專(zhuān)利名稱(chēng)：用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的氣體傳感器、分析器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)大體涉及氣體傳感器，包括發(fā)射器，用于對(duì)至少部分地涂敷有發(fā)光體的本體發(fā)射輻射，發(fā)光體在與呼吸氣體接觸時(shí)發(fā)射指示氧氣濃度的發(fā)光輻射；用于傳輸發(fā)光體發(fā)射的發(fā)光輻射的過(guò)濾器；以及用于接收發(fā)光輻射的氧氣檢測(cè)器。本公開(kāi)還涉及用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的氣體分析器和方法。
背景技術(shù)：
在麻醉手術(shù)中或者在重癥護(hù)理中，常常通過(guò)分析患者吸入的和呼出的氣體的含量來(lái)監(jiān)測(cè)患者的狀況。為此，或者少部分呼吸氣體被轉(zhuǎn)移到氣體分析器，或者氣體分析器直接連接到呼吸回路。前一種分析器為側(cè)流型，后一種被稱(chēng)為主流型，因?yàn)樗哂兄苯涌邕^(guò)呼吸管進(jìn)行測(cè)量的能力。對(duì)于主流傳感器而言典型的是，它具有一次性的氣道轉(zhuǎn)接器和可直·接連接的傳感器本體。市場(chǎng)上的大部分主流傳感器設(shè)計(jì)成使用紅外線(xiàn)非分散(NDIR)吸收技術(shù)來(lái)單獨(dú)測(cè)量二氧化碳。此技術(shù)的基礎(chǔ)是眾所周知的，并且在文獻(xiàn)和專(zhuān)利中對(duì)其有詳細(xì)解釋。因?yàn)樵摷夹g(shù)與本案不直接相關(guān)聯(lián)，所以不會(huì)在本文檔中對(duì)NDIR測(cè)量進(jìn)行進(jìn)一步的描述。當(dāng)然，至關(guān)重要的另一種氣體是氧氣。可使用化學(xué)傳感器或燃料電池來(lái)測(cè)量氧氣，但是化學(xué)傳感器或燃料電池通常太龐大而不能裝配到主流傳感器中，而且雖然它們具有有限的壽命，但是它們未設(shè)計(jì)成用于單次使用，并且因此必須防止它們與患者氣體直接接觸，以避免污染。這是昂貴的，而且還會(huì)影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間。也可使用760 nm的激光器和吸收來(lái)測(cè)量氧氣。但是，這個(gè)吸收是非常微弱的，并且來(lái)自跨過(guò)呼吸管的短距離的信號(hào)會(huì)變得太嘈雜而無(wú)法使用。最有前途的方法是發(fā)光淬滅(quench)。使用例如來(lái)自發(fā)光二極管(LED)的藍(lán)光來(lái)激勵(lì)特殊的傳感器涂層(發(fā)光體)。常常可在光譜的紅色部分中檢測(cè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的發(fā)光信號(hào)。氧氣具有通過(guò)消耗直接來(lái)自發(fā)光體的可用能量來(lái)以可預(yù)測(cè)的方式淬滅這個(gè)發(fā)光的能力。因而，淬滅量是呼吸氣體混合物中的氧氣的分壓力的直接測(cè)量。發(fā)光淬滅提供制造與患者轉(zhuǎn)接器結(jié)合的單次使用探頭的可能性。必須注意的問(wèn)題是溫度和濕度依賴(lài)性以及老化所導(dǎo)致的漂移。通常不直接測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度，而激勵(lì)狀態(tài)的衰減時(shí)間的變化更穩(wěn)定且可進(jìn)行更魯棒的測(cè)量。然而，光學(xué)基準(zhǔn)通常是必要的，因?yàn)樗彩菧囟妊a(bǔ)償。在臨床上使用的主流類(lèi)型的氣體分析器中，呼吸空氣或氣體混合物的總量或至少主要部分流過(guò)分析器及其一次性的測(cè)量室。因?yàn)闇y(cè)量室在呼吸回路中，所以測(cè)量室易被粘液或冷凝水污染。因而，使用盡可能魯棒且對(duì)困難條件不敏感的傳感器是必要的。紅外線(xiàn)傳感器在主流分析器中使用一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)波長(zhǎng)，以便使得可持續(xù)地獲得對(duì)沒(méi)有氣體吸收的信號(hào)水平(零水平)的足夠好的估計(jì)。對(duì)于氧氣傳感器，污染不會(huì)改變靈敏度超過(guò)可容忍的范圍是重要的?；诎l(fā)光淬滅的傳感器看來(lái)可滿(mǎn)足這個(gè)需求。傳感器在測(cè)量溶解的氧氣時(shí)還被浸入水中工作是已知的。