CN102784427B - 用于测量呼吸气体中氧浓度的气道适配器和气体分析仪 - Google Patents

用于测量呼吸气体中氧浓度的气道适配器和气体分析仪 Download PDF

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Abstract

在此公开了一种气道适配器。该气道适配器包括流道以及主体，所述流道用于运送包含氧气的呼吸气体，所述主体具有至少部分地涂覆发光体的表面，所述发光体通过所接收的辐射而激发，所述发光体与呼吸气体接触并且发射指示呼吸气体中的氧浓度的发光辐射。该主体包括由所述表面所环绕的透明辐射路径，所述主体引导所接收的辐射和发光体所发射的发光辐射中的至少之一。还提供了一种用于测量呼吸气体中氧浓度的气体分析仪。(图2)。

Description

用于测量呼吸气体中氧浓度的气道适配器和气体分析仪
发明背景
本公开总的涉及一种气道适配器，该适配器包括流道以及主体，所述流道用于运送包含氧气的呼吸气体，所述主体具有至少部分地涂覆发光体的表面，所述发光体通过所接收的辐射而激发，所述发光体与呼吸气体接触并且发射指示呼吸气体中氧浓度的发光辐射。本公开还涉及一种气体分析仪，所述分析仪用于测量呼吸气体中的氧浓度，其包括发射器，用于发射辐射；主体，具有至少部分地涂覆发光体的表面，所述发光体通过发射器所发射的辐射而激发，所述发光体与呼吸气体接触并且发射指示呼吸气体中的氧浓度的发光辐射；滤光器，用于传输发光体所发出的发光辐射；以及探测器，用于接收滤光器所传输的发光辐射。
在麻醉或重症监护中，通常通过分析患者所呼出的气体的成分而监视患者状况。因为该原因，一小部分呼吸气体被转移到气体分析仪中或者气体分析仪直接连接到呼吸回路中。前一种分析仪是侧流型的，而后者则称为主流(mainstream)，因为其能够直接跨过呼吸管道测量。典型的主流传感器具有一次性的气道适配器以及直接可连接的传感器主体。市场上大多数主流传感器设计为使用红外无弥散(NDIR)吸收技术来单独测量二氧化碳。该技术的基础是公知的并且在文献和专利中已经详细地描述。由于其并不与本申请直接相关，因此在本文中将不再进一步描述NDIR测量。
另一种至关重要的气体当然是氧气。氧气可用化学传感器或燃料电池进行测量，但是它们通常过于庞大而难以适合主流传感器中，并且尽管它们具有有限的寿命，但是它们却没有设计成单次使用，因此必须对其进行保护防止与患者气体直接接触以免污染。这是昂贵的并且还影响到传感器的反应时间。氧气还可以采用激光和760nm的吸收进行测量。然而，该吸收是非常微弱的并且来自跨过呼吸管道的短距离的信号噪声太大而不能使用。最有前途的方法是发光猝灭。涂覆发光体的特殊传感器使用诸如来自发光二极管(LED)的蓝光激发。发光信号可以在更长的波长进行测定，其通常处于光谱中的红光部分。氧气能够通过消耗直接来自发光体的可用能量，以可预测的方式猝灭该发光。因此，猝灭的数量是呼吸气体混合物中氧气分压的直接度量。发光猝灭提供了与患者适配器连接的单次使用的探针的可能性。必须要注意的问题是温度和湿度的依赖性以及老化引起的偏差。通常情况下并不直接测量发光强度，但激发态的衰减时间变化则是一个更稳定和鲁棒的可测量值。而且，光学参照物以及温度补偿通常是必要的。
如果可以可靠地测量二氧化碳和氧气，那么就可以计算患者的氧气消耗和二氧化碳产出，假定呼吸流量也是已知的。可以使用热线技术测量流量，但是由于具有水和粘液的困难环境，将需要对呼吸气体进行过滤。这再次增加了流阻。更好的方法采用气流中横跨障碍物产生的压降或者来自皮托管的压力信号。一种引人关注的方法是基于非流线型体下游所形成的涡流的性能。涡流流量计具有大的动态范围并且是相当线性和鲁棒性的。它能够基于涡流频率估计或涡流渡越时间(time of flight)估计。如下文中将进一步显现的，真正的优点来自于氧气传感器可以驻留在非流线型体中。
