CN102264292A - 测量呼吸中的气体浓度的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于吸收光谱学的应用来测量由呼吸的对象吸入的氧气和产生的二氧化碳的装置。利用约763nm的腔增强吸收频谱来测量氧气浓度且将在2.0035μm下的直接吸收或波长调制光谱学用于测量二氧化碳浓度的吸收光谱仪包括在呼吸管中且靠近呼吸对象。这提供了具有良好的时间分辨率的氧气浓度和二氧化碳浓度的测量，其可以与根据时间进行的流速测量组合以基于逐次呼吸来获得氧气吸入量和二氧化碳产量。该装置还可测量呼出呼吸中的水汽和麻醉气体的浓度。

Description

测量呼吸中的气体浓度的装置

技术领域

本发明涉及根据吸入呼吸时间和呼出呼吸时间测量分子氧的浓度或二氧化碳浓度或者分子氧和二氧化碳的总共浓度，更具体地，本发明的目的在于通过使人类对象或动物对象呼吸来测量氧气的吸入量和二氧化碳的产量。

背景技术

准确测量人类对象或动物对象呼吸中的耗氧量对评定心肺功能和代谢功能均有用。测量二氧化碳产量在评定代谢功能方面有用。这两种测量在医学应用或兽医应用中是有用的，诸如在对对象实施麻醉或者人工或辅助通气期间及具有医学应用和运动应用二者的运动负荷试验期间是有用的。

目前有多种方式来测量氧浓度。例如，众所周知，基于电化电池、极谱法、顺磁性和氧化锆的氧传感器可用于检测氧气，但通常情况下它们必须置于远离对象处，因为它们不适合包括在通气管或气道内，而且它们的反应时间也相对缓慢。同样的考虑适用于测量二氧化碳浓度，该测量二氧化碳浓度几乎不变地是在红外光谱内利用吸收来进行的。质谱仪也已用来测量呼吸中的氧浓度和二氧化碳浓度，但因为它们的尺寸和重量较大，因此也需要将它们置于远离病人处。而且，质谱仪相对昂贵且脆弱，尤其不适于用在一般临床和运动环境中。

然而，基于这些技术的分析器已用于监测呼吸中的氧气和二氧化碳，例如在麻醉期间，但是将分析器置于远离病人处意味着无法产生可以暂时以充分精度与流量测量对齐的测量，以通过对浓度和流量的乘积对时间直接积分来计算耗氧量和二氧化碳产量。大体上，分析器通过导管连接到病人的呼吸管，且泵用来将气体通过导管运输到分析器，且这引入了气体到达分析器的可变化的延时。还存在关于浓度测量的其它问题，所述其它问题在于在气体从呼吸管到分析器的行程中，气体纵向混合，使浓度测量欠准确。因此，用在此结构(通过导管自病人的呼吸管取样的气体)中的分析器可提供呼吸管中的二氧化碳和氧气的时间波形，但并没有采用用于以任何的准确度来确定耗氧量和二氧化碳产量的方式。

在一定程度上解决此问题的一种方式是将病人的呼吸管连接为从已知固定成分(几乎总是空气)的高(固定)流速气体供应分出的分支。病人呼出的气体与高流速气体供应反混，且它们二者被输送到一腔室中，在该腔室中它们由风扇混合且氧浓度得到测量。风扇腔室足够大以使氧浓度稳定，且可通过使气体的固定高流速与输入空气中的原始氧浓度和混合腔室中的氧浓度值之差相乘来计算平均耗氧量。然而，该方法依靠利用风扇腔室来消除变化，且因此系统的时间分辨率本身就低。因此，不可能基于逐次呼吸来计算耗氧量和二氧化碳产量。而且，如果病人呼吸除了固定的气体成分外的其它任何成分，该系统也将不起作用，因此该系统不适于用在还可能需要低(可变)气体流速的麻醉中。

