專利名稱：用于高精度袖珍肺活量測(cè)量法及其它用途的低熱容量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及呼吸量測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及呼吸速度記錄器的恒溫控制。此外本發(fā)明可以方便地用于微量量熱學(xué)，及管道中流體的流速測(cè)量。
監(jiān)測(cè)肺功能的通常辦法是對(duì)呼吸行為進(jìn)行取樣分析。鑒于活著的人類都在呼吸著，于是易于觀察到我們的呼吸并不都是一樣的，并且肺功能也會(huì)根據(jù)許多可變因素發(fā)生改變。這一點(diǎn)在特殊環(huán)境下，或?qū)δ承]發(fā)物和懸浮物的特殊反應(yīng)，或者正處在呼吸病癥進(jìn)程中尤其正確。
肺活量是可從呼吸中得到的最重要的測(cè)量信息之一。肺活量的變化使得能夠估計(jì)并預(yù)知肺功能的概略情況，從而重要的是使之能夠得到正確即時(shí)的治療。
由于肺活量約為幾升，直接測(cè)量它是不切實(shí)際的。相反，例如可通過(guò)氣體通過(guò)給定阻力的壓降來(lái)測(cè)量流量，隨后對(duì)流量進(jìn)行積分以得到肺活量讀數(shù)值。只要流量測(cè)量裝置是線性的，并且精確度高就可可靠地進(jìn)行這種測(cè)量。測(cè)量流量而不是測(cè)量肺活量使得能夠減小肺活量測(cè)量裝置的尺寸及重量。但是，測(cè)量流量又會(huì)帶來(lái)許多技術(shù)問(wèn)題，主要涉及恒溫調(diào)整問(wèn)題，對(duì)此我們將在下文進(jìn)行分析。
進(jìn)行肺活量測(cè)量最精確的方法之一仍然是Fleisch于1925年提出的層流測(cè)量法。為此，F(xiàn)leisch使用了一種蜂窩結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)最通用的形式包括一個(gè)由兩個(gè)薄金屬片重疊并繞微細(xì)軸卷成的柱體，其中一個(gè)金屬片呈波紋狀，另一個(gè)金屬片是平坦的。
金屬片由黃銅制成，所繞成的柱體尺寸可為直徑=42毫米，高=32毫米(Fleisch4號(hào))。壓降是在繞柱體外環(huán)距離20毫米處測(cè)量的。
蜂窩結(jié)構(gòu)是能夠在一個(gè)管道中保持層流，使得壓降和流速值線性相關(guān)的多種可能的物理過(guò)濾器中的一種，F(xiàn)leisch方法之后，人們還提出了其它幾種不同結(jié)構(gòu)。其中最廣為人知的是細(xì)網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)。它比蜂窩結(jié)構(gòu)輕，但是“為了保持測(cè)量精度，必須經(jīng)常清洗和校正”(Office Spirometry,P.L.Enright,R.E.Hyatt Lea&Febiger,1987)。
人體肺部中的空氣的溫度為37℃，并且含有飽和水蒸氣。當(dāng)該空氣被呼出時(shí)，空氣冷凝，并釋放出其氣化熱焓。
為了使溫度穩(wěn)定在37℃，F(xiàn)leisch及其后的人都利用一個(gè)外部加熱器對(duì)上述結(jié)構(gòu)加熱。事實(shí)上，加熱標(biāo)準(zhǔn)的Fleisch4號(hào)柱體需要約6.5瓦的功率，這是由于熱效率低及整個(gè)裝置熱慣性大導(dǎo)致的結(jié)果，直到最近這一因素仍然使得制造真正的袖珍型加熱呼吸速度記錄器很困難。
由于袖珍型儀器不能使用如此之大的功率消耗，近年來(lái)，人們提出了幾種非加熱式呼吸量測(cè)量?jī)x器及呼吸速度記錄器。
隨著非加熱式流量傳感器的廣泛使用，一個(gè)特別嚴(yán)重的困難隨之而來(lái)，這就是水蒸所的凝結(jié)。
