使用定位于可呼吸气体流的同一侧上的检测器和发射器来监测所述可呼吸气体流的成分的系统和方法

摘要

一种用于与气道适配器(22)一起使用的气体测量模块(16)被构造成使得将发射器(48)和检测器(52)两者安置在形成于所述气道适配器内的取样室(46)的同一侧上。引导来自所述发射器的电磁辐射来回横穿所述取样室到达所述检测器的光学元件(56)包括至少一个复曲面元件。所述至少一个复曲面元件补偿定位在所述取样室的与所述发射器和所述检测器相反的一侧上的倾斜的折叠反射镜。

说明书

发明领域

本发明涉及用于使用位于可呼吸气体流的同一侧上的发射器和检测器 来监测所述可呼吸气体流的成分的方法和设备。

背景技术

存在许多被构造成监测正被输送给受试者的可呼吸气体流的成分的现 有系统。一些此类系统主要是对成分进行光学检测。通常，将一束电磁辐 射传输通过所考虑的可呼吸气体流的样本，在另一侧上的光学检测器则在 所述电磁辐射已通过所述可呼吸气体流之后测量所述电磁辐射的一个或多 个参数。例如，所述一个或多个参数可以包括光学频带边(optical band  edge)、频带透射性(band transmission)或频带吸收性(band absorption)。 此类配置称为非色散(ND)系统。

发明内容

因此，本发明的一个或多个方面涉及一种被构造成监测呼吸回路内的 可呼吸气体流的成分的气体测量模块，所述呼吸回路与受试者的气道流体 连通。在一些实施例中，气体测量模块包括发射器、检测器和光学元件。 所述发射器被构造成发射红外电磁辐射。所述检测器被构造成产生输出信 号，所述输出信号传递与入射到检测器上的电磁辐射的一个或多个参数有 关的信息。所述光学元件被构造成引导由发射器发射的电磁辐射通过第一 侧到达取样室中。所述取样室具有第一开口和第二开口，并且被构造成在 所述第一开口和第二开口之间形成流路，使得所述呼吸回路内的可呼吸气 体流通过所述流路。光学元件被构造成引导所发射的电磁辐射通过取样室 的第一侧、横穿取样室到与取样室的第一侧相反的所述取样室的第二侧、 往回横穿取样室到所述取样室的所述第一侧、并到达检测器上，使得由检 测器产生的输出信号传递与已横越取样室和其中的可呼吸气体流两次的所 发射电磁辐射的一个或多个参数有关的信息。所述光学元件中的至少一个 是复曲面元件(toric element)。

本发明的另一方面涉及一种监测呼吸回路内的可呼吸气体流的成分的 方法，所述呼吸回路与受试者的气道流体连通。在一些实施例中,所述方法 包括：发射红外电磁辐射；引导由发射器发射的电磁辐射通过取样室的第 一侧到取样室内、横穿取样室到达与所述取样室的第一侧相反的取样室的 第二侧、往回横穿取样室到达取样室的第一侧、并到达检测器上，其中所 述取样室具有第一开口和第二开口，并且被构造成在第一开口和第二开口 之间形成流路，使得所述呼吸回路内的可呼吸气体流通过所述流路，使得 电磁辐射来回横穿所述流路和其中的可呼吸气体流，并且其中由至少一个 复曲面光学元件部分地执行所述引导；以及产生输出信号，所述输出信号 传递与已横越取样室以及其中的可呼吸气体流两次的电磁辐射的一个或多 个参数有关的信息。

