JP6165767B2 - 赤外線を放出するシステム及び方法 - Google Patents

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Description

本開示は、流体中の1又は複数の分子種の相対量を検出するように構成されるシステムにおいて使用される赤外電磁放射線を生成する方法及び装置に関する。
被検体に供給される呼吸用ガスのフローの組成をモニタするように構成される既存のシステムがある。このようなシステムの幾つかは、組成の光学検出に依存する。一般に、電磁放射線のビームが、当該呼吸用ガスのフローのサンプル中を伝播され、電磁放射線が呼吸用ガスのフローを通過したあと、反対側にある光学検出器が、電磁放射線の1又は複数のパラメータを測定する。1又は複数のパラメータは、例えば、光帯域エッジ、帯域透過又は帯域吸収を含みうる。このような装置は、非分散(non-dispersive、ND)型システムとして知られている。
これらのシステムの電磁放射線源は、通常、実際に測定に使用されるよりも大きい立体角で電磁放射線を生成する。使用される立体角の外側で放出される電磁放射線は、概して失われ、すなわち従来のシステムによって実際的な目的のために使用されない。
従って、本開示の1又は複数の見地は、赤外線ソースアセンブリに関する。ある実施形態において、ソースアセンブリは、エミッタ及び反射アセンブリを含む。エミッタは、光路に沿って赤外電磁放射線を放出するように構成され、エミッタは、放射立体角で赤外電磁放射線を放出する。光路に沿って使用可能な放出された赤外電磁放射線の一部は、放射立体角より小さい有用な立体角で放出され、放射立体角は、有用な立体角を包含する。反射アセンブリは、有用な立体角外にある放出された赤外電磁放射線の少なくとも一部を反射するように構成され、反射される赤外電磁放射線は、エミッタに又はその近くに集束され、それによって、エミッタの熱を増大させる。
本開示の更に他の見地は、赤外電磁放射線を放出する方法に関する。ある実施形態において、方法は、放射表面から光路に沿って赤外電磁放射線を放出するステップであって、赤外電磁放射線は放射立体角で放出され、光路に沿って使用可能な放出された赤外電磁放射線の一部は、放射立体角より小さい有用な立体角で放出され、放射立体角は有用な立体角を包含する、ステップと、有用な立体角外にある放出された赤外電磁放射線の少なくとも一部を反射するステップであって、反射された赤外電磁放射線は、放射表面に又はその近くに集束され、それによって、放射表面における又はその近くにおける熱を増大する、ステップと、を含む。
本開示の別の見地は、赤外電磁放射線を放出するように構成されるシステムに関する。ある実施形態において、システムは、光路に沿って赤外電磁放射線を放出する放出手段であって、赤外電磁放射線は放射立体角において放出され、光路に沿って使用可能である放出された赤外電磁放射線の一部が、放射立体角より小さい有用な立体角で放出され、放射立体角が有用な立体角を包含する、放出手段と、有用な立体角外にある放出された赤外電磁放射線の少なくとも一部を反射する手段であって、反射された赤外電磁放射線が放出手段に又はその近くに集束され、それによって放出手段の熱を増大させる、手段と、を有する。
本開示のこれら及び他の目的、特徴及び特性、並びに構造の関連した構成要素の動作方法及び機能、及び製造の一部及び経済の組み合わせは、添付の図面を参照して以下の記述及び添付の請求項を検討することにより明らかになる。図面のすべてが、この明細書の一部を形成する。図面において、参照数字は、さまざまな図の対応する部分を示す。しかしながら、図面は、図示及び記述のためにだけあり、本開示の範囲を規定することを意図しないことが明白に理解されるべきである。
被検体に供給される呼吸用ガスのフローの組成をモニタするように構成されるシステム。 気道アダプタ及びガス測定モジュールを示す図。 気道アダプタ及びガス測定モジュールを示す図。 ガス測定モジュールのソースアセンブリを示す図。 ガス測定モジュールのソースアセンブリを示す図。 ガス測定モジュールのソースアセンブリを示す図。 赤外電磁放射線を生成する方法を示す図。