在临床使用的主流型气体分析仪中，呼吸空气或气体混合物的整个体积或至少主要部分流动通过分析仪和其一次性测量室。因为测量室处于呼吸回路中，其容易受到粘液或冷凝水的污染。因此，必须要使用对于困难环境尽可能鲁棒和不敏感的传感器。在主流分析仪中，红外传感器使用一个或多个参考波长以获得连续可用的足够好的没有气体吸收的信号水平(零水平)的估计。对于氧气传感器，重要的是污染不超出可容忍范围改变敏感度。基于发光猝灭的传感器看来满足该需求。已知的是，其也能在水下工作，因为它测量溶解氧。反应时间自然在该测量中更长。如已经提到的，流量传感器也必须容忍污染。在这方面，基于涡流形成的传感器看来是可靠的。
临床主流气体分析仪必须小巧、轻便、精确、鲁棒和可靠。在其正常操作期间采用参考气体进行归零测量是不可能的。然而，分析仪必须要保持其精度，即使测量室会受污染。由于这些要求，用于二氧化碳(CO2)的大多数单一气体主流分析仪已经市售可得。具有主流型流量传感器的非常紧凑的CO2和O2气体分析仪已在技术上非常具有挑战性。
另一个要求是测量必须足够快速以测量呼吸曲线。在实践中，上升时间必须约为200ms或者甚至更短。对于CO2，使用公知的红外测量技术，这是可能安排的。发光体O2传感器则必须具有非常薄的活性材料层以足够快速反应。这减小了信号，且为了补偿它，传感器表面必须增大。对于用于测量光传输的、具有发光体涂覆窗的小型主流传感器，这可能是个问题。关于流量传感器，如果相关的传感器是快速的，则它可设置为快速的，因此反应时间在技术上不是问题。
发明简述
通过阅读和理解如下说明书，可以理解，上述不足、缺点和问题在此得到解决。
在一个实施方案中，一种气道适配器包括流道以及主体，所述流道用于运送包含氧气的呼吸气体，所述主体具有至少部分地涂覆发光体的表面，所述发光体通过所接收的辐射而激发，所述发光体与呼吸气体接触并且发射指示呼吸气体中氧浓度的发光辐射。该主体包括由所述表面所环绕的透明辐射路径，所述主体适于引导所接收的辐射和发光体所发射的发光辐射中的至少之一。
在另一个实施方案中，一种用于测量呼吸气体中的氧浓度的气体分析仪包括发射器，用于发射辐射；和主体，具有至少部分地涂覆发光体的表面，所述发光体通过发射器所发射的辐射而激发，所述发光体与呼吸气体接触并且发射指示呼吸气体中氧浓度的发光辐射。用于测量呼吸气体中氧浓度的气体分析仪还包括：滤光器，用于传输发光体所发出的发光辐射；以及探测器，用于接收滤光器所传输的发光辐射。该主体包括由表面所环绕的透明辐射路径，所述主体适于引导发射器所发射的辐射和发光体所发射的发光辐射中的至少之一。
由附图及其详细说明，本发明的多个其它特征、目的和优点将对本领域技术人员显而易见。
附图简述
图1说明一种与患者的换气回路相连接的医疗主流气体分析仪。
图2显示气道适配器和气体分析仪的一个实施方案。
图3显示依照图2实施方案的一个氧气测量原理和组件。
图4显示依照图2实施方案的另一氧气测量原理和组件。
图5显示依照图2实施方案的第三氧气测量原理和组件。
图6显示图3，4和5中主体的不同替代品。
图7显示气体分析仪的气道适配器的第二实施方案。
图8显示气体分析仪的气道适配器的第三实施方案。
附图标记：
附图1、2、3、4、5、6、7、8
1 患者
2 呼吸机
3 插管
4 三通管
5 吸气分支
6 呼气分支
7 气体分析仪
8 气道适配器
9 缆线
10 患者监视器
11 窗口
12 发射器
13 发光体
14 主体
15 表面
16 探测器
17 分光镜
18 滤光器
19 辐射射线
20 辐射路径
21 探测器组件
23 非流线型体
24 发光辐射
25 外壳
26 流道
27 凹槽
28 锥形
29 半穹顶形
31 方形
32 三角形
33 梯形
34 半圆形
35 三方
发明详述
以下详细描述中参考附图说明具体实施方案。这些详细实施方案自然可以修改并且不应限制权利要求中所阐述的本发明的范围。
