專利名稱：氣體測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有集成信號(hào)處理和改進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)的主流呼吸氣體測量系 統(tǒng)，以及一種組合該系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
呼吸氣體測量系統(tǒng)具有氣體檢測、測量、處理、通信和顯示功能。認(rèn)為其 為或者轉(zhuǎn)向即側(cè)流或者非轉(zhuǎn)向即主流。轉(zhuǎn)向氣體測量系統(tǒng)將一部分采樣氣體從 釆樣點(diǎn)經(jīng)釆樣管輸送至測量氣體成分的氣體傳感器，該測量點(diǎn)通常為呼吸管路 或者患者流道。非轉(zhuǎn)向或者主流氣體測量系統(tǒng)不使氣體從呼吸管路或者氣道離 開，但是釆用設(shè)置在呼吸管路上的氣體傳感器測量流經(jīng)呼吸管路的氣體成分。常規(guī)主流氣體測量系統(tǒng)包括將檢測或者測量信號(hào)例如電壓轉(zhuǎn)換為可被系統(tǒng) 用于確定所檢測氣體成分的值例如透射率所需要的氣體檢測、測量和信號(hào)處理 元件。在常規(guī)主流氣體測量系統(tǒng)中，氣體傳感器連至置于呼吸管路的樣品池。 位于設(shè)置在呼吸管路中的氣道接合器上的氣體傳感器僅僅包括輸出對(duì)應(yīng)待檢測 氣體特征的信號(hào)所需要的元件。直接將樣品池設(shè)置在呼吸管路上造成"明確" 波形，該波形實(shí)時(shí)反映氣道中所測量氣體例如二氧化碳或者氧氣的偏壓。也稱 作試管或者氣道接合器的樣品池位于呼吸氣體流中，消除了側(cè)流氣體測量系統(tǒng) 中所需要的氣體釆樣和凈化。對(duì)于能夠測量二氧化碳的常規(guī)氣體測量系統(tǒng)，氣體傳感器包括發(fā)射紅外射線的源，該射線包括二氧化碳的吸收帶。以垂直于呼吸氣流路徑的方向發(fā)射紅 外射線。樣品氣體內(nèi)的二氧化碳吸收一些波長下的射線并通過其它波長。常規(guī) 氣體傳感器包括測量發(fā)射射線的光電檢測器。對(duì)于能夠采用發(fā)光猝滅測量技術(shù)測量氧氣的氣體測量系統(tǒng)，氣體傳感器可 包括激發(fā)設(shè)置在襯底上或者襯底內(nèi)的光敏化學(xué)物且發(fā)出可見光射線的激發(fā)源， 以及測量化學(xué)物暴露于氧時(shí)所發(fā)出射線的檢測器?？舍娪靡阎P(guān)系例如Stern-Volmer關(guān)系從發(fā)光的時(shí)間響應(yīng)確定氣體濃度。常規(guī)的主流主機(jī)系統(tǒng)包括控制氣體傳感器中發(fā)射器的電子設(shè)備，并提供基 于檢測器的輸出信號(hào)的氣體測量功能。現(xiàn)有技術(shù)中已知的主流氣體測量系統(tǒng)沿 著長度通常為6至8英尺的主機(jī)系統(tǒng)和氣體傳感器之間的電纜發(fā)射模擬信號(hào)， 同樣易受電磁干擾(EMI)的影響。對(duì)于向要求和國際醫(yī)療設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中提高的 電磁免疫水平一致的潮流這一點(diǎn)特別重要。在頒發(fā)給Knodle等人的美國專利號(hào) 4， 914, 720和頒發(fā)給Mace等人的5， 793, 044中示出了該常規(guī)主流氣體測量 系統(tǒng)的實(shí)例。測量和信號(hào)電子設(shè)備位于主機(jī)系統(tǒng)中，現(xiàn)有的主流氣體測量系統(tǒng)復(fù)雜而昂 貴地連接主機(jī)系統(tǒng)。該主機(jī)系統(tǒng)通常包括執(zhí)行例如如下功能的電路(l)產(chǎn)生 時(shí)間信號(hào)；(2)向固態(tài)紅外發(fā)射器供應(yīng)脈動(dòng)能量；(3)測量和精確控制紅外線 檢測器的溫度；(4)測量和控制氣道接合器加熱器；(5)包括過濾和可編程增 益設(shè)置的信號(hào)調(diào)節(jié)；和(6)防止意外破壞紅外線發(fā)射器的監(jiān)控器電路。另外，為應(yīng)用于臨床，主流系統(tǒng)測量系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)得結(jié)實(shí)從而其不受通常 的機(jī)械誤用和溫度、濕度的環(huán)境變化影響。儀器、或者至少儀器的氣體測量系 統(tǒng)部分必須小而輕以不阻礙患者或者其它醫(yī)療設(shè)備或者治療的運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)小 而輕的目標(biāo)，氣體測量系統(tǒng)的光學(xué)部分必須還設(shè)計(jì)為使得其占據(jù)盡可能少的空 間和盡可能小的重量。假定常規(guī)氣體測量系統(tǒng)的這些已知復(fù)雜性，則期望提供小、輕、更易連接 主機(jī)系統(tǒng)的主流氣體測量系統(tǒng)。還期望該系統(tǒng)提供比已知?dú)怏w測量系統(tǒng)改進(jìn)的 組裝方法。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目標(biāo)在于提供 一種克服常規(guī)氣體測量系統(tǒng)缺點(diǎn)的氣體測量 系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明通過提供一種氣體測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，該系統(tǒng)包括適合于 設(shè)置在氣道接合器上的罩。紅外線吸收氣體測量組件和發(fā)光猝滅氣體測量組件 設(shè)置在罩內(nèi)。同樣設(shè)置在罩內(nèi)的處理器被編程以基于紅外線吸收氣體測量組件 和發(fā)光猝滅氣體測量組件的輸出測量氣道接合器中氣流的氣體成分。參考附圖考慮下面的說明和附加權(quán)利要求書將更清楚本發(fā)明的這些和其它 目標(biāo)、性質(zhì)和特征、以及操作方法和相關(guān)結(jié)構(gòu)元件的功能和零件組合以及制造 成本，所有這些附圖形成該說明書的一部分，其中在各個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo) 記指代相應(yīng)的零件。但是，可清楚理解附圖僅僅是用于描述和說明，而不用作 定義本發(fā)明的限制。


圖l是根據(jù)本發(fā)明原理的氣體測量系統(tǒng)的透視圖，該系統(tǒng)連至主機(jī)系統(tǒng)和 配置為可拆卸地固定至與患者呼吸管路元件組裝在一起的氣道接合器；圖2是配置為連至主機(jī)系統(tǒng)的氣體測量系統(tǒng)的透視圖； 圖3是配置為可拆卸地固定至氣道接合器的氣體測量系統(tǒng)的透視圖； 圖4是具有示出的蓋和氣體測量系統(tǒng)電光組件的氣體測量系統(tǒng)的分解圖； 圖5是氣體測量系統(tǒng)電光組件的分解圖；圖6是具有所示出的蓋、電子電路板、和氣體測量系統(tǒng)光學(xué)組件的氣體測 量系統(tǒng)的分解圖；圖7是具有所示出的結(jié)構(gòu)基本單元、檢測器組件和源組件的氣體測量系統(tǒng) 光學(xué)組件的分解圖；圖8是檢測器組件的分解圖；圖9和IO是檢測器組件的光罩組件部分的分解圖；圖11是組合光罩組件的橫截面圖；圖12是源組件的分解圖；圖13是源組件發(fā)射器罩部分的分解圖；圖14是沿圖4中線14-14的組合氣體測量系統(tǒng)的橫截面透視圖； 圖15是放置于罩中之前的氣體測量系統(tǒng)組合元件的展平視圖； 圖16是根據(jù)本發(fā)明原理的氣體測量系統(tǒng)內(nèi)光徑的光線跟蹤； 圖17是根據(jù)本發(fā)明原理的氣體測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明原理的檢測器組件光學(xué)組件的簡單線性結(jié)構(gòu)中四通道 光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖19是示出 