CN107333466B - 用于无创伤地确定分析物浓度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无创伤测量分析物浓度的传感器和装置，所述装置包括：第一热传感器(106)，所述第一热传感器可操作以确定指示受试者的皮肤(122)上的位置处的温度的温度；分析物传感器(103)，所述分析物传感器可操作以生成指示所述分析物的浓度的测量值；加热器(109)；控制器(216)，所述控制器可操作以从至少所述第一热传感器接收温度信号，并且调节所述加热器以便保持所述皮肤上的所述位置处的热平衡；以及处理器(213)，所述处理器被配置成将所述测量值转换为预定温度下计算的分析物浓度值。

Description

用于无创伤地确定分析物浓度的装置和方法

技术领域

本文所公开的装置和方法的实施例涉及无创伤地测量受试者体内的分析物浓度的领域，并且具体地讲，涉及在受试者的组织(诸如受试者的皮肤)的位置处，例如在耳垂上测量二氧化碳(CO₂)或其他血液气体的分压。

背景技术

利用施加到皮肤上的传感器来对血液气体的分压(诸如二氧化碳(pCO₂)或氧气(pO₂))进行无创伤测量已在许多出版物中被描述为在多种临床情况下可用的方法。

在现有技术的传感器中，如例如US 7,474,908或US 5,425,868中所述，用施加到皮肤表面上的传感器测量气体，该传感器配备有用于对其上搁置有传感器的皮肤区域进行加热的加热元件。传感器接触表面被加热到约40℃至44℃的温度，这导致测量部位处的局部血管扩张及毛细血管床的动脉化。在这些条件下，由设置在受试者皮肤上的传感器测量的CO₂分压显示出与CO₂动脉值的高度相关性。这使得有可能以对于大多数应用而言足够的精确度确定和/或监测动脉CO₂值。将测量部位加热到这样高的温度牵涉到皮肤烧伤或其他不期望的副作用的风险，尤其是需要在较长时间段内连续监测pCO₂时。

此外，对于一些目的而言，皮肤的血管扩张是非期望的，因为测量的目的是确定皮肤的灌注，或皮肤灌注的变化。对于此类目的而言，有利的是，避免改变皮肤的结构，诸如加热皮肤和下层组织，而产生局部血管扩张。

WO 2011/024081提出利用pCO₂传感器来测量pCO₂，该传感器施加到患者的耳垂上并仅加热至37℃或更低，以便评估患者体内的组织灌注，尤其是对于败血性休克的治疗随访和预后而言。尽管该现有技术方法减少了将测量部位加热至非常高的温度的必要，但其仍然涉及加热测量部位。

该现有技术一般具有的缺点是由于传感器与皮肤组织之间的热梯度，传感器与患者的皮肤组织之间存在能量流。该温度梯度在测量部位处产生毛细血管床的局部血管扩张。

一般希望(特别是在某些临床情况下及对于某些测量而言)进一步避免对测量部位的加热，同时保持所得测量值的高精确度。尤其是，希望所提供的对血液气体的测量能进一步降低该测量对局部灌注或微循环的影响。

尤其是，在某些临床状况下，例如在休克期间，组织的排热能力可能减弱；在此类情况下，可能特别希望避免不必要的加热。

此外，当这些测量旨在提供测量部位处的灌注或微循环的指征或者当用于检测休克时，可能希望监测灌注/微循环，而不是通过加热对其造成影响。

发明内容

根据第一方面，本文公开了用于对分析物浓度的无创伤测量的装置的实施例。该装置的实施例包括：第一导热部件和设置在第一导热部件处的第一热传感器，该第一导热部件适于与患者的组织热连通，并且该第一热传感器可操作以确定指示患者组织表面上的位置处的温度的温度。与第一导热部件绝热的第二导热部件和设置在第二导热部件处的第二热传感器，并且还包括可操作以生成指示分析物浓度的传感器信号的分析物传感器，以及可操作以控制第二导热部件的温度的加热器。

