CN118103679A - 呼吸气体感测 - Google Patents

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Abstract

在实施例中，描述了一种装置(100)。所述装置包括红外IR生成系统(102)。所述IR生成系统包括第一IR源(104)，所述第一IR源被配置为产生用于形成第一光谱带中的第一IR光束(106)的IR辐射。所述IR生成系统还包括第二IR源(108)，所述第二IR源被配置为产生用于形成第二光谱带中的第二IR光束(110)的IR辐射。所述装置还包括光束操纵系统(112)，所述光束操纵系统被配置为所述第一IR光束和第二IR光束的光束路径进行组合，并沿所述光束路径引导所述第一IR光束和第二IR光束通过气体样本区域(114)。所述装置还包括IR检测系统(116)，所述IR检测系统被配置为检测所述第一IR光束和第二IR光束在经过所述气体样本区域之后的强度。所述IR检测系统被配置为产生信号(118)，根据所述信号(118)能够导出对目标气体在所述气体样本区域中的浓度的指示。

Description

呼吸气体感测
技术领域
本发明涉及一种用于气体感测的装置、方法和呼吸监测系统。
背景技术
用于检测目标气体成分(例如二氧化碳)在气体样本中的分压(或浓度)的一些红外(IR)传感器通过如下方式来操作：测量气体样本中在某些波长处吸收的IR辐射在针对目标气体的吸收光谱内的比例，所述吸收光谱是目标气体而非另一气体成分(例如水蒸气)所特有的。二氧化碳的一些吸收带具有中心在以下波长附近的吸收峰：2μm(微米)、2.7μm和4.3μm。通过比较，水蒸气的一些吸收带具有中心在以下波长处的吸收峰：1.38μm、1.87μm和2.7μm。对这样的IR传感器中使用的波长的合适选择可以有助于测量目标气体在气体样本中的分压，气体样本例如可以从临床设施中的对象或在环境监测应用中获得。
在二氧化碳描记中，这样的IR传感器可以用于测量二氧化碳在对象的呼吸周期期间由其呼出的气体中的分压(以及因此浓度)。这样的二氧化碳测量结果可以指示对象的健康状况，并且可以用于各种临床和急救场景。某些临床和急救场景可能要求快速且准确地测量对象在其呼吸周期期间的二氧化碳曲线。可能存在这样的场景，其中，如同不同的临床场景可能遭遇的，需要在宽泛的环境温度范围内采集这样的测量结果。
在一些范例中，一些IR传感器中的IR辐射的源可以包括电动宽带IR辐射源，如白炽灯或气体放电灯。在一些范例中，两个或更多个IR检测器可以用于测量由气体样本区域中的目标气体成分对不同波长处的IR辐射的吸收。由IR检测器产生的信号可以指示目标气体的分压。
然而，由IR源输出的IR辐射的光谱功率以及IR检测器的光谱响应可能由于各种因素(如环境温度的改变)而变化。某些技术可以用于减小这些因素对用于确定目标气体的分压的测量结果的准确度的影响。例如，可以通过以合适的速率供应电功率来适当地控制(一个或多个)IR源，以确保光谱输出功率和系统温度被维持在可接受的范围内。在另一范例中，可以使IR检测器受温度控制(例如，通过加热和/或冷却)，以确保IR检测器的光谱响应被维持在可接受的范围内。在另一范例中，可以在需要时重新校准IR源和/或IR检测器，诸如在环境温度漂移到可接受的范围之外时。在另一范例中，可以基于对之前获得的测量结果的分析，补偿由IR检测器采集的测量结果。这种控制和/或补偿的实施方式可能与在IR传感器的功耗、所用部件数目、尺寸、重量、成本、复杂度和/或功能方面的权衡相关联。
发明内容
本文中描述的各方面或各实施例可以涉及改进用于气体感测的装置、方法和系统的实施方式和/或部署。本文中描述的各方面或各实施例可以消除与不同场景中的气体感测和/或用于这种气体感测的硬件相关联的一个或多个问题。
在本发明的第一方面，描述了一种装置。
所述装置包括红外IR生成系统。所述IR生成系统包括第一IR源，其被配置为产生用于形成第一光谱带中的第一IR光束的IR辐射。所述IR生成系统还包括第二IR源，其被配置为产生用于形成第二光谱带中的第二IR光束的IR辐射。第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联。第二光谱带与目标气体的第二衰减系数相关联。第二衰减系数高于第一衰减系数。由第一IR源产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第一IR源的功率的调制而在时间上调制。由第二IR源产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第二IR源的功率的调制而在时间上调制。由第一IR源产生的IR辐射的强度可独立于由第二IR源产生的IR辐射的强度而调制。
所述装置还包括光束操纵系统。所述光束操纵系统被配置为将第一IR光束和第二IR光束的光束路径进行组合，并沿光束路径引导第一IR光束和第二IR光束通过气体样本区域。
所述装置还包括IR检测系统。所述IR检测系统被配置为检测第一IR光束和第二IR光束在经过气体样本区域之后的强度。所述IR检测系统被配置为产生信号。所述信号指示检测到的归因于所述第一IR光束的强度，其中，从信号的第一时间间隔导出的第一参数指示第一IR光束在气体样本区域中的衰减水平。所述信号还指示检测到的归因于所述第二IR光束的强度，其中，从信号的第二时间间隔导出的第二参数指示第二IR光束在气体样本区域中的衰减水平。第二参数与第一参数之间的比较指示目标气体在气体样本区域中的浓度。
下文描述涉及第一及其他方面的一些实施例。
在一些实施例中，目标气体是用于由对象吸入的气体中的至少一种成分和/或由对象呼出的气体中的至少一种成分。所述装置可以被配置为获得对至少一种成分在从由对象吸入的气体和/或由对象呼出的气体中获得的气体样本中的浓度的指示。
在一些实施例中，所述信号包括第一信号分量和第二信号分量的卷积，第一信号分量对应于检测到的归因于第一IR光束的强度，并且第二信号分量对应于检测到的归因于第二IR光束的强度。第一参数可基于第一时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积从所述信号导出。第二参数可基于第二时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积从所述信号导出。
在一些实施例中，由第一IR源和第二IR源产生的IR辐射的强度是可调制的，使得由第一IR源产生的IR辐射的强度是在与由第二IR源产生的IR辐射的强度相同频率但异相调制的。
在一些实施例中，由第一IR源和第二IR源产生的IR辐射的强度是可调制的，使得由第一IR源产生的IR辐射的强度是在与由第二IR源产生的IR辐射的强度不同频率调制的。
在一些实施例中，由第一IR源和第二IR源产生的IR辐射的强度是可调制的，使得由第一IR源产生的IR辐射的强度具有比由第二IR源在第一时间间隔期间产生的IR辐射更高的强度。
在一些实施例中，由第一IR源和第二IR源产生的IR辐射的强度是可调制的，使得由第二IR源产生的IR辐射的强度具有比由第一IR源在第二时间间隔期间产生的IR辐射更高的强度。
在一些实施例中，由第一IR源和第二IR源产生的IR辐射的强度是可调制的，使得由第二IR源产生的IR辐射是在一时间段上连续或重复产生的。由IR检测系统在所述时间段上产生的信号可以指示针对第二参数的多个值。针对第二参数的多个值可以指示在所述时间段上第二IR光束在气体样本区域中的衰减水平。针对第二参数的多个值可以指示目标气体的浓度在该时间段上的任何变化。
在一些实施例中，由第一IR源和第二IR源产生的IR辐射的强度是可调制的，使得由第一IR源产生的IR辐射在所述时间段之前、期间和/或之后产生至少一次。在所述时间段之前、期间和/或之后由IR检测系统至少一次产生的信号可以指示针对第一参数的至少一个值。针对第一参数的至少一个值可以指示第一IR光束在气体样本区域中的衰减水平。
在一些实施例中，所述时间段对应于呼吸周期的阶段。
在一些实施例中，光束操纵系统被配置为将第一IR光束和第二IR光束通过气体样本区域的光学路径进行组合，使得第一IR光束和第二IR光束的光轴在气体样本区域中共线。
在一些实施例中，所述装置还包括控制系统，其用于调制用于操作第一IR源和第二IR源的功率，以独立调制由第一IR源产生的IR辐射的强度和由第二IR源产生的IR辐射的强度。
在一些实施例中，控制系统被配置为，响应于接收到对是否要确定第一和/或第二参数的指示，调制由第一IR源产生的IR辐射的强度和由第二IR源产生的IR辐射的强度，使得IR检测系统产生指示第一参数和/或第二参数的信号。
在一些实施例中，所述装置还包括处理系统，其被配置为从所述信号导出第一参数和第二参数，和/或执行第二参数与第一参数之间的比较，以获得对目标气体在气体样本区域中的浓度的指示。
在一些实施例中，处理系统被配置为基于在第一时间间隔期间获得的一系列信号值来根据所述信号确定第一参数。
在一些实施例中，处理系统被配置为基于在第二时间间隔期间获得的一系列信号值来根据所述信号确定第二参数。
在一些实施例中，处理系统被配置为基于对由第一IR源产生的IR辐射的经调制强度和由第二IR源产生的IR辐射的经调制强度的指示时序，从第二信号分量去卷积第一信号分量，第二信号分量对应于检测到的归因于第二IR光束的强度，第一信号分量对应于检测到的归因于第一IR光束的强度。处理系统可以还被配置为从第一信号分量导出第一参数，并从第二信号分量导出第二参数。