響應(yīng)時(shí)間在這種測(cè)量中當(dāng)然會(huì)更長(zhǎng)。臨床主流氣體分析器必須是小的、輕的、精確的、魯棒的且可靠的。分析器必須在十分不同的操作狀況中保持其精確性。例如，規(guī)定許多臨床氣體分析器在介于+10和+35C之間的環(huán)境溫度處操作，并且傳導(dǎo)呼吸氣體的管子可處于環(huán)境溫度，或者保持在已知的溫度處，以避免水冷凝。而且，發(fā)光體的溫度受到與發(fā)光體接觸的流動(dòng)氣體的影響。在臨床使用中，呼出的氣體的溫度將接近患者的體溫，而吸入的氣體的溫度將接近從通氣孔到患者的吸氣管的溫度。在正常操作期間使用基準(zhǔn)氣體來(lái)進(jìn)行調(diào)零測(cè)量是不可能的。因?yàn)榘l(fā)光體的發(fā)光屬性取決于溫度，所以或者必須將發(fā)光體保持在已知的溫度處，或者必須測(cè)量發(fā)光體的溫度并在計(jì)算氧氣的分壓力時(shí)考慮發(fā)光體的溫度。由于恒溫器加熱或冷卻系統(tǒng)的笨重性和功率消耗的原因，后一種方法是非常優(yōu)選的。然而，分析器必須保持其精確性，即使測(cè)量室將被污染。由于這些要求的原因，主要地，能夠在商業(yè)上獲得用于二氧化碳(CO2)的單氣體主流分析器。真正緊湊的CO2和O2氣體分析器在技術(shù)上是非常有挑戰(zhàn)性的。另一個(gè)要求是測(cè)量必須足夠快，以測(cè)量呼吸曲線(xiàn)。實(shí)際上，上升時(shí)間將必須為大約200 ms或者甚至更短。對(duì)于CO2，使用眾所周知的紅外線(xiàn)測(cè)量技術(shù)來(lái)進(jìn)行布置是可能的。發(fā) 光O2傳感器必須具有非常薄的活性材料層，以便足夠快地反應(yīng)。這會(huì)減少信號(hào)，并且為了對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，必須增加傳感器表面?；谠谥髁鬓D(zhuǎn)接器中進(jìn)行發(fā)光淬滅的現(xiàn)有技術(shù)的氧氣傳感器包括將有關(guān)輻射傳輸?shù)酵糠笥邪l(fā)光體的表面以及從該表面?zhèn)鬏斢嘘P(guān)福射的窗口。窗口可非常薄，使得窗口可為薄膜。測(cè)量方法是眾所周知的，并且還已知可將傳感器保持在37+/-0. IC的溫度處，而且傳感器具有用于測(cè)量熒光團(tuán)的瞬時(shí)溫度的額外的微芯片熱敏電阻。將此類(lèi)熱敏電阻緊固到涂敷有發(fā)光體的窗口，但不幸的是，該熱敏電阻無(wú)法像在呼吸測(cè)量的情況下那樣足夠快速地跟隨不斷變化的溫度。而且，具有緊固到窗口的熱敏電阻的主流轉(zhuǎn)接器太昂貴以至于無(wú)法用完即丟棄，并且因此在每次使用之后都應(yīng)當(dāng)對(duì)其消毒。

發(fā)明內(nèi)容
本文解決了上面提到的缺陷、缺點(diǎn)和問(wèn)題，通過(guò)閱讀和理解以下說(shuō)明，將理解本文。在實(shí)施例中，一種氣體傳感器包括發(fā)射器，其用于對(duì)至少部分地涂敷有發(fā)光體的本體發(fā)射輻射，發(fā)光體在與呼吸氣體接觸時(shí)發(fā)射指示氧氣濃度的發(fā)光輻射；以及用于傳輸發(fā)光體發(fā)射的發(fā)光輻射的過(guò)濾器。該氣體傳感器還包括用于接收過(guò)濾器傳輸?shù)陌l(fā)光輻射的氧氣檢測(cè)器和用于接收指示發(fā)光體的溫度的熱輻射的紅外線(xiàn)測(cè)溫單元。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的氣體分析器，包括用于發(fā)射輻射的發(fā)射器和氣道轉(zhuǎn)接器，該氣道轉(zhuǎn)接器具有輸送包含氧氣的呼吸氣體的流通道。氣體分析器還包括至少部分地涂敷有發(fā)光體的本體，發(fā)光體被發(fā)射器發(fā)射的輻射激勵(lì)，發(fā)光體與呼吸氣體接觸并發(fā)射發(fā)光輻射。氣體分析器進(jìn)一步包括用于傳輸發(fā)光體所發(fā)射的發(fā)光輻射的過(guò)濾器和用于接收過(guò)濾器傳輸?shù)陌l(fā)光輻射的氧氣檢測(cè)器。氣體分析器還包括用于接收來(lái)自發(fā)光體的熱輻射的紅外線(xiàn)測(cè)溫單元。在又一個(gè)實(shí)施例中，一種用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的方法，包括對(duì)至少部分地涂敷有發(fā)光體的本體發(fā)射輻射，發(fā)光體適合于在與呼吸氣體接觸時(shí)發(fā)射指示氧氣濃度的發(fā)光輻射，以及過(guò)濾該輻射以傳輸發(fā)光輻射。該方法還包括檢測(cè)傳輸?shù)陌l(fā)光輻射，以及接收來(lái)自發(fā)光體的、指示發(fā)光體的溫度的熱輻射。根據(jù)附圖及其詳細(xì)描述，本發(fā)明的多種其它特征、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的。