本发明的另一方面涉及一种用于监测呼吸回路内的可呼吸气体流的成 分的系统，所述呼吸回路与受试者的气道流体连通。在一些实施例中，所 述系统包括：用于发射红外电磁辐射的装置；用于产生输出信号的装置， 所述输出信号传递与入射到所述用于产生输出信号的装置上的电磁辐射的 一个或多个参数有关的信息；以及用于引导的装置，所述用于引导的装置 引导由发射器发射的电磁辐射通过取样室的第一侧进入所述取样室中、横 穿所述取样室、到达与所述取样室的第一侧相反的取样室的第二侧、往回 横穿取样室到达取样室的第一侧、并到达所述用于产生输出信号的装置上， 使得所述输出信号传递与已横越取样室以及其中的可呼吸气体流两次的电 磁辐射的一个或多个参数有关的信息，其中取样室具有第一开口和第二开 口，并且被构造成在第一开口和第二开口之间形成流路，使得所述呼吸回 路内的可呼吸气体流通过所述流路，使得电磁辐射来回地横穿所述流路和 其中的可呼吸气体流，并且其中所述用于引导的装置包括至少一个复曲面 光学元件。

在参考附图考虑下列说明和随附权利要求时，本发明的这些和其它目 标、特征和特性、以及结构的有关元件的操作方法和功能、以及制造的经 济性将变得显而易见，所有附图、说明和随附权利要求形成该说明书的一 部分，其中相同的元件符号指定各图中的对应部件。然而，应当明确地了 解，所述图示仅出于例示性和说明性的目的，而不打算限定本发明的限定 范围。

附图说明

图1是被构造成监测正被输送给受试者的可呼吸气体流的成分的系统；

图2是气道适配器和气体测量模块；

图3是气道适配器和气体测量模块；

图4示出了气体测量模块的光学系统；

图5示出了气体测量模块的光学系统；

图6示出了气体测量模块的光学系统；以及

图7示出了一种监测正被输送给受试者的可呼吸气体流的成分的方法。

具体实施方式

除非在上下文明确地另外指出，否则用在本文中的单数形式的“一”、 “一个”和“该”也包括复数个指代物。用在本文中的两个或更多个部分 或部件相“联接”的陈述应指所述部分直接地或间接地(即，通过一个或多 个中间部分或部件)接合或一起操作，只要出现连结即可。用在本文中的“直 接联接”是指两个部件直接彼此接触。用在本文中的“固定联接”或“固定”是 指两个部件相联接以便整体地移动，同时维持相对于彼此的恒定取向。

用在本文中的词语“整体的”是指将部件形成为单件或单个单元。即， 包括被单独地形成、然后联接在一起作为一个单元的多个零件的部件并非 “整体的”部件或主体。如本文中使用，两个或更多个部分或部件彼此“接合” 应指所述部分直接地或通过一个或多个中间部分或部件彼此相抵地施加 力。如本文中使用，术语“数量”应指一个或大于一个的整数(即，多个)。

本文中使用的方向性短语(例如但并非限制)顶部、底部、左侧、右 侧、上部、下部、前面、后面及其多种派生词涉及图中所示元件的取向， 而非对权利要求的限定，除非明确地指示为如此。

图1示出了被构造成分析呼吸回路12内的气体成分的系统10，受试者 14可以从所述呼吸回路接收通气治疗。在一个实施例中，呼吸回路12一端 连接到压力产生器，所述压力产生器被构造成产生加压的可呼吸气体流以 通过呼吸回路12输送到受试者14的气道。然而，这并非旨在进行限制。 在一个实施例中，系统10包括气体测量模块16。

呼吸回路12包括回路导管18和受试者界面器具20。在许多不同的治 疗情境中，受试者14的气道被接合以将呼吸回路12设置成与受试者14的 气道流体连通。通过受试者界面器具20来使受试者14的气道与呼吸回路 12接合并将其设置成与呼吸回路12流体连通。所述受试者界面器具20可 以用密封或不密封的方式接合受试者14的气道的一个或多个孔口。受试者 界面器具20的一些实例可以包括(例如)气管内导管、鼻插管、气管切开 套管、鼻罩、鼻/口罩、全面罩(full face mask)、总面罩(total face mask)、 部分再呼吸面罩(partial rebreathing mask)、或者使气体流与受试者的气道 连通的其它界面器具。本发明并不限于这些实例，而是预期到任何受试者 界面的实施。

