專利名稱：用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般涉及用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器。氣體分析器包括用于能夠發(fā)射紅外輻射通過氣體的發(fā)射器、用于允許透射發(fā)射器所發(fā)射的預(yù)定波長的濾波器組裝件和用于接收發(fā)射器所發(fā)射的并穿過濾波器組裝件的波長的檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
在麻醉學(xué)中或在特別護(hù)理中，例如經(jīng)常通過分析患者呼出的氣體以了解其內(nèi)容來監(jiān)視患者的狀況。為此，一小部分的呼吸氣被輸送到氣體分析器，或者氣體分析器直接連接到呼吸電路(respiratory circuit)。在非色散紅外(NDIR)氣體分析器中，測(cè)量基于氣體樣本中紅外(IR)輻射的吸收。輻射源將通過測(cè)量室的紅外輻射束引導(dǎo)到輻射檢測(cè)器，檢測(cè)器的輸出信號(hào)取決于樣氣中輻射的吸收的強(qiáng)度。選擇用于測(cè)量的光學(xué)波長帶而無色散元件，如棱鏡或使用光學(xué)帶通濾波器的光柵。輻射源一般包括電熱的絲或表面區(qū)域和輻射收集光學(xué)器件，并發(fā)射廣譜區(qū)內(nèi)的輻射。要分析的氣體樣本(即樣氣)饋送通過測(cè)量室，因此， 氣體混合物被包括在室中以便分析。測(cè)量室能夠是提供有在測(cè)量波長透明的進(jìn)氣與出氣窗和樣氣入口與出口的管式空間。輻射在通過測(cè)量室時(shí)被氣體樣本吸收。輻射檢測(cè)器生成取決于落在其敏感區(qū)域上的輻射功率的電信號(hào)。氣體分析器中的檢測(cè)器類型取決于其測(cè)量波長。對(duì)于廣譜范圍內(nèi)的測(cè)量，熱檢測(cè)器由于其靈敏度只取決于輻射熱轉(zhuǎn)換的效率而使用方便。為了使檢測(cè)器的輸出信號(hào)對(duì)某種氣體組分敏感，選擇到達(dá)檢測(cè)器的輻射的波長帶以便氣體組分吸收其內(nèi)的輻射。此選擇使用其帶寬一般在中心波長的-2%的光學(xué)帶通濾波器來進(jìn)行。在NWR多氣體分析器中，在選定的幾個(gè)波長帶測(cè)量氣體樣本的吸收以匹配關(guān)注氣體組分的吸收譜。這能夠通過使用一個(gè)輻射檢測(cè)器，并通過更改光學(xué)路徑上接連的光學(xué)帶通濾波器而實(shí)現(xiàn)。也可能使用幾個(gè)輻射檢測(cè)器與其對(duì)應(yīng)帶通濾波器的組合。除這些測(cè)量檢測(cè)器外，可以有一個(gè)或多個(gè)參考檢測(cè)器。參考檢測(cè)器一般在已知樣氣無吸收或吸收低的波長帶從輻射源接收輻射。要測(cè)量吸收的強(qiáng)度，必需知道在測(cè)量波長分析器的零級(jí)別。零級(jí)別是在某個(gè)波長樣氣不吸收頂輻射時(shí)在該波長獲得的檢測(cè)器信號(hào)。假設(shè)缺少輻射導(dǎo)致零或其它已知信號(hào)，通過形成零級(jí)信號(hào)與檢測(cè)器信號(hào)之間的比率來計(jì)算吸收的強(qiáng)度。通過單獨(dú)測(cè)量已知在測(cè)量波長不吸收輻射的零氣體，可能更新零級(jí)別。此方法通常在側(cè)流配置中使用，其中，從呼吸電路抽出并單獨(dú)分析氣體樣本。也可能獲得零級(jí)別的估計(jì)而未通過氣體為分析器取零。這能夠通過使用參考濾波器實(shí)現(xiàn)，因此，在已知?dú)怏w樣本不吸收頂輻射的參考波長測(cè)量檢測(cè)器信號(hào)。也可能一起使用分開的參考檢測(cè)器和參考濾波器，并且使用參考檢測(cè)器的輸出信號(hào)作為在測(cè)量波長零級(jí)別的估計(jì)。這些估計(jì)與在測(cè)量波長所獲得的檢測(cè)器信號(hào)一起持續(xù)可用。對(duì)所有測(cè)量波長使用一個(gè)或兩個(gè)共同參考波長通常便足夠，特別是在測(cè)量波長相互靠近時(shí)。參考波長也能夠選擇為使得它們能夠補(bǔ)償像水等液體或氣體形式的干擾物。此方法通常在主流配置中使用，其中，分析器定位成跨呼吸管進(jìn)行測(cè)量。