圖I示出了連接到患者的通氣回路的醫(yī)療主流氣體分析器。圖2顯示了氣體分析器，其包括氣道轉(zhuǎn)接器和包括根據(jù)實(shí)施例的氧氣測(cè)量原理的氣體傳感器；
圖3顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的氧氣測(cè)量原理和組件；
圖4顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的氧氣測(cè)量原理和組件； 圖5顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的氧氣測(cè)量原理和組件；以及 圖6顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的氧氣測(cè)量原理和組件。
具體實(shí)施例方式參照附圖在以下詳細(xì)描述中解釋具體實(shí)施例。當(dāng)然可修改這些詳細(xì)的實(shí)施例，并且它們不應(yīng)限制權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍。在圖I顯示了用于測(cè)量諸如氧氣的呼吸氣體的氣體分析器7。可在主流類(lèi)型的臨床多氣體分析器中應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。諸如醫(yī)療主流氣體分析器的氣體分析器7可直接跨過(guò)圖I中顯示的被插管的患者I的呼吸管進(jìn)行測(cè)量。使用插管3、Y形件4、吸氣分支5和呼氣分支6來(lái)將患者I連接到通氣孔2。氣道轉(zhuǎn)接器8連接到插管。包括氣道轉(zhuǎn)接器的組件的氣體分析器7通過(guò)線(xiàn)纜9電連接到患者監(jiān)測(cè)器10。除了氧氣O2之外，測(cè)量的氣體也可為二氧化碳CO2以及可能具有紅外線(xiàn)吸收的其它氣體，例如一氧化二氮N2O和麻醉氣體。在圖2中，描繪了包括氣體傳感器23和氣道轉(zhuǎn)接器8的氣體分析器7的特寫(xiě)。氣體傳感器23可安裝在氣道轉(zhuǎn)接器8上。氣道轉(zhuǎn)接器8通?？梢允且淮涡缘摹＿@個(gè)轉(zhuǎn)接器可設(shè)有兩個(gè)紅外線(xiàn)傳輸窗口 11，其在測(cè)量氧氣之外的呼吸氣體的情況下是需要的。紅外線(xiàn)源20位于氣體傳感器23中，從而將輻射發(fā)射通過(guò)窗口 11，在窗口 11之間具有供呼吸氣體在患者和通氣孔2之間流動(dòng)的流通道21。需要至少一個(gè)氣體檢測(cè)器22來(lái)提供指示氧氣之外的至少一種呼吸氣體的信號(hào)，并且該氣體檢測(cè)器也位于氣體傳感器中，使得該至少一個(gè)氣體檢測(cè)器22在與紅外線(xiàn)源不同的、轉(zhuǎn)接器的另一側(cè)上。典型地，非分散過(guò)濾器組裝件(未在圖中顯示)也在紅外線(xiàn)源20和氣體檢測(cè)器22之間。因而，紅外線(xiàn)輻射通過(guò)窗口 11和相應(yīng)的窄帶過(guò)濾器從紅外線(xiàn)源被引導(dǎo)到一個(gè)或多個(gè)氣體檢測(cè)器22。來(lái)自各個(gè)檢測(cè)器的信號(hào)被放大和修改，以反映待測(cè)氣體的濃度，或者信號(hào)可為在沒(méi)有氣體吸收或具有少量氣體吸收的基準(zhǔn)波長(zhǎng)處的測(cè)量。如上面提到的那樣，呼吸氣體可為二氧化碳、一氧化二氮和不同的揮發(fā)性麻醉劑。所有這些氣體均吸收在一些特定波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的紅外線(xiàn)輻射，并且使用窄帶過(guò)濾器來(lái)選擇這個(gè)區(qū)。NDIR氣體測(cè)量技術(shù)是眾所周知的，并且在這里不會(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的描述。由于許多額外的好處，可基于發(fā)光淬滅，使用不同的原理來(lái)測(cè)量不使用窗口 11之間的短測(cè)量通道來(lái)吸收足夠的紅外線(xiàn)輻射的氣體(例如氧氣)。根據(jù)圖2中顯示的實(shí)施例，氣體分析器7的、用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的氣體傳感器包括用于發(fā)射輻射的發(fā)射器12。