本发明涉及一种用于气体感测的装置、方法和呼吸监测系统。
背景技术：
1、用于检测目标气体成分(例如二氧化碳)在气体样本中的分压(或浓度)的一些红外(ir)传感器通过如下方式来操作：测量气体样本中在某些波长处吸收的ir辐射在针对目标气体的吸收光谱内的比例，所述吸收光谱是目标气体而非另一气体成分(例如水蒸气)所特有的。二氧化碳的一些吸收带具有中心在以下波长附近的吸收峰：2μm(微米)、2.7μm和4.3μm。通过比较，水蒸气的一些吸收带具有中心在以下波长处的吸收峰：1.38μm、1.87μm和2.7μm。对这样的ir传感器中使用的波长的合适选择可以有助于测量目标气体在气体样本中的分压，气体样本例如可以从临床设施中的对象或在环境监测应用中获得。
2、在二氧化碳描记中，这样的ir传感器可以用于测量二氧化碳在对象的呼吸周期期间由其呼出的气体中的分压(以及因此浓度)。这样的二氧化碳测量结果可以指示对象的健康状况，并且可以用于各种临床和急救场景。某些临床和急救场景可能要求快速且准确地测量对象在其呼吸周期期间的二氧化碳曲线。可能存在这样的场景，其中，如同不同的临床场景可能遭遇的，需要在宽泛的环境温度范围内采集这样的测量结果。
3、在一些范例中，一些ir传感器中的ir辐射的源可以包括电动宽带ir辐射源，如白炽灯或气体放电灯。在一些范例中，两个或更多个ir检测器可以用于测量由气体样本区域中的目标气体成分对不同波长处的ir辐射的吸收。由ir检测器产生的信号可以指示目标气体的分压。
4、然而，由ir源输出的ir辐射的光谱功率以及ir检测器的光谱响应可能由于各种因素(如环境温度的改变)而变化。某些技术可以用于减小这些因素对用于确定目标气体的分压的测量结果的准确度的影响。例如，可以通过以合适的速率供应电功率来适当地控制(一个或多个)ir源，以确保光谱输出功率和系统温度被维持在可接受的范围内。在另一范例中，可以使ir检测器受温度控制(例如，通过加热和/或冷却)，以确保ir检测器的光谱响应被维持在可接受的范围内。在另一范例中，可以在需要时重新校准ir源和/或ir检测器，诸如在环境温度漂移到可接受的范围之外时。在另一范例中，可以基于对之前获得的测量结果的分析，补偿由ir检测器采集的测量结果。这种控制和/或补偿的实施方式可能与在ir传感器的功耗、所用部件数目、尺寸、重量、成本、复杂度和/或功能方面的权衡相关联。
技术实现思路
1、本文中描述的各方面或各实施例可以涉及改进用于气体感测的装置、方法和系统的实施方式和/或部署。本文中描述的各方面或各实施例可以消除与不同场景中的气体感测和/或用于这种气体感测的硬件相关联的一个或多个问题。
2、在本发明的第一方面，描述了一种装置。
3、所述装置包括红外ir生成系统。所述ir生成系统包括第一ir源，其被配置为产生用于形成第一光谱带中的第一ir光束的ir辐射。所述ir生成系统还包括第二ir源，其被配置为产生用于形成第二光谱带中的第二ir光束的ir辐射。第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联。第二光谱带与目标气体的第二衰减系数相关联。第二衰减系数高于第一衰减系数。由第一ir源产生的ir辐射的强度可响应于对用于操作第一ir源的功率的调制而在时间上调制。由第二ir源产生的ir辐射的强度可响应于对用于操作第二ir源的功率的调制而在时间上调制。由第一ir源产生的ir辐射的强度可独立于由第二ir源产生的ir辐射的强度而调制。
4、所述装置还包括光束操纵系统。所述光束操纵系统被配置为将第一ir光束和第二ir光束的光束路径进行组合，并沿光束路径引导第一ir光束和第二ir光束通过气体样本区域。