在主流類型的臨床使用氣體分析器中，呼吸氣或氣體混合物流的所有量或至少主要部分過分析器和其測(cè)量室。由于測(cè)量室在呼吸電路中，因此，易于受黏液或冷凝水污染。 因此，必需在主流分析器中使用一個(gè)或多個(gè)參考波長以使零級(jí)的足夠好的估計(jì)持續(xù)可用。臨床主流氣體分析器必須小、輕、準(zhǔn)確和可靠。在其正常操作期間不可能對(duì)它取零。然而，即使測(cè)量室將受到污染，分析器也必須保持其準(zhǔn)確性。由于這些要求原因，一直以來只有用于二氧化碳C02的單氣體分析器可用，并且市場上一直沒有主流類型的真正小巧的多氣體分析器。最佳的結(jié)構(gòu)將是單路徑分析器，因?yàn)槔鐪y(cè)量路徑的污染因此將類似地影響測(cè)量和干擾波長，并且對(duì)氣體濃度值的影響將得以消除。然而，這難以使用多個(gè)離散帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。要么它將要求旋轉(zhuǎn)濾波器輪，而該輪可能大且易于發(fā)生機(jī)械損壞，要么它將要求多個(gè)分束器來分離不同的帶通波長到不同檢測(cè)器。僅前一方法能夠利用單檢測(cè)器， 并因此避免各個(gè)檢測(cè)器之間差別的問題。然而，采用離散介質(zhì)光學(xué)帶通濾波器時(shí)，似乎不可能使分析器足夠小到也應(yīng)用于像小孩和新生兒等患者。另外一個(gè)問題是不同的呼吸氣體具有間隔如此寬廣的吸收的波長區(qū)域。二氧化碳和一氧化二氮能夠在3900nm與4600nm之間測(cè)量到，而所有麻醉劑在8000nm到IOOOOnm區(qū)域中吸收。介質(zhì)頂濾波器的透射帶隨入射角的波長變化例如太小而不能覆蓋關(guān)注的波長區(qū)域的兩端。因此，此類單路徑解決方案將不適用。還有的另一問題是測(cè)量必須足夠快以測(cè)量呼吸曲線。實(shí)際上，上升時(shí)間將必須是大約200ms。用于物質(zhì)檢測(cè)的干涉式分析器能夠是帶有電調(diào)制可能性的Fabry-Perot型干涉儀。鏡片經(jīng)常是緊密間隔的，但距離仍有幾個(gè)波長。自由譜范圍(FSR)可僅為大約lOnm， 并且整個(gè)譜范圍覆蓋有IOnm間隔的大量極窄的透射峰。自由譜范圍是Fabry-Perot干涉儀的透射譜中連續(xù)透射峰之間的頻率或波長空間。SFR與干涉儀中反射表面之間的距離成反比。在此情況下，必須使用輪上的離散帶通濾波器來選擇關(guān)注區(qū)。因此，此解決方案不能變得比只使用濾波器輪來選擇測(cè)量波長的分析器更小巧或快速。使用微機(jī)械和電可調(diào)諧Fabry-Perot干涉儀的單路徑氣體分析器在技術(shù)領(lǐng)域中是公知的。與以前的解決方案不同，共振器極短，甚至短到只有關(guān)注波長的一半。這放寬了干涉儀的自由譜范圍。分析器能夠變得十分小巧，但結(jié)構(gòu)允許僅在所選波長的大約10%內(nèi)的波長調(diào)諧。除非波長區(qū)靠近在一起，否則，這使得測(cè)量多種氣體幾乎是不可能的。在高達(dá)大約1700nm的近紅外波長區(qū)，使用串聯(lián)的Fabry-Perot可調(diào)諧濾波器的解決方案也為已知的。超發(fā)光的發(fā)光二極管優(yōu)選用作源，并且源和濾波器或?yàn)V波器和檢測(cè)器集成在密封封裝內(nèi)的光具座(optical bench)上。該使用主要是光遠(yuǎn)程通信。濾波器是微機(jī)械的，自由譜范圍為大約200nm，這意味著Fabry-Perot濾波器的鏡片之間的間隔是多個(gè) (> 3)半設(shè)計(jì)波長。

發(fā)明內(nèi)容
本文中解決了上述缺點(diǎn)、缺陷和問題，這將通過閱讀和理解下面的說明書而理解。在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器包括用于能夠發(fā)射紅外輻射通過氣體的發(fā)射器和用于允許透射發(fā)射器所發(fā)射的預(yù)定波長的濾波器組裝件。用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的該氣體分析器還包括用于接收發(fā)射器所發(fā)射的并穿過濾波器組裝件的波長的檢測(cè)器。濾波器組裝件包括串聯(lián)的至少兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器，每個(gè)濾波器包括兩個(gè)介質(zhì)鏡和兩個(gè)介質(zhì)鏡之間的空氣間隔以將濾波器之一調(diào)諧到與所述濾波器的另一個(gè)濾波器不同的透射帶。在另一實(shí)施例中，一種用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器包括用于能夠發(fā)射紅外輻射通過氣體的發(fā)射器和用于允許透射發(fā)射器所發(fā)射的預(yù)定波長的濾波器組裝件。用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的該氣體分析器還包括用于接收發(fā)射器所發(fā)射的并穿過濾波器組裝件的波長的檢測(cè)器和用于要測(cè)量的氣體的測(cè)量通道，并且該測(cè)量通道配備有至少一個(gè)光學(xué)窗口以用于允許紅外輻射由于氣體組分而被吸收。