[发明专利]二氧化碳分压的无创伤性光学测定

说明书

技术领域

本文所公开的传感器和方法的实施方案涉及无创伤性测量受试者体内的分析物浓度的领域，并且具体地讲，涉及在受试者的皮肤位置处，例如在耳垂上测量二氧化碳(CO₂)或其他血气的分压。

背景技术

使用应用于人或动物皮肤以测量血气分压的传感器对血气分压进行无创伤性测量已作为许多临床情况中的有用工具在许多出版物中进行描述。用于无创伤性测量血气(诸如二氧化碳(CO₂)和氧气(O₂))的传感器是重症监护室(ICU)和新生儿重症监护室(NICU)中不可或缺的工具，因为它们以无创伤性的方式为患者、人或动物提供了持续可靠的呼吸功能监测，并使医院工作人员的工作量最少。

皮肤/经皮血气传感器领域内的趋势大体上是减小传感器和监视器两者的尺寸。用于测量经皮血气分压的优选位置之一是耳垂，因为耳垂的皮肤非常薄。此外，测量经皮血气分压通常用在早产儿身上。无论传感器是用在新生儿还是成年人身上，要在皮肤上找到能完全容纳下血气传感器的足够大的平坦区域都是困难的。因此，应使传感器的尺寸最小化。

因为通过皮肤扩散的气体体积很小，所以需要较高的传感器灵敏度。传感器应该能够在小体积样品上进行测量，并且响应时间应较短，例如，不超过60秒。优选地，它们在使用过程中还应该是校准的且无漂移。

用于皮肤或经皮血气分压测量的可商购获得的产品通常是电化学传感器。数十年来为人们所知的是，这些电化学传感器为人类皮肤中的血气分压提供了准确估计，并且能够据此计算动脉分压，这给医务人员特别是ICU、NICU和睡眠实验室的医务人员提供了患者呼吸功能的明确指示，而无需采集血液样本。所描述的电化学传感器可从例如US 6,654,622B1中得知。

虽然据了解电化学传感器已被证明是医院不可或缺的工具，但是由于信号可能会漂移，它们需要频繁的校准，这可能会对持续时间较长的应用(例如，睡眠监测)带来一些问题，并且它们还需要频繁的重复镀膜，包括加入电解质溶液。因此，希望开发另一种不具有这些问题的传感器。

WO2008110927公开了一种使用可调激光二极管技术的光学传感器，其中光束在检测器处被接收之前，光束在采样单元中通过单个单峰传播进行传播，产生反映样品的化学物质的输出信号。

WO2003023374公开了一种使用消逝场来穿透皮肤以检测皮肤中的化学物质的光学传感器。

对于WO2003023374和WO2008110927中的两种技术，光源均为安装在传感器外部的激光器，其经由光导将光传输至传感器。这些系统具有若干缺点，由于光路上的光学干扰，导致激光腔内产生背光干扰，从而严重降低灵敏度。此外，这些系统使用提供单一频率的光的激光光源，然后此光可在其基波或其中一个谐波处受到调谐，以便被一种气体(例如，二氧化碳)吸收。然而，激光器有若干缺点。与其他光源相比，激光器是昂贵且笨重的。出于其尺寸的原因，激光器安装在外部设备中，并且光经由光纤传输至传感器。光纤电缆在使用一段时间后由于应力可能会断裂。此外，尽管激光被调谐为特定的波长，但由于温度变化，激光会产生漂移，这在睡眠监测用途中已成为一个问题，其中室温在夜间降低，改变了探测器系统中光的波长。因此，使用激光器的系统需要不间断地调节监测，以确保激光器提供预期波长的光。

WO2015010709公开了一种使用红外(IR)光源的用于检测CO₂的光学传感器，其可将IR光通过数值孔径(NA)转换器和波长滤波器传输至具有若干反射表面的测量体积中，所述若干反射表面可增加通往检测穿过测量体积的光量的检测器的信号通路。传输通过测量体积的光的变化用于估算测量体积中CO₂的量的变化。这在光学中也称为“非成像”，即光电检测器不是用于在测量体积中创建样品的图像，而是检测测量体积内的变化。