一個(gè)相對(duì)于濾波器波長的分光器波長的實(shí)施例的圖表；圖20是之字形結(jié)構(gòu)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖21是正方形陣列結(jié)構(gòu)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖22是具有透鏡結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖23是具有透鏡結(jié)構(gòu)的之字形結(jié)構(gòu)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖24是折彎(dogleg)結(jié)構(gòu)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖25是蛇形結(jié)構(gòu)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖26是通道結(jié)構(gòu)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖27是線性結(jié)構(gòu)中四通道光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例的側(cè)視圖；圖28是根據(jù)本發(fā)明原理的氣體測量系統(tǒng)光學(xué)組件的一部分的分解圖；以及圖29是圖28氣體測量系統(tǒng)中發(fā)光猝滅測量電路板的分解圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明原理的氣體測量系統(tǒng)100包括所有信號(hào)和數(shù)據(jù)處理，其中需要 這些信號(hào)和數(shù)據(jù)處理來產(chǎn)生流經(jīng)氣道接合器分壓或氣體濃度的連續(xù)值，該氣道 接合器與患者氣道進(jìn)行流體連通。該氣體測量系統(tǒng)位于安裝至氣道接合器的"測 量頭"上。氣體測量系統(tǒng)包括測量和計(jì)算例如二氧化碳的紅外線吸收氣體和諸 如氧氣的發(fā)光猝滅氣體的連續(xù)值，并將氣體測量系統(tǒng)連接至主機(jī)系統(tǒng)所需要的 電子電路。在示例性實(shí)施例中，氣體測量系統(tǒng)100采集和處理模擬信號(hào)，然后 通過界面電纜120發(fā)射數(shù)字化患者參數(shù)和波形作為系列數(shù)據(jù)流。本發(fā)明的氣體測量系統(tǒng)不需要主機(jī)系統(tǒng)中需要其來處理檢測器輸出信號(hào)的 附加電子板，從而節(jié)約了主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的空間并降低了終端用戶的成本。通過設(shè) 計(jì)效率和通過小型化，所產(chǎn)生的氣體測量系統(tǒng)幾乎和現(xiàn)有的主流氣體測量傳感 器一樣小和重量輕。信號(hào)處理的添加而不明顯增加尺寸或者重量在應(yīng)用中特別重要，其中氣體測量系統(tǒng)具有一個(gè)氣道接合器，非常接近于氣管內(nèi)導(dǎo)管或者鼻 插管遠(yuǎn)端處的患者面部，以監(jiān)控患者呼吸。圖1-3中示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造并釆用本發(fā)明原理的氣道接合器40 和氣體測量系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例。常規(guī)氣體測量系統(tǒng)不將信號(hào)處理和控制 電子裝置設(shè)置在氣體測量系統(tǒng)中，而是將任何該特征設(shè)置在主機(jī)系統(tǒng)中。本發(fā)明利用高度集成數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)以在小型單片處理器中執(zhí)行許多復(fù)雜電子界面功能，該單片處理器包括程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。 許多在集成呼吸氣體測量系統(tǒng)中獲得的功效是將電子設(shè)備重新定位于氣體測量系統(tǒng)中的結(jié)果。例如，該重新定位影響了界面電纜120的設(shè)計(jì)方面，例如導(dǎo)體數(shù)、屏蔽要求、以及因此的電纜厚度、重量和成本。該電纜需要較少的導(dǎo) 體因此更小、更輕和更靈活，同時(shí)對(duì)傳感器的載荷和拉力較小。示例性實(shí)施例采用了 7條導(dǎo)線和一個(gè)屏蔽，而常規(guī)設(shè)備采用16條導(dǎo)線和兩個(gè)屏蔽物。和常規(guī)氣體測量系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有多個(gè)附加優(yōu)勢，包括自由/簡化連接 至主機(jī)系統(tǒng)70,以及增強(qiáng)了對(duì)射頻干涉的免疫性。釆用簡化的硬件和軟件界面， 主機(jī)系統(tǒng)70僅僅需要連至串行端口的簡單而小型的連接器，和幾個(gè)電源電壓。 在臨床應(yīng)用中，通常關(guān)注對(duì)氣管內(nèi)導(dǎo)管(ET管，endotracheal tube)附近的患者 管路增加重量，特別是兒童和新生兒應(yīng)用。本發(fā)明在這方面提供了重大改進(jìn)， 因?yàn)榭蓽p小電纜的重量和潛在的拖延?，F(xiàn)有的至主機(jī)系統(tǒng)的電纜直徑更大，更 重和更不靈活。具有位于患者氣道上或者在其附近元件的常規(guī)氣體測量系統(tǒng)常常難以滿足 現(xiàn)有的3伏/米的免疫標(biāo)準(zhǔn)。更新至醫(yī)療設(shè)備電磁相容性國際標(biāo)準(zhǔn)將該試驗(yàn)電平 提高至20伏/米。由于易受到經(jīng)電纜發(fā)射的模擬信號(hào)的干擾的影響，因此使這 些標(biāo)準(zhǔn)滿足現(xiàn)有的設(shè)計(jì)將非常困難和昂貴。在本發(fā)明中，不必經(jīng)電纜向主機(jī)系統(tǒng)發(fā)射模擬信號(hào)，并且所有易受到射頻干擾(RFI)影響的元件和信號(hào)都位于氣 體測量系統(tǒng)中的測量元件附近。不需要所有的復(fù)雜外部界面電子設(shè)備大大降低了系統(tǒng)成本。有效使用互聯(lián) 技術(shù)例如剛性-柔性電路板和其它制造功效使得總系統(tǒng)成本低于現(xiàn)有單獨(dú)主流 氣體測量系統(tǒng)的成本。集成氣體測量系統(tǒng)的測量和信號(hào)處理電子設(shè)備增加了氣體測量系統(tǒng)ioo中 所產(chǎn)生的余熱。該設(shè)計(jì)的緊湊性質(zhì)要求認(rèn)真考慮熱設(shè)計(jì)。例如，將氣體測量系 統(tǒng)100配置為允許氣體測量系統(tǒng)的發(fā)射器和電子設(shè)備所產(chǎn)生的余熱加熱氣道接 合器的窗口以減少霧。本發(fā)明的該特征允許去除在常規(guī)氣體測量系統(tǒng)中所使用 的陶瓷加熱器(也稱作箱加熱器)。另外，去除了陶瓷加熱器連同該設(shè)計(jì)的其它功效使得本發(fā)明的總功率消耗從大約5瓦(W)減小至1.25W。圖1為連至主機(jī)系統(tǒng)70并配置為可拆卸地固定至氣道接合器40的氣體測 量系統(tǒng)100的透視圖，該氣道接合器40和患者呼吸管路20元件組合在一起。 氣道接合器40通常組裝在彎管25和"Y"形管30之間的呼吸管路20內(nèi)，彎 管25為至患者界面例如面罩或者內(nèi)氣管的連接，"Y"形管30被連至正壓發(fā)生 器例如通風(fēng)設(shè)備。主機(jī)系統(tǒng)70對(duì)氣體測量系統(tǒng)IOO供電，接收氣體濃度信號(hào)和 從氣體測量系統(tǒng)輸出的測量值，并且在氣體濃度信號(hào)為二氧化碳濃度信號(hào)的情 況下顯示測量值例如(a)患者呼氣中的二氧化碳濃度，(b)吸入的二氧化碳， (c)呼吸速率，和(d)潮氣末二氧化碳。相似地，在氣體濃度信號(hào)為氧氣濃 度信號(hào)的地方，主機(jī)系統(tǒng)70顯示測量值例如(a)患者呼氣中的氧氣濃度，(b) 吸入的氧氣，(c)呼吸速率，和(d)潮氣末氧氣。如上所述，電纜120將氣體測量系統(tǒng)組件100和主機(jī)系統(tǒng)70連接在一起。 電纜120的遠(yuǎn)端110可靠且可拆卸地連至主機(jī)系統(tǒng)。電纜120的近端123包括 允許對(duì)電纜120施加張力而不影響其中的導(dǎo)體的應(yīng)變釋放元件130。從主機(jī)系 統(tǒng)經(jīng)該電纜向氣體測量系統(tǒng)供電。