KR20010022918A - 실시간 개스 분석 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20010022918A
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테이어즈엠.드르제비키
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테디어즈 엠. 드르제베키
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Abstract

본 발명은, 기지의 성분들로된 혼합물의 상태량을 측정하고 개개의 개스 농도들을 상기 혼합물의 측정된 상태량들에 연관시키는 세트를 이루는 방정식들을 상기 미지의 개개의 개스 농도들에 대해 풀음으로써 상기 혼합물내의 유체 성분들의 개개의 농도들을 결정하는 것을 포함하는 실시간 개스 분석 방법 및 장치에 관한 것이다. 혼합물내의 네 개의 개스들의 개개의 농도들은, 상기 혼합물을 유량계, 모세관, 오리피스 및 음파 발진기를 관통하여 통과시키고; 상기 센서들로부터 얻어지는 온도, 압력 및 음향 주파수 측정값들을 변환하며; 상기 혼합물의 밀도, 점도 및 비열을 결정하고; 상기 세 개의 상태량들을 개개의 개스 농도들에 각각 연관시키는 세 개의 식을 구하며; 상기 세 개의 방정식들 및 농도들의 합이 1이 될 것을 요구하는 구성 방정식을 네 개의 미지의 개개적인 개스 농도들에 대해 풀음으로써, 결정된다. 단일 발진기가 센서(예컨대, 유량계, 음향 속도계) 및 오리피스로서 동시에 작용할 수 있다. 상기 유체 센서들은 단일 칩의 일회용 센서 모듀울로서 형성될 수 있다. 프로세싱 소프트웨어만을 개조하므로써, 동일한 센서들 또는 서브세트를 이루는 센서들이, 그 자체로서 순수한 형태로 공급되거나 또는 실체들이 알려진 다른 개스들과의 혼합물로서 공급되는 미지 개스의 실체를 확인 또는 결정하기 위해 사용될 수 있게 된다. 전체로서의 개스 혼합물의 N-1 개의 상태량들을 측정하므로써, 상기 혼합물내의 개스들의 실체들이 알려지는한, M 개의 개스 농도들을 측정하기 위한 현존하는 센서 시스템의 성능들이 N 개의 부가적인 개스 농도들을 측정하도록 연장될 수 있다. 마찬가지로, 프로세싱 소프트웨어만을 개조하므로써, 동일한 센서가 특정의 세트를 이루는 개스 혼합물들을 분석하기 위해 사용될 수 있다.

Description

실시간 개스 분석 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR REAL TIME GAS ANALYSIS}
혼합물내에서 개스들의 상대적인 농도들을 결정하는 것은 여러해에 걸쳐서 수많은 발명들 및 광범위한 연구의 대상으로 채택되어져 왔다. 특히, 유해하거나 유독하거나 또는 다른 위험한 개스들이 존재될 때, 개스들의 양을 아는 것은 특정의 잠재적인 위험성에 노출되어있는 사람에게 주의를 환기시킨다는 차원에서 중요성을 띤다. 의료 및 진료를 위한 세팅물들에 있어서, 호흡된 개스들의 농도들을 아는 것은, 환자의 대사 조건, 특히 산소의 대사 뿐만아니라 호흡 기능에 대한 정보를 제공하는 산소 및 이산화탄소의 상대량 및 절대량을 결정하는데에 있어서 중요하다. 수술실 환경하에서, 마취사들은 마취 개스를 투여하는데 있어서 신중을 기하여야 하며, 이러한 마취 개스의 신중한 투여는 대사율의 함수로서 이루어진다. 마취사들은 또한 마취제의 과잉 투여 또는 수술중 환자가 깨어있을 수도 있는 가능성을 제공하는 마취제의 부족한 투여를 방지하기 위해, 투여되는 마취제의 절대량을 항상 인식하고 있어야 한다. 또한, 수개의 다른 강력 마취제들이 특정 절차의 진행중 계속적으로 투여되어야 하는 경우에는, 과잉투여를 방지하기 위해, 마취제들의 정미량이 모니터링되어야 한다.
다중 의료 개스 모니터들(multiple medical gas monitors: MMGMs)은, 마취제의 투여중 그리고 마취제의 투여후 바로, 마취 개스들을 포함하는 호흡 개스들을 연속적으로 샘플링하여 숨을 들이쉬고 내쉴 때의 상기 호흡 개스들의 (변동적인(end-tidal)) 농도들을 측정한다. 마취제의 과잉 투여 및/또는 너무 작은 산소량은 뇌 손상 및 사망을 유발할 수 있고 너무 작은 마취제의 양은 불충분한 마취를 유발하고 그에 따라 환자의 의식이 존재할 가능성을 제공하기 때문에, 상기와 같은 모니터들이 필요하게 된다. 이러한 모니터링 장치들의 현재까지의 발전은 광범위한 마취제 관련 및 생물의학적인 엔지니어링 문헌들에 기재되어 있다. 이러한 장치들에 대한 완전하고 특별한 정보는 수개의 최근 저서들(예컨대, 본 발명에서 인용되는 레이크(Lake)의, 진료 모니터링(Clinical Monitoring), WB Saunders Co., pp.479-498(ch.8), 1990 참조), 제조업자의 교역 간행물들(예컨대, 본 발명에서 인용되는 1983년 8월에 작성된 ECRI의 "다중 의료 개스 모니터들, 호흡된/마취제(Multiple Medical Gas Monitors, Respired/Anesthetic" 참조), 및 이러한 장비와 그 원리들 및 작동 방법과 기법들을 설명하는 광범위한 마취 관련 문헌에 상세하게 기재되어 있다.
의료 개스 모니터링은 임상의학자에게 환자의 생리학적 상태에 관한 정보를 제공하고, 반송된 개스들의 적당한 농도들이 투여되는 가를 확인시켜 주며, 개스 반송 시스템내의 장비 고장 또는 비정상적인 상황을 경고하여 준다. 이러한 모니터들은 들이마셔진 그리고 내쉬어진 개스 농도들을 디스플레이하고, 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 일산화질소(N2O), 또는 마취제가 요구되는 한도를 넘어서는 경우 의료 관계자의 주의를 환기시키는 알람을 발생시킬 수 있다.
대부분의 MMGMs는 측류 모니터링을 사용하며, 이에 따라 개스 샘플들이 길고 좁은 직경의 튜빙 라인들을 관통하는 호흡 회로로부터 호흡된다. 수증기를 제거하고 개스 샘플이 분석실에 도달하기 전에 샘플로부터 응축물을 제거하기 위해, 배수기, 건조제 및/또는 필터가 사용될 수 있다. 개스 샘플들은, 전형적으로는 50 내지 250 ml/min인, 조절가능한 또는 고정된 유속으로 모니터내로 흡입된다. 낮은 유속은, 호흡 회로로부터, 즉, 환자의 변동적인 호흡 체적유량으로부터 제거되는 개스의 양을 최소화한다. 그러나, 낮은 샘플링 유속은 응답시간을 지연시키고 전형적으로는 통상적인 측정들의 정확성을 떨어뜨린다. 개스 모니터들은 환기 시스템을 통하여 배출 개스를 제거하거나 또는 특정의 개스 성분을 환자의 호흡 회로로 복귀시키는 기능을 한다.
현재 수개의 마취 개스 모니터링 방법들 및 기법들이 당 업계에 공지되어 있다. 이러한 방법들 및 기법들을 이하에 간략하게 설명하며, 이는 상기 방법들 및 기법들의 고유한 장점들 및 단점들을 개략적으로 리스팅하기 위한 것이다. 마취중 환자의 호흡 회로내에서 마취제 및 호흡 개스들의 농도들을 결정할 수 있는 독립적인 그리고 다중적인 수술실 개스 모니터들에 대한 비교가 제공된다. 이러한 모니터들에 대한 연구 및 개발의 대부분은 분석화학으로부터 도출되는 유사한 검출 원칙들을 장기간에 걸쳐서 사용하므로써 완성된다.
MMGMs에 의해 측정되는 화학적으로 다양한 물질들에 기인하여, MMGMs는 하나 이상의 분석 방법을 공통적으로 조합하여 사용한다. 대부분의 MMGMs는 비분산형 적외선(IR) 흡수 기술을 사용하여 할로겐화된 마취제들, CO2및 N2O의 농도들을 측정한다. 그러나, 봉입된 개스가 펄스화된 광학 에너지에 노출될 때 생성되는 소리(음)에 기초해서 광음향 분광학을 사용하는 다른 MMGMs도 존재된다. 다른 MMGMs는 마취제 농도를 측정하기 위해 압전적인 방법을 사용한다. 전자화학적인 (예컨대, 갈바니) 연료 전지들 및/또는 상자성 센서들이 근본적으로 그들의 성능 특성들에 기인하여 산소 농도를 측정하기 위해 전형적으로 사용된다. 또한, 헤모글로빈이 산소 및 일산화탄소와 결합하고 통상적인 단일 파장 펄스 옥시미터들(single wavelength pulse oximeters)이 산소와 일산화탄소를 구분할 수 없기 때문에, 산소 및 일산화탄소의 존재에 있어서의 모호성으로 인하여 심각한 문제점이 발생되기는 하지만, 특정의 MMGMs는 조직 산소 관류를 모니터링하기 위한 내장형 또는 모듈러 펄스 옥시미터들을 갖는다.
적외선 분석기들은 여러해동안 연구 용도로 화합물들을 식별하고 평가하기 위해 사용되어져 왔다. 최근에는, 상기 적외선 분석기들이 CO2, N2O 및 할로겐화된 제재들의 호흡 모니터링을 위해 채택되었다. 이중-격실 비분산형 IR 분광계는 IR 에너지를 백열 필라멘트로부터 샘플 격실 및 동일한 기하학을 가지면서 공기로 충진된 기준 격실을 관통하여 통과시킨다. 각각의 개스는 수 파장의 광을 흡수하지만, 단지 단일 흡수 파장이 개스 농도를 결정하기 위해 각각의 개스에 대해 선택된다. 광은 상기 격실들을 관통하여 통과한 후에 필터링되며, 단지 각각의 개스에 대해 선택된 파장만이 검출기로 전달된다. 분석실내에서의 광흡수는 개스의 부분 압력(예컨대, 농도)에 비례한다. 핼로세인(halothane), 엔플루레인(enflurane), 이소플루레인(isoflurane) 및 다른 관련되는 강력 마취제들을 검출하기 위해, 대부분의 제조업자들은 수소-탄소 결합이 광을 흡수하는 최대 파장인 약 3.3 ㎛ 범위까지의 파장을 사용한다. 할로겐화된 제재들을 식별하고 정량화하는 하나의 모니터에 있어서, 상기 분석기는 단일-채널 4-파장 적외선 필터 광도계이다. 이러한 모니터에 있어서, 네 개의 필터들중 각각의 (즉, 각각의 마취제의 비교를 위한 베이스라인을 제시하기 위한 하나의) 필터는 IR 에너지의 특정 파장을 전달하며, 각각의 개스는 선택된 파장대들에서 서로 다른 방식으로 IR 에너지를 흡수한다. 다른 모니터에 있어서, 강력 마취제는 세 개의 다른 광 파장들에서 그 흡수도를 결정하므로써 분석된다. 다중-개스 마취제 분석기인 (비커스 메디칼(Vickers Medical)의) 다텍스 캡노맥(Datex Capnomac)은 적외선 복사량의 흡수에 기초한 것이다. 이러한 유니트는 CO2, NO2, 및 N2O와 마취제 증기들의 농도에 있어서의 호흡시마다의 변화들을 정확하게 분석한다(본 발명에서 인용되는 맥피크(McPeak) 등의, "다중개스 마취제 모니터의 평가: 다텍스 캡노맥(Evaluation of a multigas anaesthetic monitor: the Datex Capnomac", Anaesthesia, Vol.43, pp.1035-1041, 1988 참조). 상기 유니트는 CO2에 대해서는 60호흡수/min까지 정확하며 O2에 대해서는 30호흡수/min까지 정확하지만, N2O 및 마취제 증기는 10호흡수/min보다 높은 주파수에서 정확도가 떨어진다. CO2및 N2O에 대한 특이성(specificity)을 증가시키기 위해 좁은 웨이브-밴드(wave-band)를 갖는 필터들을 사용하는 것은, 동일한 웨이브-밴드에서 측정되는 마취 증기들의 식별을 더욱 어렵게 한다. Inov3100 근적외선 분광학 모니터는 마취 및 수술중 뇌내 산소투여를 위한 모니터로서 제공된다. 이러한 모니터에 대한 연구결과, 이러한 모니터가 넓은 옵토드 분리(wide optode separation)를 필요로하며, 측정값들은 분할된 내부 경동맥 순환 유량보다는 외부 경동맥 유량의 측정에 더욱 가깝게 된다(본 발명에서 인용되는 해리스(Harris) 등의 "성인에 있어서의 근적외선 분광학(Near-infrared spectroscopy in adults)", Anaesthesia Vol.48, pp.694-696, 1993 참조). 거의 모든 비분산형 적외선(non-dispersive infrared: NDIR) 장치들에 있어서는, 존재될 수 있는 교차-민감성들(cross-sensitivities)에 의해 결점들이 발생되며, 그에 따라 개스들의 혼합물이 유동될 때 광범위한 검정(calibration) 및 교정(correction)을 필요로 하게 된다. 특히, O2의 존재는 중대한 문제점을 발생시킨다.
광음향 분광학에 있어서는, 광학 복사선의 흡수에 의해 개스가 팽창될 때 생성되는 에너지가 측정되고, 광원 및 측정실 사이에서 세 개의 동심적인 슬로팅된 부분들을 갖는 디스크를 회전시킴으로써 에너지가 펄스화된다. 창출되는 음향 압력 변동은 20 내지 20,000 Hz사이의 주파수에서 발생되며, 마이크로폰에 의해 검출되어 전기적인 신호로 변환되는 음을 생성한다. 각각의 개스(예컨대, 마취제, CO2, N2O)는 입사 광 에너지의 다른 파장에서 현저한 광음향 효과를 나타낸다. 그러나, 이러한 방법에 있어서는 어떠한 할로겐화 제재가 존재되는 가를 구별할 수 없게 된다. 유사한 마이프로폰이 상자성 산소 센서(paramagnetic oxygen sensor)에 있어서의 맥동 압력 변화들(예컨대, 자기음향)을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 상기 마이크로폰은 모든 네 개의 개스들로부터 동시에 상기 맥동 압력들을 검출하며 네 개의 성분 신호들을 생성한다. IR 광음향 기술을 사용하는 모니터가 개발되었고, 이러한 IR 광음향 기술은 N2및 수증기(수증기의 존재는 정확도에 부정적인 영향을 미침)를 제외한 모든 공통적으로 호흡된 마취 개스들을 정량화할 수 있다. 브루얼 및 자르 다중개스 모니터1304(The Bruel ＆ Kjaer Multigas Monitor 1304)는 광음향 분광학을 사용하고 또한 펄스 옥시미터를 통합한다. 이러한 모니터는, 개스 농도를 실시간 관계로 디스플레이하면서 모든 개스들의 검출에 대해 동일한 마이크로폰을 사용하기 때문에, 상기 데이터 캡노맥 분석기에 비해 특정의 장점을 제공한다. 나피온 튜브(nafion tube)보다는 하이브리드 샘플링 튜브(hybrid sampling tube)가 사용될 때 정확도가 현저히 감소되는 것으로 밝혀졌으며, 수증기의 제거를 확실히 하기 위해 나피온 샘플링 튜브를 사용하는 경우에는 부가적인 비용이 발생된다(본 발명에서 인용되는 맥피크(MaPeak) 등의 "브루얼 및 자르 모니터 1304의 평가(An Evaluation of the Bruel and Kjaer monitor 1304)", Anaesthesia, Vol.47, pp. 41-47, 1992 참조).
압전 방법은 또한 선택된 할로겐화 제재의 농도를 측정하기 위해 사용된다. 샘플은 두 개의 결정들을 포함하는 격실을 관통하여 펌핑되며, 상기 두 개의 결정들은 기준 결정 및 마취 개스를 흡수하기 위해 오르가노필릭 화합물(organophillic compound)에 의해 코팅되는 제 2 결정이다. 질량에 있어서의 결과적인 증가는 샘플내 마취 개스의 농도에 정비례하여 코팅된 결정의 공명 주파수를 변화시키며, 그에 따라, 수증기의 백분율로서 디스플레이되는 전압을 발생시킨다. 하나의 압전-기준 유니트는 호흡을 검출하기 위해 들이마심 및 내쉼을 차등화하는 별도의 비분할식 IR 센서 뿐만아니라 샘플 개스가 호흡 회로로 복귀되기 전에 산소 농도를 측정하는 일체적인 갈바니 연료 전지를 갖는다. 상기 장치들은 또한 존재될 수 있는 다른 개스들에의 교차-민감성을 드러내는 것으로 밝혀졌다.
질량 및 라만 분광계들(mass and Raman spectrometers)은 N2및 특정의 경우에 있어서 헬륨을 포함하는 모든 호흡적인 그리고 마취적인 개스들을 측정 및 식별할 수 있다. 질량 분광학을 마취 개스를 모니터링하는 분야에 적용하므로써, 모든 들이마셔지는 그리고 내쉬어지는 개스들의 실시간 측정이 가능하게 된다. 불행하게도, 이러한 계기의 가격 및 복잡성으로 인하여, 상기 계기는 여러개의 수술실들 사이에서 시간을 쪼개어서 이러저리 옮겨다녀야 하는 불편함을 유발한다. 라만 스캐터링(Raman scattering)은 질량 분광학에의 개선책으로서 최초로 공지되었고 (본 발명에서 인용되는 웨스텐스코우(Westenskow) 등의 "라만 스캐터링 다중 개스 분석기의 진료적인 평가(Clinical evaluation of a Raman scattering multiple gas analyzer)", Anesthesiology, Vol.70, pp.350-355, 1989 참조), 이러한 기술에는 특정의 제한 조건이 따른다(본 발명에서 인용되는 세베링하우스(Severinghouse) 등의 "하나의 질량 분광기를 이용한 다중-수술실 모니터링(Multi-operating room monitoring with one mass spectrometer", Acta Anaesthesiol Scan [Suppl] 70: 186-187, 1987 참조). 펄스 옥시미터를 갖는 (오메다) 라스칼((Ohmeda) Rascal) II 다중개스 분석기는 O2, N2, CO2, N2O 및 마취제를 식별 및 정량화하기 위해 레이저 광의 라만 스캐터링을 사용한다. 그러나, 핼로세인의 농도가 재순환시 떨어지지 않기 때문에 분석중 휘발성 제재의 특정 파괴가 발생될 가능성이 있게 되며, 15% 만큼의 휘발성 제재의 게인(gain)이 있게 된다. 또한, 하드웨어, 소프트웨어 및 레이저 광원의 신뢰성에 관한 특정의 우려가 도출되며(록크우드(Lockwood) 등의 "오메다 라스칼 II(The Ohmeda Rascall II)", Anaesthesia, Vol.49, pp.44-53, 1994 참조), 이러한 우려는 타인들에 의해서도 제기된 바 있고, 비용이 소모되는 검정 및 조절을 자주 필요로 한다.
다른 관련되는 의료용 개스 모니터링에 대한 접근들은 산소 농도를 모니터링하기 위한 특별한 기법을 포함한다. 레이크(Lake)에 의한 상기 문헌에 기재된 바와 같이, 공통적으로 사용되는 산소 분석용 검출기는 폴라로그래픽 방법(polarographic method)에 기초한 것이다. 갈바니 전지를 사용하는 또 다른 분석기에 있어서는, 산소는 반투과성 막을 관통하여 확산되며 환원 전극에 도달되고 다른 (예컨대, 기준) 전극에의 반응물로서 수반되어 전자들을 자유화한다. 산소가 전지내로 확산되어 전압을 생성하는 비율은 상기 막을 관통하여 확산되는 산소의 부분 압력에 정비례한다. 상기 전지들의 출력 및 수명에 악영향을 미치는 수개의 인자들이 존재된다. 그 수명이 다하는 동안, 전극은 물 성분을 유실하며, 특정의 물은 산소로서 확산되고, 이러한 산소는 특정의 물이 산화를 통해 소모되는 동안 전지내로 유입된다. 따라서, 종국적으로는 상기 전극은 교체되어져야만 한다.
상자성 센서들은 전형적으로 특히 산소 농도를 측정하기 위해 사용된다. 상기 센서의 디자인은 자력들에 대한 산소의 (예컨대, 다른 개스들과 비교하여) 높은 정도의 민감성(sensitivity)에 기초하여 이루어진다. 센서는 샘플 및 기준 개스(예컨대, 공기)를 위한 동일한 격실들을 갖는 대칭적인 두 개의 격실들로된 전지를 포함한다. 이러한 전지들은 계면에서 차압 변환기(differential pressure transducer) 또는 마이크로폰(microphone)에 의해 결합된다. 샘플 및 기준 개스들은 격실들을 관통하여 펌핑되며, 격실들내에서는 상기 구역을 둘러싸는 강한 자계가 산소 분자량들에 작용하여 전지의 두 개의 측면들 사이에서 차압을 발생시키고, 그에 따라 상기 변환기로 하여금 산소 농도에 비례하는 전압을 생성하도록 한다. 대부분의 장치들에 있어서와 마찬가지로, 상기 장치는 빈번한 검정을 필요로 하며, 자체적으로 많은 비용을 수반하고, 작동자 기술에 의존하여서만 적당하게 작동될 수 있다.
본 발명에서 참조로 인용되는 에이센크래프트(Eisenkraft) 등의 "마취제 반송 시스템에 있어서의 모니터링 개스들(Monitoring Gases in the Anesthesia Delivery System)"(Anesthesia Equipment: Principles and Applications, Mosby-Year Book, pp.201-220, 1993)에 의해 유도되는 표 1은 호흡되는 개스들을 모니터링하기 위한 방법들 및 기법들의 요약을 제공한다.
표 1
방법 O2CO2N2O Anes N2He Ar
질량 분광학 YES YES YES YES YES YES YES
라만 분광학 YES YES YES YES YES YES YES
IR-Light 분광학 NO YES YES YES NO NO NO
IR-Photo 음향학 NO YES YES YES NO NO NO
압전 공진 NO NO NO YES NO NO NO
폴라로그래피 YES NO NO NO NO NO NO
연료 전지 YES NO NO NO NO NO NO
상자성 분석 YES NO NO NO NO NO NO
자기음향학 YES NO NO NO NO NO NO
환자의 안전성이 최근의 게인들 및 부가적인 개선사항들의 필요성에 대해 미치는 영향을 논하지 않은 상태에서, 배경기술을 고찰하고 MMGM의 중요성을 논하는 것은 불완전할 수 밖에 없다. 명백하게는, 마취가 갖는 내재적인 위험성은 오랜동안에 걸쳐서 인식되어져 왔다. 그러나, 하버드 교습 병원의 마취부(Department of Anesthesia at the Harvard Teaching Hospital)가 기본적인 모니터링 표준안들을 마련하기로 결정하고 나서야, 비관혈적 호흡 개스 모니터링(non-invasive respiratory gas monitoring)이 널리 유행하게 되었고 그 사용이 일반화되었다. 마취에 대한 하버드 의대 표준은 이하와 같다:
1) 마취제 적용의 안정성 및 유효성을 확실히 하는 능력;
2) 종국적으로는 신뢰성을 향상시키게 되는 방법 및 기술의 단순성, 저렴한 구입 비용, 저렴한 비용의 서비스, 저렴한 비용의 작동 및 저렴한 비용의 유지;
3) 필요한 마취 개스들, 특히 CO2, O2및 강력 개스 마취제의 상대적인 농도들을 모니터링하기 위한 적당한 정확도, 정밀도 및 안정성; 및
4) 마취도중 호흡율에 관한 개스들의 상대적인 농도들의 변화들을 모니터링하는데 있어서의 적당한 응답시간 및 수용가능한 시간지연.
