CN110505836A - 用于同时进行co2采样和o2递送的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种CO2监测系统(100)将具有已知特性的氧气(O2)(120，230)提供给受试者的罩(140)。所述CO2监测系统(100)从所述罩(140)接收气体样品(146)，所述气体样品包含由O2(120，230)稀释的呼出的CO2(144)。所述CO2监测系统(100)使用自适应噪声消除器(166，400)来通过使用提供给所述罩(140)的所述O2(120，230)的所述已知特性消除稀释的O2(120，230)，所述过程的结果是恢复如由所述受试者呼出到所述罩(140)中的所述CO2(144)的原始浓度水平。

Description

用于同时进行CO2采样和O2递送的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年2月20日提交的美国临时申请第62/461,121号的权益，所述美国临时申请的内容出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及用于对由受试者呼出的二氧化碳(CO2)进行采样的二氧化碳图系统，并且更具体地涉及实现对呼出的CO2进行可靠测量的方法和系统，尽管同时提供给受试者的氧气会稀释呼出的CO2。
背景技术
本节旨在向读者介绍本领域的各个方面，所述方面可能涉及在下文所描述和/或要求保护的本发明的技术的各个方面。本讨论被认为有助于向读者提供背景信息以促进对本公开的各个方面的更好理解。因此，应理解的是，这些陈述将从这个角度被解读，而不是作为对现有技术的承认。
人类呼吸循环包含一系列事件，在所述事件期间，受试者通过呼吸系统吸入并呼出给定体积的空气。呼吸系统包含肺，所述肺在呼吸期间摄入氧气并排出废气CO2。可以例如通过测量血液中的氧饱和水平和呼出的CO2的浓度来评估氧气和CO2在肺中的交换。在呼出CO2之后，另一呼吸循环随着下一次呼吸开始。
血氧饱和和呼出的CO2的浓度水平两者的正常水平可以证实受试者的呼吸系统的健康。例如，如果某人的血氧饱和水平正常，仍可能存在例如身体细胞不能使用血液中吸收的氧气所引起的或由于其所造成的呼吸功能障碍。通常，身体细胞利用氧气的能力越弱(并且存在的细胞的能力越弱)，受试者呼出的CO2浓度就越低。
患有、倾向于患有或易于患有呼吸问题的受试者的面(呼吸)罩通常包含用于以指定的速率向受试者递送氧气的氧气端口和用于抽出由受试者呼出的CO2的CO2样品的CO2端口。包含两个端口的常规罩具有缺点。一个缺点是采样的CO2被连续地递送给受试者的氧气稀释。由氧气(或由就此而言的任何其它气体)稀释CO2降低了CO2样品的浓度水平(分压)，从而造成CO2测量低于二氧化碳图标准并导致CO2浓度测量不准确或不正确，并且可能导致照料的医务人员得出关于受试者的真实呼吸情况的错误结论。其结果是，CO2采样端口通常位于面罩中、邻近于口/鼻开口，这使患者在佩戴面罩时不舒服。
尽管对CO2进行采样和递送氧气是有益的，但存在与同时使用两个功能(例如，在CO2稀释方面)相关的缺点。因此，有益的是具有方法和系统，在不损害CO2测量可靠性的情况下，所述方法和系统将促进以高可信度(例如，±4mmHg)对CO2样品进行可靠测量和分析(例如，实现对呼气末CO2(EtCO2)值的准确测量)以及以所需氧气流速(例如，以高达10升每秒(LPM)的氧气流速)同时递送氧气。
发明内容
一种CO2监测系统将具有已知特性的氧气提供给受试者的罩，并且所述CO2监测系统从所述罩接收包含由氧气稀释的呼出的CO2的气体样品并且使用自适应噪声消除器或其它方法来通过使用提供给所述罩的所述氧气的所述已知特性消除稀释的氧气，所述过程的结果是恢复如由所述受试者(最初)呼出到所述罩中的CO2的原始浓度水平。
附图说明
附图中展示了各个示范性实施例，这些实例不旨在是限制性的。应理解，为了说明的简单和清楚起见，下面引用的附图中所示的元件不一定按比例绘制。而且，在认为适当的情况下，附图标记可以在附图中重复以指示类似、对应或相似的元件。在附图中：
图1示出了根据本公开的实施例的CO2监测系统；
图2示出了根据本公开的实施例的对比图；
图3示出了根据本公开的实施例的氧气流重塑器；
图4示出了根据本公开的实施例的CO2/O2检测器；
图5示意性地展示了根据本公开的实施例的自适应噪声消除器(“ANC”)；并且
