一種生命探測裝置及其應用的製作方法

2023-05-14 21:32:42

本發明涉及一種生命探測裝置及其應用，屬於檢測設備技術領域。

背景技術：

眾所周知，NO在空氣中能夠被緩慢氧化生成紅棕色的NO2，具有刺激性氣味，其毒性較大，對呼吸系統有強烈的刺激作用，進入人體易引起咳嗽、氣喘、胸痛、肺氣腫等不良症狀。此外，NO是一種新型的細胞內信使分子，幾乎遍及機體的各個部分；其本身並無毒性，但極易穿過細胞膜，擴散性強，容易結合血液中的血紅素，從而造成血液缺氧而引起中樞神經麻痺。基於此，人們對NO的研究仍集中在大氣汙染物的監測、人體呼吸道疾病和阿爾茨默氏症的診斷等領域。

目前常見的生命探測器主要有聲波震動生命探測器、雷達生命探測器、紅外生命探測器等。聲波振動生命探測器可實現快速搜索，而且價格低廉、儀器輕便，但是若聲音信號經廢墟碎片傳播時會產生很大的衰減，對信號採集造成影響。此外，外界環境隨聲音信號的傳播也會產生幹擾。雷達生命探測儀可穿透書數米甚至數十米的石塊或混凝土等障礙物進而對廢墟下的倖存者進行探測。只要倖存者還有呼吸、心跳等代表生命信息的生理特徵，都能被雷達探測到。但是外界壞境的幹擾以及儀器運行時的背景噪聲會對探測結果造成很大影響。紅外線探測儀能對黑暗環境下的倖存者進行探測，並能將其狀況清晰呈現，對救援工作有重要意義。但是紅外線很容易被水蒸氣或者玻璃等其它介質吸收，難以實現精準測量。

技術實現要素：

為此，本發明首先提供了一種生命探測裝置，包括探測單元、數據傳輸單元和數據處理單元；所述探測單元用於探測目標空間的一氧化氮，所述數據傳輸單元用於將探測單元產生的數據信號傳遞到數據處理單元，所述數據處理單元用於將探測單元產生的數據信號，轉換成NO的含量數值。

在本發明的一種實施方式中，所述探測單元的工作原理可以是應用紫外-可見光譜法、化學發光法、分光光度法、電化學法、色譜法和螢光分析法等檢測NO含量。

在本發明的一種實施方式中，所述探測單元的工作原理是目標空間中的NO與O3反應生成激發態二氧化氮(NO2*)，NO2*在返回基態的過程中釋放能量並發光，通過發光強度來反應NO的濃度。

在本發明的一種實施方式中，所述探測單元、數據傳輸單元和數據處理單元可以整合在一起。

在本發明的一種實施方式中，所述探測單元可以是現有的氮氧化物分析儀或者化學發光氮氧化物分析儀。

在本發明的一種實施方式中，所述探測單元是一種NO傳感器。

在本發明的一種實施方式中，所述數據傳輸單元包括第一通信模塊和第二通信模塊，分別與探測單元和數據處理單元通信連接。所述數據傳輸單元可以通過無線信號進行數據傳輸。

在本發明的一種實施方式中，所述生命探測裝置還包括電源，例如太陽能電池。

在本發明的一種實施方式中，所述生命探測裝置還包括警報裝置，當數據處理單元得到的NO含量達到判斷拐點時，發出警報信號。

在本發明的一種實施方式中，所述數據處理單元將探測單元產生的數據信號計算轉換成NO濃度。

在本發明的一種實施方式中，所述數據處理單元具有顯示屏，能夠顯示NO濃度隨時間的變化情況。

本發明還提供一種應用上述生命探測裝置探測生命的方法，包括以下步驟：

(1)獲得NO含量的基值，

(2)探測目標空間的NO含量，

(3)將目標空間的NO含量與基指進行比較。

所述獲得NO含量的基值可以是通過探測單元測得目標空間所處背景環境中的NO含量，也可以是人為輸入目標空間所處背景環境中的NO含量的經驗值。

所述探測目標空間的NO含量應儘量能採用靈敏度高、準確性好的測定方法。例如化學發光法，化學發光法檢測NO的原理是NO與O3反應生成激發態二氧化氮(NO2*)，NO2*在返回基態的過程中釋放能量並發光，通過發光強度來反應NO的濃度。化學發光法靈敏度高、響應時間短、線性範圍寬。

所述將目標空間的NO含量與基值進行比較，是指判斷目標空間的NO含量與基值是否存在統計學意義上的顯著差異。當目標空間的NO含量與基值相比，顯著上升時，即可判定目標空間有活體生命；當目標空間的NO含量與基值相比，無顯著差異時，即可判定目標空間無活體生命。

