CN101600391A - 包括多功能导气管适配器的新陈代谢测量系统 - Google Patents
包括多功能导气管适配器的新陈代谢测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于测量新陈代谢参数的系统(300)。所述系统包括集成的导气管适配器(20，100，200)，所述导气管适配器能够按照每次呼吸实时地监测呼吸流量、O2浓度以及CO2、N2O和麻醉剂中一种或几种的浓度的任意组合。呼吸流量可以通过压力差流量计在多种入口条件下借助改良的传感器配置来进行监测，所述改良的传感器配置将相位延迟及导气管内死区降到最小。分子氧气浓度可通过发光淬灭技术来进行监测。红外吸收技术可被用于监测CO2、N2O以及麻醉剂中的一种或几种。
Description
优先权要求
根据35U.S.C.§120/365的规定，本申请是2007年2月1日提交的美国专利申请No.11/701,187的部分继续申请；美国专利申请No.11/701,187是2001年4月24日提交的、当前未决美国专利申请No.09/841,451的部分继续申请；美国专利申请No.09/841,451是以下申请的部分继续申请：(a)1998年6月5日提交的美国专利申请No.09/092,260，目前美国专利号为No.6,312,389，美国专利申请No.09/092,260是1996年7月15日提交的美国专利申请No.08/680,492、目前美国专利号为No.5,789,660的继续申请；(b)1998年8月4日提交的美国专利申请No.09/128,897，目前美国专利号为No.6,815,211；以及(c)1998年8月4日提交的美国专利申请No.09/128,918，目前美国专利号为No.6,325,978。
技术领域
本发明涉及一种使用多功能导气管适配器的新陈代谢测量系统，该系统监测人体呼吸中的氧气(O2)量，以及人体呼吸中的二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)、或者除了一氧化二氮之外的其它麻醉剂中一种或多种的总量的呼吸流量。更具体地，本发明涉及一种使用集成式导气管适配器的新陈代谢测量系统，该系统能够通过发光淬灭技术实时地或者以每次呼吸的方式来监测气体(例如O2)的组分或浓度，并且监测呼吸流量以及气体(例如CO2、N2O以及麻醉剂)组分或浓度中的一个或两者，所述气体组分或浓度的监测是通过红外吸收技术实现的。
背景技术
A.呼吸气体监测
被设置成与病人导气管连通从而监测病人呼吸中的物质(例如气体或水蒸汽)的各种类型传感器在现有技术是已知的。分子氧气、二氧化碳、以及包括一氧化二氮的麻醉剂是可以通过已知传感器检测到的物质类型。
通常地，侧流气体传感器在外科处置期间使用，用于将病人情况指示给麻醉师。呼吸气体传感器也被用在多种其它医学处置中，例如在踏车上进行的个人心脏负荷测试、用于监测个人身体状况的其它测试、或者类似处置。侧流取样需要使用小孔取样管路，用于将气体从呼吸回路中引出从而进行远程分析。与侧流气体取样相关的问题是众所周知的并且包括以下：
a)由于水及病人分泌物的存在所导致的取样管路的阻塞；
b)当流量与气体浓度测量结合在一起时，引入了可产生同步困难的可变延迟；
c)由于低通滤波造成的信号保真度丢失；以及
h)排出物(包括麻醉剂、血液、分泌物等)的处置。
用于检测呼吸及麻醉气体的主流传感器的使用有可能解决与侧流传感器相关的问题，特别是在结合气体和流量和/或压力信号时。
B.红外吸收
红外吸收长期用于检测和监测病人呼吸中的气体，例如CO2、N2O、或者其它麻醉剂。在红外吸收(IR)技术中，一种或多种波长以及已知强度的红外光被引导到呼吸气体的气流中。这种辐射的波长根据被分析气体而选择，每种气体吸收一种或多种特定辐射波长。通过呼吸气体气流的辐射的强度(该辐射通常被成为“衰减辐射”)被测量出来并且与发射到气流中的已知辐射强度进行对比。这种强度的对比提供了关于被各种被分析气体所吸收的各种波长辐射的量，由此提供了关于病人呼吸中气体量(即，浓度或者组分)的信息。
1989年8月22日授予Knodle等的美国专利4,859,858(‘858专利)以及4,859,859(‘859专利)，以及1992年10月6日授予Apperson等的美国专利5,153,436(‘436专利)均公开了包括用于测量病人呼吸中一种或多种特定气体量的红外吸收型传感器的设备。
一般地，红外气体传感器、例如在‘858，‘859以及‘436专利中所公开的，包括红外辐射从其发射出来的辐射源。发射出来的红外辐射被反射镜聚焦成光束。光束传输通过被分析的气体样本。在通过气体之后，红外辐射光束通过滤光器。该滤光器反射所有辐射，除了与被相关气体所吸收的频率所对应的窄波段辐射。这种窄辐射波段被发送到探测器，该探测器产生电输出信号，该电输出信号的大小与入射到探测器的红外辐射强度的大小成比例。由于通过滤光器的辐射强度会衰减到与相关气体浓度成比例的程度，因此由探测器产生的信号强度与相关气体浓度成反比。
被设置成基本上同时地测量病人呼吸中不止一种类型气体量的红外(IR)型气体传感器也是公知的。1994年3月22日授予Braig等的专利5,296,706(‘706专利)中公开了一种这样的传感器，该传感器包括多个分离的通道，便于进行六种或更多不同麻醉剂的独立检测。Burte，E.P.等在名称为“Microsystems for measurement and dosage ofvolatile anesthetics and respirative gases in anestheticequipment”，MEMS 98 Proceedings.，The Eleventh AnnualInternational Workshop on Micro Electro Mechanical Systems，510-514页(1998)(Burte论文)中公开了一种主流、多通道传感器设备，该设备被配置用于同时地测量病人呼吸中麻醉气体组合的量。
红外型气体传感器通常采用比色皿、经由鼻插管或者气管内管以及机械通气机来对病人呼吸进行采样。比色皿将呼吸气体引导到特定的气体通路并且在红外辐射发射器和红外辐射传感器之间设置光学通路，所述发射器和传感器均可拆卸地连接到比色皿。
通常的比色皿由聚合物或者其它适当的材料模制而成并且具有通道，该通道限定了用于被监测气体的流动通路。光学通路经过比色皿侧壁中、沿着流动通道相对侧面对齐的窗口而穿过气体的流动通路，允许红外辐射光束穿过比色皿。
窗口基本上由蓝宝石制成，由于蓝宝石良好的光学特性。然而，蓝宝石是相对昂贵的材料。因此，这些比色皿几乎总是清洁的、无菌的以及重复使用的。比色皿的清洁及除菌耗费时间且不方便，并且比色皿的重复使用会造成巨大的污染风险，特别是当比色皿先前用于监测遭受传染性和/或感染性疾病的病人的话。
已经进行尝试采用通过用多种聚合体制成的窗口来代替蓝宝石窗口从而降低比色皿的费用。在用聚合体窗口代替蓝宝石比色皿窗口时遇到的一个主要问题是建立及保持穿过被分析样品的精确光学通路长度。这是由于以下因素：聚合体材料的尺寸稳定性的缺乏、不能消除窗口中的皱纹、以及缺乏一种将窗口保持在沿着光学通路的精确位置的系统。
由聚合体(包括聚丙烯)制成的比色皿窗口会限制流经导气管适配器并且可以通过红外技术监测或测量的物质类型。这是由于聚合体通常包括碳氢化合物，所述碳氢化合物会限制聚合体对于被用于测量某种物质数量的部分红外线以及其它可能辐射波长的透射率。
1997年12月21日授予Rich的美国专利5,693,944(‘944专利)公开了一种比色皿、使用该比色皿的方法、以及制造该比色皿的方法。在‘944专利中公开的比色皿以及使用方法消除了先前试图用聚合体代替蓝宝石窗口时所遇到的问题。‘944专利公开了用可延展均聚体(例如双向拉伸聚丙烯)制成的精加工窗口，厚度范围在25微米到125微米。这种廉价聚丙烯材料的使用允许制造出一次性、可抛弃的比色皿。
C.发光淬灭以及燃料电池
发光淬灭以及燃料电池是已被用于测量气体中氧气浓度的技术。在发光淬灭用于测量氧气浓度的使用中，可发光材料被激发从而发光。当可发光材料暴露于包括氧气的气体混合物时，根据可发光材料所暴露的氧气量(即，浓度或组分)或者气体混合物中的氧气量而发生发光淬灭。由此，可发光材料的发光量的下降率或者发光淬灭(即，可发光材料发射出的光量)对应于气体混合物中的氧气量。
一般地，发光淬灭需要来自于辐射源的激发辐射向着发光化学过程的可发光材料发射，所述发光化学过程可被待测量的一种或多种气体类型(例如，氧气、二氧化碳、氟烷，等)所淬灭或者专用于所述气体类型。激发的辐射引起可发光材料被激发并且发射出波长与激发辐射所不同的电磁辐射。一种或多种相关气体的存在会淬灭或者减少从可发光材料发射的辐射量。从可发光材料发射的辐射量被探测器所测量并且与没有一种或多种淬灭气体时从可发光材料发射出的辐射量进行对比从而便于确定病人呼吸中一种或多种检测到的、淬灭气体的量。
一般的燃料电池包括被电解质包围的金阴极以及铅阳极。薄膜保护阴极和阳极。被监测的气体通过薄膜扩散到电池中。氧气在燃料电池中引起电化学反应。由此，燃料电池产生了与气体中氧气的局部压力成比例的电流。这样，由燃料电池产生电流量指示出被分析气体中的氧气浓度。美国专利申请号10/494,273(公开号2004/0267151)中公开了一种使用燃料电池的主流气体监测系统的示例，该申请的内容通过引用而被结合在此。
发光淬灭以及燃料电池已被用于多种应用，包括在诊断技术中。发光淬灭或燃料电池在主流氧气传感器中的使用也被公开。尽管如此，这些主流传感器没有设置成应用其它气体监测技术或者测量呼吸流动，而是严格地限制了这些发光淬灭以及燃料电池型传感器的功能性。
D.呼吸流量监测
在重症监护室中麻醉管理期间以及运动员和其它个人在训练项目过程及药物测试之前及期间的身体情况监测中的呼吸流动测量能提供有价值的信息，用于肺部功能以及呼吸回路完整性的评定。多种不同技术已被用于形成满足重症监护室要求的流量计。已被使用的流量测量方案包括：
a)压力差-测量通过阻碍流动(流阻)的压降或差值；
b)回转叶片-计算设置在流动通路中的叶片的转数；
c)热线流速计-测量加热线由于流经线的气流而导致的冷却；
d)超声多普勒-测量超声束流经流动气体时的频移；
e)涡旋脱落-计算当气体流过安置在流动主流中的支架时涡旋脱落的数目；以及
f)飞行时间-测量由上游产生的声音或热量脉冲到达设置在下游的传感器的到达时间。
前述方案均具有不同的优点和缺点，并且大部分这些前面提到的装置的精彩讨论可在W.J.Sullivan，G.M.Peters，P.L.Enright，M.D，“Pneumotachographs：Theory and ClinicalApplicatio”，Respiratory Care，1984年7月，Vol.29-7，pp.736-49，以及在C.Rader，“Pneumotachography，a Report for the Perkin-ElmerCorporation”，发表于1982年10月召开的the California Society ofCardiopulmonary Technologists conference中发现。
当前，大多数用于呼吸流量检测的常用装置是压力差流量计。流量与穿过流动阻碍或其它限流装置的压降之间的关系依赖于限流装置的设计。已经提出许多不同的限流装置配置。这些配置中多数的目标是获得流量与压力差之间的线性关系。
