一種用于無創(chuàng)測量血液酮體水平的crds丙酮呼吸分析儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于無創(chuàng)傷測量酮體水平的丙酮呼吸分析儀。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及一種用于無創(chuàng)傷測量酮體水平的丙酮呼吸分析儀。該分析儀是基于超靈敏、高選擇性的光腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDS)。主要針對糖尿病患者和癲癇病患者(人類和動物)監(jiān)管和治療過程中需要監(jiān)測酮體濃度，而目前的監(jiān)測手段中，血液測量需要采取血樣，疼痛且易感染，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，尿檢只能顯示半量化測量，無法為疾病的監(jiān)管和治療提供準(zhǔn)確的參考，從而發(fā)明一種通過測量呼吸成分中的揮發(fā)性有機化合物(VOCs)丙酮的含量來無創(chuàng)傷測量酮體水平的基于CRDS技術(shù)的丙酮呼吸分析儀。該發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
[0003]有關(guān)病理學(xué)調(diào)查和研究表明，當(dāng)人體的臟器或組織損傷或病變之后，其功能上的變化會相應(yīng)地引起相應(yīng)代謝產(chǎn)物的改變，這些代謝產(chǎn)物進入到血液中就會引起某些代謝產(chǎn)物含量的相對增高，通過檢測代謝產(chǎn)物的濃度就可以診斷出臟器的損傷程度。因此，通過分析血液中某些特定成分診斷疾病已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷的一種常規(guī)手段。而血液中的代謝產(chǎn)物能夠通過氣血屏障進入肺部，進而引起呼出氣組分的改變，使得排出體外的某些特定氣體濃度升高，因而可以作為一些疾病的生物標(biāo)志物。
[0004]隨著人民生活水平的不斷提高，糖尿病已經(jīng)成為越來越嚴(yán)重的公共健康問題。中國是糖尿病患者數(shù)目增長速度最快的國家之一，患病已超過五千萬。糖尿病可累及全身各個組織器官，引起多種并發(fā)癥，而成為致死致殘的主要原因。酮癥酸中毒是嚴(yán)重的糖尿病急性并發(fā)癥，需要緊急住院治療。未經(jīng)治療或治療不及時的酮癥酸中毒能引起嚴(yán)重的疾病或死亡。
[0005]1型糖尿病患者容易發(fā)生糖尿病酮癥酸中毒，高達(dá)15%?67%新診斷的兒童和青少年發(fā)生酮癥酸中毒。酮癥酸中毒的后果非常嚴(yán)重，但是了解這個疾病的癥狀，堅持規(guī)范治療，規(guī)律地進行酮體檢測可以幫助預(yù)防。酮體(acetone bodies)是脂肪酸在肝臟進行正常分解所生成的特殊中間產(chǎn)物，包括輕丁酸(β-hydroxybutyric acid約占78%)、乙酰乙酸(acetoacetic acid約占28%)和極少量的丙酮(acetone)約占2%。正常人的血液酮體水平低于0.5mM，然而在1型糖尿病患者常規(guī)的例行檢查中，酮體水平在l-2mM(l-2 μ mol/mL)非常常見，對于嚴(yán)重的酮癥患者血楽酮體濃度甚至超過25mmol/L。
[0006]測量毛細(xì)血管腔中的羥丁酸已經(jīng)成為一型糖尿病患者日常監(jiān)管中的常規(guī)檢查。然而現(xiàn)有檢測方法需要采血，疼痛且易感染，尤其1型患者多數(shù)為兒童或青少年，嚴(yán)重降低患者的生活質(zhì)量。
[0007]癲癇是一組由神經(jīng)元突然異常放電所引起的短暫大腦功能失調(diào)的慢性綜合癥。其中約20%的病人預(yù)后不好，被劃歸為難治性癲癇。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有的抗癲癇藥物對難治性癲癇的治愈率僅為5%，而且長期使用易導(dǎo)致智力減退，記憶力下降、性格和行為改變。全世界約有1%的人口(六千五百萬人)患有癲癇，近80%的病例都發(fā)生在發(fā)展中國家。
[0008]生酮飲食即通過控制患兒的進食量和飲食比例，主要是改變脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物之間的比例，搭配成高脂、低碳水化合物和適量蛋白的飲食。根據(jù)臨床經(jīng)驗，在很多藥物治療無效后，生酮飲食療法確實還有效，對于嬰兒痙攣癥，有效率達(dá)到80% -90%，其中完全控制發(fā)作的有40%，而且大部分是短期內(nèi)(2周)就達(dá)到不發(fā)作。在生酮飲食時，患兒將處于一種酮癥狀態(tài)，酮體的濃度在體內(nèi)的水平將會升高，雖然酮癥對控制癲癇的機理還不清楚，但在生酮飲食治療中需要頻繁地測量酮體濃度。
