CN106855506A - 一种医用气体的辨别装置与辨别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用气体的辨别装置与辨别方法，属于医疗器械技术领域。本发明包括检测通道、参考通道、光纤激光器、1×2光纤耦合器、2个光纤准直器、2个热释电探测器、数据处理电路；所述检测通道焊接在参考通道上面；所述光纤准直器分别安装在检测通道和参考通道一侧，所述热释电探测器分别安装在检测通道和参考通道另一侧；所述光纤激光器安装在数据处理电路中；所述1×2光纤耦合器的输入端与光纤激光器连接，输出端分别与2个光纤准直器连接。本发明可以准确辨别出中心供气系统输出的氧气和二氧化碳，并且提高了二氧化碳气体浓度的测试准确度，降低了手术风险。

Description

一种医用气体的辨别装置与辨别方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种医用气体的辨别装置与辨别方法。

背景技术

腹腔镜手术是指利用腹腔镜及其相关器械进行的手术，是一门新发展起来的微创方法，也是未来手术方法发展的一个必然趋势。利用腹腔镜对患者进行手术治疗时需要一个操作空间，通常使用腔镜气腹机连接中心供气系统，在患者腹腔内注入气体，为医生提供足够的腹腔操作空间。二氧化碳气体属于一种无色无味、不助燃、不可燃的气体，是目前建立气腹的首选气体。目前，医院的中心供气系统会有多个供气通道，除了可以供应二氧化碳气体，还有氧气、压缩空气等。腔镜气腹机并不能对医用气体进行识别，如果医务人员错误的把腔镜气腹机与氧气通道连接，医务人员在使用电凝钩或超声刀等器械时，可能会产生火花，严重时会产生爆炸，造成不可挽回的损失。

另外，现有的气体检测方法，主要是对已知气体的浓度进行检测，即利用两个不同波长的光在相同气体中的吸收比值，对气体浓度进行计算。但是，两个不同波长光的光强很难一致，并且所使用的的光源具有一定的带宽，不能杜绝两个波长之间无交叉，导致测试结果存在较大误差，影响了医务人员的判断，不利于手术治疗。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不能对医用气体进行辨别，并且气体浓度测试误差大的缺陷，提出一种医用气体的辨别装置与辨别方法，防止在患者腹腔内通入错误的气体，提高二氧化碳气体浓度的测试准确度，降低手术风险，提高手术安全性。

本发明采用如下技术方案：

一种医用气体的辨别装置，包括检测通道、参考通道、光纤激光器、1×2光纤耦合器、2个光纤准直器、2个热释电探测器、数据处理电路；所述1×2光纤耦合器具有1个输入端口、2个输出端口；所述光纤准直器具有输入端口和输出端口；所述热释电探测器具有激光入射端口和电流输出端口；所述检测通道焊接在参考通道上面，检测通道两端为开口设计，两侧对称设计有通孔，在通孔处封装有窄带滤光片；所述参考通道两端密封，两侧对称设计有通孔，在通孔处封装有窄带滤光片，内部抽真空；所述光纤准直器中的一个通过该光纤准直器的输出端口安装在检测通道一侧的通孔处，另一个光纤准直器通过该光纤准直器的输出端口安装在参考通道一侧的通孔处；所述热释电探测器中的一个通过该热释电探测器的激光入射端口安装在检测通道另一侧的通孔处，另一个热释电探测器通过该热释电探测器的激光入射端口安装在参考通道另一侧的通孔处；所述检测通道上安装的光纤准直器的输出端口与热释电探测器的激光入射端口对准；所述参考通道上安装的光纤准直器的输出端口与热释电探测器的激光入射端口对准；所述热释电探测器的电流输出端口焊接在数据处理电路上；所述光纤激光器安装在数据处理电路上；所述1×2光纤耦合器的输入端口与所述光纤激光器连接，2个输出端口分别与2个光纤准直器的输入端口连接。