尤其是氣道轉(zhuǎn)接器8或者備選地氣體分析器或氣體傳感器23包括本體14，諸如至少部分地涂敷有發(fā)光體13的窗口，發(fā)光體被發(fā)射器12發(fā)射的輻射激勵(lì)，并且發(fā)光體在發(fā)光體與呼吸氣體直接接觸時(shí)發(fā)射指示呼吸氣體的氧氣濃度的發(fā)光輻射。發(fā)光體可為本體的表面上的薄膜。本體14可由透明的聚合物制成，并且因此本體14是廉價(jià)的。當(dāng)然，本體14也可由玻璃或任何其它透明的固體材料(例如陶瓷)制成。本體14有利地是剛性的，包括用于激勵(lì)發(fā)光體的輻射、發(fā)光體發(fā)射的發(fā)光輻射以及發(fā)光體以熱的方式發(fā)射的紅外線(xiàn)輻射的透明的輻射路徑。氣體傳感器23還包括用于傳輸發(fā)光體13發(fā)射的發(fā)光福射的過(guò)濾器18和用于接收過(guò)濾器18傳輸?shù)陌l(fā)光福射的氧氣檢測(cè)器16。在檢測(cè)器16前面的濾光器18通常需 要濾除包括來(lái)自發(fā)射器12的光波長(zhǎng)并還干擾環(huán)境光(如果存在環(huán)境光的話(huà))的輻射，從而僅傳輸發(fā)光輻射，發(fā)光輻射通常在光譜的紅端中具有其最大值。氧氣檢測(cè)器可基于所接收的指示氧氣濃度的發(fā)光輻射來(lái)提供信號(hào)。氣體傳感器23可設(shè)有用以傳輸來(lái)自發(fā)射器12 (諸如光發(fā)射二極管(LED))的激勵(lì)輻射以及用以將發(fā)光輻射(諸如發(fā)光體13發(fā)射的光)反射到氧氣檢測(cè)器16的特定布置。根據(jù)眾所周知的技術(shù)，LED常常在藍(lán)區(qū)中發(fā)光，而且也將黃光用作激勵(lì)輻射，這取決于發(fā)光體的化學(xué)成分。發(fā)射器12可配備有濾光器33，以移除其發(fā)射的可能的紅外線(xiàn)部分。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，氣體分析器7還包括用于接收來(lái)自其表面涂敷有發(fā)光體13的本體14的熱輻射的紅外線(xiàn)測(cè)溫單元(25)，該熱輻射指示發(fā)光體的溫度。在本體的相對(duì)的表面中的一個(gè)是涂敷有發(fā)光體的表面的情況下，本體可有利地薄，以至于那些相對(duì)的表面的溫度彼此足夠接近。而且，用穿透紅外線(xiàn)輻射的材料(諸如氟化鈣)制成本體是可能的，在這種情況下，本體的厚度不那么關(guān)鍵。包括用于接收熱輻射的紅外線(xiàn)檢測(cè)器32的紅外線(xiàn)測(cè)溫單元25可基于接收的指示發(fā)光體13的溫度的熱輻射來(lái)提供信號(hào)。另外，紅外線(xiàn)測(cè)溫單元25可在紅外線(xiàn)檢測(cè)器32的前面包括光學(xué)系統(tǒng)28，以將紅外線(xiàn)檢測(cè)器25的視場(chǎng)限定于發(fā)光體(13)的合適的部分，并且收集以熱的方式從那個(gè)部分發(fā)射到紅外線(xiàn)檢測(cè)器的輻射。為了實(shí)現(xiàn)這些，光學(xué)系統(tǒng)可包括用于使合適范圍的IR波長(zhǎng)通過(guò)到紅外線(xiàn)檢測(cè)器25的濾光器34、用于限制紅外線(xiàn)檢測(cè)器32的視場(chǎng)的孔口 30和用于測(cè)量紅外線(xiàn)檢測(cè)器的溫度的溫度傳感器26。溫度傳感器26可基于紅外線(xiàn)檢測(cè)器32的溫度來(lái)提供信號(hào)。紅外線(xiàn)測(cè)溫單元25和紅外線(xiàn)檢測(cè)器32與本體14分離，并且與這個(gè)本體相距一距離，使得將具有發(fā)光體13的本體置于氣道轉(zhuǎn)接器8中是可能的，氣道轉(zhuǎn)接器8可為可分離和一次性的。紅外線(xiàn)檢測(cè)器32可改為在氣體傳感器23中位于氣道轉(zhuǎn)接器8的外部。昂貴的組件在氣體傳感器中，氣體傳感器是可重復(fù)使用的；并且較不昂貴的組件在氣道轉(zhuǎn)接器8中，氣道轉(zhuǎn)接器8是一次性的以防止在患者之間有污染。在可將紅外線(xiàn)檢測(cè)器32布置得比圖2中更接近本體14的情況下，在發(fā)射器和紅外線(xiàn)檢測(cè)器之間或?qū)嶋H上在發(fā)光體和紅外線(xiàn)檢測(cè)器之間在紅外線(xiàn)檢測(cè)器32的前面可省略光學(xué)系統(tǒng)28。當(dāng)紅外線(xiàn)檢測(cè)器足夠接近發(fā)光體，但是又與發(fā)光體分開(kāi)或者與其有一定距離時(shí)，紅外線(xiàn)檢測(cè)器32能夠收集來(lái)自發(fā)光體的僅紅外線(xiàn)輻射，從而避免收集來(lái)自環(huán)境的其它輻射。在圖3、4、5和6中顯示用于測(cè)量發(fā)光體13的溫度的其它實(shí)施例。在圖3中，光學(xué)系統(tǒng)28包括用于收集和聚焦熱輻射的透鏡29和用于限制紅外線(xiàn)檢測(cè)器32的視場(chǎng)的孔口
