JP7253551B2 - 呼吸空気の呼気co2濃度を決定するためのガスセンサ - Google Patents
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Description
- 非常に小さいガス測定チャンバ
- ウイルスフィルタを介した拡散による非常に速いガス交換
- 分析に必要な呼吸用ガスの量が少なく、デッドスペースが小さい
- 気管チューブ内のマウスピースで直接CO 2 濃度を瞬時に測定することができる
- 患者の代謝状態を迅速に診断できる
- 気管チューブで直接測定
- バクテリア/ウイルスフィルタによる測定
- 時間的な遅れがない:CO 2 濃度の呼気溶解濃度測定
- エネルギー要求が低い非消耗型物理的測定原理
- 吸気段階の終わりに新鮮な空気濃度を自動的に校正
- 機械的にも流体的にも信頼性が高く、フローチューブを再利用可能な装置に固定するためのスナップインノーズにより、装置の交換が簡単かつ迅速に行える。
- ウイルスフィルタ付きの使い捨てのフローチューブ
- 拡散による測定ガスのデカップリング
-O-リングおよび/またはエリアシールおよび/または2Kプラスチックシールによる漏れのない接続。
- スナップインノーズによる装置の固定
-CO 2 モジュールは、再利用可能な装置内にある。
- 再利用可能なクリップ付きハウジング
- 使い捨て流路
- フローセンサ(使い捨てチャネルに属する
- 呼吸
- CO 2 センサ
- センサチャンバ
- バクテリアフィルタ
- ディスポーザブル
- 再利用可能
- 呼気
- 外気
- チャネル
- センサチャンバ
- フィルタ
- 多孔質
- センサ
- フィルタによるガスの拡散
その利点は以下の通りである。
- 原理が簡単(薄層の化学反応)
- 低濃度での感度
- コストパフォーマンスが高い
- センサが消耗する
- 長時間の安定性がない
- ガス種の選択性が低い
- CO 2 には適さない
- 動作温度が800℃までで、それに伴いメインストリームでの使用にはリスクがある
- 高精度
- 小さい寸法
- 電極材料が消耗される
- 寿命が短い割に比較的高価
- 波長4.3μmの赤外線吸収、吸収による呼吸ガス中のCO 2 濃度の測定
- 非消耗型
- メインストリームでの測定が可能
- 動作モードがそれぞれ精密な構造を必要とし、高価な光学部品を必要とする
- 部品が分泌物や呼気中の湿気による汚染に非常に敏感である
- フォトダイオードの経年変化
- 小型な構造
- 物理的な測定原理 - 非消耗型
- 費用対効果が高い
- 安定したメインストリームでの測定が可能
- 開発前の状態であること - まだ製品化されていないこと
- 熱ガスの特性である熱伝導率と温度伝導率の測定:実際のガス分析はできず、ガス成分を知らなければならない
- 熱分解能に限界がある(0.2vol%のCO 2 。
以下の構成からなるスタックとして構成されている。
- 配線キャリア
- 大気圧MEMS圧力センサ
大気圧MEMS圧力センサは、デジタルインターフェースと(オプションで)高いA/D分解能(できれば24ビット)を備えた大気圧高度計であることが好ましい(ただし、必ずしもそうでなくてもよい)
- サーマルMEMSガスセンサ
(任意で)ヒーターと少なくとも2つの検出器が、ガス測定空間に片持ちで設置されており非常に限られた空間にある測定場所で、熱ガス応答、気圧、ガス温度が直ちに測定され、かつ
(任意で)ヒーターと検出器が機械的に分離されているため、ヒーターから検出器への熱伝導は主に測定ガスを介して行われ
(任意で)検出器は、ヒーターから横方向に、定義された異なる距離で配置され
(任意で)熱センサのヒーターに周期的な加熱電力(好ましくは120Hz以上)が供給され
(任意で)検出器において、加熱信号に対するガス濃度依存の振幅および位相シフトが決定される
(任意で)検出器の信号が、互いに、またヒーター信号に関して絶対的かつ差分的に比較され
ガス種に依存するガス濃度(好ましくはCO 2 )への校正のために、(任意に)差と和の形成の合成が使用され
圧力および温度に依存するドリフト補正のために、ガス測定空間内の気圧センサで決定された絶対圧力および温度の値が、好ましくは多項式を用いて計算され
温度分解能および絶対精度は、熱式ガスセンサの検出器の温度校正およびその測定信号の使用によって大幅に向上させることができ
-(任意で)センサハウジングが、機械的保護としての流入グリッドを備えており
-(任意で)ガスの濃度を測定するための小型センサパッケージ(センサハウジング)が、フローチューブの横方向のボアのすぐ後ろに配置されており
- (任意で)測定ガスが、バクテリアフィルタまたはウイルスフィルタを介した拡散によって流路の外に結合され