ここで使用されるとき、「a」、「an」、「the」の単数形は、文脈が他の場合を明確に示さない限り、複数の言及を含む。ここで使用されるとき、2又はそれ以上の部品又はコンポーネントが「結合される」という記述は、部品が、直接的に、又は間接的に、すなわち1又は複数の中間部品又はコンポーネントを通じて、リンクが生じる限り、一緒に結合され又は作動することを意味する。ここで使用されるとき、「直接的に結合される」という記述は、2つの構成要素が直接的に互いに接触することを意味する。ここで使用されるとき、「固定的に結合される」又は「固定される」という記述は、2つのコンポーネントが互いに対し一定の方向を維持すると共に一体となって移動するように結合されることを意味する。
ここで使用されるとき、「単体(unitary)」という語は、コンポーネントが単一部品又はユニットとして生成されることを意味する。すなわち、別々に生成され、その後ユニットとして一緒に結合される部品を含むコンポーネントは、「単体」のコンポーネント又は本体ではない。ここで用いられるとき、2又はそれ以上の部品又はコンポーネントが互いに「係合する」という記述は、部品が、直接的に、又は1又は複数の中間部品又はコンポーネントを通じて、互いに対し力を及ぼすことを意味する。ここに用いられるとき、「数」という語は、1又は1より大きい整数(すなわち複数)を意味する。
非限定的な例示として、上、下、左、右、上方、下方、前、後及びそれらの派生語は、図面に示される構成要素の向きに関連し、特に記述されない限り、請求項を制限しない。
図1は、被検体14が換気治療を受け取ることができる呼吸回路12内のガスの組成を解析するように構成されるシステム10を示す。一実施形態において、呼吸回路12は、呼吸回路12を通じて被検体14の気道に供給するための呼吸用ガスの圧縮フローを生成するように構成される圧力生成器に一端が接続される。しかしながら、これは、制限することを意図しない。一実施形態において、システム10は、ガス測定モジュール16を有する。
呼吸回路12は、回路コンジット18及び被検体インタフェース器具20を有する。多くの異なる治療状況において、被検体14の気道は、呼吸回路12と係合され、呼吸回路12を被検体14の気道と流体連絡するようにする。被検体14の気道は、被検体インタフェース器具20によって、呼吸回路12と流体連絡するように係合され、配置される。被検体インタフェース器具20は、密閉され又は密閉されない態様で被検体14の気道の1又は複数のオリフィスと係合することができる。被検体インタフェース器具20の幾つかの例は、例えば、気管内チューブ、鼻カニューレ、気管切開チューブ、鼻マスク、鼻/口マスク、フルフェースマスク、トータルフェースマスク、部分的呼吸マスク、又は被検体の気道とガスフローを連絡する他のインタフェース器具を含む。本発明は、これらの例に制限されず、いかなる被検体インタフェースの実現をも企図する。
回路コンジット18は、被検体インタフェース器具20の方へ及びそこから離れる方へガスを運ぶように構成される。非限定的な例により、回路コンジット18は、可撓性コンジットを含むことができる。この開示の目的で、回路コンジット18は、被検体インタフェース器具20へ及び/又はから圧縮ガスフローを運ぶ管状部材に必ずしも制限されない。回路コンジット18は、被検体インタフェース器具20によって被検体14の気道と流体連絡するように配置される中空の本体、コンテナ及び/又はチャンバを含むことができる。
回路コンジット18は、ガス測定モジュール16が取り外し可能に結合されることができるドックを含む。ドックは、ある実施形態において、回路コンジット18に含まれる気道アダプタ22によって形成される。例示として、図2は、気道アダプタ22及びガス測定モジュール16の分解組立図である。気道アダプタ22は、第1の開口24及び第2の開口26を有し、それらの間にフロー経路を形成することにより、呼吸回路12内の呼吸用ガスのフローが気道アダプタ22を通じて運ばれるように、構成される。気道アダプタ22は、Valoxポリエステル及び/又は他のポリマから成形されるワンピースのユニットでありうる。気道アダプタ22は、概して、平行六面体の中心セクション32及び2つの円筒状端部セクション28及び30を有し、2つの円筒状端部セクション28及び30は、第1の開口24及び第2の開口26を形成する。端部セクション28及び30は、中心セクション32と軸方向に位置合わせされる。