의료상 과실행위에 대한 보험을 취급하는 보험회사들은 그들의 위험도 및 비용부담을, 가능한한 펄스 옥시메트리(pulse oximetry) 및 변동적인(end-tidal) CO2텐션 모니터링을 사용할 것을 확언하는 마취사들에게 전가하고 있다(본 발명에서 인용되는 스웨들로우(Swedlow)의 "호흡 개스 모니터링(Respiratory Gas Monitoring)" Monitoring in Anesthesia, pp.27-50, Boston, Butterworth- Heinemann, 3rd edition, 1993 참조). 추가적인 환자 안전성을 제공하기 위한 논쟁은, 마취 개스들의 모니터링과 관련한 증가된 지식을 제공하기 위한 방법 및 기법들을 개선시키고 향상시키는데에 대하여 강력한 동기를 부여하게 된다.
(N2를 갖는) 공기가 도입됨에 따라 질소가 공기 색전증(air embolisms)의 경고를 제공하고 호흡 회로 완전성의 손실에 대해 주의를 환기시키기 때문에, 안전성을 고려할 때 질소의 존재를 검출하는 것이 필요하다. 대부분의 통상적인 개스 모니터들의 주요한 결점들은 그들이 N2를 측정하지 않는다는 데에 있다. 상기한 바 있는 기술들을 하나 이상 조합하여 사용하는 오늘날의 MMGMs의 주요한 결점은 그들이 고가로 된다는 데에 있다. 다른 결점은 이러한 센서들중의 상당수가 단지 특정 형태의 개스들 또는 단지 제한된 개수의 개스들의 농도들을 결정할 수 있다는 데에 있다.
유체적인 개스 농도 센서들(fluidic gas concentration sensors)은 상기한 기술들을 사용하는 장치들에 대해 염가의 대안을 제공한다. 그러나, 발진기들 또는 오리피스-모세관 쌍과 같은 공지된 유체적 개스 농도 센서들은 최대한 두 개의 개스들의 혼합물내에서만 개스들의 농도를 검출할 수 있었고, 최근까지는 압력을 저렴한 가격으로 충분한 정밀도를 가지고 측정하는 것이 어려웠기 때문에, 시스템의 실용성을 떨어뜨리게 되는 문제가 있었다.
특히, 선행기술에 따른 유체 개스 농도 센서들, 즉, 그 주파수가 음속 및 그러므로 혼합물의 비열비의 함수로서 주어지는 (예컨대, 본 발명에서 인용되는, 빌라로엘(Villarroel) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 3,765,224 호에 기재된 바와 같은) 발진기들, 또는 그들 사이의 접합점에서의 압력이 혼합물의 밀도 및 점도의 함수로서 주어지는 (예컨대, 본 발명에서 인용되는, 빌라로엘에게 허여된 미합중국 특허 제 3,771,348 호에 기재된 바와 같은) 오리피스-모세관 쌍은, 혼합물내에서 두 개의 개스들의 상대적인 농도들을 측정하는 것을 그 기술의 근간으로 한다. 따라서, 다중 개스 혼합물들을 다중의 2-개스 혼합물로 물리적으로 또는 화학적으로 분리시키고 분리된 2-개스 혼합물을 별도로 분석하므로써, 다중개스 분석작업이 수행될 수 있게 된다. 그러나, 이러한 다중 스크러버를 이용한 접근들(multiple scrubber approaches)은, 샘플류들(samples streams)과 연관하여 상대적으로 낮은 유속으로 스크러버 체적을 관통하여 개스 샘플들이 통과하기 때문에, 지연 시간이 매우 길어지게 되고 이에 따라 실시간적인 실시가 어렵게 되는 문제가 있었다. 그러므로, 적당한 가격으로 상기 유체적인 센서들을 이용할 수 있음에도 불구하고, 상기 다중 스크러버를 이용한 접근 방법들은 마취제의 투여중 의료 개스들의 농도들을 측정하기 위한 MMGMs에 있어서 널리 사용되지 않고 있다.
의료분야에 있어서의 개스 분석의 다른 용도는 공급원으로부터 유동되는 개스의 실체 및 순도를 결정하거나 또는 확인하는 것과 관련된다. 산소, 일산화질소 및 휘발성 마취 개스들과 같은 개스들이 공급원으로부터 수술실, 중환자실 및 병실내의 환자에게 공급된다. 예컨대, 산소는 종종 원격적으로 배치되는 산소 탱크에 이어지는 벽 배출구를 통하여 공급된다. 마취제는 전형적으로 증발기내에 저장되며, 공급되는 마취제 증기의 양을 제어하기 위해 사용되는 유량계를 관통하여 (예컨대, O2와 같은) 담체 개스를 부가하므로써 공급된다. 마취 기계는 수개의 휘발성 마취제들을 포함할 수 있고, 이러한 마취제들은 각각 별도의 유량계를 갖는 별도의 용기내에 유지된다. 공급원으로부터 적확한 개스가 유동되는 것을 보장하기 위해 일반적으로 예방 조치들이 취하여지지만, 적확하지 않은 개스 또는 오염된 개스가 공급될 가능성은 여전히 존재된다. 예컨대, 일산화질소 탱크가 잘못해서 산소 공급 라인에 연결될 수 있고 하나의 형태의 마취제가 잘못해서 다른 형태의 마취제로서 라벨링된 마취제 용기내에 저장될 수 있다. 또한, 개스의 순도가 공급원과 공급지점의 사이에서 손상될 수 있다. 예컨대, 산소 공급 라인이 손상되거나 또는 파열될 수 있고, 이에 따라, 대기중의 개스들이 상기 공급 라인으로 유입되므로써 감소된 농도의 산소가 공급될 수도 있게 된다.
개스 공급원에서 또는 개스 공급 지점에서 개스들의 실체 및 순도를 확인하기 위해 기지의(known) 개스 분석기들을 사용하는 데에는 비용이 많이 들며 많은 환경들에 있어서 비실용적이게 된다. 예컨대, 통상적인 개스 분석기를 병원내의 모든 산소 공급용 배출구에 통합시키는 데에는 엄청난 비용이 소요된다. 마찬가지로, 병원내에서 마취 개스의 각각의 용기내에 통상적인 개스 분석기를 통합하는 데에도 비용이 많이 소요된다. 또한, 통상적인 개스 분석기들은 주기적인 검정을 필요로 하며, 이에 따라 이러한 개스 분석기들이 많은 부분에 있어서 비실용성을 띤다. 그러므로, 공급원에서 또는 공급 지점에서 개스들의 실체 및 순도를 확인하기 위해, 유지비가 작게 되는 염가의 개스 분석기가 필요하게 된다.
본 출원은 1997년 8월 18일 출원된 "유체적인 실시간 다중 개스 분석기(Fluidic Real Time Multiple Gas Analyzer)"라는 발명의 명칭을 갖는 미합중국 가특허출원 제 60/055,982 호 및 1997년 12월 18일 출원된 "유체적인 센서들을 이용한 실시간 개스 분석 방법 및 장치(Method and Apparatus for Real Time Gas Analysis Using Fluidic Sensors)"라는 발명의 명칭을 갖는 미합중국 가특허출원 제 60/069,422 호에 기초한 우선권 주장을 수반한다.
본 발명은 예정된 개수의 유체들로된 특정 혼합물의 유체 성분 개개의 농도들을, 바람직한 실시예에서 유체 센서들을 이용하여, 실시간적으로 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 개스 혼합물내에서 단일 개스 또는 미지 개스(unknown gas)의 실체 및/또는 순도를 결정 또는 확인하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 직렬로 배열되는 유량계, 모세관 및 오리피스로된 아날로그 회로를 나타내는 개략도.
도 2a는 통상의 유체적인 발진기 유량계의 작동 사이클의 절반을 나타내는 개략도.
도 2b는 통상의 유체적인 발진기 유량계의 작동 사이클의 나머지 절반을 나태는 개략도.
도 3은 본 발명에서 사용되는 하나의 유량계에 있어서 관통 유량에 대한 발진기 주파수의 선형 의존성을 그래프적으로 나타내면서 유량계의 선형 유동-주파수 특성들이 유동되는 개스의 종류에는 무관하게 된다는 것을 암시하는 데이터.
도 4는 3-개스 분석기의 하나의 실시예에 있어서 사용되는 모세관 저항기 및 오리피스에 대한 압력 강하 및 유량 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 5a는 본 발명에 따른 3-개스 분석기를 개략적으로 나타내는 도면.
도 5b는 세 개의 기지(known) 개스들의 혼합물에 있어서 성분 개스들의 개개의 농도를 결정하는데 수반되는 공정 단계들을 요약해서 나타내는 순서도.
도 5c는 일회용 센서 모듀울을 포함하는 모듈러 3-개스 분석기를 개략적으로 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따라 유체적인 집적회로 적층부들 및 외부의 분리가능한 압력 변환기로 구성되는 3-개스 분석기를 나타내는 사시도.
도 7a는 3-개스 분석기로부터 산소, 이산화탄소 및 핼로세인(즉, 강력 휘발성 마취제)을 측정하는 3-개스 분석기의 출력부들의 가상 실시간 데이터를 나타내는 그래프.
도 7b는 공기 모니터링 작동 모드하에서 실제적인 호흡중 산소 및 이산화탄소의 예시적인 실시간 추적결과들을 나타내는 그래프.
도 7c는 95% O2및 5% CO2로 구성되는 검정 개스에 대한 본 발명에 따른 시스템의 응답을 나타내는 그래프.
도 8은 긴 피드백 라인을 갖는 유체적 발진기에 있어서 분자량에 대한 비열비의 제곱근에 대한 주파수의 관계를 그래프적으로 나타내는 데이터.
도 9a는 본 발명에 따른 4-개스 분석기를 개략적으로 나타내는 도면.
도 9b는 다섯 개의 기지 개스들의 혼합물에 있어서 성분 개스들의 개개의 농도를 결정하는데 수반되는 공정 단계들을 요약적으로 나타내는 순서도.
도 9c는 일회용 센서 모듀울을 포함하는 4-개스 분석기를 개략적으로 나타내는 도면.
도 10은 가상적인 계기 패키지로부터의 예시적인 시각 출력을 개략적으로 나타내는 도면.
도 11a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 개스 식별 장치를 도식적으로 나타내는 도면.
도 11b는 공급원으로부터 공급되는 단일의 순수 개스의 실체를 결정 또는 확인하는데 수반되는 공정 단계들을 요약적으로 나타내는 순서도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 개스들의 혼합물에 있어서 미지 개스의 절대적인 실체를 결정하기 위해 요구되는 공정 단계들을 나타내는 기능적인 순서도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개스들의 혼합물에 있어서 미지 개스의 예상적인 실체를 결정하기 위해 요구되는 공정 단계들을 나타내는 기능적인 순서도.
그러므로, 전기한 사항들의 관점에서 그리고 본 발명이 완전하게 이해되었을 때 명백하게 될 다른 이유로, 본 발명의 목적은 두 개의 유체보다 많은 유체들로된 혼합물내에서 개스 및 액체를 포함하는 유체들의 농도들을 결정하기 위한 개선된 기법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 염가의 신뢰성있는 유체 소자들을 사용하여 통상적인 개스 분석기들의 개스 분석 능력들을 향상시킴으로써 통상적인 수단에 의해서는 그 농도들이 결정되기 어려운 개스들을 포함하는 다수의 개스들의 농도들이 결정될 수 있도록 하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 매우 낮은 가격으로 높은 신뢰성을 보장하기 위해 낮은 가격의 전자적인 압력 및 온도 센서들과 통합될 수 있는 유체 소자들을 사용하여 공급원으로부터 공급되는 (단독적이거나 또는 다른 개스들과 조합된) 개스의 실체(identity) 및 순도(purity)를 확인하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유체 시스템이 최소 개수의 이동 기계부품들을 갖도록 작동되어 어떠한 사용자 검정도 필요로 하지 않으면서 전체 프로세스가 자체로 실제상 무한적으로 이루어질 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 수술실내에 영구적으로 설치되는 것으로부터 거주 상황에서 또는 일시적인 상황에서 사용될 수 있는 휴대용 가정상비장치까지 포괄하는 다수의 사용 모드들을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 용이한 판독을 보장하고 개인용 컴퓨터들 및 다른 형태의 마이크로프로세서들과 함께 사용될 수 있는 방식으로 개스 농도 정보를 제공하기 위한 기법들을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 개스 분석기의 소독을 단순화하기 위해 각각의 사용후 알맞은 가격으로 교체될 수 있는 일회용 유체 센서 모듀울을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 분석되는 개스의 종류와는 무관하게, 사용자에 의해 분석 소프트웨어에 제공되는 매개변수들이 단순히 교체되므로써 분석의 사용자 맞춤성을 제공하는 범용 감지기구를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 전적으로 제 1 물리 원리들에 따라 개스 농도들을 결정하므로써 검정 또는 조절을 필요로하지 않는 시스템의 구현을 가능하게 하는 수단을 제공함에 있다.
본 발명에 따라, N 개의 유체들로된 혼합물내의 유체 성분들의 개개의 농도들이 상기 혼합물의 독립적인 상태량들을 실시간적으로 측정하므로써 결정될 수 있다. 특히, 제 1 원리에 따라 개개의 유체 농도들을 혼합물의 측정된 상태량들에 연관시키는 N 개의 방정식들이 상기 혼합물내의 유체들의 N 개의 미지적인(unknown) 개개의 농도들에 대해 풀려진다. 혼합물의 N-1 개의 상태량들은 N-1 개의 센서들에 의해 측정되고, 상기 센서들은 비용 절감의 차원에서 바람직하게는 유체적인 센서들(fluidic sensors)이지만 특정의 다른 기술 소자들일 수도 있으며, 상기 N 개의 방정식들중 N-1개는 상기 결정된 상태량들로부터 얻어진다. N 번째 방정식은 상기 N 개의 기지(known) 성분들의 미지의(unknown) 농도들의 합이 1과 동일할 것을 요구하는 구성 방정식이다.
예시적인 실시예에서, 세 개의 기지 개스들로된 혼합물의 상기 세 개의 개스들의 개개의 농도들은 주위 압력, 온도, 혼합물의 샘플 유량, 및 모세관과 오리피스를 횡단한 혼합물 샘플 유량의 후속적인 압력 강하를 측정하므로써 결정되며, 상기 오리피스는 유량계 발진기의 공급 노즐일 수도 있다. 상기 샘플 유량은 바람직하게는, 유체 피드백 발진기를 관통하여 유체를 통과시키고 통과시간에 비례하는 출력 주파수 주기를 측정하므로써 구할 수 있다. 이러한 측정값들로부터, 혼합물의 밀도 및 점도가 계산되며, 세 개의 기지 개스들의 세 개의 미지 농도들은 세 개의 독립적인 방정식들(즉, 혼합물 밀도를 농도들에 연관시키는 방정식, 혼합물 점도를 밀도들에 연관시키는 방정식, 및 상기 구성 방정식)을 실시간으로 풀음으로써 결정된다. 3-개스 분석기는 호흡되어 건조된 공기(예컨대, O2, CO2및 미량의 대기 불활성 개스를 갖는 N2로 구성되는 의사-개스(pseudo-gas))를 모니터링하기에 적당하게 되며, 중환자실에 있어서의 호흡의 확인, 비상 삽관(emergency intubation)의 확인, (예컨대, 간호 설비들 사이에서의) 환자 수송, 및 실내와 실외의 환자 호흡 요법에 사용될 수 있다.
음파 발진기를 사용하여 혼합물내의 음향 속도를 부가적으로 측정하므로써, 혼합물의 비열도 계산될 수 있다. 이러한 혼합물의 부가적인 상태량은 개개의 개스들의 농도들과 연관될 수 있으며, 이에 따라 상기 세 개의 독립적인 방정식들이 부가적인 방정식에 의해 증가될 수 있게 된다. 그러므로, 네 개의 독립적인 방정식들이 네 개의 기지 개스들로된 혼합물내에서 네 개의 개스들의 미지 농도들에 대해 실시간으로 풀려질 수 있다. 호흡되어 건조된 마취제 의료 개스들의 모니터링과 관련하여, 4-개스 분석기는 다섯 개의 개스들의 농도들을 측정하기 위해 유용하게 사용된다. 특히, 이산화탄소 및 일산화질소의 밀도 및 점도가 실질적으로 구별하기 어렵기 때문에, 네 개의 독립적인 방정식들이 O2, N2, 휘발성 마취제 및 N2O 및 CO2의 조합된 성분의 농도들에 대해 풀려질 수 있다. 마취 기계가 호흡된 개스들로부터 CO2를 제거하기 때문에, N2O 및 CO2의 개개의 농도들은 내쉬어지는 개스들내에서의 그들의 조합 농도를 (전적으로 N2O인) 호흡된 개스들내에서의 그들의 조합 농도와 비교하므로써 결정될 수 있으며, 그들 사이의 차이가 CO2의 실시간 농도가 된다. 그러므로, 제 5의 개스는 제 5의 기지 조건, 즉, 호흡되는 개스들은 CO2를 포함하지 않는다는 사실로부터 결정된다. (예컨대, 열악한 정비에 기인하여) CO2스크러버의 손실이 발생되는 경우에는, 호흡시마다의 증가가 이루어지지만; 조합된 개스들의 최소값의 트랙(track)을 유지하므로써 전체 CO2값 뿐만아니라 들이쉴 때와 내쉴 때의 비율을 제공하게 된다.
바람직하게는, 상기 발진기 유량계, 음파 발진기 및 모세관은 일회용 센서 모듀울로서 성형되고, 상기 일회용 센서 모듀울은 단일의 작고 얇은 플래스틱 적층체로 구성된다. (분리되는 방식으로) 압력 및 온도 센서들을 적당한 지점들에 부착시킴으로써, 모든 필요한 측정작업들이 수행될 수 있다. 상기 발진기 노즐들중의 하나는 오리피스로서 작용할 수 있고, 이에 따라 별도의 오리피스에 대한 필요성을 배제하는 것이 가능하게 된다. 상기 일회용 센서 모듀울은 별도의 인터페이스를 경유하여 교체가능한 변환기 모듀울에 연결되고, 이러한 교체가능한 변환기 모듀울은 상기 혼합물의 특성들을 측정하기 위해 사용되는 변환기들 및 증폭기들을 포함할 뿐만아니라 샘플을 흡인하기 위한 진공 라인도 포함한다.
유리하게는, 염가의 유체 센서들이 개스 혼합물들내의 유량, 밀도, 점도 및 음속을 측정한다. 염가의 마이크로-전자-기계적인 시스템(MEMS)-기준 전자 압력 변환기들, 염가의 집적회로 온도 변환기들 및 초저가 압전 필름 마이크로폰들은 마이크로프로세서에 전자적인 입력값을 제공한다.
개스 혼합물의 상태량들의 유체적인 측정이 더욱 비싼 통상적인 센서들에 대한 염가의 대안을 제공하기는 하지만, (혼합물의 용적형 상태량들에 연관되는 N 개의 방정식들을 풀음으로써 개개의 개스 농도들을 결정하는) 본 발명의 원리들은 전체로서의 혼합물의 상태량들을 측정하는 특정의 장치를 포함하도록 확장될 수 있다. 예컨대, 압전적으로 구동되는 표면 음향파(SAW) 장치들이 밀도의 음속을 결정하기 위해 사용되었고, 초음파 장치들이 밀도를 측정할 수 있게 되며, 전자-화학적인 장치들이 점도를 측정할 수 있었다. 그들의 상대적인 가격 및 정확도와 연관되는 장점에 따라, 상기 장치들이 유체 센서들을 대신하여 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따라, M 개의 개스 농도들을 측정하기 위한 현존 센서 시스템의 성능들이, 혼합물 개스들의 실체들이 알려지는한, 개스들의 종류와는 무관하게, 전체로서의 개스 혼합물의 N-1 개의 상태량들을 측정하므로써 N 개의 부가적인 개스 농도들을 측정할 수 있도록까지 확장될 수 있다. 예컨대, 다섯 개의 개스들을 측정할 수 있는 수많은 현존하는 마취 기계들은 질소, 일산화탄소 및 헬륨의 농도들을 측정할 수 없다. 상기 5-개스 모니터의 능력을 본 발명의 유체 센서들을 사용하여 증대시킴으로써, 이러한 부가적인 개스들의 농도들이 부가적인 비용을 거의 들이지 않으면서 측정될 수 있다.
정상적으로, 새로운 마취제를 시장에 도입시키는 것은 새로운 센서의 개발을 필요로 하거나 또는 최소한 하드웨어에 있어서의 고가의 변화에 부수되는 새로운 흡수 파장에 대한 식별능력을 필요로 한다. 본 발명의 범용 센서에 있어서는, 단지 새로운 마취제의 물리적인 상태량들만이 소프트웨어에 프로그래밍될 것이 요구되며, 그에 따라 어떠한 특정의 하드웨어 변화도 필요로 하지 않게 된다.
N 개의 개스들의 개개의 농도들에 대해 N 개의 방정식들을 설정하는 것 및 그 해를 구하는 것은, 상기 N 개의 개스들의 실체가 밀도, 점도 및 비열과 같은 개스들의 고유한 개개의 상태량들과 함께 기지(known)상태에 있을 것을 요청한다. 그러나, 개스들의 개개의 농도들을 결정하는 동안, 본 발명의 센서 시스템은 순수한 형태로 또는 다른 기지 개스들과의 혼합물의 형태로 존재되는 미지 개스의 실체를 결정 또는 확인할 수 있도록 한다.
일실시예에 따라, 본 발명의 유체 센서들은 공급원으로부터 유동되는 개스의 실체를 결정 또는 확인하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 단일의 미지 개스의 실체는, 밀도 및 점도와 같은 그 개스의 상태량들을 유체적으로 측정하고 측정된 값들을 (예컨대, 룩-업 테이블(look-up table)내의) 개스의 기지 상태량들과 비교하므로써, 결정될 수 있다. 상기 미지 개스의 실체는 상기 측정된 값들을 기지 개스의 그것들과 비교하므로써 확인되거나 또는 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 혼합물내에서 다른 N-1 개의 개스들의 실체들이 기지의 것으로 되었을 때 미지 농도들을 갖는 N 개의 개스들의 혼합물내에서 하나의 미지 개스의 실체를 결정하기 위해, 동일한 유체 측정소자가 사용될 수 있다. 상기 미지 개스를 식별하기 위한 하나의 접근에 따라, 상기 개스 혼합물의 N 개의 상태량들이 측정되고; 상기 상태량들중의 N-1 개가 N-1 개의 방정식을 생성하기 위해 사용되며, 상기 미지 성분의 상태량들이 특별한 개스의 상태량들인 것으로 가정될 때 상기 방정식들은 구성 방정식과 함께 N 개의 농도들에 대해 풀려지고; 계산된 N 개의 농도들 및 상기 혼합물의 N 번째 상태량의 측정된 값이 미지 개스의 N 번째 상태량을 계산하기 위해 사용되며, 이와 같이 계산된 상기 미지 개스의 N 번째 상태량은 (농도들의 계산을 위한 목적으로) 상기 미지 개스인 것으로 추정되는 개스의 기지 N 번째 상태량과 비교되고; 상기 비교에 의해 두 개의 값 사이의 일치가 발견되거나 또는 모든 가능한 개스들의 일치 여부가 결정될 때까지 상기 프로세스는 모든 다른 개스들에 대해 (예컨대, 상기 미지 개스인 것으로 추정되어) 시도된다. 이러한 접근은, 부정확한 개스에 의해서는 일치가 발견되지 않기 때문에, 미지 개스의 절대적인 식별을 제공하게 된다.