-(任意で)小型化された構造により、ガス測定空間の容積が好ましくは250mm 3 以下であるため、通常の呼吸では10ms以内に濃度補正が行われ
-(任意で)小型化されたセンサパッケージ(センサハウジング)が、弾性Oリング、フラットシール、またはハウジングで成形された2Kプラスチックを介してフローチューブへのリークに対して機械的にシールされており
-(任意で)フィルタ、流入グリッドの形状、および小型ガス測定チャンバが、熱センサが外界からの流れに邪魔されずに動作できる定常領域を提供し
- バクテリアまたはウイルスフィルタを搭載したフローチューブが、(オプションで)使い捨てとして構成されており
-(任意で)マイクロプロセッサベースの信号評価を含むガス濃度測定用の小型センサパッケージ(センサハウジング)が、数グラムの重さで、小さな構造サイズを有し、MEMS部材の使用により、低消費電力、好ましくは50mW未満であり、正確かつ時間的に歪みのない測定を可能にするために、患者のマスク、マウスピースまたは気管チューブに直接組み込むことができること。
- ここで、測定装置は、例えば、小型化されたセンサパッケージ内の気圧MEMS圧力センサによって決定された流路の絶対圧力と、部屋の気圧との差を計算し、したがって、呼吸圧力を計算することになる。
- ここで、例えば、小型センサパッケージ内の気圧MEMS圧力センサによって決定された呼吸用空気の絶対圧力およびガス温度の値を利用して、MEMS流量センサによって測定された質量流量から、ATP条件(周囲の温度および圧力)における現在の体積流量に変換される。
センサ測定チャンバの前にあるメンブレンは、ガスチャンバを不動ゾーンに分割する:ほとんど流れのないゾーンは、熱ガス濃度測定の重要な前提条件である。
いくつかの実施形態では、チャンバの容積が非常に小さいことと拡散時定数が小さいことが、動的濃度測定のみを可能にするという点が重要である。最後に、測定チャンバ内のガス交換は受動的なプロセスであり、粒子の平均自由行程長に依存する(上記の拡散時間の理論的考察を参照)。
メンブレンは(任意で)、例えばMillipore社から追加購入した疎水性のウイルス/バクテリア膜である。オプションのフィルタは、例えば、測定チャンバへの液体の侵入を防ぐことができる。
フィルタ膜の直径は、送気管の直径を超えてはいけない。そうしないと、フィルタシールは、送気管の輪郭/エッジを超えて実装する必要があり、もはや平面領域ではなくなってしまう。そうすると、チャンバが呼気チューブにガス密閉(リークフリー)で接続されなければならないため、チューブと装置の間の接触圧力を高めなければならなくなる。例えば、呼気管の外径の60%程度が良い。
フィルタは使用中に汚染されるため、(オプションで)使い捨ての呼気管の一部となる。したがって、新しい呼気管で定義された拡散定数が得られる。再使用可能な装置に配置されたガスセンサは、フィルタが測定空間に無秩序に曲げられて結果が損なわれないように、機械的な保護としてグリッドを有する(過圧/咳でフィルタ膜を機械的に支え、無秩序な破れを防止する)。また、センサグリッド自体にもフィルタ膜を設けることができ、装置の湿式滅菌の際に、測定空間への消毒液の侵入を防ぐことができる。(この追加のメンブレンは、ガス交換や寸法測定の際に考慮する必要がある)。
シールは、センサの周りのハウジングの側面に設けられるか(現在はOリングシールを使用)、使い捨てチューブに成形されたシールリップ/フィルタとの接着、またはその両方によって行われる。
呼気チューブと装置の機械的(プラグ)接続は、チューブと測定チャンバ間に漏れがないようにする必要がある。
メンブレンは、再利用可能な装置の細菌/ウイルス汚染を呼吸ガスから分離する役割を(任意で)果たすが、同時に液体(析出する湿度、痰)の侵入からセンサを保護する。
メンブレンは一般的にバクテリア/ウイルスフィルタとして機能する
実施形態では、測定体積が比較的小さい
センサも全体として比較的小さい。
再利用可能な装置と、単回使用の使い捨て製品としての呼吸チャネル(例えば、チューブと使い捨て製品としてのフローセンサ)との分離。
流量、圧力、温度、CO 2 の測定
呼吸動態と湿度への対応
BluetoothまたはUSBストリームによる通信
Claims (29)
- センサ配列(100)であって、
気圧センサ(10)と、
熱ガスセンサ(20)と、
を備え、
前記熱ガスセンサ(20)は、前記熱ガスセンサ(20)のガス滲透性測定構造体(22)が、前記気圧センサ(10)のガス流入開口の前、または前記気圧センサ(10)の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ(10)の上、または前記気圧センサ(10)の側に配列され、
前記熱ガスセンサ(20)は、前記気圧センサ(10)の上に配置されたフレームを備え、