但是，本發(fā)明還考慮氣體測量系統(tǒng)可以以集 成或者分離電池組供電并將其數(shù)據(jù)無線傳送至主機(jī)系統(tǒng)，從而不需要電纜120 考慮采用現(xiàn)有技術(shù)已知的協(xié)議例如在體域網(wǎng)(BAN)和個(gè)域網(wǎng)(PAN)中采用的藍(lán)牙(Bliietooth)、紫蜂(Zigbee)、超寬帶(UWB)的無線通信。氣體測量 系統(tǒng)還可經(jīng)電纜連至網(wǎng)絡(luò)集線器，該網(wǎng)絡(luò)集線器將氣體測量系統(tǒng)的信號(hào)和其它 氣體生理測量值相集成。氣道接合器40(圖1和3)的端部設(shè)計(jì)為連至患者界面和呼吸系統(tǒng)。例如，氣道接合器可設(shè)置在插入患者氣管的內(nèi)氣管(未示出)和正壓發(fā)生器或者通風(fēng) 設(shè)備75的呼吸管路之間。在示例性實(shí)施例中，氣體測量系統(tǒng)100用于測量患者 的二氧化碳和氧氣水平。在圖1和3中所描述的特別氣道接合器40本身不是本 發(fā)明的一部分。同樣，本發(fā)明考慮本發(fā)明的氣體測量系統(tǒng)可以和任何常規(guī)氣道 接合器一起使用，包括吸收或者發(fā)光猝滅接合器。在頒發(fā)給Mace等人的美國 專利申請(qǐng)?zhí)?9/841， 451和美國公開號(hào)2002/0029003 ( " '451申請(qǐng)'")中公開了 經(jīng)紅外線吸收和發(fā)光猝滅適用于測量氣體的接合器，其內(nèi)容被組合參考在此。 通常從聚碳酸酯或者同等聚合物模制氣道接合器40。在圖3和14所示出的本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，氣道接合器40具有總體 為平行六面體的中心部分42和兩個(gè)柱狀端部44和46，具有采樣通道47經(jīng)接 合器從一端到另一端。端部44和46和中心部分42軸向?qū)?zhǔn)。中心部分42為 氣體測量系統(tǒng)100提供一個(gè)座。整體U形的箱元件48確定地將氣體測量系統(tǒng) 100向前定位在接合器上，并且沿著由圖l和3中箭頭50所示的橫向。箭頭50 還示出了其中移動(dòng)氣道接合器40將其和氣體測量系統(tǒng)100組合在一起的方向。 在氣道接合器40的中心部分42中形成了孔52、 53和54。將氣體測量系統(tǒng)100組裝至氣道接合器，例如如圖14所示沿光徑56對(duì)準(zhǔn) 孔52和54。光徑56從氣體測量系統(tǒng)100中的光源組件或者發(fā)射器400橫向延 伸通過氣道接合器40和流經(jīng)氣道接合器的一種或多種氣體。該光徑繼續(xù)從氣道 接合器延伸至氣體測量系統(tǒng)100中的檢測器組件300。為防止流經(jīng)氣道接合器 40的氣體通過孔52和54逃逸而不可接受地削弱橫切光徑56的紅外線射線， 以及防止外部材料不進(jìn)入氣道接合器，通常通過紅外射線透射窗口 58和60密 封該孔。另外，由窗口 49覆蓋孔53。和窗口 49物理接觸并位于氣道接合器40 內(nèi)部的是具有光敏化學(xué)物的敏感膜。該化學(xué)物響應(yīng)于當(dāng)化學(xué)物暴露于氣體例如氧氣時(shí)的激發(fā)而發(fā)射射線。應(yīng)當(dāng)理解，氣道接合器可包括一個(gè)或多個(gè)孔52、 53和54,以及一種或多種采用該孔的氣體測量技術(shù)。圖4為包括聚合物蓋210和氣體測量系統(tǒng)電光組件220的氣體測量系統(tǒng)100 的分解圖。也許在圖4和7中最佳示出的氣體測量系統(tǒng)電光組件220包括如下 元件(a)紅外線輻射源組件400 (在圖12-13中更詳細(xì)地示出)，(b)紅外線 輻射檢測器組件300 (圖S-ll中更詳細(xì)地示出)，和(c)選擇發(fā)光猝滅測量電 路板235。在組合氣體測量系統(tǒng)中，通過提供在底部250和蓋210上的壁214 和252將應(yīng)變釋放元件130保持在合適的地方。當(dāng)蓋連至底座時(shí)壁214和壁252 配合，采用任何常規(guī)技術(shù)例如嚙合配合或者摩擦鎖制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。圖5-6中所示出的氣體測量系統(tǒng)電-光組件220和柔性電路230、支架232、 發(fā)光猝滅測量電路板235、以及總體以240表示包括氣體測量系統(tǒng)的光學(xué)元件 的光學(xué)組件組合在一起。光學(xué)組件中的光源和檢測器組件連至"U"形底座250 并機(jī)械和電連至柔性電路板，該電路板在這些組件周圍折疊并連至底座250。 該組件允許待測試的氣體測量系統(tǒng)有源元件在組裝前用作單元而非獨(dú)立。因此， 不必等到徹底組裝氣體測量系統(tǒng)以確定其是否滿足性能規(guī)格。結(jié)果顯著減低了 成本，這也是通過減少配線和顯著減少組裝費(fèi)用而促進(jìn)的目標(biāo)。圖5為具有與氣體測量系統(tǒng)光學(xué)組件240隔開的柔性電路230、支架232、 發(fā)光猝滅測量電路板235的氣體測量系統(tǒng)電-光組件220的分解圖。柔性電路 230包括剛性板部分225、 226、 227和228 (參見圖15 )。該剛性部分由柔性部 分相互連接在一起。該柔性電路板包括驅(qū)動(dòng)紅外線源和將檢測器組件的信號(hào)轉(zhuǎn) 換為紅外線吸收氣體例如二氧化碳的輸出值、和/或?qū)l(fā)光猝滅組件的信號(hào)轉(zhuǎn)換 為氣體例如氧氣輸出值所需要的模擬和數(shù)字電路。電路板235包括由發(fā)光猝滅 技術(shù)檢測氧氣的電路和光學(xué)元件。光學(xué)組件240包括檢測器組件300、光源組 件400、和用于控制氧氣薄膜溫度的加熱器柔性電路245。加熱器柔性電路245 和"U"形底座250頂部的氣體測量光學(xué)組件240組合在一起。在焊接以前， 加熱器柔性電路245遠(yuǎn)端的針246被插入發(fā)光猝滅測量電路板235端部中相應(yīng) 的孔237內(nèi)。相似地，檢測器柔性跳線380的針381被插入沿著柔性電路230板部分226邊沿相應(yīng)的孔231中。圖6為示出蓋、電子電路板、和氣體測量系統(tǒng)光學(xué)組件的氣體測量系統(tǒng)100 的分解圖。具有柔性電路230、支架232和電路板235的氣體測量系統(tǒng)電光組 件220被示出為與氣體測量系統(tǒng)光學(xué)組件240相分隔。圖7為示出結(jié)構(gòu)底座元件250、檢測器組件300和源組件400的氣體測量 系統(tǒng)光學(xué)組件240的分解圖。氣體測量系統(tǒng)100的底座元件250支承源組件室 253中的源組件400并支承檢測器組件室254中的檢測器組件300。在室253 和254支架之間設(shè)置總體為矩形的間隙66。間隙66被設(shè)置為嚙合氣道接合器 40的中心部分42。大部分由底座元件250的側(cè)壁和邊緣限定的第一端部258 和第二端部257中的兩對(duì)互補(bǔ)腔相互配合以分別限定紅外線輻射源室253和紅 外線輻射檢測器室254?？蓮木厶妓狨セ蛘呷魏纹渌线m的聚合物模制氣體測 量系統(tǒng)底座元件250。在所描述的示例性實(shí)施例中，底座元件250具有平坦的 側(cè)壁以及和側(cè)壁垂直的集成邊緣。在罩壁中限定源孔256以提供光徑使源組件400所產(chǎn)生的射線進(jìn)入氣道接 合器的樣品室(cell)部分。在罩壁中限定源孔255以提供光徑使經(jīng)過現(xiàn)有氣道 接合器的射線到達(dá)檢測器組件300。在所描述的實(shí)施例中，還在罩內(nèi)提供和孔 53對(duì)應(yīng)的發(fā)光猝滅孔260以測量由樣品氣體中的氧氣所猝滅的材料發(fā)光。將理 解，可單獨(dú)或者組合使用本發(fā)明的發(fā)光猝滅特征和吸收特征。因此，根據(jù)采用 一種或兩種該氣體測量技術(shù)，可去除孔255、 256和260。圖8為氣體測量系統(tǒng)100的檢測器組件300的分解圖，圖9為檢測器光學(xué) 組件350的分解圖。檢測器組件300包括設(shè)置在散熱片330上的檢測器340和 345、散熱片間隔裝置320和檢測器組件電路板310。散熱片330連至散熱片間 隔裝置320，散熱片間隔裝置320被連至檢測器組件電路板310。通過對(duì)準(zhǔn)光塊 370中的孔335、 336和337與散熱片330中的相應(yīng)定位針將所產(chǎn)生的支承組件 325組裝至檢測器光學(xué)組件350。