由于冷凝水蒸氣釋放出的汽化熱焓，水蒸氣冷凝對(duì)氣流的冷卻產(chǎn)生了較小的影響，但是主要的問(wèn)題在于湍流的發(fā)生，這意味著氣流不再是線性的了。由于湍流意味著壓降與流速之間的呈平方關(guān)系，于是流量讀數(shù)值存在嚴(yán)重的缺陷。這一誤差來(lái)源使得非加熱系統(tǒng)極不可靠。
呼吸量測(cè)量是由幾次重復(fù)測(cè)試組成的試驗(yàn)，每一次測(cè)試中凝結(jié)的水蒸氣釋放出自身的汽化熱焓。在對(duì)同一患者進(jìn)行幾次操作之后，儀器會(huì)積累水蒸氣，于是空氣流將發(fā)生湍動(dòng)，測(cè)量值越來(lái)越偏高。按照美國(guó)胸科協(xié)會(huì)和歐洲呼吸協(xié)會(huì)提出的規(guī)定，一系列操作中獲得的最高值作為呼吸量測(cè)量結(jié)構(gòu)。于是測(cè)試中發(fā)生的任何一次過(guò)高估計(jì)錯(cuò)誤都將導(dǎo)致整個(gè)結(jié)果的錯(cuò)誤。最近不可靠肺活量測(cè)量結(jié)果的增加主要和非加熱式呼吸量測(cè)量?jī)x器的廣泛使用有關(guān)。
在試圖解決這一問(wèn)題的一個(gè)嘗試中引入了陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼤?huì)吸收水蒸氣(U.S.Patent Documents,5277196-1/1994 Hankinson et al.128/725)，但是沒(méi)有獲得成功。陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)除了消毒困難之外，重量相當(dāng)重，并且必須采用一種易碎的、輕的元件來(lái)測(cè)量溫度。
本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)提供了多種解決方案，它們都具有技術(shù)缺陷，正是這些技術(shù)缺陷嚴(yán)重地阻礙了一種簡(jiǎn)單、可靠、小型、重量輕、功率低、易于清洗并且真正便攜的呼吸測(cè)量系統(tǒng)的產(chǎn)生。
類似的問(wèn)題也出現(xiàn)在測(cè)量物理(流體流速測(cè)量)和/或化學(xué)過(guò)程，尤其是氣體-固體相互作用(鈀-氫相互作用)中的熱交換的儀器中。
在流體流速測(cè)量中，使用持續(xù)的、直接的測(cè)量技術(shù)測(cè)量，當(dāng)流速變化很快，并且流體溫度可變(例如象血液流經(jīng)血管的情況(Baxter Int.,WO94/28788-12/1994))時(shí)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。另一方面，把熱源(熱輻射器)與測(cè)量裝置(傳感器)分開(kāi)的技術(shù)又具有明顯的缺點(diǎn)，即傳感器只采集到發(fā)射信號(hào)的一小部分。
恒溫調(diào)整至關(guān)重要的另一種情況是在鈀-氫相互作用中。這種情況下，測(cè)量涉及鈀層吸收氫時(shí)伴隨釋放出的熱焓，及(根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù))確定試樣對(duì)氫的吸收量(Lewis F.A.,The Palladium Hydrogen System,AcademicPress 1967)。這種情況下，用于封閉發(fā)生反應(yīng)的環(huán)境的量熱計(jì)體積相當(dāng)大，熱響應(yīng)慢，并且費(fèi)用和測(cè)量要獲得的精度成正比。另一方面，采用按照微加工技術(shù)制造的微量熱計(jì)又表現(xiàn)出發(fā)生反應(yīng)的面積小的問(wèn)題。在需要熱慣性特別低的大反應(yīng)表面，并且不受微加工元件表面限制，把溫度傳感器集成到反應(yīng)表面上的情況下缺少解決方案。