因此，该装置使分析物传感器的温度稳定，使得测量位置处的组织与分析物传感器之间基本上没有热量流动，即，分析物传感器的至少表面部件和组织上的该位置彼此保持热平衡。

由于分析物传感器的至少表面部件与组织保持热平衡，因此可使用所测量的温度校正分析物传感器的所有温度相关性。具体地讲，当前电化学pCO₂传感器包括温度相关部件，诸如pH电极、参比电极、电解质和/或覆盖电解质的不同膜。另外，定位在受试者组织上的装置的部件可包括其他温度相关部件，诸如用于对所测量的信号进行信号放大的电子电路。这些部件也可基于所确定的温度进行校正。传感器信号转换为与预定参考温度相关联的计算的分析物浓度是基于所确定的温度。由于传感器保持热平衡，故所确定的温度对应于组织温度并对应于传感器核心温度；因此，该转换可补偿所有相关温度效应。

在pCO₂测量值的范畴内，这些可包括对pCO₂的pH电极电势、斜率和温度校正因数的温度效应。在一些实施例中，该分析物传感器可操作以生成传感器信号，并且处理器适于基于至少该传感器信号和传感器校准函数来算出计算的分析物浓度。在一些实施例中，该装置包括用于存储指示温度相关校准函数的温度校准数据的存储介质，并且该处理器适于基于该传感器信号和所存储的温度校准数据来计算分析物浓度。所存储的温度校准数据可以多种方式存储，诸如以一个或多个插值表、一个或多个校准函数的形式和/或以另一种合适的形式。可通过本领域已知的任何合适校准方法执行传感器信号的校准。在一些实施例中，校准至少部分地在较高温度(高于37℃)下执行，以便缩短校准过程的持续时间。

因此，本文所述的装置的实施例将分析物传感器的温度自动调节成组织温度。当传感器位于受试者的皮肤上时，一般在小于37℃的温度下获得热平衡。避免了皮肤灼伤及其他因加热受试者组织而带来的非期望效应的风险，同时保持了所确定的分析物浓度的高精确度。

一般来讲，受试者组织上的测量位置可以是受试者的皮肤上(例如受试者的耳垂上)的位置，或另一个合适的测量位置。或者，传感器可定位在体腔的内表面或另一个组织表面上。分析物传感器一般可被配置成测量组织中和/或组织表面处的分析物浓度。

该装置可将所得的计算的分析物浓度输出为模拟和/或数字输出信号和/或任何其他合适的形式。在一些实施例中，该装置包括显示器，其可操作以显示所计算的分析物浓度值、所确定的温度或两者。在一些实施例中，该装置被配置成监测随时间推移的分析物浓度。

在一些实施例中，该分析物是CO₂，并且该分析物浓度是CO₂的分压(pCO₂)。因此，在此种实施例中，分析物传感器包括pCO₂传感器，例如电化学传感器、光学传感器或另一种合适形式的传感器。在一些实施例中，该传感器包括pH电极。然而，应当理解，本文所述装置的其他实施例可用于测量其他类型的分析物浓度，诸如氧气的分压(pO₂)或一种或多种其他血液气体的分压。在其他实施例中，该装置可操作以测量多种分析物，例如CO₂和O₂两者。

本文所述装置的实施例可用于确定皮肤pO₂测量值，以确定没有局部血管扩张和动脉化的情况下毛细血管床的O₂水平，从而与其他传感器系统相结合来获得有关非动脉化毛细血管床中组织的O₂吸收的附加信息。本文所述的相同加热控制系统也可应用于其他无创伤传感器系统，尤其是被设计成测量微血管化等级的传感器，例如激光多普勒、或基于测量StO₂的NIRS技术的传感器。

预定的参考温度可为任何合适的温度，例如22℃与38℃之间，诸如32℃与38℃之间，诸如32℃与35℃之间，或35℃与38℃之间，诸如37℃的温度。参考温度取决于人的活动水平、周围环境(例如，皮肤是被覆盖还是裸露)以及周围温度和(例如风的)冷却效应。温度还取决于传感器在人体上所处的位置，例如，脚部可能仅具有比室温高几度的温度，而位置更居中的身体部位将具有更接近体内温度的温度。

第一热传感器可被布置成使得其与组织表面上的测量位置导热连通，以便允许第一热传感器确定组织上的所述测量位置处的温度。导热连通应具有足够高的热导率，以允许组织表面与第一热传感器的紧邻周边之间的潜在的温度梯度达到平衡。因此，由第一热传感器测量的温度指示组织上的测量位置处的温度，并且第一热传感器可检测测量期间组织的温度变化。为此，第一热传感器可嵌入导热部件中，该导热部件可在操作期间与组织直接接触，或可通过部件(例如一个或多个膜或其他薄层)与组织隔开，这些部件不会妨碍第一热传感器检测组织的温度变化。一般来讲，第一导热部件可与测量位置导热连通。然而，第一热传感器不需要与组织上的测量位置直接接触，就可以测量指示组织上的该位置处的温度的温度。