前記フレームは、前記ガス滲透性測定構造体(22)の動作領域が、前記フレームによって囲まれた前記熱ガスセンサ(20)の連続したリセスまたは穴である自由内部領域に及ぶように、前記ガス滲透性測定構造体(22)を担持し、
前記気圧センサ(10)の前記ガス流入開口または前記気圧センサ(10)の前記圧力感知面は、前記気圧センサ(10)の連続したリセスまたは穴である自由内部領域に接していることを特徴とする、センサ配列(100)。 - 前記熱ガスセンサ(20)は、前記気圧センサ(10)と互いに近接あるいは互いに直接接するように配置されていることを特徴とする、請求項1に記載のセンサ配列。
- 前記熱ガスセンサ(20)は少なくとも3つの導電性構造体(30、32、34)を含み、前記導電性構造体(30、32、34)は、ギャップによって離間され、第1の導電性構造体は加熱信号を備えるように構成され、第2の導電性構造体及び第3の導電性構造体は前記第1の導電性構造体から異なる距離で配列され、前記第2の導電性構造体及び前記第3の導電性構造体は温度センサとして動作するように構成されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のセンサ配列。
- 前記導電性構造体(30、32、34)は、結晶シリコンワイヤである、または、前記導電性構造体(30、32、34)は、膜材料上の多結晶ヒーターであると同時に半導体温度検出器またはサーモスタックであることを特徴とする、請求項3に記載のセンサ配列。
- 前記熱ガスセンサ(20)は、少なくとも2つの導電性構造体(30、32)を含み、前記導電性構造体(30、32)は、少なくとも1つのギャップによって離間され、第1の導電性構造体は、加熱信号を備えるように構成され、第2の導電性構造体は、温度センサとして動作するように構成されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のセンサ配列。
- 前記センサ配列は、前記第1の導電性構造体に第1の時間間隔内の加熱信号を提供し、前記第2の導電性構造体を温度センサとして用いるように構成され、
前記センサ配列は、前記第2の導電性構造体に第2の時間間隔内の加熱信号を提供し、前記第1の導電性構造体を温度センサとして用いるように構成されていることを特徴とする、請求項5に記載のセンサ配列。 - 前記導電性構造体(30、32、34)は、分析されるガスに囲まれるように構成され、前記第1の導電性構造体は、前記分析されるガスから前記第2の導電性構造体及び第3の導電性構造体への熱伝達を可能にするように構成され、前記第2及び第3の導電性構造体(32、34)は前記熱伝達のためのセンサとしての役割を果たすように構成されていることを特徴とする、請求項3または請求項4に記載のセンサ配列。
- 前記導電性構造体(30、32)は、分析されるガスに囲まれるように構成され、前記第1の導電性構造体は、前記分析されるガスから前記第2の導電性構造体への熱伝達を可能にするように構成され、前記第2の導電性構造体(32)は前記熱伝達のためのセンサとしての役割を果たすように構成されていることを特徴とする、請求項5または請求項6に記載のセンサ配列。
- 前記熱ガスセンサ(20)は、キャリア材料を備え、
前記熱ガスセンサ(20)は、前記気圧センサ(10)の外方を向く前記熱ガスセンサ(20)の表面から前記気圧センサ(10)に対向する前記熱ガスセンサ(20)の表面まで伸長する中央領域内に連続した凹部を備え、
前記ガス滲透性測定構造体(22)は前記凹部の領域の中に配置されていることを特徴とする、請求項1ないし請求項8のうちのいずれか1つに記載のセンサ配列。 - 前記熱ガスセンサ(20)は粘着性物質によって、前記粘着性物質が前記気圧センサ(10)の前記ガス流入開口、または前記気圧センサ(10)の前記圧力感知面と接触しないように、前記気圧センサ(10)に接続されていることを特徴とする、請求項1ないし請求項9のうちのいずれか1つに記載のセンサ配列。
- 前記センサ配列はプリント基板材料を備え、
前記気圧センサ(10)及び前記気圧センサ上の前記熱ガスセンサ(20)は前記プリント基板材料の一方の側に配置され、電気的接触のためのプラグまたは、はんだ接触部が、前記プリント基板材料の前記気圧センサ及び前記熱ガスセンサ(20)の外方を向くもう一方の側に配置される、または、
前記気圧センサ(10)及び前記気圧センサ上の前記熱ガスセンサ(20)は前記プリント基板材料の凹部に配置され、電気的接触のためのプラグが前記プリント基板材料の側面に配置されていることを特徴とする、請求項1ないし請求項10のうちのいずれか1つに記載のセンサ配列。 - 前記センサ配列は、評価手段を含み、前記評価手段は、前記熱ガスセンサを使用することによって得られるセンサ信号の位相及び振幅に基づいて、且つ前記気圧センサ(10)が提供する圧力情報及び場合によれば温度情報に依存して、ガス濃度を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1つに記載のセンサ配列。