在某些压力差流量计中，一般称为“呼吸速度描记器”，限流装置被设置成产生流量与压力差之间的线性关系。这种设计包括Fleisch呼吸速度描记器，其中限流装置包括多个小管或者细网，从而确保层流流动以及对于流动的线性响应。另一种按照自然规律的配置是具有小孔的限流装置，所述小孔可相对于流量改变。这种设置具有在低流量时产生高阻力以及在高流量时产生低阻力的作用。除了其它缺点之外，Fleisch呼吸速度描记器容易受到由潮湿和粘性所引起的性能损坏的影响，并且可变孔流量计会经受材料疲劳以及生产可变性。
大多数已知的现有技术中的压力差流量传感器在暴露于小于理想气体流量摄入条件时会产生缺陷，并且进一步与它们在基本上动态流量范围内以有意义、精确、可重复的方式检测压力差的能力方面存在固有的设计问题。这在流量传感器需要可靠及准确地测量低流速(例如婴儿的呼吸流速)时尤为如此。
1995年1月10日授予Kofoed等的美国专利5,379,650(‘650专利)已经克服了具有包括管状壳体的传感器的压力差流量传感器的大部分主要问题，所述管状壳体容纳沿直径定向的、纵向延伸的支架。‘650专利中公开了的流量传感器的支架包括具有纵向分开的压力端口的第一和第二管腔，所述端口通向各个轴向定位的凹口中，所述凹口形成在支架的各个端部。
过去几十年间病人监测的发展已经显示出呼出气体流速、O2浓度、CO2浓度以及N2O和各种其它麻醉剂的浓度的各种结合的并发测量提供了关于麻醉和治疗决策有用的信息。通过结合流量、导气管压力、O2和CO2测定值，可以计算出于人体新陈代谢状态有关的CO2消除量(VCO2)和氧气消耗量(VO2)。同时，这些测定值能够提供呼出的O2或者CO2浓度相对于排出体积的图形表示，所述图形表示提供了关于肺部不同隔室中气体交换的信息。
尽管包括流量及红外CO2传感器的集成式适配器是公知的，但是分离的设备目前对于获取O2测定值以及CO2或者N2O以及其它麻醉剂的呼吸流量的测定值来说是必要的。为了同时地获取呼吸O2信号、呼吸流量信号、导气管压力信号以及CO2、N2O或者麻醉剂数量的信号表示的组合而言所需的各种设备将需要多个部件，如果这些部件在主流配置中可以获得的话。这种多个传感器在病人导气管中的“堆叠”是麻烦的，并且增加了不希望的体积(死区)以及对于呼吸回路的阻碍。
非常希望具有在一个配置中将发光淬灭传感器与红外气体传感器及呼吸流量传感器中的一个或两者结合的导气管适配器，它便于使用并且将相位延迟和组合的内部死区降到最小。
发明内容
本发明涉及一种新陈代谢测量系统，该系统包括集成的导气管适配器，用于根据每次呼吸实时地监测人体呼吸中诸如O2、CO2、N2O以及麻醉剂的物质的量，人体呼吸包括通常的呼吸气体以及被人体吸入和呼出的其它物质。本发明的导气管适配器是一种紧凑型适配器，其将至少两种功能集成到单个单元中，以满足临床病人监测的需要。导气管适配器包括不同类型物质检测部件的组合或者一种或多种物质检测部件与呼吸流量检测部件的组合。根据这些测量结果，能够确定新陈代谢参数，诸如氧气浓度或者氧气摄取量、二氧化碳产生量或者二氧化碳排除量、呼吸商(RQ)、静息能量消耗(REE)、以及这些参数的任意组合。
在本发明的示例性实施例中，结合了本发明教示的集成式导气管适配器的O2传感部包括燃料电池以及一定量可发光材料，可发光材料的发光由于暴露到O2而淬灭，所述可发光材料设置成与流动通路连通，呼吸气体沿着该流动通路运送通过导气管适配器，从而使可发光材料暴露于呼吸气体。O2传感部的可发光材料可以通过导气管适配器的可取下、可更换部分被运送，从而便于导气管适配器的重复使用。激发辐射源可被设置成连接到导气管适配器，从而将辐射通过导气管适配器的窗口并且向着可发光材料引导从而激发可发光材料发光或者发射出辐射。从受激发的可发光材料发射的辐射量可用检测器测量，该检测器也被设置用于与导气管适配器装配在一起并且检测通过导气管适配器窗口发射的辐射。
本发明还提出了集成式导气管适配器还包括流量传感器。在一个实施例中，流量传感器是包括两个压力端口的呼吸速度描记器，其便于产生横过呼吸速度描记器的小孔的压力差。一个压力端口便于监测导气管压力。可选择地，流量传感器可具有两个以上的端口，其中至少一个端口便于测量导气管压力。呼吸流量传感器最好具有能够适应多种气流摄入条件的能力，而不需要增加显著的系统体积或者对通过本发明集成式导气管适配器的呼吸气流增加过多阻碍。本发明的呼吸流量传感器的设计同样基本上阻止液体引入到传感器的压力端口或者监测系统中。
流量传感器可包括流阻元件(无论支架还是气体浓度监测部)，其产生非线性压力差信号。为了在极高或极低流速下获得足够精确度，可使用高分辨率(例如18-bit或者20-bit)模数(A/D)转换装置。这种极高分辨率A/D转换器的使用允许数字处理器通过使用以查询表为特征的传感器而从测得的压力差计算出流量。这种技术消除了对可变或多级增益放大器以及可变补偿电路的需要，所述放大器和电路会另外地需要使用低分辨率A/D转换器(例如12-bit A/D转换器)。
可选择地，或者除了流量传感器之外，结合本发明教示的集成式导气管适配器可包括气体传感器，其设置成测量人体呼吸中CO2、N2O、或者麻醉剂的量。作为示例，导气管适配器可包括应用红外吸收技术的气体传感器。这种示例性气体传感器可包括腔，该腔具有一对相对的、基本上轴向对齐的窗口，该对窗口在穿过导气管适配器的流动通路两侧。窗口最好对于电磁光谱中至少中红外部分的辐射具有高透射率。对于红外气体传感器的准确度来说重要的是，用于窗口的材料能够传输入射到窗口上的红外辐射中的有用部分。这样，窗口材料必须具有适当的光学特性。优选的窗口材料非限制性地包括：蓝宝石以及双向定向聚丙烯。窗口基本上轴向的对齐允许红外辐射光束从红外辐射源行进、横向地穿过腔以及流经腔的气体、到达红外辐射检测器。可选择地，导气管适配器可包括单个窗口以及反射元件，例如反射镜或者反射涂层。这些元件便于将红外辐射导入以及横过所述腔以及将红外辐射向回反射穿过并且离开所述腔从而到达辐射检测器。来自于检测器的信号便于确定流经腔的呼吸中一种或多种气体，例如CO2、N2O以及麻醉剂的量。
集成式导气管适配器可以是可重复使用或者一次性的。如果导气管适配器被设计成一次性的，那么红外吸收窗口以及便于检测发光淬灭的窗口可以由廉价材料制成。如果导气管适配器被设计成是可重复使用的，红外气体传感器的窗口可以从导气管适配器的其余部分拆卸下来，从而便于非一次性窗口的清洁和消毒。可选择地，窗口可以在其清洁和消毒期间保持在导气管适配器上。如果可发光材料被安置于一个或两个窗口的任意部分之上，那么在清洁期间可发光材料可从窗口上取下并且随后更换，或者如果可发光材料能够抵挡住清洁和消毒操作的话，可发光材料可以在这些操作期间保留在窗口上。
注模工艺可被用于制造本发明的导气管适配器。可以从注模工艺获得的产品的一致性能够提供高度的互换性，由此消除了对在安装期间或者一次性适配器更换时所执行的校准程序的需要。
此外，集成式导气管适配器可包含有特定仪器连接图，从而便于外部部件(例如，红外发射器和检测器、发光淬灭源和检测器等等)与导气管适配器的适当装配，以及便于导气管适配器与呼吸导气管的适当装配。例如，但并非限制本发明的范围，导气管适配器可包括颜色、光学编码或者其它适当类型的编码，从而便于正确的装配或者可被设置成防止不适当的装配。
本发明的这些及其它目标、特征以及特性，连同结构相关元件的操作方法和功能以及部件的组合和制造的经济性，将通过接下来参考附图的描述和附加权利要求而变得更加清楚，所有这些形成了该说明书的一部分，其中不同附图中的类似附图标记代表相应部件。应当明确理解的是，附图仅用于解释和描述目的并且并非用于发明限制的确定。在说明书和权利要求中使用的单数词也包括复数个对象，除非行文明确地表示出相反的意思。
附图说明
图1是本发明的导气管适配器的第一优选实施例的分解透视图，该导气管适配器与换能器(transducer)壳体相结合，该壳体容纳有用于呼吸及麻醉剂气体确定的电子元件；
图2是本发明的导气管适配器的第一优选实施例的侧视图；
图2A是本发明的导气管适配器的第一优选实施例的顶视图；
图3是从平面3-3观察的图2中的导气管适配器的端视图；
图4是图2中的导气管适配器的侧视截面图；
图5是从平面5-5向上观察的图4中的导气管适配器的截面图，该平面5-5横向地延伸穿过本发明导气管适配器的轴线；
图6是从图4中的平面6-6观察的图2和4中的导气管适配器的另一个截面图，并且示意性地显示了与该导气管适配器装配在一起的换能器；
图7是导气管适配器的截面示意图，该导气管适配器包括单个窗口和一对相对的窗口，通过该单个窗口能获得一种或多种物质的发光淬灭测量值，通过该一对相对的窗口能获得一种或多种物质的红外测量值；
图8是导气管适配器的截面示意图，该导气管适配器包括单个窗口以及另一个单个窗口和对应的光学元件，通过该单个窗口能获得一种或多种物质的发光淬灭测量值，通过另一个单个窗口和对应的光学元件能获得一种或多种物质的红外测量值；
图9和11是根据本发明的导气管适配器以及换能器的可选实施例的截面装配图，其中包括一对相对的窗口，通过所述窗口能获得一种或多种物质的发光淬灭和红外测量值；
图10和12分别是图9和11中所示的导气管适配器实施例的导气管适配器窗口的局部视图；
图13是包括单个窗口的导气管适配器的截面示意图，通过该单个窗口可进行红外和发光淬灭测量值；
图14是沿着图13中的线14-14的截面图，同时显示了与导气管适配器装配在一起的换能器；
图15是本发明的导气管适配器的第二优选实施例的侧视图；
图16是本发明的导气管适配器的第三优选实施例的侧视图；
图17是图16中的导气管适配器的侧视截面图；
图18是图16中的导气管适配器的底视图；
图19是本发明的导气管适配器的第四优选实施例的侧视图；
图20是图19中的导气管适配器的侧视图；
图21是沿着图19中的线21-21的导气管适配器的端视图；
图22是沿着图19中的线22-22的导气管适配器的端视图；
图23是从平面23-23观察的图19中的导气管适配器的截面图；
图24是从平面24-24观察的图19中的导气管适配器的截面图；
图25是从平面25-25观察的图19中的导气管适配器的截面图；
图26是从平面26-26观察的图19中的导气管适配器的截面图；
图27是根据本发明原理的新陈代谢测量系统的第一实施例的示意图；
图28是根据本发明原理的新陈代谢测量系统的第二实施例的示意图；
图29是根据本发明原理的新陈代谢测量系统的第三实施例的示意图；
图30是根据本发明原理的新陈代谢测量系统的第四实施例的示意图；
图31是根据本发明原理的新陈代谢测量系统的第五实施例的示意图；以及
图32是导气管适配器与流量测量系统相结合的示意图。
具体实施方式
图1-5显示了实施本发明教示的示例性导气管适配器20。导气管适配器20最好是整体式、注模塑料元件，从而提供低制造成本以及允许单次使用后传感器的抛弃，分离的换能器壳体22容纳有红外发射器252、红外检测器254、发光激发辐射源256以及发光检测器258(图6)。然而，这种配置并非必要。如图所示，导气管适配器20具有基本上平行六面体中心部32，该中心部32在第一管状部24和第二管状部26之间、并且与第一管状部24和第二管状部26轴向对齐，流动通路34以从一端到另一端的方式延伸穿过导气管适配器20。
所示导气管适配器20被设置成与呼吸回路相连接，该呼吸回路与病人导气管连通。导气管适配器20可连接到病人通气装置与机械通气设备的管道系统之间。例如，导气管适配器20的第一管状部24可连接到插入到病人气管内的气管内管，而导气管适配器20的第二管状部26连接到机械通气设备的管道系统。可选择地，导气管适配器20可被连接到呼吸面罩或者侵入性不及气管内管的其它设备。导气管适配器20不需要被连接到机械通气设备，而是可以连接呼吸气体源(例如氧气源)或者直接与病人所在环境的空气连通。如图所示，第一管状部24和第二管状部26具有变化直径以及基本上圆形截面的孔，气体浓度监测部28设置在它们之间。第二管状部26容纳呼吸流量监测装置30。