在总流量可能很低和/或可变化的情况下以及在吸入的气体组分可变化的情况下，能够基于逐次呼吸来测量耗氧量和二氧化碳产量是有用的。在原理上，这可以通过测量通过呼吸管的气体流速且将此瞬时流速乘以瞬时气体浓度并对呼吸次数求积分来实现。然而，在可变化的导管延时之后才进行浓度测量的事实意味着，利用当前的气体分析器，此计算无法给出可靠的结果。

EP-A1-0692222公开了一种用于通过吸收光谱法来测量呼吸中的氧浓度的传感器，但该传感器使用一多光程反射池，在该多光程反射池中，光束穿过位于气道中的两个反射镜之间的人字路径。本发明与多光程反射布置不同，并且具有更简单的对齐和更高的灵敏度的优势。

US 6,884,222公开了一种用于测量呼吸商数的装置，该呼吸商数为呼出气中的增加的二氧化碳浓度与降低的氧浓度的比率，但耗氧量和二氧化碳产量都不能仅根据此比率信息计算出。

因此，具有基于逐次呼吸来准确地测量耗氧量、且优选地也测量二氧化碳产量的方式将是有用的。

发明内容

因此，本发明提供了用于测量人或动物对象的呼吸中的呼吸耗氧量的装置，所述装置包括：

设置在所述对象的气道中的呼吸管；

用于测量通过所述呼吸管的气体中的分子氧的浓度的吸收光谱仪；

用于测量通过所述呼吸管的气体的流速的流量计；及

用于接收所述浓度和流速测量结果且适于根据它们计算并且输出逐次呼吸的耗氧量的测量结果的处理器；

其中所述吸收光谱仪包括：

邻近所述对象设置于所述呼吸管中并且供所述气体穿过的光谐振腔、用于将光供应到所述光谐振腔的光源以及用于检测从所述光谐振腔中出来的光的光检测器，由此提供表示所述光谐振腔中的所述气体中的所述分子氧对光的吸收的信号，且其中所述光谐振腔和光源被布置成使得所述光谐振腔中的所述光沿其一些或者全部路径的返回，以在所述光谐振腔中激发一个或多个谐振模，以提供所述氧吸收信号的腔增强。

在本文献中，术语“腔增强”用来表示技术，靠此技术，因光谐振腔中存在的目标物质吸收光谱而得到的信号通过对沿该腔内的同一路径进行逆辐射式重复反射而被增强，以便激发一个或多个谐振模。这使得能够更容易地检测气相中的微量成分且对它们的存在进行量化。光谐振腔通常由在光学上相对的两个高反射镜(反射率典型地大于99％)提供，并且一些光路径或全部光路径的重复折回引起谐振，且增加干扰效应和显著的能量密度。因此，光谐振腔与多光程反射池在性质和构造方面有根本性的不同，多光程反射池是非谐振的且在多光程反射池中，反射镜的准确对准使得光束沿着该反射池的入口窗和出口窗之间的扩展的但轮廓分明的单通路。

使用在腔增强吸收组件中的光谐振腔能够在更紧凑且更轻的呼吸分析装置内实现高灵敏度，该高灵敏度高于利用等效的多光程反射池实现的灵敏度。而且，所产生的装置更易于装配和调整。

现有技术已知大量的不同的腔增强吸收技术。由Mazurenka等人所写、在Annual Reports on the Progress of Chemistry(2005)第C101节、第100-142页中的“Cavity ring-down and cavity enhanced spectroscopy using diode lasers”综述中讨论一些腔增强吸收技术。在连续波光腔衰荡技术中，在消除来自光源的光或者去除谐振条件之前在光谐振腔中建立光学谐振。接着测量腔谐振的衰减时间，衰减时间取决于腔的属性和腔内的气相成分的吸收属性。

作为备选，可以使用连续波源并连续地测量谐振程度。在本发明的优选实施方式中，利用频率控制器或者扫描发生器扫描可调激光器或者更具体地可调连续波激光二极管源的频率。通过足够快地扫描光源以将源频率和每一固有腔模之间的重叠区限制在比腔的衰减时间短的时标内，很大程度上避免了因在固有腔模中累积能量而造成的输出信号的谐振峰值。还可以同时调制光源波长和一个谐振腔反射镜的位置以随机化腔模的出现，当对源进行大量频率扫描后，求该信号的平均值时，腔模丢失。替代扫描，原理上可以使用被选择以包括目标物质的吸收谱线的离散频率。