気道アダプタ22の中心セクション32は、ガス測定モジュール16のための座部を提供する。一体的なU字形のケーシング素子34は、気道アダプタ22にまっすぐ立てて及び図1の矢印36によって示される横断方向に、ガス測定モジュール16を明確に位置付ける。矢印36は更に、気道アダプタ22がそれ自体をガス測定モジュール16に組み付けるために移動される方向を示す。ウィンドウ38は、気道アダプタ22の第1の側40及び第2の側42の、気道アダプタ22の中心セクション32に形成される。ウィンドウ38は、赤外電磁放射線に関して光学的に透過性のある1又は複数の材料から形成される。ガス測定モジュール16が気道アダプタ22に組み付けられる場合、これらのウィンドウ38は、ここで詳しく記述される光路に沿って位置合わせされる。光路は、気道アダプタ22及び気道アダプタを流れるガスによって形成されるフロー経路を横断する方向に、及び第1の側40から第2の側42まで、延在する。
ガス測定モジュール16は、呼吸回路12内のガスの組成を解析するように構成される。ガス測定モジュール16は、ガス測定モジュール16によって形成されるサンプリングチャンバ内のガスの組成の解析を容易にする光学及び/又は電子コンポーネントを収容する及び/又は保持するハウジング44を有する。具体的には、ガス測定モジュール16は、ウィンドウ38を通じて、気道アダプタ22のサンプリングチャンバを横切るように赤外電磁放射線を指向し、赤外電磁放射線を受け取り、受け取られた電磁放射線の1又は複数のパラメータに関する情報を示す出力信号を生成する。1又は複数のパラメータは、強度、位相、フラックス、波長及び/又は他のパラメータの1又は複数を含むことができる。これらの出力信号は、サンプリングチャンバ内のガスの組成を決定するために使用されることができる。
他の例示として、図3は、動作のために接続されるガス測定モジュール16及び気道アダプタ22の概略部分図を示す。この図は、気道アダプタ22内に形成されるサンプリングチャンバ46を示す。図2及び図3の各々に見られるように、ハウジング44は、「U」字型の断面を有し、ソースアセンブリ48、検出器50及び/又は他のコンポーネントを囲む。「U」字型のハウジング44の2つの両側の脚部は、それらの間の間隙の対向する側面を規定する。間隙の一方の側の脚部には、ソースアセンブリ48が配置され、間隙の他方の側の脚部には、検出器50が配置される。ガス測定モジュール16は更に、ハウジング44内に配置される自己内蔵型エレクトロニクスを有する(図示せず)。
一対のウィンドウ51が、ハウジング44に形成され、図3に示される態様でガス測定モジュール16が気道アダプタ22とドッキングされる際に、ウィンドウ38と位置合わせされる。ウィンドウ51は、赤外電磁放射線に関して透過性がある1又は複数の材料から形成され、それにより、赤外電磁放射線は、サンプリングチャンバ46とハウジング44の内側の間を進むように、ウィンドウ38及び51の両方を通って光路に沿って通過することができる。
ソースアセンブリ48は、「MWIR」(中波長赤外線)帯域を含む広帯域放射線を生成する放射線源である。赤外線は、概して、0.7μmと300μmの間の光スペクトルの波長帯域を占める放射線をさす。「MWIR」は、概して、3μmと8μmの間の赤外線帯域の中波長サブセットをさす。ソースアセンブリ48によって放出されるMWIR放射線は、基準波長及び二酸化炭素波長(それぞれλREF及びλCO2)を含む。ソースアセンブリ48は、スペクトルの少なくとも一部(例えば0.7μmと30μmの間)について黒体として実質的に動作することができる。
検出器50は、2台の別個の感光センサ52及び54を有する。検出器50を通じたカプノメトリ/カプノグラフィの背後の基本的な動作原理は、4.275μm付近の帯域の赤外線放射は、信頼性をもって反復可能な関係に従って、(サンプルガスを通る固定長の経路を進行する際に)二酸化炭素濃度の増加と共に増大する吸収を経験する。比較によれば、同じ条件下の3.681μm赤外線の吸収は、二酸化炭素濃度に本質的に影響されない。
