呼吸成分测量系统.pdf

一种呼吸成分测量系统(5)，其包括：气道适配器(10)，适于放置为与病人的气道流体联通；以及传感器元件(21、22、23、24、25)，与所述气道适配器物理联通。所述传感器元件适于检测所述气道适配器的与方位相关的特性、所述气道适配器的与运动相关的特性或者二者。呼吸成分传感器(20)适于布置在所述气道适配器上，以便测量与通过所述气道适配器的气流相关的特性。

1、  一种呼吸成分测量系统(5)，包括：
气道适配器(10)，适于放置为与病人的气道流体联通，
传感器元件(21、22、23、24、25)，与所述气道适配器物理联通，其中，所述传感器元件适于检测所述气道适配器的与方位相关的特性、所述气道适配器的与运动相关的特性、或者二者；及
呼吸成分传感器(20)，适于布置在所述气道适配器上，以便测量与通过所述气道适配器的气流相关的特性。

2、  如权利要求1所述的系统，其中，所述呼吸成分传感器是流量传感器、体积传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器或其任意组合。

3、  如权利要求2所述的系统，其中，所述气体传感器包括：红外辐射气体感测系统、发光猝灭气体感测系统、电化学气体感测系统或其任意组合。

4、  如权利要求2所述的系统，其中，所述气体传感器测量二氧化碳、氧气、氮气、一氧化二氮、一氧化碳、挥发性有机化合物、麻醉剂、示踪气体、呼气呼吸标记物、一氧化氮或其任意组合。

5、  如权利要求1所述的系统，其中，所述呼吸成分传感器包括：
气体传感器；及
采样管(150)，耦合到所述气道适配器和所述气体传感器，以便使气体样本从所述气道适配器流通到所述气体传感器。

6、  如权利要求1所述的系统，其中，所述呼吸成分传感器与所述气道适配器集成在一起或与所述气道适配器分离。

7、  如权利要求6所述的系统，其中，将所述传感器元件布置在所述呼吸成分传感器中。

8、  如权利要求1所述的系统，其中，所述传感器元件包括加速度计、倾角仪、电解传感器、液体倾斜传感器、磁阻传感器或其任意组合。

9、  如权利要求1所述的系统，还包括处理器(210)，适于接收来自所述传感器元件的信号，并且其中，对所述处理器进行编程以便根据来自所述传感器元件的信号确定所述与方位相关的特性、所述与运动相关的特性或者二者是否超过了预定限度。

10、  如权利要求1所述的系统，还包括：
主机系统(40)；及
在所述主机系统与所述传感器元件之间的通信链路(42)，其中，所述通信链路是硬连线的、无线的或其组合。

11、  如权利要求1所述的系统，其中，所述与方位相关的特性包括所述气道适配器的方向、所述气道适配器的位置、所述气道适配器方向的改变、所述气道适配器位置的改变或其任意组合。

12、  如权利要求1所述的系统，其中，所述与运动相关的特性包括所述气道适配器的力、撞击、冲击、抖动、推动、振动、加速、减速、运动、加速度中的变化、减速度中的变化、运动中的变化或者其任意组合。

13、  一种呼吸成分测量系统(5)，包括：
气道适配器(10)，适于放置为与病人的气道流体联通；
传感器，包括第一元件(23)和第二元件(22)，其中，所述第一元件与所述气道适配器物理联通，并且其中，所述第二元件适于检测所述第一元件的与方位相关的特性、所述第一元件的与运动相关的特性、或者二者；以及
呼吸成分传感器，适于布置在与病人的所述气道流体联通的所述气道适配器上。

14、  如权利要求13所述的系统，其中，所述呼吸成分传感器是可操作地耦合到所述气道适配器的流量传感器、体积传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器或其任意组合。

15、  如权利要求14所述的系统，其中，所述气体传感器包括：红外辐射气体感测系统、发光猝灭气体感测系统、电化学气体感测系统或其任意组合。

16、  如权利要求14所述的系统，其中，所述气体传感器测量二氧化碳、氧气、氮气、一氧化二氮、一氧化碳、挥发性有机化合物、麻醉剂、示踪气体、呼气呼吸标记物、一氧化氮或其任意组合。

17、  如权利要求13所述的系统，还包括采样管(150)，所述采样管耦合到所述气道适配器，以便将气体样本传送到所述呼吸成分传感器。

18、  如权利要求13所述的系统，其中，所述呼吸成分传感器与所述气道适配器集成在一起或与所述气道适配器分离。

19、  如权利要求18所述的系统，其中，将所述第二元件布置在所述呼吸成分传感器中。

20、  如权利要求13所述的系统，其中，所述第一元件和第二元件包括磁阻元件。

21、  如权利要求13所述的系统，还包括：处理器(210)，适于从所述第二元件接收信号，并且其中，对所述处理器进行编程以便根据来自所述第二元件的信号确定所述与方位相关的特性、所述与运动相关的特性或者二者是否超过了预定限度。

22、  如权利要求13所述的系统，还包括：
主机系统(40)；及
在所述主机系统与所述传感器元件之间的通信链路(42)，其中，所述通信链路是硬连线的、无线的或其组合。

23、  如权利要求13所述的系统，其中，所述与方位相关的特性包括所述第一元件的方向、所述第一元件的位置、所述第一元件方向的改变、所述第一元件位置的改变或其任意组合。

24、  如权利要求13所述的系统，其中，所述与运动相关的特性包括所述第一元件的力、撞击、冲击、抖动、推动、振动、加速、减速、运动、加速度中的变化、减速度中的变化、运动中的变化或者其任意组合。

25、  一种呼吸成分测量系统(5)，包括：
气道适配器(10)，适于放置为与病人的气道流体联通，
感测装置(21、22、23、24、25)，用于检测所述气道适配器的与方位相关的特性、所述气道适配器的与运动相关的特性或者二者；及
呼吸成分感测装置(20)，可操作地与所述气道适配器耦合，用于测量与通过所述气道适配器的气流相关的特性。

