具有補償基線變化的氣體感應器的制作方法

專利名稱：具有補償基線變化的氣體感應器的制作方法
具有補償基線變化的氣體感應器對相關申請的參考本申請在此要求于2009年12月2日提交的第61/265，979號美國臨時專利申請的優先權。上述申請的全部內容通過引證并入本文。關于聯邦政府發起的研發的聲明本發明是在聯邦政府的支持下進行的，根據的是國家科學基金會授予的授權號為DMR0304169的文件。在本發明中聯邦政府保留部分權利。
背景技術：
醫學研究報告最近將人體呼吸的某些氣態成分與疾病的特定類型相關聯，而且基 于對呼出的氣息的標記濃度的生理水平的確定，解決了飲食的重要性、牙齒病理學、吸煙等等問題。肺部中的炎癥和氧化壓力可以通過測定以下氣體的濃度的變化來進行監測NO (其已經被廣泛研究用于一種生物標記)，和相關的產出物N02_ (亞硝酸鹽)；N03_(亞硝酸鹽)；呼出的CO(也可以用作心血管疾病、糖尿病、腎炎、膽紅素的析出物的標記)；低分子量的呼出的碳氫化合物，例如，乙烷，η-戊烷，乙烯，橡膠基質(受到日常飲食影響的碳氫化合物，是血液膽固醇水平的標記)；丙酮，甲醛；乙醇；氫化硫，氧硫化碳，以及氨水/胺。舉例來說，對呼出的胺的測量可以在肺部疾病的病毒和細菌影響之間進行區分，以便判斷抗生素的應用。已經研發出各種不同的感應器來測量這些代謝物。在第7，017，389號美國專利中所描述的各種實施例，其全部內容通過引證并入本文。需要對診斷工具的呼吸分析器的進行持續改進，其可以提供，例如，用于快速和容易地診斷病情的第一檢測設備。

發明內容
本發明涉及的是一種用于醫學診斷的可靠的、快速的和不貴的呼吸氣體檢測器系統，該系統包括，在某些實施方案中，用于各種不同的疾病和身體條件的個人用的監控設備，包括，舉例來說，例如，哮喘，糖尿病，血液膽固醇和肺癌。這種以集成的微系統和與改進的感應器技術相結合的以基片為基礎的系統的方案允許實現用于感應氣體成分的感應器設備的顯著的小型化，并可以集成到手持式的設備上。在一個實施方案中，用于檢測氣體的感應器包括具有電阻的感應元件，該電阻根據目標氣體的出現而發生變化；電子連接到感應元件上的讀出電路，由于出現目標氣體，其測量出感應元件的阻抗的變化并將測量值轉變為數字信號；和從數字單元到讀出電路的反饋電路，以補償感應元件的基線阻抗的變化。在某些實施方案中，氣體感應器可以合并到手持式的單元中，具有適當的電源，例如，電池，和包含在單元中的顯示設備，例如，LED指示器。可以提供一個或更多的加熱元件和溫度感應器來在氣體感應器中進行精確的溫度控制。感應器設備可以包括感應元件的陣列，具有多通道的集成讀出電路。根據一個實施方案，讀出電路包括一種A/D轉換器,其將感應兀件中的阻抗的變化的測量值轉換為數字信號。A/D轉換器可以包括，例如，第一順序的單個S-o的調節器設備，其具有數字可配置的過度采樣比率，以用于控制轉換的比例。在某些實施方案中，阻抗記錄系統具有16位的分辨率和到IkHz的帶寬。在某些實施方案中，氣體感應器被配置為通過感應元件來維持恒定電流，以及測量由于阻抗的變化所導致的電壓的改變。可以選擇的是，感應器將感應元件維持在偏置恒定電壓的狀態，并測量由于阻抗的變化而導致的電流的改變。