图6是根据本公开的实施例的使用图1的CO2监测系统恢复呼出的二氧化碳浓度水平的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述提供了示范性实施例的各个细节。然而，此描述不旨在限制权利要求的范围，相反，而是解释本公开的各种原理和实践其的方式。此外，为了提供这些实施例的简明描述，说明书中可能未描述实际实施方案的所有特征。应了解的是，在任何此实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计方案中，必须作出大量实施方案特定的决定以实现开发者的特定目标，如符合系统相关的和商业相关的约束，所述目标可能因实施方案而变化。此外，应了解的是，此开发努力可能复杂且耗时，但是这对受益于本公开的普通技术人员而言仍是设计、生产和制造上的例行工作。进一步地，当前实施例可以由一或多个计算机处理器和/或由专门电路系统实施，所述计算机处理器实施存储在有形、非暂态机器可读媒体上的一或多个机器可读指令，所述专门电路系统被设计成实施所讨论的特征。
面罩(呼吸罩)的设计总体上已经集中于氧气流与呼出的二氧化碳(CO2)之间的机械分离，以便减少由氧气(O2)对呼出的CO2的稀释。例如，某些罩包含用于使气体流中的一个气体流(例如，呼出的CO2流)转移以减少CO2的稀释效应的内部气体流‘转移’或‘分离’装置(例如，勺、管等)。
本发明的系统和方法实现了对简化(‘基础’)面罩的使用，所述面罩可以不包含此些装置。相反，允许呼出的CO2和提供给罩的O2在罩中混合(例如，允许由O2对呼出的CO2进行稀释)，但进入罩的O2的特性(例如，氧气流速、压力、幅度、频率等)在其进入罩之前是已知的。例如，在O2进入罩之前，可以对O2的特性进行预设或实时测量。通过了解进入罩之前O2的特性，可以减少稀释CO2样品的氧气‘噪声’，并且因此可以恢复经过稀释的CO2的测量(例如，在形状和幅度方面)。
在气体混合物中，每种气体具有分压，所述分压是当所述气体在同一温度下独自占用原始混合物的整个体积时的推算压力。理想气体混合物的总压力是每种单独气体掺和物在气体混合物中的分压的总和。单独气体(x)在气体混合物中的体积与气体分压之间的关系如下所示：
其中Vx是单独气体组分(x)的分体积，Vtot是气体混合物的总体积，px是气体x的分压，ptot是气体混合物的总压力，nx是气体x的物质的量，并且ntot是气体混合物中的物质的总量。
第一气体掺和物在两种气体混合物中的浓度水平和第二气体掺和物在两种气体混合物中的浓度水平是相互关联的，因为在假设气体混合物的总压力是固定的情况下，一种气体掺和物的浓度越大，另一种气体掺和物的浓度就越低。下式中给出了理想气体在气体混合物中的浓度(C)与理想气体的分压(P)之间的关系：
PA＝CARTA
其中CA(＝n/V)是时间为A时的气体浓度(以摩尔每升为单位)，n是溶质的摩尔数量，V是以升为单位的气体体积，R是气体常数，并且T是时间为A时的温度。
气体的这种特性促进恢复经过氧气稀释的呼出的CO2的浓度水平。也就是说，通过了解最初提供给呼吸罩的O2的已知特性(例如，频率和/或幅度)与CO2/O2气体混合物中的氧气掺和物的经过测量的特性之间的关系，可以将气体混合物中的CO2掺和物的经过测量的浓度恢复到与由受试者(最初)呼出的CO2浓度水平相同或类似的值。例如，CO2/O2气体中的氧气掺和物与最初提供给呼吸罩的O2越相似，为了恢复呼出的CO2的原始浓度水平而必须调整或修改的CO2浓度水平的程度就越低。另一方面，CO2/O2气体中的氧气掺和物与最初提供给呼吸罩的O2的相似度越低，为了恢复原始CO2浓度水平而必须调整或修改的CO2浓度水平的程度就越大。也就是说，如果氧气掺和物与最初提供给罩的O2显著不同，则这指示CO2/O2气体混合物中的氧气掺和物已经受到了具有相对较高浓度水平的CO2的影响。因此，恢复呼出的CO2水平可能需要对经过测量的CO2水平作出显著调整或修改。
自适应噪声消除器(ANC)在信号处理领域是已知的。自适应噪声消除是对被加性噪声或干扰破坏的信号进行估计的替代性方法。自适应噪声消除器使用“初级”输入和“参考”输入，所述“初级”输入含有被破坏的信号(在我们的情况下，被稀释的O2破坏的CO2信号)，所述“参考输入”含有以某种未知方式与初级输入中的噪声相关的噪声(在我们的情况下，稀释的O2)。所述参考输入被自适应地滤波并且从初级输入中减去，以获得信号估计。当参考输入不含信号噪声并且满足了某些其它条件时，在没有信号失真的情况下，可以基本上消除初级输入中的噪声。本公开的一些实施例使用ANC。其它实施例可以使用替代性噪声消除和信号估计方法。