26、  如权利要求25所述的系统，其中，所述呼吸成分感测装置是可操作地耦合到所述气道适配器的流量传感器、体积传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器或其任意组合。

27、  如权利要求26所述的系统，其中，所述气体传感器包括：红外辐射气体感测系统、发光猝灭气体感测系统、电化学气体感测系统或其任意组合。

28、  如权利要求26所述的系统，其中，所述气体传感器测量二氧化碳、氧气、氮气、一氧化二氮、一氧化碳、挥发性有机化合物、麻醉剂、示踪气体、呼气呼吸标记物、一氧化氮或其任意组合。

29、  如权利要求25所述的系统，还包括采样管(150)，耦合到所述气道适配器，以便将气体样本传送到所述呼吸成分感测装置。

30、  如权利要求25所述的系统，其中，所述呼吸成分感测装置与所述气道适配器集成在一起或与所述气道适配器分离。

31、  如权利要求25所述的系统，其中，将所述感测装置布置在所述呼吸成分传感器中。

32、  如权利要求25所述的系统，其中，所述感测装置包括加速度计、倾角仪、电解传感器、液体倾斜传感器、磁阻传感器或其任意组合。

33、  如权利要求25所述的系统，还包括处理装置(210)，用于根据来自所述感测装置的信号确定所述气道适配器的与方位相关的特性、所述气道适配器的与运动相关的特性或者二者是否超过了预定限度。

34、  如权利要求25所述的系统，还包括：
主机系统(40)；及
在所述主机系统与所述感测装置之间的通信链路(42)，其中，所述通信链路是硬连线的、无线的或其组合。

35、  如权利要求25所述的系统，其中，所述与方位相关的特性包括所述气道适配器的方向、所述气道适配器的位置、所述气道适配器方向的改变、所述气道适配器位置的改变或其任意组合。

36、  如权利要求25所述的系统，其中，所述与运动相关的特性包括所述气道适配器的力、撞击、冲击、抖动、推动、振动、加速、减速、运动、加速度中的变化、减速度中的变化、运动中的变化或者其任意组合。

37、  一种测量呼吸成分的方法，包括：
提供气道适配器，其放置为与病人的气道流体联通；
检测所述气道适配器的与方位相关的特性、所述气道适配器的与运动相关的特性或者二者；及
检测与通过所述气道适配器的气流相关的特性。

38、  如权利要求37所述的方法，其中，用可操作地耦合到所述气道适配器的流量传感器、体积传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器或其任意组合来检测所述呼吸成分。

39、  如权利要求38所述的方法，其中，所述气体传感器包括：红外辐射气体感测系统、发光猝灭气体感测系统、电化学气体感测系统或其任意组合。

40、  如权利要求38所述的方法，其中，所述气体传感器测量二氧化碳、氧气、氮气、一氧化二氮、一氧化碳、挥发性有机化合物、麻醉剂、示踪气体、呼气呼吸标记物、一氧化氮或其任意组合。

41、  如权利要求37所述的方法，还包括将气体样本从耦合到所述气道适配器的采样管传送到所述气体传感器。

42、  如权利要求37所述的方法，其中，使用加速度计、倾角仪、电解传感器、液体倾斜传感器、磁阻传感器或其任意组合来完成对所述气道适配器的与方位相关的特性、所述气道适配器的与运动相关的特性或者二者的检测。

43、  如权利要求37所述的方法，还包括：
接收作为所述检测步骤的结果的信号；及
处理所述信号，以确定所述与方位相关的特性、所述与运动相关的特性或者二者是否超出了预定限度。