本發明還提供一種應用上述生命探測裝置監測生命體徵的方法，包括以下步驟：

(1)獲得特定時間、目標空間中生命體正常生命活動狀態下，空氣中NO含量的值，作為初始值，

(2)持續或間歇測定目標空間的NO含量，當目標空間的NO含量與初始值相比，出現下降或上升拐點時，系統提示異常。

所述拐點的判斷方法包括但不限於移動平均法、連續曲線求導法、泰勒公式判斷法等。

作為人體呼出氣體中的一種活性成分，NO並非百害而無一利，它不同於CO2、CO、NH3、H2S等，不會由動植物腐敗產生，具有特異性。我們發現NO從人體呼出後會逐步自然衰變為一種穩定的氣體成分，且該活性成分的含量與人體活動密切相關，人數多，活動劇烈時呼出量也大。因此，NO作為生命指示性氣體，對其含量的變化進行精準測定，不僅能反映環境中人員的存在和數量，還可判斷出他們的生存狀態。本發明提供了一種基於監測NO含量變化的生命探測裝置及其應用，能精準判斷目標空間中有無生命體徵，確保災後救援工作快速、高效進行，還能為銀行金庫、檔案館等場合的防盜監控提供保障。

附圖說明

圖1一人在1m3空間裡NO氣體濃度隨時間的累積變化情況。(設定每人換氣量為4L/min，呼出氣中NO濃度為15ppb。)

圖2不同人數不同體積的空間中NO氣體的濃度變化情況。(設定每人換氣量為4L/min，呼出氣中NO濃度為15ppb。其中，實線代表1人1m3空間，虛線代表10人50m3空間，點線代表1人5m3空間。)

圖3一人在1m3空間中近400min時停止呼吸，其NO變化情況。(設定每人換氣量為4L/min，呼出氣中NO濃度為15ppb。)

圖4不同人數不同體積的空間中人停止呼吸後NO氣體的濃度變化情況。(設定每人換氣量為4L/min，呼出氣中NO濃度為15ppb。其中，實線代表1人1m3空間，虛線代表10人50m3空間，點線代表1人5m3空間。)

圖5一人在5m3的空間中NO濃度變化情況。其中，實線表示600min後人停止呼吸並且停止換氣後的NO變化情況，虛線則為人停止呼吸但是換氣繼續工作的情況。(設定每人換氣量為4L/min，呼出氣中NO濃度為15ppb。)

圖6測試系統示意圖

圖7三名測試員進出30m3的空間NO濃度變化圖。(a)模擬曲線圖和(b)生命探測裝置實測圖。

圖8五名測試員進出70m3的空間NO濃度變化圖。(a)模擬曲線圖和(b)生命探測裝置實測圖。

圖9七名測試員進出70m3的空間NO濃度變化圖

圖10六名測試員進出70m3的空間NO濃度變化圖

圖11在有/無幹擾氣體條件下環境中NO濃度變化圖

圖12在幹擾氣體存在下，五名測試員進出30m3的密閉空間NO濃度變化圖。其中，(a)換氣系統關閉和(b)換氣系統常開。

具體實施方式

實施例1生命探測裝置的設計原理

設計生命探測裝置的理論模型，包括以下假定的條件：(1)人體所處的空間為一種半封閉空間，有定量的新鮮空氣輸入，同時有等量的廢氣排出，以保證人體正常呼吸需求；(2)設定除了人體呼吸外，體系裡沒有額外的NO輸入(如其它生物或物質的燃燒)；(3)人體呼出的氣體與空間中原有的氣體能在短時間內混合均勻。

半封閉空間內人持續呼吸時NO氣體濃度的變化推導過程如下：

以第t分鐘半封閉空間內的NO的物質的量，加上第t+1分鐘內產生的NO的物質的量，然後減去第t+1分鐘所排出的NO的物質的量，再乘以NO的衰減係數，得到第t+1分鐘時半封閉空間內NO的量。第t+1分鐘時半封閉空間內NO的濃度寫成如下表達式：