在一些实施例中，该装置包括第二热传感器，其可操作以测量指示分析物传感器的至少一部分的温度的温度；并且其中控制器被配置成调节加热器，以便将分析物传感器的所述部分的温度调节成第一热传感器所测量的温度。在一些实施例中，该装置包括：

-彼此绝热的第一导热部件和第二导热部件；以及

-设置在第二导热部件处的第二热传感器，

其中加热器设置在第二导热部件处，而第一热传感器设置在第一导热部件处；并且其中控制器可操作以调节加热器，从而保持第一导热部件和第二导热部件之间的热差基本上为零。在一些实施例中，第二导热部件被布置成在该装置的使用期间与受试者的组织绝热，而第一导热部件与受试者的组织的隔绝性不及第二导热部件，以便允许组织与第一导热部件之间的热交换比组织与第二导热部件之间的热交换更快。在一些实施例中，第一导热部件可与受试者的组织(例如，受试者的皮肤)直接接触。在其他实施例中，第一导热部件可通过一个或多个膜或类似的一个或多个薄层来与组织隔开。在一个实施例中，第一导热部件和第二导热部件可具体体现为其间夹有绝热层的第一导热层和第二导热层。加热器和/或第二热传感器可通过以下方式设置在第二导热部件处：将加热器和/或第二热传感器嵌入第二导热部件内，和/或以其他方式布置加热器和/或第二热传感器，使之与第二导热部件热接触。类似地，第一热传感器可通过以下方式设置在第一导热部件处：将第一热传感器嵌入第一导热部件内，和/或以其他方式布置第一热传感器，使之与第一导热部件热接触。该装置可被配置成基于来自第一热传感器和第二热传感器的温度信号的差异来控制加热器。分析物传感器可被布置成使得分析物传感器的至少一部分嵌入第二导热部件内或与第二导热部件热接触，因此分析物传感器的核心温度可由加热器控制。然而，应当理解，分析物传感器的一部分还可延伸到第一导热部件中或甚至延伸穿过第一导热部件。

因此，当两种热传感器的温度相同时，这指示分析物传感器(例如，pCO₂传感器的pH电极/电解质/参比电极)所在位置的传感器核心温度处于与组织相同的温度，从而指示热平衡。

在一些实施例中，仅在第二导热部件中需要加热器，而在与受试者的组织热连通的第一导热部件中不需要加热器。因此，加热器仅仅防止热量从受试者组织流动到传感器核心中并进一步通过传感器头的壳体流动到周围环境中和/或通过连接与受试者皮肤接触的传感器头的电缆流动到装置的其他部分，诸如控制单元。因此，在一些实施例中，第一导热部件不包括加热器。

在一些实施例中，控制器可操作以连续调节加热器，从而保持第一导热部件和第二导热部件之间的热差基本上为零。具体地讲，该装置可被配置成在测量分析物浓度的同时执行温度控制。可连续执行温度控制。保持热差基本上为零旨在表示这样的控制机构，其可操作以将温差降至零或至少低于某个小阈值，例如低于0.1℃。

在一些实施例中，第一导热部件和第二导热部件中的一者或两者包含银和/或另一种合适的材料诸如金。将第一导热部件和第二导热部件彼此隔开的绝热材料可包括环氧树脂或另一种合适的材料，诸如合适的聚合物。绝热层具有足以获得第一导热部件和第二导热部件之间的合适绝热的厚度。在一些实施例中，绝热层的厚度为至少0.5mm。一般来讲，绝热层的材料可具有比导热部件的一种或多种材料更低的热导率。在一些实施例中，第一导热部件和/或第二导热部件由热导率大于10W/(m*K)(诸如100W/(m*K)或更高)且不干扰分析物传感器的材料制成。绝热材料的热导率可为1W/(m*K)或更小，诸如0.5W/(m*K)或更小。