图1示出了根据实例实施例的二氧化碳(CO2)监测系统100。二氧化碳监测系统100可以包含CO2测量和恢复(“CMR”)单元110、氧气源120、氧气流重塑器(OFR)130以及呼吸(氧气)罩140。氧气流重塑器130可以从氧气源120接收在例如已知的或预定的流速下的O2，并且可以以例如高频氧气脉冲(高频氧气流)的形式将输入氧气流142输出到罩140。氧气流重塑器130可以被配置成从氧气源120接收氧气流，并且对流入氧气的特性进行控制、调整或修改，使得氧气流重塑器130向罩140输出可用于患者呼吸和用于氧气信号消除过程的输入氧气流142。
在呼吸期间，还将呼出的CO2流144提供给罩140。因此，罩140接收高频氧气(例如，输入氧气流142)和呼出的CO2 144两者，并且因此在罩140中通过高频输入氧气流142对呼出的CO2 144进行稀释。
二氧化碳测量和恢复单元110测量如由氧气稀释的CO2浓度或CO2分压，并且将经过氧气稀释的CO2恢复到呼出的CO2 144的原始浓度。恢复呼出的CO2 144的浓度可以包含例如恢复呼出的CO2的形状、频率和浓度水平的幅值。二氧化碳测量和恢复单元110可以包含用于从罩140(例如，连续地或周期性地)接收或抽出气体样品146的气体抽样室(“GSC”)150。二氧化碳测量和恢复单元110还可以包含用于恢复CO2测量的CO2恢复单元(“CRU”)160。如本文所使用的，术语“恢复”旨在表示将经过测量的(经过检测的)CO2浓度水平调整或修改到真正地表示、指示或类似于最初(未经过稀释的)呼出的CO2的浓度水平的值。可以基于提供给罩140的氧气142以及还基于氧气掺和物的经过测量的特性(例如，浓度水平)来确定CO2浓度调整或修改的量。GSC 150从罩140接收的或抽出的气体样品146包含气体混合物，所述气体混合物包含经过稀释的CO2和稀释的氧气。气体混合物在本文中表示为CO2(s)+O2(n)，其中(s)表示“信号”(或数据)，所述“信号”(或数据)表示有待对其原始(未经过稀释的)浓度水平进行恢复的经过稀释的(受损的)CO2信号，并且(n)表示造成CO2稀释的氧气掺和物(“噪声”)。罩140中的(因此GSC 150中的)O2进而被CO2稀释，但其不具有临床意义，因为以使佩戴罩140的受试者尽可能有效地呼吸的方式将O2提供给罩140。此外，了解氧气掺和物的特性(例如，浓度水平)相对于提供给罩140的O2的特性促进对每种气体样品中的CO2掺和物的浓度水平的测定。
在一些实施例中，GSC 150可以包含两个单独的气体单元—一个气体单元用于检测呼出的CO2样品并且另一个气体单元用于检测O2样品。每个气体单元可以包含相应的气体检测器或与其相关联。本文所公开的实施例包含检测CO2和O2掺和物，并且使用提供给罩140的O2的特性来消除CO2/O2气体混合物中的O2‘组分’并且恢复最初(未经过稀释的)呼出的CO2的特性。因此，使用两个单独的气体单元对CO2和O2进行检测可以包含处理与两种气体检测有关的‘异相’和‘不同步’测量问题。例如，如果使用了两个单元测量选项，则两种气体样品(一种在CO2单元中，另一种在O2单元中)应保持在相同的物理条件下(例如，在压力、气体样品大小、流速和温度方面)和/或应同时测量。这可能是有用的，因为例如气体在气体混合物中的浓度是通过其分压测量的，并且为了获得可靠的结果，CO2恢复需要两个分压(一个是CO2的分压，另一个是O2的分压)同时与同一气体样品相关(例如，在其中测量)。
在我们的情况下，测量CO2在CO2/O2气体样品中的浓度包含测量CO2在CO2/O2气体样品中的分压，并且测量O2的浓度包含测量O2在CO2/O2气体样品中的分压。因此，测量单独的气体样品中的CO2和O2可能使CO2和O2读数出现偏差，并且因此导致不可靠地恢复呼出的CO2的未经过稀释的浓度水平。因此，优选地，在一些实施例中，GSC 120可以包含一个共用气体单元，所述共用气体单元被设计成促进对同一气体样品中的CO2掺和物(样品)和O2掺和物(样品)两者同时进行检测。
GSC 150可以包含CO2检测器152和氧气检测器154。二氧化碳检测器152和O2检测器154可以被配置成使得其可以在同一气体单元(因此在同一气体样品)中同时对CO2和O2分别进行检测，这对于氧气‘噪声’消除和CO2的浓度水平恢复过程是有益的。检测器152、154各自可以实时输出表示相应气体的浓度水平(例如，表示为分压)的模拟信号。例如，CO2检测器152可以生成包含模拟信号P_co2(t)的输出156，所述模拟信号表示CO2在CO2/O2气体样品中的分压，并且O2检测器154可以生成包含模拟信号P_o2(t)的输出158，所述模拟信号表示O2在CO2/O2气体样品中的分压。CO2检测器152和O2检测器154可以输出分别表示CO2在CO2/O2气体样品中的分压和O2在CO2/O2气体样品中的分压的数字数据，而并非输出模拟信号。