44、  如权利要求37所述的方法，还包括通过硬连线的通信、无线通信或其组合将所述与方位相关的特性、所述与运动相关的特性或者二者传送到所述主机系统。

呼吸成分测量系统
优先权声明
根据35U.S.C.§119(e)的规定，本申请要求于2007年5月18日提交的美国临时专利申请序列号No.60/938,818的优先权，并且根据35U.S.C.§120/365的规定，本申请要求于2008年5月13日提交的美国申请序列号No.12/119,915的优先权，其每一个的内容都通过参考并入本文。
技术领域
本发明涉及一种呼吸成分测量系统，具体的，涉及一种呼吸成分测量系统，其能够检测这个系统中的气道适配器(airway adapter)的与方位相关的特性、与运动相关的特性、或者二者。
背景技术
广泛使用了呼吸成分传感器，其包括但不限于气体组分传感器和气流传感器，并且其可以用于在监控设备和治疗设备，例如呼吸器和压力支持系统，例如CPAP机。
呼吸气体测量系统通常包括气体感测、测量、处理、通信和显示功能。认为它们或者是转向型的，其也称为侧流型气体测量系统，或者是非转向型的，其也称为主流型气体测量系统。转向(侧流)型气体测量系统通过采样管从采样点将一部分采样的气体传输到气体传感器，采样点通常是呼吸环路(breathing circuit)中的气道适配器(airway adapter)，或者是病人的气道，在气体传感器处测量气体的组分。非转移(主流)型气体测量系统不从呼吸环路或气道传输气体，而是测量通过气道适配器的气体组分。在美国专利no.5,693,944中说明了一种主流型气体气道适配器的示例，在美国专利no.6,935,338中说明了一种侧流型气体采样气道适配器的示例。
传统的主流型气体测量系统包括气体感测/测量组件和将检测的或测量的信号即电压，转换为诸如透射率之类的数值所需的信号处理，这个数值可以由主机系统使用来输出气体组分测量值。在主流型气体测量系统中，将气体感测/测量组件耦合到采样单元，其经常与气道适配器集成在一起，或者认为是气道适配器的一部分。将气道适配器串联放置在呼吸环路中，以使得在呼吸环路中的气流同样流过气道适配器。
在主流型或侧流型气体测量系统中，需要气体感测/测量组件来输出对应于被测量的气体的特性的信号。通常将这个信号提供给处理器，其将该信号转换为气体组分测量值。处理器可以与气体感测/测量组件处于同一外壳内，或者可以远离气体感测/测量组件。在后一情况下，提供通信链路以便将由气体感测/测量组件产生的信号提供给处理器。
在主流型气体测量系统中，采样单元以及由此的气体感测/测量组件直接与呼吸环路串联的布置导致了“易碎的”波形，其实时反映了在气道内的例如二氧化碳或氧气的测量气体的局部压力。采样单元位于呼吸气流中还避免了对于在侧流型气体测量系统中所必需的气体采样和净化的需要。
气流测量系统测量气体流动的速率。这种流量(flow)测量系统利用了各种不同的技术，以满足使用这种系统的临床和实际环境的苛刻要求。在流量测量方法中已经用于气道上监控的是：
1)压力差-测量在对流动的阻力上的压力下降或压力差；
2)旋转叶片-计算放置在流动通道中的叶片的旋转；
3)热线风速计-测量由于在被加热的线周围流过的气流所造成的该线的冷却；
4)超声多普勒仪-测量在超声波束穿过流动的气体时该超声波束的频率偏移；
5)涡旋脱落-计算随着气体流过放置在气流中的支柱而脱落的涡旋的数量；以及
6)飞行时间-测量在放置在下游的传感器的上游产生的声音或热的脉冲的到达时间。
依据每一种不同的气流测量方法，气道适配器的物理布局或结构的要求会改变。例如，对于执行压力差测量，通常在节流装置(也称为节流元件)两端放置两个压力感测端口，以便可以测量在该节流元件上的压降。在美国专利NO.5,535,633中说明了一种压力差气流气道适配器的示例。对于超声流量测量方法，在气道适配器中放置两个窗口，以使得超声波束尽可能地与流动方向呈锐角来探测气流。
还应注意，还可以利用在单个组件中组合诸如流量和气体测量值之类的不同测量值的气道适配器。在美国专利NO.6,312,389和美国专利申请NO.09/841,451(公开号no.2002/0029003A1)中说明了包括主流型气体测量值系统和流量测量系统的组合的气道适配器的示例。其内容通过参考并入本文。在美国专利NO.5,088,332中说明了主流型流量传感器与侧流型气体采样气道适配器的组合的示例。其内容通过参考并入本文。
假设将这些传感器用于监控病人的生理状况，则确保这些传感器适当地工作并产生可靠的输出是重要的。为此，已知了要避免诸如凝聚物、水和唾液之类的物质在测量组件上的积聚，测量组件例如是用于IR气体测量的窗口、用于基于发光感测的气体测量的胶片、流量感测组件、用于压力测量的孔板、用于热量测量的线丝，及用于光学或超声测量的窗口。例如，可以使用过滤器来从被传送到测量组件的气流中去除湿气和微粒。在其他情形下，测量组件可以配置为相当鲁棒，以使得它们即使在这些物质存在的情况下也适当地工作。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种呼吸成分测量系统，其克服了传统呼吸成分测量系统的缺陷。根据本发明的一个实施例，通过提供一种呼吸成分测量系统来实现这个目的，该系统包括：气道适配器，其适于放置为与病人的气道流体联通；以及传感器元件，其与气道适配器进行物理通信。传感器元件检测气道适配器的与方位相关的特性、气道适配器的与运动相关的特性或者二者。呼吸成分测量系统还包括呼吸成分传感器，其适于设置在气道适配器上。呼吸成分传感器测量与通过气道适配器的气流相关的参数。
本发明的再另一个目的是提供一种呼吸成分测量系统，其包括：气道适配器，适于放置为与病人的气道流体联通；以及传感器，其包括第一元件和第二元件。第一元件与气道适配器进行物理通信，第二元件适于检测与第一元件的方位相关的特性、第一元件的与运动相关的特性或者二者。提供了呼吸成分传感器，其适于放置在与病人的气道的流体传送通道中。
