CN101874736A - 一种主流式二氧化碳浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属生物医学工程领域，涉及一种主流式二氧化碳浓度测量装置，包括红外光源、气体检测模块、滤波电路、放大电路、计算单元、气体主通道和测量通道，气体检测模块包括主测量端、参考端、设置在主测量端和参考端之间的温度传感器，红外光源位于气体主通道的一侧，主测量端和参考端相互靠近并位于气体主通道的另一侧，测量通道垂直于气体主通道；在测量通道上设置有光源滤波片、接收端、主测量端和参考端滤波片。本发明采用的光路设计合理而清晰，操作简单，反应快速灵敏，清洗更换方便快捷，实时性更强，精确度更高。

Description

一种主流式二氧化碳浓度测量装置

技术领域

本发明属生物医学工程领域，涉及一种在呼吸主通道内完成二氧化碳浓度测量装置。

背景技术

在医用临床上监测二氧化碳浓度有着重要的意义，可以反映患者的O₂与CO₂的代谢情况。随着医疗事业的不断发展，研究发现呼吸末二氧化碳浓度(PETCO2)值可以反映患者的代谢、通气、循环状态等，已经被认定为与体温、脉搏、呼吸、血压、动脉血氧饱和度并立的第六个基本生命体征，是重要的生命指标之一，而医用二氧化碳监测系统在监测通气、反映循环和肺血流情况方面有着不可或缺的作用。肺泡二氧化碳的浓度和压力受到血液中二氧化碳含量、肺泡通气量和肺血灌注量的共同作用影响，同时由于二氧化碳具有很强的弥散能力，极易从肺毛细血管进入肺泡形成PACO2(肺泡二氧化碳分压)，故PaCO2(血中二氧化碳分压)和PACO2很快达到平衡，最后呼出气中PETCO2应与PACO2相同。所以，临床上可以通过测定呼吸末二氧化碳浓度值(PETCO2)反映PaCO2的变化，以监测患者的通气功能。

现存的CO2浓度测量主要为旁路式，呼出气体通过气体导管进入一个气体采集的气路系统，该系统主要由除湿器，CO2传感器，压力传感器，流量传感器等构成，通过气路适配器、采样管和水/细菌过滤器，将气体以一定的流速抽入测量室进行测量，使用之前需检查系统带有的水汽分离器是否能有效工作，否则将影响气体的测量精度，并且长时间使用后气体导管会积留污垢，滋生细菌。

主流式CO₂浓度监测方法是将CO₂浓度监测模块直接放置在患者的呼吸气路导管中，通过传感器对通路中的CO₂浓度直接进行测定。

发明内容

本发明的目的是，提出一种测定呼吸末二氧化碳浓度值的主流式二氧化碳浓度测量方法，将患者呼吸出的待测气体导入安装有气体检测模块的呼吸主通道中，实现在呼吸主通道内实时、连续、无创的二氧化碳浓度的测量工作。

本发明采用如下的技术方案：

一种主流式二氧化碳浓度测量装置，包括红外光源、气体检测模块、滤波电路、放大电路、计算单元、气体主通道和测量通道，其特征在于，所述的气体检测模块包括主测量端、参考端、设置在主测量端和参考端之间的温度传感器，红外光源位于气体主通道的一侧，主测量端和参考端相互靠近并位于气体主通道的另一侧，测量通道垂直于气体主通道；在靠近红外光源的测量通道上设置有3.9μm-4.35μm的光源滤波片，在主测量端和参考端之前的测量通道上设置有接收端、主测量端和参考端滤波片，所述的接收端滤波片为3.9μm-4.35μm的滤波片，对主测量端和参考端统一滤波，所述的主测量端滤波片为4.26μm的窄带滤波片，所述的参考端滤波片为4μm的窄带滤波片；由主测量端和参考端采集的两路光强信号和由温度传感器输出的温度信号经过滤波电路、放大电路后被送入计算单元，由计算单元对采集到的数据进行分析和转换，最终计算得到二氧化碳浓度。

作为优选实施方式，所述的气体主通道包括入口和出口，所述的入口大于所述的出口；主测量端和参考端采用热释电或者热电堆红外传感器采集光强信号。

本发明的主流式CO2检测仪是将气体检测模块直接放置于被测体呼吸气路导管中，模块集成于一体，具有以下的优点：

(1)在测量通道靠近光源的地方设置了3.9-4.35μm的滤波片，该滤波片可以防止光源产生其他波段红外光进入测量模块，这种设计避免了其他波段的红外光进入可能造成两个不良影响：1、红外光的热量使得测量模块温度上升，造成测量误差加大；2、产生干扰光，影响测量精度。

(2)本发明在主测量端和参考端之前的测量通道上设置两层滤波片，第一层是采用3.9μm-4.35μm的滤波片对主测量端和参考端统一滤波，第二层主测量端使用4.26μm的窄带滤波片，第二层参考端使用4μm的窄带滤波片。两个检测端收集到的数据相对比，可提高二氧化碳浓度最终计算结果的精确度。