本發(fā)明的目的是制造一種具有至少一個(gè)低熱容量有源元件的裝置，該裝置可特別用作節(jié)省空間的儀器，用于測(cè)量及控制熱交換。
本發(fā)明涉及一種基于一個(gè)低熱容量有源元件的裝置，該裝置能夠監(jiān)測(cè)并控制某一環(huán)境的溫度。利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)向有源元件供電，而對(duì)脈沖之間的熱馳豫分析是在該元件自身上進(jìn)行的。
當(dāng)把這一裝置用于呼吸量測(cè)量，并校正到正常體溫時(shí)，該裝置成為高精度、低能耗的袖珍儀器。
經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整，該裝置還可用于高精度流速測(cè)量或高靈敏度量熱學(xué)測(cè)量。
本發(fā)明的其它獨(dú)特特征將在后面的說(shuō)明中描述。
下面借助幾個(gè)應(yīng)用例子及參考附圖給出本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的概念建造的一種蜂窩結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)不同箔片卷在一起而成。
圖2是表示了用于加熱圖1所示蜂窩結(jié)構(gòu)的微控制器及數(shù)字開(kāi)關(guān)的電路圖。
圖3表示了根據(jù)本發(fā)明的概念的系統(tǒng)的工作原理。
圖4表示了具有控制蜂窩結(jié)構(gòu)溫度的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的電路圖。
圖5表示了在鈀和氫之間反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中使用的電路。
圖6表示了測(cè)量流速的電路。
本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例包括一個(gè)基片，它由厚度為5-20微米的條形不銹鋼箔片構(gòu)成，形狀根據(jù)不同的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
使用脈沖寬度調(diào)制電源激發(fā)該基片，而對(duì)加熱器自身溫度的測(cè)量是在兩個(gè)相鄰脈沖之間的熱馳豫階段中進(jìn)行的。
圖1表示了根據(jù)本發(fā)明的概念制得的復(fù)合Fleisch蜂窩結(jié)構(gòu)1。它由兩個(gè)重疊的箔片2、3卷成，其中一個(gè)箔片被加工成波紋狀，以獲得蜂窩結(jié)構(gòu)。箔片2是導(dǎo)體(即由不銹鋼制成，厚度為0.01-0.05毫米，最好為0.02毫米)，并且其電阻值(2-3歐姆，溫度系數(shù)為幾百微歐/℃)適于使用手持低功率電池將其迅速加熱到工作溫度。箔片3是抗腐蝕的絕緣體，能夠經(jīng)受住高達(dá)120℃的熱過(guò)載，以便能夠進(jìn)行熱消毒。
圖2表示了表現(xiàn)本發(fā)明概念的電路圖。該電路用于加熱圖1中所示的Fleisch蜂窩結(jié)構(gòu)，及用于其它用途。該電路包括一個(gè)微控制器4和一個(gè)橋路5，橋路的一個(gè)臂上是加熱/傳感元件6，其它臂上是不隨溫度變化的電阻7、8及9，一個(gè)用于在加熱階段連接電源和加熱/傳感元件的開(kāi)關(guān)10，一個(gè)用于給橋路提供電源以測(cè)量加熱階段停止時(shí)，加熱/傳感元件本身熱馳豫的雙開(kāi)關(guān)11，一個(gè)收集橋路信號(hào)并和微控制器4中的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器相連的測(cè)量放大器12。