CRU 160可以接收信号P_co2(t)和P_o2(t)。此外，CRU 160可以接收表示提供给罩140的高频O2的特性的信号(或数据)132—O2(A,F)。O2(A,F)中的A表示O2的幅度，O2(A,F)中的F表示O2的频率。如本文所使用的，术语“高频氧气”旨在表示以高频率提供给罩140的O2。如本文所使用的，术语“高频”旨在表示高到足以促进通过ANC(例如，ANC 166)或通过数字信号处理等在经过氧气稀释的CO2混合物中的氧气掺和物与经过氧气稀释的CO2混合物中的CO2掺和物之间进行区分的频率。可以基于处于12BPM与25BPM之间的正常呼吸速率(每分钟呼吸数，“BPM”)选择可以将O2提供给罩140的频率。因此，以例如至少是平均BPM的十倍的频率提供给罩140的O2可以被视为高频氧气。例如，以例如300次每分钟的速率提供给罩140的O2可以被视为高频氧气。通常，ANC、数字信号处理(DSP)等在检测经过氧气稀释的CO2信号/数据中的O2信号/数据方面越有效(例如，越‘敏感’)，“高频”就可以越低。在一些实例中，将O2提供给罩的频率可以处于5Hz到10Hz的范围内。如应理解的，还可以使用其它频率范围。
CRU 160可以包含处理器162和自适应噪声消除器(“ANC”)166。ANC 166可以接收分别表示经过测量的CO2和O2的分压的信号156和158。另外，ANC 166可以接收信号132。处理器162最初可以计算用于ANC 166的系数矩阵，并且ANC 166可以将系数矩阵应用于信号156、158和132。ANC 166可以生成输出164，所述输出包含表示经过恢复的CO2浓度水平的信号并且处理器162可以迭代地重新计算用于ANC 166或所述ANC的系数矩阵，以便ANC 166在每次迭代中使误差值最小化，所述误差值表示高频氧气(根据信号132)的特性与如由O2检测器154测量的O2掺和物的特性之间的差异。
ANC 166可以迭代地使误差值最小化，例如直到误差值小于预定的阈值。通常，误差值越小，由164处的ANC的输出信号表示的CO2浓度水平越接近寻求的呼出的CO2144的浓度水平。信号164可以显示在计算机显示器102上。显示器102在170处示出三个呼吸循环期间的经过恢复的(未经过稀释的)CO2浓度(以mmHg为单位)。
在一些实施例中，用于监测呼出的CO2的浓度水平的系统可以包含与GSC 150相同或类似的从罩接收气体样品的GSC，所述罩与附着到受试者面部的140相同或类似。每种气体样品可以包含源自提供给罩的输入氧气流(如输入氧气流142)的氧气掺和物和除此以外由受试者呼出到罩中的CO2。系统还可以包含与CO2检测器152相同或类似的用于检测气体样品中的CO2的浓度水平的CO2检测器以及与氧气检测器154相同或类似的用于检测气体样品中的氧气掺和物的浓度水平的氧气检测器。系统还可以包含与CRU160相同或类似的CRU，所述CRU用于基于输入氧气流(例如，输入氧气流142)的特性和在气体样品中检测到的氧气掺和物的浓度水平来恢复由受试者呼出的CO2(144)的浓度水平。系统还可以包含用于显示信号(例如，信号170)的计算机显示器(例如，计算机显示器102)，所述信号表示呼出的CO2(例如，CO2 144)的经过恢复的浓度水平。
CO2检测器(例如，检测器152)和氧气检测器(例如，检测器154)可以分别被配置成对同一气体样品中的CO2和氧气同时进行检测。例如，如果气体样品在第一方向上流动，则可以将一个检测器安置(朝向)在第二方向上，所述第二方向相对于第一方向成第一角度，并且可以将另一个检测器安置(朝向)在第三方向上，所述第三方向相对于第一方向和第二方向成第二角度。所述第一角度和所述第二角度可以是90度。可以选择其它角度用于第一角度、第二角度或两者。
图2示出了展示高频输入氧气流142对呼出的CO2 144的稀释作用的曲线图。曲线图示出了受到稀释的高频输入氧气流190损害之后的CO2信号180(以压力单位mmHg测量)。如图2所示，具有脉冲频率F(F＝1/T)的高频氧气流190被示出为叠加在CO2信号180上。稀释的氧气对CO2测量的另一个影响是，根据本文关于气体分压的描述，由于输入氧气流190的稀释作用，CO2的幅值通常低于其应当的幅值(例如，低于在受试者的鼻孔处呼出的CO2的幅度)。
