CN102890069A - 用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体传感器、分析器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的名称为“用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体传感器、分析器和方法”。本文公开一种气体传感器。该气体传感器包括发射器(12)，发射器(12)对至少部分地涂敷有发光体(13)的本体(14)发射辐射，发光体(13)在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射。气体传感器还包括用于传输发光体发射的发光辐射的过滤器(18)和用于接收过滤器传输的发光辐射的氧气检测器(16)。气体传感器还包括用于接收来自发光体(13)的热辐射的红外线测温单元(25)。还提供一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器和方法。
Description
技术领域
本公开大体涉及气体传感器，包括：发射器，用于对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，发光体在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射；用于传输发光体发射的发光辐射的过滤器；以及用于接收发光辐射的氧气检测器。本公开还涉及用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器和方法。
背景技术
在麻醉手术中或者在重症护理中，常常通过分析患者吸入的和呼出的气体的含量来监测患者的状况。为此，或者少部分呼吸气体被转移到气体分析器，或者气体分析器直接连接到呼吸回路。前一种分析器为侧流型，后一种被称为主流型，因为它具有直接跨过呼吸管进行测量的能力。对于主流传感器而言典型的是，它具有一次性的气道转接器和可直接连接的传感器本体。市场上的大部分主流传感器设计成使用红外线非分散(NDIR)吸收技术来单独测量二氧化碳。此技术的基础是众所周知的，并且在文献和专利中对其有详细解释。因为该技术与本案不直接相关联，所以不会在本文档中对NDIR测量进行进一步的描述。
当然，至关重要的另一种气体是氧气。可使用化学传感器或燃料电池来测量氧气，但是化学传感器或燃料电池通常太庞大而不能装配到主流传感器中，而且虽然它们具有有限的寿命，但是它们未设计成用于单次使用，并且因此必须防止它们与患者气体直接接触，以避免污染。这是昂贵的，而且还会影响传感器的响应时间。也可使用760 nm的激光器和吸收来测量氧气。但是，这个吸收是非常微弱的，并且来自跨过呼吸管的短距离的信号会变得太嘈杂而无法使用。最有前途的方法是发光淬灭(quench)。使用例如来自发光二极管(LED)的蓝光来激励特殊的传感器涂层(发光体)。常常可在光谱的红色部分中检测波长较长的发光信号。氧气具有通过消耗直接来自发光体的可用能量来以可预测的方式淬灭这个发光的能力。因而，淬灭量是呼吸气体混合物中的氧气的分压力的直接测量。发光淬灭提供制造与患者转接器结合的单次使用探头的可能性。必须注意的问题是温度和湿度依赖性以及老化所导致的漂移。通常不直接测量发光强度，而激励状态的衰减时间的变化更稳定且可进行更鲁棒的测量。然而，光学基准通常是必要的，因为它也是温度补偿。
在临床上使用的主流类型的气体分析器中，呼吸空气或气体混合物的总量或至少主要部分流过分析器及其一次性的测量室。因为测量室在呼吸回路中，所以测量室易被粘液或冷凝水污染。因而，使用尽可能鲁棒且对困难条件不敏感的传感器是必要的。红外线传感器在主流分析器中使用一个或多个基准波长，以便使得可持续地获得对没有气体吸收的信号水平(零水平)的足够好的估计。对于氧气传感器，污染不会改变灵敏度超过可容忍的范围是重要的。基于发光淬灭的传感器看来可满足这个需求。传感器在测量溶解的氧气时还被浸入水中工作是已知的。响应时间在这种测量中当然会更长。
