用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体传感器、分析器和方法技术

本发明专利技术的名称为“用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体传感器、分析器和方法”。本文公开一种气体传感器。该气体传感器包括发射器(12)，发射器(12)对至少部分地涂敷有发光体(13)的本体(14)发射辐射，发光体(13)在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射。气体传感器还包括用于传输发光体发射的发光辐射的过滤器(18)和用于接收过滤器传输的发光辐射的氧气检测器(16)。气体传感器还包括用于接收来自发光体(13)的热辐射的红外线测温单元(25)。还提供一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器和方法。

【技术实现步骤摘要】
用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体传感器、分析器和方法
本公开大体涉及气体传感器，包括：发射器，用于对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，发光体在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射；用于传输发光体发射的发光辐射的过滤器；以及用于接收发光辐射的氧气检测器。本公开还涉及用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器和方法。
技术介绍
在麻醉手术中或者在重症护理中，常常通过分析患者吸入的和呼出的气体的含量来监测患者的状况。为此，或者少部分呼吸气体被转移到气体分析器，或者气体分析器直接连接到呼吸回路。前一种分析器为侧流型，后一种被称为主流型，因为它具有直接跨过呼吸管进行测量的能力。对于主流传感器而言典型的是，它具有一次性的气道转接器和可直接连接的传感器本体。市场上的大部分主流传感器设计成使用红外线非分散(NDIR)吸收技术来单独测量二氧化碳。此技术的基础是众所周知的，并且在文献和专利中对其有详细解释。因为该技术与本案不直接相关联，所以不会在本文档中对NDIR测量进行进一步的描述。当然，至关重要的另一种气体是氧气。可使用化学传感器或燃料电池来测量氧气，但是化学传感器或燃料电池通常太庞大而不能装配到主流传感器中，而且虽然它们具有有限的寿命，但是它们未设计成用于单次使用，并且因此必须防止它们与患者气体直接接触，以避免污染。这是昂贵的，而且还会影响传感器的响应时间。也可使用760nm的激光器和吸收来测量氧气。但是，这个吸收是非常微弱的，并且来自跨过呼吸管的短距离的信号会变得太嘈杂而无法使用。最有前途的方法是发光淬灭(quench)。使用例如来自发光二极管(LED)的蓝光来激励特殊的传感器涂层(发光体)。常常可在光谱的红色部分中检测波长较长的发光信号。氧气具有通过消耗直接来自发光体的可用能量来以可预测的方式淬灭这个发光的能力。因而，淬灭量是呼吸气体混合物中的氧气的分压力的直接测量。发光淬灭提供制造与患者转接器结合的单次使用探头的可能性。必须注意的问题是温度和湿度依赖性以及老化所导致的漂移。通常不直接测量发光强度，而激励状态的衰减时间的变化更稳定且可进行更鲁棒的测量。然而，光学基准通常是必要的，因为它也是温度补偿。在临床上使用的主流类型的气体分析器中，呼吸空气或气体混合物的总量或至少主要部分流过分析器及其一次性的测量室。因为测量室在呼吸回路中，所以测量室易被粘液或冷凝水污染。因而，使用尽可能鲁棒且对困难条件不敏感的传感器是必要的。红外线传感器在主流分析器中使用一个或多个基准波长，以便使得可持续地获得对没有气体吸收的信号水平(零水平)的足够好的估计。对于氧气传感器，污染不会改变灵敏度超过可容忍的范围是重要的。基于发光淬灭的传感器看来可满足这个需求。传感器在测量溶解的氧气时还被浸入水中工作是已知的。响应时间在这种测量中当然会更长。临床主流气体分析器必须是小的、轻的、精确的、鲁棒的且可靠的。分析器必须在十分不同的操作状况中保持其精确性。例如，规定许多临床气体分析器在介于+10和+35C之间的环境温度处操作，并且传导呼吸气体的管子可处于环境温度，或者保持在已知的温度处，以避免水冷凝。而且，发光体的温度受到与发光体接触的流动气体的影响。在临床使用中，呼出的气体的温度将接近患者的体温，而吸入的气体的温度将接近从通气孔到患者的吸气管的温度。在正常操作期间使用基准气体来进行调零测量是不可能的。因为发光体的发光属性取决于温度，所以或者必须将发光体保持在已知的温度处，或者必须测量发光体的温度并在计算氧气的分压力时考虑发光体的温度。由于恒温器加热或冷却系统的笨重性和功率消耗的原因，后一种方法是非常优选的。然而，分析器必须保持其精确性，即使测量室将被污染。由于这些要求的原因，主要地，能够在商业上获得用于二氧化碳(CO2)的单气体主流分析器。真正紧凑的CO2和O2气体分析器在技术上是非常有挑战性的。另一个要求是测量必须足够快，以测量呼吸曲线。实际上，上升时间将必须为大约200ms或者甚至更短。对于CO2，使用众所周知的红外线测量技术来进行布置是可能的。发光O2传感器必须具有非常薄的活性材料层，以便足够快地反应。这会减少信号，并且为了对此进行补偿，必须增加传感器表面。基于在主流转接器中进行发光淬灭的现有技术的氧气传感器包括将有关辐射传输到涂敷有发光体的表面以及从该表面传输有关辐射的窗口。窗口可非常薄，使得窗口可为薄膜。测量方法是众所周知的，并且还已知可将传感器保持在37+/-0.1C的温度处，而且传感器具有用于测量荧光团的瞬时温度的额外的微芯片热敏电阻。将此类热敏电阻紧固到涂敷有发光体的窗口，但不幸的是，该热敏电阻无法像在呼吸测量的情况下那样足够快速地跟随不断变化的温度。而且，具有紧固到窗口的热敏电阻的主流转接器太昂贵以至于无法用完即丢弃，并且因此在每次使用之后都应当对其消毒。
技术实现思路
本文解决了上面提到的缺陷、缺点和问题，通过阅读和理解以下说明，将理解本文。在实施例中，一种气体传感器包括：发射器，其用于对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，发光体在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射；以及用于传输发光体发射的发光辐射的过滤器。该气体传感器还包括用于接收过滤器传输的发光辐射的氧气检测器和用于接收指示发光体的温度的热辐射的红外线测温单元。在另一个实施例中，一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器，包括：用于发射辐射的发射器和气道转接器，该气道转接器具有输送包含氧气的呼吸气体的流通道。气体分析器还包括至少部分地涂敷有发光体的本体，发光体被发射器发射的辐射激励，发光体与呼吸气体接触并发射发光辐射。气体分析器进一步包括用于传输发光体所发射的发光辐射的过滤器和用于接收过滤器传输的发光辐射的氧气检测器。气体分析器还包括用于接收来自发光体的热辐射的红外线测温单元。在又一个实施例中，一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的方法，包括：对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，发光体适合于在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射，以及过滤该辐射以传输发光辐射。该方法还包括检测传输的发光辐射，以及接收来自发光体的、指示发光体的温度的热辐射。根据附图及其详细描述，本专利技术的多种其它特征、目标和优点对本领域技术人员将是显而易见的。附图说明图1示出了连接到患者的通气回路的医疗主流气体分析器。图2显示了气体分析器，其包括气道转接器和包括根据实施例的氧气测量原理的气体传感器；图3显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件；图4显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件；图5显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件；以及图6显示了根据另一个实施例的氧气测量原理和组件。具体实施方式参照附图在以下详细描述中解释具体实施例。当然可修改这些详细的实施例，并且它们不应限制权利要求中阐述的本专利技术的范围。在图1显示了用于测量诸如氧气的呼吸气体的气体分析器7。可在主流类型的临床多气体分析器中应用这项技术。诸如医疗主流气体分析器的气体分析器7可直接跨过图1中显示的被插管的患者1的呼吸管进行测量。使用插管3、Y形件4、吸气分支5和呼气分支6来将患者1连接到通气孔2。气道转接器8连接到插管。包括气道转接器的组件的气体分析器7通过线缆9电连接到患者监测器10。除了氧气O2之外，测量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体传感器，包括：发射器(12)，用于对至少部分地涂敷有发光体(13)的本体(14)发射辐射，所述发光体(13)在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射；用于传输所述发光体发射的所述发光辐射的过滤器(18)；以及用于接收所述过滤器传输的所述发光辐射的氧气检测器(16)，其特征在于，所述气体传感器还包括用于接收指示所述发光体(13)的温度的热辐射的红外线测温单元(25)。