在一些实施例中，IR检测系统包括IR检测器，IR检测器包括IR敏感检测区，IR敏感检测区被定位为使用同一检测区来检测第一IR光束和第二IR光束两者。
在一些实施例中，IR生成系统还包括第三IR源，其被配置为产生用于形成第三光谱带中的第三IR光束的IR辐射。第三光谱带可以与第二目标气体的第三衰减系数相关联。第三衰减系数可以高于第一衰减系数。由第三IR源产生的IR辐射的强度是能够响应于对用于操作第三IR源的功率的调制而在时间上调制的。由第三源产生的IR辐射的强度是能够独立于由第一IR源和第二IR源产生的IR辐射的强度而调制的。光束操纵系统可以被配置为将第一IR光束、第二IR光束和第三IR光束的光束路径进行组合，并沿所述光束路径引导第一IR光束、第二IR光束和第三IR光束通过气体样本区域。IR检测系统可以被配置为检测第一IR光束、第二IR光束和第三IR光束在经过气体样本区域之后的强度。由IR检测系统产生的信号还可以指示检测到的归因于第三IR光束的强度。从信号的第三时间间隔导出的第三参数可以指示第三IR光束在气体样本区域中的衰减水平。第三参数与第一参数之间的比较可以指示第二目标气体在气体样本区域中的浓度。
在本发明的第二方面，描述了一种呼吸监测系统。所述呼吸监测系统包括呼吸气体采样系统。所述呼吸气体采样系统被配置为获得呼吸气体样本。所述呼吸监测系统还包括根据第一方面或任一相关实施例的装置。所述呼吸气体采样系统被配置为在装置的气体样本区域中提供所获得的呼吸气体样本。所述装置还被配置为产生对目标气体在所获得的呼吸气体样本中的浓度的指示。
在本发明的第三方面，描述了一种方法。
所述方法包括使用第一IR源产生用于形成第一光谱带中的第一IR光束的IR辐射。
所述方法还包括使用第二IR源产生第二光谱带中的第二IR光束，
第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联。第二光谱带与目标气体的第二衰减系数相关联。第二衰减系数高于第一衰减系数。由第一IR源产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第一IR源的功率的调制而在时间上调制。由第二IR源产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第二IR源的功率的调制而在时间上调制。由第一IR源产生的IR辐射的强度可独立于由第二IR源产生的IR辐射的强度而调制。
所述方法还包括使用光束操纵系统将第一IR光束和第二IR光束的光束路径进行组合，以沿所述光束路径引导第一IR光束和第二IR光束通过气体样本区域。
所述方法还包括使用IR检测系统来检测第一IR光束和第二IR光束在经过气体样本区域之后的强度。
所述方法还包括使用IR检测系统产生信号。所述信号指示检测到的归因于第一IR光束的强度。从所述信号的第一时间间隔导出的第一参数指示第一IR光束在气体样本区域中的衰减水平。所述信号还指示检测到的归因于第二IR光束的强度。从所述信号的第二时间间隔导出的第二参数指示第二IR光束在气体样本区域中的衰减水平。第二参数与第一参数之间的比较指示目标气体在气体样本区域中的浓度。
根据本文中描述的某些实施例，可以通过组合IR光束，对至少两个独立调制的IR光束进行多路复用，以便于以减小或最小的温度相关性，测量由目标气体导致的IR光束的衰减。某些实施例可以允许基于与每个IR源的IR辐射输出曲线的同步(例如，基于IR源电阻的模型和/或IR源的类型的知识)，对来自用于检测至少两个IR光束的强度的IR检测系统的信号进行多路复用。某些实施例可以实现来自IR检测系统的快速和/或准确的信号多路复用。某些实施例可以提供这样的装置，其能够在紧凑和/或稳健的包中以相对低的功率操作(例如，由于减少的部件数目和/或对IR源的独立调制)，同时还在相对宽的环境温度范围内提供准确的测量结果。某些实施例可以被部署用于多气体感测应用。某些实施例涉及这样的装置，其可以可部署在诸如临床和/或紧急场景的一系列场景中，同时仍提供快速且准确的测量结果(例如，用于二氧化碳描记应用)。
根据后文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些及其他方面将是明显的，并将参考这些实施例得以阐明。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的示范性实施例，附图中：
图1为根据实施例用于气体感测的装置的示意图；
图2为根据实施例用于气体感测的系统的示意图；
图3示出了描绘表示在呼吸周期期间感测到的二氧化碳的浓度的数据的图表；
图4为描绘表示如由单一IR检测器信道检测到的对第一光谱带中的IR辐射的吸收的数据的图表；
图5为描绘根据实施例表示如由单一IR检测器信道检测到的对第一光谱带和第二光谱带中的IR辐射的吸收的数据的图表；
图6为根据实施例用于气体感测的装置的示意图；
图7为根据实施例用于气体感测的装置的示意图；
图8涉及根据实施例的气体感测的方法；
图9为根据实施例用于便于气体感测的机器可读介质的示意图；以及
图10为根据实施例用于便于气体感测的装置的示意图。
具体实施方式
如上所述，环境温度的改变可能影响(例如在某些气体感测应用中使用的)IR源和/或IR检测器的操作。在一些情况下，环境温度的改变可能导致对由目标气体的IR吸收不准确的测量结果，这可能导致对目标气体在气体样本中的分压(以及因此浓度)的错误估计。尽管一些应用可以容忍针对一些测量结果的某个不准确水平，但诸如二氧化碳描记的某些应用可能需要测量结果是以可接受的准确度获得的。
减小获得对气体的分压的不准确测量结果的范例方式为控制诸如IR源和/或IR检测器的部件的操作温度。
例如，可以为电动IR源供应电功率，在一些情况下可以对电功率进行调制，以使IR源的温度维持在可接受的范围内。在IR源为白炽灯的情况下，对供应到IR源的电功率的适当调制可以预防过热和/或欠热，使得IR源的光谱功率(即，在所发射光谱的每个部分处的功率输出)保持在可接受的范围内。在IR源为气体放电灯的情况下，对供应到灯的电功率的适当调制可以提供对灯的光谱功率输出的控制。其他类型的电动IR源包括固态(即，基于半导体的)IR发射器，如IR发光二级管(LED)或激光二极管。这些不同类型的IR源的光谱功率输出(以及其他性能特性)之间的关系可能受IR源操作时的温度影响，所述温度可能取决于环境温度以及由IR源的操作导致的自发热二者。
如上所示，控制(例如，通过加热或冷却的温度控制)可以用于控制IR源的性能(例如，光谱功率)。然而，这种控制可能需要额外硬件(例如，用于电源调制、专用冷却装置、热电冷却、加热、温度测量等)，其可以增加实施温度控制的IR传感器的功耗、所用部件数目、尺寸、重量、成本、复杂度和/或功能。
尽管一些IR检测器的光谱响应度可能不像在一些场景中经历的那样受温度变化显著影响，但一些其他IR检测器的光谱响应度可能更为显著地受温度变化影响，其程度以至于这样的IR检测器的测量结果可能是错误的。在一些情况下，该温度敏感性可能取决于IR检测器如何操作以及所使用的IR检测器的类型。举例来说，基于硒化铅(PbSe)的IR检测器和/或基于砷锑化铟(InAsSb)的IR检测器可以在波长范围2至5微米上呈现良好的响应性。然而，这样的材料可能是高度温度敏感的，这是因为在IR检测器的温度操作范围内，特定波长处的响应性以大因数变化。例如，针对从0℃至60℃的环境温度改变，响应性可能以因数8改变(八倍)，这是IR传感器可以被用于气管插管术中的似乎合理的环境温度范围的范例。
如已经提到的，可以提供额外的硬件，用于维持这种IR传感器的恒定温度。然而，这种额外的硬件涉及权衡，如使用额外的功率以及等待时间以达到指定温度。对于在其中需要快速且准确的测量结果的临床和紧急应用而言，在功耗、达到准确度的时间以及温度摇摆之间的权衡可能是有问题的。
如也在以上范例中所示，对硬件设置的重新校准(例如，周期性地或每当温度改变超过预定阈值时)可以用于减少测量结果中的误差。在另一范例中，可以基于对先前获得的(例如在不同温度范围内)测量结果的分析，对新获得的测量结果应用补偿技术，以将诸如温度改变的影响测量结果的因素考虑在内(例如，基于对理想气体定律的应用)。
尽管有可能校准和/或补偿IR检测器温度敏感性，但该过程对于终端用户而言可能难以实施和/或可能不一定在各种部署场景下(例如，其中环境温度可能变化时)都产生足够准确的测量结果，其中，这样的校准和/或补偿基于不同的部署场景(例如，其中，校准/补偿测量结果是在某个环境温度范围获得的)。
本文中描述的某些实施例可以便于在各种场景下对气体感测的部署和/或实施。本文中描述的某些实施例可以减少对用于气体感测的IR传感器中额外部件的需要。本文中描述的某些实施例可以减少对这种IR传感器的校准的需要，和/或减少或避免对补偿可能以其他方式影响这样的IR传感器的准确性和/或可靠性的各种因素的需要。
图1为根据实施例用于气体感测的装置100的示意图。装置100可以实施IR传感器的功能，并且可以被部署在需要气体感测的各种场景中。例如，装置100可以用于临床场景中的气体感测(例如，用于对二氧化碳和/或诸如麻醉气体(如一氧化二氮)的其他感兴趣目标气体的分压/浓度的测量)。在另一范例中，装置100可以用于环境监测应用。
该装置包括红外IR生成系统102。
IR生成系统102包括第一IR源104。第一IR源104被配置为产生用于形成第一光谱带中的第一IR光束106的IR辐射。
