[发明专利]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

说明书

技术领域

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。

背景技术

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760 nm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200 ms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。