优选地，所述检测通道两侧通孔的距离与参考通道两侧通孔的距离相同，采用环氧树脂把窄带滤光片分别封装在检测通道和参考通道的通孔处。

优选地，所述窄带滤光片的中心波长是4.26μm，带宽不大于200nm。

优选地，所述光纤准直器的工作波长是4.26μm，输入端口具有FC/PC接口。

优选地，所述1×2光纤耦合器的耦合比是50∶50，中心波长是4.26μm，输入端口和输出端口均具有FC/PC接头。

优选地，所述光纤激光器是脉冲激光器，输出的激光中心波长是4.26μm，峰值功率不小于2μW。

优选地，所述数据处理电路包括2个CMOS放大电路、2个二级放大电路、2个高速数据采集电路、E2PROM、DSP处理器、显示器、电源。

优选地，所述热释电探测器的电流输出端通过引脚与CMOS放大电路连接。

本发明还提供一种如上所述医用气体辨别装置的辨别方法，包括以下步骤：

步骤A：把医用气体辨别装置的检测通道与中心供气系统的氧气通道连接；

步骤B：启动医用气体辨别装置，光纤激光器输出脉冲激光，该脉冲激光通过1×2光纤耦合器变成峰值功率相同的两束脉冲激光；一束脉冲激光作为检测光束，经检测通道上的光纤准直器之后变成平行光束，透过检测通道一侧的窄带滤光片进入检测通道，被检测通道中的气体吸收之后，透过检测通道另一侧的窄带滤光片入射到检测通道上的热释电探测器中，热释电探测器产生与入射脉冲激光峰值功率成正比的电流信号；另一束脉冲激光作为参考光束，经参考通道上的光纤准直器之后变成平行光束，透过参考通道一侧的窄带滤光片进入参考通道，在参考通道的真空中传输之后，透过参考通道另一侧的窄带滤光片入射到参考通道上的热释电探测器中，热释电探测器产生与入射脉冲激光峰值功率成正比的电流信号；两个热释电探测器产生的电流信号分别经过后续的电路处理，转换为数字电压信号，并在显示器中同时显示；

步骤C：等间隔改变中心供气系统输出气体的浓度P_k(k＝1，2，…，n)，记录不同气体浓度时，检测通道上热释电探测器产生的电压信号V_i(i＝1，2，…，n)和参考通道上热释电探测器产生的电压信号V_J(j＝1，2，…，n)，然后计算电压V_i与电压V_j的电压比值R_k(k＝1，2，…，n)，其中n是实验数据个数；

步骤D：计算电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的平均值R_a和区间半宽度α，则氧气电压比值的阈值R_t是R_a-α，并把该阈值R_t存入E2PROM；

步骤E：关闭中心供气系统的氧气通道，把医用气体辨别装置的检测通道与中心供气系统的二氧化碳气体通道连接，重复步骤B～C；

步骤F：采用非线性最小二乘法拟合二氧化碳气体浓度P与二氧化碳气体电压比值R的线性关系：P＝a·R+b，并把该线性关系存入E2PROM，其中a、b是拟合系数；

步骤G：在使用医用气体的辨别装置时，DSP处理器自动计算检测通道上热释电探测器输出电压与参考通道上热释电探测器输出电压的比值R₀，并把该比值与E2PROM中的阈值R_t进行比较；若R₀大于等于R_t，则检测通道通入的是氧气，并在显示器中显示“氧气”；若R₀小于R_t，则检测通道通入的是二氧化碳气体，并根据E2PROM中存入的二氧化碳气体浓度与二氧化碳气体电压比值的线性关系，计算二氧化碳气体的浓度：P＝a·R₀+b，并在显示器中显示“二氧化碳与浓度”。

优选地，所述步骤D中氧气电压比值的平均值计算方法是：

氧气电压比值的区间半宽度计算方法是：

α＝(R_max-R_min)/2

式中R_max是氧气电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的最大值，R_min是氧气电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的最小值。

本发明所述的一种医用气体的辨别装置与辨别方法，可以准确辨别出中心供气系统输出的氧气和二氧化碳，并且提高了二氧化碳气体浓度的测试准确度，降低了手术风险。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明检测通道的两个侧面示意图。

图3是本发明参考通道的两个侧面示意图。

图4是本发明数据处理电路的模块连接关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图4所示，一种医用气体的辨别装置，包括检测通道1、参考通道2、光纤激光器3、1×2光纤耦合器4、光纤准直器5、光纤准直器6、热释电探测器7、热释电探测器8、数据处理电路9。