ソースアセンブリ48からのMWIR放射線が、サンプリングチャンバ46内の呼吸用ガスのフローを通過する際、λCO2の赤外線は、呼吸用ガスのフローの中の二酸化炭素の濃度に応じて減衰する。しかしながら、λREFの赤外線は、気体の中のいかなる二酸化炭素にも影響されず、ソースアセンブリ48からの赤外線強度によってのみ変化する。λREFの赤外線は、ビームスプリッタ56によってセンサ52に向けられ、λCO2の赤外線は、ビームスプリッタ56によってセンサ54に向けられる。λREF及びλCO2は、黒体放射曲線上でかなり近くにあるので、IR電磁放射線に対し感受性をもつセンサ52及び54の出力信号は、気体の中の二酸化炭素濃度が一定のままである限り、ソース放射線強度の小さい変動において、互いに略比例する。Nにより検出器50を「ゼロ調整」することによって(又は室内空気によるゼロ調整−すなわち、環境中の残留二酸化炭素について適当な補償を実施した後)、センサ52及びセンサ54からの出力信号レベルの間の基準比が確立される。2つの信号の間の比がこの基準比に等しいときはいつも、サンプリングチャンバ46内に二酸化炭素がない。センサ52の出力信号に対するセンサ54の出力信号の低下は、サンプリングチャンバ46内の二酸化炭素の濃度の対応する増加を示す。
図4−図6において、ソースアセンブリ48の1又は複数の実施形態が示されている。図4−図6にみられるように、ソースアセンブリ48は、エミッタ60、コリメート光学系62、反射アセンブリ64及び/又は他のコンポーネントの1又は複数を含むことができる。
エミッタ60は、それに印加される電流に応答して、光路に沿って赤外電磁放射線を放出するように構成される。例えば、エミッタ60は、その上に印刷された放射素子(図示せず)を有する基板66を有することができる。放射素子に印加される電流に応答して、放射素子は加熱され、赤外電磁放射線を放出することができる。エミッタ60は、放射立体角で赤外電磁放射線を放出する。放射立体角は、例えば約180°でありうる。放射立体角で放出される電磁放射線の分布は、ランバート分布でありうる。
コリメート光学系62は、光路に沿ってエミッタ60によって放出された電磁放射線の一部を受け取り、光路に沿って、電磁放射線の受け取られた一部をコリメートするように構成される。図4−図6に示される実施形態において、コリメート光学系62は、コリメートミラー70を有する。これは、制限することを意図せず、他の光学素子(例えば1又は複数のコリメートレンズ)が、コリメート光学系として実現されてもよい。コリメート光学系62によって受け取られる電磁放射線の一部は、エミッタ60の有用な立体角の範囲内で放出される電磁放射線である。エミッタの有用な立体角は放射立体角より小さく、放射立体角は、有用な立体角を包含する。有用な立体角は、コリメート光学系62のサイズ、形状及び/又は位置によって規定されることができる。放射立体角の範囲内にあり且つ有用な立体角の外側にある電磁放射線は、概して、コリメート光学系によって受け取られない電磁放射線からなる。従来の装置構成において、放射立体角の一部の範囲内にあり且つ有用な立体角の外側にある電磁放射線は、「失われ」うる(例えば、システム10の動作を改善するように供給されない)。
反射アセンブリ64は、有用な立体角の外側にある電磁放射線の少なくとも一部を、エミッタ60の方へ反射して戻すように構成される。反射アセンブリ64は、エミッタ60のところに又はその近くに、反射された電磁放射線を焦束するように構成されることができる。これは、基板66上の放射素子によって形成される放射表面に、反射された電磁放射線を焦束することを含むことができる。
図4−図6に示される1又は複数の実施形態において、反射アセンブリ64は、複数の反射体68を含むことができる。反射体68が、有用な立体角の外側にある電磁放射線の少なくとも一部を受け取るように、光路の周りに構成される。反射体68は、第1のロケーションで反射体68に入射する電磁放射線が、第2のロケーションで反射板68に入射する電磁放射線とは異なるエミッタ60の部分に集束されるように(例えば、放射素子の放射表面上の別のロケーション、基板上の別のロケーション、及び/又は他の別の部分)、構成されることができる。これは、反射アセンブリ64によって焦束される電磁放射線によって、エミッタ60に与えられる熱の均一性を高め及び/又は維持することができる。反射アセンブリ64に関するこの構成が制限することを意図しないことが理解されるであろう。ある実施形態において、図4−図6に示される反射体68とは異なって、反射アセンブリ64は、有用な立体角の少なくとも一部の周りに連続する反射面を提供するように製造される1又は複数のミラー(例えば単一ミラー)を有する。