[0009]目前檢測酮體的兩種方法:尿酮體檢測和血酮體檢測。血酮體測試為測β -羥丁酸，需要采取血樣，疼痛且易感染，限制了酮體測定的頻率。尿酮體測試為測乙酰乙酸，結(jié)果為半量化測量，僅能指示高、中、低或微量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對目前測量酮體水平方法的局限性(如前面介紹)，發(fā)明一種可以通過無創(chuàng)傷的測量方法(呼吸分析方法)測量酮體水平的呼吸分析儀，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)對人體呼吸丙酮濃度的實時準(zhǔn)確測量，直接顯示血液酮體水平和參考血糖水平，并能將數(shù)據(jù)同步上傳網(wǎng)絡(luò)顯示在各種終端電子設(shè)備，該發(fā)明對于糖尿患者、癲癇病患者和其他需要測量酮體水平和了解血糖水平的患者，能實時掌握自己的代謝狀況，促進疾病監(jiān)管和治療，進而對其健康狀況和生活質(zhì)量有明顯的提尚。
[0011]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是:基于CRDS技術(shù)的丙酮呼吸分析儀系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)主要由光學(xué)平臺和電子控制兩部分構(gòu)成:光學(xué)平臺部分主要包括激光器、氣體樣品室(光學(xué)諧振腔)、探測器及其它附件等，其功能是實現(xiàn)光譜信號的獲取。其中，氣體樣品室不僅用于容納待測氣體樣品，它更是一個光學(xué)諧振腔，其兩端是兩片高反射率反射鏡，形成一個穩(wěn)定諧振腔，使得激光能夠在腔內(nèi)往復(fù)傳播，實現(xiàn)腔衰蕩光譜的產(chǎn)生。該光學(xué)平臺部分被固定于一塊600mmX250mmX10mm(長寬厚)的鋁板上，可整體移動而不需要重新調(diào)整光路?？紤]到所采用激光器、氣體樣品室及探測器等主要器件的尺寸，該光學(xué)平臺部分可以裝載于一個內(nèi)徑Φ = 200_、長度L = 600mm的筒式耐壓密封艙內(nèi)。電子控制部分包括激光控制電源、真空栗、示波器和計算機等，主要完成信號采集、顯示和處理功能。其中，真空栗用于將腔內(nèi)氣體樣品栗出，示波器用于顯示腔衰蕩信號及對采集到的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，再通過計算機中加載的軟件進行數(shù)據(jù)處理，這三個設(shè)備分別可使用微型栗、數(shù)據(jù)采集卡和PC/104工控機代替以實現(xiàn)小型化。
[0012]根據(jù)所使用激光光源的不同，CRDS可分為使用脈沖激光的脈沖波腔衰蕩光譜(Pulsed-CRDS)和使用連續(xù)激光的連續(xù)波腔衰蕩光譜(CW-CRDS)，波長范圍覆蓋紫外至紅外波段。根據(jù)研究對象及需求的不同，激光器的種類也各不相同，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器，摻鈦藍(lán)寶石(T1:Sapphire)激光器，Nd:YAG激光或準(zhǔn)分子激光器栗浦的染料激光器和光參量振蕩器(0P0)，量子級聯(lián)激光器，半導(dǎo)體激光二極管，等等。
[0013]激光的不同特性，如脈寬和線寬等，都會影響到腔衰蕩波形和定量探測結(jié)果。
[0014]CRDS高靈敏度探測能力主要在源于諧振腔的貢獻(xiàn)，正是由于激光在諧振腔內(nèi)的往返傳播，使得激光經(jīng)過吸收物質(zhì)的光程有幾個數(shù)量級倍的增加，相比于傳統(tǒng)的吸收光譜學(xué)技術(shù)，CRDS的探測靈敏度也獲得相應(yīng)提高。最常見的諧振腔是有兩面高反射率反射鏡組成的穩(wěn)定腔。除此之外，還有一些其它形式的諧振腔，例如，多面反射鏡、內(nèi)置布儒斯特角反射板、棱鏡腔和光纖環(huán)路腔等等。這些形式的諧振腔針對不同的探測對象設(shè)計而成，雖然形式上各不相同，但其基本原理都類似。當(dāng)只分析諧振腔構(gòu)成而不考慮吸收物質(zhì)情況下，影響腔衰蕩時間大小的參數(shù)是腔長度d和腔鏡反射率R。一般來說，常用諧振腔長度在十幾厘米到幾十厘米之間。
[0015]經(jīng)過兩面高反射率反射鏡的反射后，到達(dá)探測器的激光強度信號非常微弱，而且腔衰蕩信號的持續(xù)時間通常在納秒到微秒量級不等，因此，需要響應(yīng)速度快而且靈敏度高的光探測器進行探測，一般常用光電二極管和光電倍增管(PMT)。當(dāng)使用寬波長激光進行掃描探測時，還可以使用光電二極管陣列和光電耦合器件(CCD)作為光電探測器，為了對快速、寬頻的光譜信號進行同時探測，系統(tǒng)使用了條紋相機作為光探測器。
[0016]實測樣品時，考慮到大氣壓的日變化，為了保證每次充入的氣體樣品體積一致，氣體樣品室內(nèi)的壓強通常保持在低壓5Torr和高壓750Torr之間。對實驗氣體樣品進行測量的步驟如下:
首先使用氮氣對氣體樣品室進行沖洗。沖洗完成后，樣品室內(nèi)壓強保持在低壓5Torr，此時樣品室內(nèi)氣體為氮氣，測量其腔衰蕩時間τ0;
將氮氣充入到樣品室內(nèi)，使得壓強上升至750Torr，測量其衰蕩時間；
重復(fù)進行步驟1、2，測量2?3次，取測量結(jié)果的平均值作為該條件下的衰蕩時間值
τ 1 ;
將樣品室內(nèi)壓強降為5Torr，充入待測氣體樣品，直至樣品室內(nèi)壓強升至750Torr，測量其腔衰蕩時間；將待測氣體抽出，并使用氮氣對氣體樣品腔進行沖洗3?4次，沖洗完成后，樣品室內(nèi)氣體為氮氣，壓強為5Torr ；
重復(fù)進行步驟4、5，測量同一種待測氣體樣品的腔衰蕩時間2?3次，取平均值為該條件