濾波器組裝件包括串聯(lián)的至少兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器，每個(gè)濾波器包括兩個(gè)介質(zhì)鏡和兩個(gè)介質(zhì)鏡之間的空氣間隔以將濾波器之一調(diào)諧到與所述濾波器的另一個(gè)濾波器不同的透射帶。在仍有的另一實(shí)施例中，一種用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器包括用于能夠發(fā)射紅外輻射通過氣體的發(fā)射器和用于允許透射發(fā)射器所發(fā)射的預(yù)定波長的濾波器組裝件。用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的該氣體分析器還包括用于接收發(fā)射器所發(fā)射的并穿過濾波器組裝件的波長的檢測(cè)器。濾波器組裝件包括串聯(lián)的至少兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器，每個(gè)濾波器包括兩個(gè)介質(zhì)鏡和兩個(gè)介質(zhì)鏡之間的空氣間隔以將濾波器之一調(diào)諧到與所述濾波器的另一個(gè)濾波器不同的透射帶。兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器用于允許波長區(qū)域8-10 μ m的輻射穿透以便測(cè)量至少一種麻醉劑，并且允許波長區(qū)域3. 9-4. 6 μ m內(nèi)的輻射穿透以便測(cè)量二氧化碳和一氧化二氮的至少一個(gè)。從附圖及其詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白本發(fā)明的各種其它特征、目的和 ftj 點(diǎn) ο .


圖1示出連接到患者的通氣電路的醫(yī)學(xué)主流氣體分析器。圖2示出氣體分析器的測(cè)量適配器。圖3示出一種類型的現(xiàn)有技術(shù)多氣體分析器的光學(xué)原理。圖4示出另一種類型的現(xiàn)有技術(shù)多氣體分析器的光學(xué)原理。圖5示出根據(jù)一實(shí)施例的多氣體分析器的光學(xué)原理。圖6示出圖5所示的兩個(gè)分開的可調(diào)諧窄帶干涉濾波器的紅外透射譜(左側(cè))和一種已調(diào)諧情況中串聯(lián)組合的那些濾波器的譜(右側(cè))。圖7示出另一種已調(diào)諧情況中圖6的兩個(gè)濾波器的紅外透射譜。
具體實(shí)施例方式在下面參照附圖的詳細(xì)描述中，解釋了具體實(shí)施例。這些詳細(xì)實(shí)施例自然能被修改，并且不應(yīng)限制如權(quán)利要求中陳述的本發(fā)明的范圍。描述用于測(cè)量諸如呼吸氣等氣體的至少兩種組分的氣體分析器。實(shí)施例例如能夠在主流類型的臨床非色散紅外多氣體分析器中應(yīng)用，但它也能夠在其它類型的呼吸氣分析器及測(cè)量呼吸氣外其它氣體的氣體分析器中應(yīng)用。在測(cè)量患者氣體時(shí)，特別是在新生兒和兒科情況下，氣體分析器快速、小且重量輕是至關(guān)重要的。僅用于二氧化碳且現(xiàn)有技術(shù)中已知的主流氣體分析器能夠滿足這些準(zhǔn)則， 但在間隔通常寬廣的波長區(qū)域內(nèi)要測(cè)量多種氣體時(shí)出現(xiàn)了問題。帶有紅外吸收的氣體具有其特性吸收區(qū)域，并且每種氣體組分必須使用至少一個(gè)波長進(jìn)行測(cè)量。另外，在大多數(shù)情況下，必須在沒有氣體吸收或很少氣體吸收的波長來確立參考以計(jì)及與冷凝水或其它阻礙物有關(guān)的發(fā)射器輻射的變化。根據(jù)一實(shí)施例，可調(diào)諧的窄帶濾波器的使用使得能夠測(cè)量帶有紅外吸收的多種氣體以及還有適當(dāng)量的參考。由于一個(gè)濾波器的可調(diào)諧波長區(qū)域較小，并且一般的帶外透射必須被阻塞，因此，兩個(gè)可調(diào)諧的窄帶濾波器通常必須用作組裝件以允許在覆蓋二氧化碳和麻醉劑兩者的波長區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)構(gòu)仍然十分小巧，并且能夠適用于測(cè)量的氣體量。使用根據(jù)實(shí)施例的非色散測(cè)量布置的益處是真正的單路徑測(cè)量是可能的。這意味著測(cè)量在多個(gè)波長的氣體只需一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)檢測(cè)器。