本發(fā)明涉及一種生命探測裝置及其應(yīng)用，屬于檢測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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(tǒng)有強(qiáng)烈的刺激作用，進(jìn)入人體易引起咳嗽、氣喘、胸痛、肺氣腫等不良癥狀。此外，NO是一種新型的細(xì)胞內(nèi)信使分子，幾乎遍及機(jī)體的各個部分；其本身并無毒性，但極易穿過細(xì)胞膜，擴(kuò)散性強(qiáng)，容易結(jié)合血液中的血紅素，從而造成血液缺氧而引起中樞神經(jīng)麻痹?；诖?，人們對NO的研究仍集中在大氣污染物的監(jiān)測、人體呼吸道疾病和阿爾茨默氏癥的診斷等領(lǐng)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(dá)生命探測器、紅外生命探測器等。聲波振動生命探測器可實(shí)現(xiàn)快速搜索，而且價格低廉、儀器輕便，但是若聲音信號經(jīng)廢墟碎片傳播時會產(chǎn)生很大的衰減，對信號采集造成影響。此外，外界環(huán)境隨聲音信號的傳播也會產(chǎn)生干擾。雷達(dá)生命探測儀可穿透書數(shù)米甚至數(shù)十米的石塊或混凝土等障礙物進(jìn)而對廢墟下的幸存者進(jìn)行探測。只要幸存者還有呼吸、心跳等代表生命信息的生理特征，都能被雷達(dá)探測到。但是外界壞境的干擾以及儀器運(yùn)行時的背景噪聲會對探測結(jié)果造成很大影響。紅外線探測儀能對黑暗環(huán)境下的幸存者進(jìn)行探測，并能將其狀況清晰呈現(xiàn)，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(zhì)吸收，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明首先提供了一種生命探測裝置，包括探測單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和數(shù)據(jù)處理單元；所述探測單元用于探測目標(biāo)空間的一氧化氮，所述數(shù)據(jù)傳輸單元用于將探測單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號傳遞到數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于將探測單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號，轉(zhuǎn)換成NO的含量數(shù)值。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述探測單元的工作原理可以是應(yīng)用紫外-可見光譜法、化學(xué)發(fā)光法、分光光度法、電化學(xué)法、色譜法和熒光分析法等檢測NO含量。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述探測單元的工作原理是目標(biāo)空間中的NO與O₃反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)二氧化氮(NO₂*)，NO₂*在返回基態(tài)的過程中釋放能量并發(fā)光，通過發(fā)光強(qiáng)度來反應(yīng)NO的濃度。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述探測單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和數(shù)據(jù)處理單元可以整合在一起。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述探測單元可以是現(xiàn)有的氮氧化物分析儀或者化學(xué)發(fā)光氮氧化物分析儀。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述探測單元是一種NO傳感器。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理單元通信連接。所述數(shù)據(jù)傳輸單元可以通過無線信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在本發(fā)明的一種實(shí)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(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述生命探測裝置還包括警報裝置，當(dāng)數(shù)據(jù)處理單元得到的NO含量達(dá)到判斷拐點(diǎn)時，發(fā)出警報信號。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)處理單元將探測單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號計(jì)算轉(zhuǎn)換成NO濃度。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)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(fā)明還提供一種應(yīng)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(biāo)空間的NO含量，

(3)將目標(biāo)空間的NO含量與基指進(jìn)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(biāo)空間所處背景環(huán)境中的NO含量，也可以是人為輸入目標(biāo)空間所處背景環(huán)境中的NO含量的經(jīng)驗(yàn)值。

所述探測目標(biāo)空間的NO含量應(yīng)盡量能采用靈敏度高、準(zhǔn)確性好的測定方法。例如化學(xué)發(fā)光法，化學(xué)發(fā)光法檢測NO的原理是NO與O₃反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)二氧化氮(NO₂*)，NO₂*在返回基態(tài)的過程中釋放能量并發(fā)光，通過發(fā)光強(qiáng)度來反應(yīng)NO的濃度。化學(xué)發(fā)光法靈敏度高、響應(yīng)時間短、線性范圍寬。