描述了一种用于测量呼吸气体诸如氧气的气体分析仪7。还描述了一种气道适配器8。该技术可以应用在主流型临床多气体分析仪中。此外，气体分析仪和气道适配器的组件也可以在测量气体流量时使用。如图1所示，气体分析仪7诸如医疗主流气体分析仪可以直接横跨插管患者1的呼吸管进行测量。患者1使用插管3、三通管4、吸气分支5和呼气分支6而连接到呼吸机2。气道适配器8连接到插管。包括气道适配器组件的气体分析仪7通过缆线9电连接到患者监视器10。所测量的气体可以是氧气O2以外还有二氧化碳CO2以及可能的其它具有红外吸收的气体诸如一氧化二氮N2O和麻醉气体。而且可以测量用于呼吸量测定法目的的呼吸气体流量和压力。该呼吸量测定法传感器(附图中未示出)可以分开连接但优选集成到气体分析仪7中。
在图2中描述了气体分析仪7和气道适配器8的特写，以更好地显示适配器8的结构，其通常可以是一次性的。该适配器可以具有两个红外传输窗口11，其在测量除氧气外的其它呼吸气体的情况下是需要的。红外源(未示出)位于适配器的一侧，而无弥散滤光器组件和探测器(附图中未示出)位于相对侧，其方式使得红外辐射从源穿过窗口以及各自的窄带滤光器导向探测器。来自每个探测器的信号被放大和修正以反映所测量的气体的浓度或者其可能为没有或具有很小气体吸收的情况下在参考波长的测量。如上所述，呼吸气体可以是二氧化碳、一氧化二氮以及不同的挥发性麻醉剂。所有这些气体吸收某些具体波长区域内的红外辐射，而该区域用窄带滤光器选择。NDIR气体测量技术是公知的且在此不作进一步描述。气体例如氧气使用窗口11之间的短测量通道不吸收足够的红外辐射，由于许多另外的益处，这些气体可以使用基于发光猝灭的不同原理进行测量。
主流适配器中基于发光猝灭的现有技术氧气传感器都包括一窗口，该窗口传输来往于涂有发光体的表面所涉及的辐射。依照图2和3所示的实施方案，用于测量呼吸气体中氧浓度的气体分析仪和气道适配器包括：发射器12，用于发射辐射；以及主体14诸如光学波导，所述主体包括至少部分涂覆发光体13的表面15，所述发光体13通过辐射而激发并且当发光体与呼吸气体直接接触时，所述发光体发射指示呼吸气体中的氧浓度的发光辐射。所述主体(有利地是刚性的)包括由表面15所环绕的透明辐射路径20。气道适配器8具有流道26用于运送包含氧气的呼吸气体，该适配器可包括气体分析仪7的仅一部分组件诸如具有透明辐射路径20以及至少部分涂覆发光体13的表面15的主体，在该情况下适配器可有利地制成一次性。气道适配器(如果期望)也可以包括发射器12，在此情况下其可为适配器的集成部分或可分离组件，但是气道适配器可以没有发射器。主体14，因此透明辐射路径20，可由透明聚合物制造并且因此是廉价的。当然，其也可以由玻璃或任何其他透明固体材料诸如陶瓷制造。气体分析仪还包括滤光器18，用于传输发光体13所发射的发光辐射；以及探测器16，用于接收滤光器18所传输的发光辐射。
图3、4和5中显示用于测量氧浓度的气体分析仪的测量原理。用于激发发光体13的发射器12和用于探测发光辐射的探测器16位于外壳25中，外壳25为气体分析仪7的一部分并且可以不是一次性的。该外壳25可安装在气道适配器8上。可选的，该结构可以采用多种方式制造，显示了其中3种。在图3中，使用二色分光镜17来传输来自发射器12(诸如发光二极管LED)的激发辐射以及反射发光辐射诸如发光体13所发射的光至探测器16。依照公知技术的LED通常在蓝光区域发射，但黄光也已经作为激发辐射使用，这取决于发光体的化学组成。发射器12可以装有光学滤光器(附图中未示出)以移除其发射中可能的红外部分。通常需要位于探测器16前端的光学滤光器18，以过滤掉包括来自发射器12的光波长在内的辐射和干扰性环境光(如果这些存在的话)；仅仅传输发光辐射，其通常在光谱的红端具有最大值。原则上，可以将光学滤光器18结合到二色分光镜17中。如图4所示的结构较简单，并且允许在气体分析仪7的外壳25中安装电子部件、发射器12和探测器16。
