JP2004294434A - 音響式ガス分析器 - Google Patents

Abstract

【課題】音響式ガス分析器において、温度プローブの時定数によって生じる測定誤差を低減すること。
【解決手段】分析するガスを通った音響エネルギーの検出した伝搬に依存して第１出力（Ｖｇ）を供給するために配置された音速計測器（１８）と、プローブ時定数を有しかつ測定したガス温度を示す第２出力（Ｔｔ）を供給するために配置された温度プローブ（２２）と、上記の第１出力（Ｖｇ）および第２出力（Ｔｔ）を受け取って、ここからガスの組成情報を決定する計算ユニット（２０）とを有する音響式ガス分析器（２）において、この分析器（２）はさらに信号プロセッサ（３０）を含んでおり、この信号プロセッサを構成して、上記第１出力（Ｖｇ）をプローブ時定数に依存して時間的に適合化し、時間的に適合化された第１出力（Ｖｔ）を供給して前記計算ユニット（２０）内で前記第１出力として使用するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された形式の音響式ガス分析器、すなわち、分析するガスを通る音響エネルギーの検出された伝播に依存して、第１出力を供給するために設けられた音速計測器と、測定したガス温度を示す第２出力を供給するために設けられかつプローブ時定数を有する温度プローブと、上記の第１および第２出力を受け取って、ここからこのガスの組成情報を決定する計算ユニットとを有する音響式ガス分析器に関する。

医用および臨床の環境では、呼吸（吸息および／または呼息）ガスの組成またはその変化を精確に測定できることは有益である。それはこれらによって、例えば、患者の代謝状況についての貴重な情報が供給されるからである。これが当てはまるのは例えばつぎの場合、すなわち機械式呼吸補助手段を患者に備え付けている間であり、ここでは呼気ガス内の酸素および二酸化炭素の相対的および絶対的な量についての知識を使用して、酸素の代謝ならびに呼吸機能についての情報を提供することができる。さらに、吸息ガスにおける酸素／窒素比についての知識は、人工呼吸器、レスピレータまたは麻酔機械などのような機械式呼吸補助手段を使用した呼吸補助の設備を制御および監視するのに有用である。

ガス分析器は、例えば、ＷＯ９２／０３７２４およびＵＳ５２４７８２６から公知であり、これらは、既知の２つのガスからなる混合ガスの比を音響式に分析するためのものでり、ここでこの混合ガスの比は、例えば、機械式呼吸補助手段によって患者に供給される呼吸ガスにおける酸素／窒素比である。ここでは酸素濃度またはその変化を決定することが可能である。公知の分析器は、音波は、通るガスが異なれば異なる速度で伝わるという物理現象を利用している。混合ガス内の音速Ｖｇがつぎの形の式で表されることはよく知られている。すなわち、

であり、ここでＣ_ｐおよびＣ_ｖはそれぞれ、一定の圧力および体積における混合ガスの固有の熱容量であり、Ｍはこの混合ガスの分子量であり、Ｒは一般ガス定数であり、またＴｇはその絶対温度である。したがって既知の温度Ｔｇの混合ガスに対し、この混合物における音速Ｖｇを使用して、このガスの構成要素の相対的な濃度の尺度を得ることが可能である。

一般に公知の音響式ガス分析器は、トランスデューサ装置を有する超音波速度計測器を含んでおり、ここでこのトランスデューサ装置は、流れる混合ガスを含む流管路の１部分または測定セル内で、分析すべき混合ガスを通る音響路に沿って超音波エネルギーを伝送し、またこのように伝送されたエネルギーを受け取るように適合化されている。また上記の音響式ガス分析器は、上記のセルまたは部分内の１点におけるガス温度を監視するために配置された温度プローブを含んでおり、また上記の速度計測器から受け取った信号から上記の超音波の音速Ｖｇを計算するため、およびこの速度と上記プローブから読み取った温度とを使用して上記の式（１）に基づき、混合ガスに対する組成情報を決定するために計算機を含んでいる。