5、所述装置还包括ir检测系统。所述ir检测系统被配置为检测第一ir光束和第二ir光束在经过气体样本区域之后的强度。所述ir检测系统被配置为产生信号。所述信号指示检测到的归因于所述第一ir光束的强度，其中，从信号的第一时间间隔导出的第一参数指示第一ir光束在气体样本区域中的衰减水平。所述信号还指示检测到的归因于所述第二ir光束的强度，其中，从信号的第二时间间隔导出的第二参数指示第二ir光束在气体样本区域中的衰减水平。第二参数与第一参数之间的比较指示目标气体在气体样本区域中的浓度。
6、下文描述涉及第一及其他方面的一些实施例。
7、在一些实施例中，目标气体是用于由对象吸入的气体中的至少一种成分和/或由对象呼出的气体中的至少一种成分。所述装置可以被配置为获得对至少一种成分在从由对象吸入的气体和/或由对象呼出的气体中获得的气体样本中的浓度的指示。
8、在一些实施例中，所述信号包括第一信号分量和第二信号分量的卷积，第一信号分量对应于检测到的归因于第一ir光束的强度，并且第二信号分量对应于检测到的归因于第二ir光束的强度。第一参数可基于第一时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积从所述信号导出。第二参数可基于第二时间间隔中的第一信号分量和第二信号分量的去卷积从所述信号导出。
9、在一些实施例中，由第一ir源和第二ir源产生的ir辐射的强度是可调制的，使得由第一ir源产生的ir辐射的强度是在与由第二ir源产生的ir辐射的强度相同频率但异相调制的。
10、在一些实施例中，由第一ir源和第二ir源产生的ir辐射的强度是可调制的，使得由第一ir源产生的ir辐射的强度是在与由第二ir源产生的ir辐射的强度不同频率调制的。
11、在一些实施例中，由第一ir源和第二ir源产生的ir辐射的强度是可调制的，使得由第一ir源产生的ir辐射的强度具有比由第二ir源在第一时间间隔期间产生的ir辐射更高的强度。
12、在一些实施例中，由第一ir源和第二ir源产生的ir辐射的强度是可调制的，使得由第二ir源产生的ir辐射的强度具有比由第一ir源在第二时间间隔期间产生的ir辐射更高的强度。
13、在一些实施例中，由第一ir源和第二ir源产生的ir辐射的强度是可调制的，使得由第二ir源产生的ir辐射是在一时间段上连续或重复产生的。由ir检测系统在所述时间段上产生的信号可以指示针对第二参数的多个值。针对第二参数的多个值可以指示在所述时间段上第二ir光束在气体样本区域中的衰减水平。针对第二参数的多个值可以指示目标气体的浓度在该时间段上的任何变化。
14、在一些实施例中，由第一ir源和第二ir源产生的ir辐射的强度是可调制的，使得由第一ir源产生的ir辐射在所述时间段之前、期间和/或之后产生至少一次。在所述时间段之前、期间和/或之后由ir检测系统至少一次产生的信号可以指示针对第一参数的至少一个值。针对第一参数的至少一个值可以指示第一ir光束在气体样本区域中的衰减水平。
15、在一些实施例中，所述时间段对应于呼吸周期的阶段。
16、在一些实施例中，光束操纵系统被配置为将第一ir光束和第二ir光束通过气体样本区域的光学路径进行组合，使得第一ir光束和第二ir光束的光轴在气体样本区域中共线。
17、在一些实施例中，所述装置还包括控制系统，其用于调制用于操作第一ir源和第二ir源的功率，以独立调制由第一ir源产生的ir辐射的强度和由第二ir源产生的ir辐射的强度。
18、在一些实施例中，控制系统被配置为，响应于接收到对是否要确定第一和/或第二参数的指示，调制由第一ir源产生的ir辐射的强度和由第二ir源产生的ir辐射的强度，使得ir检测系统产生指示第一参数和/或第二参数的信号。
19、在一些实施例中，所述装置还包括处理系统，其被配置为从所述信号导出第一参数和第二参数，和/或执行第二参数与第一参数之间的比较，以获得对目标气体在气体样本区域中的浓度的指示。
20、在一些实施例中，处理系统被配置为基于在第一时间间隔期间获得的一系列信号值来根据所述信号确定第一参数。