因此，在本发明的实施方式中，扫描供应到光谐振腔内的光的波长以激发多个谐振模，而不在任一单个模中累积能量。在此实施方式中，光源将光连续地供应到光谐振腔中，且光检测器和处理器通过所述波长的多次扫描而组合输出，从而以高灵敏度对在波长扫描内任一频谱线的吸收提供相对平坦的频率响应。还可以抖动(振动)所述谐振腔反射镜之一以确保激发很多不同模并且进而使频率响应平坦化。

作为备选，可以利用腔衰荡技术，其中通过输入的光激发该腔的单模，输入的光接着取消，且测量腔中的光的衰减时间。

优选地，吸收光谱仪适于测量通过呼吸管的气态样本中的二氧化碳的浓度；且处理器接收二氧化碳浓度测量并根据它们和流速测量结果计算逐次呼吸的二氧化碳产量的测量结果。因此，可提供耗氧量测量和二氧化碳产量测量结果。

本发明允许吸收光谱仪邻近对象直接置于呼吸管中，使得气体的纵向混合问题和使用导管和泵的现有技术系统中存在的中转时延问题被消除。而且，使用激发有多个模的光谐振腔能够快速、高灵敏度和高准确性地检测相对弱的氧吸收信号。实现此的原因是：在光谐振腔中，与诸如奥里奥特(Herroitt)池的多光程反射池形成鲜明对比，布置所述反射镜使得光沿着所述反射镜之间的同一路径重复折回，造成一定程度的干扰并增强的信号灵敏度。

光源和光检测器以及处理器可以利用用来将光谐振腔连接到光源或检测器的光纤而置于远离病人处。这意味着，必须附接到呼吸管的元件相对轻，因此病人很少感觉到因使用监测装置而额外造成的不舒适。与例如使用奥里奥特结构的多光程反射系统相比，所述反射镜更小且更轻，并且输入光和输出光穿过所述反射镜。此外，腔元件和腔组件可由非金属部件构成以用在MRI仪器内。

二氧化碳测量可以通过直接吸收光谱或者通过波长调制光谱学进行。氧气测量和二氧化碳测量可以利用两个独立的光源进行，或者如果使用能够发出适当的不同波长的光源，氧气测量和二氧化碳测量可以由同一光源进行。类似地，可以使用一个公共光检测器或者两个不同的光检测器。

光谐振腔优选地由两个反射镜限定，所述两个反射镜定位成使得腔的光轴垂直于呼吸管(然而，光轴相对于呼吸管为其它取向是可能的)，通过使用光纤，光导引到光谐振腔或者从光谐振腔导引出。用于二氧化碳测量的波长可以透过所述反射镜，在此情况下，所述反射镜可用作用于二氧化碳测量的光的窗。选择性地，可设置用于二氧化碳测量并且与所述光谐振腔隔开的分开的窗。在所述反射镜用作用于二氧化碳测量的窗的情况下，相同的光纤可用来导引用于氧气测量和二氧化碳测量的光。

氧气浓度测量优选地利用大约为763nm的谱线进行，且二氧化碳测量利用大约为2μm的谱线进行，例如为2.0035μm。

为了实现在光谐振腔中激发多个模，典型地快速扫描0.05nm且用于氧气浓度测量的光的波长，例如以大约1kHz频率扫描，测量进行的平均时间典型地小于100毫秒且优选地约为10毫秒或者约为几十毫秒(例如，约为50毫秒到60毫秒)。因此，这有效地组合了几十次扫描中的信号且因此提高了灵敏度。

