CN112153993B - 用于测量氧合器去除的二氧化碳的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量工作气体中的二氧化碳的装置(1)包括：管状体(7)，其内部输送工作气体；设置在管状体(7)处的光信号的至少一个发射器(8)；设置在管状体(7)处位于发射器(8)的相对侧的光信号的至少一个接收器(9)；设置在发射器(8)和接收器(9)中的至少一者处的加热机构(10、11)；其中装置(1)包括位于加热机构(10、11)附近的至少一个温度传感器(13、14)、可操作地连接到发射器(8)、接收器(9)、加热机构(10、11)以及传感器(13、14)的至少一个控制单元(15)，控制单元(15)包括校正机构，校正机构配置成根据由温度传感器(13、14)测量的温度来校正由接收器(9)检测到的光信号的值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量工作气体中的二氧化碳的装置，具体属于医学领域。
背景技术
此类型装置的一种医疗应用可能是用于体外血液循环回路内。众所周知，在心脏手术期间需建立体外血液循环，其主要目的是灌注重要器官，即向器官供应氧合血以保证其正常功能，基于此目的，体外回路中包括的装置之一包含氧合器，在氧合器中来自患者静脉输入管路的血液在被引入到患者动脉返回管路之前进行氧合。
具体地，氧合器具有工作气体入口通道和出口通道，该工作气体用于向血液供应氧气和/或从血液中去除二氧化碳。
因此，由氧合器去除的二氧化碳的量是评估体外循环效率和性能最重要的参数。
为此，或者为了检测从来自患者的血液中去除的二氧化碳的量，通常使用行业术语称为“二氧化碳检测计”的装置。
这种装置位于工作气体出口通道处，并且包括适于穿过从氧合器出来的气体流的光信号的发射器和与发射器相对的光信号的接收器。由于二氧化碳粒子吸收红外波长范围内的能量，因此容易知道如何通过检测到的信号追溯到存在的二氧化碳量。
由于在光学装置上，即在发射器或接收器上可能存在冷凝，这会改变所得到的测量值，因此一些已知类型的二氧化碳检测计使用适于防止形成冷凝的加热机构。
然而，这些已知类型的装置也有许多缺点。
具体地，所进行的研究表明，随着温度升高，发射的光信号的功率降低。容易理解，这也会改变对检测的二氧化碳量的评估。
发明内容
本发明的主要目标是提供一种用于测量血液体外循环回路中的二氧化碳量的装置，其可有效可靠地检测从血液中去除的二氧化碳量。
基于该目标，本发明的一个目的是在一段时间内进行连续检测。
本发明的另一个目的是提供一种用于测量血液体外循环回路中的二氧化碳的装置，其能通过简单、合理、容易、有效和高性价比的方案克服现有技术的上述缺点。
通过根据权利要求1所述的用于测量工作气体中的二氧化碳的本装置来实现上述目的。
附图说明
根据用于测量工作气体中的二氧化碳的装置的优选但非排他性的实施例的描述，本发明的其它特征和优点将更加明显，在附图的图示中，通过指示性但非限制性的示例示出了实施例，其中：
图1是根据本发明的体外循环回路的示意图；
图2是根据本发明的用于测量二氧化碳的装置的轴测分解图；
图3是图2装置的一部分的轴测图；以及
图4是根据本发明的装置的控制逻辑的示意图。
具体实施方式
具体参考这些图示，附图标记1总体上表示用于测量工作气体中的二氧化碳的装置。
装置1包括：管状体7，在管状体7内输送例如混合气体类型的工作气体；设置在管状体7处的光信号的至少一个发射器8；以及设置在管状体7处位于发射器8的相对侧的光信号的至少一个接收器9。管状体7设置在箱体20a、20b内。在图2所示的实施例中，箱体20a、20b由部分20a和部分20b组成，部分20a和部分20b通过螺纹构件21连接在一起。
适当地，发射器8和接收器9是红外光电二极管类型。发射器8和接收器9由例如InAsSb/InAs型二极管组成。
更具体地，管状体7是由透明材料制成的“吸收池(cuvette)”类型。
装置1还包括设置在发射器8和接收器9中的至少一者处的加热机构10、11。
加热机构10、11至少包括设置在发射器8处的第一加热机构10。
