CN108732141B - 一种医用呼吸二氧化碳浓度测量方法及装置 - Google Patents

一种医用呼吸二氧化碳浓度测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种医用呼吸二氧化碳浓度测量方法及装置，包括：在测量光路上设置一测量盘，在测量盘上设置三个测量窗口，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体；通过三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道；输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格；查询二氧化碳浓度值表格，并通过计算获取医用二氧化碳浓度的实时测量值。本申请进行零点校正时，可依据该已知的二氧化碳标准气体浓度进行，而无需引入外界的空气作为零参考点进行零点校正，避免了外部零参考气体引起的零点偏移对测量的影响，实现无校零操作功能，提高了测量的稳定性。

Description

一种医用呼吸二氧化碳浓度测量方法及装置
技术领域
本申请涉及医疗领域，尤其涉及一种医用呼吸二氧化碳浓度测量方法及装置。
背景技术
医用呼吸二氧化碳监测是现代临床手术中、重症监护中的关键参数之一，可以应用于多参数呼吸气体监护仪，呼吸机，麻醉机和呼吸气体专用监护仪中，其中医用呼吸心二氧化碳监测技术是其中的关键核心技术，目前应用在上述系统中的医用呼吸二氧化碳测量技术通常是采用红外光谱吸收的技术，有旁流和主流的实现方式，都需要进行输入零参考的校零操作才能实现准确的测量。
目前常见医用二氧化碳气体测量方法都是采用基于4.26微米处的光谱吸收和3.7微米出的无吸收(参考)的方法来实现的，其中4.26微米处存在一个显著性光谱吸收峰，3.7微米处没有吸收，表达式：
Figure GDA0002712650710000011
其中，f(tCO2)表示待测的二氧化碳气体浓度，It表示测量通道的透射光强，Ir表示参考通道的透射光强，通过上述的比值，则消除初始入射光强的不定或变化的影响，通过上式的比值，以及适当的算法则能实现呼吸二氧化碳浓度的实时监测，在具体测量实现的过程中需要进行校零操作，
Figure GDA0002712650710000012
其中Iz是校零时的信号强度，以消除系统基准的影响。
目前医用呼吸二氧化碳测量是基于测量波长通道与参考波长通道的比值的计算方法，双通道的差异性也会增加测量误差，需要定时的校零操作，应用不方便。
发明内容
本申请提供一种医用呼吸二氧化碳测量浓度方法及装置。
根据本申请的第一方面，本申请提供一种医用呼吸二氧化碳测量方法，包括：
在测量光路上设置一测量盘，在所述测量盘上设置三个测量窗口，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体；
通过所述三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，所述测量通道包括待测气体光路、待测气体+二氧化碳标准气体光路和参考光路；其中，二氧化碳标准气体密封在待测气体+二氧化碳标准气体光路所在的测量窗口中；
输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格；
查询所述二氧化碳浓度值表格，并通过计算获取医用二氧化碳浓度的实时测量值。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种医用呼吸二氧化碳测量装置，包括：
密封标准气体模块，用于在测量光路上设置一测量盘，在所述测量盘上设置三个测量窗口，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体；
设置测量通道模块，用于通过所述三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，所述测量通道包括待测气体光路、待测气体+二氧化碳标准气体光路和参考光路；其中，二氧化碳标准气体密封在待测气体+二氧化碳标准气体光路所在的测量窗口中；
处理模块，用于输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格；
查询模块，用于查询二氧化碳浓度值表格，并通过计算获取医用二氧化碳浓度的实时测量值。
在本申请的具体实施方式中，由于在测量盘上设置三个测量室，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体，通过三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，测量通道包括待测气体光路、待测气体+二氧化碳标准气体光路和参考光路；本申请进行零点校正时，可依据该已知的二氧化碳标准气体浓度进行，而无需引入外界的空气作为零参考点进行零点校正，避免了外部零参考气体引起的零点偏移对测量的影响，实现无校零操作功能，提高了测量的稳定性。
附图说明
图1为本申请的方法在一种实施方式中的流程图；
图2为本申请的装置在一种实施方式中的功能模块示意图；
图3为本申请的装置在另一种实施方式中的功能模块示意图。
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。
实施例一：
图1是本发明实施例一提供的医用呼吸二氧化碳浓度测量方法的流程图，本实施例的执行主体可以是计算机设备或者计算机设备中的一个功能单元，包括以下步骤：
步骤102：在测量光路上设置一测量盘，测量盘上设置三个测量窗口，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体。
在测量盘上设置三个测量窗口，具体可通过在测量盘上设置三个通孔，并在通孔两端设置透明盖来实现。在一种实施方式中，考虑到光路的一致性，测量窗口均为设置在测量盘上的中空的圆柱体并分别在两端设置透明盖组成，以保证光路的对称性，并保证三路的光程一致，透明盖可选用透明宝石玻璃或其他透明材料。
步骤104：通过三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，测量通道包括待测气体光路、待测气体+二氧化碳标准气体光路和参考光路。
在一种实施方式中，待测气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米滤光片，待测气体+标准二氧化碳气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米的滤光片，标准二氧化碳气体密封在待测气体+标准二氧化碳气体光路的测量窗口中，参考光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为3.7微米的滤光片。
步骤106：输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格。
