CN107923847A - 基于激光的人体内气体的内部分析的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量受试者的腔中的游离气体的装置、系统和方法。该装置、系统和方法包括：光源，用于发射具有与游离气体的吸收带相关联的波长的光；光纤，连接到光源并且适用于使用导入构件而被内部地插入到受试者中用来内部照明；和检测器，适用于定位在皮肤表面上以检测通过受试者的组织的透射光。该装置、系统和方法还包括用于评价检测到的透射光以确定游离气体、游离气体的分布或游离气体的浓度的控制单元。
Description
技术领域
本公开涉及通过将诸如连接到激光器的光纤之类的光源定位在身体的腔内来分析人体内的气体。特别地，本公开涉及将光源定位在气管中或者在消化系统(例如在食道或肠)中来对生理气体进行测量。
背景技术
生理气体，如氧气、氮气、一氧化氮(NO)、二氧化碳和水蒸气存在于人体内的许多腔内，例如肺、鼻窦和中耳。消化系统是气体的另一个位置。肺中的氧气是有意义的，因为它是人类重要功能的先决条件。监测肺中的氧气是有意义的，特别是早产新生儿肺中的氧气。与头部的腔有关的疾病，如鼻窦炎或中耳炎，气体填充的腔可能填充有液体，气体信号会减弱或消失。
通过利用特征吸收信号，物质可以通过光谱分析来鉴定。虽然来自液体和固体的光谱信号相对较宽，通常为10纳米，但游离气体的特征在于吸收线约尖锐10000倍，通常约为0.001nm。这种吸收信号的差异实现了检测由诸如人体组织的浓稠物质包围的腔或孔隙中的游离气体。这即为称为GASMAS(散射介质内气体吸收光谱，Gas in Scattering MediaAbsorption Spectroscopy)技术的基本原理，S.Svanberg，Gas in Scattering MediaAbsorption Spectroscopy，来自生物医学应用基础研究，Lasers and Photonics Reviews7，779(2013)。
GASMAS技术已用于表征鼻窦和中耳，例如S.Svanberg，L.Persson和K.Svanberg的人体腔气体的测量方法和装置(Human cavity gas measurement method and device)；瑞典专利申请0500878-4；L.Persson，M.Andersson，M.Cassel-Engquist，K.Svanberg以及S.Svanberg的使用可调谐二极管激光光谱法监测人体鼻窦气体(Gas Monitoring inHuman Sinuses using Tunable Diode Laser Spectroscopy)，J.Biomed.Optics 12，2028(2007)；L.Persson，M.Lewander，M.Andersson，K.Svanberg以及S.Svanberg的使用可调谐二极管激光光谱法同时检测组织光学窗口中的分子氧和水蒸气(Simultaneous Detectionof Molecular Oxygen and Water Vapor in the Tissue Optical Window usingTunable Diode Laser Spectroscopy)，Applied Optics 47，2028(2008)；M.Lewander，Z.G.Guan，K.Svanberg，S.Svanberg以及T.Svensson的非侵入式原位监测人鼻旁窦中气体的临床系统(Clinical System for Non-invasive in situ Monitoring of Gases inthe Human Paranasal Sinuses)，Optics Express 13，10849(2009)；M.Lewander，S.Lindberg，T.Svensson，R.Siemund，K.Svanberg，S.Svanberg的使用二极管激光气体光谱法评估上颌窦和额窦上的信息的临床研究(Clinical Study Assessing Information onthe Maxillary and Frontal Sinuses using Diode Laser Gas Spectroscopy)，Rhinology 50，26(2011)；J.Huang，H.Zhang，T.Q.Li，H.Y.Lin，K.Svanberg以及S.Svanberg的使用可调谐二极管激光法评估人鼻窦腔中的空气体积以及在鼻窦炎诊断中的应用(Assessment of Human Sinus Cavity Air Volume using Tunable Diode LaserSpectroscopy，with Application to Sinusitis Diagnostics)，J.Biophotonic