优选地，加热机构10、11还包括设置在接收器9处的第二加热机构11。
有利地，加热机构10、11由设有至少一个通孔12的相应加热元件组成，通孔12面向管状体7，其内插入对应的发射器8或接收器9。加热元件10、11设有连接到电源机构的相应电阻器19。加热元件10、11适当地由导热材料例如金属材料制成。因此，加热机构包括相对于管状体7设置在相对侧上并且面向彼此的两个加热元件10、11，其中第一加热元件10具有插入发射器8的相应孔12，第二加热元件11具有插入接收器9的相应孔12。
加热机构10、11也位于箱体20a、20b的内部。在箱体20a、20b和管状体7之间，以及在管状体7和加热机构10、11之间，适当地插入有例如O形环类型的密封装置22。
在图2和3所示的实施例中，加热机构10、11固定到设置在箱体20a、20b内部的相应支撑元件23a、23b。
根据本发明，装置1包括位于加热机构10、11附近的至少一个温度传感器13、14，以及可操作地连接到发射器8、接收器9、加热机构10、11和传感器13、14的至少一个控制单元15。
装置1包括设置在第一加热机构10附近的至少一个第一温度传感器13。更具体地，第一传感器13与第一加热元件10相关联。
装置1优选地还包括设置在第二加热机构11附近的第二温度传感器14。更具体地，第二传感器14与第二加热元件11相关联。
控制单元15包括校正机构，该校正机构配置成根据由传感器13、14中的至少一个测量的温度来校正由接收器9检测到的光信号的值。
有利地，控制单元15包括用于计算与接收器9在第一动态时间范围内接收的信号的平均值对应的滤波光信号Sf的第一机构、用于计算与温度传感器13、14在第二动态时间范围内测量的平均温度对应的滤波温度Tf的第二机构、以及用于根据下式计算校正的光信号Sc的第三机构25：
Sc＝Sf+(Tr-Tf)xC
其中Sf对应于滤波光信号，Tr对应于预设基准温度，Tf对应于滤波温度，C对应于预设系数。
术语“动态时间范围”是指随着时间移动的预定时长的时间范围，即，时间范围(计算该范围内的对应信号的平均值)随着时间的流逝而移动。
采用动态时间范围计算滤波光信号和滤波温度，可以校正由于加热机构的构造限制引起的任何温度波动以及由于传感器13、14和相应光学装置8、9之间的距离引起的温度测量的不准确性。
优选地，滤波温度Tf对应于第一温度传感器13在第二动态时间范围内测量的平均温度。
基准温度Tr优选地在41℃到43℃之间，例如基准温度Tr等于42℃。
系数C优选地在81到81.5之间，例如系数C等于81.2。
适当地，装置1包括用于控制加热机构10、11的温度的控制机构17、18。控制机构17、18配置成将加热机构10、11的温度大体上保持在预定值。例如，操作者可使用硬件装置设置该预定值。
控制机构17、18配置成使加热机构10、11升温，直到达到预设温度。当超过预设温度，控制机构17、18会中断电流流经相应电阻器19。当加热机构10、11的温度下降到预设温度以下时，控制机构17、18再次使电流流经电阻器19。控制机构17、18可操作地连接到温度传感器13、14，与传感器13、14分开，以及(未在附图中详细示出)设置在加热机构10、11附近。
更详细地，控制机构17、18包括第一加热机构10的第一控制机构17和第二加热机构11的第二控制机构18。
在图1的实施例中，装置1插入到体外血液循环回路中，该回路用附图标记30表示，包括血液氧合器2，血液氧合器2设有至少一个待氧合血液入口3、至少一个氧合血液出口4、至少一个工作气体入口通道5和至少一个工作气体出口通道6，工作气体为例如空气或氧气，用于向血液供应氧气和/或从血液中除去二氧化碳。更具体地，管状体7连接到出口通道6。
有利地，回路30还包括与入口通道5相关联的工作气体流速测量机构16，例如磁通计类型。
更详细地，测量机构16可操作地连接到控制单元15，测量机构16包括用于根据测量的工作气体流速和校正的光信号Sc来计算从血液中去除的二氧化碳的百分比的第四机构。