本发明的再另一个目的是提供一种测量呼吸成分的方法，其包括：(a)提供气道适配器，其适于放置为与病人的气道流体联通，(b)检测气道适配器的与方位相关的特性、气道适配器的与运动相关的特性或者二者，以及(c)检测通过气道适配器的气流的呼吸成分。
在参考附图考虑以下的描述和所附权利要求的情况下，本发明的这些及其他目的、特征和特性以及结构的相关元件的操作方法与功能、部件的组合及制造的经济性会变得显而易见，以下说明书、权利要求和附图构成了本发明的一部分，其中，相似的参考数字标记指定各图中相应的部分。然而显然会理解，附图仅是为了举例说明并描述，并不是旨在作为本发明的限制的定义。如在说明书和权利要求书中所用的，单数形式“一”和“该”包括复数的所指对象，除非上下文明确地指示与此不同。
附图说明
图1A-1D是显示了方位传感器的不同位置的主流型呼吸成分测量系统的示例性示意图；
图2是包括呼吸气体成分传感器的一种呼吸成分测量系统的示例性实施例的透视图，该呼吸气体成分传感器被配置为可拆装地固定到组合型CO₂/O₂/流量气道适配器；
图3是显示为旋转了大约45度的图1中的气道适配器的透视图；
图4是包括呼吸气体成分传感器的一种呼吸成分测量系统的示例性实施例的透视图，该呼吸气体成分传感器被配置为可拆装地固定到组合型CO₂/流量气道适配器；
图5是显示为旋转了大约45度的图3中的气道适配器的透视图；
图6A和6B是显示了方位传感器的不同位置的侧流型呼吸成分测量系统的示例性示意图；
图7是侧流型采样气道适配器的透视图；及
图8是示例性呼吸成分测量系统的方框图。
具体实施方式
本发明提供了一种呼吸成分侧流系统，包括呼吸成分传感器，其测量或检测与通过气道适配器的气流相关的特性，该系统能够检测气道适配器的与方位相关的特性、气道适配器的与运动相关的特性、或者二者。气道适配器的与方位相关的特性是对于气道适配器在空间中的倾斜或位置的测定。在示例性实施例中，气道适配器的与方位相关的特性按照气道适配器的以x、y和z轴中的一个或多个表示的定位或位置来表示。在类似的实施例轴，气道适配器的与方位相关的特性按照气道适配器的旋转、摆动和/或摇摆来表示。
与方位相关的特性可以仅包括一维的倾斜或位置，或者可以包括多于一维的倾斜或位置。本发明设想了与方位相关的特性包括气道适配器的方向、气道适配器的位置、气道适配器方向的变化、气道适配器位置的变化或者其任意组合。
用于检测气道适配器的与方位相关的特性的一个示例性目的，是向用户告知气道适配器可能的定向误差，这会对气道适配器的提供与通过气道适配器的气流相关的特性的可靠和/或准确的测量值的能力造成不利的影响，这个目的是借助适于布置在气道适配器上的呼吸成分传感器来实现的。
气道适配器的与运动相关的特性指的是在气道适配器上施加的任何力或运动。检测与运动相关的特性包括监控和/或测量在气道适配器上的力或者力的效果。与运动相关的特性的示例包括气道适配器的力、撞击(impact)、冲击(shock)、拉扯(jerk)、推动(impulse)、振动、加速、减速、运动或移动，加速度中的变化、减速度中的变化、运动中的变化、或者其任意组合。除了监控气道适配器的与方位相关的特性之外或者作为其替代，可以监控气道适配器的一个或多个与运动相关的特性。如以前的，可以提供关于气道适配器的与运动相关的特性的信息，以便向用户告知已经或正在作用于呼吸成分测量系统上的可能的冲击、振动、碰撞(blow)、撞击或其他力，其会削弱该系统的产生可靠和/或准确的测量值的能力。
本发明的呼吸成分测量系统还提供了将其中现有的气道适配器的与方位相关的特性、与运动相关的特性或其任意组合传递给用户和/或处理器的能力。例如，处理器可以使用倾斜量信息来确定气道适配器的倾斜量是否超出可接受的界限。对于与关于与方位相关的特性和/或与运动相关的特性的任何信息都可以进行类似的比较。
本发明设想了使用任何适合的监控技术来测量气道适配器的与方位相关的特性和/或气道适配器的与运动相关的特性。例如，可以使用一个或多个倾斜仪，其也称为重力或倾斜传感器，来测量或检测气道适配器的与方位相关的特性。倾斜仪测量物体相对于地球重心的角度。短语“倾斜传感器”常常用于描述特定地使用重力作为基准来测量倾斜的换能器。用于测量气道适配器的与方位相关的特性的一种适合的传感器是液体倾斜传感器(例如水银开关)。液体倾斜传感器通常输出二相信息(表示开或关的状态)，因此使用此类倾斜传感器仅仅能够检测倾斜何时超过某阈值角度。还可以使用根据磁阻特性来检测倾斜的传感器(例如罗盘)来测量倾斜量。
本发明还设想了使用一个或多个加速度计来测量气道适配器的与方位相关的特性和/或气道适配器的与运动相关的特性。加速度计非常适合用于本发明中，因为它们能够测量倾角(气道适配器的与方位相关的特性)以及撞击、位置中的变化或者移动(气道适配器的与运动相关的特性)。更具体的，常常使用加速度计，尤其是灵敏度在几个g(1g＝9.8m/sec²)附近的加速度计，来测量倾角以及撞击、位置中的变化或者移动。
加速度计通常用于以下三种模式之一：(a)作为速度和位置的惯性测量器；(b)作为2维或3维中倾角、倾斜或方向的传感器，其以重力加速度(1g＝9.8m/s²)作为参考；及(c)作为振动或撞击(冲击)传感器。
加速度计可以产生模拟或数字输出。例如，模拟加速度计可以输出依赖于所施加的加速度量而恒定变化的电压。数字加速度计常常使用称为脉宽调制的方法，输出可变频率方波。加速度计可以以一维、二维或三维方式测量。本发明设想了使用单轴、双轴或三轴加速度计。
为了用作倾斜传感器而测量重力加速度，具有±1.5g的输出范围的加速度计通常是足够的。对于用作撞击传感器，通常使用±5g或更多。对于倾斜感测，具有40-60Hz带宽的加速度计常常认为是足够的。对于振动测量或撞击力的准确读数，加速度计的带宽应在几百赫兹的范围内。这些类型的倾斜传感器中的任何一种都适合用于本发明的呼吸成分测量系统中。