다른 접근에 따라, 미지 개스의 충분한 농도가 존재되는 경우에는, 개스 혼합물의 (N 개보다는) N-1 개의 상태량들만이 측정되어 N-1 개의 방정식들을 생성하기 위해 사용되며, 미지 성분의 상태량들이 특별한 개스의 상태량들인 것으로 가정될 때 상기 N-1 개의 방정식들은 구성 방정식과 함께 N 개의 농도들에 대해 풀려진다. 상기 미지 개스가 정확한 개스와는 다른 개스인 것으로 가정하면, 상기 방정식들의 해는 개스들중의 최소한 하나 이상의 대해 예견되는 범위내에 존재되지 않는 농도들을 도출하며; 반대로, 상기 미지 개스가 정확한 개스인 것으로 가정하면, 상기 방정식들의 해는 예견되는 범위들내에 있는 (예컨대, 일치가 발견되는) 개개의 농도들의 값들을 도출해낼 것이다. 일치가 발견되거나 또는 모든 가능한 개스들에 대한 일치 여부가 결정될 때까지 다른 개스들이 (상기 미지 개스인 것으로 추정되어) 상기 프로세스에서 계속적으로 시도된다. 이러한 접근은 매우 낮은 에러의 가능성으로 미지수의 식별을 가능하게 하고, 이전에 언급한 접근에 비해 결정되어야 하는 혼합물의 상태량 수가 하나 줄어들게 된다 (또는 하나의 부가적인 개스를 갖는 혼합물내에서 미지 개스를 식별할 수 있게 된다).
모든 상기 개스 분석들은 동일한 센서들을 사용하여 수행될 수 있으며; 단지 용도의 변화에 따라 프로세싱 소프트웨어만이 변화된다. 혼합물 상태량들은 바람직하게는, 매우 작고 튼튼하며 염가인 변환기들에 의해 전자적으로 변환되는 압력, 음향 주파수 및 온도를 출력하는 유체 센서들에 의해 얻어지는 측정값들로부터 계산된다. 또한, 센서들에 대한 어떠한 사용자 검정도 필요하지 않게 되며, 그에 따라 제조 및 작동상의 비용이 더욱 감소된다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술하며, 도면 전체를 통하여 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 1 내지 13에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명은 본 발명의 방법 및 장치를 상술하는 것이다. 이하의 설명이 근본적으로 의료용 개스 분석기들에 관련하여 주어지지만, 본 발명이 이러한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 제한성을 띠지 않은 것으로서 개스들의 산업적인 생산, 대기 분석 및 오염 추적을 포함하는 다른 개스 분석 용도들 및 화학적인 그리고 생물학적인 제재들의 검출 및 분석을 위한 다른 용도에 적용될 수 있다. 부가하여, 본 발명은 혼합물을 이루는 특정 개수의 개스들에 한정되지 않으며 그에 대해서 유체적인 센서들에만 한정되는 것도 아니고, 오히려 개스들의 상태량들이 다양한 염가의 전자적인 그리고 하이브리드적인 색체를 띠는 전자-유체 장치들에 의해 측정될 수 있기 때문에, 본 발명은 많은 개수의 개스들의 염가적이고 과학적인 분석에까지 확장되어 사용될 수 있다. 또한, 대체로 동일한 방법들 및 장치가 액체 유체들의 혼합물에 대한 분석에도 적용될 수 있기 때문에, 유체 성분들의 농도에 있어서의 변화에 기인하여 혼합물 상태량에 있어서의 현저한 차이가 발생되는한, 본 발명이 단지 개스들의 분석에만 제한되는 것으로는 볼 수 없는 것이다.
본 발명에 따라, N 개의 기지(known) 유체들의 혼합물의 유체 성분들의 개개의 농도는, 다수의 감지 장치들을 관통하여 유동되는 혼합물의 특성들을 측정하고 상기 측정된 특성들로부터 혼합물의 N-1 개의 상태량들을 결정하고 유체 성분들의 개개의 농도들을 상기 혼합물의 N-1 개의 상태량들에 연관시킴으로써 N-1 개의 방정식들을 설정하고 상기 유체 성분들의 개개의 농도들에 대해 실시간으로 상기 N-1 개의 방정식들 및 구성 방정식을 풀음으로써, 결정된다.
특히, 세 개의 기지 개스들로된 혼합물내의 조성 개스들의 개개의 농도들은 상기 혼합물의 특정의 두 개의 독립적인 상태량들을 유체적으로 측정하므로써 결정될 수 있다. 예컨대, 상기 혼합물의 밀도 및 점도(또는 점도 및 비열, 또는 밀도 및 비열)를 결정하므로써, 상기 3-개스 혼합물을 이루는 세 개의 기지 개스들의 세 개의 미지 농도들을 얻을 수 있는 바, 이는 상기 혼합물의 상태량들에 대한 상기 미지 농도들의 관계를 나타내는 세 개의 독립적인 방정식들을 풀음으로써 가능하게 된다.
도 1에는 상태량-독립적인 유량계(1), 모세관(2) 및 오리피스(3)로 구성되는 개스 농도 센서를 개략적으로 나타내며, 상기 부품들은 세 개의 기지 개스들로된 혼합물에 있어서 성분 개스들의 개개의 농도들을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 혼합물의 점도(μ) 및 밀도(ρ)는, 이하의 방정식들에 따라 주위 압력(Patm), 유량계(1)가 유체적인 피드백 발진기 유량계일 경우 유체적인 유량계 발진기의 주파수(fQ), 모세관(2)을 횡단한 압력 강하(ΔPc) 및 오리피스(3)를 횡단한 압력 강하((ΔPo)를 측정하므로써 결정될 수 있다:
(1)
상기 식에서,
;
;
(2)
상기 식에서,
;
;
(3)
상기 식에서,
;
이 때, bc, hc,및 Lc는 각각 장방형 횡간단면을 갖는 모세관(2)의 폭, 높이 및 길이이고, bo, ho,및 Lo는 각각 장방형 횡간단면을 갖는 오리피스(3)의 폭, 높이 및 길이이며, Q는 유량계(1)를 관통한 체적 유량이고, ba, ha,및 La는 각각 발진기 유량계(1)를 관통한 음향 경로의 폭, 높이 및 길이이며,는 일정한 것으로 가정되는 비열의 혼합비이다. 음향 보정값()이 매우 작고 상기 보정값의 변화 또한 작아서 실질적으로는 무시해도 좋은 정도의 오차만을 유발하기 때문에, 상기와 같은 가정은 타당하다. 3-개스 분석기의 실시예에 있어서, 비열비는 측정값들로부터 결정되지 않으며 추정되어야 한다. 예컨대, (마취제를 포함하지 않는) 호흡된 개스들에 대해, 비열비는1.4인 것으로 추정될 수 있다.
압력은 특정 개수의 당업계에 공지된 전자적인 압력 변환기들에 의해 측정될 수 있지만, 가격을 낮추기 위해, 염가의 집적회로(IC) 반도체 스트레인 게이지 압력 변환기(MEMS-기준)가, 충분한 다이내믹 영역을 갖는한, 즉, 최소 도출가능한 압력이 최대 측정가능한 압력의 대체로 1/10,000 내지 1/40,000이 되는한, 사용될 수 있다 (이러한 압력 변환기는 최근 2년전부터서야 시장에서 유통되고 있다). 이러한 압력 측정은 물론 개스의 상태량들과는 무관하게 수행된다.
방정식들 1 내지 3은 세 개의 미지수(유량 Q, 점도 μ, 및 밀도 ρ)를 포함하며; 그러므로, 상기 세 개의 방정식들을 상기 미지수들에 대해 푸는 것이 가능하고, 혼합물의 점도 μ및 밀도 ρ는 그로부터 결정될 수 있다. 방정식들 1 내지 3이 특정 기하학의 유동 장치들의 혼합물의 특성들 (즉, 발진기의 주파수 및 모세관 및 오리피스에 있어서의 압력 강하들) 및 상기 혼합물의 물리적인 상태량 (즉, 밀도, 점도 및 유량) 사이의 고유 관계들을 나타낸다는 것을 이해할 수 있다. 또한, 상기 방정식들이 (예컨대, 장방형이 아닌 횡간단면과 같은) 센서 기하학의 변화에 따라 변화된다는 것을 알 수 있다. 아울러, 더 높은 정밀도를 위해 더욱 높은 차수의 항들이 포함될 수 있다. 반대로, 가능한 비용으로 특정의 정밀도를 얻기 위해, 상기 방정식들이 단지 하나의 차수를 갖는 항들만을 포함하도록 단순화될 수도 있다. 예컨대, 높은 차수의 항들을 포함하지 않는 전기한 바 있는 미합중국 가특허출원 제 60/055,982 호 및 60/069,422 호를 참조할 수 있다. 이러한 단순화된 방정식들에 있어서, 오리피스를 횡단한 압력 강하는 밀도 및 유량의 제곱에 비례하는 것으로 (그리고 점도와는 무관한 것으로) 가정되며, 모세관을 횡단한 압력 강하는 점도 및 유량에 비례하는 것으로 (그리고 밀도와는 무관한 것으로) 가정되고, 유량은 발진기 주파수에 비례하는 것으로 (그리고 밀도 및 비열을 포함하는 개스 상태량들과는 전체적으로 무관한 것으로) 가정된다. 그러므로, 밀도 및 점도 (및 유량)이 고유적인 관계에 기초하여 발진기 주파수 및 오리피스 및 모세관 압력 강하들로부터 결정되지만, 본 발명이 밀도 및 점도 또는 다른 특정의 혼합물 상태량들을 결정하기 위한 특정 세트의 방정식들에 한정되지는 않는다는 것을 이해할 수 있다.
도 2a 및 2b에는 본 발명의 시스템에 있어서 유량계(1)로서 사용될 수 있는 유체적인 증폭기 피드백 발진기 유량계의 작동을 나타낸다. 도 2a를 참조하면, 혼합물 유량은 공급 노즐(12)을 관통하여 증폭기(5)내로 유동되고, 제트(jet)는 음성 피드백을 사용하므로써 진동한다. 유체적인 증폭기 피드백 발진기 유량계(5)를 사용하여 유량 통과시간을 측정하는 것은 수많은 이전 발명들 (예컨대, 본 발명에서 인용되는 아담스(Adams)에게 허여된 미합중국 특허 제 3,640,133 호 참조)에서 시도되어 왔으며, 이러한 이전 발명들에서 진동 주기는 주로 유체적인 증폭기(5)의 통과거리(6)를 횡단하는 개스의 통과시간에 비례한다. 대체로, 상기 주기는 두 개의 부분들로 되어있는 바, 그 하나는 입력부들(7)로 부터 출력부들(8)까지(통과거리(6))의 유량의 통과시간이고 다른 하나는 상기 출력부들(8)로부터 상기 입력부들(7)로의 피드백 라인(9)을 통한 음향 신호의 피드백 시간이다. 통기공들(10)은 유량을 수집하여 배출 포트로 유체를 통과시키거나 또는 본 실시예에 있어서와 같이 하류 오리피스 및 모세관에 연결된다. 음향 피드백에 비해 유체 통과 시간을 길게 하므로써(즉, 음향 피드백 경로(9)를 짧게 하고 유동 속도를 낮춤으로써), 상기 주파수는 근본적으로 통과 시간에만 역비례하며 유속 또는 유량에는 정비례한다. 유체 통과 시간이 특정의 개스 상태량들에 전혀 의존하지 않기 때문에, 주파수는 그러므로 밀도 및 점도와는 대부분 무관하게 되고 근본적으로 유량에만 의존성을 띠게 되는 바, 이러한 유량은 노즐 단면적과 통과 거리의 곱을 진동 주파수의 주기인 통과 시간으로 나눈 값에 일치한다. 도 2b는 진동 사이클의 나머지 절반을 나타낸다. 도 3은 약 2.1:1 종횡비 피드백과 10밀 노즐 폭을 갖는 표준 정부 C/2 포맷 51021 유체 증폭기를 갖는 하나의 상기 발진기의 검정예를 나타낸다. 이러한 검정도 마찬가지로 개스의 종류(예컨대, 공기, 산소 또는 이산화탄소)와는 무관하게 된다. 사실, 유체가 물인 경우, 상기 검정결과는 동일하게 된다. 주파수는 모든 개스들에 대해 100 mL/min의 유량까지 전적으로 선형성을 띤다.
엄격하게 말하면, 전기한 조건들에 있어서 조차도, 발진기 주파수는 (음향 피드백 시간 성분에 기인하여) 방정식 (3)으로부터 알 수 있거니와 최소한 특정 정도 이상은 샘플 개스의 밀도 및 비열비에 의존한다. 그러므로, 비열비가 정확하게 추정된다면, 유량을 결정하기 위해 방정식 (3)을 사용하는 것이 바람직하게 된다. 그러나, 비열비가 측정되지 않고 (예컨대 마취 개스가 존재하는 경우와 같이) 추정하기에도 어려운 경우에는, 유량이 발진기 주파수에 비례하고 개스 상태량들과 무관하게 된다는 가정은 특정 정도의 작은 정확도 손실에도 불구하고 수용가능한 결과를 제공할 수 있다.
성분 개스의 체적 농도가 결정되는 상기 방정식들은 이하의 단락들에서 설명하는 바에 따라 공식화된 것이다.
개스들 혼합물의 밀도 ρmix는 질량보존의 법칙을 적용하므로써 이하에 표현되는 바와 같이 농도 Ci와 비밀도 ρi의 곱의 합에 일치한다:
(4)
개스 혼합물의 점도는 개스들의 운동론 원리들로부터 결정되는 바와 같이 그리고 이하에 주어지는 혼합물 점도 및 개개의 성분들의 농도 사이의 관계식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 개개의 개스 성분들의 농도들과 관련된다:
(5)
상기 식에서,
,
이 때, k는 성분들의 수이고, Mi는 혼합물의 i번째 성분의 기지 분자량이다.
단지 3-개스 혼합물만이 관련되는 경우, 성분 농도들에 관한 세 번째 방정식은 구성 방정식이며, 이러한 구성 방정식은 모든 개스들의 체적 농도들의 합이 이하의 식으로 표현되는 바와 같이 1이 되어야 한다는 것을 나타낸다:
(6)
세 개의 대수 방정식들의 결과적인 시스템은 개개의 농도들 Ci에 대해 실시간적으로 그리고 독창적으로 풀려질 수 있다. 마이크로프로세서 또는 (예컨대, 개인용 컴퓨터 등과 같은) 다른 계산 기구가 상기 세트를 이루는 방정식들을 풀기 위해 정상적으로 프로그래밍될 수 있다.
감지용 모세관 및 오리피스의 특성들은 전형적으로 도 4에 도시되며, 수술실 조건들하에서 샘플링되어야 하는 필요 유량 (즉, 50-60 ml/min, 또는 통상적인 IR 장치들에 의해 샘플링되는 유량의 절반 미만)을 최소화하는 방식으로 선택된다.
방정식 (1) 내지 (6)은 마이크로프로세서 또는 컴퓨터상에서 프로그래밍될 수 있으며; ΔPo및 ΔPc를 위한 압력 변환기들로부터의 전압 데이터, 및 유량계 주파수에 비례하는 전압을 제공하는 주파수-전압 변환기(F/V)(예컨대, 버어-브라운 모놀리식(Burr-Brown monolithic) 주파수-전압 IC 칩)의 출력은 적당한 아날로그-디지털 변환기를 사용하므로써 얻어질 수 있다. 부가하여, 기지 성분들의 밀도 및 점도의 값들이 절대 압력 및 온도(예컨대, 방정식 4 및 5에 있어서 ρi및 μi)에 따르기 때문에, 상기 두 개의 매개변수들도 측정되어야 하며, 이에 따라 마이크로프로세서에 제공되어야 하는 두 개의 부가적인 전압을 발생시키게 된다. 결과적인 농도값들은 별도의 추적결과들에 있어서 다중 색상으로 컴퓨터 CRT 또는 LCD 스크린상에, 또는 특정의 다른 통상적인 방식으로 실시간적으로 작도될 수 있다.
호흡된 개스들내의 성분들의 농도들을 결정하기 위해 모니터상에 3-개스를 분석하여 나타낼 수 있는 유량계-모세관-오리피스 구조를 포함하는 개스 분석 시스템의 일예를 도 5a에 도시한다. 상기 모니터는 근본적으로 (예컨대, 단독적인 또는 컴퓨터내에 있는) 마이크로프로세서 보드(13) 및 오리피스(15) 및 모세관(16)과 직렬로 연결되는 발진기 유량계를 갖는 유체 회로를 갖는 다중-사용 유체 개스 센서를 포함한다. 환자(17)는 안면 마스크(18)를 통하여 숨을 들이쉬고 내쉬며, 측류 샘플링 포트(19)는 안면 마스크(18)에 근접하여 개스를 샘플링한다. 샘플 개스는 판독값들에 나쁜 영향을 미칠 수 있는 특정의 수증기(제 4 개스를 구성함)를 제거하는 건조제(20)를 관통하여 유동된다. 발진 유량계(14)로 유입되기 전에, 샘플의 주위 절대 압력이 압력 센서(21)에 의해 측정되고 멀티플렉서(22) 및 아날로그-디지털(A/D) 변환기(23)를 경유하여 마이크로프로세서(13)로 지향된다. 멀티플렉서(22)는 상기 센서들로부터 마이크로프로세서(13)로 송출되는 각각의 신호에 대응되는 샘플 앤드 홀드 레지스터들(24)을 포함한다.
온도 센서(25)는 주위 개스 온도에 비례하는 전압을 출력하고, 상기 출력은 전자 증폭기(26)에 의해 증폭되어 멀티플렉서(22) 및 A/D 변환기(23)를 경유하여 마이크로프로세서(13)로 지향된다. 개개의 개스들의 밀도들 및 점도들은 온도 및 압력의 기지 함수들이고, 그러므로, 상기 측정된 절대 압력 및 온도는 개스 농도들을 결정하기 위해 필요로 되어지는 (예컨대, 방정식 (4) 및 (5) 참조) 성분 개스들의 밀도들 및 점도들을 결정하기 위해 사용된다.
샘플 유량이 그리고나서 발진기 유량계(14)내에서 측정된다. 한 쌍의 염가의 전자 마이크로폰(도시안됨) 또는 초저염가 압전 필름 마이크로폰들이 각각의 피드백 단락에 있어서 180°탈위상(out-of-phase) 진동 압력 신호들을 픽업하고, (양 마이크로폰들상에서 위상내에 있는 주위 소음을 제거하기 위해) 전기적으로 분화되어 전자 증폭기(27)에 의해 증폭된다. 이와 같이 증폭된 주기적인 신호는 주파수-전압(F/V) 변환기(28)로 공급될 수 있으며, 유량에 비례하는 전압이 멀티플렉서(22) 및 A/D 변환기(23)를 경유하여 마이크로프로세서(13)로 인가된다. 선택적으로, 고속 주파수 카운터가 상기 마이크로프로세서(13)내에서 직접적으로 주파수를 판독할 수도 있다.
유량계(14)를 통과한 유량은 모세관 저항기(16)내로 유동된다. 모세관의 각각의 단부들에 있는 포트들(29 및 30)에서의 압력들은 염가의 마이크로 전자-기계 시스템(MEMS)-기준 전자 압력 변환기(예컨대 데이터 인스트루먼츠 서센스(Data Instruments SURSENSE) 변환기)와 같은 차압 변환기(31)로 입력되며, 출력 전압은 멀티플렉서(22) 및 A/D 변환기(23)를 경유하여 마이크로프로세서(13)로 전달된다. 상기 유량은 그리고나서 계속해서 오리피스(15)를 관통하여 유동되고, 오리피스(15)를 횡단한 상류 압력 및 하류 압력을 나타내는 상기 포트들에서의 압력은 또다른 차압 변환기(32)에 의해 측정된다. 상기 차압 변환기(32)로부터의 전압은 상기 멀티플렉서(22) 및 A/D 변환기(23)를 경유하여 마이크로프로세서(13)로 전달된다. 도 5a에 도시한 실시예에 있어서, 오리피스(15)의 하류에 배설되는 진공원은 센서들을 관통한 개스의 샘플링을 위한 부압을 제공한다. 선택적으로, 상기 유량은 충분한 압력이 보장되는한 (이것은 호흡기능이 손상된 환자 또는 자발적으로 호흡을 할 수 없는 환자들의 경우 항상 가능한 것이 아님) 환자의 호흡 압력에 의해 회로를 통하여 유동될 수 있다.
마이크로프로세서(13)는 CRT와 같은 디스플레이(도시안됨)를 구동할 수 있고, 상기 CRT는 세 개의 개스들중의 특정 또는 모두의 농도들을 연속적으로 디스플레이하고 호흡속도, 농도들의 수치값들 및 특정의 한도값들과 같은 특정의 요구되는 수치 출력값들을 제공할 수 있다. 임의적으로, 상기 디스플레이는 액정 디스플레이(LCD)일 수 있으며, 이 경우, 상기 장치는 부착가능한 일회용 센서를 갖는 컴팩트 배터리 작동식 장치이고, 센서들은 환자 마스크 또는 튜브상에 적당하게 배치되기 위해 충분히 작은 크기를 갖는다. 이로 인하여, 상기 장치는 특정의 요구되는 위치에서 호흡된 산소 및 이산화탄소를 체크하는 것이 가능하게 된다. 메모리를 갖는 전자 부품들을 사용하므로써, 비교를 위해 이전 데이터를 불러올 수 있다. 또한, 마이크로프로세서는, 과잉 투여, 산소의 희박한 대사, 낮은 또는 높은 호흡율과 같은 특별한 사건의 발생시에 또는 특정의 다른 기능이 요구되는 경우에, 시각적인 또는 청각적인 알람들을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.
상기 시스템은 인공적인 요소를 가미하지 않은 상태에서 성분 개스들의 개개의 농도들의 실시간 출력을 생성한다. 100 ms 미만의 응답 시간은 충분히 빠르며, 측류 샘플링 사이즈는 신생아 및 유아의 정확한 모니터링을 위해 충분히 작게 된다.
도 5a에 도시한 실시예는 가정 치료 장치에서와 같이 가정에서 또는 환기를 시키고 환자의 적당한 삽관(intubation)을 체킹하기 위한 비상 의료 장치내에서와 같이 현장에서 외상이 발생된 경우 앰뷸런스내에서 또는 다른 장소에서 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 세 개의 호흡된 개스들은 산소, 이산화탄소 및 질소와 아르곤과 다른 미량 개스들의 기지의 고정된 혼합물이다. 상기 질소 혼합물은 그 성분 농도들이 일정하게 유지되며 그중 어떠한 것도 대사되지 않는다. 상기 3-개스 모니터는 환풍기-의존성을 띠지 않는 환자, 호흡기 기능부전을 겪고 있는 환자 또는 손상된 호흡기 기능을 갖고 있거나 또는 갖고 있는 것으로 추측되는 환자에게 사용될 수 있고, 이러한 경우들에 있어서 상기 모니터는 앰뷸런스, 병원 및/또는 다른 아급성 간호설비와 같은 다양한 위치들에서 그리고 상기 설비들사이에서 환자를 수송하는 도중 사용될 수 있다.
도 5b에는 세 개의 기지 개스들로된 혼합물에 있어서 성분 개스들의 개개의 농도들을 결정하는데 있어서 수행되는 상기한 공정 단계들(단계 33 내지 39)을 요약적으로 나타내는 순서도를 도시한다.
다른 효과적인 실시예에 있어서, 유량계 자체의 노즐은 별도의 오리피스를 대신하여 오리피스로서 사용될 수 있고, 이에 따라 유량계 노즐을 횡단한 압력 강하를 측정하므로써 동일한 목적을 달성할 수 있다. 즉, 유체적인 증폭 피드백 발진기는 유량계 및 오리피스의 역할을 동시에 수행한다.
