CN104568807A - 测量呼吸末二氧化碳的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种测量呼吸末二氧化碳的装置，包括U型壳体、光源、大气压力传感器、红外探测器、安装在所述U型壳体上的适配器，所述U型壳体设有内腔，所述光源、所述大气压力传感器和所述红外探测器设置在所述内腔中，所述光源和所述红外探测器分别位于所述适配器的两侧，且所述光源与所述红外探测器在同一条轴线上，所述适配器设有气室，还包括用于检测所述气室内压力的气路压力传感器。本申请还公开了一种测量呼吸末二氧化碳的方法。在本申请的具体实施方式中，由于包括气路压力传感器，可用于直接检测气室内压力，提高了对呼吸末二氧化碳进行测量的准确性。

Description

测量呼吸末二氧化碳的装置和方法

技术领域

本申请涉及医疗器械，尤其涉及一种测量呼吸末二氧化碳的装置和方法。

背景技术

医用呼吸末二氧化碳测量技术大都是采用基于红外光谱吸收的方法，利用4.26微米远红外光波长的窄光谱存在一个针对二氧化碳的显著性吸收，有旁流式和主流式两种形式的应用，其中旁流式是将待测气体通过气路引入到测量气室中进行测量的应用，主流式则是直接将传感器串接在气路中进行测量的应用。

呼吸末二氧化碳是人体呼出的废气中的重要成分，是人体代谢中所必须的内外交换途径，正常人一般是38mmHg，是生命信息监护的重要参数之一，特别是针对手术室、危重监护室、急诊室中的患者更是必不可少的监护参数，而在手术中，或急诊中需要借助于呼吸机、麻醉机等设备的患者，由于没有自主呼吸，更需要进行呼吸二氧化碳的实时监测，主流式呼吸末二氧化碳的监测技术，需将主流式传感器通过适配器而串接在呼吸通道中，优点是测量响应时间短，没有废气排出，问题是由于使用适配器，无法直接对气室内的压力进行测量，从而影响了实际使用时针对呼吸末二氧化碳测量的准确性。

发明内容

本申请提供一种测量呼吸末二氧化碳的装置和方法。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种测量呼吸末二氧化碳的装置，包括U型壳体、光源、大气压力传感器、红外探测器、安装在所述U型壳体上的适配器，所述U型壳体设有内腔，所述光源、所述大气压力传感器和所述红外探测器设置在所述内腔中，所述光源和所述红外探测器分别位于所述适配器的两侧，且所述光源与所述红外探测器在同一条轴线上，所述适配器设有气室，还包括用于检测所述气室内压力的气路压力传感器。

上述装置中，所述U型壳体外壁围成安装腔，所述适配器设置在所述安装腔内。

上述装置中，所述压力传感器设置在所述内腔中，所述适配器设有与所述气室连通的开口，所述压力传感器的感应端伸入所述开口中。

上述装置中，还包括温度调整机构，所述温度调整机构包括用于对所述气室进行加热的加热器件。

上述装置中，所述温度调整机构还包括基座和导热轨，所述加热器件和所述导热轨设置在所述基座上。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种测量呼吸末二氧化碳的方法，包括使用上述装置测量二氧化碳压力的过程，所述测量二氧化碳压力的过程，包括：

将多种浓度的标准二氧化碳气体分别输入气路；

监测气路压力，分别测量得到的压力值；

建立二氧化碳气体浓度和压力值的对应关系曲线；

根据压力值从所述曲线上得出对应的呼吸末二氧化碳浓度。

上述方法中，建立二氧化碳气体浓度和压力值的对应关系曲线前，还包括：

将压力值分为多个校准区间；

根据公式rCO₂＝cCO₂*Coef_k对所述压力值进行修正，其中Coef_k为校准系数。

上述方法中，所述监测气路压力，分别测量得到的压力值，具体包括：

依据监测得到的气路压力，分为多个压力校准区间，所述压力校准区间包括[0，5)cmH₂O、[5，10)cmH₂O、[10，15)cmH₂O和[15，20)cmH₂O。

上述方法中，还包括：

将温度分为多个区间，分别在不同温度区间测量二氧化碳压力。

上述方法中，温度区间包括[25，35)℃、[35，45)℃和[45，55)℃。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

⑴在本申请的具体实施方式中，由于包括气路压力传感器，可用于直接检测气室内压力，提高了对呼吸末二氧化碳进行测量的准确性。

⑵在本申请的具体实施方式中，通过在适配器的气室上设置开口，气路压力传感器通过开口实现与气路直接联通，进一步提高了测量的准确性。

⑶在本申请的具体实施方式中，通过所监测的气路压力值，以及所对应的分段区间进行补偿，同时也通过结构的调整增加导热与加热恒温功能，以达到在已知压力和特定温度下的测量，从而获得更高的测量准确性。

