[发明专利]高灵敏度呼吸传感器

说明书

本发明属于生物医学工程领域，属于根据呼吸气流热物理性质取得人或动物呼吸参数的高灵敏传感器发明。

根据呼吸气流热物理参数取得呼吸讯号的传感器有三种，第一种采用置于呼吸气流中的热电偶作为传感器测量呼吸气流温差，第二种采用半导体热敏电阻作温度传感器置于呼吸气流中测量温度或散热量，第三种根据热线风速计原理采用加热的细金属丝作传感器置于呼吸气流通道上，测量金属丝由于环境散热条件变化而引起的电阻变化或加热功率变化。第一种传感器流阻小;对气流扰动小，但输出电平很低，为讯号后续处理造成困难。第二种传感器成本低，但由于半导体热敏电阻有一层绝缘包膜复盖着感温体，响应速度低，不能检测微弱的呼吸过程和反映呼吸过程的细节变化。第三种传感器灵敏度较高，但检测元件所占空间大，耗电多，易损，成本高。以上方法的如SU944537、SU946508、SU940743等。

本发明针对上述传感器的局限性提出一种新的方案，以应目前生理研究、医学临床诊断护理之急需。其内容如下。

采用具有金属感温面的p-n结、肖特基二极管或晶体管作呼吸传感器，通过所说的金属感温面与呼吸气流进行热量交换引起p-n结、肖特基二极管或晶体管电参数变化，以此电参数的变化量做为表征相应呼吸过程的电信号。这种具有金属感温面的p-n结、肖特基势垒二极管或晶体管有两种工作状态，在第一种工作状态下其温度低于呼吸气流温度，通过金属感温面从呼吸气流吸取热量，引起自身温度变化，输出与自身温度变化量相关的电信号。在第二种工作状态下其温度高于呼吸气流温度，通过金属感温面向呼吸气流散发热量，由于呼吸气流热物理性质的差异，在呼出和吸入气流中散发的热量不相同，在加热功率不变的情况下引起自身温度变化，在保持自身温度不变的情况下引起加热功率变化，输出与自身温度变化量或加热功率变化量相关的电信号。

呼吸信号产生过程发生在上述器件的结区内，结区所占的空间很小，可以保证采用以上方法检测呼吸信号时具有小的气流阻力和小的热容量。金属介质兼做上述器件的保护界面和感温面，上述器件通过金属介质直接与呼吸气流交换热量，由于金属材料导热系数远大于绝缘材料，可以保证以上方法检测呼吸信号具有高的响应速度。

上述器件以低热阻方式附着在金属感温面上，附着方式可采用烧结、焊接、粘结和镶嵌。器件管芯不与金属感温面接触的部分复以防水绝缘材料，构成呼吸信号检测元件。

呼吸信号检测元件具有背向呼吸气流的外引线，外引线敷以柔软的薄绝缘材料，元件可以用水或酒精类溶剂清洗。感温金属面可采用银、镍或电镀的铜。检测元件有四种安装方式：1.直接置于气管或鼻腔及其近旁定向气流中，无护管套筒。2.置于柱形导管内，与此管相对位置固定。导管直接插入鼻腔或通过柔软的连结管（例如乳胶管）与鼻腔相通，呼吸气流通过该导管。3.采用“Y”形三通导管，上方两根分别与同一观测对象的左右鼻孔相通，感温元件置于下方导管内，感受会合气流的热物理效应，以消除单侧鼻腔流阻变化产生的测量误差（例如只用一只鼻孔的气流取讯号，则可能由于观测过程中鼻粘膜充血堵塞气流消失，呼吸气流全部通过另一侧鼻孔而出现错误的“窒息”讯号）。4.在输氧时，将感温元件置于口罩、面罩、鼻罩中有气流往复运动的空间位置。

在监测同一个呼吸对象时，上述器件可单独使用，也可以多个同时使用。在同时使用两个器件时，可以使其中一个置于稳定空气温场中，另一个置于呼吸气流温场中，利用二者输出信号的差做为反映呼吸过程的电讯号。也可以使两个都置于呼吸气流中，其中一个感受吸入气流讯号，另一个感受呼出气流讯号，利用二者输出讯号的差做为反映呼吸过程的电信号。

可使用面积质量比较小的上述检测元件。由于热交换通量小，在每次呼气或吸气过程中都达不到热平衡，伴随等速呼吸气流运动元件温度线性增加或减小，从而输出近似锯齿波形线性电压讯号，处于积分工作状态。波谷至波峰的距离表示相对呼吸量，锯齿波斜率与气流速度和气流温差有关。

由上述元件取得的相关电压讯号进入高增益低温漂放大器输入端，对交流分量进行增益可以连续调节的线性电压放大，再一次通过时间常数与呼吸周期同数量级的隔直电路驱动指针式电流表、Led或Lcd电平指示、示波器或记录仪，连续显示呼吸波形或供后续电路分析处理。可采用多个上述元件分别用以上方法获得不同监测对象的呼吸过程相关电信号，通过隔直流电路后耦合到同一个放大器，在公共通道上进行信号后续处理，进行集中呼吸监测。