來自檢測(cè)器的信號(hào)連續(xù)表示要測(cè)量的氣體和信號(hào)校正所需的參考?？烧{(diào)諧的窄帶濾波器優(yōu)選使用硅微機(jī)械來制造。優(yōu)選的是，此分析器直接跨插管患者的呼吸管進(jìn)行測(cè)量。圖1中示出帶有醫(yī)學(xué)氣體分析器的此類呼吸電路?；颊?使用插管3、Y型管4、吸氣支路5和呼氣支路6連接到通氣口 2?？砂ㄟm配器8的氣體分析器7連接到插管。圖1中的氣體分析器7是測(cè)量通氣口 2與患者1之間流動(dòng)的氣體的所謂主流氣體分析器，而未抽出氣體的樣本到單獨(dú)的氣體分析器，例如與通氣口 2與患者1之間的流一定距離處的側(cè)流氣體分析器。當(dāng)然，此相同的氣體分析器技術(shù)也能夠在側(cè)流氣體分析器中利用。圖1所示的氣體分析器經(jīng)電纜9電連接到患者監(jiān)視器10。測(cè)量的氣體是至少二氧化碳，但也可以是氧氣、一氧化二氮或任何揮發(fā)性麻醉劑氟烷、安氟醚、異氟醚、地氟醚及七氟醚。另外，可以有用于測(cè)量呼吸電路中氣流的肺活量適配器11。在此示例中，傳感器12位于兩個(gè)導(dǎo)壓管(pressure relying tube) 13 的末端。肺活量傳感器可如圖1所示單獨(dú)連接，或者它能夠集成到主流氣體分析器中。在圖2中示出了氣體分析器7的特寫以便更好地示出通?？梢淮斡脳壍倪m配器8 的結(jié)構(gòu)。它提供有用于允許紅外輻射由于氣體組分而被吸收的至少一個(gè)光學(xué)窗口 14。一般情況下，有兩個(gè)紅外透射光學(xué)窗口 14。紅外發(fā)射器位于適配器的一側(cè)，并且非色散濾波器組裝件和檢測(cè)器在相對(duì)側(cè)，以便紅外輻射通過窗口和相應(yīng)窄帶濾波器從發(fā)射器引導(dǎo)到檢測(cè)器。來自檢測(cè)器的信號(hào)經(jīng)放大和修改以反映要測(cè)量的氣體濃度，或者它可以是在無氣體吸收或很少氣體吸收的參考波長的測(cè)量。如上所提及的，呼吸氣體能夠是二氧化碳、一氧化二氮和不同的揮發(fā)性麻醉劑。所有這些氣體吸收在某一特定波長區(qū)域內(nèi)的紅外輻射，并且如后面將解釋的，此區(qū)域使用窄帶濾波器來選擇。像氧氣等在光學(xué)窗口 14之間的測(cè)量通道 15 (該測(cè)量通道一般很短，不到IOmm)中不吸收足夠紅外輻射的氣體必須使用單獨(dú)的傳感器16來測(cè)量。此傳感器能夠是例如化學(xué)燃料電池，或者它能夠基于發(fā)光猝滅。測(cè)量通道能夠是氣體分析器的一部分，并且一般也是適配器8的一部分。市場上的主流傳感器大部分只測(cè)量一種氣體，二氧化碳。在多種氣體要測(cè)量時(shí)產(chǎn)生了機(jī)械和光學(xué)問題。圖3示意示出一種類型的現(xiàn)有技術(shù)分析器。它能夠使用共同參考來測(cè)量兩種不同的氣體。從能夠發(fā)射紅外輻射的發(fā)射器17，輻射18的寬帶束經(jīng)帶有窗口 14 的測(cè)量通道15被引導(dǎo)到檢測(cè)器組裝件，該組裝件包括兩個(gè)分束器19和20、三個(gè)窄帶濾波器 21,22和23及三個(gè)檢測(cè)器M、25和26。濾波器-檢測(cè)器對(duì)之一測(cè)量參考信號(hào)，例如，具有濾波器21的檢測(cè)器M，經(jīng)分束器19。濾波器21的透射經(jīng)選擇，使得它對(duì)于測(cè)量通道15中流動(dòng)的混合物中任何氣體不具有紅外吸收或具有極小的紅外吸收。來自檢測(cè)器M的信號(hào)隨后能用于監(jiān)視與氣體吸收無關(guān)的紅外輻射18中的波動(dòng)。一般情況下，這些波動(dòng)是由水滴的冷凝或光學(xué)窗口 14上像黏液或血等吸收材料的沉淀產(chǎn)生的。還監(jiān)視來自發(fā)射器17的輻射18波動(dòng)。此外，此參考信號(hào)用于校正來自兩個(gè)其它檢測(cè)器25和沈的測(cè)量信號(hào)。通過分束器19透射的輻射部分繼續(xù)前進(jìn)到分束器20。使用分束器20，將輻射分成兩個(gè)測(cè)量束，并且能夠使用濾波器-檢測(cè)器對(duì)22/25和23/ 來測(cè)量兩種不同氣體。這些氣體例如能夠是二氧化碳和一氧化二氮。添加更多濾波器-檢測(cè)器對(duì)到此配置不是很容易。大小將增長， 并且可用信號(hào)逐漸減少。為此，分析器通常設(shè)計(jì)成只測(cè)量帶有紅外吸收的一種氣體組分。使用圖4所示的配置，能夠更容易測(cè)量帶有紅外吸收的幾種氣體組分。