气体浓度监测部28包括气体传感部230，该传感部被设置成采用发光淬灭技术来测量流经导气管适配器20的氧气或其它气体的局部压力或量。如图1、2A、4和5所示，也被称为“气体传感器230”的气体传感部230包括暴露于流动通路34的一定量可发光材料232，所述流动通路34延伸穿过导气管适配器20。气体传感部230还包括窗口234，以便采用一种或多种激发波长的辐射使可发光材料232或者一些可发光材料的组合激发，以及测量从可发光材料232激发出的一种或多种辐射波长的强度，如图1、2A和4所示。对于激发可发光材料232的激发辐射的波长以及对于从可发光材料232发射出的辐射波长，窗口234最好具有高的透过率。
特别参考图4和5，可发光材料232最好由薄膜236或基底所携带，所述薄膜或基底设置在流动通路34上或者是流动通路34表面的整体部分。可选择地，携带可发光材料232的薄膜236可被设置在导气管适配器20与流动通路34连通的其它部位。
可发光材料232可被散布遍及薄膜236中形成的通道或者开口。穿过薄膜236的通道或开口具有大约0.1微米至大约10微米的直径或宽度，这是由于分子氧穿过这种尺寸薄膜的扩散常数足够大，从而便于提供足够短持续时间的发光淬灭响应时间，从而便于以每次呼吸的方式或者实时地测量发光淬灭率。换句话说，这些薄膜236的尺寸便于使可发光材料232在氧气及其它发光淬灭物质流经或流过薄膜236时能够基本上立即地暴露于这些物质。
如果导气管适配器20可重复使用，那么薄膜236可以从导气管适配器20的剩余部分上去除，从而便于将其更换成携带可发光材料232的新薄膜236，并且由此便于准确地确定出出导气管适配器20随后使用的氧气或其它气体的浓度。可选择地，如果可发光材料232能够经得起导气管适配器20所经受的清洁及消毒操作，那么薄膜236可以永久地紧固到导气管适配器20并且在适配器清洁和消毒之后再次使用。
卟啉是一种可用作可发光材料232的材料示例。卟啉是稳定的有机环结构，该结构通常包括金属原子。当金属原子是铂或钯时，磷光衰减时间范围为大约10μs到大约1000μs。卟啉对于分子氧也是敏感的。当卟啉被用作可发光材料232时，最好使得卟啉在重复使用中基本上保持所有的光电应激能力。换句话说，最好使卟啉是“耐光的”。发光卟啉，例如meso-四苯基卟啉是尤其耐光的。可被用作可发光材料232以便进行氧气检测的各种类型卟啉非限制性地包括：meso-四(五氟)苯基卟啉铂、meso-四苯基卟啉铂、meso-四(五氟)苯基卟啉钯以及meso-四苯基卟啉钯。当然，在暴露于氧气、二氧化碳或者其它被分析物质(例如气体、液体或蒸汽)时发生淬灭的其它公知可发光材料类型也可被用于结合本发明教示的导气管适配器中。
薄膜236最好由与可发光材料232相适应的材料形成。此外，最好使薄膜236的材料与呼吸气体相适应，并且对于病人以及最好对于环境来说是无毒的。
被用于形成薄膜236的材料非限制性地包括：多孔聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯聚合体以及丙烯酸共聚体。具体地，可以从Pall Gelman Sciences of Ann Arbor，Michigan以及从Whatman，Inc.of Clifton，New Jersey购得的微孔聚碳酸酯过滤薄膜(径迹刻蚀微孔聚碳酸酯过滤薄膜，厚度大约10μm以及孔尺寸为大约0.4μm)可被用于薄膜236。
如前面在此所指出的，最好使薄膜236对于呼吸气体包括氧气是可透过的。随着呼吸气体流经、流入或者流过薄膜236，包括氧气的呼吸气体与薄膜所携带的可发光材料232接触。从可发光材料232发射出来的发光或者辐射强度随后被淬灭到基于呼吸气体中的氧气或其它发光淬灭气体量的程度。薄膜236对于呼吸气体的可透过性还对暴露于呼吸气体的可发光材料232颗粒数目产生影响、并且由此可影响到当可发光材料232暴露于流过薄膜236的呼吸气体中存在的氧气及其它发光淬灭气体时所发生的发光淬灭的量。
可发光材料232可通过公知工艺施加给薄膜236。通过示例并且不限制本发明的范围，溶剂可被用于将可发光材料232引导到薄膜236的表面上，以及引导到其开口中。优选地，溶剂基本上不会溶解薄膜236的材料。然而，溶剂会以引起薄膜236及其开口膨胀的方式与薄膜236的材料相互作用，从而便于将可发光材料232引入到开口中。可被用于将可发光材料236应用到薄膜236的示例性溶剂非限制性地包括：己烷、石油乙烷、甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯乙烯、二甲苯、二氧杂环己烷、异丙醇以及丁醇，以及上述任意的混合物。当然，特定溶剂的使用取决于它与可发光材料232以及薄膜236材料的适应性。一旦可发光材料232被施加到薄膜236，溶剂可被蒸发或者另外地以将可发光材料232留在薄膜236表面上以及开口中的方式从薄膜236上去除。
可选择地，如图6所示，可发光材料232可被夹在两层薄膜236之间。不会显著降解可发光材料232的溶剂将薄膜材料236溶解，足以将薄膜236彼此结合从而形成单一复合薄膜240，但是基本上不会改变薄膜236的结构。可发光材料232保持在两层薄膜236之间并且可以至少局部地透过薄膜236。由于薄膜236将可发光材料232围在其中间，因此相对于被单一薄膜236所容纳的可发光材料232的浓度，复合薄膜240中能够包括可发光材料232的增大浓度。
参考图4，传感器230可包括薄膜236上方的覆盖层242。覆盖层242可由聚合体(例如与形成薄膜236相同类型的聚合体)制成，或者与形成薄膜236不同类型的聚合体制成。覆盖层242基本上不会阻止人体呼吸中的气体与可发光材料232接触。覆盖层242也会改进或者调节薄膜236的各种特性，非限制性地包括：薄膜236的光吸收特性、薄膜236的光传导特性、以及薄膜236对于各种气体的透过性。作为使用覆盖层242调节薄膜236特性的示例，通过向薄膜236施加由更少透过性材料形成的覆盖层242，能够降低薄膜236对于氧气或其它呼吸气体的透过性。
可用公知方法将覆盖层242施加到薄膜236。例如，溶解的聚合体可被施加到薄膜236从而形成覆盖层242。可选择地，预先形成的覆盖层242可通过已知方法附着到薄膜236，只要被覆盖的薄膜236保持期望的特性。
在气体传感器230使用时，传感器的薄膜236最好设置在已知类型的热源例如热容器244上方。热容器244与加热部件246连通(图6)，该加热部件246将热容器244加热到期望的、基本恒定的温度。由于热容器244接触薄膜236，因此热容器244又将薄膜236加热到基本恒定温度。因此，热容器244基本上防止薄膜236或者薄膜上的可发光材料232的温度变化影响到由流经可发光材料232的氧气或其它物质所引起的发光淬灭。
热容器244与加热部件246可彼此连通的方式的一个示例包括在换能器壳体22上提供浮动的、热传导加热部件246(图6)。在将换能器壳体22与导气管适配器20连接时，加热部件246和热容器244以能够从加热部件246向热容器244提供有效热量传递的方式彼此接触。
如图6所示，换能器壳体22至少局部地容纳辐射源256，该辐射源256发射出一种或多种波长的电磁激发辐射，所述电磁激发辐射将可发光材料232激发到发光。例如，辐射源256可包括发光二极管(LED)，其发出可见光形式的激发辐射。辐射源256最好发射出具有能够激发可发光材料232发射出期望辐射强度的波长的激发辐射。由辐射源256发射出的激发辐射穿过透镜257并且由该透镜聚焦，该透镜257将聚焦的激发辐射导向可发光材料232。
换能器壳体22还容纳检测器258的至少一部分，该检测器258设置成接收从可发光材料232发射出的辐射并且设置成测量这种发射辐射的强度。由此，检测器258定为成向着窗口234以及向着可发光材料232。优选地，滤光器259被设置在可发光材料232与检测器258之间，从而防止与可发光材料232发射出的电磁辐射不同的电磁辐射波长干扰发光以及由检测器258获得的发光淬灭测量。也可被应用在本发明中的发光淬灭型传感器的其它特征和优点在2001年12月4日授予Labuda的美国专利6,325,978中公开，该申请被转让给与本发明相同的受让人。
导气管适配器20的气体浓度监测部28提供了用于换能器壳体22的底座。整体式、U形外壳元件36可靠地将换能器壳体22定位成横过导气管适配器20并且沿着图1中箭头38所示横向方向。箭头38还显示了换能器壳体22移动从而可拆卸地将换能器壳体22装配到导气管适配器20的方向。在优选实施例中，换能器壳体22在导气管适配器20上卡扣在位，如‘858和‘859专利中所公开的，不需要工具将导气管适配器20和换能器壳体22装配或者将换能器壳体22从导气管适配器20上取下。
中心部分32还可包括红外传感器部33，其分别地具有第一以及第二轴向对齐的窗口40和42(图4中仅显示出窗口42)。窗口40和42最好对于电磁光谱中至少中红外部分的辐射具有高透射度。第一窗口40和第二窗口42基本上轴向对齐使得红外辐射光束从换能器壳体22的一个腿22a中的红外发射器252行进、横向地穿过导气管适配器20以及流经导气管适配器20的流动通路34的一种或多种气体、到达换能器壳体22的相对的基本平行的腿22b中的红外检测器254。
用于红外吸收测量的比色皿窗口40和42通常由蓝宝石制造而成，这是由于蓝宝石优良的光学特性、稳定性以及对破裂、刮花以及其它损坏形式的抵抗性。可选择地，通过用适当聚合体来制造蓝宝石窗口，由此比色皿的费用可被减少到一定程度，使得实际当中能够在一次性使用之后抛弃比色皿。聚合体使入射到它上面的红外辐射的可用部分透过，这对于气体浓度监测器的红外吸收部的准确度来说是非常重要的。这样，窗口材料必须具有适当的光学特性，用于测量期望的物质。一种能够针对测量病人呼吸中存在的二氧化碳量而表现出这种特性的示例性窗口材料为双向拉伸聚丙烯。根据材料用于特定辐射波长的透射率，也可以使用其它材料，所述特定辐射波长是用于检测病人呼吸中特定物质的存在及量。
再次参考图1到6，换能器壳体22被显示支撑电子部件，所述电子部件被设计成便于一种或多种参考信号以及一种或多种与流经导气管适配器20的对应呼吸或麻醉气体浓度有关的信号的输出。换能器壳体22的红外发射器252被设置成将一种或多种波长的红外辐射穿过窗口40导入到导气管适配器20的中心部分32中、穿过中心部分32内的呼吸气体样本以及穿过窗口42导出中心部分32。当换能器壳体22与导气管适配器20装配在一起时设置成靠近窗口42的红外检测器254被设置成接收穿过窗口42离开导气管适配器20中心部分32的红外辐射信号。
最好实时地监测人体呼吸中的CO2、N2O或者麻醉剂的量的红外检测器254的内部配置和设计完全地在美国专利5,616,923(‘923专利)中介绍。可以理解的是，红外CO2监测装置例如‘858、‘859以及‘436专利中公开的那些，以及其它CO2检测装置，都可被用于换能器壳体22中。除了一种或多种红外传感器之外，红外检测器254可包括其它部件的任一组合，包括参考传感器、光学器件(例如透镜、滤光器、反射镜、分光器等)、冷却器以及类似装置。
由红外检测器254检测的红外信号可被求出比值从而提供精确地以及动态地表示流经导气管适配器20的CO2、N2O或者麻醉剂的量的信号。