回路导管18被构造成朝向和远离受试者界面器具20传送气体。以非 限制性实例的方式，回路导管18可以包括柔性导管。出于本发明的目的， 回路导管18不必限于将加压气体流传送到受试者界面器具20和/或自其传 送加压气体流的管状构件。回路导管18可以包括被设置成通过受试者界面 器具20与受试者14的气道流体连通的任何中空体、容器和/或室。

回路导管18包括可将气体测量模块16可拆除地联接其上的对接件 (dock)。在一些实施例中，通过包括在回路导管18中的气道适配器22 来形成所述对接件。以举例说明的方式，图2是气道适配器22和气体测量 模块16的分解图。气道适配器22包括第一开口24和第二开口26，并且被 构造成在其之间形成流路，使得通过气道适配器22来传送呼吸回路12内 的可呼吸气体流。气道适配器22可以是由Valox聚酯和/或其它聚合物模制 而成的单件式单元。气道适配器22具有大体为平行六面体的中心区段32 以及两个柱形端部区段28和30，所述两个端部区段分别形成第一开口24 和第二开口26。端部区段36和38与中心区段32轴向地对齐。

气道适配器22的中心区段32提供用于气体测量模块16的底座。一体 式U形壳体元件34将气体测量模块16在气道适配器22的纵向上并且沿着 图1的箭头36所指示的横向方向可靠地定位。箭头36还示出了气道适配 器22被移位以将其组装到气体测量模块16的方向。窗口38形成于气道适 配器22的第一侧40和第二侧42上气道适配器22的中心区段32中。窗口 38是由对红外电磁辐射具有透光性的一种或多种材料形成的。在将气体测 量模块16组装到气道适配器22的情况下，这些窗口38沿着本文中将进一 步论述的光学路径对齐。所述光学路径横向跨越由气道适配器22形成的流 路以及流过所述流路的气体、从第一侧40延伸到第二侧42。

气体测量模块16被构造成分析呼吸回路12内的气体的成分。气体测 量模块16包括容纳和/或承载光学和/或电子部件的外壳44，所述光学和/ 或电子部件有利于分析由气体测量模块16形成的取样室内的气体的成分。 特别地，气体测量模块16被构造成将红外电磁辐射导向成经过窗口38横 穿气道适配器22的取样室，以接收所述红外电磁辐射并且产生输出信号， 所述输出信号传递与所接收的电磁辐射的一个或多个参数有关的信息。所 述一个或多个参数可以包括强度、相位、通量、波长和/或其它参数中的一 个或多个。这些输出信号可被用于确定取样室内的气体的成分。

以进一步图解说明的方式，图3示出了为进行操作而连接起来的气体 测量模块16和气道适配器22的示意性剖面图。该视图示出了形成于气道 适配器22内的取样室46。如图2和图3中每个图均可看出，外壳44具有“U” 形横截面，并且将发射器48、检测器50和/或其它部件包围。所述“U”形外 壳44的两个相对支腿限定了其之间的间隙的相对侧。在间隙一侧上的支腿 中，安置发射器48和检测器50。气体测量模块16还包括安置在外壳44 内的独立的(self-contained)电子器件(未示出)。

一对窗口51形成于外壳44中，在气体测量模块16以图3所示的方式 与气道适配器22对接时，该对窗口51与窗口38对齐。窗口51由对红外 电磁辐射具有透射性的一种或多种材料形成，使得红外电磁辐射可沿着经 过两个窗口38和51的光学路径穿行，以在取样室46和外壳44内部之间 行进。

