用于檢測氣體的傳感器和用于檢測氣體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于檢測氣體的傳感器和用于檢測氣體的出現(xiàn)或量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前用于測量氣體的系統(tǒng)采用各種各樣的測量原理。在醫(yī)學(xué)技術(shù)中，主要使用電化學(xué)傳感器來測量已經(jīng)經(jīng)皮擴散(即，通過人類患者或者動物的皮膚擴散)的氣體。當(dāng)前用于測量經(jīng)皮0)2的傳感器高度敏感并且顯示了良好的響應(yīng)時間。然而，那些傳感器在較長的測量周期內(nèi)會漂移并且需要頻繁校準，因此，在快要使用時，用戶需要使用相當(dāng)笨重的校準儀器，該校準儀器包括校準用氣體供應(yīng)。傳感器校準和維護降低了該技術(shù)的可用性。例如，從W0 2008/132205可得知該用于測量經(jīng)皮氣體的電化學(xué)傳感器。
[0003]當(dāng)今，對經(jīng)皮血氣(特別是C02)的測量主要用于:在幾乎任何的臨床設(shè)置下對患者換氣的連續(xù)和非侵入實時監(jiān)測。經(jīng)皮系統(tǒng)依賴如下的事實:氣體通過皮膚和身體組織擴散，并且該氣體可被合適的傳感器在皮膚表面上檢測到。接著，通常使用數(shù)學(xué)關(guān)系將檢測到的氣體的濃度轉(zhuǎn)換成氣體的動脈分壓。該信息在治療期間提供如下的清晰圖片:患者身體狀況的完整性和危險程度，特別是關(guān)于諸如呼吸模式、肺泡換氣、肺灌注或者從呼吸器和麻醉回路排除0)2的方面。通常，皮膚需被加熱至37°C _45°C，優(yōu)選加熱至41°C -43°C，以獲得臨床相關(guān)的測量結(jié)果。傳統(tǒng)的無創(chuàng)換氣監(jiān)測是通過在患者呼吸的樣本中測量呼吸氣體的濃度來執(zhí)行的。然而，該技術(shù)在某些臨床設(shè)置下存在一些缺陷。在涉及體外血液循環(huán)的某些臨床設(shè)置下，還能夠根據(jù)患者的血流直接測量血氣。
[0004]經(jīng)皮氣體感測的一個主要的技術(shù)挑戰(zhàn)與如下事實相關(guān):氣體滲透通過組織和皮膚的速率非常低。因此，用于測量經(jīng)皮氣體的傳感器(其測量機制依賴于測量室中氣體的濃度與皮膚中相應(yīng)濃度的平衡)必須具有非常小的該測量室的容積，否則實現(xiàn)平衡的時間會長得難以接收。此外，使用該測量室的光學(xué)傳感器需要克服如下挑戰(zhàn):在維持足夠光強的同時將光學(xué)輻射引導(dǎo)至微小的測量室、通過該測量室傳輸光學(xué)輻射以及從該測量室收集光學(xué)輻射。另一約束是測量部位，其通常是成年患者的耳垂或者新生嬰兒的大腿。
[0005]在US 7164812中，公開了一種包括螺旋光波導(dǎo)的傳感器系統(tǒng)，波束通過該螺旋光波導(dǎo)從光源傳播至檢測器。波束的倏逝場(evanescent field)滲透至相鄰介質(zhì)內(nèi)，并且可被其中的化學(xué)物質(zhì)(例如經(jīng)皮氣體)吸收。
[0006]該傳感器系統(tǒng)使用光纖，該光纖難以準確地集成到小的傳感器內(nèi)。此外，倏逝場可與物質(zhì)相互作用的短的距離要求高精度的制造和組裝。倏逝場與許多其他物質(zhì)而不是將被測量的氣體的干涉可能妨礙有用和無用信號之間的區(qū)分。
[0007]在W0 2008/110927中，公開了一種包括光學(xué)采樣單元的傳感器系統(tǒng)，波束經(jīng)由單個單模傳播(single monomodal propagat1n)通過該光學(xué)采樣單元從發(fā)射器傳播至檢測器。波束在采樣單元內(nèi)與氣體相互作用。