圖3概括地描述了系統(tǒng)的工作原理。打開(kāi)數(shù)字電源開(kāi)關(guān)150微秒，而在工作周期的剩余850微秒內(nèi)發(fā)生了元件的熱馳豫。在接通電源的150微秒內(nèi)，元件被加熱。溫度的走向取決于電壓和時(shí)間。根據(jù)是需要更多的加熱，還是較少的加熱，150微秒的加熱時(shí)間可以被增加或減少，而脈沖間的1微秒時(shí)間間隔保持不變。
加熱脈沖結(jié)束后，開(kāi)始測(cè)量階段。這包括在熱馳豫過(guò)程中進(jìn)行一次或多次測(cè)量。作為例子，圖3中表示了在馳豫階段的開(kāi)始和結(jié)末時(shí)的兩次測(cè)量。微控制器4發(fā)出長(zhǎng)到足以保證測(cè)量階段(即20微秒)中測(cè)量放大器穩(wěn)定性的測(cè)量脈沖。這時(shí)，由放大器穩(wěn)定性時(shí)間12延遲的同一脈沖被返回給微控制器內(nèi)部的10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器13的取樣/保持電路(S/H)。在能夠獲取橋路放大器信號(hào)的取樣/保持(S/H)脈沖之后，關(guān)閉和橋路連接的電源10微秒。和整個(gè)熱馳豫時(shí)間相比，使供電周期較短，以便減少對(duì)加熱/傳感元件的干擾。
圖4表示了用于Fleisch蜂窩結(jié)構(gòu)的溫度校正的電路圖。這里，用MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管19、20來(lái)代替數(shù)字開(kāi)關(guān)。Fleisch電源工作起來(lái)好象一個(gè)圖2所示的開(kāi)關(guān)，而橋路的電源借助于第二個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管供給。一個(gè)位于橋路頂部，面向Fleisch結(jié)構(gòu)的橋臂的快速二極管21完成雙開(kāi)關(guān)的功能，因?yàn)楫?dāng)Fleisch結(jié)構(gòu)工作時(shí)，該快速二極管防止電流通過(guò)橋路的其它橋臂。
另一個(gè)同樣的快速二極管22也置于橋路頂部，面向另一個(gè)橋臂，以保證當(dāng)橋路工作時(shí)，兩個(gè)橋臂上的電壓降相同。放大器23的增益值可程控。當(dāng)信號(hào)低，轉(zhuǎn)換器的10位精確度不能保證足夠的測(cè)量精度時(shí)，可以加大放大器增益。
圖5的電路用在用于鈀-氫相互作用實(shí)驗(yàn)的量熱計(jì)中。該電路具有一個(gè)用于向量熱計(jì)中引入200毫巴氫氣的電磁閥。橋路具有兩個(gè)加熱時(shí)被激活的相對(duì)橋臂27、28，兩個(gè)橋臂的加熱時(shí)間可以不一樣，以便保持橋路平衡，對(duì)此我們將在下文作詳細(xì)說(shuō)明。
圖6所示的電路與圖4的相似，只是用參照元件26替換了加熱/傳感元件所處橋臂中不隨溫度變化的電阻，參照元件26收集有關(guān)流體溫度的數(shù)據(jù)，并提供已濾除溫度影響的輸出信號(hào)。
就圖1所示的Fleisch蜂窩過(guò)濾器來(lái)說(shuō)，顯然其中的導(dǎo)電薄片2的熱慣性低(它的重量小于10克)，并能快速加熱到體溫。對(duì)于Fleisch4號(hào)結(jié)構(gòu)，儀器的冷起動(dòng)設(shè)定可在30秒內(nèi)完成，并且測(cè)試之后可以立即停止溫度校正，及相關(guān)的電源，可使該電源處于新的低負(fù)載狀態(tài)。
保持流量傳感器不含有冷凝水蒸氣，這對(duì)于使測(cè)量不受環(huán)境條件(濕度)影響很關(guān)鍵，并且在頻繁的測(cè)試中這是必不可少的(呼出的空氣中含有飽和水蒸氣)。另外，可通過(guò)加熱使流量傳感器溫度達(dá)到120℃，保溫幾秒鐘，對(duì)其立即進(jìn)行消毒，或者取出用消毒劑清洗。