临床主流气体分析器必须是小的、轻的、精确的、鲁棒的且可靠的。分析器必须在十分不同的操作状况中保持其精确性。例如，规定许多临床气体分析器在介于+10和+35C之间的环境温度处操作，并且传导呼吸气体的管子可处于环境温度，或者保持在已知的温度处，以避免水冷凝。而且，发光体的温度受到与发光体接触的流动气体的影响。在临床使用中，呼出的气体的温度将接近患者的体温，而吸入的气体的温度将接近从通气孔到患者的吸气管的温度。在正常操作期间使用基准气体来进行调零测量是不可能的。因为发光体的发光属性取决于温度，所以或者必须将发光体保持在已知的温度处，或者必须测量发光体的温度并在计算氧气的分压力时考虑发光体的温度。由于恒温器加热或冷却系统的笨重性和功率消耗的原因，后一种方法是非常优选的。
然而，分析器必须保持其精确性，即使测量室将被污染。由于这些要求的原因，主要地，能够在商业上获得用于二氧化碳(CO2)的单气体主流分析器。真正紧凑的CO2和O2气体分析器在技术上是非常有挑战性的。
另一个要求是测量必须足够快，以测量呼吸曲线。实际上，上升时间将必须为大约200 ms或者甚至更短。对于CO2，使用众所周知的红外线测量技术来进行布置是可能的。发光O2传感器必须具有非常薄的活性材料层，以便足够快地反应。这会减少信号，并且为了对此进行补偿，必须增加传感器表面。
基于在主流转接器中进行发光淬灭的现有技术的氧气传感器包括将有关辐射传输到涂敷有发光体的表面以及从该表面传输有关辐射的窗口。窗口可非常薄，使得窗口可为薄膜。测量方法是众所周知的，并且还已知可将传感器保持在37+/-0.1C的温度处，而且传感器具有用于测量荧光团的瞬时温度的额外的微芯片热敏电阻。将此类热敏电阻紧固到涂敷有发光体的窗口，但不幸的是，该热敏电阻无法像在呼吸测量的情况下那样足够快速地跟随不断变化的温度。而且，具有紧固到窗口的热敏电阻的主流转接器太昂贵以至于无法用完即丢弃，并且因此在每次使用之后都应当对其消毒。
发明内容
本文解决了上面提到的缺陷、缺点和问题，通过阅读和理解以下说明，将理解本文。
在实施例中，一种气体传感器包括：发射器，其用于对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，发光体在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射；以及用于传输发光体发射的发光辐射的过滤器。该气体传感器还包括用于接收过滤器传输的发光辐射的氧气检测器和用于接收指示发光体的温度的热辐射的红外线测温单元。
在另一个实施例中，一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器，包括：用于发射辐射的发射器和气道转接器，该气道转接器具有输送包含氧气的呼吸气体的流通道。气体分析器还包括至少部分地涂敷有发光体的本体，发光体被发射器发射的辐射激励，发光体与呼吸气体接触并发射发光辐射。气体分析器进一步包括用于传输发光体所发射的发光辐射的过滤器和用于接收过滤器传输的发光辐射的氧气检测器。气体分析器还包括用于接收来自发光体的热辐射的红外线测温单元。
在又一个实施例中，一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的方法，包括：对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，发光体适合于在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射，以及过滤该辐射以传输发光辐射。该方法还包括检测传输的发光辐射，以及接收来自发光体的、指示发光体的温度的热辐射。
根据附图及其详细描述，本发明的多种其它特征、目标和优点对本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1示出了连接到患者的通气回路的医疗主流气体分析器。
图2显示了气体分析器，其包括气道转接器和包括根据实施例的氧气测量原理的气体传感器；
图3显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件；
图4显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件；
图5显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件；以及