[0008]該傳感器系統(tǒng)昂貴、復(fù)雜且很難制造。與制造規(guī)格的小偏差會極大地影響單模傳播并會由此影響系統(tǒng)性能，因此容差性必須非常嚴格。很難達到在實際使用期間維護傳感器可靠性，并且存在早期故障的風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個目標是避免現(xiàn)有工藝的缺陷，特別是提供一種用于檢測氣體(尤其是用于確定少量氣體的濃度)的魯棒的傳感器，以及一種用于檢測氣體(尤其是確定少量氣體的濃度的方法，其不需要頻繁校準并且在可接受的響應(yīng)時間內(nèi)提供準確的結(jié)果。
[0010]在此上下文中，響應(yīng)時間被理解為傳感器從某一狀況(例如離開患者)到達到穩(wěn)定測量值的90%所需的時間?？山邮艿捻憫?yīng)時間小于10分鐘，優(yōu)選地，小于5分鐘，并且更優(yōu)選地，小于2.5分鐘。根據(jù)本發(fā)明，這一目標由根據(jù)獨立的專利權(quán)利要求的檢測器、傳感器和方法來實現(xiàn)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于檢測由源發(fā)射的電磁輻射、特別是用于檢測傳感器中的測量用輻射的檢測器。所述檢測器包括第一檢測表面和第二檢測表面，以及至少一個波長敏感元件。檢測表面形成區(qū)域，要被檢測的輻射撞擊到檢測器的該區(qū)域上。當(dāng)?shù)谝徊ㄩL帶中的波長的輻射以第一范圍的入射角入射到波長敏感元件上時，該波長敏感元件對于該輻射基本透明。優(yōu)選地，正好一個公共波長敏感元件用于所有的檢測表面。當(dāng)?shù)诙ㄩL帶中的波長的輻射以第二范圍的入射角入射到波長敏感元件上時，該波長敏感元件也對于該輻射基本透明。這些第一和第二波長帶彼此至少部分不同，但可以重疊。第一和第二范圍的入射角也彼此至少部分不同，但可以重疊。此外，波長敏感元件可以對于另外的這種波長帶中的波長的、并且以另外的這種范圍的入射角入射的輻射基本透明。
[0012]優(yōu)選地，波長敏感元件是諸如干涉濾波器的波長濾波器。衍射元件也是可能的?；诟缮鎸拥牟ㄩL濾波器的過濾特性取決于撞擊射線的入射角。通常，當(dāng)入射角增大時，帶通干涉濾波器的通帶的中心波長偏移到較低的波長；此外，通帶形狀可以變化。因此，帶通干涉濾波器可被設(shè)計為具有如下的通帶形狀和中心波長:使得當(dāng)其波長在第一波長帶內(nèi)時，只有以第一范圍的入射角內(nèi)的入射角(Α0Ι)撞擊的射線可以穿過濾波器；而當(dāng)其波長在第二波長帶內(nèi)時，只有以第二范圍的入射角內(nèi)的Α0Ι撞擊的射線可以穿過濾波器。盡管波長帶和入射角的范圍可以但無需重疊，然而當(dāng)?shù)诙秶娜肷浣菙U展至比第一范圍的入射角更高的Α0Ι時，第二波長帶通常擴展至比第一波長帶更低的波長。
[0013]第一檢測表面和第二檢測表面以及至少一個波長敏感元件被布置為使得第一波長帶中的輻射通過波長敏感元件傳播，以使其撞擊到所述第一檢測表面上并且可由所述第一檢測表面檢測。相應(yīng)地，第二或另外的波長帶中的輻射通過波長敏感元件傳播，以使其撞擊到第二或另外的檢測表面上并且可以分別由這些第二或另外的檢測表面檢測。通常，在輻射撞擊到波長敏感元件上之前，當(dāng)輻射通過空氣傳播時，具有第一波長帶內(nèi)的波長的輻射的入射角相對于波長敏感元件的表面法線可以是0°至30°，并且具有第二波長帶內(nèi)的波長的輻射的入射角相對于波長敏感元件的表面法線可以是25°至60°。