在某些實施方案中，反饋電路可以在信號處理裝置的基礎上利用獨立的成分分析(ICA)，信號處理裝置適用于補償感應元件中的基線阻抗的變化。一種電流的D/A轉換器可以將來自于數字單元的數字信號轉換為柵流，其被提供給感應元件。電流的D/A轉換器可以包括，例如，多位的(例如，10位)分段D/A轉換器，其具有至少一個二進制的加權位和至少一個一兀的加權位。最低有效位可以是_■進制的加權和最聞有效位可以是一兀的加權，以便提供復雜性和單一性之間的適當的折中方案。本發明進一步涉及的是通過如上文中所描述的氣體感應器來檢測氣體的方法，包括用于醫學診斷的對呼出氣體的檢測的方法。其他的詳細內容可以參考美國物理協會舉辦第13屆國際研討會過程中由wang等人提出“An Acetone Nanosensor for Non-invasiveDiabetes Detection”，刊登在2009年5月23日出版的公報中第113卷(刊I)，第206-208頁，其全部內容通過引證并入本文。在某些實施方案中，本發明是一種用于進行快速和容易的診斷的個人呼吸分析器。診斷工具的呼吸分析器提供第一檢測設備，其可以引導更為復雜的診斷工具，以引起對這些裝置關注。個人呼吸分析器也可以在緊急診斷的情況下具有重要意義，緊急診斷是由于化學或者生物學的危險而導致的，檢測的時間和潛在受害人的優選權是對應對這樣的危險的關鍵。在低收入地區，這樣的呼吸分析工具也可以是十分有用的，例如，對于貧困人群的健康監控等等。


本發明的其他特征和優勢將通過以下結合對應的附圖而進行的詳細描述而變得更為明顯，其中附圖I是根據一個實施方案的手持式診斷呼吸分析器的電路原理圖；附圖2是對診斷呼吸分析器的系統電子器件的結構圖進行解釋說明；以及附圖3是用于對本發明中的氣體檢測方法進行舉例說明的流程圖。
具體實施例方式本申請在此要求于2009年12月2日提交的第61/265，979號美國臨時專利申請的優先權。上述申請的全部內容通過引證并入本文。在優選的實施方案中，本發明包括一種用于從手持式氣體測量單元中對氣體的濃度進行測量的低復雜性低功率的方案。感應器可以用作電阻，而且需要使用一種專用的多通道的測量儀器來獲得讀數。VLSI技術為高度集成的讀出電路的執行提供了若干優勢，包括高敏感度、小的形體尺寸、低噪音、低功率和模塊化。電阻首先轉換為電壓測量，而且電壓信號是數字式的。輸入電壓是通過使用A/D轉換器設計方案來進行數字化的，其采用的是第一順序的單個S-O調節器設備的結構，該結構具有數字可配置的過度采樣比率，以用于控制轉換的比例。在附圖I中，對根據一個實施方案的手持式診斷呼吸分析器設備100進行了電路原理圖的解釋說明。設備100包括殼體101，該殼體具有用于接收氣體105以進行分析的開口 103。在診斷應用中，病人呼出的氣體105進入到開口 103中。呼出的氣體105進入到腔室107中，在此氣體105與一個或更多的感應器元件109進行相互作用。感應器元件109具有一定的特性，其可以在與之發生相互作用的氣體105的化學成分的基礎上發生改變。在一個實施方案中，感應器元件109的電阻響應于氣體105的特定構成要素是否存在而發生改變。適當的感應器元件109的實施例可以參考，例如，第7，017，389號美國專利中所描述的各種實施例，其全部內容通過引證并入本文。集成的電路設備111是電子連接到感應器元件109上的。集成的電路設備111被配置用于讀出在感應器元件109中的阻抗的變化，并將這樣的變化轉變為適當的電子信號，例如，數字信號。在某些實施方案中，設備100可以包括感應器元件109的陣列，和集成的電路設備111，其可以實現多通道的讀數和信號處理。感應器元件109可以集成到電路設備111中。 附圖I中的分析器設備100進一步包括電源113，例如，電池，和顯示設備115。