发射器48是产生包括“MWIR(Mid-Wavelength InfraRed，中波长红外)” 频带的宽频带辐射的辐射源。红外辐射通常是指占据了光谱中的介于0.7 μm与300μm之间的波长频带的辐射。“MWIR”通常是指介于3μm与8μm 之间的红外辐射频带的中波长子集。由发射器48发射的MWIR辐射包括 基准波长和二氧化碳波长(分别为λ_REF和λ_CO2)。发射器48基本上可以作 为针对至少一部分光谱(如，介于0.7μm与300μm之间)的黑体来操作。

检测器50包括两个单独的光敏传感器52和54。通过检测器50进行二 氧化碳测定术(Capnometry)/二氧化碳描记术(Capnography)的基本操作 原理是，根据能够可靠重复的关系，在4.275μm左右的频带内的红外辐射 随着二氧化碳浓度增加而增强吸收性(当通过样本气体行进固定长度的路 径时)。通过比较，在相同条件下，3.681μm的红外辐射的吸收性基本上 不受二氧化碳浓度的影响。

当来自发射器48的MWIR辐射通过取样室46中的可呼吸气体流时， 具有λ_CO2的红外辐射根据可呼吸气体流中的二氧化碳浓度而减弱。然而， 具有λ_REF的红外辐射不受气体主体中的任何二氧化碳影响，并且仅随着来 自发射器48的红外辐射的强度而变化。具有λ_REF的红外辐射被导向到传感 器52处，而具有λ_CO2的红外辐射被导向到传感器54。由于λ_REF和λ_CO2在 黑体辐射曲线上相当接近，因此，对IR电磁辐射很敏感的传感器52和54 的输出信号将随着源辐射强度的少量变化而大致彼此成比例，只要气体主 体中的二氧化碳浓度保持恒定。通过用N₂(或者室内气体，在适当地补偿 大气环境中的剩余二氧化碳之后)将检测器50“清零”之后，建立了来自传 感器52和传感器54的输出信号水平之间的基准比率。只要两个信号之间 的比率等于该基准比率，在取样室46中就不存在二氧化碳。传感器54的 输出信号相对于传感器52的输出信号的任何减少表示取样室46中的二氧 化碳浓度的对应增加。

如图3可看出，气体测量模块16还包括光学元件56，所述光学元件 56被构造成引导由发射器48发射的电磁辐射经过取样室46的第一侧40 进入到取样室46中。所述电磁辐射通过取样室46到达第二侧42，并且由 光学元件56往回朝向第一侧40导向。通过引导电磁辐射往回通过取样室 46往回朝向第一侧40，使电磁辐射通过取样室46的光学路径的长度有效 地加倍。对于给定的二氧化碳水平，这往往将增强在λ_CO2下的吸收性。与 其中发射器48和检测器50定位在取样室46的相反侧上的系统相比，这可 以具有许多优势。例如，可以减小取样室46的宽度(如，增加气道适配器 22和/或气体测量模块16的形状因数)，可以增加气体测量模块16的准确 性，和/或可以实现其它优点。随着电磁辐射返回到第一侧40，光学元件 56接收返回外壳44内的电磁辐射，并将所述电磁辐射导向到传感器52和 54上以便进行检测。

与其中将发射器48安置在外壳44的一个支腿中，而将传感器52和54 安置在另一个支腿中的构型相比，图3所示的气体测量模块16的构型(其 中发射器48以及传感器52和54均在“U形”外壳44的同一支腿中)可以 具有优势。这些优势包括：例如，增加的形状因数(如，不具有发射器48 或传感器52和54的支腿可为较小的和/或被全部移除)，由于发射器48 与传感器52和54的接近性而增强的功率或温度管理，和/或其它增强。

图4示出了气体测量模块16的光学系统60。虽然图4并未示出气道适 配器，但窗口51将与气道适配器22(图1-3中示出，并在本文中描述)的 对应窗口38对齐，其中取样室46被安置在窗口51以及窗口38之间。在 光学系统60中，光学元件56包括源反射镜62、折叠反射镜64、转向反射 镜66、分束器68、检测器反射镜70和72、和/或其它光学部件。