바람직하게는, 유량계, 모세관 및 오리피스는 플레이트형 모듀울상에 형성되며, 상기 플레이트형 모듀울은 오염 가능성을 배제하기 위해 그리고 개스 분석기 시스템의 소독을 단순화하기 위해 각각의 사용후에 폐기된다. 도 5c에는 일회용 센서 모듀울(40)을 사용하는 모듈러 3-개스 호흡 모니터를 도시한다. 바람직하게는, 일회용 센서 모듀울(40)은 유체적인 센서들을 포함하는 작고 얇은 플래스틱 칩으로 구성된다. 상기 일회용 센서 모듀울(40)은 상기 측류 샘플링 포트(19)로부터 샘플링된 들이마셔진 개스들을 수납한다. 온-칩 건조제(41)는 판독값에 악영향을 미칠 수 있는 특정의 수증기를 제거하며, 건조된 개스 혼합물은 유량계(42)를 관통하여 유동되고나서 대체로 평행한 세트를 이루는 모세관들(43)을 관통하여 유동된다. 상기 모세관은 정확한 그 제조를 용이하게 하고 (그러므로 제조상의 오차가 자체적으로 흡수됨) 낮은 저항을 제공하여 진공 요구조건을 최소화하도록 다수의 평행한 채널들로 구성된다.
상기 일회용 센서 모듀울(40)은 분리가능한 인터페이스(45)에 의해 교체가능한 변환기 모듀울(44)에 연결된다. 상기 교체가능한 변환기 모듀울(44)의 가격은 감염된 유체들에 의해 또는 현장에서의 손상에 의해 치명적인 오염이 발생되는 경우에 폐기될 수 있도록 충분히 낮게 된다. 상기 변환기 모듀울(44)은 상기 일회용 센서 모듀울(40)내의 유체 장치들에 있어서 개스 혼합물의 온도 및 압력을 감지하기 위해 필요한 변환기들을 포함한다. 상기 분리가능한 인터페이스(45)는 온도 및 마이크로폰 센서들로부터의 전기적인 신호를 반송하며, 압력 변환기들을 유체적인 센서들내의 적당한 지점에 연결시키고, 세트를 이루는 모세관들(43)로부터 배출되는 샘플 유량을 수납한다. 변환기 모듀울(44)은 교체가능한 진공 라인 및 전선(55)을 경유하여 염가의 소모성 전자부품 모듀울(54)에 연결된다. 상기 소모성 전자부품들은 충분히 염가로 제조되므로써, 별도 예산 항목을 구성하기보다는 정규적으로 비축된 항목으로서 공급된다.
개스 샘플이 발진 유량계(42)로 유입되기 전에, 개스 샘플의 주위 압력이 변환기 모듀울(44)상에 장착된 절대 압력 변환기(46)에 의해 측정된다. 변환기(46)로부터의 전압은 전선(55)을 경유하여 전자부품 모듀울(54)상에 장착된 멀티플렉서(56)의 샘플 앤드 홀드 회로로 전달된다. A/D 변환기(57)는 상기 멀티플렉서(56)의 샘플 앤드 홀드 회로에 의해 발생되는 아날로그 신호를 마이크로프로세서(58)로 공급되는 디지털 신호로 변환한다.
온도 센서는 주위 개스 온도에 비례하는 전압을 제공하며, 그 출력 전압은 변환기 모듀울(44)상에 장착된 전자 증폭기(47)에 의해 증폭되어 전선(55)을 경유하여 멀티플렉서(56), A/D 변환기(57) 및 마이크로프로세서(58)로 전달된다.
그리고나서, 샘플 유량이 발진 유량계(42)에 의해 측정된다. 마이크로폰(48)은 변환기 모듀울(44)상에 실장된 전자 증폭기(49)에 의해 증폭된 진동 압력 신호를 픽업한다. 증폭기(49)의 출력은 전선(55)을 경유하여 전자부품 모듀울(54)내의 주파수 카운터(59)에 공급된다. 주파수 카운터(59)는 고주파 전자 발진기를 사용할 수 있고, 상기 고주파 전자 발진기는 증폭기(49)로부터의 주파수 신호에 의해 게이트되어 마이크로프로세서(58)로 직접적으로 제공되는 실시간 디지털 주파수 측정값을 생성한다. 이러한 단순화된 배열에 기인하여, 주파수-전압 변환기에 대한 필요성 및 그에 따른 후속적인 주파수 신호의 A/D 변환에 대한 필요성이 효과적인 방식으로 배제된다. 유량계(42)로부터 배출되는 유량은 모세관 입구(50)로 유입된다.
도 5c에 도시한 예시적인 실시예에서, 발진기(42)는 유량계 및 오리피스의 역할을 동시에 수행한다. 특히, 변환기 모듀울(44)상에 실장된 차압 변환기(51)는 유량계 발진기(52)로의 입구에서의 증폭기 노즐 상류 압력과 모세관 입구(50)에서의 증폭기 통기구역내 하류 압력 사이의 차이를 측정하므로써 발진 유량계(오리피스)(42)를 횡단한 압력 강하를 측정한다. 압력 변환기(51)로부터의 출력 전압은 전선(55)을 경유하여 멀티플렉서(56), A/D 변환기(57) 및 전자부품 모듀울(54)상에 실장된 마이크로프로세서(58)로 순차적으로 전달된다.
평행한 모세관 배열의 구조 및 작동을 이하에 상술한다. 도 5c에 도시한 바와 같이, 단일의 모세관 입구(50) 및 단일의 모세관 출구(52)가 다수의 대체로 평행한 모세관들(43)을 경유하여 서로 연결된다. 모세관 입구(50)는 모세관들(43)의 종방향에 대체로 수직한 방향에서 종방향으로 연장되며, 모세관들(43)의 각각은 상기 모세관 입구(50)의 하나의 종방향 측면으로부터 연장된다. 모세관 입구(50)는 유량계(52)의 출력부로부터 샘플 개스 유량을 수납하고 상기 수납된 유량을 상기 다수의 모세관들(43)을 통하여 분배한다. 모세관 출구(52)는 상기 모세관들(43)의 종방향에 대체로 수직한 방향에서 종방향으로 연장되고, 모세관들(43)의 각각은 모세관 출구(52)의 하나의 종방향 측면에서 종결된다. 변환기 모듀울(44)상에 장착된 차압 변환기(53)는 모세관내의 한 지점에서의 상류 압력과 모세관 출구(52)에서의 하류 압력 사이의 차이를 측정하므로써 모든 모세관들을 횡단한 압력 강하를 측정한다. 차압 변환기(53)로부터의 출력 전압은 전선(55)을 경유하여 멀티플렉서(56), A/D 변환기(57) 및 전자부품 모듀울(54)상에 장착된 마이크로프로세서(58)로 전달된다.
평행한 모세관 구조는 다수의 장점들을 제공한다. 특히, 각각의 개개적인 좁은 모세관은 비교적 높은 정도의 유동 저항을 가지며, 이러한 사항은 상기 모세관들의 하나를 횡단한 압력 강하를 정확하게 측정하기 위해 그리고 입구 유동 영향을 최소화하기 위해 바람직하게 된다. 그러나, 다중 모세관들은 비교적 높은 전체 유량이 유지될 수 있도록 한다. 즉, 전기적인 저항에 있어서와 마찬가지로, 단일 모세관내에서의 유동 저항은 비교적 높지만, 전체 유동 저항은 모세관들의 평행한 배열로 인해 현저히 낮아지며, 이러한 사항은 총체적으로 더욱 많은 유량을 허용한다.
부가적으로, 각각의 채널에 있어서 유량(따라서, 레일레이 수(Rayleigh number))을 감소시킴으로써, 상기 평행한 모세관 배열은, 유량이 모세관내에서 완전히 전개되기 전에 비선형 입구 영향이 느껴지는 길이를 현저히 감소시킨다. 이러한 입구 영향을 감소시킴으로써, 유량에 관하여 상대적인 정확한 선형 압력 측정을 위해 요청되는 모세관의 길이가 감소된다.
평행한 모세관 배열은 또한 제조공정의 반복성을 단순화하고 저렴화하며 더욱 편리하게 한다. 특히, 요청되는 제조 허용오차들은 압력 측정값들의 요구되는 정확도의 함수인 바, 이는 모세관의 크기들이 점도 및 밀도(방정식 1 참조)의 계산에 있어서 특정 값들을 갖는 것으로 가정되기 때문이다. 그러나, 상기와 같은 다중 모세관 배열에 있어서는, 개개의 모세관들의 크기에 있어서의 임의적인 변화에 따른 충격이 모세관의 수가 증가됨에 따라 감소된다. 일예로서, 0.25 mm의 공칭 폭을 갖는 단일 모세관의 경우에 있어서는, 공기 유동 저항에 있어서의 장치별 차이가 제 5의 유효자릿수보다 크지 않도록 하기 위해, 제조 허용오차는 나노미터의 범위이내에 있어야 한다. 그러나, 폭에 있어서의 변화가 임의적으로 발생되기 때문에, 상기 편차들은 충분한 개수의 모세관들이 평행하게 사용되는 경우에 상쇄되는 경향을 보이게 된다. 예컨대, 두 개의 모세관들을 평행하게 배열하므로써 10의 인수만큼 제조 오차들의 영향이 감소된다. 평행한 네 개의 모세관들은 다른 10의 인수만큼 제조 오차들의 영향을 감소시키고, 평행한 여덟 개의 모세관들은 또다른 10의 인수만큼 제조 오차들의 영향을 감소시킨다. 그러므로, 열한 개의 평행한 모세관들을 사용하므로써 도 5c에 도시한 바와 같이, 크기 변화의 영향이 3차수의 크기 이상만큼 감소될 수 있으며, 이에 따라 실제 허용오차가 마이크론의 크기를 갖는 유효 나노미터 허용오차들(및 그에 관련되는 제조공정의 반복성)을 제공하게 되는 바, 이는 정밀 사출 성형과 같은 표준적인 정밀한 제조 방법들에 의해 정상적으로 달성될 수 있게 된다.
전기한 바 있는 제조공정의 반복성은, 제조중의 개개 유니트의 특성화(characterization)에 대한 필요성을 제거하고 시스템의 사용전에 또는 사용중 사용자 검정에 대한 필요성을 배제하기 때문에, 염가의 장치를 생산한다는 관점에서 볼 때 중요성을 띤다. 특히, 전기한 바 있는 제조 공정상의 허용 오차는 방정식들 1 내지 3에서 사용되는 기하학적 상수들로 하여금 연역적으로 알려지거나 또는 공장에서의 생산중 특성화될 수 있도록 한다. 기본적인 표준값들로 추적가능한 정확하게 알려진 상태량들을 갖는 검정 개스들을 사용하여 단일 유니트의 압력-유량(P-Q) 관계를 측정하고 기지의 함수 관계들을 상기 데이터에 적용하므로써, 극도로 정확한 회귀들(regressions)이 상기 기하학적 상수값들을 추정하기 위해 사용될 수 있고 상기 기하학적 상수값들은 그리고나서 다른 유니트들을 위해 사용될 수 있으며; 그러므로, 단일 유니트의 기하학적 특성화는 개개의 유니트의 특성화에 대한 필요성을 배제시킬 수 있다. 전자 압력 변환기 안정성이 주어지고 풀어질 방정식들이 제 1 원칙으로부터 유도되었다고 할 때, 어떠한 사용자 검정도 시스템의 수명기간동안 결코 요청되지 않는다.
물리적으로 평행한 것으로 도 5c에 도시하였지만, 모세관들(43)이 공통의 입구 및 공통의 출구 사이에서 평행한 유동 저항을 생성하는한, 상기 모세관들(43)은 특정의 편리한 방식으로 배열될 수 있다. 그러므로, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "평행"이라는 용어는 평행한 공기 유동 저항을 암시하며 반드시 물리적으로 평행한 배열을 의미하는 것은 아니고; "물리적", "대체로" 또는 "평행한"이라는 용어는 모세관들의 실제적인 물리적 배열을 암시한다.
모세관 출구(52)로부터, 샘플 개스는 분리가능한 인터페이스(45)의 개스 배출 통로를 관통하여 변환기 모듀울(44)로 유동되며 그리고나서 전선(55)을 관통하여 전자부품 모듀울(54)을 유지하고 있는 봉입물의 내부에 배치되는 진공 펌프(89)로 유동되고, 상기 진공 펌프(89)로부터 개스는 적당한 여과 기구를 관통하여 대기중으로 배출된다.
마이크로프로세서(58)는 액정 디스플레이(60)를 제어하며, 상기 액정 디스플레이(60)는 마이크로프로세서(58)에 의해 처리된 측정값들로부터 유도되는 의료 정보를 디스플레이하고, 이러한 의료 정보는 샘플 개스 혼합물의 관심의 대상이 되는 개스들의 개개의 농도들을 포함한다.
도 6을 참조하면, 실제 하드웨어의 사시도를 도시하며, 이러한 사시도는 (동전, 즉, 미합중국 1/4 달러 동전)과 비교하여 도시한 작은 사이즈, 염가 제공의 원인이 되는 간결성 및 단순성을 내포한다. 도 6에는 스크루우에 의해 함께 유지되는 유체적인 금속 적층체를 도시하며, 상기 유체적인 금속 적층체는 융합된 적층체 또는 생산장치들내에서 사출성형된 조립체에 의해 교체될 수 있다.
전기한 바 있는 가특허출원 명세서들에 기재된 바와 같이, 상기한 3-개스 분석기는 호흡된 마취 개스들의 농도들을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 분석후, 내쉬어지는 개스들은 스크러버 필터내에서 이산화탄소가 제거되어 마취제 기계로 복귀될 수 있다. 일예로서, 본 발명은 실제적인 마취 분야에서 전형적으로 마주치는, 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 및 강력 마취약 제재인 핼로세인(C2HBrClF3)과 같은 세트를 이루는 개스 혼합물들을 분석하기 위해 사용될 수 있다. 상기 개스 혼합물은, 강력 마취제가 일산화질소와 함께 투여되는 (예컨대, 표준 관행은 강력 마취제의 부작용을 완화하는 것으로 알려진 일산화질소 N2O의 많은 양을 제공하므로써 강력 마취제의 농도를 감소시키는 것이다) 비교적 일반적인 상황하에서, 환자가 모든 잔류 용존 질소를 내 뿜은 후에 짧은 시간(예컨대 약 7분)이 경과되고나서 발생된다. 이러한 더욱 간단한 혼합물은, 산소가 손실되는 경우 일산화질소내에서의 질식 위험성이 감소된다는 점에서 유리하기 때문에, 현재에 있어서 종종 어린이들 및 조산 분만의 경우 이용된다. 그러나, 일산화질소를 갖지 않는 단일 마취약 제재를 투여하는 것은 여전히 전형적으로 표준적이고 일반적인 관행인 것은 아니다.
도 7a는 마취제 혼합물의 시뮬레이션된 호흡중 농도 기록들의 세 개의 예시적인 실시간 추적결과들을 나타낸다. 호흡은 약 10%의 이산화탄소를 주기적으로 부가하므로써 시뮬레이션된다. CO2가 부가될 때, 산소와 핼로세인의 농도들은 감소된다(예컨대, 개스가 실제로 호흡되었다면, 산소가 이산화탄소로 대사되므로써 핼로세인에 관하여 상대적인 산소와 이산화탄소의 양이 고정되기 때문에, 즉, O2및 CO2만이 위상으로부터 이탈되기 때문에, 핼로세인의 농도는 대체로 일정하게 유지됨). 핼로세인은 약 ±0.05% 체적 농도로 용해된다. 상기 혼합물의 물리적인 상태량들을 특별히 측정하므로써 개개의 농도들의 특이성이 보장된다.
도 7b는 모니터링 모드가 공기에 대해 설정된 때 (O2, CO2및 유사-질소(N2+Ar+미량)를 포함하는 세 개의 개스의 혼합물) 성인 남자의 실제 호흡중 산소와 이산화탄소의 예시적인 실시간 추적결과들을 나타낸다. CO2의 전형적인 캡노그래픽(capnographic) 추적결과는 호흡에 바로 앞서서 변동적인 값(end-tidal value)을 갖는 평탄역(plateau)으로 뚜렷한 가파른 상승을 나타내었다. 노이즈는 0.5% 체적 농도 미만을 나타낸다. 상기 추적결과의 원형 부분에서 알 수 있는 바와 같이, 추적결과들에 있어서의 불규칙성은 조기 심실 수축을 나타낸다.
도 7c는 95% O2및 5% CO2로 구성되는 검정 개스에 대한 시스템 응답을 나타낸다. 이러한 시간 추적결과는 센서 샘플링 건조 공기로 시작되며, 초기에는 예견되는 바와 같이 79% N2+미량, 21% O2및 대체로 0% CO2의 성분들을 나타낸다.
상기 검정 개스가 턴온되었을 때, 질소 농도는 0%로 변화되며, 산소 농도는 대체로 95%까지 상승되며, CO2농도는 거의 정확하게 5%까지 상승된다. 여기서, CO2의 정확도 및 분해능에 주목하여야 한다. 상기 정확도는 CO2의 평균값에 의해 나타내어지는 바와 같이 ±0.25 체적%가 되고, 상기 분해능도 또한 측정의 노이즈에 의해 증명되는 바와 같이 ±0.25 체적%가 된다. 세 개의 측정되는 모든 개스들에 대해 상기 정확도 및 분해능이 동일하게 된다는 사실에 주목하여야 한다. 이것은 상기 농도들이 구성 방정식에 의해 조화되는 방식에 기인한 것이다(1의 농도합). 이것은 O2의 측정된 값에 대해 매우 큰 중요성을 띠게 된다. 상기 정확도는 농도와는 무관하기 때문에, 상기 측정 기술은, 농도의 고정된 백분율에 해당하는 정확도를 정상적으로 갖는 통상적인 센서들보다 높은 농도 레벨에서 현저히 향상된 정확도를 발생시킨다. 그러므로, 판독의 ±2%까지 정확한 판독값을 제공하는 통상적인 O2센서는 낮은 농도 레벨에서 매우 정확할 수 있지만 (10% 농도에서 정확도는 0.2 체적%임) 높은 농도 레벨에서는 덜 정확하게 된다 (95% 농도에서 정확도는 2 체적%임). 이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 장치는 전체 농도 범위에 대해, 예컨대 95±0.25% 및 10±0.25%에서 ±0.1 체적% 정확도를 유지한다.
네 개의 개스들로된 혼합물의 네 개의 개스 성분들의 개개의 농도들을 결정하기 위해서는, 밀도 및 점도와는 무관한 부가적인 상태량이 측정되어야 한다. 일정한 압력에서의 비열이 상기와 같은 하나의 상태량이다. 이러한 상태량은 밀도 및 점도와는 무관한 독창적인 개스 상태량이며 정상적으로는 개스내에서의 소리의 속도를 측정하므로써 결정된다. 개스들의 운동론으로부터, 소리의 속도, 즉 음속 a는 이하와 같이 정의된다:
(7)
상기 식에서 RO는 일반기체상수이며, T 는 절대온도이고, M 은 분자량이며,는 비열비 cp/cv이고, cv는 일정한 체적하에서의 비열이다. 밀도에 정비례하는 분자량은 센서 밀도계 함수로부터 구할 수 있다. 비열들 cv및 cp는 이하의 식으로부터 알 수 있는 바와 같이 기체상수 및 분자량과 관련된다:
(7a)
상기 방정식들 (7) 및 (7a)로부터 cp에 대한 이하와 같은 표현이 유도될 수 있다:
(8)
밀도 ρ가 분자량 M 및 절대압력 Pamb(측정되는 항들임)와 관련되기 때문에, 방정식 (8)은 이하와 같이 다시 정리될 수 있다:
(8a)
유체적인 유량계 발진기의 설계와 관련하여 전기한 바와 같이, 유체 피드백 발진기의 주파수는 상호작용 구역에서 입력 포트들로부터 출력 포트들로의 유체의 통과시간 및 상기 출력 포트들로부터 상기 입력 포트들로의 음향 피드백 시간에 의존한다. 대체로, 음파 발진기의 주파수 fsonic및 유량 Q는 이하의 식에 의해 표현되는 바와 같이 소리의 속도, 즉 음속에 관련된다:
(9)
상기 식에서 LfbA는 피드백 라인들의 경로 길이이고, xspA는 발진기 상호작용 영역의 입력 포트들로부터 출력 포트들로의 경로 길이이며, bA및 hA는 각각 발진기 공급 노즐의 폭 및 높이이다. 피드백 라인들의 경로 길이를 길게 하므로써, 음향 지연이 통과시간에 대하여 상대적으로 우세한 항이 된다. 그러므로, 대체로, 음파 발진기의 주파수가 소리의 속도에만 비례한다면, 이하의 식이 성립하며,
,
혼합물의 비열비(따라서 비열 cp)는 이하의 관계식으로부터 결정될 수 있다.
(10)
도 8에는/M의 제곱근의 함수로서 대체로 10인치의 길이를 갖는 피드백 라인들을 갖는 초기 DRT 모델 51009 음파 발진기의 주파수를 도식적으로 나타내는 그래프를 도시한다. 데이터는 대충 선형성을 띤다.및 분자량들의 다른 비율들에 일치하는 자료점들(data points)은 기지의 농도들을 갖는 다양한 개스 혼합물들을 갖는 발진기를 작동시킴으로써 얻어진다.
다양한 개스들의 농도들 및 비열 사이의 관계는 밀도 및 분자량의 경우와 마찬가지로 간단한 선형 관계를 이루게 된다. 혼합물의 비열들은 각각의 성분의 중량 분획별 개개의 성분 비열들과 관련된다; 그러므로, 이하의 식이 성립된다,
(11)
또는
(12)
및
(13)
또는
(14)
그러므로, 네 개의 개스들로된 혼합물의 밀도, 점도 및 비열을 포함하는 세 개의 상태량들을 측정하므로써, 네 개의 독립적인 방정식들(방정식들 4, 5, 6 및 12 또는 14)이 상기 네 개의 개개의 개스들의 네 개의 미지 농도들에 대해 풀어질 수 있다.
마취제 개스 투여와 관련하여, 다섯 개의 개스들에 대해 방정식을 풀기 위해 부가적인 분량의 정보를 부가하므로써 부가적인 독립 상태량을 측정함이 없이 (즉, 단지 상기 세 개의 상태량들을 측정하므로써) 다섯 개의 개스들의 농도들의 결정이 이루어질 수 있다. 5-개스 혼합물들은 현대의 마취제 투여의 전형을 나타낸다. 이러한 다섯 개의 개스들은 전형적으로 질소, 산소, 이산화탄소, 일산화질소, 및 휘발성 강력 마취제이다. 질소는 공기의 주된 성분이며 전형적으로 호흡된 개스들내에 존재되고; (마취제의 투여중 전형적으로 발생되는 바와 같이) 투여되는 개스들이 질소를 포함하지 않는 경우에도, 질소는 그 잔량이 이전에 호흡된 공기로부터 수분동안 존재된다. 질소의 급격한 감소가 공기 색전증을 나타낼 수 있고 질소의 많은 양의 존재는 호흡 회로의 완전성의 손실(예컨대, 시스템내의 누출)을 나타낼 수 있기 때문에, 질소를 측정하는 능력은 마취제의 투여중 주요한 안전상의 이점을 제공한다.
투여되거나 또는 공기중에 존재하는 산소의 농도의 측정은 호흡 회로 O2센서(예컨대, 클라크 전극(Clark electrode))에 과잉성을 제공하고 특정의 펄스 옥시미터 CO 불명료성을 제거한다. 인체의 대사 과정의 산물인 이산화탄소의 농도를 측정하는 것은 호흡율을 제공하고 호흡을 유효화하기 위해 산소 측정과 조합될 수 있다.
일산화질소는 전형적으로 휘발성 마취제와 조합적으로 투여되며, 그 농도의 측정은 과잉 투여 및 질식을 방지한다. 휘발성 할로겐화 마취제들은 마취를 유도하기 위해 투여되고; 핼로세인(halothane), 데스플루레인(desflurane), 세보플루레인(sevoflurane), 엔플루레인(enflurane) 및 이소플루레인(isoflurane)을 포함한다. 하나가 정지되고 새로운 하나가 시작될 때 두 개의 휘발성 강력 마취제를 모니터링하는 것은 질소가 사라진지 7 내지 15분후에 가장 정상적인 절차로 가능하게 된다. 이러한 가능성은, 사용자로 하여금 다섯 개의 개스들의 기지 구성(known makeup)을 식별하도록 하므로써, 즉, 질소가 생리학적으로 더이상 존재되지 않아서 (즉, 질소가 더 이상 존재되지 않는다는 것을 시스템이 나타내서) 단지 네 개의 개스들만이 존재될 때, 제공될 수 있다. 이 시점에서, 또하나의 다른 개스 성분(예컨대, 레이저 시술 또는 제 2 마취제의 투여중 사용될 수 있는 헬륨)이 부가적으로 고려되거나 그리고/또는 측정될 수 있다.