DOI10.1002/jbio.201500110；K.Svanberg和S.Svanberg的使用激光光谱技术在转化医学的生物光子学的前沿监测原位的游离气体以用于医学诊断(Monitoring of Free Gas In-Situfor Medical Diagnostics using Laser Spectroscopic Techniques，in Frontiers inBiophotonics for Translational Medicine)，U.S.Dimish and M.Olivo(eds)(Springer，Singapore 2015)307-321；H.Zhang，J.Huang，T.Q.Li，S.Svanberg以及K.Svanberg的使用光谱技术-影像实验对中耳感染进行光学检测(Optical Detection ofMiddle Ear Infection using Spectroscopic Techniques-Phantom Experiments)，J.Biomedical Optics 20，057001(2015)。GASMAS技术也被用于表征足月新生儿的肺和肠中气体的研究中，P.Lundin，E.Krite Svanberg，L.Cocola，M.Lewander Xu，G.Somesfalean，S.Andersson-Engels，J.Jahr，V.Fellman，K.Svanberg以及S.Svanberg的使用二极管激光器对新生儿的肺和肠内气体的非侵入式监测：可行性研究，J.BiomedicalOptics 18，127005(2013)；E.Krite Svanberg，P.Lundin，M.Larsson，J.K.Svanberg，S.Svanberg，S.Andersson-Engels以及V.Fellman的使用二极管激光光谱对新生儿的肺和肠内氧气的非侵入式监测(Non-invasive monitoring of oxygen in thelungs of Newborn Infants Using Diode Laser Spectroscopy)，Pediatrics Research，79，621(2015)。
大多数情况下都可以记录氧气和水蒸气，但并不总是如此。没有检测到信号的原因可能是由于检测到的已经过了通过包围组织的长路径之后的光的信号强度较低。
因此，用于检测人体腔内的游离气体的新改进设备和方法是有利的。
发明内容
因此，本公开的实施例优选地寻求通过提供根据说明书的装置、系统或方法单独地或任意结合地来减轻、缓解或消除现有技术中的例如上述的一个或多个缺陷、缺点或问题，从而测量腔(比如肺或消化系统)中的游离气体。
根据第一方面，公开了一种用于测量受试者的腔中的游离气体的装置。该装置包括：光源，用于发射具有与游离气体的吸收带相关联的波长的光；光纤，连接到光源并且适用于使用导入构件而被内部地插入到受试者中；检测器单元，适用于定位在皮肤表面上以检测通过受试者的组织的透射光。该装置另外还包括用于评价检测到的透射光以确定游离气体的分布或游离气体的浓度的控制单元。
在本公开的一些示例中，该装置的控制单元可以被配置用于检测腔中的游离气体。
在本公开的一些示例中，光源是激光器。
在本公开的一些示例中，该装置包括至少两个具有不同波长的光源。
额外地，在本公开的一些示例中，至少两个光源中的至少一个光源可以具有与参照气体的吸收带相关联的波长。
在本公开的一些示例中，参照气体可以是水蒸气。
在本公开的一些示例中，游离气体可以是生理气体或气体的混合。
在本公开的一些示例中，生理气体可以是氧气、一氧化氮(NO)、二氧化碳和水蒸气中的任一种。
在本公开的一些示例中，光纤可以包括在适用于定位在导入构件中光纤的端部处的光扩散器。
在本公开的一些示例中，控制单元可配置用于基于游离气体的分布或游离气体的浓度控制医用呼吸机。
在本公开的一些示例中，控制单元可配置用于基于游离气体的分布或游离气体的浓度控制药物的施用。
在本公开的一些示例中，当已确定的游离气体、游离气体的分布或游离气体的浓度达到或超过所选定的阈值时，控制单元可配置用于激活警报。
在本公开的一些示例中，游离气体的分布或游离气体的浓度可以用于确定受试者的肺功能。
在本公开的一些示例中，光从多于一个的位置发射出，并且透射光通过多于一个的检测器单元检测。
在本公开的一些示例中，扩散光层析成像(diffuse optical tomography)可用于评价游离气体的分布。
在本公开的一些示例中，该评价可以作为三维气体分布而获得。
在本公开的一些示例中，检测器单元可以是配置的成像传感器，光源依次地发出吸收波长和近非吸收波长，而且成像传感器检测两幅图像，这两幅图像随后通过控制单元比较。
在本公开的一些示例中，控制单元可以评价吸收光谱中的线轮廓变化，以确定游离气体的分布或游离气体的浓度。