反射アセンブリ64は、反射立体角で電磁放射線を受け取るように構成されることができる。ある実施形態において、反射立体角は、有用な立体角の端部で始まり、電磁放射線が反射アセンブリ64によって受け取られる光路からの最大角度まで続く。相対的に大きい角度の電磁放射線は、ある分布(例えばランバート分布)において低い強度を有する傾向があるので、この最大角度は、放射立体角より小さくいものでありうる。この最大角度は、約90°より小さく、約80°より小さく、約70°より小さく、約60°より小さく、及び/又は他の値を有することができる。反射アセンブリ64によって受け取られ、エミッタ60へ戻るように集束される有用な立体角の外側の電磁放射線のパーセンテージは、少なくとも30%であり、少なくとも40%であり、少なくとも50%であり、少なくとも60%であり、少なくとも70%であり、少なくとも80%であり、及び/又は他のパーセンテージでありうる。
有用な立体角の外側にある電磁放射線の反射は、エミッタ60の効率を高めることができる。エミッタ60が電流パルスによって駆動される実施形態において、反射された電磁放射線は、電流パルスに実質的に同期して熱を増大させる傾向がある。これは、電流パルスによるエミッタ60の熱の変調を容易にする。
図7は、被検体の気道と流体連絡する呼吸回路内の呼吸用ガスのフローの組成をモニタする方法80を示す。以下に示される方法80の処理は、説明的であることを意図する。ある実施形態において、方法80は、記述されない1又は複数の付加の処理を伴って達成され、及び/又は記述される処理の1又は複数を行わずに達成されることができる。更に、方法80の処理が図7に図示され以下に記述されている順序は、制限することを意図しない。
処理82において、赤外電磁放射線が生成される。赤外電磁放射線は、放射表面から光路に沿って放出される。電磁放射線は、放射立体角により放出される。光路に沿って使用される放出電磁放射線の一部は、放射立体角より小さい有用な立体角で放出され、放射立体角は、有用な立体角を包含する。ある実施形態において、処理82は、エミッタ60(図4−図6に示されここに記述される)と同じ又は同様のエミッタによって実施される。
処理84において、有用な立体角の外側にある放出された電磁放射線の少なくとも一部が、反射される。この反射は、放射表面に又はその近くに、電磁放射線を焦束し、それによって、放射表面における又はその近くにおける熱を増大する。ある実施形態において、処理84は、反射アセンブリ64(図4−図6に示されここに記述される)と同じ又は同様の反射アセンブリによって実施される。
処理86において、有用な立体角で放出されて呼吸用ガスのフローを通過した電磁放射線が、受け取られる。ある実施形態において、処理86は、検出器アセンブリ50(図3に示されここに記述される)と同じ又は同様の検出器アセンブリによって実施される。
処理88において、受け取られた電磁放射線の1又は複数のパラメータに関する情報を示す出力信号が生成される。ある実施形態において、処理88は、検出器アセンブリ50(図3に示される及びここに記述される)と同じ又は同様の検出器アセンブリによって実施される。
処理90において、呼吸用ガスのフローの組成に関する情報が、出力信号から決定される。この情報は、呼吸用ガスのフローの中の1又は複数の分子種の相対量、濃度及び/又はレベルを含むことができる。ある実施形態において、処理90は、出力信号を受け取る1又は複数のプロセッサによって実施される。
呼吸回路内の二酸化炭素を検出するように構成されるシステムに配置されるソースアセンブリ48の本明細書における記述は、制限することを意図しないことが理解されるであろう。ここに記述される原理は、さまざまなコンテクストにおいて、さまざまなタイプの流体(例えば、気体、液体及び/又は他の流体)中のさまざまな分子種について、センサの性能を高めるために実現されることができる。呼吸回路内の二酸化炭素を検出するように構成されたシステムの記述は、単なる例示的な実現例にすぎない。
請求項において、括弧内に示される参照符号は、請求項を制限するものとして解釈されるべきでない。「含む、有する(comprising、including)」という語は、請求項に列挙されるもの以外の構成要素又はステップの存在を除外しない。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段の幾つかは、同じ1つのハードウェアアイテムによって具体化されることができる。構成要素の前の「a」又は「an」の語は、このような構成要素の複数の存在を除外しない。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段の幾つかは、同じ1つのハードウェアアイテムによって具体化されることができる。特定の構成要素が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの構成要素が組み合わせにおいて使用されることができないことを示さない。