그러나, 중요한 점은 이산화탄소 및 일산화질소가 거의 동일한 분자량, 밀도 및 점도를 가지며 매우 유사한 비열들을 갖는다는 데에 있다. 그러므로, 호흡된 마취제 개스들내에 전형적으로 존재되는 이러한 두 개의 개스들은 정상적으로는 상기 상태량들에 의해서 구별될 수 없게 된다. 충분한 압력 변환기 및 유량 센서 분해능이 주어졌을 때, 상기 두 개의 개스들은 분해될 수 있지만, 실용적인 관점에서 볼 때, 분해능은 현재 당업계에 알려져있는 기술에서 볼 때 상당한 정도로 향상되어야 한다. 그러나, 마취제 투여 기계들은 전형적으로 마취하에서 환자에 의해 호흡되는 공기류로부터 이산화탄소를 제거하며; 그러므로, 호흡된 개스들내에서의 이산화탄소의 농도는 제로로 된다. 이러한 사실은 4-개스 분석기의 성능을 마취제 개스들의 전형적인 혼합물내에 포함되는 다섯 개의 개스들의 농도들을 결정하기 위해 사용될 수 있도록 확장시키기 위해 사용될 수 있다.
특히, 혼합물의 상태량들을 개개의 개스 농도들에 연관시키는 네 개의 방정식들을 풀기 위해, 이산화탄소 및 일산화질소는 단일 개스로서 간주되며, 그들의 상태량이 구별될 수 없으며 서로 동일한 것으로 가정된다. 그러므로, 예컨대, 방정식 (4), (5), (6) 및 (12)는 산소, 질소, 강력 마취 개스, 및 이산화탄소와 일산화질소의 조합체의 농도들에 대해 풀려진다. 일산화질소 및 이산화탄소의 개개의 농도들은 그리고나서 이하에 설명하는 방식으로 결정될 수 있다. 이산화탄소의 농도가 호흡되는 개스내에서의 제로상태로부터 숨을 내쉬는 상태에서의 최대값으로 변화되기 때문에, 일산화질소 및 이산화탄소의 조합된 농도는 호흡과 함께 주기적으로 변화된다. 그러므로, 각각의 사이클내에서 최소 조합 농도는 일산화질소의 농도를 나타내는 것으로 가정될 수 있고, 이산화탄소의 농도는 조합된 이산화탄소-일산화질소 농도(각각의 호흡 사이클을 통하여 변화됨) 및 가장 최근의 최소 조합 농도(즉, 일산화질소 농도) 사이의 차이인 것으로 가정될 수 있다. 이러한 접근에 따라, 이산화탄소 농도는 (산소, 질소 및 마취제의 농도에 있어서의 경우와 마찬가지로) 각각의 사이클중 계산되어 갱신되며, 일산화질소의 농도는 각각의 호흡 사이클중 한번 갱신된다.
도 9a를 참조하면, 5-개스 분석기를 도시한다. 이러한 5-개스 분석기는, 호흡된 다중 마취 개스들의 농도를 동시에 분석하기 위해, 수술실, 외래환자 처치 센터들 또는 마취 개스들 및/또는 진정제를 사용하는 특정의 다른 설비내에서 대체로 사용되도록 설계된다. 도 9b에는 다섯 개의 기지 개스들의 혼합물내에서 성분 개스들의 개개의 농도들을 결정하기 위해 수행되는 공정 단계들을 나타내는 순서도를 도시한다.
도 5a에 도시한 3-개스 분석기의 경우에 있어서와 마찬가지로, 호흡된 개스들은 샘플링 포트(61)를 통하여 측류 샘플링되고 모든 미량의 물 및 수증기를 제거하기 위해 건조제(62)를 관통하여 유동된다. 호흡된 개스들의 대부분은 소다 라임 필터 및 건조제(79)를 관통하여 유동되어 이산화탄소 및 수증기가 제거되며, 그리고나서 호흡 회로를 관통하여 재순환된다. 마취 개스들(예컨대, 일산화질소 및 휘발성 강력 마취제)은 마취 기계(63)로부터 호흡되는 개스들내로 공급된다. 많은 마취 기계들이 단지 하나의 강력 마취제만이 공급될 수 있도록 하기 때문에, 연동되는 밸브의 개방은 전자적으로 모니터링될 수 있고, 어떠한 마취제가 공급될 것인가를 나타내는 신호가 전기적인 접속부(도시안됨)를 경유하여 마이크로프로세서(64)로 전달될 수 있으며, 이에 따라 적당한 개스 매개변수들이 농도들을 구하기 위한 방정식들에서 사용된다.
샘플 유량이 발진 유량계(65)로 유입되기 전에, 샘플의 주위 압력이 압력 센서(80)에 의해 측정되고(단계 81), 그리고나서 멀티플렉싱된 RS232 포트(68)를 경유하여 마이크로프로세서(64)로 지향된다. 유량계(65)내의 온도 센서(69)는 주위 개스 온도에 비례하는 전압을 제공하며, 상기 전압은 전자 증폭기(70)에 의해 증폭되고나서 상기 RS232 포트(68)를 경유하여 마이크로프로세서(64)로 지향된다.
샘플링된 개스는 그리고나서 유량계(65)를 관통하여 통과하며(단계 82), 유량에 비례하는 주파수에서 전압을 생성하고, 이와 같이 생성된 전압은 전자 증폭기(66)에 의해 증폭되며, 상기 주파수는 F/V 변환기(67)내에서 주파수에 비례하는 전압으로 변환된다. 이 전압은 RS232 포트(68)를 경유하여 마이크로프로세서(64)로 전달된다. 3-개스 분석기의 경우에 있어서와 마찬가지로, 상기 샘플링된 유량은 점도 감지용 모세관(71)(단계 83) 및 밀도 감지용 오리피스(72)(단계 84)를 관통하여 유동된다. 모세관(71) 및 오리피스(72)를 횡단한 차압들은 압력 변환기들(73 및 74)에 의해 각각 측정된다. 상기 각각의 변환기들의 출력 전압들은 RS232 포트(68)를 경유하여 마이크로프로세서(64)로 전달된다. 상기 샘플링된 개스는 계속해서 음파 발진기(75)(단계 85)를 관통하여 유동되며, 상기 음파 발진기(75)는 비열비의 제곱근에 비례하고 분자량의 제곱근에 역비례하는 음향 주파수를 발생시킨다. 마이크로폰(76)(또는 3-개스 분석기의 경우에 있어서와 마찬가지로 한 쌍의 마이크로폰들)은 상기 주파수를 픽업하고, 픽업된 주파수는 주파수-전압(F/V) 변환기(77)로 공급되며, 상기 변환기(77)는 분자량으로 나누어진 비열비의 제곱근에 비례하는 전압을 제공한다. 이러한 전압은 RS232 포트(68)를 경유하여 마이크로프로세서(64)로 송출된다. 상기 샘플링된 개스는 최종적으로 진공원(도시안됨)으로 배출된다.
단계 86에서, 이산화탄소 및 일산화질소가 단일의 성분으로 된다는 가정을 사용하여, 상기 마이크로프로세서(64)는 네 개의 방정식을 동시에 풀으며, 상기 네 개의 방정식중 세 개의 방정식 (4), (5) 및 (12)는 세 개의 측정된 상태량들을 포함하고 네 번째의 방정식 (6)은 구성 방정식으로서 상태량들의 합이 1이 될것을 정의한다.
(4)
(5)
(12)
(6)
단계 88에서, 이산화탄소 및 일산화질소의 개개의 농도들은 그리고나서 상기한 바와 같은 방식으로 마이크로프로세서(64)에 의해 결정된다. 결과적인 농도들 및 특정의 다른 유도된 출력들은 마이크로프로세서(64)에 의해 제어되는 디스플레이(78)상에 표시될 수 있다.
대부분의 순환되는 마취제 투여 시스템들에 있어서는, 내쉬어지는 개스들은 스크러버 필터(도시안됨)내에서 이산화탄소가 제거되며 마취 기계(63)로 복귀된다.
바람직하게는, 상기 개스 분석은 플레이트형 단일 칩 모듀울상에 형성되는 (오리피스로서도 기능하는) 유량계 발진기, 모세관 및 음파 발진기에 의해 수행되고; 상기 플레이트형 단일 칩 모듀울은 오염 가능성을 배제하고 개스 분석 시스템의 소독을 단순화하기 위해 각각의 사용후 폐기처분된다.
도 9c에는 일회용 센서 모듀울(90)을 사용하는 모듈러 4-개스(마취제 투여에 대해서는 5-개스) 흡기 모니터를 도시한다. 바람직하게는, 상기 일회용 센서 모듀울(90)은 유체 센서들을 포함하는 소형의 얇은 플래스틱 적층체를 구비한다. 상기 일회용 센서 모듀울(90)은 측류 샘플링 포트(61)로부터 샘플링된 호흡 개스들을 수납한다. 온-보드 건조제(91)는 판독값에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 특정의 수증기를 제거하고, 건조된 개스 혼합물은 유량계 발진기(92)를 관통하여 그리고나서 세트를 이루는 평행한 모세관들(93)을 관통하여 유동된다.
상기 일회용 센서 모듀울(90)은 분리가능한 인터페이스(95)에 의해 교체가능한 변환기 모듀울(94)에 연결된다. 상기 교체가능한 변환기 모듀울(94)의 가격은 감염된 유체들에 의해 또는 현장에서의 손상에 의해 치명적인 오염이 발생되는 경우 폐기될 수 있도록 충분히 낮게 된다. 상기 변환기 모듀울(94)은 상기 일회용 센서 모듀울(90)내의 유체 장치들에 있어서 개스 혼합물의 특성들을 감지하기 위해 필요한 변환기들 및 증폭기들을 포함한다. 상기 분리가능한 인터페이스(95)는 온도 및 마이크로폰 센서들로부터의 전기적인 신호를 반송하며, 압력 변환기들을 유체 센서들내의 적당한 지점들에 연결시키고, 음파 발진기(108)로부터 배출되는 샘플 유량을 수납한다. 상기 변환기 모듀울(94)은 교체가능한 진공 라인 및 전선(97)을 경유하여 전자 계산적인 모듀울(96)에 연결된다.
샘플링된 개스가 발진기 유량계(92)로 유입되기 전에, 온도 센서는 유량계의 입구에서 샘플 개스의 온도를 측정하고 측정된 온도에 비례하는 전압을 제공한다. 이러한 출력 전압은 상기 변환기 모듀울(94)상에 실장된 전자 증폭기(98)에 의해 증폭되고, 증폭된 전압은 전선(97)을 경유하여 A/D 변환기(99)로 전송되며, A/D 변환기(99)는 상기 신호를 디지털 신호를 변환하고, 변환된 디지털 신호는 마이크로프로세서(100)로 공급된다.
샘플 유량은 그리고나서 발진기 유량계(92)내에서 측정된다. 마이크로폰(101)은 변환기 모듀울(94)상에 실장된 전자 증폭기(102)에 의해 증폭된 진동 압력 신호들을 픽업한다. 상기 증폭기(102)의 출력은 전선(97)을 경유하여 전자부품 모듀울(96)내의 주파수 카운터(99)에 공급된다. 주파수 카운터(99)는 실시간적인 디지털 주파수 측정값을 직접적으로 마이크로프로세서(100)로 공급한다.
도 9c에 도시한 예시적인 실시예에서, 발진기(92)는 유량계 및 오리피스의 역할을 동시에 수행한다. 특히, 변환기 모듀울(94)상에 실장된 차압 변환기(103)는 유량계 발진기(92)로의 입구에서의 증폭기 노즐 상류 압력과 발진기(92)의 출력부에서의 노즐 하류 압력 사이의 차이를 측정하므로써 발진기 유량계(오리피스)(92)를 횡단한 압력 강하를 측정한다. 압력 변환기(103)로부터의 출력 전압은 전선(97)을 경유하여 A/D 변환기(99)로 전송되고 그리고나서 전자부품 모듀울(96)상에 실장된 마이크로프로세서(100)로 전송된다. 선택적으로, 음파 발진기(108)의 공급 노즐은 밀도계 오리피스로서 사용될 수 있다. 이와 같은 사항은 압력 강하가 대체로 크기 때문에 유리한 요소로 작용할 수 있으며, 덜 민감한 염가의 차압 변환기가 상기 압력 강하를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
유량계(92)로부터 유출되는 유량은 모세관 입구(104)로 유입된다. 모세관 입구(104)에서 개스 샘플의 절대 압력이 상기 변환기 모듀울(94)상에 실장된 절대 압력 변환기(105)에 의해 측정된다. 변환기(105)로부터의 전압은 전선(97)을 경유하여 A/D 변환기(99)로 전송되며 그리고나서 전자부품 모듀율(96)상에 장착된 마이크로프로세서(100)로 전송된다.
도 9c에 도시한 바와 같이, 단일의 모세관 입구(104) 및 단일의 모세관 출구(106)가 다수의 대체로 평행한 모세관들(93)을 경유하여 연결된다. 상기 평행한 모세관 배열의 구조 및 작동은 도 5c와 관련하여 상기한 바와 동일하게 된다. 변환기 모듀울(94)내의 차압 변환기(107)는 모세관(93)내의 일점에서의 상류 압력과 모세관 출구(106)에서의 하류 압력 사이의 차이를 측정하므로써 모세관들(93)중의 하나를 횡단한 압력 강하를 측정한다. 압력 변환기(107)로부터의 출력 전압은 전선(97)을 경유하여 A/D 변환기(99)로 전송되고 그리고나서 전자부품 모듀울(96)상에 실장된 마이크로프로세서(100)로 전송된다.
샘플링된 개스는 계속해서 모세관 출구(106)로부터 배출되어 음파 발진기(108)를 관통하여 유동하며, 상기 음파 발진기(108)는 비열비의 제곱근에 비례하고 분자량의 제곱근에 반비례하는 음향 주파수를 발생시킨다. 마이크로폰(109)은 발진 압력 신호들(즉, 음향 주파수)을 픽업하고, 픽업된 발진 압력 신호들은 변환기 모듀울(94)내의 전자 증폭기(110)에 의해 증폭된다. 증폭기(110)로부터의 출력은 전선(97)을 경유하여 전자부품 모듀울(96)상의 유량 카운터(99)로 공급되고, 상기 유량 카운터(99)는 마이크로프로세서(100)로 공급될 디지털 주파수 신호를 생성한다.
음파 발진기(108)의 출구로부터, 샘플 개스는 분리가능한 인터페이스(95)의 개스 배출 통로를 관통하여 변환기 모듀울(94)로 유동되며 그리고나서 전선(97)을 관통하여 전자부품 모듀울(96)상의 진공 펌프(111)로 유동되고, 상기 진공 펌프(111)는 상기 샘플 개스를 배출시킨다.
마이크로프로세서(100)는 디스플레이(112)를 제어하며; 디스플레이(112)는 마이크로프로세서(100)에 의해 처리되는 측정값들로부터 유도되는, 샘플 개스 혼합물의 성분 개스들의 개개의 농도들을 포함하는, 의료 정보를 디스플레이한다.
도 10을 참조하면, 예시적인 가상 계기 스크린 출력을 도시한다. 산소 농도(170), 이산화탄소 농도(171) 및 핼로세인(즉, 강력 마취제) 농도(172)의 실시간 추적결과들을 나타내는 세 개의 디스플레이들이 도시된다(물론, 추적결과들의 개수 및 방위는 요구되는 바에 따라 조절될 수 있다). 농도들의 순간값들은 또한 수직방향의 바아들(173, 174 및 175)로서 나타내어지며 수치값들(176, 177 및 178)로서도 표현된다. 다양한 가시 디스플레이 옵션들이 "트렌드 교체"(179), "트렌드 부가"(180), "프린트"(181), "클리어"(182), "Cal"(즉, 계산)(183) 및 "메뉴"(184)로 주어지는 바와 같이 취하여질 수 있다. 데이터 출력부에 대한 많은 다른 스크린 포맷들이 사용될 수 있고 도시한 것은 단지 예시적일 뿐이라는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 알 수 있다.
혼합물의 네 번째 독립적인 상태량을 측정할 수 있는 센서를 부가하므로써, 상기 시스템은 일반적인 경우에 있어서 다섯 개의 개스들의 농도들을 그리고 마취제 개스들의 경우에 있어서 여섯 개의 개스 혼합물의 농도들을 결정하도록 확장적으로 사용될 수 있고, 이때 이산화탄소 및 일산화질소의 개개의 농도들은 전기한 바와 같은 방식으로 결정된다. 여섯 개의 개스 혼합물은 수증기가 제거되지 않았거나 또는 마취제의 담체로서 공기가 사용되는 경우 생성된다. 공기는 부가적으로 약 1% 농도의 아르곤을 개스 혼합물에 도입시킨다. 그러나, 불활성 개스인 아르곤의 존재는 기지의 일정한 농도로서 처리될 수 있으며, 이 경우 상태량들이 측정된다. 다른 미량 개스들은 극미한 농도로 존재되어, 시스템의 요구되는 진료 정확도내에서 식별될 수 있을 정도로 전체 혼합물의 용적형 상태량들에 재질적으로 악영향을 미치치는 않는다. 수증기는 100% 습도에서 건조되지 않았을 경우에 정상적으로 발생되며, 특정의 상황하에서는 기지의 고정된 성분으로서 처리될 수 있다. 그러나, 수증기를 제거하는 것이 바람직한 바, 이는 수증기가 유체 통로들내에서 응축되어 유체 저항 상태량들을 변화시키고 출력 판독값들에 부정적인 영향을 미칠수 있기 때문이다. 응축을 피하기 위한 상승된 온도에서의 시스템의 작동은 별도의 히터를 필요로 하며, 이와 같은 별도의 히터는 에너지 소모의 관점에서 볼 때 바람직스럽지 않게 된다.
비용을 더욱 감소시키기 위해, (일반적인 목적의 개인용 컴퓨터보다는) 특별한 목적의 디지털 신호 처리용 전자 부품들이 사용될 수 있고, 칼라 디스플레이를 갖는 가상적인 계기 기술들을 이용하므로써 어디에나 존재하는 병원용 생명 징후 모니터들과 유사한, 의사들에게 있어서 친밀한 포맷의, 출력을 제공하는 것이 가능하게 된다. 터치-스크린의 가상 노브들 및 다이얼들은 사용자에 의한 즉각적이고 사용자-친화적인 재구축 가능성을 제공하므로써 출력 포맷을 특정 사용자가 가장 원하는 포맷으로 조절할 수 있도록 한다.
본 발명의 개스 농도 모니터링 시스템은 어떠한 사용자 검정이나 보수를 필요로 하지 않으면서 현존하는 모니터링 시스템들에 통합될 수 있다. 예컨대, 도 5a/5c 또는 도 9a/9c에 도시한 센서들은 다른 센서들과 동일한 유동 경로를 따라 부가될 수 있거나 또는 별도의 유동 경로내에 부가될 수 있다. 중요하게는, 상기 다른 센서들의 농도 측정값들이 혼합물의 측정된 상태량들과 함께 마이크로프로세서에 제공되어 미지의 개스 농도들을 알아내기 위해 사용되어야 한다는 데에 있다.
저렴한 가격은 본 발명에 의해 달성되는 주요한 사항들중의 하나이다. 완전하게 기능하는 4-개스용의 유체적인 다중 의료용 개스 모니터에 대한 가격은 낮은 가격(약 $2.00)의 사출 성형된 유체 회로 및 낮은 가격(각각 약 $10.00)의 고정밀도 압력 변환기들에 의해 결정된다. 점도, 밀도 및 비중은 온도에 의해 영향을 받기 때문에, 정확도를 유지하기 위해 주위 온도 측정이 필요하게 된다. 상기한 바와 같은 온도 센서들은 전기한 바 있는 아날로그 디바이스스(Analog Devices) AD590 소자(약 $3.00의 가격)에 의해 예시되는 바와 같이, 간단하고 초저가인 전자 온도 센서에 의해 구현되어 계산용 프로세서에 요구되는 정도의 정밀도를 갖는 온도 입력값을 제공할 수 있다.
본 발명의 장점들중의 하나는 N 개의 기지 개스들의 혼합물내에서 N 개의 개스들의 개개의 농도들을 동시에 결정할 수 있는 능력에 있는 바, 이러한 동시적인 결정은 전체로서의 혼합물의 상태량들을 측정하기 위한 염가의 센서들을 사용하고 상기 혼합물의 상태량들에 연관되는 N 개의 독립적인 방정식들을 풀음으로써 가능하게 된다. 상기한 예들이 세 개 내지 다섯 개 개스들과 관련하여 본 발명을 설명하고 있지만, 본 발명이 단지 다섯 개 개스들의 농도 결정에만 한정되는 것은 아니다. 만약 혼합물의 부가적인 상태량들이 특정의 수단에 의해 독립적으로 측정될 수 있고 미지의 농도들과 연관될 수 있다면, 부가적인 개스들의 농도들도 결정될 수 있다. 대체로, 개스들의 혼합물의 N-1 개의 독립적인 상태량들이 측정될 수 있다면, N 개의 방정식들이 마련되어 N 개의 개스 농도들에 대해 풀려질 수 있다(이때, N 번째 방정식은 구성 방정식 (6)임).
다른 독립적인 열역학적 상태량들은 비제한적인 의도로서 형성열(heats of formation) 및 임계온도(critical temperature)를 포함한다. 열전도도와 같은 상태량들은 비열 및 점도에 의존하기 때문에 독립적인 상태량으로서 간주될 수 없다는 데에 주목하여야 한다. 굴절율(refractive index) 및 흡수도(absorptivity)와 같은 다른 물리적인 상태량들도 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 개스 혼합물의 상태량들의 유체적인 측정이 더욱 비싼 통상적인 센서들에 대한 염가의 대안을 제공하지만, 본 발명의 영역은 전체로서의 혼합물의 상태량들을 측정하거나 또는 개개의 개스들의 농도들을 측정하는 특정의 장치를 포함하도록 확대될 수 있다. 예컨대, 특별한 센서가 개스들의 혼합물내에서 산소의 농도를 결정할 수 있는 것으로 가정한다. 이러한 별도의 센서에 의해 제공되는 정보(즉, 산소 농도)는 사실상 개스 농도에 관련되는 방정식이고, 이 방정식은 개스 농도들에 관련되는 다른 방정식들을 풀기위해 사용될 수 있다. 그러므로, 상기 산소 농도 측정값이 유체적으로 측정된 상태량들과 함께 도 9a의 마이크로프로세서(64)로 공급된다면, 여섯 개의 개스로된 혼합물내에서 여섯 개의 개스들의 농도들(즉, 산소 농도 및 특정의 다른 다섯 개의 기지 개스들의 농도들)이 결정될 수 있다.