【技术特征摘要】
2011.07.18 US 13/1848201.一种气体传感器，包括：发射器，用于对至少部分地涂敷有发光体的本体发射辐射，所述发光体在与呼吸气体接触时发射指示氧气浓度的发光辐射，所述发光体置于气道转接器中；用于传输所述发光体发射的所述发光辐射的过滤器；以及用于接收所述过滤器传输的所述发光辐射的氧气检测器，其特征在于，所述气体传感器还包括用于接收指示所述发光体的温度的热辐射的红外线测温单元；所述红外线测温单元包括用于接收热辐射的红外线检测器和用于测量所述红外线检测器的温度的温度传感器；所述红外线测温单元进一步包括光学系统，以将所述红外线检测器的视场限定于所述发光体的合适的部分，以及收集以热的方式从那个部分对所述红外线检测器发射的辐射；其中，所述红外线测温单元与所述发光体关于气道转换器相对设置，在所述本体对面的气道转接器中设置有窗口；所述氧气检测器适合于基于所接收的指示氧气浓度的发光辐射来提供信号，并且所述红外线检测器适合于基于所接收的指示所述发光体的温度的热辐射来提供信号，以及所述温度传感器适合于基于所述红外线检测器的所述温度来提供信号；进一步包括处理单元，所述处理单元用于接收指示氧气浓度的信号以及用于接收指示所述发光体的温度的信号和接收指示所述红外线检测器的所述温度的信号，并且所述处理单元适合于基于指示氧气浓度的所述信号、指示所述发光体的温度的所述信号和指示所述红外线检测器的所述温度的所述信号来确定所述呼吸气体的所述氧气浓度。2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述光学系统包括用于限制所述红外线检测器的所述视场的孔口和用于使合适范围的IR波长通过的滤光器以及用于反射所述热辐射的反射器和用于收集和聚焦所述热辐射的透镜中的一个。3.根据权利要求1所述的气体传感器，进一步包括用于将辐射发射通过所述呼吸气体的红外线源和用于提供指示氧气之外的至少一种呼吸气体的信号的至少一个气体检测器。4.一种用于测量呼吸气体的氧气浓度的气体分析器，包括：用于发射辐射的发射器；气道转接器，其具有输送包含氧气的呼吸气体的流通道；至少部分地涂敷有发光体的本体，所述发光体被所述发射器发射的所述辐射激励，所述发光体置于气道转接器中；所述发光体与所述呼吸气体接触并发射发光辐射；用于传输所述发光体发射的所述发光辐射的过滤器；以及用于接收所述过滤器传输的所述发光辐射的氧气检测器；其特征在于，所述气体分析器还包括用于接收来自所述发光体的热辐射的红外线测温单元；所述红外线测温单元包括用于接收热辐射的红外线检测器和用于测量所述红外线检测器的温...

【专利技术属性】
技术研发人员：K卡尔森，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：