还设想了在本发明中使用电容性感测或压电效应的加速度计。利用电容性感测的加速度计输出取决于在两个平面型表面之间的距离的电压。以电流来充电这些“板”中的一个或两个。改变在板之间的间隙就改变了系统的电容量，其可以被测量为电压输出。这个感测方法以其高精度和稳定性而著称。差动电容加速度计是普通电容性加速度计的变体，其使用差动电容传感器，其由独立固定的板和响应于在相对运动中的变化而偏斜的可移动的“浮动”中央板构成。在加速情况下，中央板的偏斜会导致在这个板任一侧上的两个电容器的电容中的差异。同样，这些传感器中的任意一种都可以用于本发明的呼吸成分测量系统中，来测量或检测气道适配器的与方位相关的特性和/或气道适配器的与运动相关的特性。
另外，由其他类型的加速度计也适合用于本发明中，包括但不限于：热量、零点平衡、伺服力平衡、变形测量器、共振、磁感应、光学、表面声波(SAW)、振动梁和电磁加速度计。适合用于本发明的加速度计的商业示例包括单轴、双轴和三轴加速度计，可以从例如Hitachi Metals H34C、Analog Devices(例如，ADXL 105，一轴；ADXL 202，两轴-差动电容加速度计)、MEMSIC(例如，2125GL 2轴热加速度计)和FreescaleElectronics(例如，MMA7260Q-3轴-电容性加速度计)之类的公司获得它们。Freescale Electronics提供具有4个用户可选灵敏度范围(±1.5g、±2g、±4g或±6g)的单个设备，这允许其在具有1.5g设定的倾斜检测算法与在6g设定的振动算法之间切换。
其他连续倾角传感器也适合用于本发明中。测量连续倾角的传感器的示例包括电解倾斜传感器(例如，Fredericks Company)，或者是用LED和光电检测器的阵列。这些类型的倾斜传感器中任何一种都适合用于本发明的呼吸成分测量系统，以测量气道适配器的与方位相关的特性和/或气道适配器的与运动相关的特性。
图1A-1D示出了呼吸成分测量系统的4个示例性实施例，总体上表示为5，其包括与气道适配器10进行物理通信的传感器21、22、23、24、25。传感器21、22、23、24、25是能够检测和/或测量气道适配器的一个或多个与方位相关的特性和/或气道适配器10的一个或多个与运动相关的特性。
在全部这些实施例中，气道适配器10是主流型气道适配器，并与呼吸环路30串联耦合，其一端耦合到呼吸器或压力/流量产生单元，另一端耦合到病人的气道。呼吸环路使用包括侵入性或非侵入性耦合技术的任何传统技术耦合到病人的气道。本发明还设想了在不耦合到呼吸器或压力/流量产生器的情况下，将气道适配器10耦合到病人的气道。
在图1A所示的实施例中，呼吸成分测量系统5包括呼吸成分传感器20，其适于耦合到气道适配器10。在这个实施例中，将与方位/运动相关的特性传感器21布置在呼吸成分传感器20中，呼吸成分传感器20选择性地耦合到气道适配器10。呼吸成分传感器20经由通信链路42与主机系统40进行通信。通信链路42可以是硬连线的连接、无线连接或其组合。适合用于这个结构中的示例性的与方位/运动相关的特性传感器21是加速度计型传感器。
会意识到，在这个实施例中，气道适配器10不必包括检测气道适配器的方位所需的任何组件，因为方位检测组件被安装到气道适配器上的呼吸成分传感器承载。因此，这个实施例尤其适用于气道适配器10是一次性的，即通常不重复使用的应用中。应注意，本发明设想了以永久或非永久方式将传感器21固定到呼吸成分传感器20。
呼吸成分传感器20可以是能够测量与通过气道适配器10的气流相关的特性的任何类型的传感器。适合用作呼吸成分传感器的示例性传感器包括流量传感器、体积传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器或其任意组合。如果呼吸成分传感器是气体传感器，本发明就设想了适合用于本发明中的各种气体传感器，例如红外辐射气体感测系统、发光猝灭气体感测系统、电化学气体感测系统或其任意组合。气体传感器可以用于测量二氧化碳、氧气、氮气、一氧化二氮、一氧化碳、挥发性有机化合物、麻醉剂、示踪气体、呼气呼吸标记物、一氧化氮或其任意组合。
图1B示出了呼吸成分测量系统5，在其中，气道适配器10包含与方位/运动相关的特性传感器，其由两个单独的组件来构成，而不是图1A的单个组件。在这个实施例中，与方位/运动相关的特性传感器由布置在气道适配器10上的感测元件23和布置在呼吸成分传感器20中的检测元件22来构成。如在以前实施例中的，呼吸成分传感器20或者是固定到气道适配器10或者是可选择性地连接到气道适配器10。在示例性实施例中，呼吸成分传感器20选择性地耦合到气道适配器。感测元件23与检测元件22的组合用于检测气道适配器10的与方位/运动相关的特性。例如，检测元件22用于检测感测元件23的物理位置、方向、移动等。
适合用于这个实施例的感测元件23的示例性实施例是磁体，其产生具有可检测的方向的磁场。例如，感测元件23的极性可以用于确定其在空间中的方向。感测元件包括布置在气道适配器上一个位置或多个位置处的多个磁体。检测元件22是能够检测由感测元件23产生的磁场并根据这个检测的场确定感测元件的与方位/运动相关的特性的任何设备。本发明还设想了将一个或多个磁体放置在呼吸环路30上，当其与气道适配器10相连时，可以由检测元件22检测在呼吸环路上的磁体的位置。
这个结构仅能够在气道适配器上提供无源、相对简单的元件，例如感测元件23(例如磁体)，而在呼吸成分传感器20上提供更复杂的与方位/突变相关的特性检测元件22。因此，与图1A中的类似，这个实施例尤其适合于气道适配器10是一次性的应用。当然，应注意，本发明设想了以永久或非永久方式将感测元件23固定到气道适配器10和/或呼吸环路30。就是说，可以配置气道适配器和感测元件23，以使得可以容易地将方位感测元件从气道适配器移除，以便将该感测元件再次用于其他气道适配器。
