一種用于無創測量血液酮體水平的crds丙酮呼吸分析儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物醫學技術領域，特別是涉及一種用于無創傷測量酮體水平的丙酮呼吸分析儀。
【背景技術】
[0002]本發明涉及一種用于無創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(CRDS)。主要針對糖尿病患者和癲癇病患者(人類和動物)監管和治療過程中需要監測酮體濃度，而目前的監測手段中，血液測量需要采取血樣，疼痛且易感染，嚴重影響生活質量，尿檢只能顯示半量化測量，無法為疾病的監管和治療提供準確的參考，從而發明一種通過測量呼吸成分中的揮發性有機化合物(VOCs)丙酮的含量來無創傷測量酮體水平的基于CRDS技術的丙酮呼吸分析儀。該發明屬于生物醫學領域。
[0003]有關病理學調查和研究表明，當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地引起相應代謝產物的改變，這些代謝產物進入到血液中就會引起某些代謝產物含量的相對增高，通過檢測代謝產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成為現代醫學診斷的一種常規手段。而血液中的代謝產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志物。
[0004]隨著人民生活水平的不斷提高，糖尿病已經成為越來越嚴重的公共健康問題。中國是糖尿病患者數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，引起多種并發癥，而成為致死致殘的主要原因。酮癥酸中毒是嚴重的糖尿病急性并發癥，需要緊急住院治療。未經治療或治療不及時的酮癥酸中毒能引起嚴重的疾病或死亡。
[0005]1型糖尿病患者容易發生糖尿病酮癥酸中毒，高達15%?67%新診斷的兒童和青少年發生酮癥酸中毒。酮癥酸中毒的后果非常嚴重，但是了解這個疾病的癥狀，堅持規范治療，規律地進行酮體檢測可以幫助預防。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，對于嚴重的酮癥患者血楽酮體濃度甚至超過25mmol/L。
[0006]測量毛細血管腔中的羥丁酸已經成為一型糖尿病患者日常監管中的常規檢查。然而現有檢測方法需要采血，疼痛且易感染，尤其1型患者多數為兒童或青少年，嚴重降低患者的生活質量。
[0007]癲癇是一組由神經元突然異常放電所引起的短暫大腦功能失調的慢性綜合癥。其中約20%的病人預后不好，被劃歸為難治性癲癇。據統計，現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%的病例都發生在發展中國家。
[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。根據臨床經驗，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，有效率達到80% -90%，其中完全控制發作的有40%，而且大部分是短期內(2周)就達到不發作。在生酮飲食時，患兒將處于一種酮癥狀態，酮體的濃度在體內的水平將會升高，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，結果為半量化測量，僅能指示高、中、低或微量。

【發明內容】

[0010]本發明針對目前測量酮體水平方法的局限性(如前面介紹)，發明一種可以通過無創傷的測量方法(呼吸分析方法)測量酮體水平的呼吸分析儀，該儀器能夠實現對人體呼吸丙酮濃度的實時準確測量，直接顯示血液酮體水平和參考血糖水平，并能將數據同步上傳網絡顯示在各種終端電子設備，該發明對于糖尿患者、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，促進疾病監管和治療，進而對其健康狀況和生活質量有明顯的提尚。
[0011]為實現本發明的目的所采用的技術方案是:基于CRDS技術的丙酮呼吸分析儀系統，其特征在于系統主要由光學平臺和電子控制兩部分構成:光學平臺部分主要包括激光器、氣體樣品室(光學諧振腔)、探測器及其它附件等，其功能是實現光譜信號的獲取。其中，氣體樣品室不僅用于容納待測氣體樣品，它更是一個光學諧振腔，其兩端是兩片高反射率反射鏡，形成一個穩定諧振腔，使得激光能夠在腔內往復傳播，實現腔衰蕩光譜的產生。該光學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整光路。考慮到所采用激光器、氣體樣品室及探測器等主要器件的尺寸，該光學平臺部分可以裝載于一個內徑Φ = 200_、長度L = 600mm的筒式耐壓密封艙內。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轉換，再通過計算機中加載的軟件進行數據處理，這三個設備分別可使用微型栗、數據采集卡和PC/104工控機代替以實現小型化。
[0012]根據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)和使用連續激光的連續波腔衰蕩光譜(CW-CRDS)，波長范圍覆蓋紫外至紅外波段。根據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，摻鈦藍寶石(T1:Sapphire)激光器，Nd:YAG激光或準分子激光器栗浦的染料激光器和光參量振蕩器(0P0)，量子級聯激光器，半導體激光二極管，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果。
[0014]CRDS高靈敏度探測能力主要在源于諧振腔的貢獻，正是由于激光在諧振腔內的往返傳播，使得激光經過吸收物質的光程有幾個數量級倍的增加，相比于傳統的吸收光譜學技術，CRDS的探測靈敏度也獲得相應提高。最常見的諧振腔是有兩面高反射率反射鏡組成的穩定腔。除此之外，還有一些其它形式的諧振腔，例如，多面反射鏡、內置布儒斯特角反射板、棱鏡腔和光纖環路腔等等。這些形式的諧振腔針對不同的探測對象設計而成，雖然形式上各不相同，但其基本原理都類似。當只分析諧振腔構成而不考慮吸收物質情況下，影響腔衰蕩時間大小的參數是腔長度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]經過兩面高反射率反射鏡的反射后，到達探測器的激光強度信號非常微弱，而且腔衰蕩信號的持續時間通常在納秒到微秒量級不等，因此，需要響應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，樣品室內壓強保持在低壓5Torr，此時樣品室內氣體為氮氣，測量其腔衰蕩時間τ0;
將氮氣充入到樣品室內，使得壓強上升至750Torr，測量其衰蕩時間；
重復進行步驟1、2，測量2?3次，取測量結果的平均值作為該條件下的衰蕩時間值
τ 1 ;
將樣品室內壓強降為5Torr，充入待測氣體樣品，直至樣品室內壓強升至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，樣品室內氣體為氮氣，壓強為5Torr ；
重復進行步驟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