Ct+1為第t+1分鐘時半封閉空間內NO的濃度；

q為每分鐘NO氣體衰減後剩餘的百分量；

Ct為第t分鐘時半封閉空間內NO的濃度；

V0是半封閉空間的體積；

Cb為人體呼吸呼出的氣體中NO的濃度；

Vb為人體呼吸呼出的氣體體積；

Vout為總排氣量，即人體呼吸所呼出的氣體和半封閉空間向外部排出的氣體的總體積。(1)半封閉空間內人持續呼吸時NO氣體濃度的變化情況

例如：Vout為8L/min(呼吸呼氣4L/min，半封閉空間向外部排出4L/min)，V0為1000L，人體呼出NO量Cb為15ppb，人體呼吸呼出氣體Vb為4L/min，半衰期是3.5h，即q＝0.9976，則可以得到Ct+1＝0.9896Ct+0.0594，從而得到通式Ct＝5.711+(C1-5.711)×0.9896t-1。當C1＝0.0582ppb，則半密閉空間內NO的濃度隨時間變化的情況見圖1。

由圖1可知，1人在1m3空間裡，NO的濃度隨時間延長而增加，大約十小時後趨於穩定，其最後濃度可達5.7ppb，完全可以被檢測到。

同理，可以得到更多不同情況下密閉空間中NO氣體的變化情況，如圖2所示，當1人在5m3空間裡，20小時後NO氣體濃度也能達到約3ppb，可以被設備檢測到。即使此人在系統裡生活一周(10080min)，體系裡的濃度也僅為2.99ppb，增加並不明顯。也就是說在10小時後系統裡NO氣體的濃度已基本達到平衡值。

(2)半封閉空間裡從有人到無人時NO氣體濃度的變化

t時刻後空間裡的人不再呼吸時，只有空間的換氣和氣體成分的自然衰減對體系濃度造成改變。此後NO的濃度為：

例如：總體積和換氣的體積不變，則Cn＝Ct(0.9936)n-t。在圖1的基礎上，假設1m3空間裡，1人在380min後停止了呼吸，則C＝5.603ppb，q＝0.9976。NO氣體濃度變化如圖3所示。同理，在圖2中1人在5m3空間裡的情形下，若人體突然停止呼吸，NO濃度變化情況如圖4中點線曲線所示。

(3)半封閉空間裡人停止了呼吸且換氣系統也停止了工作

如圖5所示，當換氣系統停止工作時，NO濃度的變化只來源於自身的衰減，此時NO濃度隨著時間的下降趨勢變緩。

實施例2模擬生命探測

此處，以化學發光法檢測NO為例，其原理為NO與O3反應生成激發態二氧化氮(NO2*)，NO2*在返回基態的過程中釋放能量並發光，通過發光強度來反應NO的濃度。

拐點判斷採用移動平均法，即每增加一個時間間隔，就增加一個新近數據，去掉一個遠期數據，得到一個新的平均值。設探測單元不同時間下測得NO含量序列為：x1，x2…xt，根據移動平均法可以表示：

式中：xt為最新觀察值，N為參加移動平均的歷史數據的個數，Ft+1為下一期預測值，即預測值是離預測期最近的一組歷史數據(實際值)平均的結果。移動平均得到的平滑曲線出現極值Fmax後，第n時刻，此處為所有預測期相對標準偏差的平均值，則Fn判為拐點，系統可提示報警。

在半封閉環境，選取不同體積的空間為實驗對象，化學發光分析儀檢測NO，通過監控密室內NO濃度的變化來判定人員生命活動。圖6所示，其中，進氣系統用於控制新鮮空氣的輸入以及廢棄的排出；研究系統為辦密閉環境，帶有淋洗房；測試系統為整合裡探測單元、數據傳輸單元的NO分析儀，例如武漢宇虹環保產業發展有限公司的TH-2001型化學發光氮氧化物分析儀；數據採集系統即數據處理單元，計算和顯示NO含量隨時間的變化情況。

(1)參照圖6搭建實驗裝置，檢查整個系統的氣密性，開機運行NO分析儀，待儀器運行穩定後進行操作。

(2)打開進氣系統，開始對研究系統進行換氣。待NO濃度穩定，開始測試。

(3)考查不同人數的測試員通過淋洗房進入密閉空間後NO的濃度值，經一定時間後，人離開密閉空間，監測並記錄密室內NO濃度隨時間的變化。

(4)改變密閉空間的大小，重複上述實驗。

測試一：

(1)研究對象：30m3的密閉空間

(2)測試人數：試驗者3名

(3)換氣系統：常開。

根據公式(1)，設定環境總體積V0為30000L，人體呼出氣中NO濃度Cb為30ppb，每人呼吸呼出氣體Vb為10L/min，環境向外部排出30L/min，那麼Vout為60L/min。而半衰期是3.5h，即q＝0.9976，則可以得到Ct+1＝0.9956Ct+0.0298，通式為Ct＝6.772+(C1-6.772)×0.9956t-1。當C1＝0.2ppb，則環境中NO的濃度隨時間變化的情況見圖7(a)。環境中NO濃度隨著時間增加而增大，當t＝60min時，人離開密閉空間，NO含量明顯下降。