滤波光信号sf和存在的二氧化碳的量之间的关系是线性的，由下面示出的折线图来表示，横坐标示出二氧化碳的浓度，纵坐标示出以mV表示的所接收的电信号的功率。
CO2％
第一、第二、第三和第四计算机构使用专用软件和/或硬件执行计算。
在执行根据本发明的方法时装置运行如下。
首先，至少需向发射器8和接收器9提供光信号。
更具体地，提供根据上文所述的装置，从而提供了可连接到氧合器2的出口通道6的管状体7，发射器8和接收器9位于管状体7的相对部分。
当体外血液循环开始，通过发射器8发射适于穿过从氧合器2出来的工作气体的光信号，接收器9接收该信号。
本发明涉及的方法还对发射器8和接收器9中的至少一者进行加热以避免在其上形成冷凝，检测加热的发射器8和/或接收器9的温度，以及根据检测到的温度校正光信号。
有利地，校正阶段又包括以下步骤：
-计算与接收器9在第一动态时间范围内接收到的信号的平均值对应的滤波光信号Sf；
-计算与在第二动态时间范围内发射器8和/或接收器9的平均测得温度对应的滤波温度Tf；
-设定基准温度Tr；
-设定恒定值C；
-根据下式计算校正的光信号Sc：
Sc＝Sf+(Tr-Tf)xC
其中Sf对应于滤波光信号，Tr对应于基准温度，Tf对应于滤波温度，C对应于恒定值。
优选地，滤波温度Tf对应于发射器8的平均测得温度。
然后通过与发射的光信号进行比较，处理计算得到的光信号Sc，从而确定工作气体中存在的二氧化碳的量。
还测量进入氧合器的工作气体的流速，从而计算出从氧合器出来的二氧化碳的百分比。
实际上，已确定所述发明实现了预期目的，尤其是重点在于本发明所涉及的用于测量二氧化碳的装置能够获得与从体外回路的氧合器出来的工作气体中存在的二氧化碳量相关的信号，考虑了对相应光学装置(发射器和接收器)进行加热的影响。
特别地，根据本发明的装置可限制由于加热机构的温度波动，以及在加热机构自身而不是在光学装置处检测温度，而造成的光学装置的温度检测误差。
Claims (16)
1.一种用于测量工作气体中的二氧化碳的装置(1)，包括：
-管状体(7)，其内部输送工作气体；
-光信号的至少一个发射器(8)，设置在所述管状体(7)处；
-所述光信号的至少一个接收器(9)，设置在所述管状体(7)处，位于所述发射器(8)的相对侧；
-加热机构(10、11)，设置在所述发射器(8)和所述接收器(9)中的至少一者处；
其特征在于，所述装置(1)包括位于所述加热机构(10、11)附近的至少一个温度传感器(13、14)、可操作地连接到所述发射器(8)、所述接收器(9)、所述加热机构(10、11)和所述传感器(13、14)的至少一个控制单元(15)，所述控制单元(15)包括校正机构，所述校正机构配置成根据由所述温度传感器(13、14)测量的温度来校正由所述接收器(9)检测到的光信号的值。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述校正机构包括用于计算与所述接收器(9)在第一动态时间范围内接收的信号的平均值对应的滤波光信号(Sf)的第一机构，用于计算与所述温度传感器(13、14)在第二动态时间范围内测量的平均温度对应的滤波温度(Tf)的第二机构，以及用于根据下式计算校正的光信号(Sc)的第三机构：
Sc＝Sf+(Tr-Tf)x C
其中Sf对应于所述滤波光信号，Tr对应于预设基准温度，Tf对应于所述滤波温度，C对应于预设系数。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述加热机构(10、11)至少包括设置在所述发射器(8)处的第一加热机构(10)，所述装置(1)包括设置在所述第一加热机构(10)附近的至少一个第一温度传感器(13)，所述滤波温度(Tf)对应于在所述第二动态时间范围内由所述第一温度传感器(13)测量的平均温度。
4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，所述加热机构(10、11)包括设置在所述接收器(9)处的第二加热机构(11)，所述装置(1)包括设置在所述第二加热机构(11)附近的至少一个第二温度传感器(14)。