IR生成系统102还包括第二IR源108。第二IR源108被配置为产生用于形成第二光谱带中的第二IR光束110的IR辐射。
产生IR辐射的方式以及如何形成各自的IR光束106、110可以取决于IR源104、108的类型，和/或如何在第一光谱带和第二光谱带中提供IR辐射。下文描述的某些实施例提供关于IR源104、108的实施方式以及可以如何形成各自的IR光束106、108的更多细节。
下文描述根据本实施例的装置100的实施方式的一些另外的细节。
现在描述实施方式的第一部分，并且其涉及由于目标气体造成的第一和第二光谱带的衰减。
根据实施方式的第一部分，第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联。另外，第二光谱带与目标气体的第二衰减系数相关联。另外，第二衰减系数高于第一衰减系数。
目标气体的衰减系数是指由目标气体吸收、散射和/或以其他方式衰减的IR辐射的比例。如上所述，存在第一和第二光谱带，其每个分别与第一衰减系数和第二衰减系数相关联。因此，针对第一光谱带和第二光谱带中的每个的衰减水平可以不同。尤其地，第二光谱带中的(即，第二IR光束的)IR辐射比第一光谱带中的(即，第一IR光束的)IR辐射由目标气体衰减更多。
参考上文给出的有关二氧化碳的吸收带的范例，如果目标气体为二氧化碳，则第一光谱带可以包括这样的波长，其不包含二氧化碳的吸收峰波长(因此第一光谱带与“第一衰减系数”相关联)，如4.3微米(μm)(即，第一光谱带可以不包括该波长或与由二氧化碳的吸收相关联的其他(一个或多个)波长，或是可以基本上不与该波长或与由二氧化碳的吸收相关联的其他(一个或多个)波长重叠)。
第二光谱带可以包括这样的波长，其包括二氧化碳的(例如，至少一个)吸收峰波长(因此第二光谱带与“第二衰减系数”相关联)——如4.3μm(即，第二光谱带包括该波长或者与二氧化碳的吸收相关联的(一个或多个)其他波长，或是基本上与该波长或者与由二氧化碳的吸收相关联的(一个或多个)其他波长重叠)。
由于与第二光谱带相关联的衰减系数高于与第一光谱带相关联的衰减系数，因此如果第二光谱带中的IR辐射(在经过气体样本之后)比第一光谱带中的IR辐射衰减更多，则这可以指示测量的气体样本中存在目标气体。然而，如果第二光谱带中的IR辐射与第一光谱带中的IR辐射衰减相同程度(或者未衰减)，则这可以指示气体样本中不存在或几乎不存在目标气体。
现在描述实施方式的第二部分，并且其涉及对IR辐射的强度的调制。
根据实施方式的第二部分，由第一IR源104产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第一IR源104的功率的调制而在时间上调制(即，强度可以在时间上调制)。另外，由第二IR源108产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第二IR源108的功率的调制而在时间上调制。另外，由第一IR源104产生的IR辐射的强度可独立于由第二IR源108产生的IR辐射的强度而调制。
因此，第一IR源104能够独立于第二IR源108来操作，使得第一IR光束106和第二IR光束110的强度能够在时间上并且在需要时调制，如下文更详细解释的。
下文描述装置100的另外的细节。
装置100还包括光束操纵系统112。光束操纵系统112被配置为将第一IR光束106和第二IR光束110的光束路径进行组合，并沿光束路径引导第一IR光束106和第二IR光束110通过过气体样本区域114。
在一些情况下，可以不同时产生第一IR光束106和第二IR光束110(由于可以在时间上调制IR光束106、110的强度)。因此，光束操纵系统112可以将两个IR光束106、110进行组合，使得可以沿基本上相同的光束路径(例如，包括气体样本区域114)来引导它们，但这可能不一定导致同时沿光束路径引导两个IR光束106、110(除非存在第一IR源104和第二IR源108都产生IR辐射的时间上的重叠)。第一IR光束106和第二IR光束108的光束路径可以相同或者至少实质上相似(例如，第一光束106和第二IR光束110的光束路径的至少部分可以基本上遵循气体样本区域中的同一光束路径)。联系下文描述的某些实施例更详细地描述光束操纵系统112和气体样本区域114另外的细节。
装置100还包括IR检测系统116。IR检测系统116被配置为检测第一IR光束106和第二IR光束110在经过气体样本区域114之后的强度。IR检测系统116被配置为产生指示关于目标气体的某种信息的信号118(例如，电信号)，如下文详述的。
信号118指示检测到的归因于第一IR光束106的强度。从信号118的第一时间间隔导出的第一参数(如幅度和/或峰/最大强度值与谷/最小强度值之间的差)指示第一IR光束106在气体样本区域114中的衰减水平。在一些情况下，第一时间间隔的起始和终止点对应于用于计算第一参数的强度值。例如，谷/最小强度值可以在第一时间间隔的起始点观察到，并且峰/最大强度值可以在第一时间间隔的终止点观察到。第一参数可以指示第一IR光束106在气体样本区域114中的衰减。在范例中，上述两个强度值之间的差可以与第一IR光束106在气体样本区域114中的衰减成比例。
信号118还指示检测到的归因于第二IR光束110的强度。从信号118的第二时间间隔导出的第二参数指示第二IR光束110在气体样本区域114中的衰减水平。第二参数以与从第一时间间隔导出第一参数相同的方式从第二时间间隔导出。第二参数可以指示第二IR光束110在气体样本区域114中的衰减。在范例中，从第二时间间隔导出的峰与谷强度值之间的差可以与第二IR光束110在气体样本区域114中的衰减成比例。
第一时间间隔和第二时间间隔可以为相同的时间长度或为不同的时间长度。第一时间间隔和第二时间间隔可以至少部分重叠或者根本不重叠。如果第一时间间隔和第二时间间隔完全重叠，则可能难以在重叠的时间间隔内提取第一参数和/或第二参数(尽管更容易在不同的时间间隔中提取第一参数和/或第二参数)。然而，如果第一时间间隔和第二时间间隔部分重叠或不重叠，则可以相对直接地提取第一参数和/或第二参数。
第二参数与第一参数之间的比较指示目标气体在气体样本区域114中的浓度(或分压)。由于第二IR光束110的衰减可能是由于目标气体在气体样本区域114中的存在引起的(例如，由于第二光谱带与较高的衰减系数相关联，较高的衰减系数与目标气体相关联)，并且第一IR光束106的衰减可能不是由于目标气体的存在引起的，因此第一参数与第二参数的比较可以指示目标气体的浓度。下文描述的某些实施例涉及可以如何进行比较。
因此，由装置100产生的信号118可以用于评估或确定气体样本区域114内的目标气体的浓度(或分压)的改变。该浓度上的改变可以用于推断目标气体的实际浓度。如上所述，确定目标气体的浓度在诸如二氧化碳描记或环境监测的各种应用中可以是有用的。
因此，装置100可以便于对由第一IR源和第二IR源104、108产生的IR辐射的时间和波长进行多路复用。第一光谱带和第二光谱带可以被选择为具有不同的(并且可能为窄带)波长，用于允许对与第一光束106和第二IR光110相关联的每个信道的独立调制和/或低功耗操作。
在一些情况下，这样的多路复用可以便于对由第一IR源104和第二IR源108产生的IR辐射的强度的独立调制。可以独立地并且利用相同IR检测系统116来监测每个IR信道(即，与第一IR光束106相关联的第一信道和与第二IR光束110相关联的第二信道)。在一些情况下，这样的设置可以便于通过仅引起第一IR源104和第二IR源108在需要时产生IR辐射的低功耗操作。多路复用的设置也可以避免对使用附加部件例如同时来检测第一IR光束和第二IR光束两者的强度的需要。而是IR检测系统116可以被配置为随着并且在第一IR源104和第二IR源108产生用于形成第一IR光束106和第二IR光束110的IR辐射时，检测第一IR光束106和第二IR光束110的强度。多路复用的设置可以便于装置100的灵活操作，使得诸如第一IR源104和第二IR源108的某些部件可以在需要时使用。
在一些情况下，装置100可以操作为以启动后的减小的或最小的延迟(例如，针对在需要时准备使用的装置100)产生对第一IR光束106和第二IR光束110的强度的准确的测量结果。对经独立调制的第一IR光束106和第二IR光束110的使用可以便于独立于环境温度对目标气体的浓度的测量，这是因为对第一IR光束106在经过气体样本区域114之后的强度的测量可以充当表示不因目标气体导致的衰减的“参考”信号。“比较”可以允许将这样的其他因素(例如，温度变化、散射粒子等，它们可以导致第一IR光束106和第二IR光束110两者的衰减)的影响考虑在内，从而对第二IR光束110的强度的测量表示由目标气体(并且不是气体样本的任何其他成分气体或组分)导致的衰减。
在一些情况下，可以监测由第一IR源104和第二IR源108对IR辐射的产生(例如，基于对IR源104、108电阻的测量，其指示由IR源104、108产生的IR辐射的强度水平)。如下文更详细解释的，对第一IR源104和第二IR源108的这种监测可以用于将因第一IR光束106导致的信号118(衰减之后，如果发生任何衰减的话)与因第二IR光束110导致的信号118(在由于目标气体的存在导致的衰减之后)解耦。