檢測器光學(xué)組件350包括光學(xué)元件例如透鏡 364、濾波器356和358、鏡354和分光器352,并和檢測器支承組件325組合 在一起。設(shè)置在散熱片330凹槽中的是在相同平面內(nèi)(即共面)對(duì)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和參考檢測器340和345，從而允許更有效地溫度調(diào)節(jié)檢測器。由于硒化鉛具有對(duì)包 括所關(guān)心波長的紅外線輻射的靈敏度，因此優(yōu)選以硒化鉛檢測器元件制造該檢 測器。另外，硒化鉛數(shù)據(jù)和參考電極340和345對(duì)溫度非常靈敏。因此將該兩 個(gè)檢測器維持在相同的溫度優(yōu)選不超過0.02。C的公差是重要的。由檢測器加熱 系統(tǒng)將檢測器340和345維持在選擇的工作溫度，檢測器加熱系統(tǒng)包括檢測器 加熱元件391和392、溫度控制熱敏電阻(未示出)和位于檢測器組件電路板 310和柔性電路230中的操作/控制電路(未示出)。檢測器340和345連至檢測器組件電路板310,跨越相同配置和尺寸的檢 測器紅外線射線檢測元件部分向該電路板310施加偏壓。檢測器和恒溫支承中 容納檢測器凹槽的邊界之間的間隙用于將檢測器和導(dǎo)電、恒溫支承實(shí)現(xiàn)電絕緣。 設(shè)置熱電阻(未示出)以使其中心位于散熱片間隔裝置320的槽322中。加熱 元件391和392位于散射片330端部并和散熱片緊密接觸。加熱元件391和392 包括具有用于傳遞熱量的遠(yuǎn)表面設(shè)置電阻的柔性電路部分。在加熱元件中提供兩個(gè)針388和389以將其連至檢測器組件電路板310。 加熱元件391和392的柔性電路部分與散熱片330緊密接觸。在示例性實(shí)施例 中，采用優(yōu)選具有高熱導(dǎo)率的環(huán)氧樹脂以將每個(gè)加熱元件的柔性電路部分粘接 至散熱片330。加熱元件391和392的針388和389插入檢測器組件電路板310 上相應(yīng)的孔386和387內(nèi)。檢測器柔性跳線380將檢測器組件電路板310通過 界面連至柔性電路230的板部分226。檢測器柔性跳線380的針382插入沿著 檢測器組件電路板310邊緣的相應(yīng)孔383內(nèi)。檢測器柔性跳線380的針381插 入柔性電路230板部分的孔231中。將參考圖9-11描述檢測器光學(xué)組件350。檢測器光學(xué)組件350包括分光器 352、鏡354、濾波器356和358、和檢測器透鏡364。分光器總體為平行六面 體結(jié)構(gòu)。從例如硅或者藍(lán)寶石的材料制造該元件，該材料基本上對(duì)所關(guān)心波長 上的電磁能量透明。分光器暴露的前表面完全覆蓋能夠反射撞擊分光器、波長 比選擇值長的電磁能量的涂層。在所描述的本發(fā)明的實(shí)施例中，涂層將向數(shù)據(jù)濾波器356和數(shù)據(jù)檢測器340反射波長大于約4微米的能量。相反，通過分光 器352向鏡354和參考濾波器358和參考檢測器272發(fā)射較短波長的能量。通過環(huán)氧樹脂或者以其它方式將分光器352粘至和光塊370構(gòu)成一體的架 狀突出物351而將分光器352固定在合適的地方。將該分光器352精確定位于 光塊370內(nèi)具有不再需要隨后調(diào)整分光器方向的優(yōu)點(diǎn)。相似地，通過環(huán)氧樹脂 或者以其它方式將鏡354粘至架狀突出物353，將鏡354固定在合適的地方， 該突出物和光塊370構(gòu)成一體。而且，本發(fā)明的電光組件具有最佳焦距，這一 點(diǎn)使得可采用較小的不太昂貴的氣體檢測系統(tǒng)的檢測器組件。帶通濾波器356和358限定紅外線輻射能量，該能量分別從分光器352反 射和分光器352其發(fā)射并撞擊數(shù)據(jù)和參考檢測器340和345到達(dá)選擇帶寬中的 能量。在所討論和在附圖中所描述的本發(fā)明的示例性實(shí)施例和應(yīng)用中，參考檢 測器濾波器358名義上以3.7微米的波長為中心。這樣的濾波器發(fā)射由數(shù)據(jù)檢 測器340所吸收的二氧化碳帶附近的最大能量。選擇在相鄰帶寬中的最大能量 吸收從而參考檢測器345的輸出將至少和數(shù)據(jù)檢測器340的輸出一樣大。這一 點(diǎn)明顯有利于提高通過隨后確定數(shù)據(jù)和參考信號(hào)的比率而獲得的氣體濃度表示 信號(hào)的精度。數(shù)據(jù)檢測器帶通濾波器356名義上以4.26微米的波長為中心。二氧化碳吸 收曲線非常窄而強(qiáng)，并且?guī)V波器356以該吸收曲線內(nèi)的發(fā)射帶為中心。因 此，如果存在所分析的一種或多種氣體中二氧化碳水平的變化，則可獲得二氧 化碳水平中指定變化的最大模數(shù)。數(shù)據(jù)和參考帶通濾波器356和358被粘接至 光塊370的槽360和362中。當(dāng)光塊370連至檢測器電路板時(shí)，數(shù)據(jù)和參考帶 通濾波器356和358分別與數(shù)據(jù)和參考檢測器340和345對(duì)準(zhǔn)。沿光徑56傳播并且到達(dá)檢測器組件300、波長大于所選擇截取的紅外線射 線東全部和相同間隔上所有的能量被反射至數(shù)據(jù)檢測器340。相似地，較短波 長的能量通過分光器286傳輸至參考檢測器345。因?yàn)檫@一點(diǎn)，上述檢測器340 和345之間的物理關(guān)系、和那些檢測器的能量截取檢測元件的尺寸和結(jié)構(gòu)，兩 個(gè)檢測器都"看到"電磁能量射線東的相同圖像。這一點(diǎn)明顯提高了檢測器組件300的精度。換言之，光學(xué)上，相互精確定位的數(shù)據(jù)和參考檢測器340和345并且以上 述方式布置分光器352,這些元件進(jìn)行運(yùn)作就好像兩個(gè)檢測器精確堆疊在另一 個(gè)上面。因此，光東的電磁能量以空間相同模式到達(dá)兩個(gè)檢測器。通過從光學(xué) 角度使得該兩個(gè)檢測器340和345空間一致，以及同時(shí)對(duì)檢測器輸出進(jìn)行電子 采樣，還可通過隨后數(shù)據(jù)和參考檢測器輸出信號(hào)的比例來有效消除對(duì)可歸因于 在上述氣道接合器光學(xué)窗口 58和60、源組件的窗口 460、或者下文描述的檢測 器組件300的窗口 364的任意一個(gè)收集的外來材料的精度不利影響。沿光徑56傳播的光東中的電磁能量通過在光塊370前壁339中限定的孔 366到達(dá)分光器352。通常由藍(lán)寶石制成的紅外線射線透明透鏡364跨過孔366 并防止二氧化碳和其它外來材料進(jìn)入光塊370的內(nèi)部。以任何便捷和合適的方 式將透鏡364粘接于光塊?，F(xiàn)在將參考圖12和13描述紅外線射線源組件400。紅外線射線源組件400 發(fā)射沿光徑56傳播的光東480 (參見圖14和16)形式的紅外線射線。紅外線 射線源組件包括紅外線射線發(fā)射器445、設(shè)置在光源環(huán)狀組件420中的轉(zhuǎn)換器/ 引線框446和447、和設(shè)置在連至光源環(huán)形組件420透鏡支架440中的透鏡460。 紅外線射線發(fā)射器445包括由低導(dǎo)熱系數(shù)材料形成的襯底。因?yàn)槠涿黠@減少將 發(fā)射器加熱至工作溫度所需要的能量，所以這一點(diǎn)是重要的。當(dāng)在發(fā)射器445 的發(fā)射層448上施加電流時(shí)，加熱發(fā)射層和襯底，襯底由于熱膨脹而生長或增 加長度，通過彈性粘接劑適應(yīng)而不是限制該生長。因此，避免了如果兩端被嚴(yán) 格固定將被施加于發(fā)射器上的應(yīng)力，這樣消除了如果施加高機(jī)械應(yīng)變可能產(chǎn)生 的對(duì)發(fā)射器造成的破壞或者該元件的完全失效。發(fā)射器445對(duì)光源組件400的發(fā)射器445通電而將其加熱至某工作溫度， 在該溫度下其通過影響源自合適電源經(jīng)過發(fā)射層448的電流而發(fā)射合適帶寬范 圍上的紅外射線。電源經(jīng)導(dǎo)電引線451和452連至發(fā)射層448。該引線被焊接 或者以別的方式物理和電連接至接合器446和447的相對(duì)端。接合器446和447被安裝至源組件400的源環(huán)420內(nèi)。由于紅外線射線發(fā)射器445發(fā)射層448的加熱，其中該元件運(yùn)行的環(huán)境可達(dá)到提高的溫度。