图7显示了导气管适配器20”以及与其装配在一起的互配的换能器壳体22”的另一个实施例。
导气管适配器20”包括穿过其顶部形成的窗口234。窗口234对于激发薄膜236上的可发光材料232的辐射波长是透射的(即，具有高透射率)，所述薄膜236设置在流动通路34中并且靠近窗口234。此外，窗口234对于从可发光材料232中发射并且被所分析物质淬灭到与人体呼吸中或者其它气体混合物中被分析物质的量相关程度的一种或多种辐射波长是透射的。
此外，导气管适配器20”包括设置在流动通路34的相对侧面上的窗口40和42。窗口40和42便于将一种或多种特定红外波长的辐射引导穿过流动通路34，从而便于测量人体呼吸经过流动通路34的位置时存在于人体呼吸中的一种或多种物质(例如二氧化碳或一氧化二氮或者其它麻醉剂)的量，窗口40和42设置在所述位置之间。因此，窗口40和42均最好由对于期望用于测量人体呼吸中一种或多种物质的量的红外波长基本上透明(即，具有高透射率)的材料形成。
换能器壳体22”容纳辐射源256的至少一部分，该辐射源256设置用于将能够激发可发光材料232发光的一种或多种辐射波长引导穿过窗口234、向着可发光材料232。辐射源236可包括光学器件(例如，滤光器、透镜、分光器等)，所述光学器件将辐射导向适当位置并且过滤掉由辐射源256发射的一种或多种不希望的辐射波长。此外，换能器壳体22”支撑发光检测器258，以及与之相关联的任一光学器件(例如，滤光器、透镜、分光器等)，所述光学器件分别地设置成接收以及检测至少一种由可发光材料232发射并且通过暴露于相关物质而被淬灭到指示出可发光材料232所暴露的物质量的程度的辐射波长。
红外发射器252和红外检测器254被分别地设置在换能器壳体22”的相对腿22a”和22b”中。红外发射器252被定向在换能器壳体22”中从而当换能器壳体22”与导气管适配器20”装配在一起时能够将一种或多种红外辐射波长引导穿过窗口40、经过流动通路34、以及穿过窗口42。当换能器壳体22”与导气管适配器20”装配在一起时设置成靠近窗口42的红外检测器254被定向成接收和检测由辐射源256发射的、穿过窗口42离开导气管适配器20”的一种或多种红外辐射波长。
如图8所示，可选择地、或者与在此公开的其它导气管适配器特征相组合，结合本发明教示的导气管适配器20包括单个窗口40，红外发射器252和红外检测器254可以用于通过该窗口测量人体呼吸中的物质(例如二氧化碳、一氧化二氮或者其它麻醉剂)的量。导气管适配器20的窗口40被设置在流动通路34的一侧上，从而便于将一种或多种红外辐射波长引导到流动通路34中，而光学器件41被设置成从窗口40起至少部分地横过流动通路34，该光学器件反射或者另外地重新定向红外辐射波长使其返回横过流动通路34以及穿过窗口40。
窗口40可由对于理想用于测量人体呼吸中一种或多种物质的量的红外波长基本上透明(即，具有高透射率)的材料形成。
光学器件41可包括一个或多个反射镜或反射层，以及其它已知类型的光学部件(例如，透镜、滤光镜等)，从而将起源于换能器壳体22中红外发射器252以及引入到导气管适配器20的流动通路34中的辐射束引导返回横过流动通路34、穿过窗口40，以及到达设置成靠近红外发射器252并且由换能器壳体22所支撑的红外检测器254。
如前面所述实施例，导气管适配器20被设置成接收换能器壳体22，所述壳体支撑红外发射器252以及红外检测器254。在换能器壳体22和导气管适配器20装配在一起时，红外发射器252被定向成使得它被定位成将红外辐射波长发射进入到窗口40、至少部分地横过流动通路34、向着光学器件41。同样地，在导气管适配器20和换能器壳体22装配到一起时，红外检测器254被定向成接收已被光学器件41重新定向从窗口40返回的红外辐射波长。
随着一种或多种红外辐射波长行进横过流动通路34靠近窗口40的至少一部分以及通过流经那部分流动通路34的人体呼吸，每个红外波长可被衰减到或者强度降低到与人体呼吸中存在的对应物质的量相关的程度。
结合本发明教示的导气管适配器的其它示例性实施例被显示在图9到12中。如图9到12所示，本发明的导气管适配器120可包括单对窗口140和142，通过所述窗口红外测量和发光淬灭测量都可以获得。
窗口140对于将可发光材料232激发发光的至少一种辐射波长是基本上透明的(即，具有高透射率)。此外，窗口140对于测量流经流动通路34位于窗口140和142之间位置的呼吸中或者其它气体混合物中存在的一种或多种物质的量有用的一种或多种红外辐射波长是基本上透明的。
窗口140对于一种或多种红外辐射波长是基本上透明的，窗口142对于该红外辐射波长也基本上透明的。窗口142对于从可发光材料232发射出来的至少一种辐射波长也是基本上透明的，该辐射的强度以指示出流动通路34内呼吸中所测得物质的量的比率降低。
尽管辐射可流经窗口140任一部位，携带可发光材料232的薄膜236被定位成靠近窗口142的一部分。如图9和10所示，薄膜236是半圆形状。图11和12显示了具有环形形状并且设置成靠近窗口142外部边缘的薄膜236。其它形状以及覆盖窗口142不同部位的薄膜236也落入本发明范围之内。
设置成与导气管适配器120互配的换能器壳体122包括两个腿122a和122b，其中之一(第一腿122a)被配置成位于靠近窗口140、以及另一个(第二腿122b)被配置成位于靠近窗口142。
换能器壳体122的第一腿122a支撑红外发射器252以及辐射源256，所述辐射源256发射出至少一种能够激发可发光材料232的辐射波长。红外发射器252和辐射源256都被定位成将它们各自的辐射波长发射到窗口140以及穿过流动通路34。尽管红外发射器252也被定向成能够将由其发射出的辐射引导穿过窗口142的无遮挡(通过薄膜236)部位，但是辐射源256被定向成引导由其发出的辐射向着薄膜236，从而使由薄膜236携带的可发光材料232激发发光。
作为可选的，如果薄膜236以及薄膜上面的可发光材料232对于被用来检测流经导气管适配器120的呼吸中或者其它气体中存在的二氧化碳或一种或多种其它物质的局部压力或量的一种或多种红外辐射波长是基本上透明的，那么薄膜236可基本上覆盖窗口142。
换能器壳体122的第二腿122b支撑红外检测器254和发光检测器258。红外检测器254被定位成接收以及检测穿过窗口142离开导气管适配器120的一种或多种红外辐射波长。发光检测器258被定向成接收和检测从可发光材料232发射并且被淬灭或者强度降低到表示可发光材料232所暴露的呼吸中待监测物质的量的程度的一种或多种辐射波长。
作为图9和11所示实施例的可选方案，辐射源256可被安置在换能器壳体122的第二腿122b中并且定位成引导辐射向着窗口142的一部分，其上具有可发光材料232的薄膜236被定位成靠近所述窗口142的一部分。作为另一个可选方案，发光检测器258和辐射源256中的一个或者两者可被换能器壳体122的第一腿122b所支撑。
图13和14显示了包括本发明教示的导气管适配器20’的另一个示例性实施例，该导气管适配器20’包括单个窗口40’，通过该窗口能够获得人体呼吸中氧气、二氧化碳以及麻醉剂的量的测量。如图所示，携带可发光材料232的薄膜236’被定位在流动通路34’中位于窗口40’的一部分上。尽管薄膜236’被显示成环形形状并且覆盖窗口40’的周边，但是具有其它薄膜形状的导气管适配器同样落入本发明范围之内。此外，携带可发光材料232的薄膜不需要被定位在窗口40’上，而是可以另外地定位在流动通路34’内其它位置或者位于与流动通路34’流体连通的位置。
导气管适配器20’还包括一个或多个反射镜41’，所述反射镜41’被定位成便于通过窗口40’测量人体呼吸中氧气、二氧化碳以及麻醉气体中一种或多种的量。如图所示，导气管适配器20’包括一个反射镜41’，该反射镜41’便于表示人体呼吸中的二氧化碳和/或麻醉剂的量的测量值的收集。仅通过示例，反射镜41’可被成形或者定位在流动通路34中，从而反射已通过窗口40’引入到流动通路34中并且已经横过流动通路34返回通过窗口40’从而行进至少一部分距离的辐射。当然，反射镜41’实际当中可包括一组反射镜或者其它光学元件(例如，滤光镜，透镜等)或者已知类型的光学器件，从而便于将特定波长的辐射引导到适当位置。
如图14所示，被配置成与导气管适配器20’装配在一起的换能器壳体22’包括辐射源256以及对应的发光检测器258。辐射源256发射出至少一种激发可发光材料232的电磁辐射波长。辐射源256被定位成将一种或多种激发辐射波长引导穿过窗口40’并且到达可发光材料232上。从可发光材料232发射的至少一部分辐射随后被发光检测器258接收。发光检测器258检测从可发光材料232发射出来的至少一种辐射波长，该辐射波长指示流经流动通路34的呼吸中或者其它气体混合物中存在的氧气的量。
如图14所示，换能器壳体22’还可支撑红外发射器252和红外检测器254。红外发射器252发射用于检测流动通路34’内的呼吸中或者其它气体混合物中存在的二氧化碳、麻醉剂、或者其它气体或被蒸发材料的量的一种或多种辐射波长。如图所示，红外发射器252被定位成将一种或多种辐射波长引导到窗口40’中、至少部分地横过流动通路34’、以及向着反射镜41’。反射镜41’随后将一种或多种辐射波长向回反射到窗口40’中辐射将被红外检测器254接收或检测的位置。
当然，一个或多个透镜可与辐射源256’和/或发光检测器258’相关联，从而聚焦由辐射源256’发射或者被发光检测器258’接收的辐射。一个或多个滤光器可类似地与辐射源256’相关联从而限制可发光材料232暴露其中的辐射波长。而且，一个或多个滤光器可与发光检测器258’相关联从而限制可由其接收的辐射波长。
基本上参考图1-5、13和14，导气管适配器20、20’以及换能器壳体22、22’可由聚碳酸酯或相当刚性、尺寸稳定的聚合体模制而成。无论如何，当选择用于形成导气管适配器20、20’的材料时，多个因素，非限制性地包括被使用的可发光材料232的类型、激发可发光材料232的辐射波长、可发光材料232发射的辐射波长、以及用于检测其它物质(例如二氧化碳或者一氧化二氮或者其它麻醉剂)的辐射波长也可被纳入考虑。当选择形成换能器壳体22、22’的一种或多种材料时，这些因素也可被考虑进去。
当结合本发明教示的导气管适配器20、20’包括可发光材料232时，形成导气管适配器20、20’以及换能器壳体22、22’的材料最好防止可发光材料232暴露于可激发可发光材料232的环境光波长(即，所述材料对于这种辐射波长是不透明的)。此外，气体适配器20、20’以及换能器壳体22、22’的材料最好防止发光检测器258暴露于与由可发光材料232受到激发而发射并且被淬灭或者强度降低到表示可发光材料232暴露于其中的氧气或其它被分析气体或者被蒸发材料的量的程度的环境辐射波长相同的辐射波长。气体适配器20、20’以及换能器壳体22、22’之一或者两者还可装备有可以进一步防止可发光材料232和发光检测器258暴露于不希望的环境辐射波长的光密封元件或者光学滤光器。
还优选地，形成气体适配器20、20’以及换能器壳体22、22’的材料不会发射或者以荧光形式发出可能会激发可发光材料232的、或者由于气体适配器20、20’以及换能器壳体22、22’暴露于环境辐射或者暴露于由红外发射器252、辐射源256或者受激发可发光材料232发射的辐射波长而导致的由其发射的辐射波长。