因此，对第一IR源104和第二IR源108的独立操作和调制可以用于允许将某些因素(例如，温度变化、散射粒子等)的影响考虑在内，以获得对目标气体的浓度的代表性的、快速且准确的指示性量度。另外，对第一IR源104和第二IR源108的独立操作和调制可以用于将与第一IR源104和第二IR源108相关联的两个信道进行解耦，并建立归因于每个信道的贡献，并且因此可以便于对目标气体的浓度的代表性的、快速且准确的指示性量度。
在一些情况下，装置100可以在扩展的环境温度范围下操作，这可以用于将装置100部署在各种场景中(例如，临床和/或紧急场景)，同时确保测量的准确性，以允许以某个置信水平指示目标气体的浓度。
在一些情况下，装置100的设计为使得装置100可以具有相对紧凑的尺寸、低重量、简单的光学架构、简单的设计(由于避免了可能其他方式增大装置100的尺寸的某些部件的使用)，和/或为低能耗的(例如，由于第一IR源104和第二IR源108的独立操作以及将相同IR检测系统116用于检测第一IR光束106和第二IR光束110的强度)。在一些情况下，装置100因其紧凑的尺寸以及与电池供电操作的潜在兼容性，而可以是便携/可穿戴的。
因此，装置100可以可部署在各种场景中，并且可以能够提供在这样的场景下对目标气体的浓度的准确指示。
图2为根据实施例用于呼吸气体感测的呼吸监测系统200的示意图。呼吸监测系统200包括呼吸气体采样系统202。在该实施例中，呼吸气体采样系统202被配置为获得呼吸气体样本，其可以包括由诸如患者的对象吸入的气体(例如氧气、麻醉气体等)和/或呼出的气体(例如，二氧化碳、水蒸气)。例如，呼吸气体采样系统202可以为呼吸机(未示出)的部分或者以其他方式被部署用于呼吸监测目的。呼吸气体采样系统202可以包括用于从所吸入和/或呼出的气体采集气体样本的结构(未示出)，诸如管道、可移除样本室。
呼吸监测系统200还包括根据本文中描述的任一实施例的装置204，例如装置100或下文描述的某种其他装置。参考图1的装置100，呼吸气体采样系统202被配置为在装置204的气体样本区域206(即，图1的气体样本区域114)中提供所获得的呼吸气体样本。装置100被配置为产生对目标气体在所获得的呼吸气体样本中的浓度的指示(例如，经由信号118)。在一些情况下，可以使气体样本经过气体样本区域206(例如，重复地或在需要时)。在该情况下，气体样本区域206可以具有气体入口和出口(未示出)，以允许气体样本流动通过气体样本区域206。在一些情况下，气体样本可以被存储在样本室(未示出)中，样本室在需要时可定位在气体样本区域206中(即，每当获得气体样本时更换样本室)。
图3示出了描绘表示在呼吸周期期间所感测到的二氧化碳的浓度的数据的图表。
图表(a)为二氧化碳描记图，其表示在三次呼吸周期中取得的呼吸气体样本中的二氧化碳(CO2)的分压(以毫米汞柱mmHg为单位)。二氧化碳描记图指示在吸入和呼出期间气体样本中的二氧化碳的水平。二氧化碳描记图的曲线可以指示对象的健康状况。例如，二氧化碳描记图的曲线可以指示某些健康问题。
图表(b)示出了从信号118导出的解耦信道(C1、C2)。下文更详细地描述信道的解耦。第一信道C1是指对第一IR光束106在经过气体样本区域114之后检测到的强度。第二信道C2是指对第二IR光束110在经过气体样本区域114之后检测到的强度。如由图表(b)所描绘的，第一IR光束106的强度(由信道C1表示)随时间没有太多变化，因为第一光谱带中的IR辐射用于参考目的，并且基本上不由二氧化碳(在呼吸周期期间其浓度随时间变化)的存在衰减。然而，二氧化碳的浓度的变化导致第二IR光束110随时间的衰减(由第二信道C2表示)，因为与第二光谱带相关联的衰减系数高于与第一光谱带相关联的衰减系数。信道C1与C2之间的比较(例如差或比率计算)可以用于产生图表(a)的二氧化碳描记图。
图4为描绘表示如由单一IR检测器信道检测到的第一光谱带中的IR辐射的衰减(如果发生任何这种吸收的话)的数据的图表。该情况下，由单一IR源产生的IR辐射通过对IR源供应电功率来调制。如由图表所描绘的，检测到的强度周期性地增大(当供应或增加电功率时)并然后减小(当不供应或减小电功率时)。由图表所示的检测到的强度的曲线可以表示IR源的类型。例如，白炽灯可以持续产生IR辐射，即使在由于灯缓慢冷却而不再供应电功率时。因此，所描绘的检测到的IR辐射的减小(向下倾斜)可以表示由IR源继续产生IR辐射。参考图1和3，图4可以表示测量到的信号118，其可以通过仅操作第一信道C1来获得。
图5为描绘表示根据实施例如由单一IR检测器信道(如由装置100描绘的)检测到的第一光谱带和第二光谱带二者中的IR辐射的衰减的数据的图表。现在参考装置100的特征和功能。在该情况下，对第一IR源和第二IR源的调制为异相的，从而为第一IR源104供电，使得峰值IR发射发生在约20毫秒(ms)和120ms(对应于图4中描绘的范例)处，并且从而为第二IR源108供电，使得峰值IR发射发生在约70ms和170ms处。换言之，图5示出了第二信道C2对图4所示的数据的加和。因此，在图5的图表中描绘了由第一信道C1和第二信道C2两者导致的贡献。如由图表所示，第二信道C2记录比第一信道C1更低的峰值强度。这是因为第二IR光束110可能已经历比第一IR光束106更大的衰减水平(由于目标气体的存在)。图5所示的数据是由IR检测系统116获得的“原始”信号118的范例。该信号118可以然后用于导出由图3所示的信道C1和C2以及关联的二氧化碳描记图。
图5还描绘了可以用于确定第一参数和第二参数的强度值和时间间隔。
第一参数可以通过计算峰/最大强度(Rp)与谷/最小强度(Rv)之间的差(即，幅度A1)来确定。因此，第一时间间隔可以是指获得Rv与Rp之间的时间(即，在图5中在0与20ms之间以及在100与120ms之间)。
第二参数可以通过计算峰/最大强度(Dp)与谷/最小强度(Dv)之间的差(即，幅度A2)来确定。因此，第二时间间隔可以是指获得Dv与Dp之间的时间(即，在图5中在50与70ms之间以及在150与170ms之间)。
可以认识到，与第一IR光束106(信道C1)相关联的幅度A1大于与第二IR光束110(信道C2)相关联的幅度A2。这是因为第二IR光束110已经由气体样本区域114中目标气体的存在而被衰减。幅度A1与D2之间的比较(例如，差或比率计算A2/A1)可以指示目标气体在气体样本区域114中的浓度。
下文描述涉及装置100的一些实施例以及其他实施例。对下文描述的实施例的任意选定组合在合适时可以由装置100及下文描述的其他装置来实施。在对以下实施例的描述中参考以上附图。
在一些实施例中，目标气体是用于由对象吸入的气体中的至少一种成分和/或由对象呼出的气体中的至少一种成分。在这方面，装置100被配置为获得对至少一种成分在从由对象吸入的气体和/或由对象呼出的气体获得的气体样本中的浓度的指示。因此，在装置100用于监测由诸如患者的对象吸入和/或呼出的气体的情况下，装置100可以被设置为获得对至少一种选定的感兴趣目标气体(例如，二氧化碳、麻醉气体等)的浓度的指示。
在一些实施例中，信号118包括第一信号分量和第二信号分量的卷积，第一信号分量对应于归因于第一IR光束106的强度，第二信号分量对应于检测到的归因于第二IR光束110的强度(例如，由于相同IR检测系统116用于检测这两个IR信道的强度)。第一参数(例如，“A1”)可基于第一时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积从信号118导出。第二参数(例如，“A2”)可基于第二时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积从所述信号导出。
对第一IR源104和第二IR源108的调制可以以各种方式来执行，如在下文描述的实施例中涉及的。对要使用哪种调制方案的选择可以取决于例如装置100的设置和/或是否需要从一个或两个IR信道连续获得测量结果。在可能时可以同时地，或者在合适时可以在不同时间实施调制方案的任意组合。
在一些实施例中，由第一IR源104和第二IR源108产生的IR辐射的强度可调制为使得(i)由第一IR源104产生的IR辐射的强度是在与由第二IR源110产生的IR辐射的强度相同频率但异相调制的。该实施例由图5来描绘，其中，第一IR源104和第二IR源108的峰值输出彼此异相180度。其他相位差也是可能的，如90度(相位差的选择可以是任意的)。如果在特定时间间隔内的相位差为0度，则可能难以提取第一参数和第二参数，尽管更容易在另一时间间隔内提取第一参数和第二参数，如下文提及的。
在一些实施例中，由第一IR源104和第二IR源108产生的IR辐射的强度可调制为使得(ii)由第一IR源104产生的IR辐射的强度是在与由第二IR源108产生的IR辐射的强度不同频率调制的。在该情况下，对应于第一IR源104和第二IR源108的输出的第一信道C1和第二信道C2可以在采样时间段上同相和异相。因此，在可能时，可以获得对采样时间段内的目标气体的浓度的指示。
在一些实施例中，由第一IR源104和第二IR源108产生的IR辐射的强度可调制为使得(iii)由第一IR源产生的IR辐射的强度具有比在第一时间间隔期间由第二IR源产生的IR辐射更高的强度。在一些实施例中，由第一IR源104和第二IR源108产生的IR辐射的强度可调制为使得(iv)由第二IR源产生的IR辐射的强度具有比在第二时间间隔期间由第一IR源产生的IR辐射更高的强度。这些实施例类似于上文描述的在其中在第一IR源104和第二IR源108的峰值输出方面存在相位差的实施例。