图3示意性地展示了根据本公开的实施例的氧气流重塑器(OFR)200。OFR 200可以包含管210和齿轮，通过所述管，氧气可以从氧气源流到氧气罩(例如，罩140)，所述齿轮示意性地示出在220处、用于控制管210中的氧气动力学。管210包含氧气230以恒定流速流入的氧气入口部分和高频氧气240流出氧气罩(例如，罩140)的氧气出口部分。在例如齿的数量、大小、形状和角距方面，将齿轮220设计成使得穿过管210流动的O2致使齿轮220绕着齿轮220的旋转轴线250旋转，从而生成高频氧气流240。在齿轮220旋转期间，齿轮220将循环阻力引入到氧气流，从而造成循环变化的氧气流。齿轮220的旋转轴线250垂直于管210的纵向轴线260(垂直于管210中氧气流的方向)。
图4是根据实例实施例的CO2/O2检测器300。CO2/O2检测器300包含气体采样单元(GSC)310，气体样品320穿过所述GSC流动。CO2/O2检测器300还包含CO2检测器和O2检测器。CO2/O2检测器300实现了对同一气体样品中的(例如，同一气体混合物中的)CO2和O2掺和物的同时测量，如本文所述，这对CO2恢复过程是有益的。
CO2检测器可以包含用于将IR光(例如，波长为4,300nm)辐射到GSC 310中并穿过所述GSC的红外线(IR)灯330和用于感测穿过GSC 310(例如，穿过气体样品)的IR光的IR光传感器340。GSC 310中的气体混合物(气体样品)的CO2浓度或分压越高，撞击在IR光传感器340上的IR光的强度就越低。
O2检测器可以包含用于将激光束(例如，波长为760-765nm)发射到GSC 310中并穿过所述GSC的激光源350和用于感测穿过GSC 310的激光的激光传感器360。GSC 310中的气体混合物(气体样品)的O2浓度或分压越高，撞击在激光传感器360上的激光的强度就越低。O2检测器还可以包含参考激光传感器370(例如，用于增加O2检测的准确性)和半透明反射镜380，所述半透明反射镜使源于激光源350的激光中的一些激光穿过其，朝向(主要)激光传感器360，但所述半透明反射镜还使激光的一部分偏转到参考激光传感器370。
可以将二氧化碳检测器152和氧气检测器154分别组装到GSC 310上，以实现同时对同一气体样品中的CO2和O2进行检测。因此，每个经过测量的CO2浓度值具有共轭氧气测量的浓度值。例如，如果气体(空气)样品320沿方向302流动，则CO2检测器330和CO2传感器340可以安置在GSC 310的相对侧上，并且形成可以例如垂直于气体(空气)流动方向302的线304(‘CO2测量线或轴线’)。氧气检测器350和O2传感器360也安置在GSC 310的相对侧上，并且形成可以例如垂直于气体(空气)流动方向302和CO2测量线304的线306(例如，‘氧气测量线或轴线’)。CO2测量线304和氧气测量线306可以形成可以垂直于气体流动方向302或相对于所述气体流动方向成其它角度的平面。CO2测量线304、O2测量线306与气体(空气)流动方向302之间的角度可以是90度，尽管可以选择其它角度。
图5示出了根据本发明的实施例的自适应噪声消除器(ANC)400。可以以与ANC 400类似的方式操作图1的ANC 160。ANC 400包含初级输入410和参考输入420。初级输入410从信号源接收信号s，所述信号源由于噪声n的存在而被破坏。信号s和噪声n不相关。参考输入420接收噪声n0，所述噪声与信号s不相关，但以某种方式与噪声n相关。噪声n0(在420处)穿过自适应滤波器430，以产生作为初级输入410中的输入噪声n的近似估计的输出(在440处)。从被破坏的信号(s+n)410中减去(在450处)噪声估计(440)，以产生作为ANC 400的输出的估计(460)。
在噪声消除系统中，实际的目标是产生最适合于(例如，在最小二乘的意义上)信号s的系统输出通过将系统输出反馈回自适应滤波器并且通过使用例如使总系统输出功率最小化的最小均方(LMS)自适应算法调整滤波器来实现此目标。换言之，系统输出可以用作自适应过程的误差信号。
对于ANC 400，以下等式中给出了信号的信号功率：
取两侧期望值并且实现s与n0和不相关，
因为将滤波器调整成使最小化，所以信号功率自身E[s2]不受最小化过程的影响。也就是说：
因此，当将滤波器调整成使输出噪声功率E[s2]最小化时，输出噪声功率E[s2]也被最小化。由于输出中的信号保持恒定，因此总输出功率的最小化使输入信噪比最大化。由于这相当于使输出成为信号s的最佳最小二乘估计。