流量计可以是置于呼吸管中的传统流量计或超声装置，且通过将瞬时流速与浓度值相乘并对时间积分，可进行耗氧量和二氧化碳产量的逐次呼吸测量。

可以加热反射镜以避免凝结。而且，加热器可置于通过所述呼吸管流到光谐振腔的气体的路径中，且优选地还置于流出光谐振腔的气体的路径中，以加热气体来保持光谐振腔中的温度稳定，例如约为40℃，并且避免噪声。所述加热器可包括使气体通过的多个通路，所述通路限定在与热源接触的金属元件内。这可以通过使气体通过密实的金属毛细管阵列来实现，或者通过卷绕一片或多片波纹状(有折痕)的金属箔以使其类似面包卷(Swiss-roll)来产生所述通路，在所述卷的层之间，气体沿轴方向通过所述通路。卷或者毛细管组件可以安装在金属外壳内，所述金属外壳具有附接到外壳的加热元件。

本发明的另一实施方式还包括用来测量呼吸中的麻醉气体的浓度的光源和检测器。对于诸如异氟烷的麻醉而言，吸收是宽泛的且因此使用宽频带光源，例如LED或SLED(超辐射)或者可使用几个(两个或更多)激光器来获得选择性。检测在例如约为3.3微米的中IR区实施或者更优选地在靠近IR区域处实施。对于具有更明确的吸收特征的一氧化二氮N₂O而言，腔增强或调制光谱技术可用来探测1.94微米与2微米之间的跃迁，或者用于二氧化碳测量的单光程反射技术可用于2.8微米与2.9微米之间的跃迁。

本发明通过利用上文描述的光谐振腔装置扩展为测量呼吸中的氧气浓度和二氧化碳浓度和/或麻醉气体的浓度的方法。

附图说明

结合附图，将以示例方式进一步描述本发明，其中：

图1是示出本发明的实施方式的示意图；

图1a是示出本发明的可选择实施方式的示意图；

图2示出由本发明的实施方式测量的空气中的氧气的腔型增强吸收信号；

图3示出了在氮气中在2.003μm下直接吸收7％的二氧化碳；

图4示出了和图3相同的光谱线上的CO₂的波长调制光谱信号；

图5示出了对于呼吸对象来说随时间变化的二氧化碳浓度测量；

图6示出了对于呼吸对象来说呼出的呼吸中的随时间变化的二氧化碳浓度测量和氧气浓度测量；及

图7(a)、图7(b)和7(c)示意性地示出了在进入光谐振腔和离开光谐振腔的流路中包括加热器的实施方式。

具体实施方式

图1示意性地示出根据本发明的一个实施方式的氧气和二氧化碳监测器。可从图1看到，本发明允许仅距离对象几厘米地进行直接测量，且因为该装置可以包括在诸如通气管或麻醉管的常见呼吸管中，该测量以无创方式进行。这些优势意味着，所述测量每几十毫秒地实时进行且在浓度测量和流量测量之间没有延时。位于该对象和该装置之间的恰当的生物滤器可多次使用，而不需消毒。

本发明将约为760nm的腔增强吸收光谱(CEAS)用于氧气测量，且将约为2μm的直接吸收或波长调制光谱用于二氧化碳测量。这些测量提供了足以确定5托内的氧气分压和1托内的二氧化碳分压的灵敏度，给出了在20ms的时间内吸收的氧气的测量准确度约为1％。

如图1中所示，装置利用了光谐振腔1，该光谐振腔1通过在呼吸管7的两侧上定位隔开距离约为4cm的两个反射镜3和5形成。所述反射镜优选地为直径约为2cm的平凹型且其曲率半径远远大于它们的隔开距离。所述反射镜如此布置使得在它们的中点处的法线与称为光轴10的公共轴近似重合。应当注意到，只要腔保持光学稳定，所述反射镜之一不必是平凹型。

所述反射镜被涂上涂层，使得凹面对用于测量氧浓度的波长的光高度反射(在此实施方式中，约为760nm)，例如反射99.99％，而平面未被涂上涂层或者涂有抗反射涂层。

如图1所示，所述反射镜相对于呼吸管安装，使得光轴垂直于呼吸管中的气流。然而，其它取向是可能的。

优选地，通过连接到它们的镜架的电加热器或者通过流过它们背面的温暖气体流将所述反射镜加热到约比环境温度高10℃。这防止来自呼吸的水沉积在表面上并干扰测量。通过调整允许反射镜准确对齐的镜架，所述反射镜保持在恰当位置。