某些类型的IR源104、108即使在不再对IR源104、108供电之后(或者在特定时间间隔内供应较少电功率时)也可以继续发出IR辐射。因此，如果在“第一时间间隔”向第一IR源104比第二IR源108供应更多功率(或者不对第二IR源108供电)，则第一IR光束106和第二IR光束110可以两者同时都“开启”，使得第一IR源104的峰值IR输出发生在第一时间间隔中。类似地，如果在“第二时间间隔”向第二IR源108比第一IR源104供应更多功率(或者不对第一IR源104供电)，则第一IR光束106和第二IR光束110可以两者同时都“开启”，使得第二IR源108的峰值IR输出发生在第二时间间隔中。如通过比较图4和5而描绘的，由第一IR源104和第二IR源108对IR辐射的发射同时发生，使得可以同时存在因IR源104、108两者对信号118的贡献。然而，由于第一IR光束106的峰值强度(例如，时间＝20ms)与第二IR光束110的峰值强度(例如，时间＝70ms)异相，有可能在每个各自的时间间隔期间通过“关闭”或“低功率”IR源104、108解耦IR辐射的持续发射的影响。某些类型的IR源可以在断电时不产生IR辐射(例如，激光二极管)，或者IR辐射的产生可以在不同的时间尺度上和/或以不同的速率逐渐减弱到由图4和5描绘的那样。
在一些实施例中，由第一IR源104和第二IR源108产生的IR辐射的强度可调制为使得(v)由第二IR源108产生的IR辐射是在一时间段上连续地或重复地产生的。由IR检测系统116在所述时间段上产生的信号118可以指示针对第二参数的多个值(例如，“A2”)。针对第二参数的多个值可以指示在所述时间段上第二IR光束110在气体样本区域114中的衰减水平。针对第二参数的多个值可以指示目标气体的浓度在所述时间段上的任何变化。换言之，在任意时间段(例如，包括多个“第二”时间间隔)，可以获得对第二IR光束110的衰减的重复测量结果。
在一些实施例中，由第一IR源104和第二IR源108产生的IR辐射的强度可调制为使得(vi)在时间段之前、期间和/或之后由第一IR源104产生的IR辐射产生至少一次。由IR检测系统116在时间段之前、期间和/或之后产生至少一次的信号118可以指示针对第一参数的至少一个值(例如，“A1”)。针对第一参数的至少一个值可以指示第一IR光束106在气体样本区域114中的衰减水平。
换言之，在于其上获得针对第二参数的多个值的时间段中(参见实施例(v))，可以获得针对第一参数的至少一个值。在第一参数指示“参考”衰减水平并且第二参数指示目标气体的浓度的情况下，如果可以假设参考衰减水平在时间段上不显著改变，则可能需要对第一IR光束106的衰减的较少的测量结果。因此，在一些情况下，仅需要在需要时获得第一参数。范例场景可以是以100Hz的频率调制第二IR源108(例如，用于每100ms获得第二参数)并且调制第一IR源104以使其每5分钟产生IR辐射(例如，在100ms的时间间隔上)的情况，从而能够获得对第一参数的参考测量。然而，如果需要更高的准确度，则可以更有规律地获得第一参数的值，例如该时间段内与针对第二参数的值相同的次数。
如上所示，可以定义一时间段，在其上获得一定数目的测量结果。在一些实施例中，所述时间段对应于呼吸周期的阶段，如吸入阶段、呼出阶段或吸入和呼出的完整呼吸周期。在范例中，如果所述时间段为5秒(如针对呼出阶段可能是典型的)并且调制频率为100ms，则可以在该时间段期间获得50个测量结果。在范例中，可以使用第一IR光束106来进行1次测量，并且可以使用第二IR光束110来进行剩下的49次测量(第一参数的1个值和第二参数的49个值)。在另一范例中，可以使用第一IR光束106来进行25次测量，并且可以使用第二IR光束110来进行剩下的25次测量(第一参数的25个值和第二参数的25个值)。
图6为根据实施例用于气体感测的装置600的示意图。装置600包括图1的装置100的特征，并且可以被用于如上文描述的相同应用。在这方面，装置600的这样的特征具有与图1相比增加了500的附图标记。联系图6描述各个实施例，图6被用于辅助描述与这些实施例相关联的特征。并非全部特征都可以存在于装置600的某些变型中。例如，在某些变型中可以省略联系下文描述的实施例中任一个描述的特征。换言之，图6表示装置600的一种变型的特征的可能组合。然而，可以在装置600的另一变型中提供根据下文描述的实施例的特征的任意选定组合。
下文描述根据实施例的光束操纵系统612的一些细节。
光束操纵系统612包括被配置为收集第一IR光束606的第一收集器透镜630。第一收集器透镜630可以准直第一IR光束606或者至少减小第一IR光束606的发散度。光束操纵系统612还包括第一滤波器632(例如，长通、带通或短通滤波器)以在光谱上对由(IR生成系统602的)第一IR源604产生的IR辐射进行滤波，使得第一IR光束606在由第一滤波器632滤波之后具有“第一光谱内容”。
光束操纵系统612还包括被配置为收集第二IR光束610的第二收集器透镜634。第二收集器透镜634可以准直第二IR光束610或者至少减小第二IR光束610的发散度。光束操纵系统612还包括第二滤波器636(例如，长通、带通或短通滤波器)以在光谱上对由(IR生成系统602的)第二IR源608产生的IR辐射进行滤波，使得第二IR光束610在由第二滤波器636滤波之后具有“第二光谱内容”。
在装置600的范例实施方式中，第二滤波器636被配置为使在约4.3微米的IR辐射通过，所述IR辐射由二氧化碳吸收，从而检测到的第二IR光束610的强度可以指示二氧化碳在气体样本区域614中的浓度。第一滤波器632可以被配置为使不吸收二氧化碳的不同波长的IR辐射通过，以提供对(例如，因水蒸气、散射粒子等的存在引起的)背景衰减的参考测量。
光束操纵系统612还包括光束组合器638，其被配置为透射第一光束606并反射第二IR光束610(或者反射第一光束606并透射第二IR光束610)，使得第一IR光束606和第二IR光束610被组合以具有相同的光束路径(或者实质上相同的光束路径)。由于第一IR源604和第二IR源608相对于光束操纵系统612的布置，第一IR光束606和第二IR光束610被沿相同的(或相似的)光束路径引导通过气体样本区域614。
在一些实施例中，光束操纵系统612还包括聚焦透镜640，用于将经组合的第一IR光束606和第二IR光束610聚焦(或者进一步准直)到IR检测系统616上，如下文更详细描述的。
在一些实施例中，光束操纵系统612被配置为将第一IR光束606和第二IR光束610通过气体样本区域614的光束路径进行组合，使得第一IR光束606和第二IR光束610的光轴642在气体样本区域614中共线。换言之，第一IR光束606和第二IR光束610可以在气体样本区域614中具有重叠的或实质上重叠的光束路径(光轴彼此成0度或仅几度)。
装置600还包括控制系统644，其用于调制用于操作第一IR源604和第二IR源608的功率(例如，电功率)，以独立调制由第一IR源604产生的IR辐射的强度和由第二IR源608产生的IR辐射的强度。控制系统644可以控制经由独立的供电线供应到第一IR源604和第二IR源608的功率，如由图6描绘的。控制系统644被描绘为装置600自身的部分。在其他实施例中，控制系统644的功能可以由至少一个外部设备(未示出)来实施，诸如针对第一IR源604和第二IR源608中的每个独立可控的外部电源。
在一些实施例中，控制系统644被配置为，响应于接收到对是否要确定第一参数和/或第二参数的指示，调制由第一IR源604产生的IR辐射的强度和由第二IR源608产生的IR辐射的强度，使得IR检测系统产生指示第一参数和/或第二参数的信号618。因此，当需要确定第一参数时，控制系统644操作第一IR源604和第二IR源608，使得能够测量第一参数(例如，在第一时间间隔期间)以及使得能够测量第二参数(例如，在第二时间间隔期间)。如前文强调的，可以根据需要并在需要时测量第一参数和第二参数。因此，“指示”可以使控制系统644根据在需要产生IR辐射时操作第一IR源604和第二IR源608，从而可以获得第一参数和/或第二参数。在一范例中，“指示”可以是触发器，例如由来自另一设备的指令或被存储在控制系统644中的预定指令，以使得在特定时间间隔为第一IR源104或第二IR源108供电。
在一些实施例中，装置600还包括处理系统646，其被配置为从信号608导出第一参数和第二参数和/或执行在第二参数与第一参数之间的比较，以获得对目标气体在气体样本区域614中的浓度的指示。处理系统646被描绘为是装置600自身的部分。在其他实施例中，处理系统646的功能可以由至少一个外部设备(未示出)来实施，如用于分析信号608的用户计算机。在一些实施例中，处理系统646和控制系统644的功能可以由同一设备实施(例如，在用于执行机器可读介质上存储的用于实施处理系统464和/或控制系统644的功能的指令的至少一个处理器)。
可以存在各种方式来执行在第一参数与第二参数之间的“比较”，以获得对目标气体的浓度(或分压)的指示。在一些实施例中，对浓度的指示可以通过计算第二参数与第一参数之间的比率来获得(即，“比率”计算)。在一些实施例中，对所述计算的指示可以基于第一参数与第二参数之间的差或某种其他比较来获得。