중요한 점은, 개스들의 실체(identity)가 기지의 것으로 되고(known) 각각의 개스가 측정된 상태량들중의 최소한 하나 이상에 의해서 모든 다른 개스들로부터 구별되는 한, 유체적이고 열역학적인 측정값들이, 어떠한 종류의 개스들이건간에 관계없이, 혼합물내에서 미지 개스 농도들을 결정하기 위해 사용될 수 있다는 데에 있다. 예컨대, 환자가 마취되고 있는 동안 내쉬어지는 개스들의 혼합물내에서 질소의 농도를 모니터링할 수 있는 것이 바람직하게 된다. 마취제의 투여중 최초 몇분 동안은, 질소가 지질 및 지방질 조직으로부터 유리되기 때문에, 질소가 내쉬어진 개스들내에 존재된다. 대체로 10분이 지나면, 질소는 정상적으로 의미있는 양만큼 존재되지 않는다. 공급 라인에 있어서의 누출 또는 파손은 내쉬어진 개스들내에 질소가 계속적으로 존재되도록 하는 바, 상기한 바와 같은 공급 라인에 있어서의 누출 또는 파손은 질소의 농도를 결정하므로써 검출될 수 있다. 그러나, 질소 농도들은 통상적인 IR 기술들에 의해서는 측정될 수 없으며; 그러므로, 질소 농도들의 결정이 요구되는 경우에는 질량 분광학과 같은 더욱 고가의 비용이 소요되는 기술들을 사용하는 것이 전형적으로 필요하게 된다. 본 발명에 따라, 질소 농도는, 3-개스 혼합물내에서 두 개의 개스 상태량들을 측정하므로써 그리고 (마취제 투여중 발생되는 바와 같이) 5-개스 혼합물내에서는 세 개의 개스 상태량들을 측정하므로써, 측정될 수 있다. 또한, M 개의 개개의 개스들의 농도들을 각각 측정하는 M 개의 다른 센서들을 부가하면, 세 개의 개스 상태량들이 측정되는 M+5 개의 개스들로된 혼합물내에서 질소 농도가 측정될 수 있다. 그러므로, 예컨대, 두 개의 개스들의 상태량들을 측정하는 두 개의 센서들이 도 9a/9c에 도시한 바와 같은 세 개의 상태량들을 측정하는 장치와 조합되므로써, 매우 저렴한 비용으로 그리고 실시간적으로 일곱 개의 개스들(예컨대, 질소, 산소, 수증기, 이산화탄소, 일산화질소 및 두 개의 마취제들)의 농도들을 결정하는 것이 가능하게 된다.
더욱 일반적으로는, 본 발명에 따라, M 개의 개스 농도들을 측정하기 위한 현존하는 센서 시스템의 능력들은 개스들의 실체가 알려지는한 개스들의 종류에 무관하게 전체로서의 개스 혼합물의 N-1 개의 상태량들을 측정하므로써 N 개의 부가적인 개스 농도들을 측정하는 것이 가능하도록 확장될 수 있다. 혼합물에 있어서 특정 개스들의 개개의 농도들을 아는 것은 미지수의 개수를 감소시키며; 그러므로, N+M 개의 유체들로된 혼합물에 있어서, M 개의 유체들의 개개의 농도들이 기지의 것으로 되거나 또는 다른 수단에 의해 결정되면, N 개의 방정식들을 풀으므로써 N 개의 미지의 개개의 농도들이 결정될 수 있다. 예컨대, 다섯 개의 개스들을 측정할 수 있는 수많은 현존하는 마취 기계들은 질소, 일산화탄소 및 헬륨의 농도들을 측정할 수 없다. 상기 5-개스 모니터들에 도 5a/5c에 도시한 바와 같은 유체적인 센서들을 부가하므로써, 상기 부가적인 개스들의 농도들이 매우 저렴한 비용으로 측정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명의 유체 센서들은 공급원으로부터 유동되는 개스의 실체를 결정하거나 또는 확인하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 단일의 미지 개스의 실체는, 밀도 및 점도와 같은 그 개스의 상태량들을 유체적으로 측정하고 측정된 값들을 특정 개스의 공지된 상태량들과 비교하므로써, 결정될 수 있다. 상기 미지 개스의 실체는 상기 유체적으로 측정된 값들이 기지 개스의 값들에 일치될 때 확인 또는 결정된다.
도 11a에는 본 발명에 따른 개스 식별 시스템을 도식적으로 도시한다. 도 11a에 도시한 바와 같이, 상기 개스 식별 시스템은 개스 공급원(120)을 포함한다. 개스 공급원(120)은 특정 형태의 용기 또는 그로부터 단일의 순수 개스(예컨대, 단일 성분으로 구성된 개스)가 공급되는 특정 형태의 발생기일 수 있다. 개스 공급원(120)으로부터 공급되는 개스는 개스 공급 라인(121)을 관통하여 (임의적으로) 개스 배출구(122)로 유동된다. 개스 배출구(122)는 산소 또는 일산화질소를 공급하기 위한 벽 배출구 또는 개스 공급원을 마취제 반송 시스템에 연결시키는 커플러(coupler)일 수 있다. 개스 공급 라인(121)을 관통하여 유동하는 개스의 일부는 측류 샘플링 포트(124)를 통하여 개스 식별기(123)로 공급된다.
상기 개스 식별기(123)는 근본적으로 도 5a 또는 도 5c에 도시한 3-개스 분석기에서 사용되었던 것과 동일한 센서들을 포함한다. 특히, 온도 센서(125)는 샘플 개스의 온도를 측정하고, 압력 센서(126)는 샘플 개스의 주위 압력을 측정하며, 유량계(127)는 샘플 개스의 유량을 측정하고, 모세관(128)에 있어서의 그리고 오리피스(129)를 횡단한 샘플 개스의 압력 변화가 측정된다(물론, 발진기가 도 5c에 도시한 바와 같이 유량계 및 오리피스로서 사용될 수도 있다). 상기 온도 센서(125), 압력 센서(126), 유량계(127), 모세관(128) 및 오리피스(129)의 각각은 그들의 각각의 측정값들을 프로세서(130)로 전송하며, 상기 프로세서(130)는 방정식들 1 내지 3에 따라 (또는 밀도, 점도 및 유량을 온도, 발진기 주파수, 및 모세관과 오리피스를 횡단한 압력 강하값들과 연관시키는 다른 방정식들에 따라) 개스의 밀도 및 점도를 결정한다.
상기 프로세서(130)는 메모리(예컨대, 판독전용 기억장치)를 포함하며, 상기 메모리에는 배출구(122)에서 공급되는 것으로 예견되는 순수 개스(이하, '예견되는 개스'라 함)의 밀도 및 점도가 저장된다. 상기 프로세서(130)는 상기 측정된 온도, 유량 및 압력들로부터 계산되는 샘플 개스의 밀도 및 점도를 상기 측정된 주위 조건들에 의해 조절된 예견되는 개스의 저장된 밀도 및 점도 값들과 비교한다. 만약 상기 계산된 밀도 값이 상기 저장된 밀도 값에 근본적으로 일치한다면(즉, 그들 사이의 차이가 예정된 문턱값보다 작은 경우에는) 그리고 상기 계산된 점도 값이 상기 저장된 점도 값에 근본적으로 일치한다면, 상기 프로세서(130)는 상기 예견되는 개스가 상기 배출구(122)에서 공급되는 개스인 것으로 결정한다. 개스 식별기(123)는 스피커(131) 및/또는 디스플레이(132)를 포함할 수 있는 바, 스피커(131)는 예견되는 개스의 실체가 확인되었다는 것을 가청적으로 나타내며, 디스플레이(132)는 예견되는 개스의 실체가 확인되었다는 것을 가시적으로 나타낸다.
만약 상기 샘플로부터 계산된 밀도 및 점도중의 어느 하나가 예견되는 개스의 대응되는 저장된 값과 다르게 되면, 상기 프로세서(130)는 배출구(122)에서 공급되는 개스가 예견되는 개스의 순수한 형태가 아닌 것으로 결정한다. 즉, 예견되는 개스의 밀도 또는 점도로부터의 샘플 개스의 밀도 또는 점도의 편차는, 공급되는 개스가 예견되는 개스가 아니거나 공급되는 개스가 예견되는 개스의 전체적인 밀도 및 점도를 변화시키기에 충분한 정도의 양만큼 예견되는 개스에 부가되는 다른 개스들을 포함한다는 것을 의미한다. 예컨대, 만약 오류로 인해 산소용 배출구에 일산화질소가 공급되면, 프로세서(130)는, 계산되는 밀도 및 점도로부터, 샘플 개스가 예견되는 개스(산소)가 아니라는 것을 결정한다. 마찬가지로, 대기중의 공기가 파열부 또는 결함이 있는 연결부를 통해 순수 산소 공급부내로 유입되면, 프로세서(130)는 샘플 개스가 예견되는 개스(산소)가 아닌 것으로 결정한다. 프로세서(130)가 샘플 개스가 예견되는 개스의 순수한 형태가 아닌 것으로 결정을 내리면, 상기 스피커(131)는 공급되는 개스가 예견되는 개스와 다른 것이라는 것을 알리는 가청 알람 신호를 발생시키며, 상기 디스플레이(132)는 대응되는 내용을 가시적으로 나타낸다. 임의적으로, 상기 개스 식별기(123)는, 상기와 같은 오류적인 상황이 발생되었을 때 개스의 유동을 방지하기 위한, 예컨대 자동 솔레노이드 차폐 밸브와 같은, 기구를 포함한다.
단지 하나의 유체적으로 결정된 상태량(즉, 밀도 또는 점도)에 기초해서 특정 개스들을 식별하는 것도 가능하지만, 다른 개스들을 충분한 정도로 확실하게 구별하기 위해 두 개의 상태량들을 유체적으로 측정하는 것이 바람직하게 된다. 예컨대, 수개의 개스들은 산소(32)의 분자량과 유사한 분자량을 갖는 특정의 탄화수소들을 포함한다. 그러나, 이러한 개스들의 점도들은 산소의 점도와는 현저히 다르며; 그러므로, 샘플 개스의 밀도 및 점도를 측정하므로써, 산소와 같은 개스의 실체가 정확하게 정상적으로 확인될 수 있다.
도 11b에는 공급원으로부터 공급되는 단일의 순수 개스의 실체를 결정 또는 확인하기 위해 수행되는 상기한 공정 단계들(단계들 201-209)을 요약적으로 나타내는 순서도를 도시한다.
상기 예에서는, 특별한 개스가 배출구(122)에서 예견되고 유체적으로 측정된 상태량들은 실질적인 개스가 예견되는 개스인가를 결정하기 위해 예견되는 개스의 상태량들과 비교되는 것으로 가정한다. 더욱 일반적으로는, 다수의 개스들중의 특정의 어느 하나의 개스의 실체가 확인될 수 있도록, 본 발명의 개스 식별기는 프로그래밍될 수 있다. 특히, 상기 프로세서(130)의 메모리는 배송지점으로 공급될 수 있는 모든 개스들의 밀도들 및 점도들을 포함하는 룩-업 테이블(look-up table)을 포함할 수 있다. 키보드, 터치패드 등과 같은 입력 장치가 룩-업 테이블에 있는 개스들중 어느 하나를 예견되는 개스로 선택하기 위해 작동자에 의해 사용될 수 있다. 상기한 바와 같은 밀도 및 점도 비교는 그리고나서 상기 선택된 개스에 대한 저장된 밀도 및 점도 값들을 사용하여 수행된다. 그러므로, 동일한 개스 식별기가 수개의 순수 개스들중의 특정의 어느 하나의 실체를 확인하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 개스 식별기는 미지의 순수 개스의 실체를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 측정된 샘플 개스의 계산된 밀도 및 점도는 상기 룩-업 테이블내에 저장된 개스들의 각각의 밀도 및 점도와 비교된다. 샘플 개스의 밀도 및 점도가 룩-업 테이블 내의 개스들중의 어느 하나의 밀도 및 점도에 특정범위내에서 일치하면, 상기 개스 식별기는 디스플레이(132)상에 상기 개스의 실체를 나타낸다.
상기 예에서, 분석되는 단일 개스의 밀도 및 점도는 그 개스를 독창적으로 식별하기 위해 사용되는바, 그 이유는 상기 두 개의 상태량들이 대부분의 개스들을 명확하게 구별지으며 염가의 유체 센서들로부터의 측정값을 이용하여 결정될 수 있기 때문이다. 그러나, 개스 상태량들의 다른 조합들도 단일 개스를 식별하기 위해 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 특정의 개스들이 특별한 상태량들에 의해 더욱 용이하게 구별되는 경우에는, 개스의 상기 상태량들은 그 개스를 더욱 명료하게 식별하기 위해 결정될 수 있다. 표 2는 다양한 개스들을 구별하기 위해 사용될 수 있는 선택된 호흡 개스들의 상태량들을 요약적으로 (즉, 분자량, 점도 및 비열을) 제공한다.
표 2
개스 분자량 점도 비열
(20℃)
(kg/ms x 10-5) (J/(kg°K))
산소 32.000 2.0238 906.853
질소 28.016 1.7390 1031.35
질소 w/공기 미량 28.155 1.7702 1055.24
이산화탄소 44.010 1.4660 844.348
일산화질소 44.016 1.4607 850.716
일산화탄소 28.010 1.6609 1057.11
수증기 18.016 1.0522 1881.43
핼로세인 197.40 1.1191 524.479
데스플루레인 168.04 TBD TBD
이소플루레인 184.49 1.0273 750.797
세보플루레인 200.05 TBD TBD
예컨대, CO2및 N2O의 경우에는, 일정한 압력 및 일정한 체적에서의 (음파 발진기 주파수 측정값으로부터 계산된) 점도 및 비열의 상태량들은 밀도 및 점도의 상태량들보다 상기 개스들이 서로 더욱 명확하게 구별되도록 한다. 그러므로, 음파 발진기로부터의 측정값들이 밀도계 오리피스로부터의 측정값들을 대신하여 사용될 수 있다. 물론, 도 9a 또는 9c에 도시한 바와 같은 센서 패키지를 사용하여, 공급되는 개스들을 충분히 구별하는 특정 세트의 측정된 상태량들이 그 개스를 식별하기 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 상기 센서 패키지가 특정의 하드웨어 개조를 필요로 하지 않으면서 다양한 상황들하에서 사용될 수 있고 단지 측정된 결과를 분석하기 위해 사용되는 소프트웨어만이 다른 용도들에 대해 개조된다는 것을 이해할 수 있다.
의료 분야에 있어서, 본 발명의 개스 식별기는 다수의 순수 개스들중의 특정의 개스를 식별하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 산소, 일산화질소 및 휘발성 마취제 개스들과 같은 개스들이 공급원들로부터 수술실, 중환자실 및 병실내에서 환자에게 공급된다. 상기 개스 식별기는 식별될 개스가 순수한 형태로 존재되어야 하는 시스템내의 특정의 지점에 위치될 수 있다. 예컨대, 산소가 이격된 공급원으로부터 벽 배출구로 공급될 때, 개스 식별기는 상기 벽 배출구에 직접적으로 일체화될 수 있다.
선택적으로, 상기 개스 식별기는 현존하는 벽 배출구에 연결될 수 있는 별도의 유니트로서 제공될 수 있다. 이러한 대안에 따라, 상기 개스 식별기는 벽 배출구에 결합되는 상류 단자 및 상기 벽 배출구와 유사한 하류 단자를 포함하며, 이에 따라 개스 식별기는 벽 배출구와 국부 공급 라인 사이에서 직렬로 연결될 수 있고 상기 국부 공급 라인은 개스 식별기의 상기 하류 단자에 대응된다.
공급되는 개스의 단지 작은 분획(fraction)만이 개스의 실체를 결정 또는 확인하기 위해 필요로 되어지기 때문에, 특정의 환경에서는, 상기 개스 식별기가 "오프-라인" 또는 개스의 실질적인 반송전에 작동되기 보다는 개스가 실질적으로 공급되는 동안 연속적으로 작동하는 것이 바람직하다. 예컨대, 벽 배출구 산소 공급의 경우에 있어서는, 개스 반송중의 개스 식별기의 연속적인 작동이 바람직하며, 이는 산소 공급부로의 대기의 유입이 산소 반송중 특정 시간에 검출될 수 있기 때문이다. 임의적으로, 메인 개스 유동량내의 압력은 터어빈 또는 다른 전기 발생기를 가동하기 위해 사용될 수 있고, 상기 전기 발생기는 상기 개스 식별기의 센서들 및 프로세서를 작동시키기 위해 필요한 전기를 발생시킨다. 선택적으로, 전기는 배터리, AC 전원 또는 다른 통상적인 전원에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 개스 식별기는 의료 세팅물들에서 개스를 투여하는데 있어서의 과실 발생을 효과적으로 방지한다. 본 발명에 있어서 (염가의) 센서들이 사용되기 때문에, 본 발명의 개스 식별기는 분광학과 같은 통상적인 기술을 사용하는 개스 식별기의 가격의 일부에 의해 구현될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 개스 식별기는 병원에 있어서 산소 공급 배출구들 및 마취제 반송 장치들에 알맞은 가격으로 통합될 수 있다. 또한, 하나 이상의 전기한 바와 같은 통상적인 기술들을 사용하는 개스 분석기와는 달리, 본 발명에 따른 개스 분석기는 검정을 위한 주기적인 서비스를 필요로하지 않으며 그러므로 작은 유지비만을 필요로 하게 된다.
단일의 성분 개스를 식별하기 위해 사용되는 원리들을 확장하여, 본 발명에 따라, 상기 센서들은 다른 기지 개스들과 혼합된 미지 개스를 식별하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 목적으로, 기화기에 의해 생성되는 개스 혼합물과 같은, 마취제 및 기화기를 구동하기 위한 담체 개스로서 사용되는 산소로 구성되는 2-개스 혼합물을 고려한다. 이하의 과정은 잘못된 약제의 부주의한 투여가 방지되도록 마취제의 실체를 확인 또는 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 도 5a 또는 5c에 도시한 유량계-모세관-오리피스 배열체(즉, 3-개스 분석기)를 사용하여, 전체로서의 개스 혼합물의 밀도 및 점도가 결정된다(방정식 1-3 참조). 두 개의 성분들중의 하나는 산소로서 주어진다. 다른 하나의 성분은 (대체로 핼로세인, 이소플루레인, 데스플루레인 및 세보플루레인을 포함하는 네 개의 성분들중의 하나인) 특별한 디폴트 마취제(A1)인 것으로 가정한다. 이러한 가정을 사용하여, 산소 및 마취제(A1)의 농도들이 단지 하나의 밀도 방정식(미지 개스의 밀도가 마취제(A1)의 밀도라는 가정하에서 방정식 4를 사용함) 및 상기 두 개의 미지 농도들에 대한 구성 방정식(방정식 6)을 풀음으로써 결정된다. 다음으로, 상기 미지 개스의 절대 점도를 계산하기 위해 상기 계산된 농도들과 함께 점도 방정식(방정식 5)이 사용된다. 상기 미지 개스의 계산된 점도는 마취제(A1)의 기지 (메모리에 저장된) 점도와 비교된다. 상기 계산된 점도와 기지 점도가 서로 일치한다면(즉, 그들 사이의 차이가 예정된 문턱값이내에 들 경우), 상기 미지 개스는 사실상 마취제(A1)인 것으로 결정된다. 만약 계산된 점도와 마취제(A1)에 대한 기지의 점도가 서로 일치하지 않는다면, 상기 미지 개스는 마취제(A1)가 아니라는 결정이 내려지며, 상기 과정은 일치되는 개스가 나타날 때까지 다른 모든 개스들(A2, A3, ..., A1)에 대해 반복된다.
대체로, N-1 개의 개스들의 실체들이 기지의 것으로 되고 하나의 개스의 실체가 미지인, 미지 농도들을 갖는 N 개의 개스들의 혼합물에 있어서, 하나의 미지 개스의 실체는 도 12에 도시한 순서도로 요약되는 과정에 따라 N+1 개스 분석기에 의해 결정될 수 있다. 제 1 단계 210에서, 혼합물의 N 개의 상태량들이 결정된다. 예컨대, 전체로서의 혼합물(N=3)의 밀도, 점도 및 비열이 상기한 바 있는 발진기-모세관-음파 발진기 센서들을 사용하여 결정될 수 있다. 또한, 개개의 개스들의 농도들이 다른 통상적인 센서들 또는 전체 혼합물의 다른 독립적으로 측정되는 상태량을 사용하여 결정될 수 있고, 이러한 상태량들은 상대 농도들에 관한 것이다. 예컨대, 상기 혼합물은 산소, 이산화탄소 및 마취제를 포함하는 세 개(N=3)의 개스들을 구비할 수 있고, 이 때 상기 마취제는 최초에 미지인 것으로 가정한다. 4-개스 분석기에 의해 측정되는 세 개의 상태량들은 예컨대 밀도, 점도 및 비열일 수 있다.
그리고나서 상기 미지 개스는 세트를 이루는 가능한 개스들중의 하나인 것으로 가정한다. 특히, L 개의 개스들 및 그들 자신의 기지 상태량들의 리스트가 메모리내에 저장된다. 예컨대, 미지 개스가 마취제인 경우에, 다섯개 또는 여섯 개의 마취제들(예컨대, 핼로세인, 엔플루레인, 이소플루레인, 메톡시플루레인, 데스플루레인, 세보플루레인) 및 그들의 상태량들(예컨대, 밀도, 점도 및 비열비)이 메모리내의 룩-업 테이블내에 저장된다. 단계 212에서는, 상기 룩-업 테이블을 인덱싱하는 카운터 i가, 상기 룩-업 테이블내의 제 1 마취제(A1)(즉, 예컨대 용기의 라벨상에 마킹된 마취제일 수 있는 디폴트 마취제)에 대응하여, 1의 값으로 초기화된다.
단계 214에서는, 카운터 i의 값(초기에는 1과 동일함)이 상기 룩-업 테이블내의 개스 i의 명칭 및 상태량들을 리트리브(retrieve)하기 위해 사용되며, 미지 개스의 실체는 개스 i의 실체인 것으로 할당(즉, 일시적으로 가정)되고, 미지 개스의 상태량들은 상기 룩-업 테이블로부터 리트리브된 개스 i의 상태량들의 값들로 할당된다. 초기에는, i의 값은 1로 세팅되며; 그러므로, 미지 개스는 상기 룩-업 테이블에서 디폴트 개스(A1)인 것으로 가정되며, 미지 개스의 상태량들은 상기 디폴트 개스(A1)의 상태량들인 것으로 가정된다.
단계 216에서는, N 개의 상태량들중의 N-1 개가 상대적인 농도들에 관한 N-1 개의 방정식들을 형성하기 위해 사용되며, 상기 N-1 개의 방정식들은 상기 구성 방정식(방정식 6)과 함께 상기 미지 개스가 개스(Ai)의 상태량들을 갖는다는 가정하에서 혼합물내의 N 개의 개스들의 N 개의 상대적인 농도들에 대해 풀려진다. 예컨대, 밀도 및 비열에 대한 방정식들 및 상기 구성 방정식은 산소, 이산화탄소 및 개스(Ai)의 상대적인 농도들을 계산하기 위해 사용될 수 있다. (본 예에서) 점도 정보는 상기 단계에서 사용되지 않는다는 데에 주목하여야 한다.
이 때, 전체로서의 혼합물의 N 번째 상태량을 개개의 성분 농도들에 연관시키는 방정식에 있어서 미지의 것으로 되는 유일한 것은 상기 미지 개스의 N 번째 상태량이다. 그러므로, 단계 218에서, 상기 방정식은 계산된 농도들 및 전체로서의 혼합물의 측정된 N 번째 상태량을 삽입하므로써 상기 미지 개스의 N 번째 상태량에 대해 풀려질 수 있다(상기 방정식이 상대적인 농도들을 계산하기 위해 사용되는 것은 아니라는 데에 주목하여야 한다). 예컨대, 방정식 (5)를 사용하여, (농도들을 계산하기 위한 목적으로 개스(Ai)로서 가정되는) 미지 개스의 점도가 혼합물의 점도 방정식(방정식 (5)) 및 산소와 이산화탄소와 개스(Ai)의 계산된 농도들로부터 계산될 수 있다.
단계 220에서, 상기 미지 개스의 계산된 N 번째 상태량은 개스(Ai)의 기지(저장된) N 번째 상태량과 비교된다. 상기 미지 개스의 계산된 상태량 N의 값이 개스(Ai)의 (기지) 상태량 N의 값에 일치한다면, 미지 개스가 개스(Ai)인 것으로 결정된다. 이러한 경우에 있어서는, 단계 222에서, 상기 미지 개스가 개스(Ai)인 것으로 (디스플레이 등에) 나타내어지며, 식별 과정이 종료된다.