- 前記センサ配列は、前記センサ配列が存在している内部の容積を提供するハウジングに囲まれており、
分析されるガスが拡散過程によって通過して前記ハウジングの外側から前記容積内の前記センサ配列に達することができるハウジング開口を備える前記ハウジングが設けられ、
前記ハウジングの前記開口は、前記センサ配列を汚染から保護するように構成された薄膜を備え、前記薄膜は分析されるガスが拡散することを可能にするように構成されていることを特徴とする、請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1つに記載のセンサ配列。 - 前記センサ配列は、前記センサ配列が存在している内部の容積を提供するハウジングに囲まれており、
前記ハウジングは、分析されるガスが拡散過程によって通過して前記ハウジングの外側から前記容積内の前記センサ配列に達することができる前記ハウジングの開口を備え、
前記ハウジングの前記開口は、前記センサ配列を汚染から保護するように構成された薄膜を備え、前記薄膜は分析されるガスが拡散することを可能にするように構成されていることを特徴とする、請求項12に記載のセンサ配列。 - 流路(700)であって、前記流路(700)は壁に開口を含む、流路(700)と、
請求項1ないし請求項14のうちのいずれか1つに記載のセンサ配列であって、前記センサ配列(100)は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路(700)の内部と空間的に接続されていて、前記流路(700)の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 流路(700)であって、前記流路(700)は壁に開口を含む、流路(700)と、
請求項12に記載のセンサ配列であって、前記センサ配列(100)は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路(700)の内部と空間的に接続されていて、前記流路(700)の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 流路(700)であって、前記流路(700)は壁に開口を含む、流路(700)と、
請求項13に記載のセンサ配列であって、前記センサ配列(100)は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路(700)の内部と空間的に接続されていて、前記流路(700)の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 流路(700)であって、前記流路(700)は壁に開口を含む、流路(700)と、
請求項14に記載のセンサ配列であって、前記センサ配列(100)は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路(700)の内部と空間的に接続されていて、前記流路(700)の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 前記センサ装置は、前記フレームがセンサ配列を囲むハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路(700)内のガス濃度から最大でも0.5vol%しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は10ms未満であることを特徴とする、請求項15に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記フレームがセンサ配列を囲むハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路(700)内のガス濃度から最大でも0.5vol%しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は10ms未満であることを特徴とする、請求項16に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記フレームが前記ハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路(700)内のガス濃度から最大でも0.5vol%しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