(3)本发明将温度传感器置于两个检测端中间，由于检测端长时间工作后温度会发生变化，这种变化会导致检测端测量到的信号产生偏移量并影响测量精确度，所以本测量装置在主检测端和参考端之间设置一枚温度传感器，温度传感器用以实时提取检测端的工作温度，用来检测装置温度漂移的反向补偿。

(4)为了防止气体过快通过检测模块，从而导致二氧化碳对红外线的吸收不充分而影响测量精确度，本发明在呼吸主通道到气体检测模块的接口部分采用了入口大出口小的形式，保证气体有充分的时间停留在检测模块内部，使测量值更加精确。

(5)本发明特别设计了参考检测端用来补偿主检测端所受干扰，参考检测端置于主检测端的旁边，正对着光源，在检测装置使用时，参考检测端检测到的信号可以在信号处理的过程中作为衡量环境干扰的基准信号，可以提高测量精确度。

总之，本发明采用的光路设计合理而清晰，操作简单，反应快速灵敏，清洗更换方便快捷，实时性更强，精确度更高。

附图说明

图1本发明的主流式二氧化碳浓度测量装置的检测通道布局图。

图2本发明的主流式二氧化碳浓度测量装置的电路结构框图。

具体实施方式

下面首先介绍本发明的测量原理。

气体分子对特定波长的红外光吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，在高速数字处理的CPU中可以计算得到二氧化碳的浓度值。二氧化碳能吸收波长4.26的红外线，如将气体送入检测室，由传感器光源一侧发生的红外线对其进行照射；另一侧光检测器能测出所接受红外线的衰减程度，通过监测衰减程度来计算出二氧化碳浓度的数值变化。

由朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律推到可以得到：

I＝I₀exp(-μCL)

其中：I₀为入射光强度，

I为出射光的强度，

μ为气体吸收系数，

C为气体浓度，

L为气体厚度。

实际中人的正常呼吸气体是多种气体的混合，其中每种气体对各个波长的红外线的吸收系数μ互不相同，对于含有i种气体混合气体来说，光的吸收关系可以表示为下式：

I＝I₀exp(-∑μ_iC_iL)

二氧化碳吸收峰值所对应的光波长为4.26μm，如果检测通道中只含有近似4.26μm波长的光线存在，则此时气体对光的吸收可以描述为：

$I=I_0\exp \left({-\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{CO}}_2}{C}_{{\mathrm{CO}}_2}L\right)$

为了获得入射光强度I值，并减少干扰与气流速度的影响，需要在监测通道中设置一组参考光源和传感器。正常呼吸气体中所含4μm波长的气体组成非常稳定，浓度含量不会发生变化，所以本发明采用4μm波长光源作为参考光源，并采用4μm的传感器作为参考端。参考端的设计可以在算法中增加参考值，以提高检测精度。本发明的监测通道具体布局设计如图1。

图1中的红外光源1与红外传感器3，4构成的检测端垂直相对，其方向与气体呼吸主通道中气体流动的方向相垂直，主检测端与参考端并列设置在主呼吸通道璧上，以达到在呼吸的过程中，在气体流动的同时实时检测二氧化碳浓度的目的，为了减少温度漂移造成的误差，在两个检测端的中间设置一枚温度传感器5，以便收集主检测端和参考端工作温度数据和温度漂移数据，用来进行温度漂移的反向补偿。

在光路设计中使用了三层滤波：在红外光源1与测量通道间设置了3.9μm-4.35μm的光源滤波片2；在主测量端和参考端之前的测量通道上设置两层滤波片，第一层是采用3.9μm-4.35μm的滤波片7对测量端和参考端统一滤波，第二层主测量端使用4.26μm的窄带滤波片8，第二层参考端使用4μm的窄带滤波片9。

本检测装置在气体主通道6到气体检测模块的接口部分采用了入口10大出口11小的形式，入口面积1.8平方厘米，可以使呼吸气体充分快速的进入检测模块穿过红外光线进行检测，出口面积为1.2平方厘米，保证气体有充分的时间停留在检测模块内部，使测量值更加精确。这种设计可以防止气体过快通过检测模块导致二氧化碳对红外线的吸收不充分而影响测量精确度。

以上即是根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律完成的主流式二氧化碳浓度监测系统的设计，以及其参考光路设计。

本发明中被测气体直接经由气体导管通过检测模块，无需再做分流收集，或者导入气室单独测量，因此光路和气路的合理布局成为创新的关键。下面以光路光学设计为线索叙述技术方案：

本发明的主流式二氧化碳浓度测量装置的原理结构图见图2。

本发明的主流式二氧化碳浓度监测装置将二氧化碳浓度监测模块直接放置在患者的主呼吸通道气路6的导管中，通过红外传感器3，4对通路中的二氧化碳浓度直接进行测定，并在检测终端给出实时、精确的数据。现将放置在患者呼吸主通道中的气体检测模块的结构设计如下：