在另一个实施例中，该装置包括：

-第一热传感器，该第一热传感器可操作以测量参考位置处组织的温度；

-分析物传感器，该分析物传感器可操作以测量测量位置处的分析物浓度；其中第二热传感器可操作以测量指示分析物传感器至少一部分的温度的温度；

其中控制器被配置成调节加热器，以便将分析物传感器的所述部分的温度调节成第一热传感器所测量的温度。

第一热传感器可集成到与分析物传感器相同的传感器头中，附接到分析物传感器，从分析物传感器延伸，或以其他方式布置成与分析物传感器一起定位为单个单元，但可操作以测量与测量位置不同的参考位置处的温度。参考位置和测量位置可为组织表面上的相邻位置。或者，第一热传感器可作为单独的传感器头提供，其可与包括分析物传感器的传感器头分开设置。例如，在一个实施例中，该装置包括：

-包括第一热传感器的第一设备，该第一热传感器可操作以测量所述参考位置处组织的温度，例如皮肤温度；

-第二设备，该第二设备与第一设备隔开，包括分析物传感器、加热器和第二热传感器，该第二热传感器可操作以测量第二设备的温度；

其中控制器被配置成调节加热器，以便将第二设备的温度调节成第一热传感器所测量的温度。因此，根据该实施例，第一热传感器和第二热传感器可定位在单独的设备中，这些设备可单独地定位在受试者的组织上，例如彼此紧密靠近。

第一热传感器和第二热传感器可各自包括热敏电阻或光学传感器，例如IR热传感器，或另一种合适的热传感器。

本发明涉及不同方面，包括上文和下文所述的装置、对应的方法、系统和产品，每一者获得了结合上述装置和/或其他方面之一描述的有益效果和优点中的一种或多种，并且每一者具有与结合上述装置和/或其他方面之一描述的实施例相对应的一个或多个实施例。

具体地讲，本文公开了用于监测患者体内的分析物浓度的方法的实施例，该方法包括：

-用第一温度传感器测量参考位置处患者组织的温度；

-将设备设置在患者组织上的测量位置处，其中该设备包括加热器和分析物传感器；

-调节该设备的温度，使得在组织的所述测量位置处保持热平衡；以及

-在所述测量位置处用分析物传感器测量分析物的浓度。

参考位置和测量位置可为相同位置或不同位置，例如彼此相邻或以其他方式彼此紧密靠近的两个位置，使得参考位置处的温度指示测量位置处的温度。在该设备与测量位置处的组织之间局部保持热平衡。

用于监测患者体内的分析物浓度的装置的实施例可包括控制单元和传感器头，该传感器头可通过有线或无线连接来连接到处理单元。为此，传感器头可包括无线通信接口，该无线通信接口可操作以与控制单元(诸如监测设备)无线通信。无线通信接口可包括蓝牙发射机/接收机或另一种合适的电路。传感器头被配置成与测量位置处的患者组织进行接触。传感器头可包括一个或多个热传感器、加热器和分析物传感器。传感器头还可包括信号处理电路，该信号处理电路包括例如信号放大器并被配置成输出传感器信号。控制单元可包括处理器，例如适当编程的微处理器，该处理器被配置成接收传感器信号并执行所接收的传感器信号向所计算的分析物浓度的转换。为此，控制单元可包括用于存储要在该转换中使用的校准数据的存储介质，诸如硬盘、EPROM、EEPROM、闪存盘等等。控制单元还可包括用户界面，诸如用于呈现图形用户界面的显示器等等。控制单元还可包括用于控制加热器的控制器。控制器可集成到微处理器或其他作为处理器的电路中，或其可实现为单独的硬件模块。或者，在一些实施例中，处理器和/或控制器的一些或所有功能可通过传感器头中包括的电路来实现。

在本发明的又一个方面，本文公开了对用于无创伤测量患者体内的分析物浓度的设备的温度进行控制的方法，该方法包括：用位于该设备的第一导热部件中的第一温度传感器测量患者的组织的温度，该第一导热部件与患者的组织热连通；以及调节该设备的第二导热部件的温度，该第二导热部件与患者的组织和第一导热部件绝热，从而保持组织与第二导热部件之间的热平衡。