源反射镜62被构造成将由发射器48发射的电磁辐射通过窗口51朝向 气道适配器的第二侧42处的窗口51导向通过气道适配器的第一侧40。在 一些实施例中，源反射镜62是双曲面反射镜。

折叠反射镜64被构造成将所发射的电磁辐射从气道适配器的第二侧 42朝向气道适配器的第一侧40往回导向横穿取样室46，使得电磁辐射往 回通过气道适配器的第一侧40上的窗口51。为了将电磁辐射的射束尺寸减 小到可由检测器50易处理的尺寸，折叠反射镜64是聚焦反射镜。从折叠 反射镜64朝向检测器50的光学路径稍微横向于从源反射镜62到折叠反射 镜64的光学路径。这使得检测器50不再定位于源反射镜62和折叠反射镜 64之间，而检测器50定位于源反射镜62和折叠反射镜64之间将趋于阻挡 由发射器48发射的一些电磁辐射。

转向反射镜66被构造成对所接收的从折叠反射镜64往回横穿取样室 46的电磁辐射进行导向，并且将所述电磁辐射导向到分束器68上。转向反 射镜66可以是聚焦反射镜，以便在电磁辐射入射到分束器68上之前进一 步减小电磁辐射的射束尺寸。

分束器68被构造成将所述电磁辐射划分成两个单独的射束，所述射束 可被导向到传感器52和54。检测器反射镜70和72被构造成接收来自分束 器68的所述单独的电磁辐射束，并将所述单独的电磁辐射束分别导向到传 感器52和54上。检测器反射镜70和72可以是聚焦反射镜，以便在电磁 辐射入射到传感器52和54上之前减小射束尺寸。在一些实施例中，分束 器68是二向色性分束器。

如上文已讨论，折叠反射镜64将电磁辐射往回导向横穿取样室46的 角度使得能够在气道适配器的第一侧40处接收反射的光，而基本上不存在 传入的电磁辐射和传出的电磁辐射之间的重叠。这使得传入的电磁辐射能 够由转向反射镜66接收，而不使转向反射镜66(或者任何其他光学元件) 阻挡传出的电磁辐射。然而，响应于折叠反射镜64是球形聚焦反射镜，由 折叠反射镜64产生的所发射电磁辐射的图像将是像散的(astigmatic)。这 个图像在两个不同的平面中具有两个不同的焦点。换句话说，点光源的像 散图像将具有：在一个焦距处的线焦点，在不同的焦距处相对于第一线焦 点成直角的线焦点，以及二者之间的失焦的模糊图像。这是由于倾斜的折 叠反射镜64具有两个明显的焦距而出现的：一个焦距在包括倾斜轴线的平 面中，另一个焦距在与第一平面成直角的平面中。

为了校正由于折叠反射镜64的倾斜而引起的像散图像，光学元件56 包括至少一个复曲面元件。复曲面元件是具有呈环面区段的光学表面的元 件。例如，所述复曲面元件可以是折叠反射镜64或转向反射镜66。在一些 实施例中，检测器反射镜70和检测器反射镜72各自为复曲面元件，用于 单独校正由分束器68形成的每个电磁辐射束中的像散图像。应当理解，将 至少一个复曲面元件描述为反射表面并非意在进行限定。一个或多个复曲 面透镜元件可以被包括在发射器48与传感器52和54之间的电磁辐射的光 学路径中。也可以采用其它机构来校正像散图像。例如，此类机构可以包 括倾斜的IR透射性材料(如，玻璃或其它材料)块、全息反射镜、反向倾 斜的球形反射镜和/或其它机构。然而，与所提议的至少一个复曲面元件相 比，这些机构往往更为笨重和/或昂贵。