另一方面，採用生命探測裝置對上述過程進行檢測，測試結果如圖7(b)所示。很明顯，NO含量的變化趨勢與圖7(a)中模擬曲線基本一致，說明本方法切實可行。那麼，對所測得的數據進行五點平均移動得到平滑曲線，在t＝61min時NO濃度出現最大值，Fmax＝1.75123，第64min時NO濃度值為F(t＝64)＝1.61588，且可確定空間無生命體徵，系統報警。

測試二：

(1)研究對象：70m3的密閉空間

(2)測試人數：試驗者5名

(3)換氣系統：關閉

根據公式(1)，設定Vout為60L/min(呼吸呼氣60L/min，半封閉空間向外部排出0L/min)，V0為70000L，人體呼出NO量Cb為30ppb，人體呼吸呼出氣體Vb為60L/min，半衰期是3.5h，即q＝0.9976，則可以得到Ct+1＝0.9965Ct+0.0256，從而得到通式Ct＝7.767+(C1-7.767)×0.9965t-1。當C1＝0.2ppb，則空間內NO的濃度隨時間變化的情況見圖8(a)。環境中NO濃度隨著時間增加而增大，當t＝60min時，人離開密閉空間，NO含量明顯下降。與圖7(a)相比，當換氣系統關閉時，NO含量的降低僅來源於自身濃度的衰減，因此，下降速率變緩。

為了進一步驗證模擬試驗的準確性，採用生命探測裝置對上述過程進行檢測，測試結果如圖8(b)所示。很明顯，NO含量的變化趨勢與圖8(a)中模擬曲線基本一致，說明本方法切實可行。採用移動平均法進行平滑曲線，發現在t＝59min時NO濃度出現最大值，Fmax＝1.4889；第62min時，NO濃度值為F(t＝62)＝1.38022，且可確定空間無生命體徵，系統報警。

測試三：

(1)研究對象：70m3的密閉空間

(2)測試人數：試驗者7名

(3)換氣系統：常開

當7人在密閉空間1h後離開，記錄期間NO的濃度變化情況，測試結果如圖9所示。當人進入密閉空間1h後，NO濃度增大到1.8ppb，人離開後10min，NO濃度下降到0.8ppb(降低了56％)。結果表明，在70m3空間下，7名測試員的NO含量的變化能被明顯檢測。同時，根據移動平均法求得平滑曲線，在t＝61min時，Fmax＝1.6162，第65min時刻，可確定空間無生命體徵，系統報警。

測試四：

(1)研究對象：70m3的密閉空間

(2)測試人數：試驗者6名

(3)換氣系統：人離開前開啟，離開後關閉

當6人在密閉空間1h後離開，記錄期間NO的濃度變化情況，測試結果如圖10所示。當人進入後，NO濃度增大到0.9ppb，人離開後關閉換氣系統，約30min能看到NO濃度降到0.4ppb(降低了56％)。結果表明，70m3空間下，6名測試員的NO含量的變化能被明顯檢測。同時，根據移動平均法求得平滑曲線，在t＝62min時Fmax＝0.88376，第67min時刻，可確定空間無生命體徵，系統報警。

測試五：

(1)研究對象：30m3的密閉空間

(2)測試人數：試驗者5名

(3)雜質氣體：汽油、二甲苯、油漆等

為了考察環境中雜質氣體的影響，選用常見影響物進行測試，如圖11所示，當有雜質氣體存在的條件下，對生命探測裝置測得的基線值並無太大影響，說明雜質氣體對NO濃度檢測沒有幹擾。在這種前提下，監測5人在空間停留30min後離開NO濃度的變化情況，並考查換氣系統開/關對NO衰減的影響，測試結果如圖12所示。在30m3空間下，5名測試員的NO含量能明顯檢測到，30min後，NO濃度漲到1.8-2.0ppb；隨後人離開密室，NO濃度明顯下降。當人離開後，換氣系統開或關，能直接影響NO含量的衰減速率；對照圖12(a)和12(b)，換氣系統常開時，NO含量的變化來源於系統向外排出的以及自身衰減的，因此，下降速率快。

根據移動平均法求得平滑曲線，當換氣系統關閉時，在t＝31min時NO含量出現最大值，Fmax＝1.64844，第35min時刻，可確定空間無人存在，系統報警。當換氣系統常開時，在t＝32min時NO含量出現最大值，Fmax＝1.4605，第34min時刻，可確定空間無生命體徵，系統報警。

雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發明的精神和範圍內，都可做各種的改動與修飾，因此本發明的保護範圍應該以權利要求書所界定的為準。