上述對(duì)蜂窩過(guò)濾器的描述也可用同樣用于細(xì)網(wǎng)柵，唯一的不同是在細(xì)網(wǎng)柵中用金屬導(dǎo)線代替薄片。
下述實(shí)驗(yàn)描述了另一個(gè)適于進(jìn)行高靈敏性量熱測(cè)量(如圖5所示)的最佳實(shí)施例。加熱/傳感元件被封閉在反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室裝有輸入/輸出閥門，能夠抽空反應(yīng)室或向反應(yīng)室引入所選擇的氣體。
傳感元件由5微米的不銹鋼箔片構(gòu)成。這樣考慮到其比重為8g/cm3，1cm2單位面積的比熱為0.1cal/g，我們得到熱容量≈ 400μcal/℃·cm2。
對(duì)于在60℃下加熱的相同面積的鋼條(記住鋼條的交換表面積為單位面積的兩倍)，我們得到在25℃氦氣氣氛中的熱通量為2.4mW/℃·cm2≈576μcal/℃·cm2·sec(給出對(duì)于35℃的溫度梯度通過(guò)交換表面的熱通量等于20160μcal/cm2·sec)?？紤]到拋光表面的輻射因子為4％，每平方厘米的輻射損失為5.67×10-12×0.04×3334≈27.89×10-4Wo≈669.31μcal/cm2·sec。
利用PWM電源，采用1-10KHz的頻率范圍，圍繞60℃平均值的波動(dòng)小于1℃，把加熱/傳感元件的溫度(固-氣相)校正到60℃。
利用鍍鈀(0.1微米厚)條形薄片，我們得到面比重為0.12mg/cm2，單位面積熱容量為7μcal/℃·cm2。一旦達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)條件，把200毫巴的氫氣引入反應(yīng)室，并根據(jù)前述過(guò)程監(jiān)測(cè)試樣溫度。由于0.12mg鈀相當(dāng)于1.12×10-6mol，氫吸收熱焓為～9kcal/mol，測(cè)得的3000微卡使得可以估計(jì)到鈀鍍層已經(jīng)轉(zhuǎn)換為氫化鈀(PdH)，其化學(xué)計(jì)量分子式為PdH0.6。這個(gè)過(guò)程的快速性正好適合根據(jù)該近似分子式的試樣的幾何特征。
這也說(shuō)明引用該裝置的好處，它能夠監(jiān)測(cè)更快的變化過(guò)程。
如圖5所示，以差分的方式使用該裝置能夠進(jìn)一步提高測(cè)量精度。圖中的兩個(gè)條形薄片，一個(gè)鍍有鈀層27，一個(gè)用作參考元件28，同時(shí)和帶有獨(dú)立電路的PWM電源相連。PWM的頻率范圍為1-10KHz，在該元件自由放熱的開(kāi)始及結(jié)束時(shí)測(cè)量?jī)纱螣狁Y豫。
這樣采集的差分信號(hào)以高靈敏性提供了橋路的一個(gè)橋臂上的熱變化。通過(guò)引入伺服系統(tǒng)及由微控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，這一技術(shù)可以得到進(jìn)一步的改進(jìn)。這樣，和鍍鈀條形薄片相連的PWM電源的工作周期被持續(xù)不斷地調(diào)節(jié)，以便保持橋路平衡，兩個(gè)PWM電源之間的功率差給出了熱交換量的直接指示。
本發(fā)明提出的裝置還特別適用于高精度通用流量計(jì)之類的應(yīng)用。在測(cè)量流中從條形薄片沿流體方向的對(duì)流引起的熱損失，取決于條形薄片和流體之間的溫度梯度Q/S=h(tpl-tF)其中Q=熱損失，S=表面積，tpl、tF=薄片、流體溫度，h=熱損失系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于流動(dòng)速度(流速cm/sec)低于200cm/sec的水，h為h=2.8×10-6μcal/℃·cm2·sec在典型的邊界條件下，即tpl=47℃、tF=37℃，流速范圍為1-100cm/sec，可確定熱交換率為28-2800微卡/毫秒·平方厘米。在面臨實(shí)際問(wèn)題時(shí)，通過(guò)處理PWM頻率及基片尺寸，這樣大的熱交換值提供了相當(dāng)大的靈活性。同樣的技術(shù)也可用于測(cè)量體內(nèi)血管中的血液流速。