图6显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件。
具体实施方式
参照附图在以下详细描述中解释具体实施例。当然可修改这些详细的实施例，并且它们不应限制权利要求中阐述的本发明的范围。
在图1显示了用于测量诸如氧气的呼吸气体的气体分析器7。可在主流类型的临床多气体分析器中应用这项技术。诸如医疗主流气体分析器的气体分析器7可直接跨过图1中显示的被插管的患者1的呼吸管进行测量。使用插管3、Y形件4、吸气分支5和呼气分支6来将患者1连接到通气孔2。气道转接器8连接到插管。包括气道转接器的组件的气体分析器7通过线缆9电连接到患者监测器10。除了氧气O2之外，测量的气体也可为二氧化碳CO2以及可能具有红外线吸收的其它气体，例如一氧化二氮N2O和麻醉气体。
在图2中，描绘了包括气体传感器23和气道转接器8的气体分析器7的特写。气体传感器23可安装在气道转接器8上。气道转接器8通常可以是一次性的。这个转接器可设有两个红外线传输窗口11，其在测量氧气之外的呼吸气体的情况下是需要的。红外线源20位于气体传感器23中，从而将辐射发射通过窗口11，在窗口11之间具有供呼吸气体在患者和通气孔2之间流动的流通道21。需要至少一个气体检测器22来提供指示氧气之外的至少一种呼吸气体的信号，并且该气体检测器也位于气体传感器中，使得该至少一个气体检测器22在与红外线源不同的、转接器的另一侧上。典型地，非分散过滤器组装件(未在图中显示)也在红外线源20和气体检测器22之间。因而，红外线辐射通过窗口11和相应的窄带过滤器从红外线源被引导到一个或多个气体检测器22。来自各个检测器的信号被放大和修改，以反映待测气体的浓度，或者信号可为在没有气体吸收或具有少量气体吸收的基准波长处的测量。如上面提到的那样，呼吸气体可为二氧化碳、一氧化二氮和不同的挥发性麻醉剂。所有这些气体均吸收在一些特定波长区内的红外线辐射，并且使用窄带过滤器来选择这个区。NDIR气体测量技术是众所周知的，并且在这里不会对其进行进一步的描述。由于许多额外的好处，可基于发光淬灭，使用不同的原理来测量不使用窗口11之间的短测量通道来吸收足够的红外线辐射的气体(例如氧气)。
根据图2中显示的实施例，气体分析器7的、用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体传感器包括用于发射辐射的发射器12。尤其是气道转接器8或者备选地气体分析器或气体传感器23包括本体14，诸如至少部分地涂敷有发光体13的窗口，发光体被发射器12发射的辐射激励，并且发光体在发光体与呼吸气体直接接触时发射指示呼吸气体的氧气浓度的发光辐射。发光体可为本体的表面上的薄膜。本体14可由透明的聚合物制成，并且因此本体14是廉价的。当然，本体14也可由玻璃或任何其它透明的固体材料(例如陶瓷)制成。本体14有利地是刚性的，包括用于激励发光体的辐射、发光体发射的发光辐射以及发光体以热的方式发射的红外线辐射的透明的辐射路径。气体传感器23还包括用于传输发光体13发射的发光辐射的过滤器18和用于接收过滤器18传输的发光辐射的氧气检测器16。在检测器16前面的滤光器18通常需要滤除包括来自发射器12的光波长并还干扰环境光(如果存在环境光的话)的辐射，从而仅传输发光辐射，发光辐射通常在光谱的红端中具有其最大值。氧气检测器可基于所接收的指示氧气浓度的发光辐射来提供信号。
气体传感器23可设有用以传输来自发射器12(诸如光发射二极管(LED))的激励辐射以及用以将发光辐射(诸如发光体13发射的光)反射到氧气检测器16的特定布置。根据众所周知的技术，LED常常在蓝区中发光，而且也将黄光用作激励辐射，这取决于发光体的化学成分。发射器12可配备有滤光器33，以移除其发射的可能的红外线部分。
根据这个实施例，气体分析器7还包括用于接收来自其表面涂敷有发光体13的本体14的热辐射的红外线测温单元(25)，该热辐射指示发光体的温度。在本体的相对的表面中的一个是涂敷有发光体的表面的情况下，本体可有利地薄，以至于那些相对的表面的温度彼此足够接近。而且，用穿透红外线辐射的材料(诸如氟化钙)制成本体是可能的，在这种情况下，本体的厚度不那么关键。包括用于接收热辐射的红外线检测器32的红外线测温单元25可基于接收的指示发光体13的温度的热辐射来提供信号。