图1C示出了呼吸成分测量系统5，在其中将与方位/运动相关的特性传感器24布置在气道适配器10上。当将气道适配器10与呼吸成分传感器20耦合时，将由传感器24感测的与方位/运动相关的特性经由物理或无线连接传送到呼吸成分传感器。如以前的实施例中的，可以配置气道适配器10和与方位/运动相关的特性传感器24，以使得可以容易地将方位传感器从气道适配器移除，以便可以将与方位/运动相关的特性传感器再次用于其他气道适配器。
图1D的示出了呼吸成分测量系统5，在其中将气道适配器10耦合到呼吸成分传感器20，与方位/运动相关的特性传感器25位于呼吸环路30中。当呼吸环路30与气道适配器10装配在一起时，将与方位/运动相关的特性信息从传感器25传送到呼吸成分传感器20。
在图1A-1D的实施例中，主机系统40接收由与方位/运动相关的特性传感器21、24、25或者与方位/运动相关的特性检测元件22输出的与方位/运动相关的信号，并使用这个信息来检测气道适配器的与方位/运动相关的特性，例如，气道适配器相对于地球重力的倾斜。这个主机系统可以使用例如通过在显示器上显示信息的任何传统技术，输出与方位/运动相关的信息。主机系统还可以使用包括互联网通信在内的任何传统通信技术或网络，将与方位/运动相关的信息传送到远程位置，例如医院中的护士站或中央监控站。
本发明还设想了主机系统将由与方位/运动相关的特性传感器21、24、25或者与方位/运动相关的特性检测元件22提供的信号与阈值进行比较，并且，如果这个信号超出该阈值就输出警报或警告。另外或者可替换的，如果方位信号指示出气道适配器的方位在预定限度之外，主机系统可以例如通过关闭将气道适配器与呼吸成分传感器相通的阀门，来将呼吸成分传感器与呼吸环路和/或气道适配器断开和/或隔离。
本发明还设想了取消主机系统40，并在呼吸成分传感器20中提供能够由主机系统执行的部分或全部功能。在此情况下，可以在呼吸成分传感器上提供视觉、听觉和/或通信输出口，以便可以将方位确定、警报、警告等输出给用户。
在图2和3中显示了呼吸成分测量系统5的示例性实施例，其包括根据本发明的原理而构造并体现了本发明的原理的气道适配器120和互补对应的呼吸成分传感器100。更具体的，图2显示了呼吸成分测量系统5的透视图，其包括根据本发明原理的呼吸气体成分传感器100和气道适配器120。将呼吸气体成分传感器100经由通信链路110耦合到主机系统(未示出)。在这个实施例中，呼吸气体成分传感器100被配置为可拆装地固定到气道适配器，其是组合型CO₂/O₂/流量气道适配器，适于与病人呼吸环路(未示出)装配在一起。
组合型CO₂/O₂/流量气道适配器是能够提供对二氧化碳(CO₂)、氧气(O₂)的气体测量值和流量测量值的气道适配器。在Mace等人的美国专利申请no.09/841,451(公开号no.2002/0029003)(“’003申请”)中公开了一种气道适配器，其适于借助红外吸收来测量CO₂并借助发光猝灭来测量O₂，其内容通过参考并入本文。在Russell的美国专利申请no.11/368,832(公开号no.2006/0145078)(“’078申请”)中公开了能够容纳以上气道适配器的气体测量系统，其内容通过参考并入本文。
呼吸气体成分传感器100包括气体传感器，用于测量在通过气道适配器的气流中的气体组分的量。在示例性实施例中，呼吸气体成分传感器100包括外壳，其包含红外发射器和红外检测器，用于测量CO₂。气道适配器120包括至少一个窗口122，其允许来自红外发射器的红外射线穿过流经气道适配器的气流。在示例性实施例中，将第二窗口布置在气道适配器另一侧并与窗口122相对，其允许将已经穿过了流经气道适配器的气流的红外射线引导回检测器进入呼吸气体成分传感器100。
在这个实施例中，呼吸气体成分传感器100还包括发光猝灭型气体传感器，它通常用于测量O₂。发光猝灭系统包括布置在呼吸气体成分传感器100中的激发辐射源和发光检测器。气道适配器120包括窗口129，激发射线通过窗口129以便在借助通过气道适配器的气流进行流体传送中，激励布置在气道适配器中的发光材料。
通过端口126和128来测量流量。具体地，将管道耦合到端口126和128。将管道的另一端耦合到压力传感器，其提供在包含在气道适配器中的节流器两侧之间的压力差测量值。在节流器任意一侧上的压力差用于确定通过气道适配器的气流速度。在这个示例性实施例中，将气道适配器120的流量测量组件和气体感测组件布置在并排或串联结构中。
通常将气道适配器120装配在呼吸环路中的弯管与“Y”型件之间，弯管连接到诸如面罩或气管导管的病人接口，“Y”型件连接到正压力产生器，例如呼吸器。例如，本发明设想了将远端部分127耦合到病人接口，并将近端部分132耦合到“Y”型件或者呼吸环路的其它部分。
在本发明的示例性实施例中，主机系统向呼吸气体成分传感器供电，接收气体浓度信号，并从呼吸气体成分传感器得到测量值输出。在气体浓度信号是二氧化碳浓度信号的情况下，主机系统显示测量值，例如(a)二氧化碳在病人呼气中的浓度，(b)吸入的二氧化碳，(c)呼吸速度，和/或(d)末端波动的二氧化碳。
本发明还设想了呼吸成分气体传感器可以是电池供电的，采用了集成的或分离的电池组。与主机系统的通信可以以无线方式进行，或者可以经由到主机系统的硬连线连接来进行。设想了使用本领域已知的协议的无线通信，所述协议例如蓝牙、Zigbee、用于体域网(BAN)和个域网(PAN)中的UWB。呼吸气体成分传感器还可以通过电缆连接到集线器，集线器合并来自气体测量系统的信号和其它生理测量值。
本发明的发明人认识到，为了确保本发明的气流/感测系统的正确操作，将气道适配器120保持在如图2所示的、在空间中基本上竖直的方位上是有帮助的。如果气道适配器120的位置被扰动而偏离这个基本上竖直的位置，如图3所示，那么从呼吸气体成分传感器100获得的测量值，以及来自气道适配器120的流量感测部分的测量值的精度就会降低。例如，如果将气道适配器120从这个基本上竖直的位置相对于纵轴115旋转(转动)角度θ，从而使得角度θ超出了一个预定阈值，那么气道适配器120就会更易于受到流体的影响，从而对气体和/或流量测量值造成不利影响。例如，流体会聚集在窗口122上，使得用这个窗口得到的气体组分测量值不可靠和/或不准确。