21、在一些实施例中，处理系统被配置为基于在第二时间间隔期间获得的一系列信号值来根据所述信号确定第二参数。
22、在一些实施例中，处理系统被配置为基于对由第一ir源产生的ir辐射的经调制强度和由第二ir源产生的ir辐射的经调制强度的指示时序，从第二信号分量去卷积第一信号分量，第二信号分量对应于检测到的归因于第二ir光束的强度，第一信号分量对应于检测到的归因于第一ir光束的强度。处理系统可以还被配置为从第一信号分量导出第一参数，并从第二信号分量导出第二参数。
23、在一些实施例中，ir检测系统包括ir检测器，ir检测器包括ir敏感检测区，ir敏感检测区被定位为使用同一检测区来检测第一ir光束和第二ir光束两者。
24、在一些实施例中，ir生成系统还包括第三ir源，其被配置为产生用于形成第三光谱带中的第三ir光束的ir辐射。第三光谱带可以与第二目标气体的第三衰减系数相关联。第三衰减系数可以高于第一衰减系数。由第三ir源产生的ir辐射的强度是能够响应于对用于操作第三ir源的功率的调制而在时间上调制的。由第三源产生的ir辐射的强度是能够独立于由第一ir源和第二ir源产生的ir辐射的强度而调制的。光束操纵系统可以被配置为将第一ir光束、第二ir光束和第三ir光束的光束路径进行组合，并沿所述光束路径引导第一ir光束、第二ir光束和第三ir光束通过气体样本区域。ir检测系统可以被配置为检测第一ir光束、第二ir光束和第三ir光束在经过气体样本区域之后的强度。由ir检测系统产生的信号还可以指示检测到的归因于第三ir光束的强度。从信号的第三时间间隔导出的第三参数可以指示第三ir光束在气体样本区域中的衰减水平。第三参数与第一参数之间的比较可以指示第二目标气体在气体样本区域中的浓度。
25、在本发明的第二方面，描述了一种呼吸监测系统。所述呼吸监测系统包括呼吸气体采样系统。所述呼吸气体采样系统被配置为获得呼吸气体样本。所述呼吸监测系统还包括根据第一方面或任一相关实施例的装置。所述呼吸气体采样系统被配置为在装置的气体样本区域中提供所获得的呼吸气体样本。所述装置还被配置为产生对目标气体在所获得的呼吸气体样本中的浓度的指示。
26、在本发明的第三方面，描述了一种方法。
27、所述方法包括使用第一ir源产生用于形成第一光谱带中的第一ir光束的ir辐射。
28、所述方法还包括使用第二ir源产生第二光谱带中的第二ir光束，
29、第一光谱带与目标气体的第一衰减系数相关联。第二光谱带与目标气体的第二衰减系数相关联。第二衰减系数高于第一衰减系数。由第一ir源产生的ir辐射的强度可响应于对用于操作第一ir源的功率的调制而在时间上调制。由第二ir源产生的ir辐射的强度可响应于对用于操作第二ir源的功率的调制而在时间上调制。由第一ir源产生的ir辐射的强度可独立于由第二ir源产生的ir辐射的强度而调制。
30、所述方法还包括使用光束操纵系统将第一ir光束和第二ir光束的光束路径进行组合，以沿所述光束路径引导第一ir光束和第二ir光束通过气体样本区域。
31、所述方法还包括使用ir检测系统来检测第一ir光束和第二ir光束在经过气体样本区域之后的强度。
32、所述方法还包括使用ir检测系统产生信号。所述信号指示检测到的归因于第一ir光束的强度。从所述信号的第一时间间隔导出的第一参数指示第一ir光束在气体样本区域中的衰减水平。所述信号还指示检测到的归因于第二ir光束的强度。从所述信号的第二时间间隔导出的第二参数指示第二ir光束在气体样本区域中的衰减水平。第二参数与第一参数之间的比较指示目标气体在气体样本区域中的浓度。