發(fā)射器17、 帶有窗口 14的測(cè)量通道15和輻射束類似于圖3所示，但不使用分束器，而是使用旋轉(zhuǎn)濾波器輪27以在單檢測(cè)器觀之前交換不同濾波器。在此現(xiàn)有技術(shù)示例中，能夠使用相同的濾波器21、22和23并另外使用濾波器四。此濾波器四能夠是第二參考濾波器，或者它能夠是用于第三種氣體的測(cè)量濾波器。另外的濾波器30可能必須用于阻塞測(cè)量波長區(qū)域外的不想要的輻射。此分析器能夠變得相當(dāng)小巧，但具有脆弱的移動(dòng)部分的缺陷。多個(gè)濾波器在原則上能夠安裝在濾波器輪27上，但對(duì)于上面提及的帶有紅外吸收的所有患者氣體的測(cè)量，它將采用最少七個(gè)測(cè)量濾波器和兩個(gè)參考濾波器。在九個(gè)濾波器的情況下，濾波器輪的大小已經(jīng)對(duì)分析器能夠構(gòu)建到多小設(shè)置了限制。圖5中示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的氣體分析器的結(jié)構(gòu)。像在現(xiàn)有技術(shù)中一樣，它包括諸如紅外寬帶源等發(fā)射紅外輻射18束通過具有至少一個(gè)光學(xué)窗口 14的測(cè)量通道15中氣體的發(fā)射器17。測(cè)量通道可以是可安裝在用于幫助患者1換氣的通氣口 2與連接通氣口到患者肺部的插管3之間氣道中的適配器的一部分。適配器8可與氣體分析器的其它組件分離。此外，氣體分析器包括濾波器組裝件32和檢測(cè)器32。輻射束在穿透包括串聯(lián)的兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器33和43的濾波器組裝件32后擊中檢測(cè)器31。這兩個(gè)濾波器優(yōu)選位置靠近檢測(cè)器31，但也能夠關(guān)聯(lián)于發(fā)射器17安裝。濾波器一般是可調(diào)諧的Fabry-Perot 濾波器，帶有兩個(gè)介質(zhì)鏡35，45和36，46之間的電可調(diào)諧的空氣間隔34，44。通常，這些鏡 35，45之一是固定的，而另一個(gè)鏡36，46是可調(diào)整的。調(diào)整或調(diào)諧通常使用像測(cè)微計(jì)或壓電電動(dòng)機(jī)等機(jī)械部件來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的是，在此情況下，濾波器使用公知的微機(jī)械硅技術(shù)來制造因此，例如使用電場或磁場來電調(diào)諧空氣間隔34，44更可行。每個(gè)干涉濾波器33和43分別需要其自己的電驅(qū)動(dòng)器38和39。處理器40控制電驅(qū)動(dòng)器來調(diào)諧干涉濾波器的空氣間隔，并且還記錄來自檢測(cè)器31的信號(hào)，以及還處理數(shù)據(jù)以得到定性和定量結(jié)果之一。這些全部可以是氣體分析器7的一部分。定量結(jié)果可以是在輸出的濃度讀值。需要定性結(jié)果以識(shí)別某些氣體組分的存在。顯示單元41連接到處理器40以顯示氣體濃度和/或呼吸圖。 不同部件能夠位于氣體分析器7內(nèi)，或者一些部分能夠在像患者監(jiān)視器10等主儀器。氣體分析器7通?？膳c患者監(jiān)視器10分離。從技術(shù)而言，干涉濾波器可以是在兩個(gè)緊密間隔的、至少在某一波長區(qū)域中高反射的平行鏡片之間帶有空氣間隔的i^abry-Perot干涉儀。特別是可調(diào)整鏡36，46很薄，并且包括帶有通常小于設(shè)計(jì)波長的厚度的多個(gè)介質(zhì)層。在干涉濾波器33，43的相對(duì)小的可使用的中心區(qū)域中，鏡36，46與鏡35，45平行。透射譜展示對(duì)應(yīng)于鏡之間的光學(xué)諧振的高透射的一個(gè)或幾個(gè)窄峰。鏡之間的空氣間隔或距離優(yōu)選是第一階，意味著窄透射帶的波長的一半。 對(duì)于帶有一個(gè)波長O個(gè)一半)或3/2個(gè)波長(3個(gè)一半)的第二和第三階濾波器，在譜中引入了另外的透射帶，并且除可能的特殊情況下，在測(cè)量患者氣體時(shí)，這些帶沒有用途。更高階的干涉濾波器未被認(rèn)為是有益的，因此，優(yōu)選是低于四階。不同患者氣體的吸收區(qū)域主要在兩個(gè)波長區(qū)域中，用于二氧化碳和一氧化二氮的3. 9-4. 6 μ m，更具體地說4. 2-4. 6 μ m， 以及用于不同麻醉劑的8. 0-10. Oym,更具體地說8. 2-8. 9 μ m0 二氧化碳和一氧化二氮均具有離散和選擇性波長(分別為4. 3 μ m和3. 9或4. 5 μ m)，而所有麻醉劑在8. 2-8. 9 μ m區(qū)域內(nèi)的某一波長吸收。