在图3和4所示的两个情形中，来自发射器12的激发辐射射线19诸如光射线，通过一个端部进入到透明材料制成的主体14中并且经由全内反射引导到主体下。在一些情况下，辐射射线19将激发发光体13。由此发射的发光朝向所有方向发射并且一部分发光辐射24将在主体内被捕集并传输到探测器16。该刚性主体14甚至可以在一定程度上在探测器16上集中发光辐射并且因此加强被测信号。刚性主体14外侧的氧气将猝灭发光并且与氧浓度相关的信号可被计算并显示在例如患者监视器10中。这使用公知的原理并且应用Stern-Volmer关系来完成：
I0/I＝1+K·C(O2)，
其中I0是无氧条件下的发光强度，I是在氧浓度C(O2)下的测量强度。常数K是Stern-Volmer常数。该等式也可以写作
τ0/τ＝1+K·C(O2)，
其中τ0是无氧情况下的发光衰减时间而τ是在氧浓度C(O2)下的测量衰减时间。该方法是公知的并且详细描述于例如Kolle，C等人的文献：Fast optochemical sensor forcontinuous monitoring of oxygen in breath-gas analysis(用于呼吸气体分析中氧气持续监测的快速光化学传感器)，Sensors and Actuators B 38-39(1997)141-149。
依照图5可以以不同的方式来使用刚性主体14。即使有利的是引导激发辐射射线19进入到主体中，但这是不必要的。发射器12可以位于任意位置，只要其能够足够有效地激发发光体13。激发可以发生在主体14的内侧和外侧两者。
主体14可以具有多种不同形状，这取决于其作为流量传感器一部分的可能的用途，也由于递送激发辐射和收集发光辐射的不同效率。主体的长度可以大于主体横截面的直径，该主体引导发光辐射沿着主体纵轴朝向探测器16。在图3-5中，刚性主体是圆柱形的，发光体沉积在位于气流中的一端。主体的表面包括侧表面和端部表面，且它们中的至少一个至少部分地涂覆发光体，但是不仅主体的端部表面而且侧表面，暴露的表面区域可以显著增加涂覆发光体。原则上，暴露于气流的整个表面15可被涂覆，或者仅仅刚性主体14包括透明辐射路径的一部分。典型的，环绕透明辐射路径20的表面15的至少10％，更具体地至少30％，甚至更具体地至少50％涂覆发光体13。涂覆发光体(13)的环绕透明辐射路径的表面区域为至少10mm2，更具体地至少30mm2，甚至更具体地至少100mm2。
除了端部表面区域之外，涂覆发光体13的面积则等于涂层圆周和高度的乘积。这在图6通过左侧头两个圆柱形刚性主体14显示。该主体14可以具有凹槽27或者其可以制作有垫子以增加表面积并且帮助激发辐射通过发光体13逸出。其形状可以是锥形28或者其可以是半穹顶型29，以更为有效地收集进入到主体的透明辐射路径中的发光辐射。该主体并不必须具有圆形横截面，但是其也可以具有以下形状：方形31、三角形32、梯形33、半圆形34或类似形状，如图6所示。甚至可以具有完全不同的形状，只要可以收集发光辐射。例如，图6右侧显示了三方构造35作为最后一个实例。该形状的益处可在于流量传感器设计。
如图7所示，当将流量传感器组合或集成到适配器8或气体分析仪上时，有利的是采用已经可用的内部结构。这节约空间并且可使适配器小，具有最小的死区，这对新生儿使用是非常重要的。用于发光氧测量的刚性主体14是改变流量的明显障碍物，这个改变可以通过探测器组件21测量。可以横跨刚性主体14测量到压差并由探测器组件21提供指示呼吸气体流量的信号，该探测器组件21可以包括例如与压差传感器相连接的两个压力端口。该探测器组件优选地位于气体分析仪7的外壳25内。如果刚性主体具有类似于图6的三方构造35，其类似于从US 5,088,332所已知的。该刚性主体可能必须在流量方向上轴对称，因为流量方向的改变取决于是监测吸入还是呼出气体。其解决方案也可以是使用具有镜像形状的两个刚性主体。通过将用于NDIR测量的窗口移动到直接位于刚性主体14下方的位置处使得该主体不干扰红外测量路径，图7中的构造实现对称。因此可按照显示或者以缆线9处于相反方向的方式将外壳25连接到气道适配器8。