在另一个方面中，公开了一种用于测量受试者的腔中的游离气体的系统。该系统包括：导入构件，布置在受试者的通道或导管中；光源，用于发射具有与游离气体的吸收带相关联的波长的光；光纤，连接到光源并适用于插入到导入构件中；和检测器单元，适用于定位在皮肤表面上以检测通过受试者的组织的透射光。该系统还包括用于评价检测到的透射光以确定游离气体的分布或游离气体的浓度的控制单元。
在本公开的一些示例中，导入构件为气管导管、气管内管、支气管镜、内窥镜或结肠镜。
在本公开的一些示例中，导入构件为适用于插入食管的鼻饲管。
在本公开的一些示例中，导入构件可具有可扩张的气囊或套管。
在本公开的一些示例中，可扩张的气囊或套管由光扩散材料制成。
在本公开的一些示例中，可扩张的气囊或套管的内壁具有光反射涂层。
在本公开的一些示例中，可扩张的气囊或套管设置在导入构件的端部区段处。
在本公开的一些示例中，导入构件的端部区段适用于耦合到光纤。
在本公开的一些示例中，光纤嵌入到导入构件的壁中。
在另一个方面中，还公开了一种测量受试者的腔中的游离气体的方法。该方法包括以下步骤：将导入构件布置在受试者的通道或管道中；
将连接到光源的光纤定位在导入构件中；
将检测器单元定位在皮肤表面上；
使用光源发射光，发射的光具有与游离气体的吸收带相关联的波长；
由检测器单元检测通过组织的透射光；以及
使用用于确定游离气体的分布或游离气体的浓度的控制单元来评价检测到的透射光。
在本公开的一些示例中，检测器定位在受试者的胸部。
在本公开的一些示例中，通道或导管为气管或食管。
在本公开的一些示例中，检测器定位在受试者的腹部。
应该强调的是，术语“包括”在本说明书中使用时是用来指定所陈述的特征、整体、步骤或组件的存在，而不排除存在或增加一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其组合。
附图说明
本公开的示例的这些和其他方面、特征和优点将在以下对本公开的示例的描述中变得清楚并被阐明，其中：
图1示出了公开的装置和系统的一个示例；
图2A至图2D示出了用于测量肺功能的气管中的光源的布置的示例；
图3示出了使用用于测量肺功能的支气管镜的光源布置的另一示例；和
图4A和图4B示出了其中光源被插入通过食道的布置的进一步示例。
具体实施方式
现在将参照附图描述本公开的具体示例。然而，本公开可以以许多不同的形式来实施，并且不应该解释为限于在此阐述的示例。相反，提供这些示例是为了使本公开透彻和完整，并且将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。
以下公开内容集中本公开的示例，这些示例能够通过将光源布置在诸如气管或消化系统(例如作为消化道的一部分的食管或肠)这样的腔中并使用布置在人体外部的一个或多个检测器检测透射光来分析或监测人体腔中的游离的生理气体。
例如，这对于检测由于光通过围绕腔的组织的长路径而导致的弱信号是有利的。
当使用诸如激光的窄带光来监测气体时，光已经被传送到含有游离气体的腔(例如肺或肠)上方的皮肤。已经穿透足够的组织以到达腔的光被散射并且被传送到位于光源侧面几厘米处的抵靠皮肤的检测器。由此进行非侵入式的测量程序，但是从光源传送的、到达检测器的光由于光必须在光源和检测器之间通过的组织而严重地衰减，并且散射光随后在通过该组织被传送回检测器时进一步衰减。例如，如果向皮肤传送的光的一部分(约0.001)到达包含游离气体的腔，则必须对从该腔返回的光使用另一个衰减系数0.001，以便由布置在皮肤上的检测器检测到。因此，到达检测器的被观察到的光大约是光源向皮肤传送的光的百万分之一。
在所公开的示例中，光源被布置为以尽可能低的损失向组织传送光，然后检测皮肤表面处的光。通过在内部布置光源以降低传输到组织的光的衰减因子来测量腔中的游离气体，总衰减因子可以减小到大约0.001，这比先前所实现的大约大1000倍。
所公开的装置、系统和方法利用用于导入使光注入组织的光源的构件，例如支气管镜、鼻饲管、内窥镜、气管导管、结肠镜或类似的导入构件。
当应用GASMAS技术来监测腔中的游离气体时，被认为是最相关的患者群体是早产新生儿。这些新生儿经常遭遇例如呼吸困难和肺功能问题等的呼吸系统并发症。因此，早产新生儿通常被连接到医用呼吸机，以帮助他们将空气送入和送出肺部。当连接到医用呼吸机时，早产新生儿通过气管导管(例如气管内管)进行插管。在描述的一个示例中，描述了用于将光递送到腔(例如肺)的光纤布置如何可以与气管导管(例如气管内管)结合地进行，同时在皮肤表面检测透射光。
在描述的另一个示例中，描述了用于将光递送到腔(例如肺)的光纤布置如何可以与插入食管的鼻饲管结合地进行，同时在皮肤表面检测所传递的光。
另外，在另一个示例中，来自光纤布置的光通过光扩散材料分布在更大的距离或面积上。