所述將目標(biāo)空間的NO含量與基值進(jìn)行比較，是指判斷目標(biāo)空間的NO含量與基值是否存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異。當(dāng)目標(biāo)空間的NO含量與基值相比，顯著上升時，即可判定目標(biāo)空間有活體生命；當(dāng)目標(biāo)空間的NO含量與基值相比，無顯著差異時，即可判定目標(biāo)空間無活體生命。

本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述生命探測裝置監(jiān)測生命體征的方法，包括以下步驟：

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

(2)持續(xù)或間歇測定目標(biāo)空間的NO含量，當(dāng)目標(biāo)空間的NO含量與初始值相比，出現(xiàn)下降或上升拐點(diǎn)時，系統(tǒng)提示異常。

所述拐點(diǎn)的判斷方法包括但不限于移動平均法、連續(xù)曲線求導(dǎo)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并非百害而無一利，它不同于CO₂、CO、NH₃、H₂S等，不會由動植物腐敗產(chǎn)生，具有特異性。我們發(fā)現(xiàn)NO從人體呼出后會逐步自然衰變?yōu)橐环N穩(wěn)定的氣體成分，且該活性成分的含量與人體活動密切相關(guān)，人數(shù)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(jìn)行精準(zhǔn)測定，不僅能反映環(huán)境中人員的存在和數(shù)量，還可判斷出他們的生存狀態(tài)。本發(fā)明提供了一種基于監(jiān)測NO含量變化的生命探測裝置及其應(yīng)用，能精準(zhǔn)判斷目標(biāo)空間中有無生命體征，確保災(zāi)后救援工作快速、高效進(jìn)行，還能為銀行金庫、檔案館等場合的防盜監(jiān)控提供保障。

附圖說明

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

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

圖4不同人數(shù)不同體積的空間中人停止呼吸后NO氣體的濃度變化情況。(設(shè)定每人換氣量為4L/min，呼出氣中NO濃度為15ppb。其中，實(shí)線代表1人1m³空間，虛線代表10人50m³空間，點(diǎn)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(shí)線表示600min后人停止呼吸并且停止換氣后的NO變化情況，虛線則為人停止呼吸但是換氣繼續(xù)工作的情況。(設(shè)定每人換氣量為4L/min，呼出氣中NO濃度為15ppb。)

圖6測試系統(tǒng)示意圖

圖7三名測試員進(jìn)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(shí)測圖。

圖8五名測試員進(jìn)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(shí)測圖。

圖9七名測試員進(jìn)出70m³的空間NO濃度變化圖

圖10六名測試員進(jìn)出70m³的空間NO濃度變化圖

圖11在有/無干擾氣體條件下環(huán)境中NO濃度變化圖

圖12在干擾氣體存在下，五名測試員進(jìn)出30m³的密閉空間NO濃度變化圖。其中，(a)換氣系統(tǒng)關(guān)閉和(b)換氣系統(tǒng)常開。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1生命探測裝置的設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)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(shè)定除了人體呼吸外，體系里沒有額外的NO輸入(如其它生物或物質(zhì)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(nèi)混合均勻。

半封閉空間內(nèi)人持續(xù)呼吸時NO氣體濃度的變化推導(dǎo)過程如下：

以第t分鐘半封閉空間內(nèi)的NO的物質(zhì)的量，加上第t+1分鐘內(nèi)產(chǎn)生的NO的物質(zhì)的量，然后減去第t+1分鐘所排出的NO的物質(zhì)的量，再乘以NO的衰減系數(shù)，得到第t+1分鐘時半封閉空間內(nèi)NO的量。第t+1分鐘時半封閉空間內(nèi)NO的濃度寫成如下表達(dá)式：

C_t+1為第t+1分鐘時半封閉空間內(nèi)NO的濃度；

q為每分鐘NO氣體衰減后剩余的百分量；

C_t為第t分鐘時半封閉空間內(nèi)NO的濃度；

V₀是半封閉空間的體積；

C_b為人體呼吸呼出的氣體中NO的濃度；

V_b為人體呼吸呼出的氣體體積；

V_out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(nèi)人持續(xù)呼吸時NO氣體濃度的變化情況

例如：V_out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C_b為15ppb，人體呼吸呼出氣體V_b為4L/min，半衰期是3.5h，即q＝0.9976，則可以得到C_t+1＝0.9896C_t+0.0594，從而得到通式C_t＝5.711+(C₁-5.711)×0.9896^t-1。當(dāng)C₁＝0.0582ppb，則半密閉空間內(nèi)NO的濃度隨時間變化的情況見圖1。