30。在圖4中，光學(xué)系統(tǒng)28包括反射器35和在上文公開(kāi)的濾光器34,反射器35反射穿過(guò)用于限制視場(chǎng)的孔口 30的熱輻射。圖5中用于限制紅外線(xiàn)檢測(cè)器的視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)28包括鏡子31、濾光器34和孔口 30。鏡子將穿過(guò)孔口和濾光器的熱輻射反射到紅外線(xiàn)檢測(cè)器32。在別的方面，圖4和圖5中的氣體傳感器類(lèi)似于圖2和圖3中顯示的氣體傳感器。在圖6中，氣體分析器7的設(shè)計(jì)不同于前文介紹的氣體分析器的設(shè)計(jì)，因?yàn)榧t外線(xiàn)測(cè)溫單元25定位成與流通道21和發(fā)光體13相對(duì)。紅外線(xiàn)測(cè)溫單元也可面向發(fā)光體13位于氣道轉(zhuǎn)接器8周?chē)娜魏蔚胤健怏w傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于圖3中顯示的結(jié)構(gòu)，其中，透鏡29、濾光器34和孔口 30形成光學(xué)系統(tǒng)28。在這種情況下，在發(fā)光體13對(duì)面在氣道轉(zhuǎn)接器8中需要用于傳輸熱紅外線(xiàn)輻射的單獨(dú)的窗口 36。本體14的材料或厚度不那么關(guān)鍵，因?yàn)橹苯涌邕^(guò)氣道轉(zhuǎn)接器8測(cè)量來(lái)自發(fā)光體的熱輻射，而不需要被傳導(dǎo)通過(guò)本體14來(lái)測(cè)量發(fā)光體的溫度。紅外線(xiàn)輻射檢測(cè)器有利地是熱電堆檢測(cè)器。在熱電堆檢測(cè)器的情況下，不需要截光器。另外，可容易地獲得用于紅外線(xiàn)測(cè)溫的集成的組件。這種組件的示例是德國(guó)Hermsdorf 的Micro Hybrid Electronic 制造的單通道熱電堆檢測(cè)器 TSlx80B-A_D0· 48。如 有必要，組件也可包括用于將輻射收集到檢測(cè)器的透鏡或反射器。當(dāng)然可使用其它類(lèi)型的紅外線(xiàn)輻射檢測(cè)器，諸如熱電檢測(cè)器或輻射熱測(cè)量計(jì)檢測(cè)器。落到紅外線(xiàn)檢測(cè)器的輻射功率(Pdet)取決于充滿(mǎn)檢測(cè)器的視場(chǎng)的表面的溫度(Tlp)和紅外線(xiàn)檢測(cè)器的基準(zhǔn)溫度(Tref)，以及表面的輻射屬性?？蓮乃沟俜?玻耳茲曼定律得出等式
Pdet : R * (1ψ4...... TreP.,,
其中R是常數(shù)，其取決于其溫度被測(cè)量的表面的輻射屬性、所使用的濾光器和將輻射從發(fā)射表面引導(dǎo)到檢測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)。對(duì)于熱電堆檢測(cè)器
Vdei H=I S* Pdei ------> Pdet - VdetiSf
其中，S是熱電堆檢測(cè)器的靈敏度。因而，發(fā)光體的溫度Tlump
Tlp —Vilet/.S +K*Tref'4|/Krii/4|
需要發(fā)光體的溫度來(lái)修正氧氣濃度的測(cè)量結(jié)果，因?yàn)榘l(fā)光體的溫度是變化的，從而對(duì)氧氣的測(cè)量結(jié)果有影響。所以了解發(fā)光體的溫度，以及因此修正氧氣濃度測(cè)量結(jié)果是重要。氣體分析器7也可包括處理單元27，處理單元27接收指示來(lái)自氧氣檢測(cè)器的氧氣濃度的信號(hào)，并且接收指示發(fā)光體13的溫度的信號(hào)以及接收指示紅外線(xiàn)檢測(cè)器的溫度的信號(hào)。處理單元也可基于指示氧氣濃度的信號(hào)、指示發(fā)光體13的溫度的信號(hào)以及指示紅外線(xiàn)檢測(cè)器的溫度的信號(hào)來(lái)確定呼吸氣體的氧氣濃度。可使得用于紅外線(xiàn)溫度測(cè)量的處理單元計(jì)算發(fā)光體的溫度。可在也計(jì)算氧氣和氣體傳感器測(cè)量的其它氣體的濃度的同一處理單元中執(zhí)行必要的處理。作為一個(gè)共同的處理單元的替代，可存在例如兩個(gè)不同的處理單元，一個(gè)用于紅外線(xiàn)測(cè)溫單元25，而另一個(gè)則用于氧氣濃度測(cè)量，這對(duì)紅外線(xiàn)氣體分析功能來(lái)說(shuō)可為常見(jiàn)的。