如图1所示，用于氧气测量和二氧化碳测量的光通过光缆11自二极管激光光源13传播到光谐振腔。二极管激光器13由控制器15控制，二极管激光器13诸如为DFB(分布式反馈)激光器或VCSEL(垂直腔面发射激光器)。光通过耦合器17引入光谐振腔，使得光通过反射镜3进入腔。该光大致沿着光轴对齐，且入光的对齐以及反射镜的对齐被布置成使得光谐振腔1中激发多个横模。如下文所述，还快速扫描光的波长，使得相继激发多个模。

通过耦合器17入射到光谐振腔1的光在该腔内经历多次反射。在相同频谱范围内重复扫描光源13以增强该光谐振腔内的低噪声频谱。每当光源频率和谐振腔模之间发生谐振时，光耦合到该光谐振腔中。光谐振腔的模结构可通过使腔的反射镜稍微偏移而制作得尽可能地密集，使得可激发很多更高阶模。光源13和腔模的频率之间的重合可通过使腔长度振荡或者通过将抖动(jitter)叠加在光源的频率扫描上而进一步地随机化。

优选地，在光源13的单一频率扫描中，涵盖了光谐振腔的几十个自由频谱范围，且相继地激发很多腔模。可以将光检测器23的时间常数设置为使得相邻的腔模不再被分立地观察，因此在单一频率扫描中，获得相对平稳的信号。上百次连续扫描共同被平均化以增大信噪比且让任何随机过程来平滑模结构，这还可以在数据中显示。

在光谐振腔1内利用氧气的吸收通过光检测器23输出的信号的减少而检测到。在特定频率下，该信号的平均强度与光谐振腔的衰减时间成比例，并因此与腔的光损耗成反比。当利用此技术时，重要的是在该腔内部不建立重要的辐射场。如果它们建立在腔内，则当腔模与光源谐振时，在光检测器输出处可发生使输出尖峰快速波动，这对通过对光源13的快速频率扫描而实现的平稳输出信号是不利的。

凭借其0.001％的透射率，光能够通过第二反射镜5离开光谐振腔1，且此离开的光由耦合器19耦合入光纤21以传播到光检测器23。光检测器23(及下文的23a)可以是硅光敏二极管或铟砷化镓光敏二极管。

来自二极管激光器13的光的频率通过控制器15被连续且快速地扫描，使得在每一扫描期间，激发该腔的很多横模和纵模，且使得单个的模无法建立可观的强度。因此，若该腔中不存在任何特定吸收器，则该腔中的光强度(且因此由光检测器23检测的光强度)会具有相对平坦的频率响应。然而，当该腔内存在着在正被扫描的波长范围内具有吸收特征的被分析物诸如氧气时，以该特定吸收频率的光强会降低，从而产生CEAS光谱以显示在输出控制器和显示器25上。光源控制器15和输出控制器和显示器25可以整合成单一控制系统。

如图1所示，二极管激光器13和检测器23都置于远离呼吸管处，且仅通过光纤11和光纤21连接到呼吸管。这减少了必须附接于呼吸管的元件的数目，提高了病人的舒适度。然而，显然可能的是，光源和/或光检测器还可附接于电连接到控制装置和处理装置的呼吸管。

优选地利用以约为1kHz频率的三角波形或锯齿波形扫描激光的波长，并且必要的话，可以额外应用调制以用于信号处理，例如利用波长调制光谱学。必要的话，通过使用光学隔离器来保护光源以免发生背反射。

必要的话，来自光检测器23的信号可以经电子过滤以移除高频噪声(例如，10kHz以上频率的噪声)。

在此实施方式中，二极管激光器13被调整到氧内的b¹∑_g ⁺←X³∑_g ^-跃迁的(0，0)波段内的特定转动跃迁。该跃迁被选择为使得不存在所有其它的吸收特征(例如，来自H₂O、CO₂或通气混合物中存在的其它气体的高谱波或组合波段)。该跃迁极微弱，且因此需要利用非常灵敏的CEAS技术来用于通气管的测量。