因此 該源環(huán)由其在紅外線射線發(fā)射器445工作時(shí)其所達(dá)到的溫度下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的 聚合物制成。在所描述的示例性實(shí)施例中，源環(huán)420具有包括集成壁454和底 部453的圓柱形結(jié)構(gòu)。從底部453以相同方向突出的是組件設(shè)置凸臺(tái)或者突起 456、 457、 458和459。間隔開的突起456和457和補(bǔ)充的間隔開的突起458 和459圍繞接合器446和447的相對(duì)側(cè)。凸臺(tái)或者突起461和462將接合器部 分隔開，同時(shí)在其間提供間隙以將兩個(gè)接合器部分電絕緣。這一點(diǎn)是必要的從 而可在發(fā)射器445上產(chǎn)生電壓以使工作電流流過發(fā)射器?，F(xiàn)在參考圖14-16以及圖12和13,通過設(shè)置在透鏡支架440內(nèi)的透鏡430 沿著光徑56聚焦和傳播由紅外線射線發(fā)射器445發(fā)射層448輸出的紅外線射 線。由藍(lán)寶石或者其它跨過和封閉其中設(shè)置透鏡430的孔的紅外線射線透射窗 460將外部材料與紅外線射線源組件400的內(nèi)部隔開。窗460接合或者以別的 方式粘接至在紅外線射線源組件400的透鏡支架440中形成的架狀突出物或者 槽442。由流過氣道接合器的所關(guān)心氣體(通常為二氧化碳)將能特別帶上的能量 吸收至與該氣體濃度相稱的程度。其后，衰減的紅外線射線東穿過罩210檢測 器部分前壁308中的孔306，被分光器352截取，并且向數(shù)據(jù)檢測器340反射 或者在被鏡354反射后透射至參考檢測器345。那些檢測器前面的帶通濾波器 356和358將到達(dá)其上能量限制在特定(并且不同)的能帶上。每個(gè)檢測器340 和345輸出在量值上與撞擊該檢測器的能量強(qiáng)度相稱的電信號(hào)。由檢測器系統(tǒng) 電路板310上的電子電路放大該信號(hào)，并且該信號(hào)被傳送至柔性電路230的板 部分225上的數(shù)字信號(hào)處理器。處理器通常確定檢測器的信號(hào)比例以產(chǎn)生精確 反映正在監(jiān)視的氣體濃度的第三種信號(hào)。示出了光徑56,該距離分別由設(shè)置在孔52和54中的窗口 58和60之間的 紅外線射線橫穿，并且位于氣道接合器40的整體"U"形箱元件48內(nèi)。容易 從橫截面視圖清楚底部250的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)特征。連至源環(huán)形組件420的透鏡支架 440的特征用于適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)底部250中的源組件400。相似地，檢測器光學(xué)組件350的特征用于適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)底部250中的檢測器組件300。發(fā)光猝滅光學(xué)系統(tǒng)236被組裝至發(fā)光猝滅測量電路板235。發(fā)光猝滅測量 電路板235包括電路，該電路驅(qū)動(dòng)激發(fā)源243和采用基于幅值或者相的檢測技 術(shù)測量檢測器238和239的響應(yīng)。示例性發(fā)光猝滅光學(xué)系統(tǒng)236包括激發(fā)源243 和位于激發(fā)源243每側(cè)上的檢測器238和239 (參見圖29 )。圖15為氣體測量系統(tǒng)組合元件被置于罩中之前的展平視圖。將檢測器組件 300和源組件400組裝至"U"形底部250之前，這些組件物理和電連接至柔性 電路230。檢測器組件300被連至具有檢測器柔性跳線380的柔性電路230的 板部226 (參見圖5和8 )。源組件400的引線443和444 (圖12 )的端部以及 線纜120的連接器被連至柔性電路230的板部227。為將展平電光組件222組 合至底部250,將源組件400和檢測器組件連至底部250。柔性電路230的板部 225置于底部250的"U"形頂部。板部228被折疊以適應(yīng)檢測器組件室254, 而板部227被折疊以適應(yīng)源組件室253。圖16為組合氣體測量系統(tǒng)中光徑的射線軌跡。圖16中的射線480僅僅是 描述性的并且被表示為如同發(fā)射器445的發(fā)射層為點(diǎn)源。由半球透鏡430對(duì)準(zhǔn) 源自發(fā)射器445的紅外線。透鏡氣道側(cè)的形狀用于將射線"匯聚"成平行線。 該射線撞擊處于氣道接合器內(nèi)且被吸收和散射的紅外線吸收氣體和物質(zhì)。剩余 的射線經(jīng)過氣道接合器的窗口并進(jìn)入檢測器組件300。該射線經(jīng)過透鏡364并 被校準(zhǔn)/聚焦至分光器352上，這里將近一半的射線被反射并經(jīng)過濾波器356和 檢測器340,而另 一半被鏡354透射和反射至濾波器358和檢測器345。圖17是根據(jù)本發(fā)明原理的氣體測量系統(tǒng)500的結(jié)構(gòu)圖。微處理器510提供 本發(fā)明的控制、測量和信號(hào)處理功能。示例性處理器為由Texas Instruments制 造的TMS320F2812DSP。微處理器510向源組件400提供源時(shí)間信號(hào)，源組件 由單極模式的5.0VDC脈沖電壓驅(qū)動(dòng)。源發(fā)射器監(jiān)視器511監(jiān)視源脈沖寬度并 將其維持在可允許的窗口內(nèi)。在加電順序期間采用系統(tǒng)重置發(fā)電機(jī)520,從而僅僅在達(dá)到穩(wěn)定電壓時(shí)和在掉電順序期間對(duì)處理器重置從而將發(fā)生有序的掉電 序列?？纱鎯?chǔ)在電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM) 530或者其它地方的可執(zhí) 行程序被傳送至微處理器510。通過數(shù)字衰減540在微處理器510內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換 之前放大源自檢測器組件300的數(shù)據(jù)和參考通道信號(hào)。由微處理器510通過反 饋循環(huán)來控制位于檢測器組件300內(nèi)的檢測器加熱器590。檢測器的低電平信 號(hào)被AC耦合、放大和電平轉(zhuǎn)換以完整地采集信號(hào)。雙采樣和將平臺(tái)保持在ADC 中可對(duì)數(shù)據(jù)和參考通道同時(shí)采樣。有源增益和偏差調(diào)整補(bǔ)償了信號(hào)鏈中的光學(xué) 和電子變量。檢測器加熱器驅(qū)動(dòng)器控制向檢測器發(fā)送能量同時(shí)檢測器熱電阻驅(qū) 動(dòng)器對(duì)處理器提供熱電阻信號(hào)?？刂扑惴ɡ鏟ID控制器用于將通常處于40 。C和5(TC之間的溫度調(diào)節(jié)至士0.02。C之內(nèi)。由+5V DC電源對(duì)檢測器加熱器供 電，該電源還用于對(duì)模擬電路調(diào)節(jié)器供電。窗口加熱器245包括溫度檢測元件 和加熱元件。電路板235上的電子設(shè)備聯(lián)合微處理器控制向加熱元件傳送能量。 采用檢測溫度的微處理器510中的控制算法將加熱元件的溫度維持在遠(yuǎn)高于氣 道接合器內(nèi)環(huán)境溫度的溫度。CODEC 555為具有集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 的解碼器和編碼器。和微處理器510連接的CODEC 555以進(jìn)行相基壽命測量 的方式采用檢測器238和239的輸出來調(diào)制激發(fā)源243。串行驅(qū)動(dòng)器570采用 分別以Tx和Rx表示的發(fā)射和接收線雙向通信。提供信號(hào)返回和數(shù)模接地，電 源560從VSRS和VA線接收電能。本發(fā)明的上述示例性實(shí)施例示出了具有線性配置的紅外線檢測器系統(tǒng)的光 學(xué)組件，它包括單一分光器、單一鏡、兩個(gè)濾波器和兩個(gè)檢測器。該配置非常 適合于檢測流經(jīng)樣品室的單種氣體。但是，對(duì)采用和用于進(jìn)行單種氣體測量的 換能器尺寸相同的換能器測量附加氣體的需要正在增長。為此，本發(fā)明考慮包 括能夠測量多種氣體的紅外線分光計(jì)部分的氣體測量系統(tǒng)的其它實(shí)施例。例如， 四通道系統(tǒng)將允許連同參考通道對(duì)二氧化碳、 一氧化二氮和某些麻醉劑的濃度 進(jìn)行量化。