另外，红外线测温单元25可在红外线检测器32的前面包括光学系统28，以将红外线检测器25的视场限定于发光体(13)的合适的部分，并且收集以热的方式从那个部分发射到红外线检测器的辐射。为了实现这些，光学系统可包括用于使合适范围的IR波长通过到红外线检测器25的滤光器34、用于限制红外线检测器32的视场的孔口30和用于测量红外线检测器的温度的温度传感器26。温度传感器26可基于红外线检测器32的温度来提供信号。红外线测温单元25和红外线检测器32与本体14分离，并且与这个本体相距一距离，使得将具有发光体13的本体置于气道转接器8中是可能的，气道转接器8可为可分离和一次性的。红外线检测器32可改为在气体传感器23中位于气道转接器8的外部。昂贵的组件在气体传感器中，气体传感器是可重复使用的；并且较不昂贵的组件在气道转接器8中，气道转接器8是一次性的以防止在患者之间有污染。
在可将红外线检测器32布置得比图2中更接近本体14的情况下，在发射器和红外线检测器之间或实际上在发光体和红外线检测器之间在红外线检测器32的前面可省略光学系统28。当红外线检测器足够接近发光体，但是又与发光体分开或者与其有一定距离时，红外线检测器32能够收集来自发光体的仅红外线辐射，从而避免收集来自环境的其它辐射。
在图3、4、5和6中显示用于测量发光体13的温度的其它实施例。在图3中，光学系统28包括用于收集和聚焦热辐射的透镜29和用于限制红外线检测器32的视场的孔口30。在图4中，光学系统28包括反射器35和在上文公开的滤光器34，反射器35反射穿过用于限制视场的孔口30的热辐射。图5中用于限制红外线检测器的视场的光学系统28包括镜子31、滤光器34和孔口30。镜子将穿过孔口和滤光器的热辐射反射到红外线检测器32。在别的方面，图4和图5中的气体传感器类似于图2和图3中显示的气体传感器。
在图6中，气体分析器7的设计不同于前文介绍的气体分析器的设计，因为红外线测温单元25定位成与流通道21和发光体13相对。红外线测温单元也可面向发光体13位于气道转接器8周围的任何地方。气体传感器的结构类似于图3中显示的结构，其中，透镜29、滤光器34和孔口30形成光学系统28。在这种情况下，在发光体13对面在气道转接器8中需要用于传输热红外线辐射的单独的窗口36。本体14的材料或厚度不那么关键，因为直接跨过气道转接器8测量来自发光体的热辐射，而不需要被传导通过本体14来测量发光体的温度。
红外线辐射检测器有利地是热电堆检测器。在热电堆检测器的情况下，不需要截光器。另外，可容易地获得用于红外线测温的集成的组件。这种组件的示例是德国Hermsdorf的Micro Hybrid Electronic制造的单通道热电堆检测器TS1x80B-A-D0.48。如有必要，组件也可包括用于将辐射收集到检测器的透镜或反射器。当然可使用其它类型的红外线辐射检测器，诸如热电检测器或辐射热测量计检测器。
落到红外线检测器的辐射功率(Pdet)取决于充满检测器的视场的表面的温度(Tlp)和红外线检测器的基准温度(Tref)，以及表面的辐射属性。可从斯蒂芬-玻耳兹曼定律得出等式：
其中R是常数，其取决于其温度被测量的表面的辐射属性、所使用的滤光器和将辐射从发射表面引导到检测器的光学系统。
对于热电堆检测器：
其中，S是热电堆检测器的灵敏度。
因而，发光体的温度Tlump：
需要发光体的温度来修正氧气浓度的测量结果，因为发光体的温度是变化的，从而对氧气的测量结果有影响。所以了解发光体的温度，以及因此修正氧气浓度测量结果是重要。
气体分析器7也可包括处理单元27，处理单元27接收指示来自氧气检测器的氧气浓度的信号，并且接收指示发光体13的温度的信号以及接收指示红外线检测器的温度的信号。处理单元也可基于指示氧气浓度的信号、指示发光体13的温度的信号以及指示红外线检测器的温度的信号来确定呼吸气体的氧气浓度。可使得用于红外线温度测量的处理单元计算发光体的温度。可在也计算氧气和气体传感器测量的其它气体的浓度的同一处理单元中执行必要的处理。作为一个共同的处理单元的替代，可存在例如两个不同的处理单元，一个用于红外线测温单元25，而另一个则用于氧气浓度测量，这对红外线气体分析功能来说可为常见的。气体传感器中的信号调节电子设备可仅对从IR检测器和基准温度传感器中获得的电信号执行合适的调节，使得这些信号可传输到远离气体传感器的处理单元。