通过类比，根据本公开的一些实施例，ANC 400的初级输入410处的被破坏的信号(s+n)表示气体混合物或样品的受损的(经过稀释的)CO2掺和物，并且ANC 400的参考输入420处的噪声信号n0表示信号或数据，所述信号或数据表示稀释罩中的CO2的高频氧气流的特性。可以将表示气体样品中的CO2和氧气掺和物两者的第一数据提供给ANC400的输入410(“第一输入”)，并且同时可以将表示输入氧气流的特性的第二数据提供给ANC 400的输入420(“第二输入”)。ANC 400可以使用第一数据和第二数据来实时消除表示气体样品中的氧气掺和物的氧气噪声信号，并且同时消除氧气噪声信号以输出由受试者呼出的CO2的经过恢复的浓度水平。如本文结合气体混合物中的气体分压所描述的，考虑到两种气体混合物的恒定压力，一种气体掺和物的分压越小，另一种气体掺和物的分压就越大。因此，表示气体样品/混合物中的氧气掺和物的信号消除地越多，CO2掺和物的分压将越大。作为氧气消除过程的结果CO2可以达到的(例如，可以恢复到的)最大浓度水平是呼出的CO2的原始浓度水平(例如，呼出的CO2在由罩中的氧气稀释之前的浓度水平)。
如上面看到的，自适应噪声消除器以相关消除的原则工作(例如，ANC输出包含初级输入信号，相关估计在参考输入处可用的组分被除去)。因此，ANC能够仅仅(从被破坏的信号)除去与参考输入处的噪声相关的噪声。
图6示出了根据本公开的实施例的恢复呼出的二氧化碳浓度水平的方法。下文结合图1描述了图6。在步骤510中，将输入氧气流142提供给附着到受试者的罩140。输入氧气流142的特性可以是已知的。例如，可以例如通过预设输入氧气流的一或多个参数(例如，频率、幅度、流速等)并且保持贯穿整个CO2监测程序的一或多个预设参数来预先确定输入氧气流142的特性。另外地或可替代地，可以通过在继续将氧气提供给罩140时实时对其进行测量来确定输入氧气流142的特性。下文描述的步骤520到550可以由CMR单元110(或由类似系统)执行，所述CMR单元可以是CO2监测系统100的部分(或类似系统的部分)。
在步骤520中，对由受试者在呼吸循环期间(例如，在一系列连续呼吸循环中)呼出的二氧化碳进行监测的CMR单元110从罩140接收或吸出在146处示出的一或多种气体样品。每种气体样品(气体混合物)可以包含CO2样品和除此以外O2掺和物样品，所述O2掺和物样品源自输入氧气流142并在特征上(特征方面)与所述输入氧气流相关。CMR单元110可以从罩140中连续地或定期地(例如，根据预定间隔)、或间歇地或偶尔接收或吸出气体样品。
在步骤530中，CMR单元110可以同时检测每种气体样品146中的CO2样品的浓度水平和O2掺和物样品的浓度水平。在步骤540中，基于在GSC 150对CO2样品的浓度水平和O2样品的浓度水平进行检测时(也就是说，与检测所述浓度水平的时间在时间上同步)存在的输入O2流142的特性并且还基于在同一气体样品中检测到的O2掺和物的浓度水平，CMR单元110可以恢复(例如，估计)由受试者在呼吸循环期间呼出的CO2样品的浓度水平。可以重复560同一恢复过程以进行随后的呼吸循环。
在步骤550中，CMR单元110可以向计算机系统输出164表示呼出的CO2浓度的经过恢复的(例如，估计的未经稀释的)浓度水平的信号或数据以用于呼吸循环，并且如果需要的话用于随后的呼吸循环。计算机可以对表示呼出的CO2浓度的经过恢复的浓度水平的信号或数据进行处理，并且基于所述处理，计算机可以引入与呼出的CO2的经过恢复的浓度水平相关的临床数据。另外地或可替代地，计算机可以随着时间的推移将呼出的CO2 170的浓度水平显示在计算机显示器102上。可以类似地重复560上文描述的步骤以用于同一呼吸循环中的随后的气体样品146，并且如果需要的话，可以类似地重复560上文描述的步骤以用于随后的呼吸循环。
恢复由受试者在呼吸循环期间呼出的CO2样品144的浓度水平可以包含修改GSC150在气体样品/混合物146中检测的CO2样品的浓度水平。恢复呼出的CO2 144的浓度水平可以包含测定并使用输入氧气流142的特性。测定输入氧气流142的特性可以包含设置或预先确定输入氧气流142的特性(例如，参数)并且保持输入氧气流142的预定特性，同时对呼出的CO2进行监测(例如，测量)。测定输入氧气流142的特性可以包含测量输入氧气流142的参数。输入氧气流142的参数可以选自由以下组成的组：将输入氧气流提供给罩140的频率和输入氧气流142的幅度。可以使用频率参数和幅度参数两者，而非使用频率参数或幅度参数中的一个参数。