したがって混合ガスの瞬時の組成を決定するためには、このガスの温度と、このガスにおける音速とが同時にわかる必要がある。しかしながら温度プローブの時定数が、超音波トランスデューサ装置の時定数と比べて長いことが多い。この場合、この温度プローブは、ガス内の実際の温度を所定時間分遅延した状況を示すことがある。このことが殊に当てはまるのは、この温度プローブの時定数よりも速い温度変化をこのガスが受ける場合である。したがって音速と温度とを同時に測定することによって、わずかな温度誤差が発生し、この結果、不正確な組成情報が決定されてしまうことになる。このことは、この分析器が呼吸ガスの組成情報の決定に使用される場合に問題になり得る。それは、人工呼吸器システム内でふつうに発生する速度の速いガス圧変化により、温度プローブの時定数よりも速いこともある温度変化が発生することになるからである。
ＷＯ９２／０３７２４ ＵＳ５２４７８２６

音響式ガス分析器において、温度プローブの時定数によって生じる測定誤差を低減することである。

上記課題は、本発明の請求項１により、分析するガスを通った音響エネルギーの検出された伝搬に依存して第１出力を供給するために設けられた音速計測器と、測定したガス温度を示す第２出力を供給するために設けられかつプローブ時定数を有する温度プローブと、上記の第１出力および第２出力を受け取って、ここからガスの組成情報を決定する計算ユニットとを有する音響式ガス分析器において、この分析器はさらに信号プロセッサを含んでおり、この信号プロセッサを構成して、上記の第１出力をプローブ時定数に依存して時間的に適合化し、時間的に適合化された第１出力を供給して前記計算ユニット内で前記第１出力として使用することによって解決される。

音速計測器によって供給される信号を時間的に適合化して、温度プローブによって供給される信号と実質的に整合させることによって、上記の時定数によって生じる誤差を格段に低減することができる。

有利には上記の音速計測器からの信号をフィルタを通過させることでき、ここでこのフィルタを設計して、プローブの時定数に依存して、速度に関連する信号の振幅が時間的に変化するようにする。

有利には、所望の時間的な変化を与えるために選択された特性を有する再帰形のフィルタ、例えばディジタルフィルタが上記のフィルタとして使用される。

以下では添付の図面の図に基づき、本発明の例示的な実施形態を説明する。

以下では図１に示した音響式ガス分析器２を考察する。ガスフロー管路４は、この実施形態に示したように測定セルとすることができ、ここでこの測定セルは、患者の人工呼吸システムの（図示しない）外部の空気回路（pneumatic circuit）と解除可能な結合を形成するために両側に結合要素６，８を有する。またはこのガスフロー管路はこのような空気回路が一体化された部分とすることができる。超音波トランスデューサ装置１０は管路４を基準に配置されており、これによってこの超音波トランスデューサ装置は、超音波エネルギーをこの管路に放射することができ、また管路４内の分析すべきガスを通りパス１２に沿って伝播された後、この放射された超音波を検出することができる。

この実施形態では超音波トランスデューサ装置１０は、共働する超音波送信器１０ａおよび超音波受信器１０ｂを有しており、これらはガスフロー管路４の同じ側に配置されている。この実施形態では超音波反射器１４も設けられており、これは一般にトランスデューサ装置１０と対向して配置されて、送信器１０ａからの超音波を反射して受信器１０ｂに返す。超音波トランスデューサ装置１０は、管路４に超音波を放射し、管路４内のガスを通して伝送される超音波を検出するという基本機能を維持すれば、極めて様々な手法で実現できること、また請求項に記載された本発明から逸脱することなく、これらの様々な手法をうちの任意の１つを分析器２内に使用可能であることを理解されたい。

計測ユニット１６は、送信器１０ａおよび受信器１０ｂに接続されて動作し、これによって音速計測器１８が形成される。計測ユニット１６は、この実施形態において公知のように構成されて動作し、送信器１０ｂを制御して既知の時刻に超音波エネルギーのパルスを放射し、放射されたこのパルスが、管路４内のガスを通ってパス１２を横断し、受信器１０ｂにおいて受信されるまでにかかる時間ｔを測定する。この実施形態では、計測ユニット１６はマイクロプロセッサ装置を含んでおり、ここでこれは、周知のように時間ｔとパス１２の既知の長さＬとから音速Ｖを決定し、またこのように決定された速度Ｖを示す第１出力信号を供給するようにプログラムされている。計測ユニット１６それ自体は、例えば、適切にプログラムされたマイクロコンピュータによって実現可能である計算ユニット２０に接続されている。またこれはこの実施形態においてさらに計測ユニット１６にコマンド信号を供給して、既知のサンプリングレート（通例数ミリ秒オーダのサンプリングレート）で超音波パルスの伝送を起動するように構成されている。