在一些实施例中，处理系统646被配置为基于在第一时间间隔期间获得的信号值的范围根据信号618来确定第一参数。在一些实施例中，处理系统646被配置为基于在第二时间间隔期间获得的信号值的范围根据信号来确定第二参数。
在一些实施例中，处理系统646被配置为基于对由第一IR源604产生的IR辐射的经调制强度和由第二IR源608产生的IR辐射的经调制强度的指示时序，从第二信号分量去卷积第一信号分量，第二信号分量对应于检测到的归因于第二IR光束610的强度，第一信号分量对应于检测到的归因于第一IR光束606的强度。“指示时序”是指经调制的第一IR源604和第二IR源608的相位差、频率等。例如，如果相位差、频率、其他同步信息等是已知的，并且能够由处理系统646确定，则处理系统646然后能够将第一信号分量和第二信号分量彼此去卷积。在范例中，对跨第一IR源604和第二IR源608的电阻的测量(例如可以由控制系统644获得)可以指示由每个IR源604、608产生的IR辐射的经调制强度的时序。有可能基于指示时序来确定信号618的哪些部分对应于第一时间间隔和第二时间间隔。在范例实施方式中，处理系统646可以从控制系统644获得指示时序。在另一范例实施方式中，处理系统646可以向控制系统644发送对是否要确定第一参数和/或第二参数的指示，如上文解释的。在任一范例中，控制系统644和处理系统646可以被彼此同步，以允许在合适的时间间隔内对第一参数和第二参数的提取。
在已经执行卷积之后，处理系统646被配置为从第一信号分量导出第一参数并从第二信号分量导出第二参数。
在一些实施例中，从第二信号分量对第一信号分量的去卷积可以如下文解释来执行。
处理系统646可以确定在第一时间间隔和/或第二时间间隔期间对检测到的归因于第一IR光束606的强度的贡献。处理系统646还可以确定在第一时间间隔和/或第二时间间隔期间对检测到的归因于第二IR光束610的强度的贡献。
可以根据在第一时间间隔和第二时间间隔期间用于操作第一IR源和第二IR源的调制功率，基于预期由第一IR源604和第二IR源608随时间产生的IR辐射的模型，通过考虑对检测到的在第二时间间隔期间归因于第一IR光束606和/或在第一时间间隔期间归因于第二IR光束610的强度的任何贡献来确定所述贡献。换言之，“模型”可以指示预期要由第一IR源604和第二IR源608随时间产生多少IR辐射，即使是在减少或关闭所供应的功率时。因此，模型可以允许将对检测到的归因于第一时间间隔期间存在的第二IR光束610的强度的贡献考虑在内。模型还可以允许将对检测到的归因于在第二时间间隔期间存在的第一IR光束606的强度的贡献考虑在内。模型可以基于由第一IR源和第二IR源606、610输出的IR辐射的知识或之前的测量结果。模型可以取决于所使用的源的类型。例如，白炽灯即使未被供电也可以在热时持续产生IR辐射，而激光二极管仅可以在被供电时产生IR辐射，等。
一旦已经在第一时间间隔和第二时间间隔中的每一个中确定了贡献并且将它们的影响考虑在内，则可以从所确定的对检测到的归因于第一IR光束606(即，在第一时间间隔中)的强度的贡献提取第一信号分量，并且可以从所确定的对检测到的归因于第二IR光束610(即，在第二时间间隔中)的强度的贡献提取第二信号分量。
在一些实施例中，IR检测系统616还包括IR检测器648，其包括IR敏感检测区，IR敏感检测区被定位为使用同一检测区来检测第一IR光束606和第二IR光束610两者。如由图6所描绘的，第一IR光束606和第二IR光束610两者被组合以遵循相同的光束路径，并被引导到IR检测系统616中的同一检测区。在该情况下，同一IR检测器648被配置为检测第一IR光束606和第二IR光束610的强度(以由此产生对应于第一IR光束606和/或第二IR光束610的组合强度的信号618)。在一些情况下，IR检测器648可以包括与第一IR光束606和第二IR光束610对齐的单一检测区或多个检测区。在一些情况下，IR检测系统616包括多个这样的IR检测器648，它们全部可以与第一IR光束606和第二IR光束610两者对齐。
与在一个共同的调制模式下使用一个IR源以及两个或更多个检测信道的范例方法相反，所描绘的装置600的实施方式采用两个IR源604、608以及共同的IR检测系统616。根据装置600的范例实施方式，两个(或更多个)信道C1和C2被时间复用，以检测每个信道中的IR辐射的强度，并被解复用用于在针对第一信道(即“参考信道”)的IR辐射的衰减水平与针对第二信道的IR辐射的衰减水平(即，因诸如二氧化碳的目标气体成分的存在)之间进行比较(例如，比率计算)。
在装置600范例实施方式中，IR检测系统616包括基于PbSe或InAsSb技术的IR检测器648(其可以响应于波长范围在2.5至10μm的IR辐射)。可以采用任意合适的IR检测技术，例如基于固态的技术(例如，在PbSe或InAsSb技术的情况下)或者诸如热电IR检测的另一种类型的技术。这样的IR检测技术可以提供适合于如二氧化碳描记的某些应用的快速响应时间。范例响应时间可以小于10ms，例如，如果采样率为100Hz的话。另一范例响应时间可以小于1ms。在范例实施方式中，响应时间可以为使得IR检测系统616被配置为在对应于呼吸周期的阶段的时间段上获得第一IR光束606和/或第二IR光束610的强度的多个测量结果。换言之，响应时间可以为使得可以在相关时间段上能够获得足够的测量结果(例如，如果时间段为5秒并且采用100Hz的采样率，则为50个测量结果)。
一些IR检测技术可能具有强温度敏感性，如果环境温度改变，这会导致检测到的强度的未经校准或不可靠的测量结果。然而，本文中描述的实施例可以减少或去除在温度改变时对执行校准/补偿的需要，因为使用参考信道C1执行的测量可以将诸如温度改变的任何变化考虑在内，从而可以获得对信道C2的准确测量。
图7为根据实施例用于气体感测(尤其是多气体感测)的装置700的示意图。装置700可以用于与上文描述的相同或相似的应用，尽管具有用于多气体感测的额外功能。装置700表示装置100或600的可能变型。例如，装置700的特征可以在联系装置100、600描述的任意实施例或变型中提供，或与联系装置100、600描述的任意实施例或变型进行组合，反之亦然。装置700包括与装置100相同的特征。在这方面，装置700的特征具有与图1相比增加600或与图6相比增加100的附图标记。下文描述装置700另外的特征。
IR生成系统702还包括第三IR源750，其被配置为产生用于形成第三光谱带中的第三IR光束752的IR辐射。第三IR源750的操作类似于第二IR源708的操作，如下文描述的。
第三光谱带与第二目标气体的第三衰减系数相关联(例如，用于多气体感测)。
第三衰减系数高于第一衰减系数。因此，第三衰减系数可以高于、低于第二衰减系数或与第二衰减系数相同。
由第三IR源750产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第三IR源750的功率的调制而在时间上调制。
由第三源750产生的IR辐射的强度可独立于由第一IR源704和第二IR源708产生的IR辐射的强度而调制。
光束操纵系统712被配置为将第一IR光束706、第二IR光束710和第三IR光束752的光束路径进行组合，并沿所述光束路径引导第一IR光束706、第二IR光束710和第三IR光束752通过气体样本区域714。
在该实施例中，类似于图6的光束操纵系统612，光束操纵系统712还包括被配置为收集第三IR光束752的第三收集器透镜754。第三收集器透镜754可以准直或至少减小第三IR光束752的发散度。光束操纵系统712还包括第三滤波器756(例如，长通、带通或短通滤波器)，以在光谱上对由第三IR源750产生的IR辐射进行滤波，使得第三IR光束752在由第三滤波器756滤波之后具有“第三光谱内容”。
参考图6的光束操纵系统612，光束操纵系统712还包括额外光束组合器758(类似地被布置为到图6的光束组合器638)，其被配置为透射第一光束706(和第二IR光束710)并反射第三IR光束752(或者反射第一IR光束706和第二IR光束710并透射第三IR光束752等)，使得第一IR光束706、第二IR光束710和第三IR光束752被组合以具有相同的光束路径(或实质上相同的光束路径)。由于第一IR源704、第二IR源708和第三IR源750相对于光束操纵系统712的布置，第一IR光束706、第二IR光束710和第三IR光束752被沿相同(或相似)的光束路径被引导通过气体样本区域714。
IR检测系统716被配置为检测第一IR光束706、第二IR光束710和第三IR光束752在通过气体样本区域714之后的强度。由IR检测系统716产生的信号可以还指示检测到的归因于第三IR光束752的强度。从信号的第三时间间隔(其可以或可以不与第一时间间隔和/或第二时间间隔重叠)导出的第三参数可以指示第三IR光束752在气体样本区域714中的衰减水平。第三参数与第一参数之间的比较(例如，比率计算、差，等)可以指示第二目标气体在气体样本区域714中的浓度。
装置700可以用于多气体感测。例如，(第一)目标气体可以是某种气体成分(如二氧化碳)并且第二目标气体可以是气体样本中的另一气体成分(如麻醉气体)。这样的装置700可以在具有相对低功耗的紧凑/稳健包装中，在相对宽泛的操作温度范围上，提供对不同气体成分的浓度的准确测量。
图8涉及根据实施例的气体感测的方法800。在该实施例中，方法800实施装置100的功能。在其他实施例中，对应的方法可以实施本文中描述的其他装置(如装置600)即相关实施例的功能。在对方法800的描述中参考装置100。