氣體傳感器中的信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備可僅對(duì)從IR檢測(cè)器和基準(zhǔn)溫度傳感器中獲得的電信號(hào)執(zhí)行合適的調(diào)節(jié)，使得這些信號(hào)可傳輸?shù)竭h(yuǎn)離氣體傳感器的處理單元。用于激勵(lì)發(fā)光體13的發(fā)射器12和用于檢測(cè)發(fā)光輻射的氧氣檢測(cè)器16位于氣體傳感器23中，氣體傳感器23是氣體分析器7的一部分，并且可以不是一次性的。氣體傳感器23可安裝在氣道轉(zhuǎn)接器8上。在光學(xué)上，可用多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該構(gòu)造，在圖2、3、4、5和6中顯示了 5種，其中，激勵(lì)輻射射線(xiàn)19(諸如來(lái)自發(fā)射器12的光線(xiàn))通過(guò)一個(gè)端部進(jìn)入由透明材料制成的本體14，并且通過(guò)本體而傳送到發(fā)光體13。在一些情況下，輻射射線(xiàn)19將激勵(lì)發(fā)光體13。因此而發(fā)射的發(fā)光沿所有方向發(fā)射，而且發(fā)光輻射24的一部分將進(jìn)入檢測(cè)器16?？墒褂弥T如透鏡或鏡子的光學(xué)布置來(lái)收集發(fā)射的輻射到檢測(cè)器16。與發(fā)光體13接觸的氧氣將淬滅發(fā)光，并且可計(jì)算與氧氣的濃度有關(guān)的信號(hào)，以及例如可在患者監(jiān)測(cè)器10中顯示該信號(hào)。通過(guò)使用眾所周知的原理以及應(yīng)用Stern-Volmer關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)
1 /1 - I 十 K{TK(CW,
其中，Itl是在沒(méi)有氧氣的情況下的發(fā)光強(qiáng)度，I是在氧氣的濃度C(O2)處測(cè)量的強(qiáng)度。常數(shù)K(T)是在發(fā)光體溫度T處的Stern-Volmer常數(shù)。這個(gè)等式也可寫(xiě)成
τ<Λ = I K(TKV)永
其中，Te是在沒(méi)有氧氣的情況下的發(fā)光衰減時(shí)間，而I是在氧氣的濃度C(O2)處測(cè)量的衰減時(shí)間。方法是眾所周知的，并且在例如Kolle, C.守人的文獻(xiàn)“Fast optochemicalsensor for continuous monitoring of oxygen in breath-gas analysis (用于在呼吸氣體分析中持續(xù)監(jiān)測(cè)氧氣的快速光化學(xué)傳感器)”(Sensors and Actuators (傳感器和促動(dòng)器)B38-39 (1997) 141-149)中有詳細(xì)的描述。雖然Kolle，C等人沒(méi)有明確地介紹關(guān)于Stern-Volmer常數(shù)K(T)的溫度依賴(lài)性的公式，但是他們將它們的傳感器的溫度保持在已知水平，并且使用額外的微芯片熱敏電阻來(lái)獲得關(guān)于在熒光團(tuán)被流過(guò)的氣體改變時(shí)的熒光團(tuán)的溫度的有用估計(jì)。他們還介紹了展示關(guān)于了解熒光團(tuán)的瞬時(shí)溫度(即使傳感器溫度穩(wěn)定)的需要的圖表。熱穩(wěn)定和測(cè)量顯著地增加了傳感器的笨重性、復(fù)雜性和功率消耗，這在上文闡明的實(shí)施例中 被避免。本書(shū)面描述使用示例來(lái)公開(kāi)包括最佳模式的本發(fā)明，并還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能制作和使用本發(fā)明。本發(fā)明可取得專(zhuān)利的范圍由權(quán)利要求定義，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果此類(lèi)其它示例具有與權(quán)利要求字面語(yǔ)言無(wú)不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)要素，則它們規(guī)定為在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。部件列表
I患者 2通氣孔 3插管 4 Y形件 5吸氣分支 6呼氣分支 7氣體分析器 8氣道轉(zhuǎn)接器 9線(xiàn)纜
10患者監(jiān)測(cè)器11窗口12發(fā)射器13發(fā)光體14本體16氧氣檢測(cè)器17光束分裂器18過(guò)濾器19輻射射線(xiàn)20紅外線(xiàn)源21流通道22氣體檢測(cè)器23氣體傳感器24發(fā)光輻射25紅外線(xiàn)測(cè)溫單元26溫度傳感器27處理單元·28光學(xué)系統(tǒng)29透鏡30孔口31鏡子