所述检测通道1焊接在参考通道2上面，检测通道1两端11和12为开口设计，其中检测通道1的端口11与中心供气系统连接，另一端口12与腔镜气腹机连接；检测通道1的两侧对称设计有通孔13和14，在通孔13和14处均封装有窄带滤光片15和16。所述参考通道2两端21和22密封，两侧对称设计有通孔23和24，在通孔23和24处均封装有窄带滤光片25和26，参考通道2的内部抽真空，使脉冲激光在参考通道内部无损耗的传输。此装置通过在检测通道1和参考通道2两侧设计通孔13、14、23、24，并封装窄带滤光片15、16、25、26，不仅可以让检测气体的激光进入检测通道1和参考通道2，而且还可以防止环境中的气体进入检测通道1和参考通道2，提高测试准确度。

所述光纤激光器3是脉冲激光器，输出的激光中心波长是4.26μm，峰值功率不小于2μW，安装在数据处理电路9上。二氧化碳气体对4.26μm激光具有较高的吸收率，吸收的光强与气体浓度相关；氧气则对4.26μm激光没有吸收。因此，此装置可以使用4.26μm激光对氧气和二氧化碳进行检测。

所述1×2光纤耦合器4的耦合比是50∶50，中心波长是4.26μm，具有1个输入端口、2个输出端口，输入端口和输出端口均具有FC/PC接头。所述光纤准直器5和6的工作波长是4.26μm，具有输入端口和输出端口，输入端口具有FC/PC接口。所述光纤准直器6通过其输出端口安装在检测通道1的通孔13处，另一个光纤准直器5通过其输出端口安装在参考通道2的通孔23处。所述1×2光纤耦合器4的输入端口与所述光纤激光器3连接，2个输出端口分别与光纤准直器5和6的输入端口连接。本发明可以把光纤激光器3输出的脉冲激光分成峰值功率相同的两束脉冲激光，减小由于两束激光功率不同引入的测量误差，提高气体测试准确度。并且1×2光纤耦合器4、光纤准直器5和6的工作波长与光纤激光器3输出的激光中心波长匹配，方便激光传输。

所述数据处理电路9包括CMOS放大电路911和912、二级放大电路921和922、高速数据采集电路931和932、E2PROM 94、DSP处理器95、显示器96、电源97。

所述热释电探测器7和8具有激光入射端和电流输出端，电流输出端通过引脚分别与CMOS放大电路911和912连接。所述热释电探测器7通过其激光入射端口安装在检测通道1的通孔14处，另一个热释电探测器8通过其激光入射端口安装在参考通道2的通孔24处.所述检测通道1上安装的光纤准直器6的输出端口与热释电探测器7的激光入射端口对准；所述参考通道2上安装的光纤准直器5的输出端口与热释电探测器8的激光入射端口对准。此装置可以使脉冲激光垂直入射到热释电探测器7和8中，进一步保证检测通道1与参考通道2的光路相同，提高测试准确度。

所述检测通道1两侧通孔13和14的距离与参考通道2两侧通孔23和24的距离相同，则光纤激光器3输出的脉冲激光经1×2光纤耦合器4分成的两束脉冲激光，在检测通道1和参考通道2中传输的距离相同，提高气体测试准确度。采用环氧树脂把窄带滤光片15、16分别封装在检测通道1的通孔13、14处，把窄带滤光片25、26分别封装在参考通道2的通孔23、24处，降低了通孔13、14、23、24处的漏气率，保证了气体的测试准确度。

所述窄带滤光片15、16、25、26的中心波长是4.26μm，带宽不大于200nm，减小了进入检测通道1和参考通道2的脉冲激光的波长带宽，降低了室内日光灯、环境辐射等其它波长的光对测试结果的影响。

