同时避免带来记忆效应以及干扰检测结果和性能。

7、根据上述的呼出气分析装置，其中：所述检测组件为质谱、色谱、离子迁移谱中的一种或组合。

8、进一步，根据上述的呼出气分析装置，其中检测组件为色谱、质谱、离子迁移谱的独立分析技术，系统结构简单、成本也比较低；另一方面检测组件也可以是色谱-质谱联用技术、离子迁移谱-质谱联用技术、色谱-离子迁移谱联用技术以及色谱-离子迁移谱-质谱联用技术，如此可以极大提高定性和定量能力，大大提高检测结果的准确性。

9、根据上述的呼出气分析装置，其中：所述呼出气的组成成份为挥发性有机化合物和/或挥发性无机化合物中。

10、根据上述的呼出气分析装置，其中：所述特征信息为呼出气中二氧化碳的信号响应和/或呼出气中所有组份的信号响应。

11、进一步，所述特征信息包括但不限于二氧化碳(co2)的浓度、氧气(o2)的浓度、单一或者多种vocs的浓度、所有组份的总浓度信息等。

12、根据上述的呼出气分析装置，其中：所述呼出气供体为人类、鼠类、猫类、狗类、家禽、家畜以及马类等其他动物。

13、根据上述的呼出气分析装置，其中：所述医学状态为健康状态、癌症、感染性疾病、代谢异常疾病、特定环境的暴露经历中的一种或组合。

14、如上所述，本发明的呼出气分析装置，具有以下有益效果：

15、[1]全组分、高保真的呼出气样品收集和检测；

16、[2]无需额外的特殊装置识别呼吸周期和呼吸阶段；

17、[3]多种医学状态的同时高准确度的检测；