由于最多有五種麻醉劑在使用，因此，在測(cè)量中必須使用最少五個(gè)不同波長。另一種可能性將是掃描整個(gè)波長區(qū)域，并記錄帶有適當(dāng)波長分辨率的譜。在呼吸氣的情況下關(guān)注的那兩個(gè)波長區(qū)域間隔開接近二的倍數(shù)，并且在要使用單輻射路徑和單檢測(cè)器測(cè)量兩個(gè)區(qū)域時(shí)，此事實(shí)限制了可能的解決方案。即使一個(gè)可調(diào)諧的 Fabry-Perot濾波器能夠從更高波長區(qū)域向下調(diào)整到更低區(qū)域，窄帶透射區(qū)域也不可能在所有波長實(shí)現(xiàn)。借助于Fabry-Perot濾波器中的金屬寬帶鏡，在譜的短波長側(cè)將始終有另外的透射帶。如果濾波器調(diào)諧到用于測(cè)量麻醉劑的8. 6 μ m，則它也將具有在其中吸收二氧化碳的4. 3 μ m的透射帶。該帶將必須使用帶有金屬鏡的第二可調(diào)諧的Fabry-Perot濾波器來去除，但此濾波器隨后也將減少在更高透射帶的透射，因此，不可能構(gòu)建可行的解決方案。在Fabry-Perot濾波器的空氣間隔的每側(cè)使用介質(zhì)鏡時(shí)，情況發(fā)生了變化。由于也在鏡層中的波長干擾，在不滿足關(guān)注的多個(gè)半波長的準(zhǔn)則的波長也將有透射帶。在高于關(guān)注波長的波長區(qū)域也將存在透射。因此，可能使用第二干涉濾波器去除一個(gè)干涉濾波器的不想要的透射帶，而不會(huì)引入干擾波長區(qū)域或減少用于氣體測(cè)量的使用中的波長區(qū)域的透射。總之，使用串聯(lián)的兩個(gè)可調(diào)諧介質(zhì)干涉濾波器使得能夠測(cè)量間隔寬廣的吸收區(qū)域。長波長區(qū)域能夠具有比短波長區(qū)域長20%或更長的波長。對(duì)于呼吸氣，倍數(shù)大約是二(100% )，如上所提及的。圖6的兩個(gè)圖形中示出了一種典型的譜情況。左側(cè)作為以μ m為單位的波長的函數(shù)的透射譜顯示如單獨(dú)采用的濾波器33和43的透射帶，并且右側(cè)譜顯示濾波器組合的透射。在此示例中，使用檢測(cè)器31將測(cè)量在4.3μπι的二氧化碳。如果能夠避免在濾波器周圍到檢測(cè)器的光學(xué)泄漏，則沿輻射束18的濾波器33和43的順序無關(guān)重要。在此情況下， 先使用帶有如實(shí)線所示透射的可調(diào)諧窄帶干涉濾波器，去除大多數(shù)更長波長譜，然后使用以虛線示出的另一可調(diào)諧窄帶干涉濾波器，這可以是有益的。因此，從輻射路徑反射開可能泄漏到檢測(cè)器31的大部分寬帶熱輻射。在此示例中，介質(zhì)鏡的設(shè)計(jì)波長分別是6. 85μπι和 3. 75 μ m0兩個(gè)波長均比所提及的關(guān)注的波長區(qū)域更短。設(shè)計(jì)波長是指大多數(shù)介質(zhì)層在其具有此波長的四分之一的光學(xué)厚度的波長。密集光學(xué)媒體光學(xué)厚度指波長的厚度除以此媒體的折射率。所選設(shè)計(jì)波長取決于鏡中不同層的折射率。組合的濾波器也必須能夠阻止關(guān)注的更高或更低波長區(qū)域，并且設(shè)計(jì)波長根據(jù)此要求進(jìn)行選擇。濾波器的空氣間隔是電可調(diào)諧的，并且沒有此特定的設(shè)計(jì)波長。然而，空氣間隔的優(yōu)選厚度大約是關(guān)注波長的一半波長。出于上面提及的所有原因，在大多數(shù)情況下， 將在濾波器中存在干涉失配，意味著濾波器帶通波長不是正好在此波長的一半的空氣間隔距離。對(duì)于圖6中的濾波器，即使透射帶是不正好在這些值兩倍的波長，空氣間隔34，44也分別具有3. 6 μ m和2. 225 μ m的厚度。此特征是有益的，并且使得它有可能阻塞如圖6所示波長區(qū)域8-9 μ m或如圖7所示波長區(qū)域3. 9-4. 6 μ m。在如圖6所示的相同濾波器組合的此示例中，空氣間隔34，44的厚度分別為4. 45 μ m和1. 85 μ m。右側(cè)譜中組合的濾波器給出在大約8.38 μ m(適合作為用于測(cè)量麻醉劑的一個(gè)波長)的透射帶。低于4μπι的小透射是不可避免的，但是使用如圖5所示的帶有大約3. 9 μ m的截?cái)嗖ㄩL的介質(zhì)高通濾波器37， 能夠輕松地濾除可調(diào)諧窄帶干涉濾波器的可穿透的此干擾透射。圖6和7中濾波器透射譜是濾波器組裝件32中兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器33和 43的示例。根據(jù)預(yù)期使用，能夠使用其它組合和設(shè)計(jì)波長。所示透射區(qū)域是要測(cè)量的氣體具有吸收的區(qū)域。