33、根据本文中描述的某些实施例，可以通过组合ir光束，对至少两个独立调制的ir光束进行多路复用，以便于以减小或最小的温度相关性，测量由目标气体导致的ir光束的衰减。某些实施例可以允许基于与每个ir源的ir辐射输出曲线的同步(例如，基于ir源电阻的模型和/或ir源的类型的知识)，对来自用于检测至少两个ir光束的强度的ir检测系统的信号进行多路复用。某些实施例可以实现来自ir检测系统的快速和/或准确的信号多路复用。某些实施例可以提供这样的装置，其能够在紧凑和/或稳健的包中以相对低的功率操作(例如，由于减少的部件数目和/或对ir源的独立调制)，同时还在相对宽的环境温度范围内提供准确的测量结果。某些实施例可以被部署用于多气体感测应用。某些实施例涉及这样的装置，其可以可部署在诸如临床和/或紧急场景的一系列场景中，同时仍提供快速且准确的测量结果(例如，用于二氧化碳描记应用)。
34、根据后文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些及其他方面将是明显的，并将参考这些实施例得以阐明。
1.一种装置(100)，包括：
2.如权利要求1所述的装置，其中：
3.如权利要求1至2中的任一项所述的装置，其中，所述信号包括第一信号分量和第二信号分量的卷积，所述第一信号分量对应于由于所述第一ir光束而检测到的强度，所述第二信号分量对应于由于所述第二ir光束而检测到的强度，其中：
4.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，由所述第一ir源和所述第二ir源产生的所述ir辐射的所述强度能够调制为使得发生以下中的至少一个：
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述时间段对应于呼吸周期的阶段。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的装置(600)，其中，所述光束操纵系统(612)被配置为将所述第一ir光束(606)和所述第二ir光束(610)通过所述气体样本区域(614)的所述光学路径进行组合，使得所述第一ir光束和所述第二ir光束的光轴(642)在所述气体样本区域中共线。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的装置(600)，还包括控制系统(644)，所述控制系统用于调制用于操作所述第一ir源(604)和所述第二ir源(608)的功率，以独立调制所述由所述第一ir源产生的所述ir辐射的所述强度和由所述第二ir源产生的所述ir辐射的所述强度。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述控制系统被配置为，响应于接收到对是否要确定所述第一参数和/或所述第二参数的指示，调制由所述第一ir源产生的所述ir辐射的所述强度和由所述第二ir源产生的所述ir辐射的所述强度，使得所述ir检测系统产生指示所述第一参数和/或所述第二参数的所述信号。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的装置(600)，还包括处理系统(646)，所述处理系统被配置为根据所述信号导出所述第一参数和所述第二参数，和/或执行所述第二参数与所述第一参数之间的比较，以获得对所述目标气体在所述气体样本区域中的所述浓度的指示。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述处理系统被配置为：
11.如权利要求9至10中的任一项所述的装置，其中，所述处理系统被配置为：
12.如权利要求1至11中的任一项所述的装置，其中，所述ir检测系统(616)包括ir检测器(648)，所述ir检测器包括ir敏感检测区，所述ir敏感检测区被定位为使用同一检测区来检测所述第一ir光束和所述第二ir光束两者。
13.如权利要求1至12中的任一项所述的装置(700)，其中：
14.一种呼吸监测系统(200)，包括：
15.一种方法(800)，包括：