检测气体样品146中的CO2样品的浓度水平和氧气掺和物的浓度水平可以包含：(i)将气体样品146或气体样品146的一部分提供给GSC 150；以及(ii)同时检测GSC 150中含有的气体样品146中的CO2和氧气掺和物两者的浓度水平。
恢复呼出的CO2 144的浓度水平可以包含消除表示气体样品146中的氧气掺和物的氧气‘噪声’信号。消除氧气噪声信号或数据可以由ANC 166实现。使用ANC 166可以包含改变ANC 166的一组系数。可以基于ANC 166的输出处的信号或数据改变ANC166的一组系数。
通过ANC 166消除氧气噪声信号可以包含：(i)将表示气体样品146中的CO2和氧气掺和物的叠加的第一数据(在410处)提供给ANC 166的第一输入410(例如，“初级”输入)；(ii)将表示输入氧气流142的特性的第二数据(在420处)提供给ANC 166的第二输入420(例如，“参考”输入)；以及(iii)使用(基于)第一数据和第二数据，调整ANC 166的一组系数，以便使ANC 166恢复由受试者呼出的CO2的浓度水平并且输出由受试者呼出的CO2的经过恢复的浓度水平。
本文所描述的方法可以进一步包含校准CMR单元110的步骤。校准过程可以包含：(i)仅将输入氧气流142提供给罩140并检测气体样品中的氧气分散(浓度)水平和/或仅将呼出的CO2 144提供给罩142并检测气体样品中的CO2浓度水平，以便对CO2再呼吸进行估计；以及(iii)基于氧气分散水平和/或基于估计的CO2再呼吸，设置输入氧气流142的参数。
本文所公开的各个实施例的各个方面可以与本文所公开的其它实施例相结合。尽管本文论述的部分可以涉及恢复呼出的CO2的CO2水平的特定方法，但本公开的实施例在此方面不受限制，并且可以包含例如使用各种数字信号处理(“DSP”)算法或技术等。
尽管本文论述的部分可以涉及特定类型的ANC，但本公开在此方面不受限制，并且可以包含其它类型的ANC等。信号处理领域技术人员将理解如何实施ANC来恢复呼出的CO2的真正浓度水平，并且将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以作出例如对ANC和对CO2/O2共用采样单元和对CO2/O2检测器的各种变化、变型和修改。

Claims (20)

1.一种恢复呼出的二氧化碳(CO2)浓度水平的方法，其包括：
将输入氧气流提供给附着于受试者的罩；
使用被配置成监测由所述受试者在呼吸循环期间呼出到所述罩中的CO2的CO2监测系统来执行以下步骤：
从所述罩中抽出气体样品，所述气体样品包含呼出的CO2和源自所述输入氧气流的氧气(O2)掺和物；
在所述气体样品中检测所述CO2和所述O2掺和物的浓度水平；以及
基于所述输入氧气流的特性和在所述气体样品中检测到的所述氧气掺和物的所述浓度水平来恢复如由所述受试者在所述呼吸循环期间呼出的所述CO2的浓度水平；以及
在计算机显示器上显示针对所述呼吸循环的表示所述呼出的CO2的经过恢复的浓度水平的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中恢复由所述受试者在所述呼吸循环期间呼出的所述CO2的所述浓度水平包括对在所述气体样品中检测到的所述CO2的所述浓度水平进行修改。
3.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述气体样品中的所述CO2的所述浓度水平和所述O2掺和物的所述浓度水平包括：将所述气体样品或所述气体样品的一部分提供给共用气体采样室，并且同时检测所述共用气体采样室中含有的所述气体样品中的所述CO2和所述O2掺和物的所述浓度水平两者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中恢复所述呼出的CO2的所述浓度水平包括测定所述输入氧气流的所述特性。
5.根据权利要求4所述的方法，其中测定所述输入氧气流的所述特性包括设置所述输入氧气流的参数并且保持所述输入氧气流的预定参数，其中所述参数包括将所述输入氧气流提供给所述罩的频率和所述输入氧气流的幅度或其组合。