图5示出了气体测量模块16的光学系统60的构型的不同视图，所述 光学系统类似于图4所示的光学系统。在图5中，折叠反射镜64用于替代 取样室46的第二侧42上的窗口51。应当了解，该构型可被进一步扩展成 使得折叠反射镜64由气道适配器(如，图1-3中所示的气道适配器22)而 非气体测量模块16承载。用折叠反射镜64替换窗口51和/或38中的任一 个可以增加形状因数、简化制造过程、降低成本和/或提供其它增强。如同 具有图4所示光学系统60的构型的情况，在图5中，一个或多个光学元件 56是复曲面元件，以校正由于折叠反射镜64的倾斜而形成的像散图像。

图6示出了气体测量模块16的光学系统60的另一构型。在该构型中， 光学元件56并不包括转向反射镜66。而是替代地，在分束器68上接收来 自折叠反射镜64的已经来回横穿取样室46的电磁辐射而不使其转向。在 该构型中，所述至少一个复曲面元件可以包括折叠反射镜64和/或检测器 反射镜70和检测器反射镜72。

图7示出了一种监测呼吸回路内的可呼吸气体流的成分的方法80，所 述呼吸回路与受试者的气道流体连通。下文提供的方法80的操作仅是说明 性的。在一些实施例中，方法80可用未描述的一个或多个额外操作来实现， 和/或不具有所讨论的一个或多个操作。另外，方法80的操作在图7中示 出和下文中描述的顺序并非旨在限定。

在操作80处，将外壳可拆卸地联接到取样室。所述取样室具有第一开 口和第二开口，并且被构造成在所述第一开口和第二开口之间形成流路， 使得呼吸回路内的可呼吸气体流通过所述流路。所述外壳承载和/或容纳发 射器、检测器和光学元件。在一些实施例中，取样室与取样室46(图1-6 中示出，且在本文中描述)相同或相似，并且外壳与外壳44(图1-3中示 出，且在本文中描述)相同或相似。

在操作82处，由发射器发射红外辐射。在一些实施例中，发射器与发 射器48(图1-6中示出，并且在本文中描述)相同或相似。

在操作84处，所发射的辐射被引导通过取样室的第一侧、横穿所述取 样室到达与所述取样室的第一侧相反的所述取样室的第二侧、往回横穿所 述取样室到达所述取样室的第一侧、并且到达检测器上。在一些实施例中， 操作84由光学元件执行，所述光学元件可以与光学元件56(图3-6示出， 并且在本文中描述)相同或相似。

在操作86处，检测器产生输出信号，所述输出信号传递与在操作84 处引导至检测器的电磁辐射的一个或多个参数有关的信息。由于电磁辐射 已经来回地通过取样室内的可呼吸气体流，因此输出信号可以传递与取样 室内的气体成分有关的信息。在一些实施例中，检测器与检测器50(图3-6 中示出，并且在本文中描述)相同或相似。

在权利要求书中，置于括号之间的任何元件符号不应被视为限制所述 权利要求。词语“包括”或“包含”并不排除除了权利要求中所列举的那些元 件或步骤之外的其它元件或步骤的存在。在列出几种部件的装置权利要求 中，这些部件中的几个部件可以由一种硬件或相同的硬件实现。置于元件 前面的词语“一”或“一个”并不排除多个此类元件的存在。在列出几种部件 的任何装置权利要求中，这些部件中的几个部件可以由一种硬件或相同的 硬件实现。在相互不同的从属权利要求中陈述某些元件这一事实并不表示 不可将这些元件组合起来使用。

虽然出于图示的目的在目前认为最实用和最优选的实施例基础上对本 发明进行了详细描述，但将会理解，这些细节仅仅是为了该目的，且本发 明并不限于所明确公开的这些实施例，而是相反，本发明旨在涵盖在所附 的权利要求的精神和范围内的变化和等同配置。例如，应当理解，本发明 预期可将任何实施例的一个或多个特征尽可能地与任何其它实施例的一个 或多个特征相组合。