在跃迁范围(在约为0.06nm的范围中)以电子方式扫描激光10-100次产生了以下形式的信号S：

$S=\frac{I-I_0}{I}=\frac{\mathrm{\αcL}}{1-R}$

其中I和I₀分别是吸收后和未吸收的CEAS信号的强度，α是与吸收截面相关的波长，c是物种浓度，L是反射镜的隔开距离且R是两个反射镜的反射系数的几何平均数。因此，如果已知R的话，根据测量S，可求得浓度c。具有已知氧浓度的空气样本可以用来标定该系统且确定R。

图2示出了在L＝4cm、R～0.999(99％)下、在b¹∑_g ⁺←X³∑_g ^-跃迁的(0，0)波段的^PP(5)线上利用大气压力空气流得到的数据的示例。在6ms的平均时间中获得数据。分析谱线形状所需的数据是用于跃迁的整个吸收截面和谱线变宽系数。前者是熟知的，后者针对标准气体列成表格，且可以针对特定的(例如)麻醉混合物进行测量(例如，利用CEAS技术)。图2的数据示出的精度为±1托，完全在所需的5托精度内。

在此实施方式中，二氧化碳浓度通过在v₁+2v₂+v₃组合波段的R18e线上的2.0035μm通过直接吸收或波长调制光谱学进行测量。也可以利用2μm区域中的其它线，但条件是其它线能够与存在的其它气体的吸收特征很好地分开，所述其它气体尤其是H₂O。来自VCSEL(垂直腔面发射激光器)的光被导引在垂直于气流的单个通路中，激光通过分离的窗口或者通过谐振腔反射镜1和谐振腔反射镜3传播到呼吸管。因此，在图1的实施方式中，相同或者不同的光源13可以用来使2.0035μm波长的光通过相同的光纤11和耦合器17传播到反射镜3，只要反射镜3在此波长下的反射性可以忽略不计。类似地，反射镜5布置成在此波长下的反射性可以忽略不计，使得光可以通过耦合器19在光纤21中传播到同一或者不同的光检测器23。因此，在此实施方式中，单一光纤用来将光传播到呼吸管或自呼吸管传播光，且763mm和2.003μm的光被波分复用到同一光纤中。

图1a示出了备选实施方式，其中独立光源13a、光纤11a和窗31用来将用于二氧化碳测量的光传播到呼吸管7，窗33和光纤21a用来将光传播到独立的光检测器23a。

用于二氧化碳的时间分辨直接吸收信号通过如下的比尔-朗伯定律表达式转换成绝对浓度：

$\frac{I}{I_0}=\exp (-\mathrm{\αcL})$

其中各符号如上文所述。不需要标定。

激光波长的变化将产生吸收光谱，且图3中示出了花10ms以上的时间在N₂中混有7％的CO₂的示例。值α是取决于波长，且根据吸收和已知的值，可得出浓度c。分析谱线形状所需的数据是用以跃迁的整个吸收截面和谱线变宽系数。前者是熟知的，后者针对标准气体列成表格且可针对具体的混合物(例如麻醉混合物)进行测量。

如果需要提高灵敏度，则通过波长调制光谱学测量吸收，且图4示出了提高的信噪比的示例。在此，信号通过使用已知浓度的二氧化碳样本被标定或者通过利用诸如向量分解技术和恢复残余幅调的可选择方式被标定。

气体流量利用诸如NDD Easy One Pro的流量计40测量，但可使用其它的传统流量计。

图5在一时间轴上示出了呼吸期间CO₂浓度的测量，该时间轴与利用传统(即，基于导管)的CO₂检测器的测量的时间轴对齐。示出了四个呼吸循环。实线是在4cm长的反射池中利用直接吸收而收集的试验数据(分辨率为10ms)，且虚线示出了自传统的(德恩)呼吸分析器(使用在当前医学环境中的呼吸分析的仪器)收集的数据。曲线清楚地示出了德恩数据中因使用用于样本传输的管子而引起的延迟。这示出了真正同步的浓度和流量测量的重要性以确定CO₂产量的绝对值或O₂使用率。