温度プローブ２２は、分析器２の一部として設けられており、またセンサヘッド２４を有する。このセンサヘッドは、ガスフロー管路４の内部のガスの温度を測定するため、有利には音響エネルギー伝送パス１２の近くまたはこの伝送パスに配置される。温度プローブ２２は、ヘッド２４によって測定される温度を示す第２出力信号を計算ユニット２０に供給するように構成される。温度プローブ２２は比較的長い測定時定数を有するため、ヘッド２４によって測定される温度は、音速の決定が行われた管路４内のガスの実際の温度Ｔｇであることも、そうでないこともある。計算ユニット２０は、ヘッド２４によって測定した温度および上記の速度を公知のように利用し、上記の式（１）に基づいて、管路４内のガスについての組成情報を決定するようにプログラムされている。

センサヘッド２４はその周囲と平衡状態になるために有限の時間を要することはよく知られている。ヘッド２４が平衡状態になるのに伴う、プローブ２２によって測定される温度の時間ｔによる変化は、あらかじめ決まったプローブ時定数によって定まる特徴的な形状を有し、これは図２（ａ）および２（ｂ）において破線の時間応答曲線２６によって示した通りである。

また図２（ａ）には音速計測器１８の時間応答特性曲線が示されており、これは実線の曲線２８で示されている。ここから分かるように音速計測器１８は実質的に瞬時に応答して、温度Ｔｇにおける管路４内のガスにおける実際の音速Ｖｇである出力を供給する。

計測ユニット１６は、既知のサンプリングレート（時刻ｔ０からの実線の曲線２８の連続によって表される）で音速測定部を起動するように動作して、温度変化に実質的に瞬時に応答する出力を供給する（時刻ｔ０における実線の曲線２８の垂直な立ち上がりエッジで表される）。この実施形態では、計測ユニット１６の上記の特性が活用されて、摂動が発生した時刻ｔ０が決定される。このために計測ユニット１６はさらに適合化され、連続して測定される音速を振幅のレベルの変化について比較するようにされている。ここでこれは、管路４内のガスの温度変化を示す。したがって時刻ｔ０を、速度計測器１８のサンプリングレートに依存する精度で決定することが可能である。つぎに、検出した温度変化を示す信号が計測器１８から出力される。

図２の（ａ）を参照すると、一般的に組成情報の決定は、管路４内でガスの温度に摂動が発生した（ｔ０）後、時刻ｔ１に計算ユニット２０内で行われる。プローブ２２によって行われる温度測定に付随する比較的長いプローブ時定数に起因して、時刻ｔ１に計算ユニット２０にわたされる温度測定値Ｔｔ１は、その時点ｔ１におけるガスの実際の温度Ｔｇと異なる。この温度Ｔｔ１の異なり方は、プローブ時定数に依存しており、破線の曲線２６によって一般的に示した形状を有する。時刻ｔ１に速度計測器１８から計算ユニット２０にわたされる速度測定値は、上記のように、この時刻ｔ１におけるガス内の音速Ｖｇを真に表している。

温度測定における時間に依存した誤差は、計算ユニット２０内で式（１）に基づいて決定される組成情報の誤差に結び付く。この誤差の大きさは、時刻ｔ１にセンサヘッド２４によって測定される温度Ｔｔ１と、このガスの実際の温度Ｔｇとの間の差に依存する。

図１に戻ると、分析器２の一部として信号プロセッサ３０が設けられている。この信号プロセッサはつぎのように構成されている。すなわち、この信号プロセッサにより、速度計測器１８からの出力が、計算ユニット２０にわたされる前に、温度プローブ２２からの出力に時間的に適合するように構成されているのである。この実施形態では信号プロセッサ３０は、音速計測器１８からの測定信号出力を適合化して、これがプローブ２２からの出力を反映するように、また時間的に振幅が変化する信号Ｖｔを供給するように動作する。ここでこの信号Ｖｔは、管路４におけるガス内での音速の尺度として、計算ユニット２０内で使用するための信号である。この適合化は、プロセッサ３０からの出力である信号Ｖｔの振幅が、実質的にプローブ２２から得られる時間信号の振幅の時間応答曲線である時間応答曲線を有するように選択される。すなわち、信号プロセッサ３０は、計算ユニット２０から見ると、温度プローブ２２が温度変化に緩慢に反応するのと同じように速度計測器１８がこれに反応するように見えるように動作するのである。これは図２の（ｂ）の実線の曲線３２によって示されている。