顯示設備115可以包括，例如，一個或更多的LED指示器，指示器可以被配置用于指示出呼出氣體105中某種特定的目標物質是否存在。顯示設備115可以被配置用于指示出，例如，呼出氣體105何時檢測出一種或多種物質的臨界數量。顯示器可以被配置用于顯示出與呼出氣體的被檢測到的化學構成要素相關聯的特定的病情的診斷結論。其他的顯示器設備，例如，平板顯示，都是可以使用的。可以通過各種不同的控制/輸入設備121來對設備100的操作進行控制。在陣列中的每一個感應器109的電阻都是由兩個串聯的阻抗的結合方式來組成的。首先，基線阻抗Rb出現在各種交叉感應器的設計方案中，而且甚至與具有相同設計的感應器相交叉。這一參數取決于技術，而且可以考慮為是恒定的，而不必考慮是否有氣體出現。然而，由于設備的制造和折舊問題，這種基線阻抗記錄下變化，ARb。其次，其他串聯的阻抗也在考慮的范圍之內，這些阻抗與一定數量的氣體起反應，其構成感應，ARnfro因此，在陣列中的氣體感應器的總阻抗可以通過方程式I來獲得R 感應=Rb+AR 氣體(I)對于感應元件而言，感應器的阻抗1 _的變化范圍是在100 Ω到20ΜΩ之間，基線阻抗Rb的變化范圍是在IOkQ到20ΜΩ之間。由于系統需要與由于氣體所導致的阻抗
的變化其反應，以下兩種方案是可行的通過感應器來保持電流的恒定值，并根據阻抗的變化來確定電壓的變化，或者保持感應器偏移與電壓的恒定值，并讀出由阻抗的變化所導致的電流的變化。在一個實施方案中，為了將測量值維持在給定范圍內的盡可能的準確性，需要進行測量來使得系統靈敏度達到基線的阻抗Rb。這是根據一個將從數字單元到讀出電流的反饋電路進行合并以補充誤差的實施方案來獲得的。基線阻抗(△&)的變化補償是通過處理信號的獨立部件分析(ICA)算法來實現的。在附圖2中所示的是系統的方框圖。電流的D/A轉換器201用于感應器109的固有基線阻抗的效果的校準和刪除。為了對大范圍的基線阻抗進行校準，從數字單元205到電流D/A轉換器201的反饋裝置203被提供用于補償在基線阻抗中出現的變化。大部分的電流D/A轉換器的拓撲或者是二進制加權的或者是一元加權的。一元的電流D/A轉換器具有固有的單一性的優勢，從而提高系統的復雜性，這使得其對于高分辨率來說是不能接受的。二進制的D/A轉換器降低了系統的復雜性，但是具有單一性的問題。可以獲得復雜性和單一性的折中方法，而且10位的分段電流D/A轉換器拓撲被用于六個最低有效位的二進制的加權和四個最聞有 效位的一兀加權。之后，將一種A/D轉換器207用于跟蹤由于氣體濃度中的變化而在感應器109的阻抗中產生的變化。在一個實施方案中，阻抗記錄系統要求的分辨率為16位，帶寬提高到IkHz0測量電壓的第一順序的單個S-o調節器設備的選擇需要與負載信號的低頻容量相匹配，其允許高的過度采樣比率，和帶寬和分辨率之間的交換，并提供額外的減噪。在一個實施方案中，溫度控制系統被集成到相同的混合信號的VLST基片上，由于強烈的感應器響應取決于溫度，因此，精確的溫度控制是必須的。一個或者更多的加熱器117，例如，多晶硅的加熱器，和溫度感應器119(溫度計)都被包括在其中，正如附圖I所示，以便獲得靈活的控制和設定操作溫度的梯度。附圖3是流程圖250，其對本發明中格的氣體檢測方法進行了解釋說明。本發明中的方法可以用于測量呼出氣體中各種不同的物質的濃度，包括但不限于，NO, NO2-, NO3-, CO，碳氫化合物，乙烷，P-戊烷，乙烯，橡膠基質，丙酮，甲醛，乙醇，氫化硫，氧硫化碳，和氨水/胺，而且可以進一步被用于診斷各種不同的疾病和身體情況，例如，肺部中的炎癥和氧化壓力，心血管疾病，糖尿病，腎炎，膽紅素的析出物，血液膽固醇水平，病毒和細菌感染，哮喘和肺癌。