本领域中由来已久的偏见是，需要温热皮肤组织以溶解表皮层中的死亡角质化细胞的脂质结构，从而使角质层更易透过血液气体，尤其是使其更易透过O₂，因为O₂不易扩散穿过表皮层。然而，已有很多方法可以溶解或去除表皮层，以允许传感器与携氧细胞接触。例如，US 2013013795A1公开了这样的设备，该设备机械地去除表皮层，直到达到两个电极之间的预定阻抗值。一旦已去除足够的表皮层，就可将药物递送组合物或分析物传感器施加到经处理的部位。

应当注意，传感器信号向所计算的分析物浓度的转换可至少部分地在软件中实现，并且在数据处理系统或者由程序代码装置(诸如计算机可执行指令)的执行引起的其他处理装置上实施。在此处和下文中，术语处理装置包括适于执行上述功能的任何电路和/或设备。具体地讲，上述术语包括通用或专用可编程微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用电子电路等，或它们的组合。或者，所述特征可通过代替软件或者与软件组合的硬连线电路实现。

传感器头可被配置成与组织表面进行接触，其中第一导热部件的测量表面面向组织表面，并且通过至少第一导热部件和绝热部分将第二导热部件与组织表面隔开，并且该绝热部分将第一导热部件与第二导热部件隔绝。传感器头可操作以设置在组织表面上，使得第一导热部件与组织热连通，例如通过使测量表面与组织表面直接接触来与组织热连通，或通过覆盖第一导热部件的测量表面的一个或多个膜或表面层来与组织热连通。在一些实施例中，分析物传感器的至少一部分设置在第二导热部件处。

附图说明

通过参照附图描述的实施例，上述方面和其他方面将变得显而易见，并且得到阐明，在附图中：

图1示出了用于无创伤地测量pCO₂的装置的传感器头的示例的示意性框图。

图2示出了用于无创伤地测量pCO₂的装置的示例的示意性框图。

图3示出了用于无创伤地测量pCO₂的装置的两件式传感器头的示例的示意性框图。

图4A-B分别示出了温度相关校准项PCF(T)和SPF(T)的回归函数的示例，这些回归函数从实验数据得出，并用于传感器信号向所计算的pCO₂值的转换的示例中。

图5示出了用于无创伤地测量pCO₂和pO₂的装置的传感器头的示例的示意性框图。

图6示出了使用光学原理来无创伤地测量pCO₂的装置的传感器头的示例的示意性框图。

具体实施方式

图1示出了用于无创伤地测量pCO₂的装置的传感器头的示例的示意性框图。传感器头101包括电绝缘材料例如聚苯醚(PPO)的传感器外壳119，其中分别设置了第一导热板105和第二导热板120。板105和120可由银或金或具有类似或至少合适的导热特性且不干扰化学分析的材料制成。导热板可嵌入环氧树脂铸件121中并由该环氧树脂铸件固定，该环氧树脂铸件填充板与外壳之间的空隙，并且形成在导热板105和120之间隔开并夹在这两个导热板之间的绝热层104。第一导热板105限定传感器头的测量表面，该测量表面在操作期间被布置成在所需测量位置处面向受试者的皮肤102。第二导热板120设置在传感器头的中心部分中，并且在操作期间，至少通过绝热层和通过第一导热板来与受试者的皮肤隔开。所述绝热层104使第二导热板120与第一导热板绝热并与受试者的皮肤绝热，使得一方面第二导热板与受试者的皮肤之间及另一方面第一导热板与受试者的皮肤之间的热传递梯度较小。绝热层可例如由环氧树脂制成，或由聚氨酯制成，或由热特性与环氧树脂类似的聚合物制成。第一导热板105的测量表面被一个或多个薄层123覆盖。例如，这些层可包括下列层中的一者或多者：电解质层(例如，用电解质溶液浸泡的隔膜)、特氟隆膜、金片。层123的外层(例如，金片)限定在测量期间与受试者的皮肤102进行接触的接触表面。当接触表面被设置成与受试者的皮肤接触时，通过层123在第一导热板与受试者的皮肤之间发生热交换，直到皮肤与第一导热板之间的任何温度梯度基本上平衡。

传感器头101可通过从外壳119的管状延伸部延伸的电缆108连接到控制单元或监视器，从而允许通过控制单元/监视器对与有机体内监测相关的各种功能进行远程控制，例如，连接/断开当前电路、处理数据等。