32紅外線(xiàn)檢測(cè)器33濾光器34濾光器35反射器
36窗口。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，包括 發(fā)射器(12)，用于對(duì)至少部分地涂敷有發(fā)光體(13)的本體(14)發(fā)射輻射，所述發(fā)光體(13)在與呼吸氣體接觸時(shí)發(fā)射指示氧氣濃度的發(fā)光輻射； 用于傳輸所述發(fā)光體發(fā)射的所述發(fā)光輻射的過(guò)濾器(18);以及 用于接收所述過(guò)濾器傳輸?shù)乃霭l(fā)光輻射的氧氣檢測(cè)器(16)， 其特征在于，所述氣體傳感器還包括用于接收指示所述發(fā)光體(13)的溫度的熱輻射的紅外線(xiàn)測(cè)溫單元(25)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣體傳感器，其特征在于，所述紅外線(xiàn)測(cè)溫單元包括用于接收熱輻射的紅外線(xiàn)檢測(cè)器(32)和用于測(cè)量所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的溫度的溫度傳感器(26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體傳感器，其特征在于，所述氧氣檢測(cè)器適合于基于所接收的指示氧氣濃度的發(fā)光輻射來(lái)提供信號(hào)，并且所述紅外線(xiàn)測(cè)溫單元適合于基于所接收的指示所述發(fā)光體(13)的溫度的熱輻射來(lái)提供信號(hào)，以及所述溫度傳感器適合于基于所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的所述溫度來(lái)提供信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體傳感器，進(jìn)一步包括處理單元(27)，所述處理單元(27)用于接收指示氧氣濃度的信號(hào)以及用于接收指示所述發(fā)光體(13)的溫度的信號(hào)和接收指示所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的所述溫度的信號(hào)，并且所述處理單元適合于基于指示氧氣濃度的所述信號(hào)、指示所述發(fā)光體(13)的溫度的所述信號(hào)和指示所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的所述溫度的所述信號(hào)來(lái)確定所述呼吸氣體的所述氧氣濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體傳感器，其特征在于，所述紅外線(xiàn)測(cè)溫單元進(jìn)一步包括光學(xué)系統(tǒng)(28)，以將所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器(25)的視場(chǎng)限定于所述發(fā)光體(13)的合適的部分，以及收集以熱的方式從那個(gè)部分對(duì)所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器發(fā)射的輻射。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體傳感器，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)包括用于限制所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器(32)的所述視場(chǎng)的孔口(30)和用于使合適范圍的IR波長(zhǎng)通過(guò)的濾光器(34)以及用于反射所述熱輻射的鏡子(31)、用于反射所述熱輻射的反射器(35)和用于收集和聚焦所述熱輻射的透鏡(29)中的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣體傳感器，進(jìn)一步包括用于將輻射發(fā)射通過(guò)所述呼吸氣體的紅外線(xiàn)源(20)和用于提供指示氧氣之外的至少一種呼吸氣體的信號(hào)的至少一個(gè)氣體檢測(cè)器(22)。