溫度控制系統可以用于調節252感應器的溫度。該方法可以包括監測基線阻抗254的步驟，使用反饋控制256來去掉基線阻抗的影響，并測量阻抗258的變化以便檢測出氣體參數，之后，該氣體參數在顯示器260上進行顯示。雖然，本發明結合特定的方法和裝置來進行了描述，但是本領域內的普通技術人員都能夠理解對于本文中特定的實施方案的其他等同物。人們也可以理解到，本文中的描述僅僅是處于可以效仿的目的，而并非是對本發明的范圍的限制，這些等同物都包括在以下隨附的權利要求書中。
權利要求
1.一種用于檢測氣體的感應器，該感應器包括 具有電阻的感應元件，其能夠隨著目標氣體的出現而發生改變； 電連接到感應元件上的讀出電路，該讀出電路可以測量由于目標氣體的出現而發生的阻抗的變化，并將測量值轉變為數字信號；以及 從數字單元到讀出電路的反饋電路，用于補償感應元件的基線阻抗的變化。
2.根據權利要求I中的感應器，其中感應器可以合并到手持式單元中。
3.根據權利要求I中的感應器，進一步包括感應元件的陣列。
4.根據權利要求3中的感應器，進一步包括多通道的集成讀出電路。
5.根據權利要求I中的感應器，其中讀出電路包括A/D轉換器，其將測量值轉換為數字信號。
6.根據權利要求5中的感應器，其中A/D轉換器可以包括第一順序的單個δ-σ調節器設備，其具有數字可配置的過度采樣比率，以用于控制轉換的比例。
7.根據權利要求I中的感應器,其中感應器通過感應元件來維持恒定電流,并測量由于阻抗的變化所導致的電壓的改變。
8.根據權利要求I中的感應器，其中感應器將感應元件維持在偏置恒定電壓的狀態，并測量由于阻抗的變化而導致的電流的改變。
9.根據權利要求I中的感應器，其中反饋電路可以使用ICA為基礎的信號處理裝置，以便對基線阻抗的變化進行補償。
10.根據權利要求I中的感應器，進一步包括電流的D/A轉換器，其可以將來自于數字單元的數字信號轉換為柵流，該柵流被提供給感應元件。
11.根據權利要求10中的感應器，其中電流的D/A轉換器可以包括多位的分段D/A轉換器，其具有至少一個二進制的加權位和至少一個一元的加權位。
12.根據權利要求11中的感應器，其中最低有效位可以是二進制的加權和最高有效位可以是一元的加權。
13.根據權利要求I中的感應器，其中讀出電路具有至少16位的分辨率和到IkHz的帶寬。
14.根據權利要求I中的感應器，進一步包括加熱元件和用于控制感應器的操作溫度的溫度感應器。
15.根據權利要求I中的感應器，進一步包括 殼體，該殼體上具有用于接收病人呼出的氣體的開口，呼出的氣體與殼體中的感應元件發生相互作用。
16.根據權利要求15中的感應器，進一步包括合并到殼體中的電源。
17.根據權利要求15中的感應器，進一步包括合并到殼體中的顯示設備。
18.根據權利要求I中的感應器，其中感應元件選擇性地監測氣體的構成要素的濃度，包括一種或更多的NO、NO2' NO3' CO、碳氫化合物、乙烷、P-戊烷、乙烯、橡膠基質、丙酮、甲醛、乙醇、氫化硫、氧硫化碳、氨水和胺。
19.根據權利要求I中的感應器，其中感應器被配置用于提供對病情的診斷，包括一種或更多的肺部中的炎癥和氧化壓力、心血管疾病、糖尿病、腎炎、膽紅素析出物、血液膽固醇水平、病毒和細菌感染、哮喘和肺癌。
20.—種對氣體進行分析的方法,該方法包括 將氣體引導到具有電阻的感應元件中，其隨著氣體的一種或多種構成要素的出現而發生改變 ； 使用讀出電路對由于氣體的出現而導致的感應元件的變化進行測量，并將測量值轉變為數字信號；以及 對使用從數字單元到讀出電路的反饋電路的感應元件的基線阻抗的變化進行補償。