第一温度传感器106(例如，NTC电阻器或其他合适热敏电阻的形式)嵌入第一导热板105中或至少与之良好热接触，并且可操作以在与接触表面接触的测量部位处测量皮肤102的皮肤温度。温度传感器106通过导热胶胶粘到第一导热板105之上或之中，并且热传感器可通过电缆108连接到控制监视器。

加热元件109(例如，齐纳二极管的形式)嵌入第二导热板120中或至少与之热接触。加热元件109可操作以加热第二导热板。第二温度传感器107(例如，NTC电阻器或其他合适热敏电阻的形式)也嵌入第二导热板120中或至少与之良好热接触。加热元件109和温度传感器107都通过导热胶胶粘到第二导热板120之上或之中，并且它们各自可通过电缆108连接到控制监视器。

传感器头还包括pCO₂传感器103，该传感器具有被布置在第二导热板120中的第一部分，以及穿过绝热层104和第一导热板105朝接触表面延伸并限定测量位置122的另一部分。pCO₂传感器可被绝热层围绕。pCO₂传感器103以基于测量pH的熟知方式执行_pCO₂测量。为此，pCO₂传感器可包括pH玻璃电极和参比电极，诸如Ag/AgCl参比电极。这两个电极可包括被布置在第二导热板120中的一部分，以及穿过绝热层104和第一导热板105朝接触表面延伸的另一部分。

例如，pCO₂传感器可具体体现为US 5,425,868或US 6,654,622中所述的形式，这些专利的全部内容以引用方式包括于本文中。

在传感器头的操作期间，加热器元件109受到控制以加热第二导热板120，使得热传感器107所测量的第二导热板120的温度与热传感器106所测量的第一导热板105的温度相同，以便补偿传感器原本对组织造成的冷却效应。当热传感器106和107的温度读数相同时，这指示传感器核心(具体地讲，包括pCO₂传感器103，例如pH-电极/电解质/参比电极)的温度为与皮肤102下方的组织相同的温度(温度平衡)。

应当理解，传感器头可包括附加传感器，例如pO₂传感器，和/或其他部件，例如用于对来自pCO₂传感器103和/或来自热传感器的传感器信号进行预处理的电子电路。这种预处理可包括用于在来自热传感器的温度信号之间生成差异信号的前置放大器和/或电路。

图2示出了用于测量经皮pCO₂的装置的示例的示意性框图。该装置包括传感器头101和控制单元216，传感器头101经过电缆108连接到该控制单元。或者，传感器头可通过无线接口(例如使用蓝牙或另一种短距离射频通信技术)连接到控制单元。传感器头可为图1中所示的传感器头。控制单元216包括处理单元213以及用户界面214和数据存储设备215，后两者以通信方式耦接到处理单元。处理单元213可为任何适当编程的CPU或微处理器或其他合适的处理装置。数据存储设备215可为用于存储程序和/或其他数据的RAM、EPROM、硬盘或另一种合适的设备。用户界面214可包括用于显示信息、可选菜单项的显示器(诸如触摸屏)，从而允许用户选择操作选项、输入参数等等。用户界面可操作以向用户呈现测量结果，请求用户输入或其他用户行为，向用户呈现可选选项和/或呈现指令。用户界面还可包括小键盘、按钮和/或用户界面设备。

处理单元213包括信号处理区块211和控制区块212。虽然在图2中被示出为单独的区块，但信号处理区块211和控制区块212可以多种方式实现，例如作为单独的硬件模块，作为由通用处理器实现的单独的功能区块，或甚至作为单个功能区块。在操作期间，处理单元213从传感器头101中的pCO₂传感器接收传感器信号，并从传感器头101中的热传感器接收温度信号。

基于温度信号，控制区块212控制传感器头的加热器，以便保持第一温度传感器和第二温度传感器所测量的温度之间的差值尽可能接近零。例如，可通过差异信号来控制加热器，该差异信号指示来自第一热传感器和第二热传感器的温度信号之间的差异。