由圖1可知，1人在1m³空間里，NO的濃度隨時間延長而增加，大約十小時后趨于穩(wěn)定，其最后濃度可達(dá)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(dāng)1人在5m³空間里，20小時后NO氣體濃度也能達(dá)到約3ppb，可以被設(shè)備檢測到。即使此人在系統(tǒng)里生活一周(10080min)，體系里的濃度也僅為2.99ppb，增加并不明顯。也就是說在10小時后系統(tǒng)里NO氣體的濃度已基本達(dá)到平衡值。

(2)半封閉空間里從有人到無人時NO氣體濃度的變化

t時刻后空間里的人不再呼吸時，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。此后NO的濃度為：

例如：總體積和換氣的體積不變，則C_n＝C_t(0.9936)^n-t。在圖1的基礎(chǔ)上，假設(shè)1m³空間里，1人在380min后停止了呼吸，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空間里的情形下，若人體突然停止呼吸，NO濃度變化情況如圖4中點(diǎn)線曲線所示。

(3)半封閉空間里人停止了呼吸且換氣系統(tǒng)也停止了工作

如圖5所示，當(dāng)換氣系統(tǒng)停止工作時，NO濃度的變化只來源于自身的衰減，此時NO濃度隨著時間的下降趨勢變緩。

實(shí)施例2模擬生命探測

此處，以化學(xué)發(fā)光法檢測NO為例，其原理為NO與O₃反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)二氧化氮(NO₂*)，NO₂*在返回基態(tài)的過程中釋放能量并發(fā)光，通過發(fā)光強(qiáng)度來反應(yīng)NO的濃度。

拐點(diǎn)判斷采用移動平均法，即每增加一個時間間隔，就增加一個新近數(shù)據(jù)，去掉一個遠(yuǎn)期數(shù)據(jù)，得到一個新的平均值。設(shè)探測單元不同時間下測得NO含量序列為：x₁，x₂…x_t，根據(jù)移動平均法可以表示：

式中：x_t為最新觀察值，N為參加移動平均的歷史數(shù)據(jù)的個數(shù)，F(xiàn)_t+1為下一期預(yù)測值，即預(yù)測值是離預(yù)測期最近的一組歷史數(shù)據(jù)(實(shí)際值)平均的結(jié)果。移動平均得到的平滑曲線出現(xiàn)極值F_max后，第n時刻，此處為所有預(yù)測期相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值，則F_n判為拐點(diǎn)，系統(tǒng)可提示報警。

在半封閉環(huán)境，選取不同體積的空間為實(shí)驗(yàn)對象，化學(xué)發(fā)光分析儀檢測NO，通過監(jiān)控密室內(nèi)NO濃度的變化來判定人員生命活動。圖6所示，其中，進(jìn)氣系統(tǒng)用于控制新鮮空氣的輸入以及廢棄的排出；研究系統(tǒng)為辦密閉環(huán)境，帶有淋洗房；測試系統(tǒng)為整合里探測單元、數(shù)據(jù)傳輸單元的NO分析儀，例如武漢宇虹環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司的TH-2001型化學(xué)發(fā)光氮氧化物分析儀；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即數(shù)據(jù)處理單元，計(jì)算和顯示NO含量隨時間的變化情況。

(1)參照圖6搭建實(shí)驗(yàn)裝置，檢查整個系統(tǒng)的氣密性，開機(jī)運(yùn)行NO分析儀，待儀器運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行操作。

(2)打開進(jìn)氣系統(tǒng)，開始對研究系統(tǒng)進(jìn)行換氣。待NO濃度穩(wěn)定，開始測試。

(3)考查不同人數(shù)的測試員通過淋洗房進(jìn)入密閉空間后NO的濃度值，經(jīng)一定時間后，人離開密閉空間，監(jiān)測并記錄密室內(nèi)NO濃度隨時間的變化。

(4)改變密閉空間的大小，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

測試一：

(1)研究對象：30m³的密閉空間

(2)測試人數(shù)：試驗(yàn)者3名

(3)換氣系統(tǒng)：常開。

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

另一方面，采用生命探測裝置對上述過程進(jìn)行檢測，測試結(jié)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(shí)可行。那么，對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行五點(diǎn)平均移動得到平滑曲線，在t＝61min時NO濃度出現(xiàn)最大值，F(xiàn)_max＝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征，系統(tǒng)報警。