用于激励发光体13的发射器12和用于检测发光辐射的氧气检测器16位于气体传感器23中，气体传感器23是气体分析器7的一部分，并且可以不是一次性的。气体传感器23可安装在气道转接器8上。在光学上，可用多种方式来实现该构造，在图2、3、4、5和6中显示了5种，其中，激励辐射射线19(诸如来自发射器12的光线)通过一个端部进入由透明材料制成的本体14，并且通过本体而传送到发光体13。在一些情况下，辐射射线19将激励发光体13。因此而发射的发光沿所有方向发射，而且发光辐射24的一部分将进入检测器16。可使用诸如透镜或镜子的光学布置来收集发射的辐射到检测器16。
与发光体13接触的氧气将淬灭发光，并且可计算与氧气的浓度有关的信号，以及例如可在患者监测器10中显示该信号。通过使用众所周知的原理以及应用Stern-Volmer关系来实现这一点
其中，I0是在没有氧气的情况下的发光强度，I是在氧气的浓度C(O2)处测量的强度。常数K(T)是在发光体温度T处的Stern-Volmer常数。这个等式也可写成
其中，
是在没有氧气的情况下的发光衰减时间，而
是在氧气的浓度C(O2)处测量的衰减时间。方法是众所周知的，并且在例如Kolle, C.等人的文献“Fast optochemical sensor for continuous monitoring of oxygen in breath-gas analysis(用于在呼吸气体分析中持续监测氧气的快速光化学传感器) ”(Sensors and Actuators (传感器和促动器) B38-39(1997)141-149)中有详细的描述。
虽然Kolle, C等人没有明确地介绍关于Stern-Volmer常数K(T)的温度依赖性的公式，但是他们将它们的传感器的温度保持在已知水平，并且使用额外的微芯片热敏电阻来获得关于在荧光团被流过的气体改变时的荧光团的温度的有用估计。他们还介绍了展示关于了解荧光团的瞬时温度(即使传感器温度稳定)的需要的图表。热稳定和测量显著地增加了传感器的笨重性、复杂性和功率消耗，这在上文阐明的实施例中被避免。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能制作和使用本发明。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
部件列表
1 患者
2 通气孔
3 插管
4 Y形件
5 吸气分支
6 呼气分支
7 气体分析器
8 气道转接器
9 线缆
10 患者监测器
11 窗口
12 发射器
13 发光体
14 本体
16 氧气检测器
17 光束分裂器
18 过滤器
19 辐射射线
20 红外线源
21 流通道
22 气体检测器
23 气体传感器
24 发光辐射
25 红外线测温单元
26 温度传感器
27 处理单元
28 光学系统
29 透镜
30 孔口
31 镜子
32 红外线检测器
33 滤光器
34 滤光器
35 反射器
36 窗口。
Claims (15)
1. 一种气体传感器，包括：
发射器(12)，用于对至少部分地涂敷有发光体(13)的本体(14)发射辐射，所述发光体(13)在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射；
用于传输所述发光体发射的所述发光辐射的过滤器(18)；以及
用于接收所述过滤器传输的所述发光辐射的氧气检测器(16)，
其特征在于，所述气体传感器还包括用于接收指示所述发光体(13)的温度的热辐射的红外线测温单元(25)。
2. 根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述红外线测温单元包括用于接收热辐射的红外线检测器(32)和用于测量所述红外线检测器的温度的温度传感器(26)。
3. 根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述氧气检测器适合于基于所接收的指示氧气浓度的发光辐射来提供信号，并且所述红外线测温单元适合于基于所接收的指示所述发光体(13)的温度的热辐射来提供信号，以及所述温度传感器适合于基于所述红外线检测器的所述温度来提供信号。