一种或多种辐射波长由其通过传输的气体适配器20、20’或者换能器壳体22、22’的某些部位(例如窗口40)最好由不会吸收大量由其通过传输的一种或多种辐射波长的材料形成。换句话说，气体适配器20、20’或者换能器壳体22、22’的这些部位应当对于表示病人呼吸中一种或多种特定物质的量的辐射波长来说是相对透明的。仅通过示例并且不是限制聚丙烯在气体适配器20、20’或者换能器壳体22、22’中的使用，尽管聚丙烯对于用来检测二氧化碳水平的波长具有高透射率，但是聚丙烯对于用来检测其它物质水平的辐射波长来说不具有良好的透射率。
如上所述以及图1-5中所示，导气管适配器20可包括位于第一管状部24中的呼吸流量监测装置30(图4和5中最清晰地看到)。导气管适配器20的呼吸流量监测装置30可包括任何已知的、适当类型的呼吸流量监测器。示例性的呼吸流量监测装置30包括位于导气管适配器20的管状壳体46内的沿直径定向且纵向延伸的支架44，该支架44轴向长度为L以及高度为H1。支架44具有第一端面50和第二端面52，以及第一侧面54和第二侧面56。
提出了端面50和52基本上垂直于轴线A，如图5所示，并且被倒角和弄圆，如图所示，由此当从上方观察时端面配置是对称的。除了对称之外，端面50和52的主要特征在于它们不向着凹口58和60倾斜或者以其它方式使经过流量监测装置30的气流向着凹口58和60以及压力端口62和66聚集或者引导。端面50和52最好是以空气动力学方式设计从而将气流的阻力降到最小。
如图5所示，支架44的侧面54和56是扁平的，此外一个主要的要求是支架44侧面之间的对称性，就像端面50和52一样。
支架44还提供了用于压力端口62和66的位置并且调限流动气体的速度分布。支架44与管状壳体46的内壁48偏移并且两端都紧固到内壁48。
支架44横过孔轴线A的横截面面积应当降到最小。然而，这个尺寸的最小值是由压力端口62和66的直径所约束。一般地，支架44的该横截面面积可以是在支架44的位置的管状壳体46的横截面孔面积的大约百分之五(5％)。
应当知道的是，在图4-5中所示的穿过管状壳体46的孔的直径在第一管状部24和第二管状部26之间是不同的。这种配置容纳阳连接管元件，该阳连接管元件以虚线显示并且被表示为导气管适配器20的第一管状部24的左手侧上的M)，以及容纳导气管适配器20的第二管状部26的右手侧上的阴连接管元件F。同时，第一管状部24和第二管状部26的内孔可以逐渐变细从而便于使塑料注模部件从制成的导气管适配器20取下。
支架44还包括凹口结构，该凹口结构包括基本上对称的第一凹口58和第二凹口60，两个凹口都基本上设置在管状壳体46的轴线A上，凹口58和60分别从第一端面50和第二端面52轴向向内延伸、以及分别侧向地穿过第一侧面54和第二侧面56。第一管腔64的第一压力端口62通到第一凹口58，以及第二管腔68的第二压力端口66通到第二凹口60。第一管腔64和第二管腔68包括在支架44内部的通路，这些通路延伸进入并且穿过分别位于管状壳体46外表面上的第一凸出柄部72和第二凸出柄部74。
导气管适配器20最好定向成使第一凸出柄部72和第二凸出柄部74指向上方，从而使得水分凝结和粘液不会堵塞或者以其它方式损坏压力端口62和66。
压力端口62和66都基本上垂直地面向管状壳体46的轴线A，凹口58和60轴向地向内延伸深度D，至少经过压力端口62和66，并且可以延伸等于凹口58和60高度H2的距离，该高度H2应当小于或等于支架44高度H1的十分之四(4/10)。
凹口58和60的后壁78和80分别成弓形或者圆弧形，如图5所示，或者其它方式对称地成形，如同端面50和52。后壁78和80也可以具有基本上平坦的表面。
凹口58和60的底部82和84以及顶部86和88分别地最好基本上平坦的或者扁平的，如图4所示，或者以其它方式对称地成形。同样地，端面50和52以及凹口58和60之间的过度边缘或线条最好是圆弧的，尽管它们能够可选择地进行倒角或斜角。
凹口58和60的后壁78和80分别地连同限流部(脊部或者凸台)90包括对于流经流量监测装置30的气流的流动阻塞部76和/或扰动部，其产生在第一压力端口62和第二压力端口66测得的压力差信号。测得的压力差信号来自于压力损失或者来自于缩流断面、由流动阻塞部76所引起的流动气体速度分布的缩减。由缩流断面所产生的压力差能够通过标准流体力学公式(例如欧拉公式或者贝努利公式)进行建模。由缩流断面所产生的压力差信号被当作是“无损的”，意味着随着速度分布返回到入射速度分布，压力也被恢复。
由流量监测装置30所测得的呼吸流量与在压力端口62和66测得的压力差的平方根成比例。
流动阻塞部76可以多种方式改变从而对于给定流速产生出不同量级的测量压力差。首先，限流部(脊部或者凸台)90的横截面面积可以在垂直于轴线A的平面上增大或减小。而且，从第一压力端口62的中心到凹口58的后壁78的距离以及同样地从第二压力端口66的中心到凹口60的后壁80的距离可以改变，从而改变流动响应特性。通过使管状壳体46的内壁48收缩成颈状从而减小横截面孔面积，由此对于给定流速的压力差信号的量级能够进一步增大。
支架44的长度和宽度可以根据需要改变，从而改变流动特性。这些流动特性包括流量调节、信号强度以及信号稳定性。理想地，对于流动阻塞部76的入射速度分布应当是相同的，而不管对于导气管适配器20的入射速度分布如何。当流动阻塞部76产生不稳定的、多维涡流形态时，信号稳定性会被损害。具有凹口装置的支架44提供了流量调节，所述流量调节对入口速度分布产生部分免疫并且产生响应气流的稳定压力差信号。
流量监测装置20可以选择性地改进以适应流量监测装置30进行操作的状态。具体地，可以对支架44附近横截面流动区域实施改进从而调整呼吸流量监测装置30的动态范围，也可以对凹口58和60的端面50和52以及后壁78和80的配置进行改进，以及对于凹口58和60与端面50和52及侧面54和56之间的过渡线条进行改进。最好使用侧向延伸、横向定向的中心(支架44)限流部(脊部或者凸台)90以及支架区域轴向长度内的逐进内壁过渡部，从而给流动模式增加对称性、使流动正常化、提供对湿气的免疫性、以及提供读数更好的可重复性。凹口高度H2或者支架44的长度可以增大或者减小，从而容许更宽的入口条件范围，诸如采用具有多个气管内管的流动监测装置30的结果。
图15显示了结合本发明教示的导气管适配器20’的第二实施例。导气管适配器20’包括围绕着导气管适配器20’的第一部分24’的外径的多个肋部92。肋部92最好限定了22mm的直径并且减小导气管适配器20’的重量，同时提供了一致的壁部尺寸从而便于导气管适配器20’的注模。
图16-18显示了导气管适配器100的第三实施例，该实施例相对于先前公开的实施例具有减小的死区。导气管适配器100尤其适用于在呼吸潮气量极小的情况下使用，例如新出生的婴儿，尽管导气管适配器100对于成人和儿科呼吸监测具有等同的功效。
如图所示，导气管适配器100被设计用于在连接到导气管适配器100的第一管状部104的病人通气设备(例如插入到病人气管的气管内管)与连接到导气管适配器100的第二管状部106的机械通气器管道之间的连接。第一管状部104和第二管状部106具有直径变化以及基本上圆形横截面的孔。如图16-18所示，导气管适配器100的气体浓度监测部108被设置在第一管状部104和第二管状部106之间。
导气管适配器100的气体浓度监测部108提供了用于类似于图1所示换能器壳体22的换能器壳体(未示出)的底座。整体式、U形外壳元件112可靠地将换能器壳体定位在导气管适配器100上的适当位置。在优选实施例中，换能器壳体在导气管适配器100上卡扣在适当位置，而不需要使用工具来装配或者拆卸换能器及导气管适配器100。
如图所示，导气管适配器100包括形成在第一管状部104中的环形凹部141。环形凹部141容纳阳连接管元件，该元件以虚线显示并且被指示成导气管适配器100的第一管状部104的左手侧上的M1。第二管状部106类似地包括容置部143，该容置部143配置用于容纳以虚线显示的第二阳连接管元件M2，该第二阳连接管元件M2通过与容置部143的阶梯槽145配合而被卡扣在容置部143中。元件M1和M2均包括直径与导气管适配器100的对应管状腔130和124相类似的孔。元件M1和M2便于导气管适配器100与人体导气管之间的连通，并且如果必要的话，与呼吸器或者其它通气设备之间的连通。
气体浓度监测部108包括穿过U形外壳元件112形成的发光传感窗口234。窗口234便于将来自于与导气管适配器100装配在一起的换能器壳体中的激发辐射源的激发辐射发射到导气管适配器100中，并且朝着导气管适配器100内的可发光材料(例如，图4中所示的可发光材料232)。此外，窗口234便于通过换能器壳体内的探测器检测从导气管适配器100的可发光材料发射出的发光，如前面参考图6进行的描述。
气体浓度监测部108还包括第一轴向对齐窗口116和第二轴向对齐窗口118(仅在图7中示出)，从而允许红外辐射光束从换能器壳体中的红外辐射发射器(参见图1)行进、横向地穿过导气管适配器100中的取样腔114，以便监测气体(例如CO2、N2O以及麻醉剂)，如前面所述。
导气管适配器100包括呼吸流量监测装置110，该装置部分地处于第一管状部104中、部分地处于第二管状部106中、以及部分地处于气体浓度监测部108中。
在图17中最清晰显示的呼吸流量监测装置110也包括第一管腔122的第一压力端口125以及第二管腔128的第二压力端口126，该第一压力端口125通向第一管状部104的第一管状腔124中，该第二压力端口126通向第二管状腔130中。管腔122和128延伸到相应的第一凹部132和第二凹部134，第一凹部132和第二凹部134被配置成使死区最小化并且容纳连接管，所述连接管由虚线显示并且表示为T1和T2。管T1和T2被连接到流量监测器(未示出)，该流量监测器通过在压力端口125和126之间检测到的压力差而确定流速。该压力差是通过使用气体取样腔114的纵向端部的收缩成颈状的端口136和138而产生的。
由换能器壳体22的辐射源252和256(图1和图6)所产生的、或者来自于设置在导气管适配器100上方的一个或多个其它源的热量能够有助于减小呼吸湿气在导气管适配器100中凝结的倾向性。由于该实施例的小体积以及打算供新生儿使用，因此水凝结的影响在该实施例中尤其受到关注；由此，导气管适配器100应当被定位成使得凹部132和134向上从而防止堵塞。
已经发现该实施例具有许多优点，例如死区的最小化、以及作为一体件的可模制性。
图19-26显示了导气管适配器200的第四优选实施例，该适配器200类似于图16-18中的导气管适配器100。由此，图16-18与图19-26中分别显示的导气管适配器100和200的共同部件保持相同的附图标记。导气管适配器200尤其适用于在呼吸潮气量极小的情况下使用，例如新出生的婴儿，尽管它对于成人和儿科呼吸监测具有等同的功效。
导气管适配器200被设计用于在连接到第一管状部104的病人通气设备(例如插入到病人气管的气管内管)与连接到第二管状部106的机械通气器管道之间的连接。第一管状部104和第二管状部106具有变化直径和基本上圆形横截面的孔，气体浓度监测部108设置在所述管状部之间。
导气管适配器200的气体浓度监测部108提供了用于类似于图1所示换能器壳体22的换能器壳体(未示出)的底座。整体式、U形外壳元件112可靠地将换能器壳体在导气管适配器200上定位在适当位置。在优选实施例中，换能器壳体卡扣在导气管适配器200上的适当位置，而不需要使用工具装配或者拆卸导气管适配器200及换能器壳体。