另外，图2中所示的方位使得通过端口126和/或128进入压力感测管道的水，和/或在窗口122或129的水积聚最小。图3所示的实施例显示了相对于纵轴115的约45度的倾斜角。例如，对于相对于纵轴115的大于45度的倾斜角，即θ＞45°，CO₂测量窗口122和氧气感测窗口/胶片129，及压力传感器(经由感测管道)更不易于抵抗液体的暴露或这些液体的进入。在所示实施例中，由呼吸气体成分传感器100内的方位传感器(未示出)来感测倾斜角。为了感测关于纵轴115的旋转(即转动)，可以使用能够响应于或检测在一个旋转轴中的位置的变化的传感器。当然，必须将这个传感器布置为能够引导气道适配器120的旋转。
本发明还设想了使用能够监控三维空间中的变化的传感器。除了转动角度之外，还可以感测由图3中角度α指定的斜度量和由图3中角度β指定的偏离。然而注意，在这个示例中，传感器仅受到转动。
设想了可以预先定义、用户定义、自动设定或手动设定在空间中可接受的角度和位置的阈值。在试验台上的或临床设定中的实验可以用于确定这些阈值应为何值。另外，这些阈值本质上可以是模糊，以使得对主机系统或用户的指示在位置发生变化的情况下可以紧急增大或减小。可以由临床医生设定阈值。例如，如果临床医生发现特定位置导致唾液或流体干扰测量值，那么就通过主机系统向呼吸气体成分传感器100指示这个位置，并相应的调整阈值。
另外，还可以动态地改变用于和与方位/运动相关的特性进行比较以确定它们是否在可接受的程度内的阈值。例如，本发明设想了提供湿度传感器来感测流过气道适配器的气体中的水分含量。可以根据湿度传感器的输出来设定阈值。例如，如果气体具有相对较高的湿度，那么就可以降低阈值，以便在达到不可接受的倾斜程度之前允许较小的倾斜。
图4和5示出了适合用于本发明的呼吸成分测量系统5的气道适配器130的另一个示例性实施例。在’003申请中也公开这种气道适配器。如在以前的实施例中的，将呼吸成分传感器(未示出)耦合到气道适配器130，如箭头131所示的。在这个实施例中，气道适配器130是组合型CO₂/流量气道适配器。将包括端口136和138的流量感测组件与包括窗口132的气道适配器的气体组件并行布置。
图6A和6B示意性地示出了根据本发明原理的侧流型呼吸成分测量系统。这些附图显示了在这个系统中与方位/运动相关的特性传感器126的位置的不同布置。在Pierry等人的美国专利No.6,954,702中公开了侧流型呼吸成分测量及其系统，其内容通过参考并入本文。
侧流型气体测量系统包括在通过管150与病人的气道适配器的流体传送中的采样单元。在’702专利所示的实施例中，采样单元选择性地连接到外壳。更具体的，在外壳中提供插座形式的采样单元连接器，以允许采样单元选择性地连接到外壳，以便将采样单元与在外壳中提供的气体传感器的组件对齐。将气道适配器140与呼吸环路30连接成一直线，以便将采样管150连接或连通到呼吸环路。
通常提供了泵，以便将气体从气体采样位置吸入采样单元。如在传统侧流型系统中的情况下，气体传感器输出表示在采样单元中的气体的特性的信号。将这个信号提供给气体监控器，其处理该信号以根据该信号确定呼吸气体变量。处理器接收呼吸气体变量，并通过通信链路将其传送到主机系统。通信链路是硬连线的或无线的。
在图6A中，将与方位/运动相关的特性传感器26布置在气道适配器10上，并通过物理连接(未示出)或通过无线通信与呼吸成分传感器或主机系统通信。在图6B中，将与方位/运动相关的特性传感器26耦合到病人环路30，并与呼吸成分传感器或主机系统进行物理通信或无线通信。
图7示出了侧流采样气道适配器140，适合用于呼吸成分测量系统5中。气道适配器140包括近端部分149和远端部分147，远端部分147与呼吸环路相连。将端盖144耦合到气道适配器的主体142，构成采样部分，从该采样部分将气体的侧流抽出气道适配器。在端盖144中构成了开口146，用于将采样管(未示出)连接到气道适配器。在美国专利No.6,935,338和7,059,322中公开了适合用于呼吸成分测量系统的侧流型采样气道适配器，其内容通过参考并入本文。
本发明设想了将与方位/运动相关的传感器布置在与侧流型气道适配器140的物理连通中。它可以在端盖144内或者附着到或入一个被装配以便与气道适配器一起使用的组件。在示例性实施例中，与方位/运动相关的特性传感器需要非常低的功率，并且可以包括其自己的电源和脉宽以及用于将其输出传送到附近的在主机系统或主机系统的组件中的接收机的装置。
图8是电路架构200的示例性实施例的方框图，其适合用于呼吸成分测量系统5中。电路架构200包括信号处理和控制元件/电子装置，其用于测量并计算对于例如二氧化碳的红外线吸收气体和/或例如氧气的发光猝灭气体的值。可以连续地进行这些计算，即，在电路的每一个处理循环期间进行计算，或者间歇地进行计算，例如，以预定间隔进行计算，或者仅在需要时才进行计算。在图8所示的实施例中，信号处理和控制元件/电子装置显示为布置在呼吸成分传感器20中。然而，可以理解，这些组件也可以布置在主机系统40中，或者它们可以分布在主机系统与传感器20之间。
图8中所示的示例性电路架构200包括全部信号处理和控制电子装置，并利用高度集成的数字信号处理(DSP)技术，需要这些技术来在小型单芯片处理器内执行许多复杂的电子接口功能，包括程序和数据存储以及模数转换。DSP在呼吸成分传感器20内的设置能够实现控制电路到方位测量设备的容易的连接。
电路架构200包括处理器210，其提供了控制、测量和信号处理功能。适合用于本发明的示例性处理器是由Texas Instruments制造的TMS320F2812DSP。处理器210向用于发光猝灭测量的红外光源和可见光LED(例如绿色或蓝色LED)提供光源时序信号232。这些LED位于光学组件230中。可执行程序和数据存储在存储器220中，其通过链路222与处理器210通信。在处理器210内进行模数转换之前，放大来自红外检测器和可见光检测器的数据信号234，其中，红外检测器在所发射的红外射线经过气道适配器窗口之后对其进行接收，可见光检测器接收经过猝灭处理的经反射和散射的可见光。将来自检测器的低电平信号进行AC耦合、放大和电平转换，以实现完整的信号获取。