[0014]該檢測器適于小型化。優(yōu)選地，該檢測器可用于如下情況:其中測量用輻射作為由非平行射線組成的(以及特別是由明顯發(fā)散的射線組成的)波束傳播，和/或其中例如由于尺寸約束，不能使用諸如準直儀或聚光器的波束成形裝置。在本發(fā)明中，由明顯發(fā)散的射線組成的波束被理解為:當(dāng)通過自由空間的較短部分傳播時，截面經(jīng)受明顯變化的波束。例如當(dāng)在空氣或真空中傳播時，當(dāng)波束包含與該波束的另一大量射線形成超過30° (以及特別是超過60° )的角度的大量射線時，出現(xiàn)明顯發(fā)散的射線。此外，由于在所有檢測表面的前面僅應(yīng)用一個波長敏感元件，并且不像傳統(tǒng)方法那樣在每個檢測表面的前面單獨應(yīng)用一個波長敏感元件，因此檢測表面可被布置為彼此非常接近并且基本上可以具有任意形狀，而且沒有由于單獨的波長敏感元件的形狀、大小和組裝產(chǎn)生的約束。特別地，由于僅有一個波長敏感元件存在，因此不存在如下問題:消除從一個波長敏感元件傳送到相鄰的一個波長敏感元件的不需要的輻射。這允許創(chuàng)建更小并且更容易組裝以及其因此也更加便宜的檢測器。
[0015]此外，并且當(dāng)檢測表面不僅對輻射敏感，而且也對溫度敏感時(這通常是許多類型的這種接觸表面的情況)，該小型化檢測器不易有由于溫度差異導(dǎo)致的測量誤差，因為檢測表面可被布置為彼此接近，并且因此與它們彼此遠離相比，很可能處于相同的溫度。當(dāng)檢測器信號依賴于溫度時，這改善了測量結(jié)果。
[0016]該設(shè)計使得由中心檢測表面和外圍另外的檢測表面來檢測輻射成為可能。特別地，可以相對于中心檢測表面同中心地布置外圍檢測表面。例如，第二檢測表面可以部分地或者基本完全環(huán)繞第一檢測表面。在本上下文中，基本環(huán)繞意味著相鄰的表面之間可能存在小的空隙，該小的空隙允許布置諸如導(dǎo)體路徑的導(dǎo)體。特別地，第二或任何其他的外圍檢測表面基本上可以是環(huán)形的。
[0017]與第二檢測表面僅位于第一檢測表面的一側(cè)相比，全部地或部分地環(huán)繞第一中心檢測表面的第二檢測表面使得檢測第二波長帶中的波長的更多輻射成為可能。這導(dǎo)致對第二波長帶中的輻射的測量更加精確，特別是在將要檢測傳播至中心檢測器的所有側(cè)面的明顯分散的輻射波束時，例如形成(立方體)圓錐體的大致旋轉(zhuǎn)對稱的波束。
[0018]位于各個檢測表面之間的空隙可以減少相應(yīng)范圍的入射角度之間的重疊，以及由此減少所檢測的輻射的相應(yīng)波長帶之間的重疊。此外，可以在該空隙中，并且還可以在非完全環(huán)繞檢測表面的不同部分之間的空隙中布置電接觸。
[0019]檢測器可以正好包括兩個檢測表面。
[0020]當(dāng)檢測器例如用于氣體傳感器時，正好兩個檢測表面使得例如檢測兩個相應(yīng)波長帶中的輻射成為可能，在該氣體傳感器中，可由將被測量的氣體吸收第一波長帶中的許多輻射，而第二波長帶中的輻射對于將被測量的氣體相當(dāng)或者完全不敏感，并且因此可被用作參考輻射。例如，該第一波長帶的輻射可以由中心檢測表面檢測并且用作信號輻射，而采用較低波長的第二波長帶中的輻射由外圍第二檢測表面檢測并且用作參考輻射；可選地，信號輻射也可以由外圍檢測器檢測，而采用較高波長的第二波長帶中的輻射由中心檢測表面檢測并且用作參考輻射。
[0021]可選地，檢測器還可以包括正好三個檢測表面。例如，其可被設(shè)計和布置為使得中心和外部外圍檢測表面分別主要對如下波長帶中的氣體不敏感輻射敏感:基本上高于和低于對將被測量的氣體敏感的輻射的波長帶，而由內(nèi)部外圍檢測表面檢測主要對氣體敏感的輻射。該布置同時允許檢測低于和高于氣體敏感輻射的范圍的參考輻射，并且因此適應(yīng)于從源發(fā)射的輻射的光譜變化。
[0022]可以在公共支撐上布置第一和第二檢測表面，優(yōu)選地該公共支撐是陶瓷支撐，更優(yōu)選地該公共支撐是由二氧化硅構(gòu)成的支撐(特別地，采用石英的形式)。
[0023]使用公共支持使得創(chuàng)建小型化檢測器成為可能，并且有助于將檢測表面保持在相同的溫度。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于檢測氣體、特別是用于檢測C02的傳感器，包括可指向測量部位的接觸面。該傳感器包括至少一個輻射源、用于接收將被測量的氣體的測量容積，以及如前所述的檢測器。從輻射源發(fā)射的射線包括至少兩個波長，該兩個波長可由檢測器的波長敏感元件分離。所述傳感器包括光學(xué)氣體測量路徑和參考路徑。檢測器被布置為使得氣體測量路徑的輻射撞擊到一個檢測表面上，并且參考路徑的輻射撞擊到另一檢測表面上。