在该实施例中，如同图16-18所示的实施例，环形凹部142形成在第一管状部104中用于容纳阳连接管元件，该元件以虚线显示并且被指示成导气管适配器200的第一部104的左手侧上的M1。第二管状部106包括容置部143，该容置部143容纳第二阳连接管元件M2，以虚线显示，该第二阳连接管元件M2通过与容置部143的阶梯槽145配合而被卡扣在容置部143中。元件M1和M2均包括直径与管状腔130和124的孔相类似的孔。元件M1和M2便于导气管适配器200与人体导气管之间的互通，并且如果必要的话，与呼吸器或者其它通气设备之间的互通。
气体浓度监测部108包括穿过U形外壳元件112形成的发光传感窗口234。窗口234便于将来自于与导气管适配器200装配在一起的换能器壳体中的激发辐射源的激发辐射发射到导气管适配器200中，并且朝向导气管适配器200内的可发光材料(例如，图4中所示的可发光材料232)。此外，窗口234便于通过换能器壳体22内的发光检测器258检测从导气管适配器200的可发光材料发射出的发光，如前面参考图6所述。
气体浓度监测部108还包括第一轴向对齐窗口116和第二轴向对齐窗口118，从而便于红外辐射光束从换能器壳体中的红外辐射发射器传输、横向地穿过导气管适配器200中的取样腔114，从而使得人体呼吸中气体(例如CO2、N2O以及麻醉剂)的量可以如前面所述的被监测。
导气管适配器200包括呼吸流量监测装置110，该装置部分地处于第一管状部104中、部分地处于第二管状部106中、以及部分地处于气体浓度监测部108中。呼吸流量监测装置110包括第一管腔122的第一压力端口120，该端口延伸穿过第一支架202并且通向第一管状部104的第一管状腔124。第一支架202具有指向第一管状部104的逐渐变细部分204，从而使潜流干扰降到最小。呼吸流量监测装置110还包括第二管腔128的第二压力端口126，该端口延伸穿过第二支架206并且通向第二管状腔130。第二支架206具有指向第二管状部106的逐渐变细部分208，从而使潜流干扰降到最小。管腔122和128分别地延伸到第一和第二凹部132和134。
凹部132和134被配置成使死区最小化并且容纳阳连接管，所述阳连接管由虚线显示并且表示为T1和T2。凹部132和134具有内部肋210用于紧固地保持管T1和T2。管T1和T2被连接到流量监测器(未示出)，该流量监测器通过在压力端口120和126之间检测到的压力差而确定流速。该压力差是通过使用气体取样腔114的纵向端部的第一环形端口212和第二环形端口214而产生的。第一环形端口212由第一限流元件216形成，该第一限流元件216从第一支架202延伸并且阻挡第一管状部104的第一管状腔124的一部分。第一限流元件216的表面220、222最好基本上垂直于经过导气管适配器200的呼吸气体的流动。第二环形端口214由第二限流元件218形成，该第二限流元件218从第二支架206延伸并且阻挡第二管状部106的第二管状腔130的一部分。第二限流元件218的表面224、226最好基本上垂直于经过导气管适配器200的呼吸气体的流动。第一限流元件216和第二限流元件218可以是任意形状，例如圆形、椭圆形、矩形或类似形状。然而，优选形状是平坦盘状。
由换能器壳体22的辐射源252和256(图1和图6)所产生的、或者来自于设置在导气管适配器100上方的一个或多个其它源的热量能够有助于减小呼吸湿气在导气管适配器100中凝结的倾向性。由于该实施例的小体积以及计划供新生儿使用，因此湿气凝结的影响在该实施例中尤其受到关注；由此，导气管适配器100应当被定位成使得凹部132和134向上从而防止堵塞。已经发现该实施例具有许多优点，例如死区的最小化以及成一体件的可模制性。
本发明的多功能导气管适配器的一个用途是在新陈代谢测量系统中，所述新陈代谢测量系统是一种能够提供新陈代谢测量值的系统，新陈代谢测量值诸如为氧气消耗量或氧气摄取量、二氧化碳产生量或二氧化碳排除量、呼吸商(RQ)、静息能量消耗(REE)，或者这些测量值的任一组合。应当知道的是，“氧气摄取量”和“氧气消耗量”意义相同地使用，并且都由符号
或者简写“VO2”所表示。应当知道的是，“二氧化碳生成量”和“二氧化碳排除量”意义相同地使用，并且都由符号
或者简写“VCO2”所表示。
氧气消耗量是人体在给定时间段(例如一分钟)内使用的氧气量的测量值。通常表示为每分钟使用的氧气毫升量(ml/min)或者每分钟每千克体重使用的氧气毫升量(ml/kg/min)。测量氧气消耗率是有价值的，例如，在麻醉和重症监护情况下，这是由于它提供了病人心脏以及肺部功能充足性的指示。VO2也被用于监测人们或运动员的健康状况。
图27-30以图示方式显示了根据本发明原理的新陈代谢测量系统(基本上表示为300)的各种实施例。参考图27，新陈代谢测量系统300包括如上详细所述的导气管适配器20和分离的换能器壳体22。在该实施例中，导气管适配器20适于依次地连接主流气流，例如由病人回路或者呼吸回路302所运送的气流。导气管适配器20包括壳体，该壳体具有穿过其限定的孔，用于运送主流气流穿过导气管适配器20。限定在壳体中的窗口(例如窗口40)提供了对于经过导气管适配器的气流的光学接近。在另一个实施例中，提供了一对窗口，每个窗口设置在导气管适配器的相反侧上。限定在壳体中的开口或窗口(例如开口/窗口234)提供了对于经过导气管适配器的气流的光学接近。
传感器头22可取下地安装到导气管适配器20上，如箭头A所示。如前面实施例中以及上面所述，传感器头包括适合于通过窗口或一对窗口传输或者接收红外辐射的红外传感系统以及发光淬灭系统。也如上面所述，发光淬灭系统通过开口传输激发辐射、通过相同的开口或者不同的开口接收从可发光材料发射出来的辐射。与红外传感系统和发光淬灭系统相关联的检测器提供指示经过导气管适配器的气流中气体浓度的信号。在图27所示的实施例中，来自于与红外传感系统和发光淬灭系统相关联的传感器的信号经由硬接线通讯连接306提供到气体监测模块304。这样，监测模块304与传感器头22在实体上分开。
气体监测模块304包括一个或多个处理器，所述处理器根据来自于红外传感系统与发光淬灭系统中的检测器的信号监测或确定气体浓度。例如，二氧化碳的量可以根据来自于红外传感系统的信号确定，以及氧气量可以根据发光淬灭系统的输出在气体监测模块304中被确定。CO2和/或O2的水平可以例如作为波形或者数字值被输出。监测模块还将信号提供给红外传感系统和发光淬灭系统中的辐射发射器。
尽管显示了硬接线通讯连接306，但是本发明提出在设置于传感器头22中的红外传感系统以及发光淬灭系统的部分与设置在气体监测模块304中的处理元件之间提供无线通讯连接。在这种情况下，用于红外传感系统和发光淬灭系统的电力可以经由电源(例如容纳在传感器头中的电池)或者经由电缆提供。
此外，本发明提出将处理元件直接安置在传感器头中，处理元件对检测器产生的信号起作用从而确定出气体浓度。这种系统的示例在美国专利No.6,954,702以及美国专利申请No.11/165,670(公开号US-2006-0009707-A1)以及No.11/368,382(公开号US-2006-0145078-A1)中公开，所述专利的内容通过引用而结合在此。这样，由传感器头提供的信号将会是指示气体浓度的已被处理信号，而不是由气体浓度监测系统中的检测器所产生的原始信号。
新陈代谢测量系统300还包括流量测量系统，基本上表示为310，该流量测量系统测量经过导气管适配器20的气体流量。在所示实施例中，流量测量系统通过监测压力差而测量流量，该压力差横过设置在导气管适配器中的限流装置而产生。一对管道312使限流装置的每一侧与压力传感器(未示出)连通，该压力传感器在该实施例中位于流量处理模块304中。一对端口或终端313被设置成连接到管道312，从而使限流装置每一侧上的压力与流量处理模块中的压力传感器连通。流量处理模块包括处理元件，处理元件能够根据由位于流量处理模块中的压力传感器所监测到的压力而确定出流速、或者任意其它相关参数或者其波形。本发明提出了可选择的输入/输出元件316被设置在气体监测模块304和/或流量监测模块314中。
气体监测模块304和流量监测模块314的输出被提供到新陈代谢参数处理模块320。更具体地，新陈代谢参数处理模块中的处理器直接地或者经由气体监测模块以及流量监测模块314从所述红外传感系统、所述发光淬灭系统和所述流量测量系统接收信号。新陈代谢参数处理模块中的处理使用这些输出从而确定出与被监测病人相关联的新陈代谢参数，例如VO2、VCO2、RQ、REE或者任意其它新陈代谢参数或这些参数的组合。新陈代谢参数能够显示在设置于新陈代谢参数处理模块上的输入/输出装置322上。然而，本发明还提出设置单独的监视器或者显示器324，气体监测模块304、流量监测模块314和/或新陈代谢参数处理模块320的输出可被显示或者其它方式提供在所述监视器或者显示器324上。
在所示实施例中，硬接线连接326被显示在新陈代谢参数处理模块320与监视器324之间。然而，可以理解的是，这种连接也可以是无线的。此外代替连接326或者除了连接326之外，其它连接也能够设置在监视器324与气体监测模块304和/或流量监测模块314之间。
在本发明的示例性实施例中，气体监测模块304、流量监测模块314以及新陈代谢参数处理模块320被配置成使得每个模块都能够在实体上与另外的模块结合，并且在这种结合时产生被结合模块之间的通讯和/或电力连接。这种模块化类型为最终用户提供了一种非常灵活的系统。
假如使用者希望仅仅监测病人的流量。在这种情况下，导气管适配器20可以设置并且仅仅连接到流量监测模块。监视器324可以连接到流量监测模块以显示流量波形。如果使用者随后决定监测病人的CO2，那么可以提供气体监测模块304。如果需要的话，气体传感模块可以连接到流量监测模块，或者与流量监测模块分开。气体监测模块的输出也可被显示在监视器上。最后，如果使用者决定还监视病人的VO2，那么增加新陈代谢参数处理模块。此外，新陈代谢参数处理模块可以与气体和/或流量监测模块分开或者连接在一起。然而，气体和流量监测模块的输出必须被提供给新陈代谢参数处理模块，这是由于在该实施例中，不包含对于解译来自于气体和流量监测系统中的检测器的信号所必需的任何处理元件。
本发明还提出了提供用于气体监测模块304、流量监测模块314以及新陈代谢参数处理模块320的其它输入/输出能力。例如，这些模块的每一个或全部可包括显示器或者其它可视或可听指示器，用于向使用者提供信息。输入装置，例如键盘、触摸屏、按钮、开关、旋钮等，能够被设置用于将信息输入到每个模块中。同时，一个或多个通讯连接或者终端以及其它功能可被提供用于使模块与远程位置经由硬接线或无线方式进行通讯。
如果希望较小的灵活性，气体监测模块304、流量监测模块314以及新陈代谢参数处理模块320的功能可以结合到单个壳体中，有效地组合这三个模块。图28显示出一个实施例，其中提供了单个多参数处理模块330，该模块330实现了气体监测模块、流量监测模块以及新陈代谢参数处理模块的组合功能。监视器324可被嵌入到模块330中，由屏幕332所指示，或者它选择性地连接到该多用途气体/流动监测系统。
在图29所示的实施例中，提供了组合气体/流量监测模块330。该模块结合了气体监测模块304和流量监测模块314的功能方面。气体/流量监测模块330被选择性地连接到新陈代谢参数处理模块320从而形成组合系统。
如图所示，在图30中，本发明还提出了流量监测系统的压力传感部件可以被结合到共用传感器头334中。在这种情况下，传感器头334包括连接到柄部72和74的气动接头(未示出)。由此，导气管适配器20中的限流装置的每侧与设置在传感器头334中的压力传感器连通。美国专利No.6,629,776和No.6,691,579公开了包括压力传感部件的传感器头可以直接地安装到导气管适配器上，所述专利的内容通过引用而被结合在此。