另外地和/或可选地，通过位于腔(例如肺)上的皮肤上的一个或多个检测器在皮肤表面处检测透射光。检测器可以被配置为布置在皮肤表面，或者诸如光纤的其他装置可以用于收集皮肤表面处的光并且将收集的光引导至检测器。在一个示例中，多个检测器可以并行或依次地使用以检测患者的支气管树的不同部分中的气体或气体分布或者气体浓度。
以这种方式，可以直接观察医用呼吸机或药物施用的设置的变化结果，并且可以使用来自观察的信息来使用反馈系统优化患者的治疗。
在一些示例中，检测是频率和相位敏感的。来自光源的光(例如激光)可以以选定的频率进行波长调制，并且当在气体吸收波长附近进行调制时可以检测到同步的强度变化。当接近气体吸收波长进行调制时，检测到的光的强度将在小的波长变化处迅速改变，如S.Svanberg的气体在散射介质中的吸收光谱-从基础研究到生物医学应用(Gas inScattering Media Absorption Spectroscopy-from Basic Studies to BiomedicalApplications)中所描述的，Lasers and Photonics Reviews 7，779(2013)，其通过引用并入本文。
可选地，在一些示例中，皮肤区域可以由成像传感器(例如数码相机)在吸收波长和近非吸收波长处以高强度动态来检测。然后可以比较两个图像，例如通过除法或减法，由此可以使受气体影响的区域可见。
如上所述的用于腔(例如肺)的相同技术可以用于监测其他腔中的气体、气体分布或气体浓度，例如在消化系统(例如肠)中。在此可以使用光纤布置结合内窥镜中的通道、用于食管-胃-十二指肠镜检查的内窥镜、结肠镜或其他微创装置来注射光。例如，在诊断严重疾病，坏死性小肠结肠炎(NEC)时，可以看到肠道(例如消化道的一部分)中的异常的气体分布。
当使用GASMAS技术时，气体浓度的确定可能受组织中的路径长度影响，与腔中的气体相互作用的光必须经过该路径长度。由于多次散射，组织中的路径长度是未知的。因此，可同时检测到通过组织传播较长和较短距离的光。在分析气体时通常使用的Beer-Lambert关系给出吸收信号的强度由气体浓度和路径长度的乘积确定(参见S.Svanberg的原子和分子光谱学-基础方面和实际应用(Atomic and Molecular Spectroscopy-BasicAspects and Practical Applications)，第4版，Springer，Berlin，Heidelberg 2004，其在此引入作为参考)。当路径长度是已知的(这是在非散射材料中测量时的情况)，可以直接计算气体浓度。
当使用GASMAS技术测量气体浓度时，通过气体的路径长度是未知的；这在进行气体浓度测量时需要考虑。可以使用不同的方法来处理未知路径长度的问题，例如在L.Mei，G.Somesfalean和S.Svanberg的在散射介质吸收光谱中的气体的路径长度确定(Pathlength Determination for Gas in Scattering Media AbsorptionSpectroscopy)，Sensors 14，3871(2014)，其在此引入作为参考。
最准确的方法之一是使用例如水蒸气吸收线的吸收光谱中的轮廓变化。水蒸气吸收线的轮廓变化取决于氧浓度，参见P.Lundin，L.Mei，S.Andersson-Engels和S.Svanberg的在具有位置光路长度的情况下通过吸收线形状分析实现激光光谱气体浓度测量(LaserSpectroscopic Gas Concentration Measurements in Situations with UnknownOptical Path Length Enabled by Absorption Line Shape Analysis)，Appl.Phys.Lett.103，034105(2013)，其在此引入作为参考。该方法要求良好的信噪比，因为氧气对水蒸气的影响较弱。
另一种选择是对待测的气体浓度和水蒸气进行GASMAS测量。可以假定水蒸气浓度在组织中是饱和的，并且其中，浓度通过已知的温度确定，参见A.L.Buck，Buck ResearchManuals；Updated Equation from(1981)，其通过引用并入本文。计算蒸气压力和增强因子的新方程(New Equation for Computing Vapor Pressure and Enhancement Factor)，J.Appl.Meteorol.20，1527(1996)，其在此引入作为参考。基于测量的水蒸气信号，可以计算有效路径长度。所得到的路径长度可以近似地与具有待确定浓度的气体(例如氧气、一氧化氮(NO)或二氧化碳)相同。随后可以使用近似的路径长度直接针对氧气、一氧化氮(NO)或二氧化碳计算气体浓度。当对于两个测量而言组织中的光吸收和光散射相同时，这是测量所用的波长接近的情况，这种方法效果最好。例如，通常在约760nm的氧分子的A带中的一些尖锐成分周围监测氧气。水蒸气在例如935nm附近具有强吸收，但是由于在不同波长处的光学特性的差异，与氧相比的波长的差异可能需要校正。因此，在820nm附近的水蒸气较弱的吸收波长可能是更好的选择。