顯然上面的計(jì)算可被簡(jiǎn)化，只需把加熱條形薄片同側(cè)的不隨溫度變化的電阻中的一個(gè)換成相同的條形薄片即可，如圖6所示，該條形薄片只用于測(cè)量過(guò)程，而不參與加熱過(guò)程。
權(quán)利要求
1．一種基于低熱容量有源元件(1、25)的裝置，它能夠監(jiān)測(cè)并控制給定環(huán)境的溫度，所述元件(1、25)由脈沖調(diào)制技術(shù)供給電源，以達(dá)到要求的溫度，脈沖之間的熱馳豫使得能夠取樣并控制給定環(huán)境的溫度。
2．按照權(quán)利要求1所述的裝置，通過(guò)利用橋路(5)測(cè)量技術(shù)把有源元件(1、25)的電阻值和不隨溫度變化的電阻的電阻值相比較，測(cè)得有源元件(1、25)的溫度及調(diào)制脈沖之間的溫度馳豫。
3．按照權(quán)利要求1和2所述用于肺活量測(cè)量法測(cè)量保持在體溫的吸入及呼出空氣的裝置，加熱/傳感元件由按照Fleisch幾何形狀制成的復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)通過(guò)重疊絕緣薄層(3)和具有適當(dāng)電阻值的導(dǎo)電薄層(2)而得到。
4．按照權(quán)利要求1和2所述用于測(cè)量流體流速的裝置，流速由一個(gè)或多個(gè)恰當(dāng)?shù)膫鞲衅骱涂刂圃y(cè)量，所述傳感器和控制元件由金屬薄片構(gòu)成，并借助于脈沖調(diào)制電路供電，通過(guò)測(cè)量電路脈沖之間的熱馳豫來(lái)確定流速。
5．按照權(quán)利要求1和2所述的裝置適于量熱測(cè)量固-氣反應(yīng)中產(chǎn)生的熱交換，傳感元件由熱容量很低，其上涂覆有選定固體薄層的金屬薄片構(gòu)成，利用脈沖調(diào)制技術(shù)給傳感元件供電，通過(guò)測(cè)量調(diào)制脈沖之間的熱馳豫來(lái)確定選定固-氣反應(yīng)的熱焓。
6．全套裝置包括一個(gè)具有多個(gè)平行通道的元件(1)，它由兩個(gè)重疊的箔片(2、3)卷成，其中一個(gè)箔片(2)隆起、呈波紋狀或被折疊，另一個(gè)箔片是平坦的，箔片(3)是絕緣體，而箔片(2)是導(dǎo)體，其電阻值當(dāng)工作溫度可調(diào)整時(shí)，適于用干電池、低容量或可充電的電池快速加熱元件(1)，及一個(gè)電路，其中利用脈沖調(diào)制技術(shù)加熱元件(1)，并將其溫度校正到確定的工作溫度，利用橋路(5)測(cè)量技術(shù)把導(dǎo)體箔片(2)的電阻值和不隨溫度變化的電阻的電阻值相比較，來(lái)測(cè)量元件(1)自身的溫度及電路脈沖之間的熱馳豫。
全文摘要
一種基于有源元件(1、25)的裝置,它能夠監(jiān)測(cè)/測(cè)量并控制給定環(huán)境的溫度,所述元件(1、25)的熱容量低,由脈沖寬度調(diào)制技術(shù)供給電源。通過(guò)分析加熱脈沖間的溫度馳豫在相同元件上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所述元件可被控制到體溫,這樣得到一種低功率、高精度、袖珍并且重量輕的裝置(呼吸速度記錄器),它適于進(jìn)行精確的肺活量測(cè)量。該裝置也可容易地適用于高精度流速測(cè)量及高靈敏度量熱測(cè)量中。
文檔編號(hào)A61B5/08GK1211169SQ97192371
公開(kāi)日1999年3月17日 申請(qǐng)日期1997年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月19日
發(fā)明者基瑟皮·特里辛 申請(qǐng)人:比歐米丁公司, 基瑟皮·特里辛