本發(fā)明還適合于作為采用一個(gè)或多個(gè)下述新穎特征和組合的有效非 分散紅外線多通道氣體分析配置a) 將光譜分為二進(jìn)制序列的多個(gè)雙色分光器，以窄帶通濾波器選擇特 定波長；b) 在單個(gè)襯底上組合兩個(gè)或多個(gè)雙色分離器C) 其中所有檢測器被設(shè)置在單平面上并且可采用多通道單轉(zhuǎn)向鏡的 幾何配置；d) 代替兩個(gè)雙色分光器的寬帶帶通濾波器；e) 環(huán)形聚焦鏡，以及聯(lián)合藍(lán)寶石或者鍺透鏡；和/或f) 位于光東分光元件兩側(cè)的透鏡以緊湊地提供對(duì)反射和透射光的獨(dú) 立控制。圖18為根據(jù)本發(fā)明原理的設(shè)置在線性結(jié)構(gòu)中的光學(xué)系統(tǒng)示例性實(shí)施例的 示意圖。該實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)由四個(gè)通道組成，每個(gè)通道具有窄帶通濾波器 和檢測器。每個(gè)濾波器/檢測器組件611、 612、 613和614采用相似的檢測器， 但是每個(gè)濾波器具有不同的帶通。在經(jīng)過樣品室后紅外線源的光束進(jìn)入光學(xué)系 統(tǒng)。在附圖中以參考標(biāo)記600表示該光東。光東600撞擊第一雙色分光器601。 第一雙色分光器601可被配置為使比所關(guān)心最短波長通過或者使所關(guān)心的最長 波長通過。將反射所有其它的波長。由第二和第三雙色分光器602和603依次 從反射光束分裂其它波長或者通道。分光器的順序有點(diǎn)任意。最終的元件、平 面鏡604將最終的通道反射至濾波器/檢測器組件614。釆用該鏡允許所有的檢 測器處于相同的平面內(nèi)(即共面)。圖19描述了短(低)帶通分光器605、 606和607作為波長函數(shù)的濾波器 特征，相對(duì)于圖19的線性系統(tǒng)每個(gè)通道的帶通濾波器615、 616、 617和618 的濾波器特征。每個(gè)檢測器具有窄帶濾波器，以選擇用于檢測需要的波長，具 有比采用雙色分光器所完成的更多特征。注意，可顛倒該邏輯，意味著第一分 光器可使最長波長618通過而將其它波長反射至濾波器615、 616和617。然后， 下面的分光器可以為短通，其中順序?qū)?17、 616和615,或者其可以為長通， 其中順序?yàn)?15、 616和617。可選擇地，可以以某順序混合長帶通和短帶通。注意，采用雙色分光器代 替更常規(guī)的寬帶分光器以實(shí)質(zhì)上改進(jìn)將到達(dá)檢測器特別是最后的檢測器的信號(hào) 能量量。該線性系統(tǒng)具有簡單設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并且所有的檢測器都處于相同的平面上。但是，光東基本上沿著路徑長度擴(kuò)展到最后的檢測器，因此由最后的檢 測器所收集的能量小于前面的檢測器。圖20為具有之字形結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)利用介質(zhì)帶通濾波器 將反射所有未透射的波長的事實(shí)。實(shí)質(zhì)上，存在能量守恒。就之字形而言，第一元件為鏡621。每個(gè)分光器626、 627、 628和629都是窄帶通濾波器。不是 從特別通道選擇的所有能量都被反射至其它通道，所以濾波器/檢測器組件622、 623、 624和625的順序是任意的。注意，必須設(shè)計(jì)每個(gè)濾波器以在選擇角度(通 常為40°到45°)下運(yùn)行。因?yàn)樵撜瓗V波器執(zhí)行對(duì)通道排序以及狹窄地限定 期望波長的雙重功能，所以該系統(tǒng)的路徑長度較短，零件數(shù)較小。該檢測器現(xiàn) 在處于兩個(gè)平面上，但是檢測器組件相同。所示出的系統(tǒng)示出了從光源至相同 平面上的最終檢測器的光徑。為便于包裝，鏡621后面的組件可圍繞光軸旋轉(zhuǎn) 卯度，從而光源光軸與之字形平面垂直。圖21為具有正方形陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。在更直接的二進(jìn)制選擇過 程中采用雙色分光器。例如，采用圖21所示出的濾波器和分光器的特征，可將 第一分光器631設(shè)置在4微米以將所關(guān)心的光譜分成兩半。在4.4微米處再次 分離所反射的半部，所反射的部分直接到達(dá)窄帶通濾波器/檢測器組件632,而 隨后在鏡636反射通過的部分至窄帶通濾波器/檢測器組件633。在鏡638將分 光器631通過的半部反射至設(shè)置為3.45微米的分光器637。和第一個(gè)所描述的 腿中 一樣，分光器637分開光束和將光東引向窄帶通濾波器/檢測器組件634和 635。分別在鏡636和分光器631圍繞光軸旋轉(zhuǎn)光東通道1和2以及通道3和4 的路徑。通過"旋轉(zhuǎn)腿部"的設(shè)備，可在相同平面上將所有的檢測器設(shè)置得非 常接近。另外，在該系統(tǒng)中，可將示出為鏡636的兩個(gè)鏡制造為單件，并且還 可在單個(gè)襯底上形成示出為分光器634的分光器。應(yīng)當(dāng)注意，可將組合分光器構(gòu)造為一對(duì)重疊的雙色分光器，在藍(lán)寶石襯底 的每一面都有一個(gè)，或者其可構(gòu)造為寬帶通濾波器，這里帶沿形成波長分割函 數(shù)。下面描述的系統(tǒng)可在總體結(jié)構(gòu)上相似，但是其包括藍(lán)寶石透鏡、凹球面鏡 或者非凹球面鏡形式的聚焦元件。對(duì)添加聚焦元件的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于在每個(gè)檢測器上大大改進(jìn)能量收集效 率。沒有聚焦元件，光源發(fā)出的光束將比在檢測器平面上的檢測器大得多。該 特大型是因?yàn)閮蓚€(gè)原因而產(chǎn)生的系統(tǒng)放大，和變形。從源鏡到焦點(diǎn)的距離和 從光源到源鏡的距離的比率為放大倍率。根據(jù)焦點(diǎn)所設(shè)置的位置，放大倍率從8到10。光源直徑大約為0.02〃，因此檢測器平面上的圖像將處于0.16〃至0.2〃 的范圍。但是檢測器直徑通常為0.08〃(采用更大的檢測器是可能的，但是成本 隨著尺寸迅速提高)。另外，雖然源鏡在場中心產(chǎn)生了非常好的圖像，但是源邊 沿的點(diǎn)變形，其提高了基本圖像放大率。但是，如果可將正聚焦元件置于檢測 器附近，則可徑向減小放大率，并且還可絕對(duì)意義上減小變形。在實(shí)例系統(tǒng)中， 壓縮光束可改進(jìn)檢測效率四倍或更多。注意，考慮到光束的變形狀況，使簡單 透鏡在檢測器上形成良好圖像是不可行的，但是實(shí)際上因?yàn)槟繕?biāo)僅僅是收集盡 量多的紅外線射線，所以不需要良好的圖像。圖22是具有包括光學(xué)組件中透鏡的線性系統(tǒng)配置的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。該配 置在布置上與圖18的線性配置相似，增加了沿著光學(xué)路徑插入的透鏡645，通 常位于分光器642和643與濾波器/檢測器組件652和653之間。透鏡的功能在 于將光束能量壓縮至檢測器組件653和檢測器組件654,這一點(diǎn)將改進(jìn)這些通 道中的檢測效率。透鏡的作用在于減小系統(tǒng)的放大倍率。此外，透鏡655 - 658 可添加至每個(gè)通道，從而進(jìn)一步減小了放大倍率，并改進(jìn)和平衡所有檢測器的 效率。圖23是具有透鏡再次包括在光學(xué)組件中的之字形配置的光學(xué)系統(tǒng)的示意 圖。在該配置中，其實(shí)質(zhì)上是圖20所示出的配置的更改，在每個(gè)通道添加透鏡 以壓縮光束尺寸。如果在分光器和檢測器之間添加單個(gè)透鏡，則僅僅透射的光 東將受影響，并且反射的光東將放大得比最后的通道所期望的還要多。但是如 果在足夠強(qiáng)以壓縮適合于該檢測器的光東的分光器前面添加單個(gè)透鏡，則對(duì)反 射光東的影響將加倍，并且將過強(qiáng)。本發(fā)明通過將透鏡分割為兩個(gè)元件，在窄帶通濾波器任意側(cè)上具有一個(gè)部 分，而解決該難題。例如，分割透鏡/濾波器組件669包括透鏡666和668以及濾波器667。通過以此方法分割每個(gè)通道上的透鏡，透射的部分和反射的部分 每個(gè)都受到全透鏡的效果?？蛇x擇地，每個(gè)通道上的兩個(gè)透鏡可以不同，從而 例如和反射光東相比透射光東受到更強(qiáng)的壓縮。