图1示出了一个实施例。本示例中的患者1是一名早产新生婴儿。在出现呼吸窘迫综合症(RDS)的情况下，新出生的婴儿被连接到医用呼吸机2。
医用呼吸机2通过例如插入气管4中的气管内管3连接到插管的患者1。在该示例中，使用两个光源5，6来测量气体，例如在约760nm测量氧气并在约820nm测量水蒸气。根据所测量的气体可以使用其他波长。在一些示例中，可以使用水蒸气以外的其他气体作为参照气体。要求仅为可以在无需检测到的光所行进的路径长度的条件下计算气体浓度。
替代性地，在其他示例中，可以仅使用一个光源。在一些其他示例中，可以使用多于两个的光源来检测更多的气体、气体分布或气体浓度。
替代性地，当使用如前所述的与GASMAS有关的其他方法时，光源的其他配置也是可能的。
光源可以是半导体激光器，例如分布式反馈激光器(DFBL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或其他类型的可用激光器。发出的光的效果优选在1至3000mW的范围内。
激光器可以由包括在驱动单元7中的电流和温度调节单元驱动。驱动单元7可以由诸如计算机的控制单元8控制。控制单元8可以用于信号处理和测量数据的评估。
此外，在一些示例中，控制单元8可以连接到医用呼吸机2的控制器9，用于控制医用呼吸机2的设置。另外地和/或可选地，控制器9还可以用于控制对患者1的药物10分配。
另外，在一些示例中，激光器可以通过在两个单独的频率上调制驱动电流来调制地波长。频率通常可以在10kHz左右的区域，以允许噪声降低的相敏检测(锁定检测，lock-in-detection)。
通过使用分离的调制频率，即使光注入可能通过相同的光纤11进行，也可以分离不同的气体，比如氧气、一氧化氮(NO)和二氧化碳以及水蒸气。来自连接至光源(例如半导体激光器5，6)的各个光纤12的光可以连接到单个注入光纤11。
另外，在一些示例中，待注入的光的一小部分可能被光学地(例如通过光纤)转向到校准单元13。校准单元13可以是包括待检测的气体(例如氧气、一氧化氮(NO)和二氧化碳)的气室(gas cell)。该气体具有已知的浓度并且气室具有预定的长度。校准单元13还可以包括水和温度测量单元。校准单元13的所有部分可以具有共同的检测器单元。
替代性的，在一些示例中，可以使用由多孔材料(例如陶瓷)制成的紧凑型散射多通道室。多孔材料可以封装在紧凑的气室中，参见T.Svensson，E.Adolfsson，M.Lewander，C.T.Xu和S.Svanberg的无序、强散射多孔材料作为微型多通气室(Disordered，StronglyScattering Porous Materials as Miniature Multi-pass Gas Cells)，Phys.Rev.Lett.107，143901(2011)，其通过引用并入本文。
单独频率标记的光的主要部分被引导通过光纤11向下通过在该示例中使用的气管内管3。
在图2B至2D示出的示例中，纤维11以扩散器终止。扩散器可以是纤维表面上的结构或由光散射材料制成的单独部件。扩散器用于使光分布在更大的表面上以达到降低的表面功率(surface power)。较低的表面功率可有助于避免组织中的温度升高。如果在人体外进行测试，另一个优点是眼睛安全性。
在一些示例中，从光纤11的端部的末端传输的注入光可以(例如通过扩散器)被传输到组织，而不使气管中的任何空气通过。如果光通过空气，则空气可以给由检测器14检测到的光中的一些背景信号。
在一个示例中，由光散射材料制成的并且在内壁上具有反射材料的可膨胀套管或气囊可用于使尽可能多的光尽可能地直接传输到组织中，如图2A所示。
图2A所示的示例给出了用于监测肺部上部的光纤的良好定位。通过使用支气管镜和扩散纤维末端，光注入可以更深入到如图3所示的支气管树中。
可选地和/或另外地，在一些示例中，多于一个、例如至少两个位置用于光注入。当使用多于一个的位置来测量时，需要依次实施针对不同位置的测量。替代性地，可以使用多于一个的可控标准光纤。