由于传感器通常在施加到患者之前暴露于环境空气，这两个热传感器所测量的温度是环境空气的温度。于是，当传感器以其接触表面与皮肤进行接触时，位于第一导热部件105中的靠近传感器接触表面的热传感器106将被组织加热到温度T1。此时，另一热传感器107所测量的温度T2通常较低(T2<T1)，并且控制区块212将使加热器109对传感器头的核心部分进行加热(即，T2将升高)，直到这两个温度变为相等T2＝T1(或至少在预定的容限ΔT内相等，即|T2-T1|<ΔT)。控制单元212连续调节加热器，以使这两个温度相同。如果组织温度降低，则温度T1将低于T2，并且加热功率将减少或甚至关闭，直到这两个温度再次相同。如果组织温度升高，则更多加热功率将被输送到加热器以使T1＝T2。

基于来自pCO₂传感器的传感器信号及来自热传感器中至少一者的温度信号(平衡时，传感器核心温度Tcore等于T1和T2)，信号处理区块211算出所计算的CO₂分压。为此，信号处理区块可应用预定校准公式，该预定校准公式可取决于一种或多种温度相关参数。包括温度相关参数的校准公式可存储在控制单元216的存储设备215中。处理单元可在其显示器214上显示所计算的pCO₂，以及任选地，所确定的温度和/或传感器头是否与皮肤达到热平衡(|T2-T1|<ΔT)的指示。

pCO₂值的计算可例如基于以下方程：

其中C是总常数，MP是pCO₂传感器所测量的电势，PCF是温度相关校准因数，CP是校准电势，SCF是温度相关斜率校准因数，并且SP是斜率电势。可由实验数据通过合适的回归来确定电势校准因数(PCF(T))与斜率校准因数(SFC(T))的温度相关性。图4A-B分别示出了由实验数据得出的PCF(T)和SPF(T)的回归函数的示例。

图3示出了用于无创伤地测量pCO₂的装置的两件式传感器头的示例的示意性框图。在该示例中，第一热传感器被实现为第二单独传感器头317，其可在受试者的皮肤上与包括pCO₂传感器的传感器头101相隔地定位。或者，具有第一热传感器的第二传感器头可附接到传感器头101的一侧或以其他方式从传感器头101延伸。在任何情况下，在此类实施例中，热传感器在与传感器头101下方的测量部位相邻但紧邻的参考位置处测量皮肤的温度。与此前示例中的一样，传感器头101包括导热层120，该导热层包括加热器元件109、热传感器以及pCO₂传感器103的一部分。第二传感器头317包括嵌入导热层305中的单独热传感器306。或者，第二传感器头可包括使用另一种温度测量技术(例如基于红外光)的热传感器。与此前示例中的一样，加热器可受到控制，以保持pCO₂传感器的温度等于用第二传感器头317的热传感器305测量的温度。

图5示出了用于无创伤地测量pCO₂和pO₂的装置的传感器头的示例的示意性框图。传感器头101类似于图1中所示的传感器头，并且其包括许多与图1的传感器头101相同的部件。这些部件由相同附图标号标出，并且将不再进行描述。图5的传感器头101还包括pO₂传感器524，例如，可嵌入玻璃中的铂阴极的形式。pO₂传感器524具有被布置在第二导热板120中的第一部分，以及穿过绝热层104和第一导热板105朝接触表面延伸并限定测量位置122的另一部分。pO₂传感器524以熟知方式执行pO₂测量。在一个实施例中，pO₂传感器是电流型传感器，并且该传感器包括参比电极(未明确示出)，该参比电极可操作以在pO₂传感器与参比电极之间形成电路。在图5的实施例中，导热层优选地由金制成，或由另一种不易氧化的材料制成。

图6示出了本发明的又一个实施例，其中传感器头(400)使用光学原理来测量气体浓度。传感器头(400)通过覆盖充当患者界面的膜(413)的薄金属层(414)来接触患者的组织。薄金属层(414)充当第一导热部件，并通过至少绝热层(404)来与第二导热部件(419)隔绝。两个通气道(418)允许气体穿过患者的组织流出以进入测量室(423)，该测量室一端由光源(421)封闭，而相对端由双通道检测器(415)封闭，由此患者的组织、通气道(418)和测量室(423)限定封闭系统。又一个热传感器(407)位于导热部件(419)中，该热传感器可用于通过调节提供给加热元件(419)的功率来调节传感器的温度。这样，导热部件(417)的温度可被调节成具有与用热传感器(406)测量的温度基本上相同的温度，因此患者的组织与传感器(400)之间基本上没有热量流动。