方法800包括，在方框802，使用第一IR源104产生用于形成第一光谱带中的第一IR光束106的IR辐射。
方法800包括，在方框804，使用第二IR源108产生第二光谱带中的第二IR光束110。
第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联。
第二光谱带与目标气体的第二衰减系数相关联。
第二衰减系数高于第一衰减系数。
由第一IR源104产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第一IR源104的功率的调制而在时间上调制。
由第二IR源108产生的IR辐射的强度可响应于对用于操作第二IR源108的功率的调制而在时间上调制。
由第一IR源104产生的IR辐射的强度可独立于由第二IR源108产生的IR辐射的强度而调制。
方法800还包括，在方框806，使用光束操纵系统112将第一IR光束106和第二IR光束110的光束路径进行组合，以沿所述光束路径引导第一IR光束106和第二IR光束110通过气体样本区域114。
方法800还包括，在方框808，使用IR检测系统116来检测第一IR光束106和第二IR光束110在经过气体样本区域114之后的强度。
方法800还包括，在方框810，使用IR检测系统116产生信号118。信号118指示检测到的归因于第一IR光束106的强度。从信号118的第一时间间隔导出的第一参数指示第一IR光束106在气体样本区域114中的衰减水平。信号118还指示检测到的归因于第二IR光束110的强度。从信号118的第二时间间隔导出的第二参数指示第二IR光束110在气体样本区域114中的衰减水平。
第二参数与第一参数之间的比较指示目标气体在气体样本区域114中的浓度。
根据本文中描述的某些实施例，装置100、600、700，相关实施例及关联方法可以通过将IR光束606、610进行组合来多路复用至少两个独立调制的IR光束606、610，以便于以减小的或最小的温度相关性对IR光束606、610由目标气体的衰减进行测量。某些实施例可以允许来自IR检测系统616的信号118、618用于检测要基于与每个IR源604、608的IR辐射输出曲线的同步解复用的至少两个IR光束606、610的强度(例如，基于IR源604、608电阻的模型和/或IR源604、608的类型的知识)。某些实施例可以实现从IR检测系统616解复用的快速和/或准确的信号618。某些实施例可以提供装置100、600，其能够在紧凑和/或稳健的包装中以相对低的功率操作(例如，由于减少数量的部件和/或对IR源604、608的独立调制)，同时还提供在相对宽的环境温度范围上准确的测量结果。诸如装置700的某些实施例可以被部署用于多气体感测应用。某些实施例涉及装置100、600、700以及方法700，其可以可部署在许多场景中，如临床和/或紧急场景，同时仍提供快速且准确的测量结果(例如，用于二氧化碳描记应用)。
图9示出了根据实施例用于便于气体感测的非暂时性计算机可读介质900。非暂时性计算机可读介质900包括指令902，当其在至少一个处理器904上被执行时，引起至少一个处理器904实施与装置100、600、700的操作和/或方法700的实施相关联的某些方法。在一些实施例中，非暂时性计算机可读介质900可以由控制系统644和/或处理系统646实施(例如，以便于系统644、646的同步或以其他方式便于本文中描述的实施例中的任一个的操作)。
图10示出根据实施例用于便于气体感测的装置1000。装置1000包括至少一个处理器1002(例如，由诸如控制系统644和/或处理系统646的计算设备实施的)。至少一个处理器1002被通信耦合到接口1004，用于通信数据(例如，交换诸如“指示时序”的同步信息，接收原始数据信号118、618和/或发送对目标气体的浓度的指示)。
装置1000还包括存储指令1008的非暂时性计算机可读介质1006，指令1008可由至少一个处理器1002读取并执行，以执行对应于诸如由控制系统644和/或处理系统646实施的某些方法的方法(例如，以便于统644、646的同步，或以其他方式便于本文中描述的实施例中的任一个的操作)。
尽管已在附图和前文的描述中详细图示和描述了本发明，但要将这样的图示和描述视为示例性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
在一个实施例中描述的一个或多个特征可以与另实施例中描述的特征组合或代替另实施例中描述的特征。
本公开中的实施例可以被提供为方法、系统或为机器可读指令与处理电路的组合。这样的机器刻度指令可以被包含在其中或其上具有计算机可读程序代码的非暂时性机器(例如计算机)可读存储介质(包含但不限于磁盘存储、CD-ROM、光学存储等)上。
本公开是参考根据本公开的实施例的方法、设备和系统的流程图和框图来描述的。经上文描述的流程图示出特定的执行顺序，但执行顺序可以不同于所描绘的。联系一个流程图所描绘的框可以与另一流程图的那些相组合。应理解，流程图和/或框图中的每个框，以及流程图和/或框图中的框的组合都可以由机器可读指令来实现。
机器可读指令例如可以由通用计算机、专用计算机、嵌入式处理器或者其他可编程数据处理设备的处理器执行，以实现具体实施方式和图中描述的功能。尤其地，处理器或处理电路，或其模块，可以执行机器可读指令。因此，本文中描述的装置和其他设备的功能模块可以由执行存储器中存储的机器可读指令的处理器，或者根据逻辑电路中嵌入的指令操作的处理器来实施。术语‘处理器’要被宽泛地解释为包含CPU、处理单元、ASIC、逻辑单元或可编程门阵列等。方法和功能模块可以全部由单个处理器来执行，或者可以在几个处理器间划分。
这样的机器可读指令也可以被存储在可以引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定模式操作的计算机可读存储装置中。
这样的机器可读指令也可以被加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，从而计算机或其他可编程数据处理设备执行一系列操作以产生计算机实现的处理，因此在计算机或其他可编程设备上执行的指令实现由流程图和/或框图中的(一个或多个)框制定的功能。
另外，本文中的教导可以以计算机程序产品的形式来实施，计算机程序产品被存储在存储介质中并且包括多个指令，用于使计算机设备实施在本公开的实施例中记载的方法。
联系一个实施例描述的元件或步骤可以与联系另实施例描述的元件或步骤组合，或被联系另实施例描述的元件或步骤代替。本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，能够理解并实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单一处理器或其他单元可以履行权利要求中记载的几个项目的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施这一仅有事实并不指示不能利用这些措施的组合。计算机程序可以被存储或分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但也可以被分布为其他形式，例如经由因特网或者其他有线或无线电信系统。权利要求中的任意附图标记不应被解读为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种装置(100)，包括：
红外IR生成系统(102)，其包括：
第一IR源(104)，其被配置为产生用于形成第一光谱带中的第一IR光束(106)的IR辐射；以及
第二IR源(108)，其被配置为产生用于形成第二光谱带中的第二IR光束(110)的IR辐射，其中：
所述第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联；
所述第二光谱带与所述目标气体的第二衰减系数相关联；
所述第二衰减系数高于所述第一衰减系数；
由所述第一IR源产生的所述IR辐射的强度能够响应于对用于操作所述第一IR源的功率的调制而在时间上调制；
由所述第二IR源产生的所述IR辐射的强度能够响应于对用于操作所述第二IR源的功率的调制而在时间上调制；并且
由所述第一IR源产生的所述IR辐射的所述强度能够独立于由所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度而调制；
光束操纵系统(112)，其被配置为：将所述第一IR光束和所述第二IR光束的光束路径进行组合，并沿所述光束路径引导所述第一IR光束和所述第二IR光束通过气体样本区域(114)；以及
IR检测系统(116)，其被配置为检测所述第一IR光束和所述第二IR光束在经过所述气体样本区域之后的强度，并且其中，所述IR检测系统被配置为产生信号(118)，所述信号(118)指示：
检测到的归因于所述第一IR光束的强度，其中，从所述信号的第一时间间隔导出的第一参数指示所述第一IR光束在所述气体样本区域中的衰减水平；以及
检测到的归因于所述第二IR光束的强度，其中，从所述信号的第二时间间隔导出的第二参数指示所述第二IR光束在所述气体样本区域中的衰减水平，其中：
所述第二参数与所述第一参数之间的比较指示所述目标气体在所述气体样本区域中的浓度。