采用图1所示的医用气体辨别装置的辨别方法是：

步骤A：把医用气体辨别装置的检测通道1与中心供气系统的氧气通道连接；

步骤B：启动医用气体辨别装置，光纤激光器3输出脉冲激光，该脉冲激光通过1×2光纤耦合器4变成峰值功率相同的两束脉冲激光；一束脉冲激光作为检测光束，经检测通道1上的光纤准直器6之后变成平行光束，透过检测通道1一侧的窄带滤光片15进入检测通道1，被检测通道1中的气体吸收之后，透过检测通道1另一侧的窄带滤光片16入射到检测通道1上的热释电探测器7中，热释电探测器7产生与入射到热释电探测器7的脉冲激光峰值功率成正比的电流信号；另一束脉冲激光作为参考光束，经参考通道2上的光纤准直器5之后变成平行光束，透过参考通道2一侧的窄带滤光片25进入参考通道2，在参考通道2的真空中传输之后，透过参考通道2另一侧的窄带滤光片26入射到参考通道2上的热释电探测器8中，热释电探测器8产生与入射到热释电探测器8的脉冲激光峰值功率成正比的电流信号；两个热释电探测器7和8产生的电流信号分别经过后续的数据处理电路9处理，转换为数字电压信号，并在显示器96中同时显示；

步骤C：等间隔改变中心供气系统输出气体的浓度P_k(k＝1，2，…，n)，记录不同气体浓度时，检测通道1上热释电探测器7产生的电压信号V_i(i＝1，2，…，n)和参考通道2上热释电探测器8产生的电压信号V_j(j＝1，2，…，n)，然后计算电压V_i与电压V_j的电压比值R_k(k＝1，2，…，n)，其中n是实验数据个数；

步骤D：计算电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的平均值R_a和区间半宽度α：

氧气电压比值的平均值计算方法是：

氧气电压比值的区间半宽度计算方法是：

α＝(R_max-R_min)/2

式中R_max是氧气电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的最大值，R_min是氧气电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的最小值。

则氧气电压比值的阈值R_t是R_a-α，并把该阈值R_t存入E2PROM 94；

步骤E：关闭中心供气系统的氧气通道，把医用气体辨别装置的检测通道1与中心供气系统的二氧化碳气体通道连接，重复步骤B～C；

步骤F：采用非线性最小二乘法拟合二氧化碳气体浓度P与二氧化碳气体电压比值R的线性关系：P＝a·R+b，并把该线性关系存入E2PROM 94，其中a、b是拟合系数；

步骤G：在使用医用气体的辨别装置时，DSP处理器95自动计算检测通道1上热释电探测器7输出电压与参考通道2上热释电探测器8输出电压的比值R₀，并把该比值与E2PROM94中的阈值R_t进行比较；若R₀大于等于R_t，则检测通道1通入的是氧气，并在显示器96中显示“氧气”；若R₀小于R_t，则检测通道1通入的是二氧化碳气体，并根据E2PROM 94中存入的二氧化碳气体浓度与二氧化碳气体电压比值的线性关系，计算二氧化碳气体的浓度：P＝a·R₀+b，并在显示器96中显示“二氧化碳与浓度”。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种医用气体的辨别装置，其特征在于，包括检测通道、参考通道、光纤激光器、1×2光纤耦合器、2个光纤准直器、2个热释电探测器、数据处理电路；所述1×2光纤耦合器具有1个输入端口、2个输出端口；所述光纤准直器具有输入端口和输出端口；所述热释电探测器具有激光入射端口和电流输出端口；所述检测通道焊接在参考通道上面，检测通道两端为开口设计，两侧对称设计有通孔，在通孔处封装有窄带滤光片；所述参考通道两端密封，两侧对称设计有通孔，在通孔处封装有窄带滤光片，内部抽真空；所述光纤准直器中的一个通过该光纤准直器的输出端口安装在检测通道一侧的通孔处，另一个光纤准直器通过该光纤准直器的输出端口安装在参考通道一侧的通孔处；所述热释电探测器中的一个通过该热释电探测器的激光入射端口安装在检测通道另一侧的通孔处，另一个热释电探测器通过该热释电探测器的激光入射端口安装在参考通道另一侧的通孔处；所述检测通道上安装的光纤准直器的输出端口与热释电探测器的激光入射端口对准；所述参考通道上安装的光纤准直器的输出端口与热释电探测器的激光入射端口对准；所述热释电探测器的电流输出端口焊接在数据处理电路上；所述光纤激光器安装在数据处理电路上；所述1×2光纤耦合器的输入端口与所述光纤激光器连接，2个输出端口分别与2个光纤准直器的输入端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种医用气体的辨别装置，其特征在于，所述检测通道两侧通孔的距离与参考通道两侧通孔的距离相同，采用环氧树脂把窄带滤光片分别封装在检测通道和参考通道的通孔处。