8.一種用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的氣體分析器，包括 用于發(fā)射輻射的發(fā)射器(12)； 氣道轉(zhuǎn)接器(8)，其具有輸送包含氧氣的呼吸氣體的流通道(21)； 至少部分地涂敷有發(fā)光體(13)的本體(14)，所述發(fā)光體(13)被所述發(fā)射器發(fā)射的所述輻射激勵(lì)，所述發(fā)光體與所述呼吸氣體接觸并發(fā)射發(fā)光輻射； 用于傳輸所述發(fā)光體發(fā)射的所述發(fā)光輻射的過(guò)濾器(18);以及 用于接收所述過(guò)濾器傳輸?shù)乃霭l(fā)光輻射的氧氣檢測(cè)器(16)； 其特征在于，所述氣體分析器還包括用于接收來(lái)自所述發(fā)光體(13)的熱輻射的紅外線(xiàn)測(cè)溫單元(25)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體分析器，其特征在于，所述紅外線(xiàn)測(cè)溫單元包括用于接收熱輻射的紅外線(xiàn)檢測(cè)器(32)和用于測(cè)量所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的溫度的溫度傳感器(26)，并且所述本體是窗口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體分析器，其特征在于，所述氧氣檢測(cè)器適合于基于所接收的指示氧氣濃度的發(fā)光輻射來(lái)提供信號(hào)，并且所述測(cè)溫單元適合于基于所接收的指示所述發(fā)光體(13)的溫度的熱輻射信號(hào)來(lái)提供信號(hào)，以及所述溫度傳感器適合于基于所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的所述溫度來(lái)提供信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的氣體分析器，進(jìn)一步包括處理單元(27)，所述處理單元(27)用于接收指示氧氣濃度的信號(hào)并用于接收指示所述發(fā)光體(13)的溫度的信號(hào)，以及用于接收基于所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的所述溫度的信號(hào)，并且所述處理單元適合于基于指示氧氣濃度的所述信號(hào)、指示所述發(fā)光體(13)的溫度的所述信號(hào)和基于所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器的所述溫度的所述信號(hào)來(lái)確定所述呼吸氣體的所述氧氣濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體分析器，進(jìn)一步包括用于將輻射發(fā)射通過(guò)所述呼吸氣體的紅外線(xiàn)源(20)和用于提供指示氧氣之外的至少一種呼吸氣體的信號(hào)的至少一個(gè)氣體檢測(cè)器(22)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體分析器，其特征在于，所述紅外線(xiàn)檢測(cè)器(25)與所述本體(14)分離。
14.一種用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的方法，包括 對(duì)至少部分地涂敷有發(fā)光體的本體發(fā)射輻射，所述發(fā)光體適合于在與所述呼吸氣體接觸時(shí)發(fā)射指示氧氣濃度的發(fā)光輻射； 過(guò)濾所述輻射，以傳輸所述發(fā)光輻射；以及 檢測(cè)所傳輸?shù)陌l(fā)光輻射， 其特征在于，所述方法還包括接收來(lái)自所述發(fā)光體的、指示所述發(fā)光體的溫度的熱輻射。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括測(cè)量所檢測(cè)的相的溫度。
全文摘要
本發(fā)明的名稱(chēng)為“用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的氣體傳感器、分析器和方法”。本文公開(kāi)一種氣體傳感器。該氣體傳感器包括發(fā)射器(12)，發(fā)射器(12)對(duì)至少部分地涂敷有發(fā)光體(13)的本體(14)發(fā)射輻射，發(fā)光體(13)在與呼吸氣體接觸時(shí)發(fā)射指示氧氣濃度的發(fā)光輻射。氣體傳感器還包括用于傳輸發(fā)光體發(fā)射的發(fā)光輻射的過(guò)濾器(18)和用于接收過(guò)濾器傳輸?shù)陌l(fā)光輻射的氧氣檢測(cè)器(16)。氣體傳感器還包括用于接收來(lái)自發(fā)光體(13)的熱輻射的紅外線(xiàn)測(cè)溫單元(25)。還提供一種用于測(cè)量呼吸氣體的氧氣濃度的氣體分析器和方法。
文檔編號(hào)G01J5/00GK102890069SQ20121024837
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者K.卡爾森 申請(qǐng)人:通用電氣公司