미지 개스의 계산된 상태량 N의 값이 개스(Ai)의 (기지) 상태량 N의 값에 일치하지 않으면, 상기 미지 개스가 개스(Ai)가 아닌 것으로 결정된다. 이러한 경우에 있어서는, 단계 224에서, 인덱스 카운터 i가 증분되고, 단계 226에서는 상기 인덱스 카운터 i가 상기 룩-업 테이블내의 개스들의 개수 L과 비교된다. 만약 인덱스 카운터 i가 L보다 크지 않으면, 프로세스는 단계 214로 복귀되며, 상기 과정이 증분된 i의 값에 대해 반복된다. 한편, 인덱스 카운터 i가 단계 226에서 L보다 큰 것으로 결정되면, 단계 228에서 미지 개스의 실체가 밝혀지지 않았다는 내용이 (디스플레이상에 그리고/또는 가청 알람에 의해) 나타내어지며, 식별 과정은 종료된다. 임의적으로, 개스의 실체가 결정되는 경우에 있어서도, 미지 개스가 디폴트 개스와는 다른 것으로 결정되어 개스의 실체가 예견되는 (디폴트) 개스와는 다른 것으로 나타내어질 때, (가시적인 그리고/또는 가청적인) 알람이 셋오프될 수 있다.
중요하게는, 혼합물내에서 미지 성분을 식별하는 상기 방법은 N 개의 기지 개스들의 농도들을 결정하기 위해 사용되는 것과 동일한 하드웨어 (예컨대, 도 5a/5c 및 9a/9c에 도시된 벌들(suites)을 이루는 센서들)에 의해 수행된다. 단지, 상기 신호 프로세서상에서 가동되는 프로세싱 소프트웨어만이 다르게 된다. 즉, 기지 성분들의 농도들을 결정하기 위해, 개스 혼합물의 N-1 개의 상태량들이 측정되며, (상기 구성 방정식을 포함하는) N 개의 방정식들이 N 개의 기지 성분들의 N 개의 미지 농도들에 대해 풀려진다. 이와는 대조적으로, 미지 성분을 식별하기 위해, 개스 혼합물의 N 개의 상태량들이 측정되고; N-1 개의 상태량들이 N-1 개의 방정식들을 생성하기 위해 사용되며, 이러한 N-1 개의 방정식들은 상기 구성 방정식과 함께 N 개의 농도들에 대해 풀려지고, 이때 미지 성분의 상태량들이 특별한 개스의 상태량들인 것으로 가정되며; 혼합물의 N 개의 농도들 및 N 번째 상태량이 상기 미지 개스의 N 번째 상태량을 계산하기 위해 사용되고, 상기 미지 개스의 N 번째 상태량은 그리고나서 (상기 농도들을 계산하기 위해) 상기 미지 개스인 것으로 추정되는 개스의 기지의 N 번째 상태량과 비교되며; 비교의 결과 일치가 발견될 때까지 또는 모든 가능한 개스들의 일치 여부가 결정될 때까지 (미지 개스인 것으로 가정되는) 다른 개스들이 상기 과정에 따라 비교가 시도된다.
바람직하게는, 비록 하나보다 많은 상태량들이 측정되어 다른 개스들 사이의 분별력을 증대시키게 되지만, 미지의 순수한 (단일 성분) 개스(도 11b 참조)를 식별하는 상기 과정은 근본적으로 N=1일 때 도 12에 도시한 과정의 특별한 경우에 해당된다(또한, 이 경우에 있어서는, 단일 성분의 농도가 1이기 때문에, 농도들을 풀어야할 필요가 없다)는 데에 주목하여야 한다.
두 개의 미지 개스들의 혼합물을 식별하기 위해 동일한 하드웨어가 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 과정은 전기한 바 있는 과정과 근본적으로 동일하며; 그러나, 일치가 발견될 때까지 상기 미지 개스를 각각의 가능한 개스로하여 시행하는 시행착오 기법이, 일치가 발견될 때까지 또는 두 개의 개스들의 모든 가능한 조합이 시도될 때까지 두 개의 미지 개스들을 한 쌍의 개스들로서 대체하므로써 계산들이 수행되도록, 확장적으로 적용된다. 예컨대, 상기 두 개의 미지 개스들이 다섯개(여섯개)의 가능한 개스들중의 두개일 경우에, 모든 조합을 시도하기 위해 최대 10(15)의 반복 횟수가 필요하게 된다. 상기 두 개의 미지 개스들이 그들의 상태량들이 알려진 (그리고 구별가능한) 세트를 이루는 개스들중의 두 개의 요소들일 경우에, 혼합물내에서의 두 개의 미지 개스들의 실체들 및 농도들은 혼합물의 세 개의 상태량들을 측정하므로써 결정될 수 있는데, 이는 (구성 방정식을 포함하는) 네 개의 방정식들이 네 개의 미지수들(두 개의 미지 농도들 및 두 개의 미지 실체들)에 대해 독창적으로 풀려질 수 있기 때문이다. 대체로, L 개의 유체들의 농도들이 미지이고 M 개의 유체들의 실체들이 미지인 유체 혼합물에서, 상기 미지 농도들 및 미지 실체들은 상기 혼합물의 N-1 개의 용적형 상태량들을 측정하고 (구성 방정식을 포함하는) N 개의 방정식들을 풀음으로써 결정될 수 있고, 이때 N=L+M 이다(여기서 사용되는 바와 같이, N이 필연적으로 혼합물내의 유체들의 개수를 나타내는 것은 아님).
본 발명의 다른 실시예에 따라, N-1 개의 개스 상태량들을 측정하는 N 개의 개스 분석기를 사용하므로써 (즉, 전기한 개스 식별 방법에서의 상태량보다 하나 작은 상태량을 측정하므로써), (N-1 개의 기지 개스들을 포함하는) N 개의 개스들로된 혼합물내에서 미지 개스를 식별하기 위해 동일한 하드웨어가 사용될 수 있다. 이러한 기법은, 상기 미지 개스가 혼합물내의 다른 개스들의 상태량의 값과 현저하게 다른 하나 이상의 상태량의 값을 갖는 것으로 주어졌을 경우 매우 유용하게 된다. 예컨대, 상기 기법은, 마취제가 다른 개스들보다 현저하게 높은 밀도를 갖는 경우, 호흡된 개스들의 혼합물내에서 마취제를 식별하기에 적당하게 된다.
특히, 도 13에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따라, 제 1 단계 230에서, 혼합물의 N-1 개의 상태량들이 N-개스 분석기를 사용하여 결정된다. 예컨대, 전체로서의 혼합물의 밀도, 점도 및 비열이 상기한 바 있는 발진기-모세관-음파 발진기 센서들을 사용하여 결정될 수 있다. 또한, 개개의 개스들의 농도들이 다른 통상적인 센서들 또는 전체 혼합물의, 상대 농도들과 관련되는, 다른 상태량들을 사용하여 결정될 수 있다 또한, 마취제 투여의 경우에, 이산화탄소 및 일산화질소를 구분하기 위한 상기한 바와 같은 기법이 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 혼합물은 질소, 산소, 이산화탄소/일산화질소 및 마취제를 포함하는 다섯개(N=4)의 개스들을 구비할 수 있고, 이 때 상기 마취제는 최초에는 미지인 것으로 가정한다. 개스 분석기에 의해 측정되는 세 개의 상태량들은 예컨대 밀도, 점도 및 비열일 수 있다.
그리고나서 상기 미지 개스는 세트를 이루는 가능한 개스들중의 하나인 것으로 가정한다. 특히, L 개의 개스들 및 그들 자신의 기지 상태량들의 리스트가 메모리내에 저장된다. 예컨대, 미지 개스가 마취제인 경우에, 다섯개 또는 여섯 개의 마취제들(예컨대, 핼로세인, 엔플루레인, 이소플루레인, 메톡시플루레인, 데스플루레인, 세보플루레인) 및 그들의 상태량들(예컨대, 밀도, 점도 및 비열)이 메모리내의 룩-업 테이블내에 저장된다. 단계 232에서는, 상기 룩-업 테이블을 인덱싱하는 카운터 i가, 상기 룩-업 테이블내의 제 1 마취제(A1)(즉, 디폴트 마취제)에 대응하여, 1의 값으로 초기화된다.
단계 234에서는, 카운터 i의 값(초기에는 1과 동일함)이 상기 룩-업 테이블내의 개스 i의 명칭 및 상태량들을 리트리브(retrieve)하기 위해 사용되며, 미지 개스의 실체는 개스 i의 실체인 것으로 할당(즉, 일시적으로 가정)되고, 미지 개스의 상태량들은 상기 룩-업 테이블로부터 리트리브된 개스 i의 상태량들의 값들로 할당된다. 초기에는, i의 값은 1로 세팅되며; 그러므로, 미지 개스는 상기 룩-업 테이블에서 디폴트 개스(A1)인 것으로 가정되며, 미지 개스의 상태량들은 상기 디폴트 개스(A1)의 상태량들인 것으로 가정된다.
단계 236에서는, 상기 미지 개스가 개스(Ai)의 상태량들을 갖는다는 가정하에서, N-1 개의 상태량들이 상대적인 농도들에 관한 N-1 개의 방정식들을 형성하기 위해 사용되며, 상기 N-1 개의 방정식들은 상기 구성 방정식(방정식 6)과 함께 N 개의 방정식들을 형성하고, 혼합물의 성분들의 상대적인 농도들에 대해 N 개의 방정식들을 풀기위한 시도가 행하여진다. 예컨대, 밀도, 점도 및 비열에 대한 방정식들 및 상기 구성 방정식은 질소, 산소, 이산화탄소/일산화질소 및 개스(Ai)의 상대적인 농도들을 계산하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 발명자들은, 충분한 (예컨대, 대체로 2-5% 이상의) 농도의 미지 개스가 존재하는 경우, 상기 미지 개스의 상태량들이 방정식들내에서 진정한 개스의 상태량들로서 가정되는 경우에만, 상기 방정식들이 예견되는 또는 합당한 범위내에 있는 개개의 개스 농도들을 도출해낸다는 사실을 밝혀냈다. 잘못된 개스의 상태량들이 사용되는 경우에는, 상기 방정식들은 예견된 범위에 들지 않는 또는 수학적으로는 0과 1의 사이에 있지 않는 하나 이상의 개스 농도를 도출해내게 된다. 그러므로, 방정식들의 해(solution)가 예견된 범위들내에 있는 농도들을 도출해내는 경우, 상기 미지 개스는 사실상 개스(Ai)인 것으로 가정된다. 실제상, 개개의 개스들의 농도들의 예견되는 범위들은 시스템내에 저장되거나 초기-프로그래밍되므로써, 계산된 농도들과 비교되어 상기 계산된 농도들이 합당한가를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 경계범위밖의 조건들은 매우 높은 CO2또는 마취제 농도들일 수 있다.
단계 238에서는, 상기 방정식들에의 해가 예견되는 범위내에 있는 농도들을 도출해내면, 상기 미지 개스가 개스(Ai)인 것으로 결정된다. 이러한 경우에는, 단계 240에서, 상기 미지 개스가 개스(Ai)라는 사실이 (디스플레이 등)에 나타내어지며, 식별 과정이 종료된다.
상기 방정식들에의 해가 의미있는 농도 값들로 수렴하는데 실패한 경우(즉, 하나 이상의 성분 농도가 그 예견되는 범위의 밖에 있을 때)에는 상기 미지 개스가 개스(Ai)가 아닌 것으로 결정된다. 이러한 경우에 있어서는, 상기 인덱스 카운터(i)가 증분되고, 단계 244에서, 상기 인덱스 카운터 i는 상기 룩-업 테이블내의 개스들의 개수 L과 비교된다. 만약 상기 인덱스 카운터 i가 L보다 크지 않다면, 프로세싱은 단계 234로 복귀되고, 상기 프로세스는 i의 증분된 값으로 반복된다. 한편, 만약 인덱스 카운터 i가 단계 244에서 L보다 큰 것으로 결정되면, 단계 246에서 상기 미지 개스의 실체가 밝혀지지 않았다는 사실이 (디스플레이상에 그리고/또는 가청 알람에 의해) 나타내어지며, 식별 과정이 종료된다.
본 발명의 접근은 수개의 의료용 개스들의 농도들을 측정하고 비교적 염가로 개개의 개스들을 식별하기 위한 간단한 장치 및 방법을 제공한다. 상기 설명이 근본적으로 의료용 개스 분석기들에 관련하여 주어진 것이지만, 본 발명이 이러한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 제한성을 띠지 않은 것으로서 개스들의 산업적인 생산, 대기 분석 및 오염 추적을 포함하는 다른 개스 분석 용도들 및 화학적인 그리고 생물학적인 제재들의 검출 및 분석을 위한 다른 용도에 적용될 수 있다. 부가하여, 본 발명은 혼합물을 이루는 특정 개수의 개스들에 한정되지 않으며 그에 대해서 유체적인 센서들에만 한정되는 것도 아니고, 오히려 개스들의 용적형 상태량들이 다양한 염가의 전자적인 그리고 하이브리드적인 색체를 띠는 전자-유체 소자들에 의해 측정될 수 있기 때문에, 본 발명은 많은 개수의 개스들의 염가적이고 과학적인 분석에까지 확장되어 사용될 수 있다.
또한, 대체로 동일한 방법들 및 장치가 액체 유체들의 혼합물에 대한 분석에도 적용될 수 있기 때문에, 유체의 성분들의 농도에 있어서의 변화에 기인하여 혼합물 상태량에 있어서의 현저한 차이가 발생되는한, 본 발명이 단지 개스들의 분석에만 제한적으로 사용되는 것으로는 볼 수 없는 것이다. 특히, 액체의 밀도 및 점도가 측정될 수 있고 상기한 바와 같은 유체 센서들(유량계, 모세관 및 오리피스)로부터의 측정값들을 이용하여 방정식들 (1)-(3)에 따라 결정될 수 있다. 다른 적당한 센서들도, 성분 농도들에 관련되거나 또는 상기한 바와 같은 기법들에 따라 미지 액체 성분을 독창적으로 식별하기 위해 사용될 수 있는, 액체 혼합물의 다른 상태량들을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
유체 센서들을 사용한 신규하고 개선된 실시간 개스 분석 방법 및 장치의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 다른 개조, 변화 및 변경도 본 명세서에서 설명하는 바에 따라 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이루어질 수 있다. 그러므로, 모든 상기 개조, 변화 및 변경은 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 분야에 포함된다는 것을 알 수 있다.

Claims (88)

  1. L과 M을 음이 아닌 정수라 할 때, 유체 혼합물의 L 개 이상의 유체 성분들의 개개의 농도들 및 M 개 이상의 유체 성분들의 실체들을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    a) 다수의 감지 소자들을 관통하여 유동되는 상기 혼합물의 특성들을 측정하는 단계;
    b) N=L+M이라할 때 측정된 특성들로부터 혼합물의 N-1 개의 상태량들의 값을 결정하는 단계;
    c) 상기 유체 성분들의 개개의 농도들을 상기 혼합물의 N-1 개의 상태량들에 연관시키는 N-1 개의 방정식들을 설정하는 단계; 및
    d) 상기 N-1 개의 방정식들 및 구성 방정식을 상기 L 개의 유체 성분들의 개개의 농도들 및 상기 M 개의 유체 성분들의 실체들에 대해 푸는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물의 L 개 이상의 유체 성분들의 개개의 농도들 및 M 개 이상의 유체 성분들의 실체들을 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 a)가 다수의 유체적인 감지 소자들을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 성분들이 개스들인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 성분들이 액체들인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 혼합물이 N 개의 유체들을 구비하고;
    상기 단계 d)가, 상기 N-1개의 방정식들 및 상기 구성 방정식을 상기 유체 성분들의 N개의 개개의 농도들에 대해 푸는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개개의 유체 성분들의 각각의 실체가 기지의 것으로 되고, M은 제로로 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 유체 성분들의 개개의 농도들이 실시간적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계 a)가, a1) 상기 혼합물의 절대 압력을 측정하는 단계, a2) 상기 혼합물의 절대 온도를 측정하는 단계, a3) 발진기 유량계내에서 상기 혼합물의 진동 주파수를 측정하는 단계, a4) 오리피스를 횡단한 혼합물의 압력 강하를 측정하는 단계, 및 a5) 모세관을 횡단한 혼합물의 압력 강하를 측정하는 단계를 포함하며;
    상기 단계 b)가, b1) 상기 혼합물의 밀도를 계산하는 단계, 및 b2) 상기 혼합물의 점도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계들 a3) 및 a4)가 상기 유량계 및 상기 오리피스로서 동시에 작용하는 단일 발진기를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 모세관이 다수의 평행한 모세관들중의 하나이고;
    상기 단계 a5)가 상기 평행한 모세관들을 관통하여 상기 혼합물을 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 a)가, a6) 음파 발진기내에서 혼합물의 음향 주파수를 측정하는 단계를 포함하고;
    상기 단계 b)는, b3) 상기 혼합물의 비열을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합물이 N+1 번째 유체를 포함하고, 상기 유체 성분들중의 두 개는 상기 단계들 c) 및 d)에서 단일의 유체로서 처리되어 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도가 상기 단계 d)에서 결정되고;
    상기 방법은,
    e) 시간의 경과에 따라 상기 두 개의 유체 성분들의 상기 조합된 농도에 있어서의 변화들을 결정하므로써 상기 두 개의 유체 성분들의 개개의 농도들을 결정하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계 e)가, e1) 단일 호흡 사이클중, 상기 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도가 대체로 최소일 때의 시간과 일치하는 하나의 시점을 포함하는 다수의 시점들에서 상기 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도를 결정하는 단계, e2) 상기 단일 호흡 사이클을 통하여 상기 두 개의 유체 성분들중 제 1 유체 성분의 농도를 상기 다수의 시점들중 상기 하나의 시점에서 계산된 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도의 함수로서 결정하는 단계, 및 e3) 단일 호흡 사이클중 상기 다수의 시점들에서 계산된 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도로부터 상기 단계 e2)에서 결정된 두 개의 유체 성분들중의 제 1 유체 성분의 농도를 뺌으로써, 단일 호흡 사이클중 상기 두 개의 유체 성분들중의 제 2 유체 성분의 농도를 다수회에 걸쳐서 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단계 e1)에 있어서, 상기 다수의 시점들중의 상기 하나의 시점에서, 상기 유체 성분들중의 제 2 유체 성분의 농도는 대체로 제로로 되며;
    상기 단계 e2)에 있어서, 상기 두 개의 유체 성분들중의 제 1 유체 성분의 농도는, 상기 단일 호흡 사이클을 통하여, 상기 다수의 시점들중 상기 하나의 시점에서 결정된 상기 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도에 일치하는 것으로 가정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 두 개의 유체 성분들이 이산화탄소 및 일산화질소인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 유체 혼합물의 유체 성분들이 마취제의 투여중 호흡되는 개스들인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 단계 a)가, a1) 혼합물의 절대 온도를 측정하는 단계, a2) 혼합물의 절대 압력을 측정하는 단계, a3) 제 1 유체 발진기를 관통하여 유동되는 혼합물의 제 1 진동 주파수를 측정하는 단계, a4) 상기 제 1 유체 발진기를 관통하여 유동되는 혼합물의 압력 강하를 측정하는 단계, a5) 유체 모세관을 관통하여 유동되는 혼합물의 압력 강하를 측정하는 단계, 및 a6) 제 2 유체 발진기를 관통하여 유동되는 혼합물의 제 2 진동 주파수를 측정하는 단계를 포함하고;
    상기 단계 b)가, 상기 단계 a)로부터 측정된 특성들로부터 혼합물의 밀도, 점도 및 비열을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    개스 성분들의 개개의 농도들이 실시간적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    혼합물의 상기 개스 성분들이, 산소, 이산화탄소, 일산화질소, 강력 휘발성 마취제, 및 질소와 다른 강력 휘발성 마취제중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 5 항에 있어서,
    유체 성분들중의 하나의 유체 성분의 실체가 초기에는 미지의 것으로 되며;
    상기 단계 c)가, P를 양의 정수라 할 때 상기 미지의 유체 성분을 그들의 상태량이 알려진 P 개의 유체들중의 하나인 것으로 가정하는 단계를 포함하고;
    상기 방법은,
    e) 상기 단계 d)에서 구하여진 개개의 농도들이 각각의 예정된 농도 범위들내에 드는 경우, 미지의 유체 성분이 상기 P 개의 유체들중의 상기 하나인 것으로 나타내는 단계, 및
    f) 상기 단계 d)에서 구하여진 개개의 농도들이 각각의 예정된 농도 범위들내에 들지 않는 경우, 미지 유체 성분이 상기 P 개의 유체들중의 다른 하나인 것으로 가정하여, 상기 단계 d)에서 구하여진 개개의 농도들이 각각의 예정된 농도 범위들내에 들거나 또는 모든 상기 P 개의 유체들이 미지 유체 성분으로서 가정될 때까지, 상기 단계들 c) 내지 e)를 반복하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 5 항에 있어서,
    유체 성분들중의 하나의 유체 성분의 실체가 초기에는 미지의 것으로 되며;
    상기 단계 b)는, 측정된 특성들로부터 혼합물의 N 번째 상태량의 값을 결정하는 단계를 포함하고;
    상기 단계 c)는, P를 양의 정수라 할 때 미지의 유체 성분을 그들의 상태량이 알려진 P 개의 유체들중의 하나인 것으로 가정하는 단계를 포함하며;
    상기 방법은,
    e) 혼합물의 N 번째 상태량이 상기 단계 c)에서 사용되지 않을때, 혼합물의 N 번째 상태량을 성분 요소들의 개개의 농도들에 연관시키는 방정식으로부터 미지 유체 성분의 N 번째 상태량의 값을 계산하는 단계,
    f) 미지 유체 성분의 N 번째 상태량의 계산된 값이, 예정된 문턱값이내에서, P 개의 유체들중의 상기 하나의 유체의 N 번째 상태량의 기지 값에 일치하는 가를 결정하는 단계,
    g) 상기 단계 f)에서 일치하는 것으로 결정되면, 미지 유체 성분이 P 개의 유체들중의 상기 하나의 유체인 것으로 나타내는 단계, 및
    h) 상기 단계 f)에서 일치하지 않는 것으로 결정되면, 일치가 발견될 때까지 또는 모든 상기 P 개의 유체들에 대해 일치 여부가 결정될 때까지, 상기 P 개의 유체들중의 다른 하나를 가지고 단계들 c) 내지 g)를 반복하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 5 항에 있어서,
    P를 양의 정수라 할 때, 상기 혼합물이 P+N 개의 유체들을 구비하고;
    상기 방법은,
    e) 상기 단계 c)의 수행 전에, 유체 성분들중의 P 개의 유체 성분들의 개개의 농도들을 결정하는 단계를 추가로 구비하며;
    상기 단계 c)는, P 개의 유체 성분들의 결정된 개개의 농도들을 포함하는, 유체 성분들의 개개의 농도들을 혼합물의 N-1 개의 상태량들에 연관시키는 N-1 개의 방정식들을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물이, 초기에는 농도가 결정되지않은 산소, 및 초기에는 농도가 결정되지 않고 실체도 밝혀지지 않은 강력 휘발성 마취제를, L이 2가되고 M이 1이 되도록 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물이, 초기에는 알려지지 않고 농도도 결정되지 않은 두 개의 유체를, L이 2가 되고 M이 2가 되도록 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 공급원으로부터 유동되는 유체의 실체를 결정 또는 확인하기 위한 방법에 있어서,
    a) 다수의 유체적인 감지 소자들을 관통하여 유동되는 유체의 특성들을 측정하는 단계;
    b) N을 양의 정수라 할 때 측정된 특성들로부터 유체의 N 개의 상태량들의 값들을 결정하는 단계; 및
    c) 유체의 N 개의 상태량들의 값들의 각각이 기지 유체의 대응되는 상태량의 값의 예정된 문턱값이내에 드는 경우, 상기 유체가 상기 기지 유체라는 것을 나타내는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 공급원으로부터 유동되는 유체의 실체를 결정 또는 확인하기 위한 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    d) 유체의 N 개의 상태량들의 값들중의 특정의 하나가 상기 기지 유체의 대응되는 상태량의 값의 예정된 문턱값이내에 들지 않는 경우, 상기 유체가 상기 기지 유체가 아니라는 것을 나타내는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 방법이 유체가 유동되는 동안 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 25 항에 있어서,
    d) 유체의 N 개의 상태량들의 값들중의 특정의 하나가 상기 기지 유체의 대응되는 상태량의 값의 예정된 문턱값이내에 들지 않는 경우, 유체의 유동을 정지시키는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 단계 a)가, a1) 유체의 절대 압력을 측정하는 단계, a2) 유체의 절대 온도를 측정하는 단계, a3) 발진기 유량계내에서 유체의 절대 진동 주파수를 측정하는 단계, a4) 오리피스를 횡단한 유체의 압력 강하를 측정하는 단계, 및 a5) 모세관을 횡단한 유체의 압력 강하를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 단계 a)가, a6) 음파 발진기내에서 혼합물의 음향 주파수를 측정하는 단계를 추가로 포함하고;
    상기 단계 b)는, 유체의 밀도, 유체의 점도 및 유체의 비열중 두 개 이상을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 25 항에 있어서,
    L을 1보다 큰 정수라 할 때 상기 기지 유체가 그들의 상태량이 알려진 L 개의 유체들중의 하나이고;
    상기 방법은,
    d) 유체의 N 개의 상태량들의 값들중의 특정의 하나가 상기 기지 유체의 대응되는 상태량의 값의 예정된 문턱값이내에 들지 않는 경우, 식별이 완료될 때까지 또는 유체의 N 개의 상태량들의 값들이 모든 상기 L 개의 유체들의 대응되는 상태량들의 값들에 비교될 때까지, 상기 L 개의 유체들중의 다른 유체에 대해 상기 단계 c)를 반복하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. L과 M을 음이 아닌 정수라 할 때, 유체 혼합물의 L 개 이상의 유체 성분들의 개개의 농도들 및 M 개 이상의 유체 성분들의 실체들을 결정하기 위한 장치에 있어서,
    혼합물의 물리적인 상태들을 측정하도록 적합화된 다수의 센서들; 및
    N이 L+M과 동일하다고 할 때 측정된 물리적인 상태들로부터 혼합물의 N-1 개의 상태량들의 값들을 결정하고, 유체 성분들의 개개의 농도들을 혼합물의 상기 N-1 개의 상태량들에 연관시키는 N-1 개의 방정식들을 설정하며, L 개의 유체 성분들의 개개의 농도들 및 M 개의 유체 성분들의 실체들에 대해 상기 N-1 개의 방정식들 및 구성 방정식을 풀도록 구성되는 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물의 L 개 이상의 유체 성분들의 개개의 농도들 및 M 개 이상의 유체 성분들의 실체들을 결정하기 위한 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 유체 혼합물이 N 개의 유체들을 구비하고;
    상기 프로세서는 상기 N-1개의 방정식들 및 상기 구성 방정식을 상기 유체 성분들 개개의 농도들에 대해 푸는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 다수의 센서들이, 상기 혼합물이 관통하여 유동하는 유체 발진기, 상기 유체 발진기내에서 혼합물의 진동 주파수를 측정하도록 적합화된 다수의 마이크로폰들, 상기 혼합물이 관통하여 유동하는 모세관, 상기 유체 발진기를 횡단하여 상기 혼합물의 압력 강하를 측정하도록 적합화된 제 1 압력 변환기, 및 오리피스를 횡단하여 상기 혼합물의 압력 강하를 측정하도록 적합화된 제 2 압력 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 유체 발진기의 노즐이 상기 오리피스로서 작용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 유체 발진기의 하류측에 배설되는 오리피스를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제 34 항에 있어서,
    상기 유체 발진기가 유체적인 증폭 피드백 발진기 유량계인 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제 34 항에 있어서,
    상기 모세관이 다수의 모세관들중의 하나이고, 상기 다수의 모세관들은 그들을 관통한 혼합물의 유동에 평행한 저항력을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 모세관들이 대체로 평행하게 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  40. 제 34 항에 있어서,
    상기 다수의 센서들이, 상기 혼합물의 절대 온도를 측정하도록 적합화된 온도 센서, 및 상기 혼합물의 절대 압력을 측정하도록 적합화된 압력 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  41. 제 34 항에 있어서,
    상기 다수의 센서들이, 상기 혼합물이 관통하여 유동하는 음파 발진기, 및 상기 음파 발진기내에서 혼합물의 진동 주파수를 측정하도록 적합화된 제 2의 다수의 마이크로폰들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 제 34 항에 있어서,
    상기 장치가, 전자 증폭기를 추가로 구비하고;
    상기 다수의 마이크로폰들은, 상기 유체 발진기의 제 1 피드백 경로내에 배설되는 제 1 마이크로폰 및 상기 유체 발진기의 제 2 피드백 경로내에 배설되는 제 2 마이크로폰을 포함하며;
    상기 제 1 및 제 2 마이크로폰들의 출력들은 180°탈위상되며 상기 전자 증폭기내에서 차별화되어, 주위 소음을 능동적으로 격리시키게 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  43. 제 33 항에 있어서,
    상기 프로세서가 혼합물의 밀도 및 점도를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  44. 제 42 항에 있어서,
    상기 프로세서가 혼합물의 비열을 또한 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  45. 제 33 항에 있어서,
    상기 프로세서에 의해 결정된 유체 성분들의 개개의 농도들을 디스플레이하도록 구성되는 디스플레이를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  46. 제 33 항에 있어서,
    상기 유체 성분이 개스들인 것을 특징으로 하는 장치.