另一种测量呼吸气体流量的非常有用的方法，尤其在此情况下，是公知的基于涡流形成的方法。图7的刚性主体14可用作用于流量测量的非流线型体。它的直径可以优选是1-3mm并且其长度可为呼吸管道直径约一半直至甚至整个直径。非流线型体，或者该情况中的刚性主体，的下游将会形成依赖于流量的涡流。通过探测器组件21来监测涡流频率，在该情况下探测器组件21可以是例如压电压力探测器并且该压力探测器可以替代压力端口。气体流量基本上直接与该频率成比例。对于双向流动，探测器组件21包括两个探测器。
另一种测量涡流的可能性是测量其渡越时间。探测器组件21(其可包括两个在流量方向上间隔的探测器)可以测量涡流从一个移动到另一个所用的时间。探测器组件21可以包括压力传感器或例如温度传感器。对于双向流动，必须如图8所示使用另一类似的镜像非流线型体23。渡越时间方法可以与涡流频率方法一同使用以增强测量范围和精度，如例如以下所示：Menz，B：Vortex flowmeter with enhanced accuracy and reliability bymeans of sensor fusion and self-validation(通过传感器融合和自我确认而具有增强的精度和可靠性的涡流流量计)，Measurement 22(1997)123-128。基于涡流的流量计有利于呼吸测量，因为不同于基于压差的方法，其基本上对湿度和气体组成不敏感。另外的非流线型体23也可以是包括透明辐射路径20的刚性主体并且可用作气体分析仪7的参照，测量包含具有发光体13的主体14的氧浓度。通过使用发光或通过合并小型热敏电阻，它可以例如用于测量呼吸气体的温度。当然，温度测量优选位于主体14内，较靠近温度依赖性发光体。还可以使用探测器组件21，只要该探测器是温度探测器。
总之，与具有多个离散传感器的气体分析仪相比，所述解决方案因为需要更少的组件而节省金钱和空间两者。当测量患者气体诸如氧气时，尤其在新生儿和儿科情况下，关键的是该解决方案快速且轻质，并且其具有小体积，以保持呼吸管道中的死区可接受，这是之前描述的实施方案中的情形。所解释的实施方案的一个优点还在于，当测量流量时可以利用气体分析仪中所使用的相同组件。尤其可使用于基于涡流形成的流量测量的结构紧凑，并且将基于发光猝灭用于气道适配器和气体分析仪的结构合并到其一个或多个非流线型体中可以节约空间。这些实施方案还提供了与暴露的体积相比相对大的氧气传感器表面，因为非流线型体用作用于激发辐射和发光辐射的刚性主体。
所述书面描述使用实施例公开本发明，包括最佳实施方式，并且使本领域任何技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围通过权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员可以想到的其它实施例。如果这些其它实施例具有与权利要求的文字语言并无区别的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言具有无实质差别的等价结构元件，那么它们旨在落入权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种气道适配器，包括：
流道，用于运送包含氧气的呼吸气体；
主体，具有至少部分地涂覆发光体的表面，所述发光体通过所接收的辐射而激发，所述发光体与所述呼吸气体接触并且发射指示呼吸气体中氧浓度的发光辐射，
其中所述主体包括由所述表面所环绕的透明辐射路径，所述主体适于引导所接收的辐射和所述发光体所发射的发光辐射中的至少之一，
其中所述表面适于通过全内反射来传输辐射，并且其中所述透明辐射路径是光学波导。
