[发明专利]使用超声的气体感测

说明书

技术领域

本发明涉及使用超声分析多成分的气体，并且尤其涉及使用单芯片 (chip)执行该分析。

背景技术

对呼出气息的分析是现代医院设施中重要的监测工具。通过对流体力 学性能(诸如流量和体积)的分析，能够提取关于肺功能的信息。由于肺 是血液和空气之间进行气体交换的场所，吸入和呼出气息之间诸如O₂、CO₂和H₂O的主要空气成分的差异指示动脉血液气体。麻醉剂的血液扩散也能 够通过呼吸分析跟踪。最后，跟踪诸如NO的标记物能够与肺或气道内的 病理关联。

对呼出气息中CO₂的测量被称为二氧化碳分析(capnography)。二氧化 碳通过有氧代谢在体内产生。然后在被呼出之前由血流将其传送至心脏然 后再到肺。如果患者戴着呼吸器，CO₂继续沿着呼吸路径到达呼吸器。在途 中或者在呼吸器处测量CO₂水平。在返回患者的呼吸系统的循环中去除CO₂并供应O₂。氧气通过肺被吸收到血液中。血液由心脏泵出，从而将氧气传 送至整个身体。随着身体的细胞产生随后由血流传送的CO₂，该循环继续 进行。

二氧化碳分析测量在急救和外科手术中以及对于长期呼吸辅助尤为重 要。

需要识别气管插管或喉罩的正确定位。未能检测错误定位会非常严重 或者是致命的。

ASA(美国麻醉师协会)建议针对接受全身麻醉的每个患者的二氧化 碳分析，并且更一般而言，在建立循环呼吸路径的过程中持续监测和识别 插管或罩相对于患者的正确定位。

呼出气息中的CO₂水平是有助于诊断缺氧，即血液中氧气不足的指示 器，使得能够在医学受检者遭受不可逆的脑损伤之前尽快采取对策。例如， 当有意识但镇静的患者变得过度镇静而进入导致呼吸梗阻的无意识状态 时，会发生缺氧。在这种情况下，能够在早期通过二氧化碳分析检测呼吸 梗阻，而缺氧(其可通过脉搏血氧计检测)发生相当晚，那时补救这种情 况的时间所剩无几。

二氧化碳分析也能够例如检测循环衰竭，例如心脏骤停。如果血液没 有被递送至肺，呼出气息中的CO₂水平下降。这能够在早期通过二氧化碳 分析检测到，从而能够开始复苏。

CO₂也是血液中pH水平的主要贡献者。身体根据pH水平调节呼吸率。

空气的其他主要组分是氧气、水蒸汽和氮气。与二氧化碳水平一样， 氧气水平也具有临床意义，但能够在输入(即，吸入)侧对其进行充分监 测。在一些情况下，例如对于哮喘患者，水蒸汽水平也承载临床意义。

呼出气息中遇到的其他气体包括通过液态物质摄入的乙醇，以及麻醉 剂蒸汽，所述麻醉剂已经被施予从而为手术做准备并在手术期间被持续地 以较低水平提供。

二氧化碳分析能够在两种不同测量配置中的任意一个中完成，即主流 配置和支流配置。在主流配置中，气体传感器装置被放置在进入患者气道 的插管上。其测量整体流量并且具有快速响应。然而，其要求必须将气管 插管放置在患者中。另一方面，支流配置使用小插管，小插管以连续速度 从来自患者的气道中汲取一些空气。所述空气然后经由采样管线到达放置 传感器的旁侧模块。由于气体传输，支流配置比主流配置具有更慢的响应， 但是通过将插管恰好放置在鼻和口的出口处，支流提供了较小侵入的技术。 然而，由于引入了非常低体积采样管线，与支流相关联的较低的时间分辨 率不再有效。

利用超声对气体的首次分析可以追溯到19世纪20年代，当时石英超 声换能器和稳定频率两者都开始广泛应用。

一般用于CO₂检测(二氧化碳分析)的检测技术是4.3纳米(nm)(即， CO₂吸收的波长)的无弥散红外吸收(NDIR)。其被视为满足(60-100ms) 时间分辨率和特异性要求的唯一技术。化学检测也是可行的，并且一般更 为便宜，但其通常引入更长的时间常量，由于该时间常量而无法满足时间 分辨率要求。

使用超声的困难在于将其运动可靠地转移到气体介质的能力。因为超 声换能器和气体介质之间的阻抗失配，这种转移在能量方面一般非常低效。

压电换能器通常用于发射和接收超声，但如果介质是气体，也将面对 这一低效性。