其中，二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，具体通过以下公式确定：
Figure GDA0002712650710000041
将已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度代入公式(1)得：
Figure GDA0002712650710000042
公式中的tCO2表示待测气体光路中二氧化碳气体浓度值，rCO2表示参考光路中的二氧化碳气体浓度值,(t+s)CO2表示待测气体+标准二氧化碳气体光路中待测气体+标准二氧化碳气体的气体浓度；cCO2表示已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度，该已知浓度的标准二氧化碳气体用于校准，It表示待测气体光路的透射光强，Ir表示参考光路的透射光强，Ic+s是待测气体+标准二氧化碳气体的透射光强。
步骤106可以包括以下步骤：
步骤1062：设置多个校准点，校准点包括0值、最大值和位于之间的有限个校准点；
步骤1064：输入已知浓度的二氧化碳气体获得从0～Max CO2区间中的
Figure GDA0002712650710000051
的列表，其中k取1、2、3、……、MaxN，校准点之间的数据通过二次曲线差值的方法获取。MaxCO2可以根据经验进行设置。
步骤1066：建立计算和查找最终二氧化碳值的表格。
本申请在基于红外光谱测量的基础上，并考虑测量波长和参考波长的方案上，选择了在测量通道上增加一个测量盘，以实现单通道的信号检测，为了消除光源的一致性不足和长期应用后时的衰减，在这个测量盘上设有三个测量窗口，通过三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，其中三个窗口分别为设置在待测气体光路上的主测量窗口、设置在参考光路上的参考测量窗口及新增一个在待测气体+标准二氧化碳气体光路上封装已知CO2浓度的辅助测量窗口。
主测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米滤光片，辅助测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米滤光片，参考测量窗口的两端设有中心波长为3.7微米滤光片。主测量窗口和参考测量窗口中分别封装空气，辅助测量窗口中充满一个特定浓度的CO2气体，以完成上述信号的放大，以及后续的处理，从而获得f(tCO2)∝It，f((t+r)CO2)∝It+r，因此，
Figure GDA0002712650710000052
再考虑到rCO2浓度值的不确定性，实际中进行标准气体的校准，即输入一已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度，则有：
Figure GDA0002712650710000053
其中c可以取二氧化碳测量范围内，并包含0值和最大值，及其之间的有限个校准点，从而获得从0-MaxCO2，
Figure GDA0002712650710000061
的列表，其中k取1、2、3、……、MaxN，而校准点之间的数据将通过二次曲线差值的方法获取，并建立一个计算和查找最终二氧化碳值的表格，最终实现医用二氧化碳浓度的实时测量。
步骤108：查询二氧化碳浓度值表格，并通过计算获取医用二氧化碳浓度的实时测量值。
实施例二：
图2是本发明实施例二提供的医用呼吸二氧化碳浓度测量装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。图2示例的医用呼吸二氧化碳浓度获取装置可以是前述实施例一提供的医用呼吸二氧化碳浓度获取方法的执行主体，其可以是计算机设备或者计算机设备中的一个功能单元。该医用呼吸二氧化碳浓度获取装置，具体可以包括密封标准气体模块、设置测量通道模块、处理模块和查询模块。
密封标准气体模块，用于在测量光路上设置一测量盘，在测量盘上设置三个测量窗口，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体；
设置测量通道模块，用于通过三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，测量通道包括待测气体光路、待测气体+二氧化碳标准气体光路和参考光路；
处理模块，用于输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格；
查询模块，用于查询二氧化碳浓度值表格，并通过计算获取医用二氧化碳浓度的实时测量值。
本申请在基于红外光谱测量的基础上，并考虑测量波长和参考波长的方案上，选择了在测量通道上增加一个测量盘，以实现单通道的信号检测，为了消除光源的一致性不足和长期应用后时的衰减，在这个测量盘上设有三个测量窗口，通过三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，其中三个窗口分别为设置在待测气体光路上的主测量窗口、设置在参考光路上的参考测量窗口及新增一个在待测气体+标准二氧化碳气体光路上封装已知CO2浓度的辅助测量窗口用。
在一种实施方式中，待测气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米滤光片，所述待测气体+标准二氧化碳气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米的滤光片，所述标准二氧化碳气体密封在所述待测气体+标准二氧化碳气体光路的测量窗口中，所述参考光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为3.7微米的滤光片。
在一种实施方式中，二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，具体通过以下公式确定：
Figure GDA0002712650710000071
将已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度代入公式(1)得：
Figure GDA0002712650710000072
其中，tCO2表示待测二氧化碳气体浓度值，rCO2表示参考光路中的二氧化碳气体浓度值,(t+s)CO2表示待测气体+标准二氧化碳气体光路中待测气体+标准二氧化碳气体的气体浓度；cCO2表示已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度，It表示待测气体光路的透射光强，Ir表示参考光路的透射光强，Ic+s是(待测气体+标准二氧化碳气体)的透射光强。
如图3所示，本申请的医用呼吸二氧化碳浓度获取装置，其另一种实施方式中，处理模块包括校准点设置单元、处理单元和表格生成单元。
校准点设置单元，用于设置多个校准点，校准点包括0值、最大值和位于之间的有限个校准点；