注意采用該系統(tǒng)去除了雙色分 光器。圖24為具有折彎結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。該結(jié)構(gòu)與正方形陣列的相似之 處在于雙色分光器用于以二進(jìn)制方式按波長分割光東。雙色分光器682進(jìn)行第 一次分割。反射的光束到達(dá)反射器681。這是被添加以壓縮光束而改進(jìn)檢測效 率的四個(gè)聚焦鏡的其中一個(gè)。這些鏡可以為球形，但是優(yōu)選地，其是非球形。 因?yàn)楦呷肷浣堑那蛐卧a(chǎn)生兩個(gè)不同的焦點(diǎn)， 一個(gè)處于入射平面內(nèi)，另一 個(gè)與入射平面垂直，所以產(chǎn)生上述優(yōu)選。換言之，這樣的鏡將產(chǎn)生散象。通過 使兩軸上的曲率半徑不同，可校正散光。非球形是非球形表面的總稱。這里所 示出的鏡為環(huán)形，總類別的子集。在本情況下，即使不需要良好圖像，非球形 鏡也能產(chǎn)生更均勻的圓形光束模式。所反射和再聚焦的光束在雙色分光器675處被再次分割。再次，反射的光 東被重新聚焦至帶通濾波器/檢測器組件672上。透射的光束到達(dá)濾波器/檢測器 組件67L該從分光器682透射的光束由聚焦鏡683再次聚焦，由分光器678 再次分割。和其它兩個(gè)通道一樣，該光東到達(dá)濾波器/檢測器組件674，或者通 過聚焦鏡677到達(dá)濾波器/檢測器組件673。注意，該系統(tǒng)提供高收集效率和緊 湊單平面檢測器陣列。圖25是具有蛇形結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。"蛇形"結(jié)構(gòu)與線性陣列相似， 只是向每個(gè)通道添加聚焦鏡691 -694。由雙色分光器681進(jìn)行初次分割，接下 來由分光器682和683和鏡684進(jìn)行。聚焦鏡可以為球形，但是非球形鏡的收 集效率大大改進(jìn)。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例，以單個(gè)長模式構(gòu)造該鏡。濾波器/ 檢測器組件685、 686、 687和688由窄帶通濾波器和檢測器組成，和其它前面 描述的實(shí)施例相同。圖26是具有通道結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。紅外線能量可以以不同方法分 配至檢測器的平面陣列。源698的能量可由鏡699引向管696,或者可以成為光學(xué)通道。如果該管的內(nèi)部695為鏡，并且如果該管足夠長(為直徑十倍的數(shù) 量級(jí))，則管端部的能量將在幾何上良好地混合。即，例如由于氣道不足或者液 體落至氣道窗口上，輸入光東的任何結(jié)構(gòu)在輸出時(shí)將是不可檢測的(盡管總能 量水平將下降)。相似地，如果輸入光束不精確處于正確的位置或者處于正確的 角度，實(shí)質(zhì)上在輸出端將沒有影響。該實(shí)施例的概念為將窄帶通濾波器和相關(guān)的檢測器的平面陣列697置于輸 出端。隧道的作用將使能量對(duì)稱地分配至檢測器。注意在輸出端的能量徑向?qū)?稱，但是在該區(qū)域上將不均勻。由于管輸出端為圓形，但是該陣列為正方形(對(duì) 四個(gè)檢測器)并且進(jìn)一步每個(gè)檢測器的面積是全部輸出端面積的一部分，所以 所描述的系統(tǒng)不是很有效率?？赏ㄟ^使管成為方形以匹配檢測器陣列或者可選 擇地將一組通道置于輸出端而緩解效率的損失。這些通道將作為一組接收管道 的所有能量，并以多種方法對(duì)其劃分以匹配隧道數(shù)，并且會(huì)聚能量向下至檢測 器尺寸。在該附圖中，切除了管(和源鏡)的側(cè)面以進(jìn)行描述。該檢測器平面 未示出陣列。圖27是設(shè)置于襯底705上的線性結(jié)構(gòu)內(nèi)的四通道光學(xué)系統(tǒng)700的實(shí)施例的 側(cè)視圖。紅外線射線通過首先通過透鏡710進(jìn)入檢測器/光學(xué)組件700。然后由 分光器743、 753和763連續(xù)分割和反射紅外線射線。透射的紅外線射線在進(jìn)入 檢測器745、 755和765之前分別通過濾波器740、 750和760。由聚焦鏡720 反射通過分光器763的剩余紅外線射線通過濾波器770并到達(dá)檢測器775上。 加熱器735和730用于將檢測器塊780維持在恒定的溫度下。在上述實(shí)施例中，提供多個(gè)吸收型檢測器組件以檢測流入樣品室的氣體中 的多種氣體成分。將理解本發(fā)明還考慮單獨(dú)或者聯(lián)合吸收型檢測器為發(fā)光猝滅 型氣體檢測器提供多種氣體。多種發(fā)光猝滅型氣體檢測器將需要多個(gè)源、檢測 器，而將濾波器和多種化學(xué)物設(shè)置在氣道接合器的襯底上。圖28是氣體測量系統(tǒng)光學(xué)組件240和具有支架232的發(fā)光猝滅測量電路板 235的透視分解圖。從發(fā)光猝滅光學(xué)系統(tǒng)236移開的檢測器濾波器233顯示在 圖29中，將其組合至發(fā)光猝滅測量電路板235。發(fā)光猝滅測量電路板235包括23驅(qū)動(dòng)激發(fā)源243和測量采用已知檢測技術(shù)的檢測器238和239響應(yīng)的電路。圖29是發(fā)光猝滅測量電路板的透視分解圖。該示例性發(fā)光猝滅光學(xué)系統(tǒng) 236包括激發(fā)源243、位于激發(fā)源243每側(cè)上的檢測器238和239、檢測器濾波 器233、選擇激發(fā)源濾波器241和屏蔽物234。所有的部件被設(shè)置在允許減小尺 寸和重量的相同平面上。示例性激發(fā)源由綠色發(fā)光二極管組成。由電屏蔽和光 濾波器相互隔開激發(fā)源243和檢測器238和239。示例性檢測器由光電二極管 組成。將理解，本發(fā)明考慮提供圍繞或者部分圍繞源243的光電探測器環(huán)。該 環(huán)可以為單個(gè)檢測器或者多個(gè)檢測器并且可具有然后合適的模式，例如圓形、 正方形、三角形、矩形等等。在示例性實(shí)施例中，檢測器濾波器233為具有孔229的矩形濾波器結(jié)構(gòu)， 通過該孔從激發(fā)源發(fā)射射線。檢測器過濾器的光學(xué)特征為，將下列射線波長基 本上透射經(jīng)過濾波器這種射線涉及敏感膜/化學(xué)物的發(fā)光猝滅，響應(yīng)與被測一 種或多種氣體接觸，將不涉及這種相互作用的射線基本上不透射經(jīng)過濾波器。 該檢測器濾波器可以為帶通、高通、低通、或者任何其它現(xiàn)有技術(shù)已知的濾波 器類型。此外，光學(xué)激發(fā)源濾波器241可用于將射線發(fā)射限制在敏感膜被激發(fā) 的射線波長外從而防止不需要的波長到達(dá)敏感膜。優(yōu)選將對(duì)所關(guān)心氣體靈敏的敏感膜設(shè)置在與示例性發(fā)光猝滅光學(xué)系統(tǒng)236 的所述第一平面平行并從其轉(zhuǎn)移的平面上。為盡量減小激發(fā)源和檢測器之間的 不需要的相互反應(yīng)，將屏蔽物234置于激發(fā)源周圍。示例性實(shí)施例中屏蔽物234 的內(nèi)表面對(duì)激發(fā)源發(fā)射的射線基本上是反射性的從而用作兩個(gè)目的。這一點(diǎn)允 許其將外來的光改變方向回到敏感膜，同時(shí)改進(jìn)系統(tǒng)的效率。另外，激發(fā)源例 如LEDs向比敏感膜對(duì)向的更大角度發(fā)射光。優(yōu)選將該屏蔽物的形狀設(shè)置為阻 擋光線直接到達(dá)檢測器和影響發(fā)光測量。在所示出的示例性實(shí)施例中，從激發(fā)源243發(fā)射的射線透射通過濾波器241 和通過半球形窗口 247和入射至敏感膜上?；谘鯕獾臐舛龋舾心ひ圆煌?波長發(fā)射射線，該射線向回透射通過窗口 247并由檢測器濾波器233過濾并由 設(shè)置在檢測器濾波器233中的兩個(gè)檢測器測量。此外，指數(shù)匹配層(未示出)可選擇地置于檢測器和檢測器濾波器之間以 盡量減小反射損失。向所有方向發(fā)射敏感膜發(fā)出的射線并且僅僅一小部分發(fā)射 射線指向檢測器。由于菲涅耳反射，進(jìn)一步在沿著光徑的每個(gè)界面上衰減該射 線。因此，以例如指數(shù)匹配材料的材料填充空氣隙允許盡量減小該反射損失。加熱器柔性電路245電連接至如上所述的發(fā)光猝滅檢測電路板235。因?yàn)闇囟扔绊懨舾心にl(fā)出的發(fā)光量，所以需要溫度控制或者補(bǔ)償。為在薄膜上維持恒溫，窗口加熱器245熱連通一般為藍(lán)寶石的窗口 247的平面?zhèn)?。