5.根据权利要求3或4所述的装置(1)，其特征在于，所述加热机构(10、11)包括至少一个相应加热元件，所述至少一个加热元件设有至少一个通孔(12)，所述通孔(12)面向所述管状体(7)并且所述发射器(8)或所述接收器(9)插入所述通孔(12)内。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其特征在于，所述温度传感器(13、14)与所述加热机构(10、11)相关联。
7.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述基准温度(Tr)在41℃到43℃之间。
8.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述预设系数(C)的值在81到81.5之间。
9.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述发射器(8)和接收器(9)是红外光电二极管的类型。
10.一种体外血液循环回路(30)，包括：
血液氧合器(2)，设有至少一个待氧合血液入口(3)、至少一个氧合血液出口(4)、至少一个工作气体入口通道(5)和至少一个工作气体出口通道(6)，工作气体用于向血液供应氧气和/或从血液中去除二氧化碳；
其特征在于，所述回路(30)包括根据权利要求1-9中任一项所述的用于测量二氧化碳的装置(1)，其中所述管状体(7)连接至所述工作气体出口通道(6)。
11.根据权利要求10所述的回路(30)，其特征在于，所述回路(30)包括与所述入口通道(5)相关联的工作气体流速测量机构(16)。
12.根据权利要求11所述的回路(30)，其特征在于，所述测量机构(16)可操作地连接到所述控制单元(15)，所述控制单元(15)包括用于根据测量的工作气体流速和所述校正的光信号(Sc)来计算从血液中去除的二氧化碳的百分比的第四机构。
13.一种用于测量工作气体中的二氧化碳的方法，包括以下步骤：
-提供至少一个管状体(7)，其内部输送工作气体；
-提供光信号的至少一个发射器(8)和所述光信号的至少一个接收器(9)；
-发射穿过所述管状体(7)的光信号；
-通过所述接收器(9)接收所述光信号；
-加热所述发射器(8)和所述接收器(9)中的至少一者；
其特征在于，包括以下步骤：
-测量加热的所述发射器(8)和/或加热的所述接收器(9)的温度；
-根据测量的所述温度校正接收的所述光信号，以获得校正的光信号(Sc)；
-处理所述校正的光信号(Sc)从而确定穿过所述管状体(7)的工作气体中存在的二氧化碳量。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述校正包括以下步骤：
-计算与所述接收器(9)在第一动态时间范围内接收的光信号的平均值对应的滤波光信号(Sf)；
-计算与在第二动态时间范围内测量的平均温度对应的滤波温度(Tf)；
-设定基准温度(Tr)；
-设定预定系数(C)；
-根据下式计算所述校正的光信号(Sc)：
Sc＝Sf+(Tr–Tf)x C
其中Sf对应于所述滤波光信号，Tr对应于所述基准温度，Tf对应于所述滤波温度，C对应于所述预定系数。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，测量的所述加热的发射器(8)和所述加热的接收器(9)的温度与所述发射器(8)的温度有关。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
-提供至少一个体外血液循环回路，所述回路包括血液氧合器(2)，所述血液氧合器(2)设有至少一个待氧合血液入口(3)、至少一个氧合血液出口(4)、至少一个工作气体入口通道(5)和至少一个工作气体出口通道(6)，工作气体用于向血液供应氧气和/或从血液中去除二氧化碳；
-将所述管状体(7)与所述出口通道(6)连接。
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