然而，可輕松調(diào)整濾波器組合到無氣體吸收的相鄰波長位置以便確立參考信號(hào)。所有不同的氣體和參考測(cè)量信號(hào)是連續(xù)的記錄體(recorder)，并且補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度根據(jù)公知的原理來計(jì)算和顯示。綜上所述，與帶有幾個(gè)離散檢測(cè)器和濾波器的氣體傳感器相比，所述解決方案由于需要更少的組件且無分束器，因而節(jié)省了費(fèi)用和空間。此外，無需例如濾波器輪形式的移動(dòng)部分。濾波器組裝件32和檢測(cè)器31能夠裝配在一個(gè)封裝中，從而大大減少了對(duì)工廠勞動(dòng)力的需要。由于濾波器組裝件32可使用電子器件來連續(xù)調(diào)諧，因此，可能使其功能適應(yīng)所需譜響應(yīng)中的任何變化。氣體分析器是用于測(cè)量帶有頂吸收的所有呼吸氣和對(duì)應(yīng)參考的真正頂單路徑光度計(jì)，特別是，在主流配置中且由于也用于測(cè)量新生兒呼吸氣的小巧結(jié)構(gòu)。除二氧化碳外，波長區(qū)域8-10 μ m內(nèi)的氣體吸收也將可能測(cè)量，從而使得能夠測(cè)量今天在使用中的所有麻醉劑。還可能的是可添加要用于削減光學(xué)信號(hào)的第三可調(diào)諧窄帶干涉濾波器?；颊邭怏w也能夠在側(cè)流配置中被測(cè)量，其中，使用泵浦抽出并與呼吸電路分離地分析氣體樣本。氣體分析器也能夠連接到例如鼻套管，并且除通氣患者外，可能能夠測(cè)量來自自發(fā)呼吸的患者的呼吸氣。本書面描述使用示例公開了本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制作和使用本發(fā)明。本發(fā)明可取得專利的范圍由權(quán)利要求來定義，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權(quán)利要求字面語言無不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求字面語言的非實(shí)質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)要素，則它們旨在在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。部件列表1 患者2 通氣口3 插管4 Y 型管5 吸氣支路6 呼氣支路7 氣體分析器8 適配器9 電纜10 患者監(jiān)視器11 肺活量適配器12 傳感器13 導(dǎo)壓管14 光學(xué)窗口15 測(cè)量通道
16傳感器17發(fā)射器18輻射19分束器20分束器21窄帶濾波器22窄帶濾波器23窄帶濾波器24檢測(cè)器25檢測(cè)器26檢測(cè)器27濾波器輪28檢測(cè)器29濾波器30濾波器31檢測(cè)器32濾波器組裝件33干涉濾波器34空氣間隔35介質(zhì)鏡36介質(zhì)鏡37濾波器38電驅(qū)動(dòng)器39電驅(qū)動(dòng)器40處理器41顯示單元43干涉濾波器44空氣間隔45介質(zhì)鏡46介質(zhì)鏡
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器，包括發(fā)射器(17)，用于能夠發(fā)射紅外輻射通過所述氣體；濾波器組裝件(32)，用于允許透射所述發(fā)射器(17)所發(fā)射的預(yù)定波長；以及檢測(cè)器(31)，用于接收所述發(fā)射器發(fā)射的并穿過所述濾波器組裝件的波長，特征在于所述濾波器組裝件包括串聯(lián)的至少兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器(33，43)，所述濾波器的每個(gè)包括兩個(gè)介質(zhì)鏡(35，36和45，46)和所述兩個(gè)介質(zhì)鏡之間的空氣間隔(34， 44)以將所述濾波器之一調(diào)諧到與所述濾波器的另一個(gè)濾波器不同的透射帶。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，還包括用于例如呼吸氣的要測(cè)量的氣體的測(cè)量通道(15)，并且所述氣體通道配備有至少一個(gè)光學(xué)窗口(14)以用于允許所述紅外輻射由于所述氣體組分而被吸收。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體分析器，特征在于所述測(cè)量通道是可安裝在用于幫助患者 (1)換氣的通氣口( 與連接所述通氣口到所述患者肺部的插管C3)之間氣道中的適配器 (8)的一部分。