处理单元，用于输入已知浓度的二氧化碳气体获得从0～MaxCO2区间中的
Figure GDA0002712650710000081
的列表，其中k取1、2、3、……、MaxN，校准点之间的数据通过二次曲线差值的方法获取；
表格生成单元，用于建立用于计算和查找最终二氧化碳值的表格。
本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。
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)

1.一种医用呼吸二氧化碳浓度测量方法，其特征在于，包括：
在测量光路上设置一测量盘，在所述测量盘上设置三个测量窗口，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体；
通过所述三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，所述测量通道包括待测气体光路、待测气体+二氧化碳标准气体光路和参考光路；其中，二氧化碳标准气体密封在待测气体+二氧化碳标准气体光路所在的测量窗口中；
输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格；
查询所述二氧化碳浓度值表格，并通过计算获取医用二氧化碳浓度的实时测量值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述测量盘上设置三个测量室，包括：
在所述测量盘上设置三个通孔，并在所述通孔两端设置透明盖。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述待测气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米的滤光片，所述待测气体+标准二氧化碳气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米的滤光片，所述标准二氧化碳气体密封在所述待测气体+标准二氧化碳气体光路的测量窗口中，所述参考光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为3.7微米的滤光片。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，具体通过以下公式确定：
Figure FDA0002712650700000011
将已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度代入公式(1)得：
Figure FDA0002712650700000021
其中，tCO2表示所述待测气体光路中二氧化碳气体浓度值，rCO2表示所述参考光路中的二氧化碳气体浓度值,(t+s)CO2表示所述待测气体+标准二氧化碳气体光路中待测气体+标准二氧化碳气体的气体浓度；cCO2表示已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度，It表示待测气体光路的透射光强，Ir表示参考光路的透射光强，Ic+s是待测气体+标准二氧化碳气体光路的透射光强。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格，包括：
设置多个校准点，所述校准点包括0值、最大值和位于之间的有限个校准点；
输入已知浓度的二氧化碳气体获得从0～Max CO2区间中的
Figure 1
的列表，其中k取1、2、3、……、MaxN，校准点之间的数据通过二次曲线差值的方法获取；
建立计算和查找最终二氧化碳值的表格。
6.一种医用呼吸二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，包括：
密封标准气体模块，用于在测量光路上设置一测量盘，在所述测量盘上设置三个测量窗口，并在其中一个测量窗口中密封已知浓度的二氧化碳标准气体；
设置测量通道模块，用于通过所述三个测量窗口将单通道光路分为三个测量通道，所述测量通道包括待测气体光路、待测气体+二氧化碳标准气体光路和参考光路；其中，二氧化碳标准气体密封在待测气体+二氧化碳标准气体光路所在的测量窗口中；
处理模块，用于输入已知浓度的二氧化碳气体，设置预定数量的校准点，根据二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，建立二氧化碳浓度值表格；
查询模块，用于查询二氧化碳浓度值表格，并通过计算获取医用二氧化碳浓度的实时测量值。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测量窗口包括设置在所述测量盘上通孔和设置在所述通孔两端的透明盖。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述待测气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米滤光片，所述待测气体+标准二氧化碳气体光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为4.26微米的滤光片，所述标准二氧化碳气体密封在所述待测气体+标准二氧化碳气体光路的测量窗口中，所述参考光路通过的测量窗口的两端设有中心波长为3.7微米的滤光片。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳浓度和透光强度之间的关系，具体通过以下公式确定：
Figure FDA0002712650700000031
将已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度代入公式(1)得：
Figure FDA0002712650700000032
其中，tCO2表示所述待测气体光路中二氧化碳气体浓度值，rCO2表示所述参考光路中的二氧化碳气体浓度值,(t+s)CO2表示所述待测气体+标准二氧化碳气体光路中待测气体+标准二氧化碳气体的气体浓度；cCO2表示已知浓度的标准二氧化碳气体的浓度，It表示待测气体光路的透射光强，Ir表示参考光路的透射光强，Ic+s是待测气体+标准二氧化碳气体光路的透射光强。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块包括：
校准点设置单元，用于设置多个校准点，所述校准点包括0值、最大值和位于之间的有限个校准点；
处理单元，用于输入已知浓度的二氧化碳气体获得从0～MaxCO2区间中的
Figure 2
的列表，其中k取1、2、3、……、MaxN，校准点之间的数据通过二次曲线差值的方法获取；
表格生成单元，用于建立用于计算和查找最终二氧化碳值的表格。
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