当使用多于一个位置进行光注射并为了获得更好的三维气体分布分析时，可以使用扩散光层析成像，如以下文献中所述：J.Swartling，J.Axelsson，S.Svanberg，S.Andersson-Engels，K.Svanberg，G.Ahlgren，K.M.和S.Nilsson的通过在线放射量测定用于间质光动力治疗的系统-前列腺癌的首次临床经验(System for InterstitialPhotodynamic Therapy with On-line Dosimetry-First Clinical Experiences ofProstate Cancer)，J.Biomed.Optics 15.058003(2010)，其通过引用并入本文；以及T.Durduran，R.Choe，W.B.Baker和A.G.Yodh的扩散光学组织监测和层析成像(DiffuseOptics for Tissue Monitoring and Tomography)，Rep.Progr.Phys.73，076701(2010)，其通过引用并入本文。
一个或多个检测器14适用于抵靠皮肤来布置。检测器应该具有用于检测通过组织传递的光的表面尺寸，例如在0.25至5cm2的范围内，例如1cm2。检测器可以由不同的材料制成，例如锗。
检测到的光作为电信号被传输到控制单元8。可以使用数字锁定技术依次地或并行地评估信号，如在文献中所述的：L.Mei和S.Svanberg的波长调制光谱-基于傅立叶分析的气体吸收谐波的数字检测(Wavelength Modulation Spectroscopy-Digital detectionof Gas Absorption Harmonics based on Fourier Analysis)，Applied Optics 54，2254(2015)，其通过引用并入本文。
替代性地，在一些示例中可以使用模拟锁相放大器(analogue lock-in-amplifier)。该模拟锁相放大器可以连接到控制单元8。
替代性地，在一些示例中可以选定阈值。当测量值达到或超过所选定的阈值时，可以为医护人员激活警报15。警报15可以是发给监控中心的声音警报或电子警报。
图2A至2D示出了如何利用气管导管(气管内管)的不同示例。
图3示出了其中使用支气管镜的工作通道注入漫射光的示例。
可以观察到，在未使用具有气管导管的呼吸机或支气管镜的情况下，可以使用经过一些改进的相同设备来将光从外部注入到人体内，例如通过经过食管的饲管。
在这些情况下，可以通过具有足够大的表面(例如几个cm2)的、与皮肤接触的散射介质来使光扩张并扩散。这种布置使得可以避免组织温度的局部升高，并且实现了眼睛安全性。
图1示出了所公开的设备和系统的示例性配置。患者1经由与气管4连接的导入构件3(例如气管镜、气管导管或气管内管等)与医用呼吸机2连接。
在一些其他示例中，导入构件3可以是例如鼻饲管。
具有与感兴趣的游离气体(例如氧气、一氧化氮(NO)和二氧化碳)以及参照气体(例如水蒸气)相关联的波长的光源5，6(例如激光器)。
在一些示例中，可以使用除了水蒸气以外的其他气体作为参照气体。要求仅为可以在无需使用检测到的光所行进的路径长度的情况下计算气体浓度。
替代性地，在其他示例中，可以仅使用一个光源。在一些其他的例子中，可以使用多于两个的光源来检测更多的气体、气体分布或气体浓度。
替代性地，当使用如前所述的与GASMAS有关的其他方法时，光源的其他配置也是可能的。
光源连接到由控制单元8控制的驱动单元7。
在一些示例中，肺中的游离气体的测量值可以用于影响为控制医用呼吸机2而设置的控制器9。替代性地和/或额外地，在一些示例中，控制单元8的测量值可以用于药物10的施用。
光经由光纤11被发射到组织。来自连接到光源5，6(例如半导体激光器)的各个光纤12的光可以连接到单个光纤11。
额外地，在一些示例中，待注入的光的一小部分可以被光学地(例如通过光纤)转向到校准单元13。
检测器14被配置为定位在患者胸部的皮肤位置处以检测透射的漫射光。检测到的光携带关于肺中的气体浓度或肺组织中的气体分布的信息，例如氧气、一氧化氮(NO)和二氧化碳的浓度或分布。
额外地，在一些示例中，当测量值达到或超过选定的阈值时，可以激活警报器15。
图2A至图2D示出了将来自光纤的光耦合到组织以测量肺功能的不同示例。
图2A示出了气管导管3(例如气管内管)的示例，气囊或者套管16是可膨胀的以防止气管导管3旁的空气泄露，该气管导管3包括用于沿气管向下传输光的光纤11。
图2B示出了沿气管导管(例如气管内管)向下放置到气管导管端部的光纤11的示例。在端部，光扩散器17布置为光纤11的末端。
图2C示出了光纤11中的光如何连接到气管导管(例如气管内管)的端部区段18的示例。端部区段由非吸收但强光散射的材料制成。
图2D示出了来自光纤11的光可耦合到气囊或套管16的示例。气囊或套管可以由非吸收性但光散射的材料制成。在一些示例中，内壁具有光反射材料涂层19。
在一个示例中，激光光源通过食道而不是通过气管施加。在该示例中，激光光源可以与新生儿重症监护中对大多数婴儿使用的鼻饲管结合。使用鼻饲管用于光施加是有利的，因为大多数婴儿已经需要插入这样的装置，因此不需要为大多数患者导入额外的装置。还有利的是，由于食道环境对感染较不敏感，因此可潜在地缓解装置的无菌要求。还有利的是，由于食道通常大部分塌陷，因此可能不需要扩张套管来在光源和组织之间创建良好的光学接触。此外，还可更容易地到达肺的下方部位。