測試二：

(1)研究對象：70m³的密閉空間

(2)測試人數(shù)：試驗(yàn)者5名

(3)換氣系統(tǒng)：關(guān)閉

根據(jù)公式(1)，設(shè)定V_out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C_b為30ppb，人體呼吸呼出氣體V_b為60L/min，半衰期是3.5h，即q＝0.9976，則可以得到C_t+1＝0.9965C_t+0.0256，從而得到通式C_t＝7.767+(C₁-7.767)×0.9965^t-1。當(dāng)C₁＝0.2ppb，則空間內(nèi)NO的濃度隨時間變化的情況見圖8(a)。環(huán)境中NO濃度隨著時間增加而增大，當(dāng)t＝60min時，人離開密閉空間，NO含量明顯下降。與圖7(a)相比，當(dāng)換氣系統(tǒng)關(guān)閉時，NO含量的降低僅來源于自身濃度的衰減，因此，下降速率變緩。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用生命探測裝置對上述過程進(jìn)行檢測，測試結(jié)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(shí)可行。采用移動平均法進(jìn)行平滑曲線，發(fā)現(xiàn)在t＝59min時NO濃度出現(xiàn)最大值，F(xiàn)_max＝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征，系統(tǒng)報警。

測試三：

(1)研究對象：70m³的密閉空間

(2)測試人數(shù)：試驗(yàn)者7名

(3)換氣系統(tǒng)：常開

當(dāng)7人在密閉空間1h后離開，記錄期間NO的濃度變化情況，測試結(jié)果如圖9所示。當(dāng)人進(jìn)入密閉空間1h后，NO濃度增大到1.8ppb，人離開后10min，NO濃度下降到0.8ppb(降低了56％)。結(jié)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(jù)移動平均法求得平滑曲線，在t＝61min時，F(xiàn)_max＝1.6162，第65min時刻，可確定空間無生命體征，系統(tǒng)報警。

測試四：

(1)研究對象：70m³的密閉空間

(2)測試人數(shù)：試驗(yàn)者6名

(3)換氣系統(tǒng)：人離開前開啟，離開后關(guān)閉

當(dāng)6人在密閉空間1h后離開，記錄期間NO的濃度變化情況，測試結(jié)果如圖10所示。當(dāng)人進(jìn)入后，NO濃度增大到0.9ppb，人離開后關(guān)閉換氣系統(tǒng)，約30min能看到NO濃度降到0.4ppb(降低了56％)。結(jié)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(jù)移動平均法求得平滑曲線，在t＝62min時F_max＝0.88376，第67min時刻，可確定空間無生命體征，系統(tǒng)報警。

測試五：

(1)研究對象：30m³的密閉空間

(2)測試人數(shù)：試驗(yàn)者5名

(3)雜質(zhì)氣體：汽油、二甲苯、油漆等

為了考察環(huán)境中雜質(zhì)氣體的影響，選用常見影響物進(jìn)行測試，如圖11所示，當(dāng)有雜質(zhì)氣體存在的條件下，對生命探測裝置測得的基線值并無太大影響，說明雜質(zhì)氣體對NO濃度檢測沒有干擾。在這種前提下，監(jiān)測5人在空間停留30min后離開NO濃度的變化情況，并考查換氣系統(tǒng)開/關(guān)對NO衰減的影響，測試結(jié)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后，NO濃度漲到1.8-2.0ppb；隨后人離開密室，NO濃度明顯下降。當(dāng)人離開后，換氣系統(tǒng)開或關(guān)，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(tǒng)常開時，NO含量的變化來源于系統(tǒng)向外排出的以及自身衰減的，因此，下降速率快。

根據(jù)移動平均法求得平滑曲線，當(dāng)換氣系統(tǒng)關(guān)閉時，在t＝31min時NO含量出現(xiàn)最大值，F(xiàn)_max＝1.64844，第35min時刻，可確定空間無人存在，系統(tǒng)報警。當(dāng)換氣系統(tǒng)常開時，在t＝32min時NO含量出現(xiàn)最大值，F(xiàn)_max＝1.4605，第34min時刻，可確定空間無生命體征，系統(tǒng)報警。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。