二氧化碳分压的无创伤性光学测定制造技术

本文公开了一种用于无创伤性测量人类皮肤中CO2分压(pCO2)的传感器。所述传感器包括：外壳；用于测量气体的气体测量室；用于将透过皮肤扩散出的气体连通至气体测量室的至少一个通气管；将光传输至所述气体测量室中的宽带光源；检测器系统，包括第一光电检测器和第二光电检测器。所述第一光电检测器检测其中CO2吸收光的波长处的光，所述第二光电检测器通过测量其中没有气体吸收光的自由谱带中的光而充当零参考检测器，其中，气体测量室的路径长度、所需接收角以及最大内径根据不同的CO2分压的水平来优化，路径长度具有第一预定范围，所需接收角具有第二预定范围，以及最大内径具有第三预定范围。有第三预定范围。有第三预定范围。

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳分压的无创伤性光学测定
[0001]本申请是申请号为201680022737.0、申请日为2016年04月18日、专利技术名称为“二氧化碳分压的无创伤性光学测定”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]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。

技术介绍

[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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 6,654,622 B1中得知。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]在这种情况下，术语“皮肤的”是指对患者、人或动物的表皮层中的情况的测量。术语“经皮”通常是指对表皮层下方的情况进行检查的测量。经皮测量与皮肤测量的不同之处在于经皮测量的温度较高，从而表皮层中的血流量增加，使得表皮层更像动脉，即表皮层表现得更像表皮下方的层，除此之外，经皮测量与皮肤测量没有什么不同。进行经皮测量所需的温度升高多少取决于患者的皮肤。新生儿或早产儿具有非常薄的皮肤；因此，例如40℃的温度可足以进行血气的经皮测量，而老年人具有较厚的皮肤层，可能需要44℃或45℃的温度才能使表皮动脉化。在本专利技术的上下文中，不管测量目的是检查表皮还是表皮下的情况都无关紧要。因此，无论术语“皮肤的”或“经皮”是否用于描述本专利技术，任一术语都涵盖了使用应用于人类皮肤的传感器来测量血气分压。

技术实现思路

[0013]本专利技术在第一方面提供了一种用于无创伤性测量人类皮肤中CO2分压(pCO2)的传感器，其包括：外壳；用于测量气体的气体测量室；用于将透过皮肤扩散出的气体连通至气体测量室的至少一个通气管；将光传输至气体测量室中的宽带光源；检测器系统，包括用于检测从光源传输通过气体测量室的光的第一光电检测器和第二光电检测器；其中第一光电检测器检测其中CO2吸收光的波长处的光，该传感器的特征在于，第二光电检测器通过测量其中没有气体吸收光的自由谱带(freeband)中的光而充当零参考检测器。
[0014]根据本专利技术的传感器具有优于现有已知传感器的若干优点。该传感器在使用过程中无需校准，但出厂前的初始校准仍然是预见的。它为长时间测量CO2浓度提供了可靠结果，并且具有较短响应时间。虽然该传感器可仍然具有可能不时更换的膜，但它避免了电化学传感器中已知的复杂的重复镀膜过程。该传感器是温度稳定型、使用可靠的并且由于光源是内置式宽带光源而无需光导，此外，它还比可调激光器便宜。
[0015]本专利技术的传感器的另一个优点是，可将其设计成使得光能够大致以直线方式从光源行进到检测器，而不被反射，这使得该光学系统相比起光需要在若干表面上反射才能从
光源行进到检测器的系统来说非常有效。此外，本专利技术的系统提供了测量室，其中气体扩散到测量室中的方向垂直于光的方向，这也提高了效率，因为如果光与通气管之间的入射角大致垂直，则光不太可能被通气管无意地吸收。
[0016]在本专利技术的实施方案中，第二光电检测器被优化用于接收自由谱带中的光，其具有以3.9μm为中心的带通滤波器，以允许传感器计算被CO2吸收的光的量。
[0017]在本专利技术的实施方案中，气体测量室具有诸如金、银或铝的反射材料的内表面，这使得测量室更具反射性，并因此将有大量的光从光源传输至检测器。
[0018]在一个实施方案中，测量室内表面的粗糙度小于1/4λ，这提供了平滑的表面，降低了从测量室到光源的背反射的风险。
[0019]在一个实施方案中，传感器具有分束器，其用于以射棱镜或反射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无创伤性测量人类皮肤中CO2分压(pCO2)的传感器，包括；
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外壳，
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气体测量室，所述气体测量室用于测量气体，
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至少一个通气管，所述通气管用于将透过皮肤扩散出的气体连通至所述气体测量室，
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宽带光源，所述宽带光源将光传输至所述气体测量室中，
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检测器系统，所述检测器系统包括用于检测从所述光源传输通过所述气体测量室的光的第一光电检测器和第二光电检测器，
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其中所述第一光电检测器检测其中CO2吸收光的波长处的光，
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所述传感器的特征在于，所述第二光电检测器通过测量其中没有气体吸收光的自由谱带中的光而充当零参考检测器，
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其中，所述气体测量室的路径长度、所需接收角以及最大内径根据不同的CO2分压的水平来优化，
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其中，所述路径长度具有第一预定范围，所述所需接收角具有第二预定范围，以及所述最大内径具有第三预定范围，所述第一预定范围、所述第二预定范围和所述第三预定范围是通过预定的第一CO2分压和预定的第二CO2分压确定的。2.根据权利要求1所述的传感器，其中两个通气管穿过膜将测量室与皮肤表面连接，由此透过皮肤扩散的气体穿过膜并通过通气管输送到测量室；测量室在一端处由光源封闭，并且在另一端处由具有双通道检测器形状的检测器系统封闭；患者皮肤、通气管和测量室限定了封闭系统。3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述自由谱带以3.9μm为中心。4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述气体测量室具有诸如金、银或铝的反射材料的内表面，从而形成反射管。5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述反射管的粗糙度小于被待测定气体吸收的光的波长的1/4。6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述反射管的粗糙度小于被待测定气体吸收的光的波长的1/8。7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，还具有：分束器，用于将来自所述聚光透镜的光在所述传感器的所述光电检测器之间分束。8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述分束器为反射棱镜或反射光栅。9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述测量室具有两个相对的开口，其中所述第一开口由所述光源封闭，并且所述第二开口由所述检测器系统封闭，从而在所述光源和所述检测器系统之间提供直线。10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中测量室内表面的粗糙度小于1/4λ，这提供了平滑的表面，降低了从测量室到光源的背反射的风险。11.根据权利要求6所述的传感器，其中用于将透过皮肤扩散出的气体连通至所述气体测量室的所述至少一个通气管垂直于所述气体测量室。12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述光源是发光二极管。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：J芬奇，D萨尔兹曼，
申请(专利权)人：雷迪奥米特巴塞尔股份公司，
类型：发明
国别省市：