稳定的红外光源1的设计：由于实际使用中二氧化氮、水蒸气、麻醉气体等对系统的影响，要求红外光源必须有足够的能量使环境变化不影响元件的线性变化。故要求红外光源光电转换率高，输出功率稳定，外部电源供电稳定。

二氧化碳分子将在4.26μm的红外光谱上有一个显著的吸收峰，参考光将在4μm的红外光谱上有一个显著的吸收峰，为了减少其他波长的光源的影响，红外光发射单元必须经过窄带滤光，在红外光源与检测通道之间放置一个3.9μm-4.35μm的窄带滤波片，将光源限制在4μm与4.26μm左右范围内。

接收端设计：在主测量端和参考端之前的测量通道上设置两层滤波片，第一层是采用3.9μm-4.35μm的滤波片对测量端和参考端统一滤波，第二层主测量端使用4.26μm的窄带滤波片，第二层参考端使用4μm的窄带滤波片。

红外光源发射红外光之后经过窄带滤波片和主通道气体，由于被主通道6中的气体吸收红外辐射而产生衰减，最终由红外检测端接收到的信号经过分析计算可以得到二氧化碳浓度的数值。本发明在与呼吸气路垂直方向上红外光源1的另一端放置由窄带滤波片与红外传感器构成的检测端来检测红外线穿过呼吸气体之后的红外辐射强度，将窄带滤波片放置在红外光源与红外传感器之前以提高系统精确度。此处系统采用带参考源的窄带红外接收方法，在与红外光源垂直相对的位置放置两个由窄带滤波片与红外传感器构成的检测端，一个作为主检测端，另一个作为参考检测端，两个检测端收集到的数据相对比，可提高二氧化碳浓度最终计算结果的精确度。此步骤我们采用高灵敏热释电或者热电堆红外传感器，以非接触的方式检测出物体吸收的红外线能量变化。

红外检测器的设计与实现：红外检测端由一个窄带滤波片和红外传感器构成，窄带滤波片使系统精确度提高，而红外传感器能将物体吸收的红外线能量变化转换为电信号输出；为了进一步提高系统监测二氧化碳浓度的精确性，系统采用带参考源的窄带红外接收方法，即检测器的前端设计有两个接收窗口，一个是气体检测端，另一个是气体参考检测端，两个检测端都由窄带滤波片和红外传感器构成的。由于接收端带有参考源，故通过二氧化碳的浓度与参考源的对比可以一定程度上消除环境中干扰因素，从而提高整个系统的精确度。

测量并收集系统的工作温度：由于红外传感器的温度变化会影响到被测气体浓度的测量精确度，在两个气体检测端的中间放置一个温度传感器5来实时测量收集红外传感器的工作温度的数据，并将这些数据作为温度补偿的依据用于二氧化碳浓度的计算，达到温度补偿的效果。

本发明的主流式二氧化碳浓度测量装置的电路结构框图见图2。测量过程如下：

原始信号的产生：由窄带滤波片和红外传感器构成的检测端会将检测出的物体吸收的红外线能量变化量转换为原始电信号输出。

原始信号的预处理：由于原始信号十分微弱并且存在一定干扰，故需要将收集到得原始信号进行放大、滤波等预处理。

计算二氧化碳浓度值：对预处理后的信号进行数字化处理，使之转换为数字信号并传送至计算单元，本实施例的计算单元为高速数字处理单元CPU，CPU对采集到的数据进行分析和转换并计算得到二氧化碳浓度。计算单元也可以采用计算机或者其他的微处理器。

Claims (3)

1.一种主流式二氧化碳浓度测量装置，包括红外光源、气体检测模块、滤波电路、放大电路、计算单元、气体主通道和测量通道，其特征在于，所述的气体检测模块包括主测量端、参考端、设置在主测量端和参考端之间的温度传感器，红外光源位于气体主通道的一侧，主测量端和参考端相互靠近并位于气体主通道的另一侧，测量通道垂直于气体主通道；在靠近红外光源的测量通道上设置有3.9μm-4.35μm的光源滤波片，在主测量端和参考端之前的测量通道上设置有接收端、主测量端和参考端滤波片，所述的接收端滤波片为3.9μm-4.35μm的滤波片，对主测量端和参考端统一滤波，所述的主测量端滤波片为4.26μm的窄带滤波片，所述的参考端滤波片为4μm的窄带滤波片；由主测量端和参考端采集的两路光强信号和由温度传感器输出的温度信号经过滤波电路、放大电路后被送入计算单元，由计算单元对采集到的数据进行分析和转换，最终计算得到二氧化碳浓度。

2.根据权利要求1所述的其特征在于，所述的气体主通道包括入口和出口，所述的入口大于所述的出口。

3.根据权利要求1所述的其特征在于，主测量端和参考端采用热释电或者热电堆红外传感器采集光强信号。

Images