2.如权利要求1所述的气道适配器，进一步包括发射器，用于发射所述发光体接收的辐射，所述发射器是所述气道适配器的集成部分或可分离组件中的一种。
3.如权利要求1所述的气道适配器，所述气道适配器进一步包括探测器，其中所述光学波导是刚性的并且所述光学波导位于具有或不具有所述发光体的所述表面与所述探测器之间。
4.如权利要求1所述的气道适配器，所述气道适配器进一步包括探测器，其中所述主体的长度大于所述主体的横截面直径，所述主体引导发光辐射沿着所述主体的纵轴朝向所述探测器。
5.如权利要求4所述的气道适配器，其中所述主体横截面是圆形、方形、三角形、梯形或半圆形中的一种。
6.如权利要求1所述的气道适配器，其中所述主体表面包括侧表面和端部表面并且侧表面和端部表面中的至少一个至少部分地涂覆所述发光体，并且环绕所述透明辐射路径的所述表面中的至少10%涂覆所述发光体。
7.如权利要求1所述的气道适配器，其中所述主体表面包括侧表面和端部表面并且侧表面和端部表面中的至少一个至少部分地涂覆所述发光体，并且环绕所述透明辐射路径的所述表面中的至少30%涂覆所述发光体。
8.如权利要求1所述的气道适配器，其中所述主体表面包括侧表面和端部表面并且侧表面和端部表面中的至少一个至少部分地涂覆所述发光体，并且环绕所述透明辐射路径的所述表面中的至少50%涂覆所述发光体。
9.如权利要求1所述的气道适配器，其中环绕所述透明辐射路径的所述表面中涂覆有发光体的面积为至少10mm2。
10.如权利要求1所述的气道适配器，其中环绕所述透明辐射路径的所述表面中涂覆有发光体的面积为至少30mm2。
11.如权利要求1所述的气道适配器，其中环绕所述透明辐射路径的所述表面中涂覆有发光体的面积为至少100mm2。
12.如权利要求1所述的气道适配器，其中所述主体适于阻碍呼吸气体改变流量，其可通过探测器组件测量并且所述组件适于提供指示气体流量的信号。
13.如权利要求1所述的气道适配器，其中所述主体是涡流流量计的一部分。
14.一种气体分析仪，所述分析仪用于测量呼吸气体中的氧浓度，其包括：
发射器，用于发射辐射；
主体，具有至少部分地涂覆发光体的表面，所述发光体通过所述发射器所发射的辐射而激发，所述发光体与所述呼吸气体接触并且发射指示呼吸气体中氧浓度的发光辐射；
滤光器，用于传输所述发光体所发出的发光辐射；以及
探测器，用于接收所述滤光器所传输的发光辐射，
其中所述主体包括由所述表面所环绕的透明辐射路径，所述主体适于引导所述发射器所发射的辐射和所述发光体所发射的发光辐射中的至少之一，
其中所述表面适于通过全内反射来传输辐射，并且其中所述透明辐射路径是光学波导。
15.如权利要求14所述的气体分析仪，其中所述光学波导是刚性的并且所述光学波导位于具有或不具有所述发光体的所述表面与所述探测器之间。
16.如权利要求15所述的气体分析仪，其中所述光学波导位于所述发射器和具有或不具有所述发光体的所述表面之间。
17.如权利要求14所述的气体分析仪，其中所述发射器适于发射蓝光区域和黄光区域之一的辐射，其取决于所述发光体的化学组成。
18.如权利要求14所述的气体分析仪，其中所述探测器前端的所述滤光器适于过滤掉来自所述发射器的辐射以及可能存在的干扰性环境光，并仅仅传输发光辐射。
19.如权利要求14所述的气体分析仪，进一步包括气道适配器，所述气道适配器具有用于提供往返于患者的呼吸气流的流道。
20.如权利要求19所述的气体分析仪，其中所述主体是所述气道适配器的集成部分并且所述主体从所述流道的边缘朝向所述流道中央延伸，以与呼吸气流相接触。
21.如权利要求19所述的气体分析仪，其中所述滤光器、发射器和探测器是可安装在所述气道适配器上的外壳的一部分。
22.如权利要求14所述的气体分析仪，进一步包括探测器组件，用于测量指示呼气气体流量的信号。
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