在示例性实施例中，电路200还包括热学系统240，其单独地控制红外检测器和与发光感测胶片物理连通的加热器的温度。使用来自处理器210的控制信号242和去往处理器的温度信号244来完成这个控制。
处理器210通过数据链路260与主机监控器40双向传送数据。数据链路260可以是无线链路、硬连线的链路或者其组合。本发明还设想了直接在呼吸成分传感器20上提供输入/输出设备，以便可以将来自处理器的数据输出显示在传感器表头上。
在这个实施例中，主机系统40通过电源耦合270向包括电路20的呼吸成分传感器20供电。会理解，本发明还设想了在传感器表头20中提供电源，例如一个电池或多个电池，从而无需电源耦合270。
在示例性设备中是加速度计的与方位/运动相关的特性传感器250由处理器210通过控制线252进行控制，并将与方位/运动相关的数据254传送到处理器。在这个示例性实施例中，将小型低成本3轴加速度计在呼吸成分传感器20中用作与方位/运动相关的特性传感器。呼吸成分传感器20还以红外吸收测量二氧化碳，以发光猝灭测量氧气，并借助于压力差感测测量流量。运行在处理器210上的软件与加速度计相连，并允许对诸如倾斜的呼吸成分传感器20的与方位/运动相关的特性进行监控。如果所监控的与方位/运动相关的特性超出了预定量，例如，如果在三轴的任意一个中的倾斜超出了预定量，就将消息或警报传送到主机监控器。主机监控器通过主机系统显示器或者其他指示元件警告用户倾斜已经超出了可接受的程度。用户于是可以重新定位气道适配器以及与之连接的呼吸成分传感器，一杯更正倾斜量。
本发明设想了如果气道适配器保持在“倾斜”的位置大于确定的时间量，并且如果借助CO₂和/或流量检测到的呼吸大于预定时间量(例如几分钟)，就显示“倾斜”指示。例如，可以由X、Y、Z空间中的圆锥体定义可接受的位置，并且如果传感器的位置在规定的圆锥体之外，那么就可以产生错误消息和其他警告。
本发明还设想了使用设置在气道适配器上或者呼吸成分传感器上的可见指示器来向用户指示气道适配器的位置何时需要重定方位或者处于可接受的位置。这可以用可见指示器来完成，其包括但不限于单个LED、多个LED和小型LCD。例如，当气道适配器错位时可以点亮红色LED，当其被重新定位在可接受的位置时，可以点亮绿色LED。还设想了音频指示器。这可以通过已知的声音产生方法来完成。
另外，根据呼吸成分传感器的类型或者适合于呼吸成分传感器的气道适配器的类型，可以为与方位/运动相关的特性定义不同的圆锥体或可接受度范围。例如，图2-3中所示的与气道适配器相连的呼吸成分传感器会定义这样的可接受度空间：它会是沿图4-5中所示的与气道适配器相连的呼吸成分传感器的基本上垂直的轴的镜像。位于例如图2所示的规定的可接受度空间中的诸如图2-3中所示的气道适配器使得进入压力感测端口的流体最少，并且使得流体在用于基于红外感测和发光的气体测量的窗口上的积聚最少。
本发明的示例性实施例设想了使用加速度计来确定与方位/运动相关的特性。在感测与运动相关的特性中，加速度计可以监控诸如自由下落和冲击之类的参数。在给定呼吸成分传感器20的潜在的小尺寸及其在电缆端的位置的情况下，它易于落下和/或碰撞在坚硬表面上。假定给与方位/运动相关的特性传感器通电，软件可以监控与运动相关的特性的出现，例如，振动、撞击、自由下落、抖动、推动和冲击，并且或者在EEPROM中存储历史记录，或者将这个消息传送到主机监控器。还可以存储与运动相关的特性的出现的数量、量值和类型。这个消息可以用于维护/质保，并有可能用于给用户的建议。
本发明设想了可以预先定义、用户定义、自动设定或手动设定与运动相关的特性的可接受的出现的阈值。设想了多个阈值，包括用于警告用户或操作者的一个阈值，和用于报警或者甚至停止系统工作的第二阈值。例如，如果冲击超出了已知的一向会导致设备受损的g的预定数量，那么如果测量到这个冲击，则停止设备的工作就是明智的。另外，与运动相关的特性的监控可以应用于侧流型系统。
本发明的特点具有以下多个优点，包括增加测量系统中的可靠性和用户置信度、在不利条件下的基础测量、以及自动评价对设备的潜在损害的能力(例如，冲击大于5g)等。另外，加速度计的存在允许监控系统振动。设想了源于病人或呼吸器的这些所测量的振动可以用于诊断目的，例如异常呼吸方式的检测(例如，喘息、不同时性)，或者呼吸器诊断(不正常工作的阀门等)。
另外，本发明包括包含主流流量和侧流气体部分，以及主流型气体与侧流气体部分的结构。此外，设想了包括具有方位传感器的气体组件和流量组件的呼吸成分传感器。Russell的美国临时专利申请no.60/808,312描述了一种呼吸成分传感器，其包括呼吸气体和流量组件，其内容通过参考并入本文。美国专利No.6,691,579描述了呼吸气体组件成分传感器和可用夹子夹住的流量组件，其内容通过参考并入本文。
可以监控与运动相关的信息，并将其用于控制呼吸成分测量系统和/或做出与呼吸成分测量系统相关的建议。例如，可以监控并追踪冲击、撞击、加速、减速的数量、频率和/或量值。可以将这个信息与可接受的阈值进行比较，并且根据该比较的结果，将其用于停止呼吸成分测量系统或其组件的工作，向用户提供警告，或者向用户做出建议，例如，对系统进行维修和/或检查。
尽管根据当前认为是最实际和优选实施例，出于举例说明的目的详细描述了本发明，但会理解，这些细节仅是针对这个目的的，本发明不限于所公开的实施例，相反，旨在覆盖在所附权利要求的精神和范围内的修改和等价装置。例如，会理解，本发明设想了，在尽可能的程度上，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个或多个特征相结合。