图6示出了利用上述装置的实施方式来同步测量呼出气中的CO₂浓度和O₂浓度。示出了在约35秒的总时间段中时间分辨率为10ms的若干呼吸循环。对于O₂和CO₂而言，探测到的跃迁(频谱线)分别为760.445nm和2.0035微米。

在另一实施方式中，呼吸中的水汽的浓度还可以利用1.35微米和1.4微米之间的单光程反射吸收测量(针对上文的CO₂测量)检测，例如，使用1.368微米或1.392微米的细行。这还可以将另一二极管激光器用作光源以使光通过谐振腔反射镜来实现。检测水汽浓度有利于能够量化不同标准的水汽浓度下的O₂和CO₂，所述水汽浓度可能是呼出气的1％到6％。图7(a)示意性地示出了可选择的实施方式，其中加热器70和加热器72位于呼吸的流动路径中并且在光谐振腔1的每一侧上。将腔1中的气体保持在不变的温度下对避免反射池内的热梯度尤其有用，热梯度导致不期望的噪声。这通过利用加热元件加热腔1并且还通过将嵌套的毛细管状隔板74在腔1每一侧引入到呼吸管中实现。隔板74约5cm长，且在图7(c)中以截面示出的一个示例中，其由一组嵌入的细孔(直径约为1mm)毛细管80(因此，对于该尺寸的呼吸管而言，在该呼吸管内，共有300到1000之间的这样的毛细管叠置在一起)构成。在图7(b)中以截面示出的可选择实施方式中，隔板74还可由箔78、79构成，箔78、79可以折叠或卷绕成毛细管状布置。还可能使用薄壁铝管。

隔板74通过附接到容纳隔板74的金属壳外部的加热元件76加热。利用隔板74，与气体接触的表面积显著增大，引起有效的热传递。为了有助于热传递，该反射池和隔板由具有良好导热性的金属构成，铝的效果尤其好，因为其易于加工且具有良好的热传递特性。

期望将腔1及其元件的温度提高到约37℃以上，以避免光学元件缩合。隔板74能够实现期望的加热，同时还保持合理的小型布局。在腔1的每一侧上的隔板的长度取决于流动气体的初始温度、气体的最大速率和腔1的所选的不变温度。例如，对于以下情况：装满直径为1mm的毛细管且直径为2.5cm的呼吸流动路径，40℃的腔温度、15℃的室温以及100升/每分的最大流速，加热输入气体所需的隔板长度约为8cm。在气流来自嘴的情况下(初始温度较高，约为35℃)，隔板长度减为约3cm。还可能将在隔板74后面或前面的压力传感器测量到的随隔板74的长度而变的压力用作测量气流速率的方式。

该装置还可用来利用单光程反射或者腔增强光谱来测量麻醉气体的浓度，所述麻醉气体诸如异氟烷和一氧化二氮。一氧化二氮可以利用激光光源和1.94微米与2微米之间或者2.8微米和2.9微米之间的谱线监测，以及异氟烷利用中红外线区或近红外线区中的LED光源或者SLED光源监测。

Claims (27)

1.一种用于测量人或者动物对象的呼吸中的呼吸耗氧量的装置，所述装置包括：

呼吸管，所述呼吸管设置在所述对象的气道中；

吸收光谱仪，所述吸收光谱仪用于测量通过所述呼吸管的气体中的分子氧的浓度；

流量计，所述流量计用于测量通过所述呼吸管的气体的流速；及

处理器，所述处理器用于接收所述浓度和流速测量结果且适于根据它们计算并且输出逐次呼吸的耗氧量的测量结果；

其中所述吸收光谱仪包括：

光谐振腔，所述光谐振腔邻近所述对象设置于所述呼吸管中并且所述气体穿过所述光谐振腔；光源，所述光源用于将光供应到所述光谐振腔；以及光检测器，所述光检测器用于检测从所述光谐振腔中出来的光，由此提供表示所述光谐振腔中的所述气体中的所述分子氧对光的吸收的信号，