  47. 제 33 항에 있어서,
    상기 유체 성분들이 액체들인 것을 특징으로 하는 장치.
  48. 제 33 항에 있어서,
    각각의 유체 성분의 밀도가 기지의 것으로 되고, M은 제로로 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  49. 제 33 항에 있어서,
    상기 프로세서가 유체 성분들의 개개의 농도들을 실시간적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  50. 제 33 항에 있어서,
    상기 혼합물이 N+1 번째 유체를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 유체 성분들중의 두 개의 유체 성분의 조합된 농도를 결정하며, 상기 프로세서는 또한 상기 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도에 있어서의 변화들을 시간의 경과에 따라 결정하므로써 상기 두 개의 유체 성분들의 개개의 농도들을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 프로세서가,
    단일 호흡 사이클중, 상기 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도가 대체로 최소일 때의 시간과 일치하는 하나의 시점을 포함하는 다수의 시점들에서 상기 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도를 결정하고;
    상기 단일 호흡 사이클을 통하여 상기 두 개의 유체 성분들중 제 1 유체 성분의 농도를 상기 다수의 시점들중 상기 하나의 시점에서 계산된 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도의 함수로서 결정하며;
    단일 호흡 사이클중 상기 다수의 시점들에서 계산된 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도로부터 두 개의 유체 성분들중의 제 1 유체 성분의 농도를 뺌으로써, 단일 호흡 사이클중 상기 두 개의 유체 성분들중의 제 2 유체 성분의 농도를 다수회에 걸쳐서 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 다수의 시점들중의 상기 하나의 시점에서, 상기 유체 성분들중의 제 2 유체 성분의 농도는 대체로 제로로 되며;
    상기 두 개의 유체 성분들중의 제 1 유체 성분의 농도는, 상기 단일 호흡 사이클을 통하여, 상기 다수의 시점들중 상기 하나의 시점에서 결정된 상기 두 개의 유체 성분들의 조합된 농도에 일치하는 것으로 가정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  53. 제 50 항에 있어서,
    상기 두 개의 유체 성분들이 이산화탄소 및 일산화질소인 것을 특징으로 하는 장치.
  54. 제 50 항에 있어서,
    상기 N+1 개의 유체 성분들이, 산소, 이산화탄소, 일산화질소, 강력 휘발성 마취제, 및 질소와 다른 강력 휘발성 마취제중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  55. 제 50 항에 있어서,
    상기 유체 혼합물의 유체 성분들이 마취제의 투여중 호흡되는 개스들인 것을 특징으로 하는 장치.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상수 다수의 센서들이, 상기 혼합물의 절대 온도를 측정하도록 적합화된 온도 센서, 상기 혼합물의 절대 압력을 측정하도록 적합화된 압력 센서, 상기 혼합물이 관통하여 유동하는 유체 발진기, 상기 유체 발진기내에서의 혼합물의 진동 주파수를 측정하도록 적합화된 다수의 마이크로폰들, 상기 유체 발진기를 횡단한 상기 혼합물의 압력 강하를 측정하도록 적합화된 제 1 압력 변환기, 상기 혼합물이 관통하여 유동하는 모세관, 상기 모세관을 횡단한 상기 혼합물의 압력 강하를 측정하도록 적합화된 제 2 압력 변환기, 상기 혼합물이 관통하여 유동하는 음파 발진기, 및 상기 음파 발진기내에서 상기 혼합물의 진동 주파수를 측정하도록 적합화된 제 2 마이크로폰을 포함하고;
    상기 프로세서가 상기 혼합물의 밀도, 점도 및 비열을 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  57. 제 33 항에 있어서,
    유체 성분들의 상태량들을 저장하기 위한 메모리를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  58. 제 33 항에 있어서,
    유체 성분들중의 하나의 유체 성분의 실체가 초기에는 미지의 것으로 되며;
    상기 프로세서는, P를 양의 정수라 할 때 상기 미지의 유체 성분을 그들의 상태량이 알려진 P 개의 유체들중의 하나인 것으로 가정하므로써, 상기 N-1 개의 방정식들을 설정하고;
    상기 프로세서는, 구하여진 개개의 농도들이 각각의 예정된 농도 범위들내에 드는 경우, 미지의 유체 성분이 P 개의 유체들중의 상기 하나인 것으로 결정하며;
    구하여진 개개의 농도들이 각각의 예정된 농도 범위들내에 들지 않는 경우, 상기 프로세서는, 미지 유체 성분이 상기 P 개의 유체들중의 다른 하나인 것으로 가정하여 상기 유체 성분들의 개개의 농도들을 상기 혼합물의 N-1 개의 상태량들에 연관시키는 N-1 개의 방정식들을 설정하고, 구하여진 개개의 농도들이 각각의 예정된 농도 범위들내에 들거나 또는 모든 상기 P 개의 유체들이 미지 유체 성분으로서 가정될 때까지, 유체 성분들의 개개의 농도들에 대해 상기 N-1 개의 방정식들 및 구성 방정식을 푸는 것을 특징으로 하는 장치.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 P 개의 유체들의 상태량들을 저장하기 위한 룩-업 테이블을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  60. 제 33 항에 있어서,
    유체 성분들중의 하나의 유체 성분의 실체가 초기에는 미지의 것으로 되며;
    상기 프로세서는 측정된 물리적인 상태들로부터 혼합물의 N 번째 상태량의 값을 결정하고;
    상기 프로세서는, P를 양의 정수라 할 때, 미지의 유체 성분을 그들의 상태량이 알려진 P 개의 유체들중의 하나인 것으로 가정하므로써, N-1 개의 방정식들을 설정하며;
    상기 프로세서는, 혼합물의 N 번째 상태량이 상기 N-1 개의 방정식들을 설정하기 위해 사용되지 않는다고 할 때, 혼합물의 N 번째 상태량을 성분 요소들의 개개의 농도들에 연관시키는 방정식으로부터 미지 유체 성분의 N 번째 상태량의 값을 계산하고;
    상기 프로세서는, 미지 유체 성분의 N 번째 상태량의 계산된 값이 예정된 문턱값이내에서 P 개의 유체들중의 상기 하나의 유체의 N 번째 상태량의 기지 값에 일치하는 가를 결정하며;
    상기 프로세서는, 일치하는 것으로 결정되면, 미지 유체 성분이 P 개의 유체들중의 상기 하나의 유체인 것으로 결정하고;
    일치하지 않는 것으로 결정되면, 상기 프로세서는, 일치가 발견될 때까지 또는 모든 상기 P 개의 유체들에 대해 일치 여부가 결정될 때까지, 상기 미지 유체 성분이 상기 P 개의 유체들중의 다른 하나인 것으로 가정하여, 유체 성분들의 개개의 농도들을 상기 혼합물의 N-1 개의 상태량들에 연관시키는 N-1 개의 방정식들을 설정하고, 상기 유체 성분들의 개개의 농도들에 대해 상기 N-1 개의 방정식들 및 구성 방정식을 푸는 것을 특징으로 하는 장치.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 P 개의 유체들의 상태량들을 저장하기 위한 룩-업 테이블을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  62. 제 33 항에 있어서,
    P를 양의 정수라 할 때, 상기 혼합물이 P+N 개의 유체들을 구비하고;
    P 개의 유체 성분들의 개개의 농도들은 상기 N-1 개의 방정식들을 설정하기 전에 기지의 것으로서 주어지고;
    상기 프로세서는, P 개의 유체 성분들의 기지의 개개의 농도들을 포함하는, 유체 성분들의 개개의 농도들을 혼합물의 N-1 개의 상태량들에 연관시키는 N-1 개의 방정식들을 설정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  63. 공급원으로부터 유동되는 유체의 실체를 결정 또는 확인하기 위한 장치에 있어서,
    혼합물의 물리적인 상태들을 측정하도록 적합화된 다수의 유체 센서들; 및
    N을 양의 정수라 할 때 측정된 물리적인 조건들로부터 유체의 N 개의 상태량들의 값을 결정하고, 유체의 N 개의 상태량들의 각각의 값이 기지 유체의 대응되는 상태량 값의 예정된 문턱값이내에 들면 상기 유체가 상기 기지 유체인 것으로 결정하도록 구성되는 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는, 공급원으로부터 유동되는 유체의 실체를 결정 또는 확인하기 위한 장치.
  64. 제 63 항에 있어서,
    상기 유체의 N 개의 상태량 값들중의 어느 하나가 상기 기지 유체의 대응되는 상태량 값의 예정된 문턱값이내에 들지 않는 경우, 상기 프로세서는 상기 유체가 상기 기지 유체가 아닌 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  65. 제 63 항에 있어서,
    상기 유체 센서들이 상기 유체의 물리적인 상태들을 유체가 유동되는 동안 반복적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  66. 제 63 항에 있어서,
    상기 프로세서가, 유체의 N 개의 상태량들의 값들중의 특정의 하나가 상기 기지 유체의 대응되는 상태량의 값의 예정된 문턱값이내에 들지 않는 경우, 유체의 유동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  67. 제 63 항에 있어서,
    상기 프로세서가, 유체의 N 개의 상태량들의 값들중의 특정의 하나가 상기 기지 유체의 대응되는 상태량의 값의 예정된 문턱값이내에 들지 않는 경우, 가청적인 또는 가시적인 알람을 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  68. 제 63 항에 있어서,
    상기 다수의 센서들이, 상기 유체가 관통하여 유동하는 유체 발진기, 상기 유체 발진기내에서 유체의 진동 주파수를 측정하도록 적합화된 다수의 마이크로폰들, 상기 유체가 관통하여 유동하는 모세관, 상기 모세관을 횡단한 유체의 압력 강하를 측정하도록 적합화된 제 1 압력 변환기, 및 오리피스를 횡단한 유체의 압력 강하를 측정하도록 적합화된 제 2 압력 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  69. 제 68 항에 있어서,
    상기 유체 발진기의 노즐이 상기 오리피스로서 작용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  70. 제 68 항에 있어서,
    상기 유체 발진기가 유체적인 증폭 피드백 발진기 유량계인 것을 특징으로 하는 장치.
  71. 제 68 항에 있어서,
    상기 유체적인 모세관이 다수의 모세관들중의 하나이고, 상기 다수의 모세관들은 그들을 관통한 혼합물의 유동에 평행한 저항력을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  72. 제 68 항에 있어서,
    상기 다수의 센서들이, 상기 유체가 관통하여 유동하는 음파 발진기, 및 상기 음파 발진기내에서 유체의 진동 주파수를 측정하도록 적합화된 제 2의 다수의 마이크로폰들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  73. 제 68 항에 있어서,
    상기 프로세서가 유체의 밀도 및 점도를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  74. 제 73 항에 있어서,
    상기 프로세서가 유체의 비열을 또한 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  75. 제 63 항에 있어서,
    L을 1보다 큰 정수라 할 때, 상기 기지 유체가 그들의 상태량들이 기지의 것으로서 주어지는 L 개의 유체들중의 하나이고;
    유체의 N 개의 상태량들의 값들중의 특정의 하나가 상기 기지 유체의 대응되는 상태량의 값의 예정된 문턱값이내에 들지 않는 경우, 상기 프로세서는 식별이 이루어질 때까지 또는 유체의 N 개의 상태량들의 값들이 상기 L 개의 유체들의 각각의 대응되는 상태량들의 값들에 비교될 때까지 유체의 N 개의 상태량들의 값들을 L 개의 유체들중의 다른 유체의 대응되는 상태량들의 값들에 비교하는 것을 특징으로 하는 장치.
  76. 유체를 분석하기 위한 장치에 사용되는 일회용 유체 센서 모듀울에 있어서,
    유체 유량을 수납하도록 적합화된 유입구 및 유체 유량을 배출시키기 위한 배출구를 갖는 플레이트형 부재;
    상기 유입구와 배출구 사이의 경로내에서 상기 플레이트형 부재내에 형성되며 유체 유량에 응답하여 유체의 유량에 연관되는 주파수를 갖는 유량 진동들을 발생시키는 유체 발진기; 및
    상기 유입구와 배출구 사이의 경로내에서 상기 플레이트형 부재내에 형성되고 그를 횡단한 압력 강하가 상기 유체의 점도와 연관되도록 유체 유량을 제한하는 모세관 구조물을 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체를 분석하기 위한 장치에 사용되는 일회용 유체 센서 모듀울.
  77. 제 76 항에 있어서,
    상기 유체 발진기의 입력부로부터 상기 유체 발진기의 출력부에 이르는 압력 강하가 유체의 밀도와 연관되는 것을 특징으로 하는 유체 센서 모듀울.
  78. 제 77 항에 있어서,
    상기 유체 발진기가 유체 증폭 피드백 발진기 유량계인 것을 특징으로 하는 유체 센서 모듀울.
  79. 제 76 항에 있어서,
    상기 유입구와 배출구 사이의 경로내에서 상기 플레이트형 부재내에 형성되며 유체의 비열과 연관되는 주파수를 갖는 유량 진동들을 발생시키는 음파 발진기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 센서 모듀울.
  80. 제 76 항에 있어서,
    상기 모세관 구조물이 다수의 모세관들을 구비하고, 상기 다수의 모세관들은 그들을 관통한 혼합물의 유동에 평행한 저항력을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 유체 센서 모듀울.
  81. 청구항 76의 일회용 센서 모듀울과의 인터페이싱을 위한 교체가능한 변환기 모듀울에 있어서,
    상기 일회용 센서 모듀울을 통과하는 유체의 절대 온도를 측정하기 위한 온도 센서;
    상기 일회용 센서 모듀울을 통과하는 유체의 절대 압력을 측정하기 위한 압력 센서;
    상기 일회용 센서 모듀울의 상기 유체 발진기 및 모세관을 횡단한 압력 강하들을 각각 측정하기 위한 두 개의 차압 변환기들;
    상기 일회용 센서 모듀울의 유체 발진기내에서 진동 주파수들을 측정하기 위한 다수의 마이크로폰들; 및
    상기 일회용 센서 모듀울을 관통하여 샘플 유량을 취할 수 있도록 상기 일회용 센서 모듀울을 진공원에 연결시키는 진공 라인 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 교체가능한 변환기 모듀울.
  82. 청구항 81의 교체가능한 변환기 모듀울에 의해 생성되는 변환기 신호들을 수납하도록 적합화된 소모성 전자부품 패키지에 있어서,
    상기 온도 센서, 상기 압력 센서, 및 상기 두 개의 차압 변환기들로부터 수납되는 신호들에 대응되는 아날로그 신호들을 제공하는 멀티플렉서;
    상기 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환시키기 위한 아날로그-디지털 변환기;
    상기 마이크로폰으로부터의 출력 신호에 응답하여 디지털 주파수 신호를 발생시키기 위한 유량 카운터; 및
    상기 유체의 성분들의 개개의 농도들을 계산하기 위해 상기 디지털 신호들 및 디지털 주파수 신호에 응답하는 마이크로프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 소모성 전자부품 패키지.
  83. 유체를 분석하기 위한 모듈러 장치에 있어서,
    유체 유량을 수납하도록 적합화된 유입구 및 유체 유량을 배출시키기 위한 배출구를 갖는 플레이트형 부재, 상기 유입구와 배출구 사이의 경로내에서 상기 플레이트형 부재내에 형성되며 유체 유량에 응답하여 유체의 유량에 연관되는 주파수를 갖는 유량 진동들을 발생시키는 유체 발진기; 및 상기 유입구와 배출구 사이의 경로내에서 상기 플레이트형 부재내에 형성되고 그를 횡단한 압력 강하가 상기 유체의 점도와 연관되도록 유체 유량을 제한하는 모세관 구조물을 구비하는, 일회용 유체 센서 모듀울;
    분리가능한 인터페이스를 경유하여 상기 유체 센서 모듀울에 연결가능하게 되며 상기 유체 센서 모듀울을 관통하여 유동하는 유체의 물리적인 상태들을 측정하기 위한 변환기들을 구비하는 교체가능한 변환기 모듀울; 및
    상기 교체가능한 변환기 모듀울에 연결가능하게 되고 유체의 상태량들을 결정하기 위해 상기 변환기들에 의해 생성되는 변환기 신호들에 응답하는 프로세서를 구비하는 소모성 전자부품 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체를 분석하기 위한 모듈러 장치.
  84. 제 83 항에 있어서,
    상기 일회용 센서 모듀울이, 상기 유입구와 배출구 사이의 경로내에서 상기 플레이트형 부재내에 형성되며 유체의 비열과 연관되는 주파수를 갖는 유량 진동들을 발생시키는 음파 발진기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 모듈러 장치.
  85. 제 83 항에 있어서,
    상기 모세관 구조물이 다수의 모세관들을 구비하고, 다수의 모세관들은 상기 모세관 구조물을 관통한 유체의 유동에 평행한 저항력을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 모듈러 장치.
  86. 제 83 항에 있어서,
    상기 유체 발진기의 입력부로부터 상기 유체 발진기의 출력부에 이르는 압력 강하가 유체의 밀도와 연관되는 것을 특징으로 하는 모듈러 장치.
  87. 제 86 항에 있어서,
    상기 교체가능한 변환기 모듀울이, 상기 일회용 센서 모듀울을 통과하는 유체의 절대 온도를 측정하기 위한 온도 센서, 상기 일회용 센서 모듀울을 통과하는 유체의 절대 압력을 측정하기 위한 압력 센서, 상기 일회용 센서 모듀울의 상기 유체 발진기 및 모세관을 횡단한 압력 강하들을 각각 측정하기 위한 두 개의 차압 변환기들, 상기 일회용 센서 모듀울의 유체 발진기내에서 진동 주파수들을 측정하기 위한 다수의 마이크로폰들, 및 상기 일회용 센서 모듀울을 관통하여 샘플 유량을 취할 수 있도록 상기 일회용 센서 모듀울을 진공원에 연결시키는 진공 라인 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 모듈러 장치.
  88. 제 87 항에 있어서,
    상기 소모성 전자부품 패키지가, 상기 온도 센서, 상기 압력 센서, 및 상기 두 개의 차압 변환기들로부터 수납되는 신호들에 대응되는 아날로그 신호들을 제공하는 멀티플렉서, 상기 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환시키기 위한 아날로그-디지털 변환기, 상기 마이크로폰으로부터의 출력 신호에 응답하여 디지털 주파수 신호를 발생시키기 위한 유량 카운터, 및 상기 유체의 성분들의 개개의 농도들을 계산하기 위해 상기 디지털 신호들 및 디지털 주파수 신호에 응답하는 마이크로프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 모듈러 장치.
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