3.根据权利要求2所述的一种医用气体的辨别装置，其特征在于，所述窄带滤光片的中心波长是4.26μm，带宽不大于200nm。

4.根据权利要求1所述的一种医用气体的辨别装置，其特征在于，所述光纤准直器的工作波长是4.26μm，输入端口具有FC/PC接口。

5.根据权利要求1所述的一种医用气体的辨别装置，其特征在于，所述1×2光纤耦合器的耦合比是50∶50，中心波长是4.26μm，输入端口和输出端口均具有FC/PC接头。

6.根据权利要求1所述的一种医用气体的辨别装置，其特征在于，所述光纤激光器是脉冲激光器，输出的激光中心波长是4.26μm，峰值功率不小于2μW。

7.根据权利要求1所述的一种医用气体的辨别装置，其特征在于，所述数据处理电路包括2个CMOS放大电路、2个二级放大电路、2个高速数据采集电路、E2PROM、DSP处理器、显示器、电源。

8.根据权利要求7所述的一种医用气体的辨别装置，其特征在于，所述热释电探测器的电流输出端通过引脚与CMOS放大电路连接。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的一种医用气体辨别装置的辨别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：把医用气体辨别装置的检测通道与中心供气系统的氧气通道连接；

步骤B：启动医用气体辨别装置，光纤激光器输出脉冲激光，该脉冲激光通过1×2光纤耦合器变成峰值功率相同的两束脉冲激光：一束脉冲激光作为检测光束，经检测通道上的光纤准直器之后变成平行光束，透过检测通道一侧的窄带滤光片进入检测通道，被检测通道中的气体吸收之后，透过检测通道另一侧的窄带滤光片入射到检测通道上的熟释电探测器中，热释电探测器产生与入射脉冲激光峰值功率成正比的电流信号；另一束脉冲激光作为参考光束，经参考通道上的光纤准直器之后变成平行光束，透过参考通道一侧的窄带滤光片进入参考通道，在参考通道的真空中传输之后，透过参考通道另一侧的窄带滤光片入射到参考通道上的热释电探测器中，热释电探测器产生与入射脉冲激光峰值功率成正比的电流信号；两个热释电探测器产生的电流信号分别经过后续的电路处理，转换为数字电压信号，并在显示器中同时显示；

步骤C：等间隔改变中心供气系统输出气体的浓度P_k(k＝1，2，…，n)，记录不同气体浓度时，检测通道上热释电探测器产生的电压信号V_i(i＝1，2，…，n)和参考通道上热释电探测器产生的电压信号V_j(j＝1，2，…，n)，然后计算电压V_i与电压V_j的电压比值R_k(k＝1，2，…，n)，其中n是实验数据个数；

步骤D：计算电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的平均值R_a和区间半宽度α，则氧气电压比值的阈值R_t是R_a-α，并把该阈值R_t存入E2PROM；

步骤E：关闭中心供气系统的氧气通道，把医用气体辨别装置的检测通道与中心供气系统的二氧化碳气体通道连接，重复步骤B～C；

步骤F：采用非线性最小二乘法拟合二氧化碳气体浓度P与二氧化碳气体电压比值R的线性关系：P＝a·R+b，并把该线性关系存入E2PROM，其中a、b是拟合系数；

步骤G：在使用医用气体的辨别装置时，DSP处理器自动计算检测通道上热释电探测器输出电压与参考通道上热释电探测器输出电压的比值R₀，并把该比值与E2PROM中的阈值R_t进行比较；若R₀大于等于R_t，则检测通道通入的是氧气，并在显示器中显示“氧气”；若R₀小于R_t，则检测通道通入的是二氧化碳气体，并根据E2PROM中存入的二氧化碳气体浓度与二氧化碳气体电压比值的线性关系，计算二氧化碳气体的浓度：P＝a·R₀+b，并在显示器中显示“二氧化碳与浓度”。

10.根据权利要求9所述的一种医用气体辨别装置的辨别方法，其特征在于，所述步骤D中氧气电压比值的平均值计算方法是：

$R_a=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_k$

氧气电压比值的区间半宽度计算方法是：

α＝(R_max-R_min)/2

式中R_max是氧气电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的最大值，R_min是氧气电压比值R_k(k＝1，2，…，n)的最小值。