附图说明

图1为本申请的装置在一种实施方式中的结构示意图；

图2为本申请的装置在一种实施方式中的气路连通示意图；

图3为本申请的装置去除U型壳体后的立体结构示意图；

图4为本申请的方法在一种实施方式中的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

主流式应用中的传感器通常是采用适配器的方式实现红外光探测与气体的间接接触，以实现对气体的测量，适配器与气体直接接触，主流式传感器则嵌入适配器中，主流式传感器不直接与气体通路接触。本申请在主流式传感器中采用压力传感器，通过适配器上的开口，直接实现与气路的联通，完成对气路状态的监测。

实施例一： 

如图1至图3所示，本申请的测量呼吸末二氧化碳的装置，其一种实施方式，包括U型壳体10、光源20、大气压力传感器30、红外探测器40、适配器50和气路压力传感器60，适配器50安装在U型壳体10上，U型壳体10设有内腔，光源20、大气压力传感器30和红外探测器40设置在内腔中。光源20和红外探测器40分别位于适配器50的两侧，且光源20与红外探测器40在同一条轴线上。适配器50设有气室51，气路压力传感器60用于检测气室51内的压力。

U型壳体10外壁围成安装腔，在一种实施方式中，适配器50设置在安装腔内。

气路压力传感器60设置在内腔中，适配器50设有与气室51连通的开口，气路压力传感器60的感应端61伸入开口中。开口可设有密封装置。在一种实施方式中，开口为圆形开口，圆形开口上设有密封圈62。气路压力传感器60的感应端61与圆形开口通过密封圈62密封连接。密封圈62可以选用异形O圈。

本申请实现了对气路状态的实时监测，通过增加一个微型压力传感器和气室51上的开口，实现与气路直接联通，由于开口上设有密封圈，可确保整个气路不泄漏。本申请还增加了压力传感器的处理电路，包含压力放大以及模数转换，以获得实时的气路压力值。

本申请的测量呼吸末二氧化碳的装置，还可以包括温度调整机构。温度调整机构包括温度传感器71，用于感应当前测量装置内温度和加热器件72，加热器件72用于对气室51及其周边环境进行加热，使得本测量装置能在各种环境下快速达到预期的工作温度。

温度调整机构还可以包括基座74和导热轨73，加热器件72设置在导热轨73上，导热轨73设置在基座74上。适配器50嵌入基座74使用时，并与导热轨紧密接触，实现快速热传递。温度调整机构还可以包括加热及控制电路，以获得整个包含测量气室的U型内腔温度值，及保持整个装置处在一个恒定的温度状态。

实施例二： 

如图4所示，本申请的测量呼吸末二氧化碳的方法，其一种实施方式，包括使用实施例一中的测量呼吸末二氧化碳的装置测量二氧化碳压力的过程。测量二氧化碳压力的过程，包括以下步骤：

步骤402：将多种浓度的标准二氧化碳气体分别输入气路；

步骤404：监测气路压力，分别测量得到的压力值；

步骤406：建立二氧化碳气体浓度和压力值的对应关系曲线；

步骤408：根据压力值从曲线上得出对应的呼吸末二氧化碳浓度。

在一种实施方式中，步骤406前，还可以包括以下步骤：

将压力值分为多个校准区间；

根据公式rCO₂＝cCO₂*Coef_k对压力值进行修正，其中cCO₂是当前的直接采样值，Coef_k为校准系数，k为下标，对应于不同压力的不同线性系数值。

在一种实施方式中，步骤404还可以包括： 

依据监测得到的气路压力，分为多个压力校准区间，压力校准区间可以包括[0，5)cmH₂O、[5，10)cmH₂O、[10，15)cmH₂O和[15，20)cmH₂O，则将获得不同的Coef_k系数，这里k将等于1，2，3和4，应用中将根据当前的气路压力监测来设置k值来选择上述不同校准系统。本领域技术人员可以理解，压力校准区间也可以按照需要进行修改。

本申请的测量呼吸末二氧化碳的方法，还可以包括：

将温度分为多个区间，分别在不同温度区间测量二氧化碳压力。温度区间可以包括[25，35)℃、[35，45)℃和[45，55)℃。本领域技术人员可以理解，温度区间也可以按照需要进行修改。

本申请的测量呼吸末二氧化碳的方法，其一种具体实施方式，包括以下步骤：

步骤502：将已知的一种浓度的标准二氧化碳气体到输入气路；

步骤504：监测气路压力，分别根据测量得到的压力值分段建立压力与浓度修正关系；

步骤506：将已知的多种浓度的标准二氧化碳气体分别输入气路

步骤508：监测当前气室温度，分别建立温度分段下的各种二氧化碳气体浓度对应关系曲线；

步骤510：输入待测气体，则根据压力值、温度值，修正后再根据温度等值从曲线上得出对应的呼吸末二氧化碳浓度。

步骤512：重复510，实现连续的呼吸末二氧化碳浓度实时监测。

在本申请的一种具体实施方式中，基于气路压力的补偿计算方法如下：

1)首先是依据所监测的气路压力值，而分成多段校准区间，如0～5cmH₂O，5～10cmH₂O，10～15cmH₂O；15～20cmH₂O等,而设立不同的校准系数，以及不同温度区间下，如25～35℃，35～45℃，45～55℃等，而设立不同的校准曲线，根据温度监测值所处的校准曲线及相关的压力校准系数，进行实时的校准与监测值计算。