在一个实施例中，在传感器头334中还设置了处理元件，该处理元件与压力传感器连通，以便根据压力传感器的输出来确定流速。此外，通讯连接336被提供用于将传感器头的输出连接到组合气体/流量监测模块338。在可选实施例中，用于根据压力传感器输出来产生实际流量测定值的处理元件被设置在气体/流量监测模块338中。本发明还提出了提供处理器，处理器使用IR传感系统以及发光淬灭系统的输出，并且提供了在传感器头334、气体/流量传感模块338中或者这些元件之间散布的有目的或实际的气体组分测定值。应当知道的是，如果所有信号处理在传感器头334中完成，那么最终输出可直接地提供给新陈代谢参数处理模块320，由此消除了对于气体/流量传感模块338的需要。
更进一步地表达这种概念，本发明还提出了提供在传感器头334中的新陈代谢参数处理元件。这样，整个新陈代谢测量系统仅需要包括导气管适配器20和传感器头334，如图31中所示。传感器头334包括IR传感系统的IR发射器、检测器和处理器、发光淬灭系统中的激发辐射发射器以及检测器、流量测量系统中的流量检测元件、处理器和使用这些系统输出来确定气体组分以及流量测定值和/或确定究竟期望怎样的新陈代谢参数所需的相关部件。输出装置340可被直接地设置在传感器头上，或者监视器324可被用于显示在传感器头中完成的分析结果。当然，本发明提出了在传感器头334和远程装置之间提供其它通讯连接。这种通讯连接可以是硬接线或者无线的。
尽管详细地描述了在此用于检测氧气的发光淬灭系统，但是本发明还提出了在导气管适配器20、传感器头22、234或者两者中使用其它的氧气传感系统。例如，除了发光淬灭系统之外或者代替发光淬灭系统，可以使用已知的光化学技术(例如燃料电池)用于检测氧气。
本发明还提出了使用任意形式的流量传感技术来检测经过导气管适配器的气体流速，包括本发明背景技术部分描述的那些技术。为了强调这一点，图32被设置用于示意性地显示了一部分呼吸回路350以及与这部分呼吸回路相关联的流量监测系统352，该呼吸回路由导气管适配器限定。流量监测系统352是能够监测经过病人回路的气体流量的任意系统。例如，流量监测系统352可以是使用超声能量以确定经过呼吸回路350的气体流速的超声监测系统。流量监测系统还可是热线流速计，其根据设置在气流中的加热线由于气体流经线周围而导致的冷却来测量流量。当然，可提供任意组合的流量测量系统。此外，信号处理功能可以设置在流量监测系统中，即，在最接近呼吸回路的流量传感器头、或者位于距离流量监测系统的传感部较远的壳体或者模块内。
2006年5月25日提交的美国临时申请No.60/808,312(‘312申请)公开了一种适于在本发明中使用并且能够进行气体组分和气体流量测量的导气管适配器，该申请的内容通过引用而被结合在此。‘312申请中公开的导气管适配器包括具有限流装置的壳体，该限流装置设置在第一和第二压力端口之间的流动通路中。光学干涉仪形式的压力传感器与压力端口或者与压力端口之间的气流通路相关联，从而提供气体流量测量值。气体组分测量是通过设置在导气管适配器中的IR气体传感系统和/或发光气体传感系统、或者任意其它类型的气体组分传感系统所提供。
通过将多种不同类型的气体组分及气体流量测量结合到共用的壳体、模块或者传感器头中，本发明能够使这些测量容易地同步以及结合使用，从而进行实时的新陈代谢测量。部件的模块化为系统如何实施和升级提供了灵活性，同时避免了实际当中所需的更多监测能力的需要。
图27-31中所示的、用于在这些附图中所示的新陈代谢监测系统中的导气管适配器对应于图1-14中显示的导气管适配器。可以理解的是，该导气管适配器仅仅是适于在本发明的新陈代谢监测系统中使用的导气管适配器的一个示例。例如，图17-26中所示的导气管适配器同样适用于图27-30所示新陈代谢参数监测系统实施例。
尽管发明已经根据当前被认为是最可行且最优选的实施例而被详细描述以用于解释目的，但是应当理解的是，这种细节仅仅是用于该目的并且本发明并没有局限于所公开的实施例，并且相反地，本发明将会覆盖附加权利要求精神和范围内的改进和等同设置。例如，可以理解的是，本发明预料到，在可能程度上，任何实施例的一个或多个特征都可以与任何其它实施例的一个或多个特征进行组合。
Claims (55)
1.一种新陈代谢测量系统(300)，包括：
(a)导气管适配器(20，100，200，334)，所述导气管适配器适合于与主流气流串联连接并且包括：
(1)壳体，所述壳体具有由其穿过而限定的孔(34)，以运送主流气流通过所述导气管适配器；
(2)限定在所述壳体上的窗口(40)，所述窗口允许光学接近通过所述导气管适配器的气流；以及
(3)限定在所述壳体中的开口(234)，所述开口允许光学接近通过所述导气管适配器的气流；
(b)传感器头(22，334)，所述传感器头适合于可取下地安装到所述导气管适配器，所述传感器头包括：
(1)红外传感系统，所述红外传感系统适合于通过所述窗口传输或接收红外线；以及
(2)发光淬灭系统，所述发光淬灭系统适合于(i)通过所述开口传输激发辐射、(ii)通过所述开口接收从可发光材料发射的辐射、或者(i)和(ii)两者；
(c)流量测量系统(310，352)，所述流量测量系统适合于与所述主流气流串联连接；以及
(d)处理器(320，330)，所述处理器适合于从所述红外传感系统、所述发光淬灭系统和所述流量测量系统接收信号，其中，所述处理器适合于确定新陈代谢参数，所述新陈代谢参数包括氧气消耗量(VO2)、二氧化碳产生量(VCO2)、呼吸商(RQ)、静息能量消耗(REE)、以及上述参数的任意组合。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，(a)所述处理器设置在所述传感器头中；或者(b)所述处理器与所述传感器头间隔开并且经由硬接线或者无线通信连接与所述红外传感系统、所述发光淬灭系统或者两者连通。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量测量系统的至少一部分设置在所述导气管适配器的壳体、所述传感器头或者两者之中。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述流量测量系统包括：
限流装置(76，136，138，216，218，220，222，224)，所述限流装置设置在所述壳体中、并且适合于产生横过所述限流装置的压降；以及
压力传感器，所述压力传感器适合于测量与所述压降相关的压力。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压力传感器设置在所述传感器头中。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述处理器与所述传感器头间隔开，并且还包括硬接线或无线通信连接，以便将信号从所述红外传感系统、所述发光淬灭系统和所述压力传感器连通到所述处理器。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括操作性地连接到所述处理器的输出装置(316，322，324，332，340)，以便以用户可感知格式提供新陈代谢参数。
8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压力传感器与所述导气管适配器间隔开，并且还包括气体管道(312)，所述气体管道使所述限流装置的一侧与所述压力传感器连通。
9.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理器设置在所述传感器头中。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括操作性地连接到所述处理器的输出装置(316，322，324，332，340)，以便以用户可感知格式提供新陈代谢参数。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
(e)第一模块(304)，所述第一模块适合于从所述红外传感系统和所述发光淬灭系统接收信号，其中，所述第一模块包括第一处理器，所述第一处理器适合于根据来自于所述红外传感系统的信号确定二氧化碳波形、以及根据所述发光淬灭系统的输出确定氧气波形；以及
(f)第二模块(314)，所述第二模块适合于从所述流量测量系统接收信号，其中，所述第二模块包括第二处理器，所述第二处理器适合于确定主流气流的流速、体积、流动波形或者它们的任意组合。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述处理器设置在所述第一模块或所述第二模块中。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括第三模块(320)，其中，所述处理器设置在所述第一模块、所述第二模块或所述第三模块中。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，还包括输出装置(316，322，324，332，340)，用于以用户可感知格式提供新陈代谢参数，其中，所述输出装置连接到所述第一模块、所述第二模块或所述第三模块。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一模块、所述第二模块以及所述第三模块在实体上彼此分开。
16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一模块和所述第二模块在实体上彼此分开。
17.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括包括输出装置，用于以用户可感知格式提供新陈代谢参数。
18.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括在所述流量测量系统与所述第二模块之间的气体连接。
19.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
(e)第一模块(304，330)，所述第一模块适合于从所述红外传感系统和所述发光淬灭系统接收信号、并且操作性地连接到所述流量测量系统，其中，所述第一模块包括第一处理器，所述第一处理器适合于：(i)根据来自于所述红外传感系统的信号确定二氧化碳波形、(ii)根据所述发光淬灭系统的输出确定氧气波形、以及(iii)根据所述流量测量系统的输出确定主流气流的速率、体积、流动波形或者它们的任意组合；以及
(f)第二模块(320)，其中，所述处理器设置在所述第二模块中。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括在所述流量测量系统与所述第一模块之间的气体连接(312)。
21.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量测量系统的至少一部分设置在所述传感器头中，并且还包括：
(e)第一模块(304，330)，所述第一模块适合于从所述红外传感系统和所述发光淬灭系统以及所述流量测量系统设置在所述传感器头中的部分接收信号，其中，所述第一模块包括第一处理器，所述第一处理器适合于：(i)根据来自于所述红外传感系统的信号确定二氧化碳波形、(ii)根据所述发光淬灭系统的输出确定氧气波形、以及(iii)根据所述流量测量系统的输出确定主流气流的速率、体积、流动波形或者它们的任意组合；以及