6.根据权利要求4所述的方法，其中测定所述输入氧气流的所述特性包括测量所述输入氧气流的参数，其中所述参数包括将所述输入氧气流提供给所述罩的频率和所述输入氧气流的幅度或其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中恢复所述呼出的CO2的所述浓度水平包括消除表示所述气体样品中的所述O2掺和物的氧气噪声信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中消除所述氧气噪声信号包括使用自适应噪声消除器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中使用所述自适应噪声消除器包括基于由所述自适应噪声消除器输出的信号或数据改变所述自适应噪声消除器的系数。
10.根据权利要求9所述的方法，其中消除所述氧气噪声信号包括：
将表示所述气体样品中的所述CO2和所述O2掺和物两者的第一数据提供给所述自适应噪声消除器的第一输入；
将表示所述输入氧气流的特性的第二数据提供给所述自适应噪声消除器的第二输入；以及
通过使用所述第一数据和所述第二数据来消除表示所述气体样品中的所述O2掺和物的所述氧气噪声信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其包括校准所述CO2监测系统，所述校准包括：仅将初始输入氧气流提供给所述罩并检测相应的气体样品中的氧气分散水平和/或仅将呼出的CO2提供给所述罩并检测相应的气体样品中的初始CO2浓度水平，以便对CO2再呼吸进行估计；以及基于所述氧气分散水平和/或基于经过估计的CO2再呼吸来设置所述输入氧气流的参数。
12.一种被配置成监测呼出的二氧化碳(CO2)浓度水平的系统，所述系统包括：
气体采样室，所述气体采样室被配置成从附着于受试者面部的罩中接收气体样品，所述气体样品包含源自提供给所述罩的输入氧气流的氧气(O2)掺和物和由所述受试者呼出到所述罩中的CO2；
CO2检测器，所述CO2检测器被配置成检测所述气体样品中的CO2的浓度水平；
O2检测器，所述O2检测器被配置成检测所述气体样品中的O2掺和物的浓度水平；
CO2恢复单元，所述CO2恢复单元被配置成基于所述输入O2流的特性和在所述气体样品中检测到的所述O2掺和物的所述浓度水平来确定由所述受试者呼出的所述CO2的经过恢复的浓度水平；以及
计算机显示器，所述计算机显示器被配置成显示表示具有所述经过恢复的浓度水平的所述呼出的CO2的信号。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述CO2检测器和所述O2检测器分别被配置成同时检测同一气体样品中的CO2和O2。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述CO2恢复单元包括自适应噪声消除器。
15.根据权利要求12所述的系统，其包括O2流重塑器，所述O2流重塑器被配置成从O2源接收O2流并且控制流入的O2的特性，以便向所述罩输出所述输入氧气流。
16.根据权利要求12所述的系统，其包括所述罩。
17.一种被配置成监测二氧化碳(CO2)的未经稀释的浓度水平的系统，所述系统包括：气体采样室，所述气体采样室被配置成从附着于受试者面部的罩中接收稀释CO2气体样品，其中所述稀释CO2气体样品包括氧气(O2)掺和物与CO2的混合物，并且其中所述CO2是由所述受试者在呼吸循环期间呼出的；
CO2检测器，所述CO2检测器安置在所述气体采样室内并且被配置成检测所述稀释CO2气体样品中的CO2；
O2检测器，所述O2检测器安置在所述气体采样室内并且被配置成检测所述稀释CO2气体样品中的所述O2掺和物；以及
CO2恢复单元，所述CO2恢复单元包括处理器，所述处理器被配置成监测所述稀释CO2气体样品中的所述CO2的浓度水平和所述O2掺和物的浓度水平，并且基于进入所述罩中的O2流的特性和在所述稀释CO2气体样品中检测到的O2掺和物的所述浓度水平来确定如由所述受试者在所述呼吸循环期间呼出的CO2的所述未经稀释的浓度水平。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述处理器被配置成对在所述稀释CO2气体样品中检测到的所述CO2的所述浓度水平进行修改，以确定CO2的所述未经稀释的浓度水平。
19.根据权利要求17所述的系统，其包括自适应噪声消除器，所述自适应噪声消除器被配置成消除表示所述稀释CO2气体样品中的所述O2掺和物的氧气噪声信号，以确定所述CO2的所述未经稀释的浓度水平。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述O2流的所述特性包括测量所述流的参数，所述参数包括将所述O2流提供给所述罩的频率、所述O2流的幅度或其组合。
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