は10ms未満であることを特徴とする、請求項17に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記フレームが前記ハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路(700)内のガス濃度から最大でも0.5vol%しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は10ms未満であることを特徴とする、請求項18に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記センサ配列に含まれるチャンバが一定の流れを有する領域を表すように構成されていることを特徴とする、請求項15ないし請求項22のうちのいずれか1つに記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は流量センサ(706)を備え、前記流量センサ(706)は、前記流路(700)内の流速および/またはガス流量および/または体積流量を決定できるように配置されていることを特徴とする、請求項15ないし請求項23のうちのいずれか1つに記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、環境圧を測定するように構成された第2の気圧センサを備えることを特徴とする、請求項15ないし請求項24のうちのいずれか1つに記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記流路(700)内の外気、または麻酔ガスが混合された新鮮な空気の流速に関する情報に基づいて、および/または前記流路(700)内の新鮮な空気、または麻酔ガスが混合された新鮮な空気の流速に関する情報に基づいて、較正するための時間を検出し、それに応答して前記熱ガスセンサ(20)の較正を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項15ないし請求項25のうちのいずれか1つに記載のセンサ装置。
- 前記熱ガスセンサ(20)は、前記熱ガスセンサ(20)のガス滲透性測定構造体(22)が、前記気圧センサ(10)のガス流入開口の前、または前記気圧センサ(10)の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ(10)の上、または前記気圧センサ(10)の側方に配列されており、
前記熱ガスセンサ(20)はキャリア材料を備え、
前記熱ガスセンサ(20)は、前記気圧センサ(10)の外方を向く前記熱ガスセンサ(20)の面から、前記気圧センサ(10)に対向する前記熱ガスセンサ(20)の面まで伸長する中央領域内に連続した凹部を備え、
前記ガス滲透性測定構造体(22)は、前記凹部の領域内に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載のセンサ配列(100)。 - 前記熱ガスセンサ(20)は、前記熱ガスセンサ(20)のガス滲透性測定構造体(22)が、前記気圧センサ(10)のガス流入開口の前、または前記気圧センサ(10)の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ(10)の上、または前記気圧センサ(10)の側方に配列され、
前記熱ガスセンサ(20)は粘着性物質により、前記粘着性物質が前記気圧センサ(10)の前記ガス流入開口、または前記気圧センサ(10)の前記圧力感知面と接触しないように、前記気圧センサ(10)に接続されていることを特徴とする、請求項1に記載のセンサ配列(100)。 - 前記熱ガスセンサ(20)は、前記熱ガスセンサ(20)のガス滲透性測定構造体(22)が、前記気圧センサ(10)のガス流入開口の前、または前記気圧センサ(10)の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ(10)の上、または前記気圧センサ(10)の側方に配列され、
前記センサ配列は、プリント基板材料を備え、
前記気圧センサ(10)及びその上の前記熱ガスセンサ(20)は前記プリント基板材料の一方の側に配置され、電気的接触のためのプラグまたははんだ接触部は、前記プリント基板材料の前記気圧センサ及び前記熱ガスセンサ(20)の外方を向くもう一方の側に配置される、または、
前記気圧センサ(10)、及びその上の前記熱ガスセンサ(20)は前記プリント基板材料の凹部に配置され、電気的接触のためのプラグが前記プリント基板材料の側方に配置されることを特徴とする、請求項1に記載のセンサ配列(100)。
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