(f)第二模块(320)，其中，所述处理器设置在所述第二模块中。
22.一种新陈代谢测量系统(300)，包括：
(a)导气管适配器(20，100，200，334)，所述导气管适配器适合于与主流气流串联连接并且包括：
(1)壳体，所述壳体具有由其穿过而限定的孔(34)，以运送主流气流通过所述导气管适配器；
(2)限定在所述壳体上的窗口(40)，所述窗口允许光学接近通过所述导气管适配器的气流；以及
(3)限定在所述壳体中的开口(234)，所述开口允许光学接近通过所述导气管适配器的气流；
(b)传感器头(22，334)，所述传感器头适合于可取下地安装到所述导气管适配器，所述传感器头包括：
(1)红外传感系统，所述红外传感系统适合于通过所述窗口传输或接收红外线；以及
(2)氧气传感系统，所述氧气传感系统与所述开口相关联、并且适合于提供表示气流中氧气浓度的信号；
(c)流量测量系统(310，352)，所述流量测量系统适合于与所述主流气流串联连接；以及
(d)处理器(320，330)，所述处理器适合于从所述红外传感系统、所述发光淬灭系统和所述流量测量系统接收信号，其中，所述处理器适合于确定新陈代谢参数，所述新陈代谢参数包括氧气消耗量(VO2)、二氧化碳产生量(VCO2)、呼吸商(RQ)、静息能量消耗(REE)、以及上述参数的任意组合。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述氧气传感系统包括：
(a)发光淬灭系统，所述发光淬灭系统适合于通过所述开口接收从可发光材料发射的辐射，其中，所述信号基于从所述可发光材料接收的辐射；或者
(b)电化学系统，所述电化学系统设置在所述开口附近、并且适合于根据气流中的氧气局部压力生成电流，其中，所述电流是所述信号。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述电化学系统是燃料电池。
25.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述流量测量系统的至少一部分设置在所述导气管适配器的壳体、所述传感器头或者两者之中。
26.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述流量测量系统包括：
限流装置(76，136，138，216，218，220，222，224)，所述限流装置设置在所述壳体中、并且适合于产生横过所述限流装置的压降；以及
压力传感器，所述压力传感器适合于测量与所述压降相关的压力。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述压力传感器设置在所述传感器头中。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述处理器与所述传感器头间隔开，并且还包括硬接线或无线通信连接，以便将信号从所述红外传感系统、所述氧气监测系统和所述压力传感器连通到所述处理器。
29.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述压力传感器与所述导气管适配器间隔开，并且还包括气体管道，所述气体管道使所述限流装置的一侧与所述压力传感器连通。
30.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述处理器设置在所述传感器头中。
31.一种导气管适配器(20，100，200，334)，包括：
壳体，所述壳体具有由其穿过而限定的孔，以运送气流通过所述壳体；
与所述壳体相关联的流量检测组件；
与所述壳体相关联的第一气体组分检测组件，所述第一气体组分检测组件适合于检测气流的第一组分而不用将气体从所述壳体中转移，其中，所述第一气体组分检测组件包括限定在所述壳体中的检测腔，所述检测腔的边界至少局部地由窗口限定；以及
与所述壳体相关联的第二气体组分检测组件，所述第二气体组分检测组件用于检测气流的第二组分而不用将气体从所述壳体中转移，其中，所述第二气体组分检测组件包括限定在所述壳体中的开口，以及至少一部分设置在所述开口中的气体传感器，所述流量检测组件的第一输出提供表示通过所述壳体的气流的第一数据，所述第一气体组分检测组件的第二输出提供表示第一气体组分的第二数据，所述第二气体组分检测组件的第三输出提供表示第二气体组分的第三数据，所述第一数据、所述第二数据以及所述第三数据基本上同时被提供。
32.如权利要求31所述的适配器，其特征在于，所述气体传感器是电化学元件或者发光元件。
33.如权利要求32所述的适配器，其特征在于，所述电化学传感器是燃料电池。
34.如权利要求31所述的适配器，其特征在于，所述气体传感器是氧气传感器。
35.如权利要求31所述的适配器，其特征在于，所述流量检测组件包括：
限流装置(76，136，138，216，218，220，222，224)，所述限流装置设置在所述壳体中、并且适合于产生横过所述限流装置的压降；
设置在所述限流装置的第一侧上的第一端口(70，132)；以及
设置在所述限流装置的第一侧上的第二端口(72，134)。
36.如权利要求35所述的适配器，其特征在于，所述限流装置靠近所述检测腔设置。
37.如权利要求35所述的适配器，其特征在于，限定所述检测腔的所述壳体部件也限定所述限流装置，其中，所述第一端口设置在所述检测腔的第一侧上，以及所述第二端口设置在所述检测腔的第二侧上。
38.一种新陈代谢测量系统(300)，包括：
(a)导气管适配器(20，100，200，334)，所述导气管适配器适合于与主流气流串联连接并且包括：
(1)壳体，所述壳体具有由其通过而形成的孔，所述孔适合于运送主流气流通过所述壳体；
(2)限定在所述壳体中的检测腔(34，34’，114)，其中，所述检测腔的边界至少局部地由窗口限定，所述窗口适合于允许通过所述壳体光学接近所述主流气流；
(3)限定在所述壳体中的开口(40，234)；以及
(4)至少一部分设置在所述开口中的气体传感器；
(b)传感器头(22，334)，所述传感器适合于可取下地安装到所述导气管适配器，所述传感器头包括：
(1)红外传感系统，所述红外传感系统适合于通过所述窗口发送或者接收红外线，其中，所述检测腔、所述窗口以及所述红外传感系统限定第一气体组分检测组件，所述第一气体组分检测组件适合于检测主流气流的第一组分而不会使主流气流的任一部分从所述壳体转移；
(2)与所述开口相关联的氧气传感系统，所述氧气传感系统适合于提供表示气流中氧气浓度的信号，其中，所述开口、所述气体传感器以及所述氧气传感系统限定第二气体组分检测组件，所述第二气体组分检测组件适合于检测主流气流的第二组分而不会使主流气流的任一部分从所述壳体转移；
(c)流量测量系统(310，352)，所述流量测量系统适合于与主流气流串联连接；以及
(d)处理器(320，330)，所述处理器适合于从所述红外传感系统、所述氧气传感系统和所述流量测量系统接收信号。
39.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述气体传感器是电化学元件或者发光元件。
40.如权利要求39所述的系统，其特征在于，所述电化学元件是燃料电池。
41.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述流量检测组件包括：
限流装置(76，136，138，216，218，220，222，224)，所述限流装置设置在所述壳体中、并且适合于产生横过所述限流装置的压降；
设置在所述限流装置的第一侧上的第一端口(70，132)；以及
设置在所述限流装置的第一侧上的第二端口(72，134)。
42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，所述限流装置靠近所述检测腔设置。
43.如权利要求41所述的系统，其特征在于，限定所述检测腔的所述壳体的部件也限定所述限流装置，其中，所述第一端口设置在所述检测腔的第一侧上，以及所述第二端口设置在所述检测腔的第二侧上。
44.如权利要求38所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述导气管适配器的所述壳体、所述传感器头或者两者中的流量传感器，其中，所述流量传感器被连接到所述第一端口和所述第二端口，以便测量横过所述限流装置的压降。
45.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述处理器适合于确定新陈代谢参数，所述新陈代谢参数包括氧气消耗量(VO2)、二氧化碳产生量(VCO2)、呼吸商(RQ)、静息能量消耗(REE)、以及上述参数的任意组合。
46.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述处理器设置在所述传感器头中。
47.一种导气管适配器(20，100，200，334)，包括：
壳体，所述壳体具有入口、出口以及由其通过而形成的孔，其中，气流进入所述入口、经由所述孔被运送通过所述壳体、并且从所述出口排出，进入所述入口的气流的体积对应于从所述出口排出的气流的体积，使得没有气体从所述入口与所述出口之间的所述孔排放；
与所述壳体相关联的流量检测组件；
与所述壳体相关联的第一气体组分检测组件，所述第一气体组分检测组件适合于检测气流的第一组分而不用将气体从所述壳体中转移，其中，所述第一气体组分检测组件包括限定在所述壳体中的检测腔，所述检测腔的边界至少局部地由窗口限定；以及
与所述壳体相关联的第二气体组分检测组件，所述第二气体组分检测组件用于检测气流的第二组分，其中，所述第二气体组分检测组件包括与所述气流流体连通的气体传感器，所述流量检测组件的第一输出提供表示通过所述壳体的气流的第一数据，所述第一气体组分检测组件的第二输出提供表示第一气体组分的第二数据，所述第二气体组分检测组件的第三输出提供表示第二气体组分的第三数据，所述第一数据、所述第二数据以及所述第三数据基本上同时被提供。
48.如权利要求47所述的适配器，其特征在于，所述第二气体组分检测组件包括限定在所述壳体中的第一开口(40，234)，以及所述气体传感器操作性地连接到所述第一开口。
49.如权利要求48所述的适配器，其特征在于，所述窗口由以下限定：
(a)第一开口以及设置在所述第一开口上方的能量可透射壁障；或者
(b)与第一开口间隔开的第二开口以及设置在所述第二开口上方的能量可透射壁障。
50.如权利要求47所述的适配器，其特征在于，所述气体传感器是电化学元件或发光元件。
51.如权利要求50所述的适配器，其特征在于，所述电化学传感器是燃料电池。
52.如权利要求47所述的适配器，其特征在于，所述气体传感器是氧气传感器。
53.如权利要求47所述的适配器，其特征在于，所述流量检测组件包括：
限流装置(76，136，138，216，218，220，222，224)，所述限流装置设置在所述壳体中、并且适合于产生横过所述限流装置的压降；
设置在所述限流装置的第一侧上的第一端口(70，132)；以及
设置在所述限流装置的第一侧上的第二端口(72，134)。
54.如权利要求53所述的适配器，其特征在于，所述限流装置靠近所述检测腔设置。
55.如权利要求47所述的适配器，其特征在于，限定所述检测腔的所述壳体的部件也限定所述限流装置，其中，所述第一端口设置在所述检测腔的第一侧上，以及所述第二端口设置在所述检测腔的第二侧上。
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