上に示される記述は、最も実際的且つ好適な実施形態であると現在考えられるものに基づいて、説明の目的で詳細を与えているが、そのような詳細は単にその目的のためにあり、本開示は、特に開示された実施形態に制限されず、逆に、添付の請求項の精神及び範囲の内にある変形例及び等価な構成をカバーすることを意図することが理解されるべきである。例えば、本開示は、可能な限りにおいて、任意の実施形態の1又は複数の特徴が他の実施形態の1又は複数の特徴と組み合わせられることができることを企図するものであることが理解されることができる。

Claims (13)

  1. 赤外線ソースアセンブリであって、
    光路に沿って赤外電磁放射線を放出するエミッタであって、前記エミッタは、赤外電磁放射線が放出される放射立体角を規定し、放出された赤外電磁放射線のうち前記光路に沿って使用可能な部分が、前記放射立体角より小さい有用な立体角を規定し、前記放射立体角が前記有用な立体角を包含する、エミッタと、
    前記有用な立体角の外側にある放出された赤外電磁放射線の少なくとも一部を反射する反射アセンブリであって、反射される赤外電磁放射線が、前記エミッタのところに又はその近くに集束されるように構成される、反射アセンブリと、
    を有するソースアセンブリ。
  2. 前記反射アセンブリは、少なくとも1つの集束ミラーを有する、請求項1に記載のソースアセンブリ。
  3. 前記反射アセンブリは、前記有用な立体角の外側にある放出された赤外電磁放射線の少なくとも30%を集束させるように構成される、請求項1に記載のソースアセンブリ。
  4. 前記反射アセンブリは、異なるロケーションから反射された赤外電磁放射線が前記エミッタ上の異なるロケーションに集束されるように、構成される、請求項1に記載のソースアセンブリ。
  5. 前記反射アセンブリは、放出された赤外電磁放射線を反射する単一の実質的に連続する反射面を形成する、請求項1に記載のソースアセンブリ。
  6. 赤外電磁放射線を放出する方法であって、
    放射表面から光路に沿って赤外電磁放射線を放出するステップであって、前記赤外電磁放射線は、前記放射表面により規定される放射立体角で放出され、放出された赤外電磁放射線のうち光路に沿って使用可能な部分が、前記放射立体角より小さい有用な立体角を規定し、前記放射立体角が前記有用な立体角を包含する、ステップと、
    前記有用な立体角の外側にある前記放射立体角で放出された赤外電磁放射線の少なくとも一部を反射するステップであって、反射される赤外電磁放射線が前記放射表面に又はその近くに集束されるようにし、それによって、前記放射表面における又はその近くにおける熱を増大させる、ステップと、
    を含む方法。
  7. 前記反射するステップは、少なくとも1つの集束ミラーによって実施される、請求項6に記載の方法。
  8. 前記反射するステップが、前記有用な立体角の外側にある放出された赤外電磁放射線の少なくとも30%を、前記放射表面に又はその近くに集束するように反射することを含む、請求項6に記載の方法。
  9. 異なるロケーションから反射された赤外電磁放射線は、前記エミッタ上の異なるロケーションに集束される、請求項6に記載の方法。
  10. 前記反射するステップは、放出された赤外電磁放射線を反射する単一の実質的に連続する反射面によって実施される、請求項6に記載の方法。
  11. 前記有用な立体角で放出される赤外電磁放射線の前記一部をコリメートするように構成されるコリメート光学系を更に有する、請求項1に記載のソースアセンブリ。
  12. 前記コリメート光学系が、前記放出された赤外電磁放射線のうち前記光路に沿って使用可能な部分を規定する、請求項11に記載のソースアセンブリ。
  13. 前記反射アセンブリが、前記有用な立体角の外側にある前記電磁放射線の少なくとも一部を受け取るように、前記光路の周りに構成される複数の反射体を有する、請求項11に記載のソースアセンブリ。
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