該加熱?將窗口 247維持在恒定溫度，其反過來維持敏感膜的溫度。將該窗口加熱器245 設(shè)計(jì)為環(huán)形以保持在光徑外部。窗口 247為半球形而非平面以改進(jìn)和敏感膜之 間的熱接觸。該兩個(gè)元件和曲線輪廓之間的緊密接觸還具有改進(jìn)透射通過敏感 膜和返回檢測器光的數(shù)量影響。如上所述，在'451申請(qǐng)中公開了適合用于本 發(fā)明的發(fā)光猝滅光學(xué)系統(tǒng)236的示例性實(shí)施例。將理解可單獨(dú)或者聯(lián)合以及在側(cè)流結(jié)構(gòu)中采用本發(fā)明的發(fā)光猝滅特征和本 發(fā)明的吸收特征?，F(xiàn)在考慮本發(fā)明的幾個(gè)選擇結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明考慮在激發(fā)源之前釆用棱 鏡或者非球形透鏡以在敏感膜上更均勾地分配光線。還考慮相互交換激發(fā)源和 檢測器的位置，即采用由兩個(gè)或多個(gè)激發(fā)源圍繞的單個(gè)大檢測器。本發(fā)明還考 慮轉(zhuǎn)向或者傾斜檢測器從而檢測器面基本上和從發(fā)光材料發(fā)射的射線垂直以改 進(jìn)檢測效率。本發(fā)明還考慮在氣體測量系統(tǒng)的罩上提供顯示器800 (參見圖3)。該顯示 器可以是任何合適的顯示器，例如LED、 OLEDs、 LCD等等。在氣體測量系統(tǒng) 上的罩上提供顯示器允許醫(yī)師或者其它用戶直接從患者附近的單元顯示警告或 者報(bào)告信息、波形、趨勢和其它相關(guān)的信息，而不必重新定位自身以看到常規(guī) 的監(jiān)視屏，因?yàn)樵诔Ｒ?guī)的系統(tǒng)中該監(jiān)視屏通常離患者幾英尺遠(yuǎn)所以這一點(diǎn)通常 是必要的。在需要緊急注意和醫(yī)師反應(yīng)的不利醫(yī)療事件中這一點(diǎn)特別重要。盡管基于現(xiàn)在認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例為描述目的詳細(xì)描述了本發(fā) 明，但是將理解該細(xì)節(jié)僅僅用于該目的并且本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，而是相反，期望涵蓋處于附加權(quán)利要求書的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)的更改和等效設(shè)置。例 如，將理解本發(fā)明考慮盡可能地組合任何實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)特征和任何其它 實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)特征。
權(quán)利要求
1、一種氣體測量系統(tǒng)(100)，包括一個(gè)通常為U形的罩(250)，適合于設(shè)置在氣道接合器上；一個(gè)紅外線吸收氣體測量組件(240)，設(shè)置在罩內(nèi)；一個(gè)發(fā)光猝滅氣體測量組件(236)，設(shè)置在罩內(nèi)；一個(gè)設(shè)置在罩內(nèi)的處理器(510)，其中處理器被編程以基于紅外線吸收氣體測量組件和發(fā)光猝滅氣體測量組件的輸出來測量氣道接合器中氣流的氣體成分。
2、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括設(shè)置在罩上的顯示器(800)。
3、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中該罩包括第一腿和第二腿，其中紅外線吸收氣 體測量組件包括設(shè)置在第一腿中的源組件(400 )和設(shè)置在第二腿中的檢測器組 件(300)，并且其中發(fā)光猝滅氣體測量組件包括設(shè)置在第一腿和第二腿之間的 罩內(nèi)的檢測器組件(235 )。
4、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中發(fā)光猝滅氣體測量組件包括(1) 設(shè)置在第一平面內(nèi)的源(243),和(2) 同樣設(shè)置在第一平面內(nèi)的至少一個(gè)檢測器(238, 239)。
5、 權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)檢測器設(shè)置在源附近。
6、 權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)檢測器包括多個(gè)檢測器。
7、 權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)檢測器包括設(shè)置在源(243 )的第 一側(cè)上的第一檢測器(238 ),和設(shè)置在源的第二側(cè)上的第二檢測器(239)。
8、 權(quán)利要求4的系統(tǒng)，還包括檢測器上方的濾波器(233 )，其中濾波器穿過涉及發(fā)光猝滅的射線波長并且基本上阻擋其它波長。
9、 權(quán)利要求4的系統(tǒng)，還包括圍繞至少一部分源設(shè)置的光屏蔽物(234)。
10、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中紅外線吸收氣體測量組件包括 一個(gè)分光器(352),適合于將紅外線射線分成一個(gè)第一光東和一個(gè)第二光一個(gè)鏡(354),適合于從分光器接收第一光東； 一個(gè)第一濾波器(358 )，適合于從鏡接收第一光束； 一個(gè)第二濾波器(356),適合于從分光器接收第二光東； 一個(gè)第一檢測器(345 ),適合于從第一濾波器接收第一光東； 一個(gè)第二檢測器(340),適合于從第二濾波器接收第二光東，其中第一檢 測器和第二檢測器設(shè)置在公共平面內(nèi)。
11、 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，還包括一個(gè)散熱片(330),其中第一檢測器和第 二檢測器安放在散熱片上。
12、 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中該罩包括一個(gè)第一腿和一個(gè)第二腿，其中分 光器、鏡、第一濾波器、第二濾波器、第一檢測器、和第二檢測器設(shè)置在罩的 第二腿中，并且還包括設(shè)置在罩的第一腿內(nèi)的射線源組件。
13、 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中紅外線吸收氣體測量組件包括 一個(gè)光塊(370);一個(gè)設(shè)置在光塊內(nèi)的分光器(352); 一個(gè)設(shè)置在光塊內(nèi)的鏡(354);和 可操作地連至光塊至少兩個(gè)濾波器(356， 258)。
14、 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中至少兩個(gè)濾波器設(shè)置在光塊內(nèi)限定的凹槽中。
15、 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中分光器和鏡沿公共軸連至光塊。
16、 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中該罩包括一個(gè)第一腿和一個(gè)第二腿，其中光 塊、分光器、鏡、和至少兩個(gè)檢測器設(shè)置在罩的第二腿中，還包括設(shè)置在罩的 第一腿內(nèi)的射線源組件。
全文摘要
本發(fā)明的氣體測量系統(tǒng)(100)包括適于設(shè)置在氣道接合器(adapter)上的罩(250)。紅外線吸收氣體測量組件(240)和發(fā)光猝滅氣體測量組件(236)設(shè)置在罩內(nèi)。同樣設(shè)置在罩內(nèi)的處理器(510)被編程以基于紅外線吸收氣體測量組件和發(fā)光猝滅氣體測量組件的輸出測量氣道接合器中氣流的氣體成分。
文檔編號(hào)G01J5/02GK101248336SQ200680030932
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者安東尼·T·皮埃里, 理查德·納爾遜, 約翰·R·德爾法瑞洛, 詹姆斯·T·拉塞爾, 里奇·E·丹尼爾斯, 雷蒙德·G·戴維斯 申請(qǐng)人:Ric投資有限公司