[发明专利]微型光谱仪气体分析器

说明书

优先权声明

本申请作为部分继续申请(CIP)要求根据美国法典第35卷第120条(35U.S.C§120)享有2006年12月29日提交的美国专利申请No.11/648,851的优先权，美国专利申请No.11/648,851作为CIP要求根据美国法典第35卷第120条享有2004年9月10日提交的美国专利申请No.10/939,279，现在的美国专利No.7,157,711的优先权，而美国专利No.7,157,711作为CIP要求根据美国法典第35卷第120条享有2002年8月23日提交的美国专利申请No.10/227,135，现在的美国专利No.6,791,086的优先权，而美国专利No.6,791,086要求根据美国法典第35卷第119条(e)享有2001年8月31日提交的美国临时专利申请No.60/316,763的优先权，在此通过引用的方式合并每个申请的内容。

技术领域

本发明涉及用于有效且健壮地测量呼吸及麻醉气体的气体浓度/分压的方法和装置。

背景技术

本领域普通技术人员公知非分光红外(NDIR)型气体分析器的工作原理，即通过以下步骤来确定特定气体的浓度：(a)指引红外辐射(IR)通过气体混合物的样品，(b)对该红外辐射分别滤波以最小化每个特定气体所吸收的频带以外的能量，(c)测量进入一个或多个探测设备上的已滤波的辐射，以及(d)将每个气体的红外吸收的测量结果与其浓度关联。可被测量的气体在红外光谱的特定波长处表现出增加的吸收(以及减少的透射)，使得气体浓度越大，吸收成比例得越大并且透射成比例得更低。这种NDIR技术的扩展使用连续的、线性带通滤波器，在该滤波器后面紧接着线性阵列的探测器。

气体分析器广泛用于医疗应用中，并且其特点在于可位于患者的呼吸气体的主路径中(主流分析器)或者位于通常平行于主路径的辅助路径中(侧流分析器)。设置主流分析器使得受试者吸入或呼出的呼吸气体通过分析器放置在其上的气管接口(airway adapter)。主流的设计要求光学和电子元件与患者的气管进行接口，或者与呼吸电路进行接口，所述呼吸电路与患者进行通信并位于与患者非常接近的位置。结果，为了能够被临床应用接受，主流气体分析器必须设计成紧凑、重量轻但是健壮的结构，该结构不会受到与医疗保健设施的延长使用相关的典型机械损伤(abuse)和温度变化的影响。

尽管对于少量的特定、非重叠的光谱波长来说，常规的主流气体分析器是够用的，但是其难以改变感兴趣的波长。如果存在2或3种感兴趣的波长，则系统效率逐渐变低，并且提供明显好于0.1微米，IR区域中的FWHM(半高宽度)的分辨率是非常困难和昂贵的。

利用光栅光谱仪用于气体分析是公知的。有两种常见的光栅光谱仪结构：摄谱仪，其最初将光谱分布一条照相底片上或线性阵列探测器上；以及光谱仪，其使用设置在适当位置或角度的单个探测器，以记录具体的谱元素。

对于IR气体测量而言，IR源提供了被准直并通过气体样品单元的宽带能量。将在特定波长处衰减的已准直的宽带能量被指引导衍射光栅，并在光栅处发生衍射，扩散成连续谱，并使用镜聚焦到小探测器上。衍射光栅围绕与光栅线平行并基本与衍射光栅的面共轴的轴旋转。当衍射光栅旋转时，光谱被扫描通过单个探测器。由于衍射光栅旋转与探测器读取电子器件是同步的，所以能够隔离和记录特定的，但是任意的光谱特征。

不言自明，微型光谱仪应该小且轻。例如，本发明设想将光谱仪制成足够小和轻，以直接用在患者气管上，即，安装在患者电路上的主流设计中。然而，虽然光学器件通常可制造得足够小以满足该目的，但是难以将驱动衍射光栅的机构，即光谱扫描器制造得足够小以满足该目的。目前可用的太大和太重的电子-机械扫描器驱动器件要求太高的功率，并且以这种方式使用成本太高。

例如，许多常规光谱仪使用某种电机和轴承组件来旋转衍射光栅，通过电机来摆动连杆以驱动衍射光栅。尽管这样的结构能够实现良好的结果，但是这样的结构相对较大、沉重且昂贵。其他常规光谱仪采用摆动电机(有时也称为电流计驱动)来取代电机和连杆。这样的结构不是很昂贵，但是仍然较大、沉重且相对昂贵。

Chen等人的美国专利6,249,346(2001)，Wilke等人的美国专利6,039,697(2000)以及Keilbach等人的美国专利5,931,161(1999)都公开了相对较小尺寸的光谱仪，但是其设计仍然过大且在某些场合较为复杂。

发明内容