このために信号プロセッサ３０は、有利には公知の再帰ディジタルフィルタとして構成される。ここでこのフィルタは、出力信号に対して所望の時間応答を達成するように選択されたフィルタ係数Ｋを有し、この実施例ではつぎの形のアルゴリズムにしたがって動作する。すなわち、

ここでＶｇは、固定かつ既知のサンプリングレートで音速計測器１８によって測定される「フィルタリングの行われていない」速度である。信号プロセッサ３０は、この実施形態において計測器１８からの出力を受け取るように構成されており、ここでこの出力は、ガスの温度に摂動が生じたことを示す出力であり、またプロセッサ３０で使用されて、上記のアルゴリズムにしたがった速度信号のフィルタリングを（時刻ｔ０に）開始する出力である。

上記の定数Ｋは、時間に依存する信号プロセッサ３０からの出力の形状と、温度プローブ２２から出力のそれとを繰り返して比較し、有効な整合が達成されるまでＫの値を変化させることによって選択される。これは手動または自動で行うことができ、例えば、計算ユニット２０を使用して、プロセッサ３０からの信号を表すディジタルのデータセットと、プローブ２２からのそれとの比較を行う。

計測器１６，計算ユニット２０，プローブ２２およびプロセッサ３０はすべて別個のユニットとして説明したが、これらのユニットのすべてまたはその一部の、すべてまたはその一部の機能は、請求項に記載された本発明を逸脱することなく、適切な公知のインタフェース電子回路を有する、適切にプログラムされたマイクロプロセッサ装置において組み合わせることが可能である。さらに公知の構成技術を使用して、ディジタルまたはアナログのフィルタの別の構成を行い、所望の形状を有するフィルタリングされた信号を生成することができる。

本発明の音響式ガス分析器の概略ブロック図である。 速度計測器の出力を適合化する前（ａ）および適合化した後（ｂ）について、図１の分析器の音速計測器および温度プローブに対する時間応答特性曲線を示した線図である。

符号の説明

２ 音響式ガス分析器
４ ガスフロー管路
６，８ 結合要素
１０ 超音波トランスデューサ装置
１０ａ 超音波送信器
１０ｂ 超音波受信器
１２ パス
１４ 超音波反射器
１６ 計測ユニット
１８ 音速計測器
２０ 計算ユニット
２２ 温度プローブ
２４ センサヘッド
２６ プローブ時定数の時間応答曲線
２８ 音速計測器の時間応答曲線
３０ 信号プロセッサ

Claims (4)

1. 分析するガスを通った音響エネルギーの検出した伝搬に依存して第１出力（Ｖｇ）を供給するために設けられた音速計測器（１８）と、
   測定したガス温度を示す第２出力（Ｔｔ）を供給するために設けられかつプローブ時定数を有する温度プローブ（２２）と、
   前記の第１出力（Ｖｇ）および第２出力（Ｔｔ）を受け取って、ここからガスの組成情報を決定する計算ユニット（２０）とを有する音響式ガス分析器（２）において、
   該分析器（２）はさらに信号プロセッサ（３０）を含んでおり、
   該信号プロセッサを構成して、前記第１出力（Ｖｇ）をプローブ時定数に依存して時間的に適合化し、時間的に適合化された第１出力（Ｖｔ）を供給して前記計算ユニット（２０）内で前記第１出力として使用するようにしたことを特徴とする、
   音響式ガス分析器。
2. 前記信号プロセッサ（３０）はフィルタ装置を含んでおり、
   該フィルタ装置を適合化して、当該フィルタ装置が、前記の第１出力（Ｖｇ）を受け取り、前記プローブ時定数に依存して、時間に依存する振幅の変化を当該第１出力に発生させるようにした、
   請求項１に記載の音響式ガス分析器。
3. 前記の信号プロセッサ（３０）のフィルタ装置は、フィルタ定数（Ｋ）を有する再帰形フィルタを含んでおり、
   該フィルタ定数（Ｋ）を選択して、前記再帰形フィルタにより、実質的に前記プローブ時定数の時定数を有する、時間的に適合化された第１出力（Ｖｔ）が供給されるようにした、
   請求項２に記載の音響式ガス分析器。
4. 前記の再帰形フィルタはディジタルフィルタである、
   請求項３に記載の音響式ガス分析器。

Images