尽管已经详细描述和示出了一些实施例，但是本发明不限于这些实施例，在以下权利要求书中限定的主题范围内，还可以用其他方式来具体体现本发明。

本文所述的方法、产品装置、系统和设备可以借助包括若干不同元件的硬件和/或部分或完全借助适当编程的微处理器来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置能够以同一项硬件来实现，例如适当编程的微处理器、一个或多个数字信号处理器等。在相互不同的从属权利要求中引用了或在不同的实施例中描述了某些手段这一事实并不意味着不能使用这些手段的组合来实现益处。

应当强调的是，术语“包括/包含”在本说明书中使用时，是要指定所描述的特征、整数、步骤或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其群组的存在或增加。

Claims (12)

1.一种用于无创伤测量二氧化碳的分压的装置的传感器头，所述传感器头包括：

-第一导热部件和设置在所述第一导热部件处的第一热传感器，

-所述第一导热部件适于与患者的组织热连通，

-所述第一热传感器可操作以确定温度，所述温度用于指示患者组织表面上的位置处的温度；

-第二导热部件，当所述第一导热部件与患者的组织热接触时，所述第二导热部件与所述第一导热部件以及患者的组织绝热；

-第二热传感器，所述第二热传感器设置在所述第二导热部件处；

-分析物传感器，所述分析物传感器可操作以生成指示二氧化碳的分压的传感器信号；

-加热器，所述加热器可操作以控制所述第二导热部件的温度，

其中所述第一导热部件包括第一导热层，所述第一导热层限定在使用期间面向受试者的皮肤的表面，所述第一导热层包括所述第一热传感器；其中所述第二导热部件包括第二导热层，所述第二导热层包括所述第二热传感器和所述加热器；并且其中所述传感器头包括绝热层，所述绝热层可操作以使所述第二导热层与所述第一导热层绝热；

所述传感器头还包括控制器，所述控制器用于控制提供给所述加热器的功率，以便使所述第一热传感器和所述第二热传感器所确定的温度之间的温度差最小化。

2.根据权利要求1所述的传感器头，其中所述分析物传感器被设置成与所述第二导热层热接触。

3.根据权利要求1或2所述的传感器头，其中所述第一热传感器和所述第二热传感器可操作以确定所述第一导热部件和所述第二导热部件的相应温度之间的温度差。

4.根据前述权利要求1或2所述的传感器头，其中所述测量二氧化碳的分压的传感器包括pH电极。

5.根据前述权利要求1或2所述的传感器头，其中所述测量二氧化碳的分压的传感器包括光学测量室。

6.根据前述权利要求1或2所述的传感器头，其中所述传感器头还包括处理器，所述处理器被配置成将所述传感器信号转换为计算的分析物浓度值。

7.根据前述权利要求1或2所述的传感器头，其中所述第一导热部件和所述第二导热部件具体体现为其间夹有绝热层的第一导热层和第二导热层。

8.一种用于无创伤测量分析物浓度的系统，所述系统包括：

-根据权利要求1至7中任一项所述的传感器头；

-用于监测所述分析物浓度值的监视器，所述监视器包括：

-处理器，所述处理器被配置成将所述传感器信号转换为计算的分析物浓度值；

-控制器，所述控制器可操作以从至少所述第一热传感器接收温度信号，并且调节所述加热器以便保持至少所述分析物传感器与所述组织上的所述测量位置之间的热平衡。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制器可操作以调节所述加热器，从而在所述组织上的所述位置处以等于或小于37℃的温度保持热平衡。

10.根据权利要求8或9所述的系统，还包括显示器，所述显示器可操作以显示所述计算的分析物浓度值、所确定的温度或两者。

11.根据权利要求8至9中任一项所述的系统，其中预定参考温度在35℃与38℃之间。

12.一种对用于无创伤测量患者体内的分析物浓度的设备的温度进行控制的方法，所述方法包括：

-用位于所述设备的第一导热部件中的第一温度传感器测量所述患者的组织的温度，所述第一导热部件与所述患者的所述组织热连通；

-调节设置在所述设备的第二导热部件处的加热元件的温度，从而保持所述组织与所述第二导热部件之间的热平衡，所述第二导热部件与所述第一导热部件绝热；

一控制器可操作以连续地调节所述加热元件，从而保持所述第一导热部件和所述第二导热部件之间的热差基本上为零。

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