[0025]可以以更緊湊的方式以及使用更少的部件來建立這樣的傳感器，并且這樣的傳感器因此較為簡單以及更容易小型化。
[0026]優(yōu)選地，檢測器被布置為:使得當(dāng)測量用輻射正在所述傳感器內(nèi)沿眾多不同的光學(xué)路徑從輻射源通過所述測量容積朝所述檢測器傳播時，并且在所述測量用輻射的射線在撞擊到所述波長敏感元件上時是明顯分散的情況下，可由所述第一和第二檢測表面檢測在所述第一和所述第二波長帶中的輻射。
[0027]檢測器可被布置為使得如果不同波長的測量用輻射射線正在公共波束內(nèi)朝波長敏感元件傳播，則不同波長帶中的射線僅在單獨的波束內(nèi)從波長敏感元件向所述第一和第二檢測表面?zhèn)鞑?。從而，波長敏感元件例如被用于在測量用波長的輻射和參考波長的輻射之間進行區(qū)分，該輻射在進入波長敏感元件之后單獨地傳播至它們各自的檢測表面。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于檢測氣體(特別是用于檢測C02)的傳感器。該傳感器使用如下光學(xué)測量原理:由至少一個輻射源發(fā)射紅外輻射并且沿至少一個路徑引導(dǎo)該紅外輻射通過測量容積到達至少第一輻射檢測器上，該測量容積用于接收將測量的氣體。
[0029]在關(guān)于本發(fā)明這個方面的上下文中，可以優(yōu)選使用如上文描述的具有第一和第二檢測表面以及具有一個公共波長敏感元件的一種單個檢測器。
[0030]可選地，也可以使用第一和可選的一個或多個另外的檢測器，這些檢測器彼此分離。可選地，該檢測器中的每一個可以具有單獨的波長敏感元件。該輻射檢測器的某些電屬性取決于撞擊輻射的強度，使得通過利用電路(優(yōu)選包括微處理器)測量撞擊輻射的強度，可以推斷撞擊輻射的強度變化。該傳感器還包括連接傳感器的接觸面及其測量容積的一些擴散路徑。
[0031]當(dāng)傳感器被安裝在測量部位時，存在于接觸面附近的分子開始通過一個或數(shù)個膜并且可能通過另外的擴散路徑擴散至測量容積內(nèi)。針對存在于測量容積中的氣態(tài)形式的分子種類設(shè)計該傳感器。在一段時間之后，測量容積中的將被測量的分子種類已與測量部位平衡，也就是說，只要測量部位處的濃度保持恒定，測量容積中的分子種類的濃度就不再變化。在平衡周期之后，所測量的濃度代表測量部位處的濃度，并且允許計算期望的參數(shù)，例如C02的動脈分壓。
[0032]選擇由輻射源發(fā)射的輻射的波長，以使可以由已擴散至測量容積內(nèi)并且在那里以氣相存在的分子來吸收所發(fā)射的輻射的至少部分。根據(jù)本發(fā)明的測量用輻射是可以由第一檢測器檢測的輻射，例如，可以由將被測量的分子種類吸收的輻射，或者不能通過氣體吸收而明顯衰減并且因此可以用作參考輻射的輻射。存在于測量容積中的這種氣體分子越多，則越多的通過測量容積傳輸?shù)臏y量用輻射被吸收，并且撞擊在對該輻射敏感的第一檢測器上的測量用輻射的強度越低。采用這種方式，撞擊在檢測器上的測量用輻射強度的變化允許確定特定氣體種類的濃度。
[0033]傳感器包括可指向?qū)⒈粶y量的氣體的測量部位的接觸面。傳感器還包括至少一個輻射源、用于接收將被測量的氣體的測量容積以及用于檢測從源通過測量容積傳輸至第一檢測器的輻射的至少第一檢測器。傳感器包括在輻射源和第一檢測器之間的多個輻射路徑。輻射沿該路徑以非成像的方式傳播。
[0034]在測量部位處，將被測量的氣體的分子可以以氣相存在或者溶解在媒介中，例如，溶解在人體組織中或血液中。對于經(jīng)皮氣體的測量，測量部位在人類或動物主體的皮膚上。對于呼吸氣體的測量，測量部位在承載呼出氣體的某種通道上，例如管。