4.如權(quán)利要求3所述的氣體分析器，特征在于所述適配器(8)可與所述氣體分析器的其它組件分離。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，還包括用于所述至少兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器 (33,43)的每個(gè)以在兩個(gè)介質(zhì)鏡(35，36和45，46)之間調(diào)諧所述空氣間隔(34，44)的電驅(qū)動(dòng)器(38，39)。
6.如權(quán)利要求5所述的氣體分析器，特征在于所述空氣間隔(34，44)可使用電場或磁場來電調(diào)諧。
7.如權(quán)利要求5所述的氣體分析器，還包括控制所述電驅(qū)動(dòng)器(38，39)在所述兩個(gè)介質(zhì)鏡(35，36和45，46)之間調(diào)諧所述空氣間隔(34,44)的處理器(40)。
8.如權(quán)利要求7所述的氣體分析器，特征在于所述處理器00)與顯示單元Gl)—起還適用于記錄從所述檢測(cè)器接收的信號(hào)并處理所述信號(hào)的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生定性和定量的結(jié)果之一。
9.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，特征在于所述窄帶干涉濾波器(33，43)的所述介質(zhì)鏡是高反射平行片。
10.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，特征在于所述空氣間隔(34，44)中所述兩個(gè)介質(zhì)鏡(35，36和45，46)之間的距離使得所述干涉濾波器(33，43)是少于四階的。
11.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，特征在于所述空氣間隔(34，44)中所述兩個(gè)介質(zhì)鏡(35，36和45，46)之間的距離是作為一階干涉濾波器的窄透射帶的一半波長。
12.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，特征在于所述檢測(cè)器(31)是使所述氣體分析器中僅有單輻射路徑成為可能的唯一檢測(cè)器。
13.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，還包括介質(zhì)高通濾波器(37)以通過所述至少兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器來濾除可穿過的干擾透射。
14.如權(quán)利要求13所述的氣體分析器，特征在于使用所述介質(zhì)高通濾波器(37)來濾除低于4μπι的透射。
15.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，特征在于所述串聯(lián)的兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器(33，43)用于允許波長區(qū)域8-10 μ m內(nèi)、更具體地說8. 2-8. 9 μ m內(nèi)的輻射穿透以用于測(cè)量至少一種麻醉劑，并且允許波長區(qū)域3. 9-4. 6 μ m內(nèi)、更具體地說4. 2-4. 6 μ m內(nèi)的輻射穿透以用于測(cè)量二氧化碳和一氧化二氮的至少一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器。本文中公開了一種用于測(cè)量氣體的至少兩種組分的氣體分析器。氣體分析器包括用于能夠發(fā)射紅外輻射通過氣體的發(fā)射器(17)和用于允許透射發(fā)射器所發(fā)射的預(yù)定波長的濾波器組裝件(32)。氣體分析器還包括用于接收發(fā)射器所發(fā)射并穿過濾波器組裝件的波長的檢測(cè)器(31)。濾波器組裝件包括串聯(lián)的至少兩個(gè)可調(diào)諧窄帶干涉濾波器(33，43)，每個(gè)濾波器包括兩個(gè)介質(zhì)鏡(35，36和45，46)和兩個(gè)介質(zhì)鏡之間的空氣間隔(34，44)以將濾波器之一調(diào)諧到與另一濾波器不同的透射帶。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102455286SQ20111035425
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者H·A·M·哈弗里, K·P·維克斯特隆 申請(qǐng)人:通用電氣公司