压力校准区间：是建立基于压力分段的校准系数Coef₀,Coef₁,Coef₂，Coef₃，上述系数是实验中经验值，在具体应用时，根据实时测量的气路压力值均值，并落在那个区段进行测量值的修订,rCO₂＝cCO₂*Coef_k—(1)。

温度校准区间：在上述的每个区段中的中点值：如30℃、40℃和50℃，进行基于标准二氧化碳的校准(如0％,1％，3％,5％,7％,10％,13％,16％)，分别建立30℃、40℃和50℃下，从0％到16％的标准曲线表，温度和浓度的中间值都是采用曲线拟合，通过当前的测量值cCO₂通过(1)式获得修正值rCO₂，再查表f[a_n,m]—(2)获取最终的实时二氧化碳值，其中a_n,m表示基于温度和浓度的二维矩阵元素，f[]表示依赖于矩阵的元素值的函数。

2)主流式气体测量传感器的架构改进，实现气路压力的直接监测。

3)同时在气路架构的改进中增加导热及加热控制功能，以获得测量气室在恒定的温度下进行监测。

由于测量子系统是相对独立的，在加电启动后，完成初始化后，实时对气路压力状态、测量气室温度进行监测，并对气室温度进行加热及控制，同时根据已经存储在内部的多温度下的校准参数对当前的气体测量值进行实时的校准计算，在不同气路状态、不同温度下以期获得更准确的测量值。

根据所获得实时气路压力值和温度值，以及存储在内部的分段校准系数对当前测量的实时气体值进行校准，以获得更准确的气体测量值。其中的典型分段方法是：0～5cmH₂O，5～10cmH₂O，10～15cmH₂O和15～20cmH₂O等，25～35℃，35～45℃，45～55℃，等，并根据实验设定出不同的校准系数Coef₀,Coef₁,Coef₂，Coef₃，Coef₄,Coef₅等，根据当前的气路压力及温度监测值和对应的校准系数对当前的气体测量值进行校准，获得最终的气体监测值。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认 定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种测量呼吸末二氧化碳的装置，包括U型壳体、光源、大气压力传感器、红外探测器、安装在所述U型壳体上的适配器，所述U型壳体设有内腔，所述光源、所述大气压力传感器和所述红外探测器设置在所述内腔中，所述光源和所述红外探测器分别位于所述适配器的两侧，且所述光源与所述红外探测器在同一条轴线上，所述适配器设有气室，其特征在于，还包括用于检测所述气室内压力的气路压力传感器。

2.如权利要求1所述的测量呼吸末二氧化碳的装置，其特征在于，所述U型壳体外壁围成安装腔，所述适配器设置在所述安装腔内。

3.如权利要求2所述的测量呼吸末二氧化碳的装置，其特征在于，所述压力传感器设置在所述内腔中，所述适配器设有与所述气室连通的开口，所述压力传感器的感应端伸入所述开口中。

4.如权利要求3所述的测量呼吸末二氧化碳的装置，其特征在于，还包括温度调整机构，所述温度调整机构包括用于对所述气室进行加热的加热器件。

5.如权利要求4所述的测量呼吸末二氧化碳的装置，其特征在于，所述温度调整机构还包括基座和导热轨，所述加热器件和所述导热轨设置在所述基座上。

6.一种测量呼吸末二氧化碳的方法，包括使用权利要求1至5中任一项所述的测量呼吸末二氧化碳的装置测量二氧化碳压力的过程，其特征在于，所述测量二氧化碳压力的过程，包括：

将多种浓度的标准二氧化碳气体分别输入气路；

监测气路压力，分别测量得到的压力值；

建立二氧化碳气体浓度和压力值的对应关系曲线；

根据压力值从所述曲线上得出对应的呼吸末二氧化碳浓度。

7.如权利要求6所述的测量呼吸末二氧化碳的方法，其特征在于，建立二氧化碳气体浓度和压力值的对应关系曲线前，还包括：

将压力值分为多个校准区间；

根据公式rCO₂＝cCO₂*Coef_k对所述压力值进行修正，其中Coef_k为校准系数。

8.如权利要求7所述的测量呼吸末二氧化碳的方法，其特征在于，所述监测气路压力，分别测量得到的压力值，具体包括：

依据监测得到的气路压力，分为多个压力校准区间，所述压力校准区间包括[0，5)cmH₂O、[5，10)cmH₂O、[10，15)cmH₂O和[15，20)cmH₂O。

9.如权利要求8所述的测量呼吸末二氧化碳的方法，其特征在于，还包括：

将温度分为多个区间，分别在不同温度区间测量二氧化碳压力。

10.如权利要求9所述的测量呼吸末二氧化碳的方法，其特征在于，温度区间包括[25，35)℃、[35，45)℃和[45，55)℃。