[0035]為使輻射以非成像的方式傳播，并非沿路徑的所有光學(xué)元件都成像。沿路徑存在的成像光學(xué)元件不具有成像的目的。因此，進入測量容積的輻射無需具有如在成像系統(tǒng)中傳播的輻射可能需要的、特定的側(cè)面和角強度分布剖面的特征。特別地，例如出于聚焦或者相互對準(瞄準)的目的，根據(jù)本發(fā)明的傳感器的光學(xué)設(shè)計以引導(dǎo)和/或劃分由源發(fā)射的整個輻射波束為目標，而不嘗試影響該波束的各個射線。甚至在元件存在于可以用于影響各個射線的裝置內(nèi)的情況下，該元件也不用于成像的目的。例如，該非成像光學(xué)元件可以是具有反射側(cè)壁的柱體或者厚光纖，其僅具有如下目的:以最少的途中損耗，將輻射從入口引導(dǎo)至出口面。
[0036]優(yōu)選地，測量容積入口處的強度分布剖面是非典型的，S卩，所發(fā)射的光子采用的輻射路徑并不優(yōu)于另一輻射路徑。因此，進入測量容積的任何光子執(zhí)行隨機游走，其以許多反射為特征。因此，測量容積的出口處以及檢測器表面處的強度分布也是非典型的。沿該路徑可以存在成像光學(xué)元件，只要它們滿足上述限制。
[0037]任何任意成形的反射器或者不嘗試形成源的圖像的光學(xué)元件可以用作非成像光學(xué)元件。這包括例如拋物面反射器、復(fù)合拋物面聚光器、復(fù)合橢圓聚光器、光錐、粗糙表面等。
[0038]由于輻射的非成像和隨機游走傳播，限制和引導(dǎo)輻射的光學(xué)元件的詳細幾何形狀與用于成像系統(tǒng)的幾何形狀相比，重要性更低。因此，可以明顯放寬制造公差，這簡化了傳感器的生產(chǎn)。對于非常小的傳感器和具有非常小的測量容積的傳感器(諸如用于測量經(jīng)皮氣體的傳感器)來說，尤其如此。此外，降低了生產(chǎn)成本并且增強了傳感器的可靠性。
[0039]非成像光學(xué)元件可以是傳感器外殼的組成部分。
[0040]根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語組成(integral)應(yīng)被理解為內(nèi)部具有涂層的外殼的部分。通道中無需存在其他單獨的非成像光學(xué)元件。
[0041]包括作為傳感器外殼的組成部分的非成像光學(xué)元件的傳感器有利于小型化。
[0042]作為外殼的組成部分的非成像光學(xué)元件可以例如被碾壓和鉆入金屬(優(yōu)選為鋁)或塑料中，或者被塑造。不能充分反射的非成像光學(xué)元件的表面可以涂布有反射層。
[0043]可選地，還可以通過用材料填充洞(例如孔或通道)來創(chuàng)建非成像光學(xué)元件，該材料對測量用輻射透明并且可以在外側(cè)具有反射層。可以以分離的部分創(chuàng)建非成像光學(xué)元件并且隨后組合成完整的光學(xué)器件，或者在一個部分內(nèi)創(chuàng)建非成像光學(xué)元件。非成像光學(xué)元件可被嵌入到外殼(例如塑料外殼)中。因此，可以在嵌入過程的期間將各個非成像光學(xué)元件組裝成組合的光學(xué)元件，或者可以事先組裝好它們并且將其作為整體光學(xué)元件進行嵌入。
[0044]輻射的路徑可以包括在源和測量容積之間的和/或在測量容積和第一檢測器之間的至少一個通道，優(yōu)選地，通道可以包括填充物。
[0045]對通道的使用使得由非成像光學(xué)元件偏轉(zhuǎn)的輻射從源傳播至測量容積，以及從測量容積傳播至檢測器。對通道內(nèi)的填充物的使用改善了測量結(jié)果，因為填充物可以保證通道內(nèi)的氣體含量保持不變，并且由此，測量不會由于吸收進入或離開通道的氣體而有偏差。
[0046]優(yōu)選地，通道填充物由對測量用輻射基本透明的材料構(gòu)成，或者由這種透明材料和另外的材料的組合構(gòu)成。此外，填充材料可以存在于通道中，主要用于密封的目的，即用于阻止氣體在通道及其附近之間交換。
[0047]優(yōu)選地，通道具有反射表面或者具有反射