4. 根据权利要求3所述的气体传感器，进一步包括处理单元(27)，所述处理单元(27)用于接收指示氧气浓度的信号以及用于接收指示所述发光体(13)的温度的信号和接收指示所述红外线检测器的所述温度的信号，并且所述处理单元适合于基于指示氧气浓度的所述信号、指示所述发光体(13)的温度的所述信号和指示所述红外线检测器的所述温度的所述信号来确定所述呼吸气体的所述氧气浓度。
5. 根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述红外线测温单元进一步包括光学系统(28)，以将所述红外线检测器(25)的视场限定于所述发光体(13)的合适的部分，以及收集以热的方式从那个部分对所述红外线检测器发射的辐射。
6. 根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述光学系统包括用于限制所述红外线检测器(32)的所述视场的孔口(30)和用于使合适范围的IR波长通过的滤光器(34)以及用于反射所述热辐射的镜子(31)、用于反射所述热辐射的反射器(35)和用于收集和聚焦所述热辐射的透镜(29)中的一个。
7. 根据权利要求1所述的气体传感器，进一步包括用于将辐射发射通过所述呼吸气体的红外线源(20)和用于提供指示氧气之外的至少一种呼吸气体的信号的至少一个气体检测器(22)。
8. 一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器，包括：
用于发射辐射的发射器(12)；
气道转接器(8)，其具有输送包含氧气的呼吸气体的流通道(21)；
至少部分地涂敷有发光体(13)的本体(14)，所述发光体(13)被所述发射器发射的所述辐射激励，所述发光体与所述呼吸气体接触并发射发光辐射；
用于传输所述发光体发射的所述发光辐射的过滤器(18)；以及
用于接收所述过滤器传输的所述发光辐射的氧气检测器(16)；
其特征在于，所述气体分析器还包括用于接收来自所述发光体(13)的热辐射的红外线测温单元(25)。
9. 根据权利要求8所述的气体分析器，其特征在于，所述红外线测温单元包括用于接收热辐射的红外线检测器(32)和用于测量所述红外线检测器的温度的温度传感器(26)，并且所述本体是窗口。
10. 根据权利要求9所述的气体分析器，其特征在于，所述氧气检测器适合于基于所接收的指示氧气浓度的发光辐射来提供信号，并且所述测温单元适合于基于所接收的指示所述发光体(13)的温度的热辐射信号来提供信号，以及所述温度传感器适合于基于所述红外线检测器的所述温度来提供信号。
11. 根据权利要求10所述的气体分析器，进一步包括处理单元(27)，所述处理单元(27)用于接收指示氧气浓度的信号并用于接收指示所述发光体(13)的温度的信号，以及用于接收基于所述红外线检测器的所述温度的信号，并且所述处理单元适合于基于指示氧气浓度的所述信号、指示所述发光体(13)的温度的所述信号和基于所述红外线检测器的所述温度的所述信号来确定所述呼吸气体的所述氧气浓度。
12. 根据权利要求8所述的气体分析器，进一步包括用于将辐射发射通过所述呼吸气体的红外线源(20)和用于提供指示氧气之外的至少一种呼吸气体的信号的至少一个气体检测器(22)。
13. 根据权利要求9所述的气体分析器，其特征在于，所述红外线检测器(25)与所述本体(14)分离。
14. 一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的方法，包括：
对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，所述发光体适合于在与所述呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射；
过滤所述辐射，以传输所述发光辐射；以及
检测所传输的发光辐射，
其特征在于，所述方法还包括接收来自所述发光体的、指示所述发光体的温度的热辐射。
15. 根据权利要求14所述的方法，进一步包括测量所检测的相的温度。
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