21.根據權利要求20中的方法，進一步在手持式單元中提供感應元件。
22.根據權利要求20中的方法，進一步包括提供感應元件的陣列。
23.根據權利要求22中的感應器，進一步包括提供連接到感應元件上的多通道的集成讀出電路。
24.根據權利要求20中的方法，進一步包括使用A/D轉換器來將測量值轉換為數字信號。
25.根據權利要求24中的方法，其中A/D轉換器可以包括第一順序的單個δ-σ調節器設備，其具有數字可配置的過度采樣比率，以用于控制轉換的比例。
26.根據權利要求20中的方法，進一步包括通過感應元件來維持恒定電流，并測量由于阻抗的變化所導致的電壓的改變。
27.根據權利要求20中的方法，進一步包括偏置感應元件到恒定電壓狀態，并測量由于阻抗的變化而導致的電流的變化。
28.根據權利要求20中的方法，進一步包括使用ICA為基礎的信號處理裝置來對基線阻抗的變化進行補償。
29.根據權利要求20中的方法，進一步包括通過電流的D/A轉換器將來自于數字單元的數字信號轉換為柵流，并提供給感應元件。
30.根據權利要求29中的方法，其中電流的D/A轉換器可以包括多位的分段D/A轉換器，其具有至少一個二進制的加權位和至少一個一元的加權位。
31.根據權利要求30中的方法，其中最低有效位可以是二進制的加權和最高有效位可以是一元的加權。
32.根據權利要求20中的方法，其中讀出電路具有至少16位的分辨率和到IkHz的帶寬。
33.根據權利要求20中的方法，進一步包括對具有加熱元件和溫度感應器的感應元件的操作溫度進行控制。
34.根據權利要求20中的方法，進一步包括將呼出的氣體引導到感應元件中。
35.根據權利要求34中的方法，進一步包括向具有用于接收病人呼出的氣體的開口的殼體提供感應元件。
36.根據權利要求21中的方法，進一步包括在單元中提供電源。
37.根據權利要求21中的方法，進一步包括在單元中提供顯示設備。
38.根據權利要求20中的方法，進一步包括監測氣體的構成要素，包括一種或更多的NO、NO2' NO3' CO、碳氫化合物、乙烷、P-戊烷、乙烯、橡膠基質、丙酮、甲醒、乙醇、氫化硫、氧硫化碳、氨水和胺。
39.根據權利要求20中的方法，進一步包括使用來自于讀出電路的數字信號來指示出對病情的診斷，包括一種或更多的肺部中的炎癥和氧化壓力、心血管疾病、糖尿病、腎炎、膽紅素的析出物、血液膽固醇水平、病毒和細菌感染、哮喘和肺癌。
40.根據權利要求39中的方法，進一步包括 將診斷的指示結果顯示在顯示設備上。
全文摘要
在醫療診斷中適用的可靠的、快速的和不貴的呼吸氣體的檢測器系統，包括個人用的、手持式監測設備，該監測設備用于各種不同的疾病和病情的診斷，包括，例如，哮喘，糖尿病，血膽固醇和肺癌。感應器設備(100)是用于檢測氣體的，該設備包括感應元件(109)，感應元件具有電阻，該電阻根據目標氣體的出現而發生變化；讀出電路，該讀出電路由于目標氣體的出現而電子連接到感應元件上，并將測量值轉變為數字信號；和從數字單元(205)到讀出電路的反饋電路(203)，其用于補償感應元件的基線阻抗的變化。
文檔編號G01N27/12GK102639992SQ201080054611
公開日2012年8月15日 申請日期2010年12月2日 優先權日2009年12月2日
發明者M·斯塔那瑟維奇, P·I·高瑪 申請人:紐約州立大學研究基金會