并且其中所述光谐振腔和所述光源被布置成使得所述光谐振腔中的所述光沿其一些或者全部路径返回，以在所述光谐振腔中激发一个或多个谐振模，从而提供氧吸收信号的腔增强。

2.如权利要求1所述的装置，其中供应到所述光谐振腔的所述光的波长被扫描以激发多个谐振模。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述光源连续地将光供应到所述光谐振腔中，且所述光检测器和处理器通过所述波长的多次扫描而组合输出。

4.如权利要求1、2或3所述的装置，其中所述吸收光谱仪适于测量通过所述呼吸管的气体中的二氧化碳的浓度；并且所述处理器接收二氧化碳浓度测量结果并根据它们和流速测量结果计算逐次呼吸测量的二氧化碳产量。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述吸收光谱仪通过直接吸收或者波长调制光谱法测量二氧化碳的浓度。

6.如权利要求4或5所述的装置，其中所述吸收光谱仪包括用于利用不同波长的光测量氧气浓度和二氧化碳浓度的不同光源。

7.如权利要求4或5所述的装置，其中所述吸收光谱仪包括用于利用不同波长的光测量氧气浓度和二氧化碳浓度的单一光源。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述单一光源利用单一光纤将所述两个不同波长的光传播到所述光谐振腔。

9.如权利要求4到8中任一项所述的装置，其中所述检测器用来检测用于测量氧气浓度和二氧化碳浓度的所述光。

10.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述光源发出约为763纳米的光以检测所述氧气浓度。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述光源以约1kHz扫描波长约为0.05nm的光。

12.如权利要求4或以上从属于权利要求4的任一权利要求所述的装置，其中所述光源发出约为2.0035微米的光以检测二氧化碳浓度。

13.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述光谐振腔由布置成沿着公共光轴彼此相对的两个反射镜组成，所述公共光轴垂直于通过所述呼吸管的气体流。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述反射镜间隔小于10cm。

15.如权利要求13所述的装置，其中所述反射镜间隔3-5cm。

16.如权利要求13、14或15所述的装置，其中所述反射镜以约99.9％到99.99％的反射率反射用来检测氧气浓度的所述波长的光。

17.如当从属于权利要求4或权利要求4的任一项从属权利要求时的权利要求16所述的装置，其中对于用于检测二氧化碳的光波长，所述反射镜的至少一部分是可透射的，由此，所述波长的光在经过所述光谐振腔期间能穿过所述两个反射镜。

18.如权利要求4或者从属于权利要求4的任一权利要求所述的装置，其中分开的多个窗设置在所述呼吸管中以使用于二氧化碳浓度测量的光通过。

19.如权利要求18所述的装置，其中所述窗设置在所述光谐振腔的外部。

20.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述处理器适于以不大于100毫秒的时间间隔输出浓度测量结果。

21.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述处理器适于以不大于50毫秒到60毫秒的时间间隔输出浓度测量结果。

22.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述处理器适于将根据时间测量的所述流速乘以根据时间测量的所述氧浓度且对时间积分来求出基于逐次呼吸的氧浓度。

23.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中加热器设置在通过所述呼吸管流到所述光谐振腔中的气体的所述路径中以加热所述气体，从而在所述光谐振腔中保持稳定的温度。

24.如权利要求23所述的装置，其中另一加热器设置在流出所述光谐振腔的气体的路径中，由此在所述光谐振腔中保持稳定的温度。

25.如权利要求23或24所述的装置，其中所述加热器包括所述气体流过的多个通道，所述通道限定在与热源接触的金属元件内。

26.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置还包括适于测量呼吸中的麻醉气体的浓度的光源和检测器。

27.如以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置还包括适于测量呼吸中的水汽的浓度的光源和检测器。

Images