光源应该位于食管中接近肺部的位置。在一个例子中，引导激光的光纤与鼻饲管结合，从而光纤沿着管行进到沿管的适当位置。鼻饲管具有指示管插入的深度的标记，并且这些标记可以用于确定光源在食管中的位置。
在一个优选的示例中，在鼻饲管的制造过程中，引导激光的光纤嵌入到管壁中，使得鼻饲管和激光光导成为单个装置。
在一个示例中，光纤的远端以光扩散器终止，该光扩散器将光分布在比仅由光纤尖端提供的更大的面积上。在一个优选实例中，当如上所述地将光纤嵌入到管壁中时，通过设计具有光散射特性的光纤尖端前方的管壁来实现扩散器，使得光在沿着对应扩散器的期望特征的管的区域上扩散。在一个替代示例中，扩散器被制成与光纤类似地嵌入管壁中的单独部件。
在一个示例中，替代性地，扩散器可以制成与上文结合气管描述的扩散器类似的可扩张套管的一部分。
光纤也可以以这样的方式定位在鼻饲管中，即，使光纤可以依次地移动到沿着管的不同位置，以便于使用多个检测器14的气体分布(例如氧气、一氧化氮(NO)和二氧化碳分布)的完整层析图。
替代性地，多个光纤可以平行地在不同位置处使用以便于实现使用多个检测器14的气体分布(例如氧气、一氧化氮(NO)和二氧化碳分布)的完整层析图。
在替代性的示例中，通过将一个或多个激光二极管直接放置在光源应在的并且具有用于沿着鼻饲管驱动激光二极管的电线位置处来实现鼻饲管上的光源。这种实现也可以应用于气管导管的情况。
图4A示出与插入食管42中的鼻饲管46组合的光纤41。还示出了与气管43和肺44的关系。在光纤41的远端，还可以存在光扩散器45。还示出了胃47的上部。
图4B示出了嵌入到鼻饲管46的管壁中的光纤41的特写。鼻饲管被插入到食管42中。在该示例中，光纤具有在光纤41的远端的扩散器45。在其他示例中，光纤41可以不具有扩散器。
关于将用于测量游离气体的光纤向气管和食道的腔中的导入的描述的实施方式的同样示例也可适用于在使用例如内窥镜或结肠镜来评估肠或消化道中异常气体分布或气体浓度的情况。在这些情况下，检测器可适于定位在受试者的腹部上。
以上参照具体实例描述了本发明。但是，在本公开的范围内，不同于以上所述的示例的其他示例同样是可能的。可以在本发明的范围内提供与上述方法不同的方法步骤，通过硬件或软件执行该方法。本发明的不同特征和步骤可以以不同于所描述的其他组合方式进行组合。本公开的范围仅由所附权利要求书限制。
在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一个”，除非有相反的明确说明，应理解为表示“至少一个”。如本文在说明书和权利要求书中所使用的表述“和/或”应该被理解为是指这样结合的元素的“二者其一或二者均”，即，在一些情况下连接地存在并且在另一些情况下分开地存在。
Claims (31)
1.一种用于测量受试者的腔中的游离气体的装置，包括：
光源，用于发射具有与所述游离气体的吸收带相关联的波长的光；
光纤，连接到所述光源并且适用于使用导入构件而被内部地插入到所述受试者中；
检测器单元，适用于定位在皮肤表面上以检测通过所述受试者的组织的透射光；
控制单元，用于评价检测到的所述透射光以确定所述游离气体、所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源是激光器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述装置包括至少两个具有不同波长的光源。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，至少一个光源具有与参照气体的吸收带相关联的波长。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述参照气体是水蒸气。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述游离气体是生理气体、或气体的混合物。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述生理气体是氧气、一氧化氮(NO)、二氧化碳和水蒸气中的任一种。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，所述光纤包括在适用于定位在所述导入构件中的所述光纤的端部处的光扩散器。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其中，所述控制单元配置用于基于所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度控制医用呼吸机。