2.如权利要求1所述的装置，其中：
所述目标气体为用于由对象吸入的气体中的至少一种成分和/或由所述对象呼出的气体中的至少一种成分；并且
所述装置被配置为获得对在从由所述对象吸入的所述气体和/或由所述对象呼出的所述气体获得的气体样本中的所述至少一种成分的所述浓度的指示。
3.如权利要求1至2中的任一项所述的装置，其中，所述信号包括第一信号分量和第二信号分量的卷积，所述第一信号分量对应于由于所述第一IR光束而检测到的强度，所述第二信号分量对应于由于所述第二IR光束而检测到的强度，其中：
所述第一参数能够根据所述信号基于所述第一时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积而导出；并且
所述第二参数能够根据所述信号基于所述第二时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积而导出。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，由所述第一IR源和所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度能够调制为使得发生以下中的至少一个：
(i)由所述第一IR源产生的所述IR辐射的所述强度是在与由所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度相同频率但异相下调制的；
(ii)由所述第一IR源产生的所述IR辐射的所述强度是在与由所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度不同频率下调制的；
(iii)由所述第一IR源产生的所述IR辐射的所述强度具有比由所述第二IR源在所述第一时间间隔期间产生的所述IR辐射更高的强度；
(iv)由所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度具有比由所述第一IR源在所述第二时间间隔期间产生的所述IR辐射更高的强度；
(v)由所述第二IR源产生的所述IR辐射是在一时间段上连续或重复产生的，其中，由所述IR检测系统在所述时间段上产生的所述信号指示针对所述第二参数的多个值，其中，针对所述第二参数的所述多个值指示在所述时间段上所述第二IR光束在所述气体样本区域中的所述衰减水平，并且其中，针对所述第二参数的所述多个值指示在所述时间段上所述目标气体的所述浓度的任何变化；和/或
(vi)由所述第一IR源产生的所述IR辐射在所述时间段之前、期间和/或之后产生至少一次，其中，由所述IR检测系统在所述时间段之前、期间和/或之后产生至少一次的所述信号指示针对所述第一参数的至少一个值，其中，针对所述第一参数的所述至少一个值指示所述第一IR光束在所述气体样本区域中的所述衰减水平。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述时间段对应于呼吸周期的阶段。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的装置(600)，其中，所述光束操纵系统(612)被配置为将所述第一IR光束(606)和所述第二IR光束(610)通过所述气体样本区域(614)的所述光学路径进行组合，使得所述第一IR光束和所述第二IR光束的光轴(642)在所述气体样本区域中共线。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的装置(600)，还包括控制系统(644)，所述控制系统用于调制用于操作所述第一IR源(604)和所述第二IR源(608)的功率，以独立调制所述由所述第一IR源产生的所述IR辐射的所述强度和由所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述控制系统被配置为，响应于接收到对是否要确定所述第一参数和/或所述第二参数的指示，调制由所述第一IR源产生的所述IR辐射的所述强度和由所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度，使得所述IR检测系统产生指示所述第一参数和/或所述第二参数的所述信号。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的装置(600)，还包括处理系统(646)，所述处理系统被配置为根据所述信号导出所述第一参数和所述第二参数，和/或执行所述第二参数与所述第一参数之间的比较，以获得对所述目标气体在所述气体样本区域中的所述浓度的指示。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述处理系统被配置为：
基于在所述第一时间间隔期间获得的一系列信号值，根据所述信号确定所述第一参数；和/或
基于在所述第二时间间隔期间获得的一系列信号值，根据所述信号确定所述第二参数。
11.如权利要求9至10中的任一项所述的装置，其中，所述处理系统被配置为：
基于对由所述第一IR源产生的所述IR辐射的经调制强度和由所述第二IR源产生的所述IR辐射的经调制强度的指示时序，从第二信号分量去卷积第一信号分量，所述第一信号分量对应于检测到的归因于所述第一IR光束的所述强度，所述第二信号分量对应于检测到的归因于所述第二IR光束的所述强度；以及
根据所述第一信号分量导出所述第一参数，并且根据所述第二信号分量导出所述第二参数。
12.如权利要求1至11中的任一项所述的装置，其中，所述IR检测系统(616)包括IR检测器(648)，所述IR检测器包括IR敏感检测区，所述IR敏感检测区被定位为使用同一检测区来检测所述第一IR光束和所述第二IR光束两者。
13.如权利要求1至12中的任一项所述的装置(700)，其中：
所述IR生成系统(702)还包括第三IR源(750)，所述第三IR源被配置为产生用于形成第三光谱带中的第三IR光束(752)的IR辐射；
所述第三光谱带与第二目标气体的第三衰减系数相关联；
所述第三衰减系数高于所述第一衰减系数；
由所述第三IR源产生的所述IR辐射的强度能够响应于对用于操作所述第三IR源的功率的调制而在时间上调制；
由所述第三源产生的所述IR辐射的所述强度能够独立于所述由所述第一IR源和所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度而调制；
所述光束操纵系统(712)被配置为：将所述第一IR光束、所述第二IR光束和所述第三IR光束的光束路径进行组合，并沿所述光束路径引导所述第一IR光束、所述第二IR光束和所述第三IR光束通过所述气体样本区域(714)；并且
所述IR检测系统(716)被配置为检测所述第一IR光束、所述第二IR光束和所述第三IR光束在经过所述气体样本区域之后的强度，并且其中，由所述IR检测系统产生的所述信号还指示：
检测到的归因于所述第三IR光束的强度，其中，从所述信号的第三时间间隔导出的第三参数指示所述第三IR光束在所述气体样本区域中的衰减水平，其中，所述第三参数与所述第一参数之间的比较指示所述第二目标气体在所述气体样本区域中的浓度。
14.一种呼吸监测系统(200)，包括：
呼吸气体采样系统(202)，其被配置为获得呼吸气体样本；以及
如权利要求1至13中的任一项所述的装置(204)，其中，所述呼吸气体采样系统被配置为在所述装置的所述气体样本区域(206)中提供所获得的呼吸气体样本，其中，所述装置被配置为产生对所述目标气体在所获得的呼吸气体样本中的所述浓度的指示。
15.一种方法(800)，包括：
使用第一IR源(104)产生(802)用于形成第一光谱带中的第一IR光束(106)的IR辐射；
使用第二IR源(108)产生(804)第二光谱带中的第二IR光束(110)，其中：
所述第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联；
所述第二光谱带与所述目标气体的第二衰减系数相关联；
所述第二衰减系数高于所述第一衰减系数；
由所述第一IR源产生的所述IR辐射的强度能够响应于对用于操作所述第一IR源的功率的调制而在时间上调制；
由所述第二IR源产生的所述IR辐射的强度能够响应于对用于操作所述第二IR源的功率的调制而在时间上调制；并且
由所述第一IR源产生的所述IR辐射的所述强度能够独立于由所述第二IR源产生的所述IR辐射的所述强度而调制；
使用光束操纵系统(112)将所述第一IR光束和所述第二IR光束的光束路径进行组合(806)，以沿所述光束路径引导所述第一IR光束和所述第二IR光束通过气体样本区域(114)；
使用IR检测系统(116)检测(808)所述第一IR光束和所述第二IR光束在经过所述气体样本区域之后的强度；以及
使用所述IR检测系统(116)产生(810)信号(118)，所述信号指示：
检测到的归因于所述第一IR光束的强度，其中，从所述信号的第一时间间隔导出的第一参数指示所述第一IR光束在所述气体样本区域中的衰减水平；以及
检测到的归因于所述第二IR光束的强度，其中，从所述信号的第二时间间隔导出的第二参数指示所述第二IR光束在所述气体样本区域中的衰减水平，
其中：
所述第二参数与所述第一参数之间的比较指示所述目标气体在所述气体样本区域中的浓度。
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