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中，所述控制单元配置用于基于所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度控制药物的施用。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其中，当已确定的所述游离气体、所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度达到或超过所选定的阈值时，所述控制单元配置用于激活警报。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的装置，其中，所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度用于确定所述受试者的肺功能。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中，光从多于一个的位置发射出，并且所述透射光通过多于一个的检测器单元检测。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，扩散光层析成像用于评价所述游离气体的分布。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述评价作为三维气体分布而获得。
16.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中，所述检测器单元为配置的成像传感器，所述光源依次地发出吸收波长和近非吸收波长，而且所述成像传感器检测两幅图像，所述两幅图像随后通过所述控制单元比较。
17.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中，所述控制单元评价吸收光谱中的线轮廓变化，以确定所述游离气体、所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度。
18.一种用于测量受试者的腔中的游离气体的系统，包括：
导入构件，布置在所述受试者的通道或导管中；
光源，用于发射具有与所述游离气体的吸收带相关联的波长的光；
光纤，连接到所述光源并适用于插入到所述导入构件中；
检测器单元，适用于定位在皮肤表面上以检测通过所述受试者的组织的透射光；
控制单元，用于评价检测到的所述透射光以确定所述游离气体、所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述导入构件为气管导管、气管内管或支气管镜。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述导入构件为适用于插入食管的鼻饲管。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述导入构件为内窥镜或结肠镜。
22.根据权利要求16-18中任一项所述的系统，其中，所述导入构件具有可扩张的气囊或套管。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述可扩张的气囊或套管由光扩散材料制成。
24.根据权利要求22或23所述的系统，其中，所述可扩张的气囊或套管的内壁具有光反射涂层。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的系统，其中，所述可扩张的气囊或套管设置在所述导入构件的端部区段处。
26.根据权利要求16-22中任一项所述的系统，其中，所述导入构件的端部区段适用于耦合到所述光纤。
27.根据权利要求16-26中任一项所述的系统，其中，所述光纤嵌入到所述导入构件的壁中。
28.一种测量受试者的腔中的游离气体的方法，包括：
将导入构件布置在所述受试者的通道或管道中；
将连接到光源的光纤定位在所述导入构件中；
将检测器单元定位在皮肤表面上；
使用所述光源发射光，所发射的光具有与所述游离气体的吸收带相关联的波长；
由所述检测器单元检测通过组织的透射光；
使用用于确定所述游离气体、所述游离气体的分布或所述游离气体的浓度的控制单元来评价检测到的透射光。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，检测器定位在所述受试者的胸部。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，检测器定位在所述受试者的腹部。
31.根据权利要求28或29所述的方法，其中，所述通道或导管为气管或食管。
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